Embed Size (px)
Citation preview
,r.
'-
GUIA AASHTO PARA "
P AR'TEI: PRlNCIPIO'S DE DISEÑO Y GESTION PARTE 11: PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO DE
. PAVIMENTOS Pi\RA CONS'TRUCCIONES NUEVAS O RECONSTRUCCIONES TR:\DUCIDO POR: iNSTITUTO P.i..RA EL DESARROLLO DE LOS PA \/i\i!ENTOS
r:-,. [,' Pí-r>J i{'rnDD'} i......l·~ __ l .... l\. "-' . .L:.../ l 1
U:\'IA,M,.\YO DE 199í
:.
American Association of State and Transportation Highway OfficiaIs
Comité Ejecutivo 1992
Presidente: Vice-Presidente:
A. Ray Chamberlain, Colorado Wayne Muri, Nfissouri
Secretario/Tesorero: . Clyde E. Pyres, Maryland (vacante) '. Past Presidente InInediato:
iYliembros Regionales Elegidos:
Región 1
Región I1
Región 111
Región IV
Tnomas Downs, New Jersey, 1992 Charles O'Leary, 1993
Thomas Harrelson, Nordl Carolina, 1992 Perry Hand, Alabama, 1993
Jerry Wray, Oruo, 1992 Kirk Brown, i:llinois, 1993
Richard Howard, South Da.kota, 1992 Kermit Kiebert, Idaho, 1993
Responsables de los Comités Permanentes:
" Thon R. Tabb, Mississippi. Administración Ray PetheI, Virginia, P1a.a."1.eamiento Arnold Oliver, Texas, Carreteras
"
Jam'!s W. van Loben SeIs, California, Seguridad del Trafico de Carreteras Fra. .. 1<lin E ..... vrure, New York, Transporte de Agua Ben G. Watts, Florida, Aviación Duane Berentson., Washington, Transporte Público Darrel Rensin..i(, Iowa, Conferencia sobre Ferrocarriles Wayne Muri, ;\fissouri, Investigación . Ho\vard Yenrsalim, Pennsylvania, \[edio Ambieme Dan Huestis, ).,rontana, Comité Especial sobre Comisionados & OE:::.nas
:\ Iiem b ros de Oficio:
Past Presidente: Secretario d¿ Transporte: Director Ejecutivo:
Jhon R. Tabb, \'fississippi .-\ndrew H. Card ir. Francis B. Francois
[SBN 1-56051-055-1
.. ~ ;.~ ... ... .. i._:
• • 41
• • • t
• t t t t t
• I
• • • • • • '. • • • • •
• :'
i
j '
:.
Guía AASHTO® para el Diseño de Estructuras d'e
Pavimentos 1993
Publicado por la AmerÍcan Association of State Highway and Transportation
OffiCÍals (Sociedad Americana de Oficiales Estatales de . Carreteras y Transpones)
444 N. Cn[Jitol Street, N.vV., Suite 249 \Vashington, D.C. 20001
'C D.:rcdlth de Autor, 1936, 1993 pl1r la American ASS"ClaUCII 01" Slate Highway and T:·?n~p(:r\,,¡:on OfTcial:i. Todo:; los D<!f<>CÍ1o:, Keservados. Es~e libro o parles d~ él no pueden ser reprc,-jt:c:~:ll$ en cualquier forma sin ;~ erli1iso e5cri¡o de los responsab¡<!~ de la pubiicac:ón.
-...:. -
' , .
"
:.
SUBCOMITE DE DISEÑO DE CARRETERAS
Presidente: Byron C. Blasch..1.ce, Texas Vice-Presidente: Kenneth C. Afferton, New Jersey
Secretario: Thomas Willett, FffiVA
Alabama, Don Arkle, Ray D. Bass, l.E Carav.ray Alaska, Rodney R. Platzke, TImothy'Mitchell, Boyd
Brownfie!d Arizona, Robert P. Mickelson, Dallis B. Saxcon,
Ioha L. Louis Arkansas, Bob Walters, Paul DeBusk California, Walter P. Smith Colorado, James E. Siebels Connecticut, Sirle R. Munroe, Bradley l. Smith,
James E Byrnes, Ir. Delaware, Michael A. Angelo, Chao H. Hu D.C., Charles E Williams, Sanford H. Vinick Florida, Bill Deyo, Ray Reissener Georgia, Walker Scotr, Hoyt l. Lively, Roland Hinners Hawaii, Kenneth W.G, Wong, Albert Yamaguchi Idaho, Richard Sorensen, Jeff R. Miles Illinois, Ken Lazar, Dennis Pescicelli Indiana, Gregory L. Henneke Iowa, George F. Sisson, Donald L. Eas1, Dave Uctle Kansas, Bert Stratmann, James Brewer,
Richard G. Adams K::!1t:.!ck::t C:-:!:~!S S. ? .. ::.y.7'.::, :0:::1 SJ.~:·:S:::C:!í;
S te','e ',viHiar.:s UJuisiana, Charles M. ;'¡iggins, William Hicke'¡ -
;-"¡¡ck :cali vado - .' ¡,,{alne, Charles Smieh, Waleer Eenrickson :\'1ar1'[and, See':e Dr:!m~l, Roben D. Doug!;;'S5 ?I--fassachusetts, Sherman Eide!man,
Frederick l. Nohe!t:,. ir. yfichigan, Charles J. Ai';:oid :\-1¡nnesóta, ?oge. ~,L Eil! Mississippi, living Harris, \ve:1del T. Ruff,
G!e;¡n Callow 2;:
Z\'1issouri, Frank Ca:-rolt. 30b Sireddo ~,.{ont3n~! D::·/!d S. JohnsO:1. :ton41!¿ S. \Vil~:1~s.
C:lr! S. p~:¡ ~ebraska., G'!;-~~d Gr2'..!:!~ . . \!::.;-vin J. \/off.
E!¿o:i D. ?o;;;:~ ~\!\'~¿~t :',f:c::!~ r ',::, .\!.::-:.:.::. ~:e:/~ ~. C:..:~:;::
:"iC','l :-:3.,,:~~s!:::"'Ct G~ : :..::: S. ?~~"!:-s
~e·.\· Jcrse~': ;(~!1::e:~ ;l.ff::;-::::. \V;!he:- '.'/. C,::,CC:!~!. Charles A. GC~S5e1
;-'¡ew \fcx:co, Joseph P:!c::eco. Claries V. P. T¡:.:jiUo New lark. j. R.oce:-t La:l1oei1. Phi[ip 1. C!:lrk.
~cbc~: . .!. .. Denni,,<)n .'iorth Ca:'"oli:l:l. D.K ({Ju:;} ~~1orton. C.T. ,.-;-c::~~
R:!arin, j.T. Pe:!,:,)..:);. Jr.
North Dakota, D<:!\'id K.O. Leer. Ken Birsr O [tio, Don:
•
•
_. :
L'>Y ~~r;~{¡¡ ~
NSTITUTO PARA EL DESARROLLO DE LOS PAVlil-[ENTOS EN EL PERU
::.
GUIA AASHTO PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS 1993
PRESENTACION
El Instituto para el Desarrollo de los Pavimentos en el Perú se complace en . presentar una traducción libre de la Guía AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimentos, publicada en 1993 con el nombre: AASHTO GUIDE FOR Design o[ Pavement Structures .
Esta traducción cuenta con la autorización de la Asociación Americana de Oficiales estatales de Carreteras y Transporte (AASHIO) y está basada en la traducción del mismo nombre de .. I;I1ayo de 1996, hecha por los alumnos del ante grado y post-grado del curso de Pavimentos de la Universidad y revisada por eL L.J.g~ Gennán y'ivar.
El lDPP considera necesario explicar que se entiende por traducción ·Iibre~· a la que intenta ser textual o literal, pero que necesariamente incluye ténnÍnos en español utilizados en el argot de la ingeniería vial del Perú y que a critl:!rio de los traductores, no afecta el contenido del documento original.
Se hace notar por otra parte, el deslir.c.e de responsabilidades necesario, respecto de las consecuencias de su aplicación por cualquier inseguridad de la Guía.
Lima, Abril de 1997
Calle B:lI;cc!ona 571 - Linu 21 - Perü Te{efax 051-14-614673
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • t t
• • t t t t t t • t t
• t t t t t t t t t t t t t t t •
•
, • r
• • •
• • .~
•
• • •
NOTA J1\tIPORTANTE
La Guia para el Diseño de Estructuras de Pavimentos. cuando fue publicada en 1986, fue publicada en dos volúmenes. El Volumen 1 fue -redac"tádo como una guía básica de diseño y contenía toda la información requerida para entender y aplicar la "Guía" al
: - diseño -de paV=.ú!lefitos. -El' Volwnen 2- . fue una .serie de apéndices preparados para proP9~cionar documentación o mayores explicaciones a la información contenida en el Volumen 1. El yoIumen 2 no es requerido para el diseño. .
Esta edición de la Guía de 1993, contiene solamente un volumen. Este Volumen . reemplaza el Volumenl de- la "Guía" de .1986 y sirve para el mismo propósito. Los mayores cambios incluidos en la "Guía" de 1993 son cambios en el procedimiento de diseño de sobrecapas y los apéndices correspondientes L, M y . N .. Hay otros cambios menores y algo de naturaleza editorial en el nuevo Volumenl. ·- ' --
.- . El Volumen 2- de la "Guía" de 1986 es todavía aplicable a la mayor parte de las seccio~~s: del Volumen r"'.-de-la "Guía" dé "1993 ' Y está di~onible' en AASHTO, 444 N Capitol Streef: -N. ~W., Suite-24-9, Washingt(:i~ D.C. 2000~; 202-624-5800. El Código de solicitud del libro es ~'GDPS3-V2". A continuación se acompaña una copia de la Tabla de
-Contenidos del Volumen 2'de la "Guía" de 1986: __ o
AA. - BB.
CC_ DD. EE. FF. OO. HH. IL JI. rae LL. MM_ Ñ"N.
oo. PP-
." - ~ :;; '... _,. 0': ::_:_,.;. _. -.. :.
APENDICES DEL VOLUlVffi'l 2
Guía para el Diseño de Sistemas de Drenaje Interno de Carreteras . Documento Situacional sobre Gestión de Pavimentos Consideraciones sobre Vida Remanente en el Diseño de Sobrecapas Desarrollo de Coeficientes para el Tratamiento cel Drenaje Desarrollo de la Confiabilidad Relaciones entre el Módulo Resiliente y el Soporte del Suelo Relaciones entre el-Módulo Resiliente y el Coeficiente de Capa Desarrollo del Modulo Efectivo del Suelo" de Fundación Investigación sobre los Niveles Comunes de Confiabilidad Desarrollo de Nomogramas de Diseño Determinación del Factor-J para Pavimentos sin Pasajuntas Desarrollo de Moddos para los Efectos de la Subbase y Pérdida de Soporte Extensión de las Tablas del Factor de Equivalencia- ------ --Recomendaciones para la Selección de un Método AASHTO de Sobrecapas Usando el NDT dentro del Modelo de Comportamiento AASHTO Fundamentos deL Reciclado de Pavimentos Desarrollo de las Relaciones entre NDT y Capacidad Estructural
-' . _.
" . : - . -- .
-" -" ., .; - .."..~;.......:-._ '... ...'-< '_1.. __ -. - ; . _"""'- : .
. ---... ..:..-...-
'.
FUERZA DE TAREA EN P.A VThlENTOS
Regíon 1 ' .. _ :<: : .. , Miembros
Conn~ticut-·· '.' . .:,~",~",.¿t~ch~ies- Dougan . ~
New York <;:; .. .;.: .... Wes Yang :... Pennsylvania . . ,.~ ; '-'Denrus'Mo-rian . Port Authonty of NY & NJ Harry Schmerl
"
FHWA Louis M. Papee (Secretary)
.: ~. ' .. ' .",
Re~gion 2 _ . _
Arkansas Florida
Rabee! L Walters (Yiee Chainnan) oo.· ,_ .. - William N. Lofrooi
Louisiana . - •. North Carolina
Regian 3
lilinois Iowa . Missouri Ohio
Regían 4
California Oregon Texas Utah Washington Wyoming .
. Representadas
. ·'-.-·- -J.B.· Esnard. Jr. .. . ". Ken Creech
_ .. .,; ~~ -- .'" ::-".- . ........ "...
John Ebers George Sisson Frank L. Carroll Arie Morse
Bob Doty . Ira J. Huddleston James·L. Brown (Chairman) Les Jester Newt Jaekson Tom Atklnson
. ~ • • . ' -'o 0 0' ...
Representantes
Tom Heame
Brain MeWaeers Danny Davidson
Wade Betenson
Don Carl.son
Transportation Research Board Stand!ng Committee on Planning Subeommittee on Conseruceion Subcommittee on Ma intenar.ce Subcommitree on yfatcrials Standing Commiucc on Aviation
Daniel W. Dearsaugh; Ir .• Senior Program Officer Fred Van K·irk. \Vese Virginia Dcan M . Testa. Kans:ls Roben W. Mosc!ey. \·!ississippi Larry Eplcy. Ke~tucky Roben Bates. FAA; RCgl!f H. l3arcus . lllinnis:
Craig Smith . South D:ü;ot:l
. . --_ ... --. .... - ,,-::".
t t t t t t t t t t t t
• •
• • • • •
•
•
• •
::
SmVfARlO EJECUTIVO
Uno de los principales objetivos de la Carretera Experimental AASHO, fue proporcionar información que podría ser utilizada para desarrollar criterios y procedimientos de diseño de pavimentos. Según esto, después de completar la Carretera Experimental AASHO, el COITÚté de Diseño (denominado actualmente Comité de Diseño AASIDO), a través de su Subcomité sobre Practicas para el Diseño de Pavimentos, desarrolló y circuló en 1961 la "Guía Provisional AASHO para el diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles". La Guía estaba basada en los resultados de la Carretera Experimental AASHO, suplementada 'por los procedimientos de diseño existentes y en el caso de los pavimentos rígidos, por la teoría disponible.
Después de haber usado la Guía por algunos años, el Comité de Diseño AASHTO, preparó y publicó la "Guía Provisional para el Diseño de Estructuras de Pavimentos - 1972"'. Se hicieron revisiones al Capítulo ITI en 1981, re:~rentes al criter:ode diseño para pavimentos de Concreto de Cemento Portland. La evaluación de la Guia por el Comité de Diseño AASHTO en 1983, llevó a la conclusión que se requerían algunas revisiones y adiciones. Los representantes del gobierno, industria, consultores y académicos, llegaron a la
. conclusión de que la C-uia debía ser fortalecida, incorporándole información desarrolIada desde 1972 y que debería añadírsele una nueva sección sobre rehabilitación. También es pertinente anotar que basados en las respuestas a un cuestionario enviado a los Estados, hubo ¡;na indicación de que la Guía estaba sirviendo ?ara sus objetivos. s::o ::-layares problemas. En orras palabras, los Estados estaban gener~lmente sa¡isfec~cs con la Gui:l, pero había el reconocimiento de que debian hacerse algunas mejoras.
Basados en la evaluación gener:ll ée los datos de ingreso por las agencias usuarias y el estado de la investigación, la Fuerza de Tarea AASHTO determinó que las revisiones de la Guia deberían retener las ecuaciones de. predicción _.. del comportamiento de la Carretera Experimental AASHO, con las
modificaciones usadas para la Guía de 1972, como modelo básico para el diseño de pavimentos. Esta determinación también estableció al índice de serviciabilidad presente (pSI) como la variable de comportamiento en la que debería basarse el diseño.
Los mayores"cambios que han sido incluidos en la Guía revisada incluyen las siguientes consideraciones:
1. Con fiabilidad. El procedimiento para diseño de pavimentos flexibles y rígidos porporciona un método común para incorporar un factor de confiabilidad en el diseño, basado en los cambios en el tráfico de diseño.
2. Valor de Soporte del Suelo. Se recomienda el método AASHTO T 274 (módulo resiliente de los suelos de fundación) como el ensayo definitivo para. caracterízar el soporte del suelo. Esta propiedad del suelo se recorruenda ¡Jara ser usada evn pavimentos flexibles y rígidos.
3. Coeficientes de Capa (pavimentos" flexibles) . El ensayo del módulo resiliente ha sido recomendado como el proced.i.rn.iento a ser usado en la asignación de los coeficientes de capa para materiales estabilizados y sin estabilizar .
[NOTA: En la Guía se proporcionan las referencias para relacionar el módulo resiliente con el valor soporte del suelo; sin embargo, se alienta a las agencia:: usuarias para que adquieran el equi¡;o y ei ;:ersonal entrenado para ::1ecÍr drre-::amente e[ m.ódulo resiiiente]
4. Drenaje. Se han tomado las precausiones en la Guia para proporcionar a~1Jdas para el diseño de les si~e:nas ¿e drenaje 5ubterrbeo y para modificar ¡as ecuaciones de diseño :omando en c:.:e:Jta las mejoras en el comportamiento deb.ido a un buen drenaje.
5. . Medio Amoience. Se han hecho mejoras a la Guia para ajustar los diseños en función del medio 3.mbience. es decir,
---... :.:. ... -~~;;.::. - , ~'-
hinchamientos por helada, expansión de suelos y ablandamienco por deshielo. Se pone el mayor énfasis al ablandamiento por deshielo y al efecto que las variaciones estacionales tienen sobre el comportamiento.
6. Bennas unidas a la pista y can-iles ensanchados (pavimentos rígidos). Se proporciona un procedimiento para el diseño de pavimentos rigidos con bermas unidas o carriles exteriores ensanchados.
7. Erosión de la sub base. Se proporciona un método para ajustar las ecuaciones de diseño a fin que representen las posibles erosiones bajo los pavimentos rigidos.
8. Costos durante el ciclo de vida. Se ha añadido información relativa al análisis económi<!O y a las comparaciones económicas de diseños alternativos basados en los costos durante el ciclo de vida.
9. Rehabilitación. Una adición importante a la Guía es la incLusión de una sección sobre rehabilitación. Se proporciona información para la rehabilitación con y si:l soorec2pas.
: O. Gestión de ?avimentos. Se proporciona infOrmación básica concerniente a la gestión de pavimentes y el rol de Guía en el esquema general de
la la
geStión de pavimentos. 11 . Valores de equivalencia de cargas. Se
han extendido los valores de
equivalencia de carga para incluir cargas mas pesadas, mas ejes y niveles de serviciabilidad terminal de hasta 3.0.
12. Tráfico. Se proporciona una información extensa concerniente a los métodos para el cálculo de cargas por eje simple equivalente y problemas específicos relativos a la obtención de estimados confiables de las cargas del tránsito.
13 . Caminos con bajo volumen de transito. Se proporciona en la sección de diseño una categoria especial para el diseño de pavimentos sujetos a un relaúvamente pequeño número. de cargas pesadas.
14. Procedimiento de a/seno empiricomecanÍstico. Se proporciona el estado de conocimientos concerniente a los conceptos de diseño empmco-mecanísticos. Dado que estos procedimientos aún no han sido incorporados en las Guías, se proporciona una información extensa acerca de como tales métodos podrian ser usados en el futuro. cuando se disponga de infurmación suficiente.
..
• • • • • • • • • • • •
• • • • • •
• • • • • • • •
• • • • • • • •
•
PREFACIO
Cuando se consideran los costos de construcclon., manterumlento y rehabilitación., el único elemento de mayor costo en nuestro sistema nacional de carreteras, es la estructura del pavimento. En un esfuerzo por reducir este' costo, los departamentos estatales de carreteras y transportes y el Gobierno Federal han apadrinado un programa continuo de investigación en pavimentos. Un resultado de tal esfuerzo investigador fue la Guía para el Diseiio de Estntcturas de Pavimentos publicada en 1972 y revisada en 1981. Ella estaba basada principalmente en los hallazgos de la Carretera Experimental AASHO.
Debido a que este es un tópico importante, la Fuerza de Tarea (Task Force) en Pavimentos compuesta por los miembros del Subcomité de Diseño, con un miembro de cada uno de los Subcomités de Materiales, Construcción y Mantenimiento y uno del Comité de Planeamiento de la-' AASHTO - fué asignada a "la tarea de reescribir la Guía Provisional incorp.orando nuevos ¿esarrol!es y dirigiéndose específicameme a la reÍlabilitación de les pavimentes.
Debido a que se encontró que muchos estados empleaban por lo menos partes de la Guía Provisional y debido a que no habían otros procedimientos aceptados de m~era general, se decidió que esta Guía deberia mantener los algoritmos básicos desarrollados a partir de la carre:era Experimental AASHO, cal como habían sido usados en la Guia Provisional. Debido a que la Carretera Experimental estaba limitada en alcances, es decir, pocos materiales, un solo tipo de sub rasante, tráfico no mezclado, un solo medio amb¡er:~e, etc., la Gu:a Provisional original contenía muóos modeios ad~c:onales para expandir !.! armazón. de ca! furma que los diseñadores pudieran considerar otras condiciones. La nueva Guia ha sido posteriormente expandida con las 1.+ siguien:<!s ccnsi¿erac:cnes mas ::nponantes:
(1) (2)
Confiabiiidad Módulo Resiliente para el Soporte del Suelo
(3) Módulo Resiliente para los Coeficientes de Capa de Pavimentos Flexibles
(4) Drenaje (S) Consideraciones Mejoradas de
Medio Ambiente (6) Bermas de Concreto Unidas a la
Pista o Carriles Ensanchados (7) Erosión de la Subbase para
Pavimentos Rígidos (8) Consideraciones de Costo durante
el Ciclo de Vida (9) Rehabilitación (10) Gestión de Pavimentos (11) E'<tensión de los Valores de
Equivalencia de Carga (12) Datos del Tráfico Mejorados (13) Diseño de Pavimentos para
Carreteras con Bajo Volumen de Tráfico
(14) Estado de Conocimientos sobre los Conceptos de Diseño EmpíricoMecanístico
La Fuerza de Tarea reconoce que ex:s:;! t!::,a considerable información para diseñar pavimentos que utiliza los denominados modelos mecanísticos. Además, cree que ocurrirán mejoras en "el diseño de pavimentos cuando esos modelos mecanisticos sean calibrados con el comportamiento en servIcIo y sean incorporados a! uso diario. La Parte rv de este documento resume el estarus empiricoímecanístico.
Con el objeto de proporcionar aproximaciones sobre el estado-del~arte sin recurrir a largas investigaciones ,se muestran valores y conceptos que tier:en so pone ¡imicado en la investigación o !a experie:1cia. Cada us..:ario deberá considerar esto como un doc:;mento de reterencia y evaluar c!..!:caccsa=::ente su ne::esl¿2.U de cada cence;:¡ro y qué vaiores iniciales deberá utilizar. ?ara un eso mas er"ec;:ívo de la Guia, se sugiere que el usuario adopte un prccec:::;::emo s:míiar al siguier:~e:
(¡ j Conducir un estudio de sensitividaci ¡¡ara C:e~ermi;lar <1l.!e datos de entrada tienen un efecto significativo sobre las respuestas al
(2)
(3)
(4)
diseño de pavimentos, para su rango de condiciones. Para aquellos datos de entrada que son insignificantes o inapropiados, no se requiere un empeño adicional.. Para aquellos que son significativos y que el estado tiene datos o métodos suficientes para estimar los valores de diseño con 'seguridad adecuada., no se requiere esfuerzo adicional. Finalmente, para aquellos datos de entrada sensitivos, para los que el estado no tiene datos de metodología para desarrollarlos, será necesario llevar a . cabo una investigación. Debido a la · complejidad del diseño de pavimentos y a la extensión de esta. Guía., se anticipa que alguna investigación adicional será efectiva desde el punto de vista del costo para cada una de las agencias, a fin de utilizar de manera óptima la Guía.
Un evento significativo, como es·el esfu ·~rzo de inve~!gación sobre el compor.a..-nier:m de los pavimentos, que es<á siendo llevada a cabo por el Programa Estratégico de Investigación de Carreteras (Strategic Highway Research Program -SHRP), deberá ayudar tremendamente en la mejora de este documento.
.:; ..
La Fuerza de Tarea cree que el diseño de pavimentos está pasando gradualmente de ser un arte a una ciencia. Sin embargo, cuando uno considera la naturaleza nebulosa de tal dificultad y los datos de entrada importantes en las consideraciones de diseño como son la previsión del tráfico; la previsión del clima; el control durante la construcción; las prácticas de mantenimiento; etc.; los diseños exitosos de pavimento~, dependerán siempre del buen juicio del diseñador.
Finalmente, la tendencia nacional a desarrollar e · implementar sistemas de gestión de pavimentos, PMS (pavement Management Systems), le parece a la Fuerza de. Tarea de extrema importancia en el desarrollo del buen juicio necesario para los diseñadores de pavimentos así como para proporcionar muchos otros elementos necesarios en el buen diseño, es decir, información para soportar recursos adecuados y destino de los fondos.
La Fuer=a de Tarea ~.ASHTO en Pav;melltos.
4 t
• t
•
G t
t 411
• t
•
• •
•
• •
• • • • •
•
• • • • • • •
•
TABLA DE CONTENIDO
Capítulo 1 Introducción y Antecedentes .................................................................................. 1 1.1 Alcances de la Guía ....................................................................... : ................................... 1 1.2 Consideraciones de Diseño ................................................................................................ 4 13 Comportamiento de los Pavimentos .................................................................................. 8 1.4 Tráfico ................................................................................................................................ 12
1.4.1 Evaluación del Tráfico ........................................................................................... 12 1.4.2 Limitaciones ...................................... ........................................... ......................... 17 1.43 Casos Especiales ................................................. , ................................................. 18
1.5 Suelo de Fundación .......................................................................................................... 18 1.6 Materiales de Construcción .............................................................................................. 22
1.6.1 Pavimentos Flexibles ............................................................................................ 23 1.6.2 Pavimentos Rígidos ................................................. : ............................................ 31 1.63 Bennas ................................................................................................................... 34
1.7 Medio Ambiente ................................................................................ , .............................. 35 1.8 Drenaje .............................................................................................................................. 42
1.8.1 Consideraciones Generales de DiseIlo ................................................................ .43 1.8.2 Diseño del Drenaje SubterráÍl.eo de Pavimentos ............................. .................... 44 1.83 Incorporación del Drenaje dentro de la Guía ............. _ ............................... : ....... 44
1.9 Diseño de Bennas ............................................................................................................. 45
Capí~o 2 Gestión de Pavimentos Relacionada con el Diseño a Nivel
2.1 2.2
2.3 2.4
de Proyecto ........................................................................................................... 47 Relación entre Diseño y Gestión de Pavimentos .............................. ............................. .48 La Guía como un Subsistema Estru~tural para ün PMS a nivel de Proyecto Estatal ................................................................................................................ 5ó Selección del Tipo de Pavimemo ....... .-.... -: ..... .. ......................................... ....................... 56 Gestión de Pavimentos a nivel de Red ........................................................ ................... 57
Capítulo 3 Evaluación Económica de las Estrategias Alternativas para el Diseño de Pa vimentos ..................................................................................... 58
3.1 Introducción .................................... .................................................................. ............... 58 3.2 . Costos del Ciclo de Vida ................................................................................................ 58 3.3 - Conceptos Básicos ................................................................... ......................... ............... 59 3.4 Defrniciones Ralacionadas con el Análisis Económico ................................................. 60
3.4.1 Costos de Mejoramiento del Transporte; .............................................................. 60 3.4.2 Beneficios de los Usuarios ....................................... ........................................... 61
3.5 Factores Involucrados en los Costos y Beneficios de los Pavimemos .......................... 63 3.6 Costos del Capital Inicial (Costos de Inversión) .... ..................... ................................... 64
3.6.1 Costo de Mantenimiento ........................................... .. ...................... .................. 64 3.6.2 Costos de Rehabilitación y Recapado ....................... ...... .................... ................ 65 3.6.3 Valor Residual o de Rescace ...................................................... ....... .. ............. .. . 67 3.6.4 Costo del Usuario ......................................................... .............. ......................... 67 3.6.5 Costos al Usuario por Demoras en el Tritico .................................. .................. 68 3.6.6 Identificación de los Beneficios del Pavimento: .................................. .............. 69 3.6.7 Período de AnáLisis ....................... .. .... ........... ... ......................... ... .. ... ................. 70
3.7 Metodos de Evaluación Económica ................................... .................... ......... .......... ...... 70 3.8 Dis\::.::ión ¿e las Tasas é~ In~~:-és, ~2.ctores de I::f!ac¡é::
y Tasas de Decuentos ........ : ........................................................................................... ,. 71 3.8.1 -Desctiento" 'y Costo de OportUnidad del CapitaL ............................................... 72
..' -',' _. ,"."
:.
3.8.2 Inflación ............................................................................................................... 73 3.9 Ecuaciones para Análisis Económicos ............................................................................ 74
3.9.1 Método del Costo Anual Uniforme Equivalente ..................... ~: ........................ 74 3.9.2 lvletodo del Valor Presente .................................................................................. 75 3.93 Resúmen ............................................................................................................... 79
Capítulo 4 Confiabilidad ........................................................................................................ 80 4.1 DefIniciones ...................................................................................................................... 80
4.1.1 Defmiciones Generales de Confiabilidad ............................................................. 80 4.12 Definición de Sección del Pavimento Diseñado .................................................. 81 4.13 DefInición de la Condición del Pavimento, Cargas por Eje
Acumuladas y Variables de Comportainiento del Pavimento ............................. 83 4.2 Componentes de la Varianza y Factor de Confiabilidad de Diseño ............................... 86
4.2.1 Componentes de la Variabilidad del Diseño-Comportamiento del Pavimento ....................................................................................................... 86
4.2.2 Distribución de Probabilidades de las Desviaciones Básicas ............................. 88 . 4.23 Defmición Fonnal del Nivel de Confiabilidad y Factor
de Confiabilidad de Diseño ................................................................................. 91 4.3 Criterio para la Selección de la Desviación Estandar Total .......................................... 94 4.4 Criterio para la Selección del Nivel de Confiabiliáad ...................................... ~ ............ 95 4.5 Confiabilidad y Alternativas en la Construcción por Etapas ......................................... 96
Capítulo 5 Resúmen ................................................... : ..... ~ ..................................................... 99
Referencias a la Parte L .......................................................•.................................................... 1 00
41 41
41
• 41
• • • • • •
•
•
• e
(
e l-r " l
~ r
AAS HTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES· 1993
GUIA AASHTO PARA EL DISEÑ-O DE ESTRUCTURAS DE PAVL.v!El'trOS - 1993
Basada en la Publicación de la AASHTO AASHrO Guide for Design·of Pavements Structures - 1993
PARTE 1 DISEÑO DE PAVIMENTOS Y PRINCIPIOS DE GESTION
CAPITULO 1 INTRODUCCION y ANTECEDENTES
1.1 ALCANCES DE LA GUIA
E~ta Guia para el Diseño de . Estructuras de Pavimentos, proporciona un grupo completo de proceqimientos, los cuales puede31ser usados para el diseño y rehabilitación de pavimentos: rigidos (superficie de concreto de cemento Portland), flexibles (superficie de concreto asfáltico) y superficies de agregados~ para caminos de bajo vol umen de tránsito. La Guia ha sido desarrollada para proporcionar recomendaciones concernientes a la deternúnación de la estructura de pavimentos, cqmo se muestra en la Figura 1.1. Esas recomendaciones incluyen la determinacion del espesor total de la estructura del pavimento, así como el espesor de los componentes estructurales individuales. Los. procedimientos para el diseño preven la determinación de estructuras alternativas, utilizando una variedad de materiales y procedimientos- de construcción. .
En el Apéndice A se proporciona un glosario de términos. Se reconoce que _ algunos de los términos usados pueden diferir con_los términos empleados en las practicas
locales; sin embargo, es necesario establecer una terminología estandar para facilitar la preparación de la Guia . para su uso en todo el país. Donde ha sido posible se han usado las definiciones de la AASHTO.
Deberia recordarse que el grupo total de consideraciones requeridas para asegurar el comportamiento confiable de una estructura de pavimento, incluye muchos factores diferentes a la determinacion de los espesores de los componentes estructurales. Por ejemplo, los requerimientos de materiales, los requerimientos de construcción y control de calidad, influirán significativamente en la capacidad de la estructura del pavimento, para comportarse según las expectativas del diseño. En otras palabras el "diseño de pavimentos", involucra más que escoger espesores. Las informaciones concernientes a los requerimientos de materiales y contruccíones serán brevemente desarrolladas en esta Guia, sin embargo, un buen diseñador de pavimemos debe estar familiarizado con las publicaciones pertinentes de la A.:\SHTO y de la ASnr, asi como de [as agencias locales estatales o municipales, para las que se prepara el estudio. Es extremadamente importante que ei diseñador haga provisiones especiales para las especificaciones estandar, cuando las circunstancias indiquen que existen condiciones no estandar para un proyecto específico_ Ejemplos de tales condiciones podrian involucrar un suelo de fundación ex-pansivo o de materiales no estandar, los cuales van a ser es¡abilizadoS" para su uso en la
- i -
":- -:-' -..-- ...
~
.; ••
I 1 I
f.
-- 21 -:-~ 20 - --r 5 19 -1'-- . .........-8' 18 --:=-
/ ~11 •.• ~~-~ .
• J
13
~~,,_ ~¡ ::J ;u;;':" ; .. ; ... <::.7.: .::,; .. ::: .. ::.::, • ~I" 9 6 I 16 j',7,/<// . _ _ _ _ú'/ I f 'l/??'/?"fl>.
=-l ---1 ~ ______ -------- . ~ 14 ~
~ - - - - --l ---
-
/ . '1.
~L.--
I 15
-"III .. "~:
SecciÓ1\ de Pavime1\to Flexible
1.- TALUD DE RELLENO 2.- TERltENO NATURAL 3.- DIQUE 4.- MATERIAL SELECCIONADO O SUELO
DE FUNDACION PREPARADO 5.- RECllnRIMIE~TO DE LA BERMA 6.- SUI'W:\SE 7.- CAPA DE BASE B.- CAPA DE SUPERFICIE 9.- LOSA DE PAVIMENTO 10.' TALUD DE LA CUNETA
I
Sección de Pavimento Rigido
11.- TALUD DE CORTE 12 .- BASE DE LA BERMA 13.- BOlviBEO ll\.- SUBRASANTE 15.- SUELO DE FUNDACI0N 16.- ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO 17.- TALUD DE LA BERMA 18.- CARRILES DE CIRCULACION' 19.- BERMA 20.- ANCHO DE VIA . 21.- CAMA DE LA VIA
•
Termi1\os de Di5ci\o c5tructural :.
Figurll 1.1 Secciones Típicns pnl'lI Estrllcturns de »nvimentos Flexibles o Rigidos
..
Nota: Ver la Figura lJ pllm ejemplos de sección con slIbdreuaje
A -
l'
1.1
• • • • • • • • • • • • •
~ •
.'
AASHTO GUlDE FOR DESIGN OF PAVE:'!ENT STRUCTURE.S . 1993
estructura del pavimento o en el suelo de fundacion preparado. La Parte r de esta Guia ha sido preparada como información básica para ayudar al
usuario en la correcta interpretación de los procedimientos de diseño y para-proporcionarle una comprensión de los conceptos usados en el desarrollo de la Guia. En los Apéndices se dá información detallada relacionada a un cierto número de consideraciones de diseño, como por' ejemplo: confiabilidad, drenaje, costo]> qel ciclo de vida, tráfico y selección del tipo de pavimento. Las referencias usadas en lá preparacion de la Guia se podrán encontrar al finalizar cada una de las 4 partes principales.
La Pa'rte I, Capitulo 3 de la Guia proporciona información concerniente a la evaluación económica de las ~strategias alternativas de diseño de pavimentos. No debería concluirse que la sele'cción de un diseño de pavimentos, debe estar basada solamente en aspectos económicos. Hay un número de consideraciones involucradas en la selección del diseño final. El Apéndice B de la Guia relativo a la sele,cción del tipo de pavimento, proporciona una lista extensa de pauta~, las cuales deberían ser usadas al comparar estrategias alternativas -de diseño.
r..a Parte Ir de esta Guia proporciona un método detallado para el estudio de pavimentos nuevos o para la reconstruccoón de pavimentos sobre el mismo alineamiento existente, con materiales nuevos o reciclados.
La Parte ID de esta Guia proporciona métodos alternativos para la rehabilitación ~e pavimentos con o sin la adición de una sobrecap~ La Metodología usada en esta parte de la Guia, representa el estado del conocimiento, teniendo en cuenta el deterioro de la estructura de un pavimento antes y después de aplicarle una sobrecapa. Se reconoce que existen métodos alternativos para la determinación de los requerimientos de sobrecapas, algunos de los cuales son citados en el Apéndice C. El método incluído en la Parte IrI, es de algún modo más básico en conceptos que otros métodos existentes y tiene asimismo la facultad -de aplicarse a diferentes tipos de sobrecapas, por ejemplo, de pavimentos flexibles
- . sobre rigidos, de pavimentos flexibles sobre flexibTés, de pavimentos rígidos sobre rígidos y de- pavimentos rígidos sobre flexibles. El método también es compatible con los conceptos de comportamiento y diseño usados en.: la Parte n. De esta forma, la consideración de factores tales como: drenaje, conñabilidad y tráfico es la mismas para estructuras de pavimentos nuevos y rehabilitados (sobrecapados) . .
El estado del arte de los procedimientos para la rehabilitacion de estructuras de pavimentos sih sobrecapa, incluyendo drenaje y uso de materiales reciclados, son enfatizado
. en la" Parte III. Estas técnicas representan una alternativa para las sobrecapas; que pu~4en reducir los costos a largo plazo y satisfacer las restricciones de ..diseño asociadas con situaciones esnecificas de diseño. - .
En el proceso de rehabilitación de pavimentos, es importante determinar primero, cual es la parte mala en la estructura del pavimento existente. Los detalles del método para la interpretación de la información están contenidos en la Parte nI. Un procedimiento para medir o evaluar la condición de un pavimento está dado en el Apéndice K y Referencia 1. Se en.c:..:e:l~ra lejos del alcance de esta Guia discutir- los mé~tos de los diferentes éétodcs y equipos que pueden ser usados para evaluar la condición de un pavimento. Sio embargo, se considera esencial que se realice ~n~ investigac~~~ _detallada de la condición ames de desarrollar una serie de planes y especificaciones para un proyecto específico. Si es posible, el diseñador debería participar en la investigación de la condición. De esta fama será
3
--- -~ - - . -" --,- - -:.-. .. . - . ----. ... -~~.-: .... ~ . - - . ~". -- .,¡,.-=: :.-:::'-~ ~
AAsma GtJIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTUR.E.S ·1993
posible determinar si los tratamientos o métodos especiales pueden ser" apropiados para las condjciones del sitio, específicamente, si las condiciones garantizan la consideración de investigaciones detalladas pertinentes a las necesidades de los aspectcs de drenaje.
La parte IV de esta Guia proporciona un marco de trabajo para futuros desarrollos para el diseño de estructuras de pavimentos , utilizando procedimientos de diseño mecanistico. Los beneficios asociados con el desarrollo de estos métodos son debatidos; un resumen de los procedimientos existentes y un marco de trabajo para el desarrollo, son los intereses de esa parte de la Guia.
1.2 CONSIDER~CIONES DE DISEÑO ,
El método de diseño proporcionado en esta Guia ' incluye consideraciones de los siguientes elementos
- Cada uno de estos factores es discutido en la Parte 1. Las Partes n, III v IV, contienen esos conceptos y procedimientos y los incorporan en una metodología p~ra el diseño de estructuras de pavimentos.
Es conveniente resaltar que mientras la Guia describe y proporciona un método especifico para ser usado en la determinación de un diseño alternativo, o reco.mendaciones específiéas de ' reb:abilitación para la estructura del pa\.'Ímento, existe un número de consideraciones que son dejados para la determinación final por el usuario, por ejemplo: coeficientes de drenaje, factores ambientales y serviciabilidad terminaL . .
La Guía por si misma posiblemente no puede abarcar todas las condiciones locales específicas que ocurren en cada regíon de los Estados Unidos. Por lo tanto, es n~cesario para el usuario adaptar las experiencias locales al uso de esta Guía, Po r ejemplo : los materiales locales y el m~di.o ambiente pueden vanar sobre un rango enremadamem~ amolio en un estado v entre estados.
La Guía U;tenta proporcionar' los procedimientos para la evaluación de los materiales v el medio ambiente· sin embarO"o en el caso donde la Guía varíe
• '::>
respecto de la experiencia local probada y documentada. dicha experiencia prevalecerá. EZ ¿iseña.áor necesitará concentrarse en algur.os c;.spectos á¿l áiseño .. tos cuales no
t t
-•
•
I
•
• • • • • • • • • • • •
• •
AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PA VDfEN'f STRUCTURES o 1993
siempre están explicados al detalle en esta Guía. Por ejemplo: las necesidades de materiales y especificaciones para la construcción no se encuentran detalladas en esta Guía aunque sean consideradas importantes en el diseño global _d.e la estructura de un pavimento. Las especificaciones de diseño y espaciamiento de juntas necesitarán una consideración más cuidadosa. El efecto de las variaciones estacionales sobre las propiedades de los materiales y una evaluación del tráfico para el proyecto, son aspectos en los cuales el diseñador deberá investigar más a fondo.
Las ecuaciones básicas de diseño usadas para pavimentos flexibles y rígidos, en esta Guía son como siguen: . . ,~
Pavimentos Fle:ribles
r ~ PSI ] loglo
_4.2 - 1.5 -----------------+
1094 0.4 +
(SN + lio19
. 2.32 x log 10 (MR) - 8.07 ---------------------------------------------------- (1 0 2.1)
donde :
'tI.lS = NÚiñero previsto de aplicaciones de carga. por eje simple equivalente a 18 kip Zr - Desviación estandar normal. So - Error estanciar combinado de la predicción del-tráfico y de la predicción del
comportamiento de la estructura_ 6..PSI= Diferencia entre el indice de serviciabilidad inicial de diseño, Po Y ef índice de
seviciabilidad terminal de diseño, Pt; Y ~fR = ~fódulo resiliente (psi)
SN es igual al nÚII?-ero est.~ctu!al ~di.cao~i~o del espesor .. t0t.al. de pav~en~o requerido: • o
donde a¡ = Coeficiente de capa i Di = Espesor de capa i (pulgadas) mi = Coeficiente de drenaje de la ca~a
Pavimentas Rígidos 0
0
5
AASHTO GtJ1DE FOR DESIGN OF ?AVE".'YfE~'T STRUCTURES • 1993
log" [::~:.J logLO (W 18) = ZR X So + 7.35 X logLO (D + 1) - 0.06 +
1.624 x 10í
1+ (D + 1)8.46
S'c X Cd X (DO.75 -. 1.132) -------- (1.2.2) + (4.22 - 0.32 X Pt) x loglo
215.63 x J fa." - 18.42
(Ec
/k)o.25
donde :
Número previsto de aplicaciones 'de carga por eje simple equivalente a 18 kip. Desviación estandar normal Error estandar combinado de la predicción del tráfico y de la predicción
del comportamiento. D - Espesor (en pulgadas) de la losa del pavimento. 6. PSI= Diferencia entre el indice de serviciabilidad inicial de diseño Po Y el índice de
serviciabílidad terminal de diseño Pt. S -e = ~fódU[o ere rotura (psi) para concreto de cemer}to portlañd usado en un
J
Cd = E = e
k =
proyecto específico. Coéñciente de transferencia de carga usado para adaptarse a las características de transferencia de carga de un proyecto específico. Coeficiente de drenaje. Nfódulo de elasticidad (psi) para concreto de cemento portland. Módulo de reacción de la sub-rasante (pci).
·Los nomogramas de diseño presentados en la Parte Ir, resuelven estas ecuaciones para el número estructural (SN) en pavimentos flexibles y para los espesores de losas en pavimentos · rigidos.
El número estructural es un número abstracto que expresa la resistencia estructural de un pavimento requerido para combinaciones dadas de soporte del suelo (::\-f?J, tráBea rotal expresado en cargas por eje simFle equivalente de 18 kips, serviciabilidad cerminal y medio ambiente. El número est.-uctural requerido SN debe ser conv-e:-::c:o a eSDesores actuales de superI!.c:e, c2.se v subcase, ::cr rr:ec.tc ce coeficientes de capa 'apropiados, que representan la resistenci; relativa de'los materiales de construcdén. Los valores promedio de los coeñc~entes ce capa Far2. r:;2.tenates usados en la carretera experimental AASHO son:
6
: • 41 I
• • • • • ti
• • ti
I
• • •
-•
• • •
•
~--• •
AAsaro GUIDE FOR OESIGN OF PAVEMENr STRUCTURES - 1993
Los coeficientes de capa dados en la Parte TI, están basados en análisis extensos resumidos en el reporte 128 de la NCHRP, "Evaluación de la Guia AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimentos" (1972). -En efecto, los coeficientes de capa están basados en el módulo elástico MR y han sido determinados -en base a cálculos de esfuerzos o deformaciones en un sistema de pavimentos multicapa. Utilizando estos conceptos, el coeficiente de capa puede ser ajustado, incrementando o decrementando, para mantener un valor constante de esfuerzo o deformación requerido para proporcionar un comportamiento comparable. .,
La Parte Ir detalla como se ha de tratar cada una de las consideraciones de diseño para la selección del valor SN y como descomponerlo en capas de acuerdo a las propiedades de los materiales y su función; ejem: superficie, base, sub-base, etc. El espesor· de la losa del pavimento, en pulgadas, está proporcionado directamente de los nomogramas de diseño.
~ Es importante reconocer que las ecuaciones (1.2.1) Y (1.2.2) fueron derivadas de uria información empírica obtenida de la Carretera Experimental AASHO. Así, tales ecuaciones representan un buen ajuste de las observaciones en la Carretera Experimental. La solución representa el valor medio del tráficó que puede ser soportado bajo datos de ingreso específicos . . En otras palabras, debería haber un 50% de posibilidades de que el tráfico actual, para la serviciabilidad terminal, debería ser mas o menos el tráfico previsto. ~~ incluye -un factor de confiabilidad en el proces,? de diseño, para disminuir el riesgo de deterioro prematuro debajo de valores aceptables de serviciabilidad. En el Capítulo 4, Pa-rte I, se dá una explicación del factor de cónfiabilidad. Para aplicar apropiadamente el facto r de confiabilidad, los ingresos a la ecuación de diseño deberían ser el valor medio sin ajuste. Esto será discutido más a fondo en el Capitulo 4 de la Parte I y en las secciones de la Parte Ir. El diseñador debe recordar de ·usar valores medios para factores tales como sopo.rte del suelo, trqu:o, coeficientes de capa, de drenaje, etc. Se obtendrá una confiabilidad incrementada mediante ajustes basados en la incertidumbre en cada una de las variables de diseño, é!SÍ como en " el tráfico.
Cada uno de los términos usados en las ecuaciones de diseño son discutidos en las Partes I y Ir de esta Guía. Es pertinente notar que han sido hec}J.os algunos pocos cambios en las ecuaciones de diseño en comparación con la Guía Interna de 1972 (2). El valor de soporte del suelo ha sido reemplazado con M~ (flexible) y un coeficiente de drenaje ha sido añadido a la ecuación de los pavimentos rígidos. Para la ecuación de los pav-imentos flexibles, el número estructural (SN) ha si¿o modificado por la adición de coeficientes de drenaje y la supresión del factor regional (R). Finalmente, ambas ecuaciolles han sido modificadas para collsiderar la pérdida de serviciabilidad total y la serv-iciabilidad terminal (Po-Pt)-
Existen dos factores importantes a considerar concernientes a estas ecuaciones: (1) las ecuaciones son predicciones del volúmen de tL~fico que puede ser soportado antes del
-~ -"- . _~ - .;;-.
:.
. .... "' - .. ~ .... _. , ... . -,=-
AASHTO G'UlDE FOR DESIGN IJF p.\YE:>.fENT STRUCTURES • 1993
t el
deterioro hasta algún nivel terminal de serviciabilidad seleccionado; y (2) las ecuaciones básicas de predicción fueron desarrolladas empíricamente a partir de observaciones de 41 campo en la Carretera Experimental AASHO, con modificaciones consideradas necesarias para mejorar la Guía, basa~as en investigaciones durante ~s últimos 20 años.
Existe un número de procedimientos alternativos que pueden ser usados para el diseño de estructuras de pavimento. De hecho, los 50 estados han adoptado sus propios procedimientos de diseño, muchos de los cuales están basados en los métodos pasados de ra Guía AASHTO. U na lista de otros procedimientos de diseño de pavimentos disponibles, se presenta en el apén,dice C.
1.3 COl\1PORTM1JENTO DE LOS PAVTh1ENTOS \
Los conceptos actuales del comportamiento de los pavimentos incluyen ciertas consideraciones de comportamiento funcional, comportamiento estructural y seguridad.
Esta Guía está referida principalmente a los comportamientos funcional y estructural. La. información pertinente de seguridad puede ser encontrada en publicaciones apropiadas de la NCHRP, FHW A Y AASHTO. Un aspecto importante de seguridad es la resistencia a la fricción en la interfase pavimento-neumático. La AASHTO ha editp..do una publicación: Guías para el Diseño de PavJm~ntos Resistentes a los Deslizamientos, a la cual se puede referir para información acerca de esta materia.
El cOIJlPortamiento estructural de un pavimento se relaciona con su condición física, esto es, con la ocurrencia de agrietamientos, fallas, peladuras, u otras situaciones que podrían afectar exclusivamente la capacidad de soporte de la estructura del pavimento o ' en todo caso, requerir mantenimiento.
El comp<?rtamiento -funcional de un pavimento se refiere .. ~ cuan bien sirve el pavimento al usuario. En este contexto el confort o calidad de la transitabilidad es la característica predómIhante. Para poder calificar el confort de la' transitabilidad . se desarrolló el concepto de "serviciabilidad-comportarniento lf en la Carretera Experimental AASHO en 1957 (3, 4). Desde que el concepto de serviciabilidad-comportaÍ1liento es usado corno una medida del comportamiento para las ecuaciones de diseño en esta Guía, una explicación del concepto anterior es perfectamente válida.
-_ El concepto de serviciabilidad está basado en cinco aspectos fundamentales • resumidos como sigue (5):
8
• -.
• •
:. AASErI'O GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENI' STRUCTURES· 1993
La seIVÍciabilidad de un pavimento está expresaqa en términos del índice de serviciabilidad presente (pSI-Pavement Serviciability Index)) . . Este PSI es obtenido de las medidas de rugosidad y daños, por ejemplo agrietamiento, parchados y profundidad del ahuellamiento (pavimento flexible), en un momento particular durante la vida de servicio del pavimento. La rugosidad es el facto r dominante en la estimación del PSI de un pavimento. Así, es importante emplear un método confiable, para medir la rugosidad al monitorear la historia del comportamiento del pavimento.
Las ecu~ciQnes específicas desarrolladas en la Carret~ra E~erimental para calcular el índice de serviciabilidad presente han sido modificadas por la mayoría de los usuarios de la Guía AASHTO. Esos cambios reflejan las experiencias locales que se asume representan los resultados de la Carretera Experimental, es decir, que los valores del PSL continuan representando la calidad de la transitabilidad, como fueron evaluados pOr la Carretera Experimental. Debido a la relatívamente pequeña contribución al PSI por causa dejos daños- físicos y a la dificultad para obten~r: información, muchas agencias confían sólo en la rugosidad para estimar la calidad de la transitabilidad.. Está comprobado que-los daños físicos influyen principalmente en 'laaecisión para iniciar el mantenimiento o la rehabilitación. Para los propósitos de esta Guía, se a.sume que la cantidad de daño asociado con el PSI terminal, es aceptable. ..
Debido a que la rugosidad es un aspecto importante en el diseño de pavimentos, su cambio controlará el ciclo de vida de los pavlmentos. En este sentido la calidad de la construcción influirá en el comportamiento yen el ciclo de vida del pavimento. La lisura superficial inicial del pavimento es una consideración muy.' importante de diseño.
¡. Por ejemplo el ciclo de 'vida de un pavimento inicialmente Construido con· una lisura superficial o PSI de 4;.5 ten~ un ciclo de vida significativamente má~ largo que uno construído con un PSI de 4.0. Así, el control de calidad en la construcción de un pavimento puede tener un impacto benefico en su comportamiento (ciclo de vida).
La escala para el PSI 'la de O a 5, con el valor de 5 representando al índice de serviciabilidad mas alto. Para el diseño es necesario seleccionar ambos in cEce s de serviciabilidad. inicial y terminal.
:::1 i':-7ciice ce serviciabilidad i~icial (po) es ~Il esr:ma<.. .. 'Íón hecha por el usuario del PSI inmediatamente despúes de la construcción. Los valores del Pi establecidos por las condiciones de la Carretera Experimental A ..... A.SHO fueron de 4.2 para pavimentos
- q -
9
:.
A.ASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PA VEvíENT STRUCTGRES • 1993
Jexibles y de 4.5 para pavimentos rigidos. A causa de la variación en los métodos .:le construcción y estándares, es recomendable que sean establecidos niveles más :xmfiables por cada agencia, basados en sus propias condiciones.
El índice de servi"ciabilidad terminal (Pt) es el nivel mas bajo aceptable antes que el recapado o la reconstrucción lleguen a ser necesarios, para una clase particular de carretera. Un índice de 2.5 ó 3.0 es a menudo sugerido para usar en el diseño de carreteras principales y de 2.0 para c...arreteras con una clasificación menor. Para carreteras re1ati:vamente menores, donde las condiciones económicas determinan qué gastos iniciales deben s·er mantenidos bajos, puede utilizarse un índice terminal de 1.5. Los gastos pueden ser también .minimizados reduciendo el periodo de comportamiento. Tal valor bajo de Pe deberá ser usado solamente en casos especiales de clases seleccionadas de carreteras. \
Los factores que influyen mayormente en la pérdida de serviciabilidad de un pavimento son: tráfico, edad y medio ambiente. Cada uno de éstos han sido considerados para formular los requerimientos de diseño incluídos en ésta Guía. Sin embargo, debería reconocerse que los efectos aislados o interactuantes de estos componentes no están claramente definidos hoy día, especialmente en lo referente a su edad Es sabido que las propiedades de los materiales usados para la construcción de pavimentos cambian con el tiempo. Estos cambios pueden ser ventajosos para el comportamiento, sin embargo, en la mayoría de los casos, la edad (t~empo) es un factor negativo neto y con~ribuye a reducir la serviciabilidad.
Se ha hecho un esfuerzo en esta Guía para tomar en cuenta los efectos del medio ambiente en. el comportamiento del pavimento, en situaciones donde se encuentran arcillas expansivas ó levantamientos por heladas. Así, el cambio total en el PSI en cualquier momento puede, ser obtenido sumando los efectos dañinos del tráfico, arcillas expansivas y/o hinchE]Il.ientos por helada, como se muestra en la ecuación 1:3.3 a continuación y se ilustra en la figura 1.2:
!iPSI = ó..PSI¡:;-áf= + L\PSI llmcb3mieoto{[eva!lC!mieoco¡:x::cheaés-------------------(1.3.1)
Donde. !lPSI = Pérdida total de serviciabilidad. ó..PSI t:-:ífico = Pérdida de serviciabilidad a causa del tráfico (de ESAl); y ,\ PSI I. : __ ~_ • __ If • h I . = Pérdida de serviciabilidad a causa de - ~c::ue,..,....,e~"3Qca::U:llIO s;:cr elaca
hinchamientos y/o levantamientos por helada en el suelo de fundación.
Se puece Ilotar ell la figura 1.2 que el efecto ¿~ los suelos expansi'.'os o del ~:""co.ac.ier!tc ~0r hela¿a es una reducción en la vida de servicio prevista ¿el pavi2e~Ho. La Gu 'a . dI' . d 1 _._J r"l-~I ..Jei -".:l''';T"'''''~r''',.o - 1 no recomlen a el Lncremento e espesor- e~~._c~:...¡.;_. '- 4 !,W".--'_'" ?ar-.? compensar la pérdida de serviciabilidad a causa de los suelos expansivos. pero es posible sin embargo. controlar el hinchamiento por helada incrementado el espescr de lOS
materiales no st.:.sc.epcibles de conge lar.
- lo -
• •
• •
• •
• •
:.
(f) a..
(J)
a..
(f)
Pi ¡---------__ __ Pérdida debido al tráfico
P:
PI
PI • 1
~-------- Período de --------001 Análisis
Tiempo
Pérdida debida al hinchamiento o allevantamienco por helada
I ------ - -- ----1-
P~ríodo de 1
Análisis • I
I
Tiempo 1 1
I pé:dida Total I
I
PI- - - - - - _1-I
Periodo de .J....1.álisis I
Ti~~po
---
-- -
--o -
Figur:l 1.1. Tendencias en el Comport:J.mienro de los Pavimencos
- 11 -
.:.
,v.SHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEME<,iT STRUCTURES· 1993
En. muchas situaciones de hinchamiento, puede ser posible reducir el efecto de los sUelos expansivos a límites aceptables mediante su estabilización_ o reemplazo por materiales no expansivos. Cuando la experiencia indica que un procedimiento es viable, no es necesario estimar el efecto de los suelos expansivos sobre el ciclo de vida.
El efecto previsto de hinchamiento !Xlr helada está basado en una cantidad limitada de información disponible en la literatura. Sí los procedimientos de diseño de una agencia, incluyen previsiones para .mitigar los efectos nocivos de la helada, deberá ignorarse la pérdida de serviciabilidad a causa del hinchamiento, es decir deberá ser asumida como cero. El procedimiento mayormente aceptado para minimizar el efecto del hinchamiento por helada, consiste en reemplazar el material susceptible de congelarse con un material no susceptible, hasta una profundidad de un medi..o o más de la profundidad de congelamiento.
Una discusión posterior sobre la influencia del medio ambiente será encontrada en la sección 1.7 de este capítulo.
1.4 TRAFICO
La información d~ t~fi.co requerida po r las ecuaciones de diseño 1+tilizadas en esta Guía incluye .las cargas !Xlr eje, configuracion de ejes y número de aplicaciones.
Los resultados de la Carretera Experimental AASHO, han demostrado que el efecto dañino 'del paso de un eje de cualquier masa (llamado comUllmente carga), puede ser representado por un número de cargas por eje simple equivalente de 18-kip Q ESAL (Equivalent Single A'de Load). Por ejemplo, se encontró que la aplicación de un eje simple de 12 kip causa _1}n daño aproximadamente igual a 0.23 aplicacione~ de una carga por eje simpie de 18-kip y se necesitaron cuatro aplicaciones de un eje simple de 12 kip para provocar el mismo daño (o reducción de la serviciabilidad), que el de una-aplicación de un eje simple de 18 kip. Este concepto ha sido aplicado a las ecuaciones de diseño y nomogramas de la Parte Ir. La determinación del ESAL de diseño es un aspecto muy' importante para el diseño de estructuras de pavimento usando esta quía, así como en versiones previas de la Guía.
1.4.1 . Evaluación del Tráfico
E. procedimiento usaáJ en esta C-uía para convertir un flujo de tráfico mixto, de diferentes cargas y configuraciones por eje, a un número de tráfico para el diseño, consiste en coo.'iertir cada carga por eje espectada, en un número equivalente ce cargas por eje simple ¿e 18 ki? Y S'umarlas durante todo el períoco de diseño. El precedimiento para convertir el t.:.';Eco IllÍ:cto a ESAL se encuentra en el Apénéice D.
~:cist:=n cuatro asnectos claves Que intlu-:/en en la e~ctit:.:.¿ .::~ [os est:.:.cios '~et .. ." tráfico, les cuales pueden influir en forma significativa en el cido de vida de un pavimento: (1) la e:cac::itud de los valores de equivalencia de carga utilizados para estimar el daño relativo induciéo por las cargas por eje de diferentes masas ~I configuraciones; (2) La
- \2. -
• 41
• •
• • •
11 (
--1
•
• •• • • • • • ,.
•
• '-
~ •
AASHTO GUlDE FOR DESIGN OF PA VEMENr STRUCTURES • 1993
exactitud de la información relativa al volúmen de tráfico y pesos utilizada para representar las proyecciones de las cargas actuales; (3) La predicción del ESAL durante el periodo de diseño; y (4) La interacción de edad y tráfico; y como~sus cambios afectan al PSI.
Los factores de equivale~cia de carga disponibles son considerados romo los mejores en estos momentos. representando la información obtenida de la Carretera EXperimental AASHO. Las observaciones empiricas de esta Carretera Experimental abarcan un rango de cargas por eje de 2 a 30 kips sobre ejes simples, y de 24 a 48 kips sobre ejes tandem. No se incluyeron ejes triples en la Carretera Experimental; los valores de equivalencia de carga para ejes tridem están incluidos en el Apéndice D; sin embargo, estos son el resultado de una investigación realizada desde que se terminó la Carretera E.~erimental. Los valores de equivalencia de una carga para ejes simples y tandem que sobrepasan las cargas dadas anteriormente son tambien extrapolación de la información básica obtenida de la Carretera Experimental.
Debe notarse que los factores de equivalencia son para un grado menor, funciones del tipo de pavimento (rígido o flexible), del espesor y de la serviciabilidad terminal (Pe) utilizada en el diseño. Para diseñar pavimentos compuestos (base rígida con superficie de rodamiento flexible), se recomienda utilizar los valores de equivalencia de carga correspondientes a los pavimentos rígidos.
La información del tráfico acumulado de las DOTs en el formato W4 de la - -Federal Highway Administration, Tablas de Pesos de Camiones, son tabulaciones del número de ejes observados dentro de una serie de grupos de cargas, con cada una cubriendo' un intervalo de 2 kips. La información del tráfico referente al tipo' de camión, por ejemplo la configuración por eje, la dan las tablas \V2 (Distribución de vehículos contados y pesados). Como se ilustra en el Apéndice D, esas tabulaciones pueden emplearse para estimar el número de cargas por eje simple equivalente, asociauas con el tráfico mi~o en -úna estación de medición de carga en particular:-A partir de esta informaciónes posible obtener los factores de equivalencia de carga prom~dio para todos los camiones o para los camiones por configuración, es decir, los promed~?s para ejes simples, tandem o tridem. .
La mayor parte de los estados ha tomado la información de las tablas W-4 y las ha convertido en relativamente simples multiplicadores ( factores de equivalencia de camión), los cuales representan a c'ada tipo de camión en la comente de tráfico. Estos multiplicadores pueden usarse para convertir corrientes. mi.""rtas de tráfico a ESALs. Esas conversiones sólo son estimaciones cuando se aplican a carret'eras diferentes ,de aqueHas para las que obtuvieron los datos. La información de la estación de peso ;fepresenta solamente una muestra del total de la corriente de tráfico, con pesajes en un número limitado de localidades y para periodos limitados de tiempo. Tal información debe ser cuidadosamente interpretada cuan¿o se aplique a proyectos especificos. Los resultados de diferentes estaciones de pesaje en un mis~o estado han sido reportados que producen factores camión que varian en un factor de ó. Así, un fuente de error en las predicciones de ESAl, es el empleo de factores de equivalencia de camión estimados para va:ias clases de carreteras, oasa¿os en una reiaü':amente pequeña muestra. El incremento de muestras para este tipo de información es necesario a fín de reducir el error en las estimaciones debido a información insuficiente de un proyecto especifico.
- \'3 -
:. AASETO GUIDE FOR DESIGN OF PAVE~E:-rr STRUCTURES • 1993
Los usuarios de esta Guía están obligados a recolectar los mejores datos posibles de tráfico para cada proyecto de diseño.
_ Como los pavimentos, nuevos o rehabilitados, son usualmente diseñados para periodos que varían de 10 a 20 años o más, es necesaria predecir 10s~ESALs para ese periodo de tiempo, es decir para el periodo de comportamiento. El periodo de comportamiento frecuentemente referido como el periodo de diseño, se define como el periodo de tiempo que durará una estructura inicial (rehabilitada)antes de alcanzar su serviciabilidad terminal. Cualquier periodo de comportamiento puede ser usado con la Guía, toda vez que el diseño ésta basado en el número total de cargas por eje simple equivalente; sin embargo, la experiencia puede indicar un limite superior máximo basado en otras consideraciones diferentes a las del tráfico. Los ESAL para el período de comportamiento, representan el número acumulado desde el momento en que la via es abierta al tráfico, hasta el momento en que la serviciabilidad se reduce a un valor terminal (Pt igual a 2.50 Ó 2.00). Si el tráfico es subestimado. el tiempo actual para Pe será probablemente menor que el período de comportamiento previsto, resultando en un. incremento de los costos de mantenimiento y rehabilitación.
El periodo máximo de comportamiento a ser usa~o en el diseño de un tipo particular de pavimento, flexible, rigido o compuesto, debe reflejar la experiencia de la agenCIa.
El periodo de com~rtamiento y el correspondiente tráfico de diseñp deben reflejar la experiencia en la vida real. El periodo de comportamiento no debe ser confundido con la vida del pavimento. Esta puede extenderse por rehabilitaciones periódicas de la superficie o de la estructura del pavimento.
Las cargas equivalentes derivadas de muchos procedimientos de predicción de tráfico representan los totales para todas las vias en ambas dirécciones de tráfico. Este tráfico debe ser distribuído por direc:ción y por carriles con própositos de diseño. La distribución areccional es· usualmer:te hecha asignando el 50% del tráfico en cada dirección a menos que los daros de tráfico indiquen otra distribución. Con respecto a la distribución por carriles, usualmente se asigna el 100% del tráfico en una dirección a cada uno de los carriles en esa dirección con propósitos del diseño estructural", si es que las distribuciones medidas no están disponibles. Algunos estados han desarrollado factores de distribución por carriles para vialidades con más de un carril en una dirección dada. Estos factores varian del 60 al 100% del tráfico en una dirección. deoendiendo· del número total de carrJes en la v.ialidac. En la Parte II v Aoéndice D
Jo. • .. •• • ~ • •
se proporcionan mayores detalles pertinentes a este factor de distribución por carriles. La información del tráfico .es usualmente proporcionada al diseñador por un
Grupo de Planteamiento o de Tráfico. Los diseñadores deben trabajar cercanameur:e con el personal del tráfico para estar seguros de que la información apropiada sea proporcionada y que las consecuencias de una estimación pobre del tráfico presente y futuro, sean conocida por todo el personal involucrado.
Las predicciones para tráfico futuro están usua1.r:r:¿:J.te basadas en la rusto ría cid tráfico ?asado .. :.\lgunos factores pueden influenciar tales ?rec!icciones.
Para el diseño de estructuras de pavimentos, es necesario estimar el nún:e:o acumulado de cargas por ejes simples equivalentes de 18 kips (ES.ALs) para el periodo de diseño (comportamiento). El número de ES.-'\Ls puede o no ser proporcional al
- l"-? -
,. ..
t t
• • • • • t
• • • • •
•
• • •
• I • • 11 • • • . • I , i ,
• • 1
• I
AASHro GUIDE FOR DESIGN OF PA VEMENT STRUcruR.ES • 1993
tráfico diario promedio. El tráfico de camiones es la información esencial requerida para calcular los ESALs, por eso es muy importante estimar correctamente el tráfico futuro de camiones para la vialidad durante el periodo de diseño.
El tráfico puede permanecer constante o incrementarse linealmente o con una tasa de aceleración (exponencial). En la mayoda de los casos, las carreteras clasificadas como arteriales principales o interestatales, tendrán un crecimiento exponencial ( comparable al interés compuesto de las inversiones). El tráfico en algunas carreteras de los tipos arterial menor o colector, puede incrementarse linealmente, mientras que el tráfico en algunas calles residenciales puede no cambiar, debído a que el uso permanece constante. Por eso, el diseñador debe tomar precausiones respecto del crecimiento del tráfico desde el momento del ultimo conteo; de tráfico o pesaje. durante el periodo de comportamiento seleccionado para el proyecto en consideración. El Apéndice D presenta la información apropiada para estimar el crecimiento del tráfico futuro, basada en una tasa de crecimiento compuesto asumida exponencial. Si se anticipa una tasa cero o de crecimiento negativo, se puede emplear un factor de crecimiento cero o negativo. En la mayoría de los casos, los factores de crecimiento apropiados pueden ser seleccionados de la tabla en el Apéndice D. Para la mayor parte de las carreteras arteriales mayores e interestatales, la tasa de crecimiento deberá aplicarse a cada clase de camión en vez de al tráfico total, ya que el crecimiento del tráfico de camiones puede diferir del crecimiento del tráfico total. -
El porcentaje de camiones para el período de diseño es a menudo asumido como constante; incluso en algunas secciones del sistema interestatal, el tráfico de camiones en areas 'rurales, se ha reportado creciente desde un estimado de 6% a 25-30%, sobre un período de 10 a 20 años.
El factor de equivalencia de carga se incrementa aproximadamente como una función de la relación d~_cualquier-carga por eje dada a la carga por eje sirp.ple estandar de 18 kips elevada a la cuarta potencia. Por ejemplo, la equivalencia de una carga por eie simple de 12 kips esta ciada Corno 0.19 (Apéndice D), mientras que la equivalencia de carga para una carga por eje simple de 20 kips es 1.51. Así, la carga de 20 kips ~s 8 veces más dañina que la de 12 kips [(20/12)l Esta relación variará dependiendo dd número estructural y de la serviciabilidad terminal, sin embargo es, generalmente indicativa de los efectos de las cargas. Por eso es especialmente importante o btener información confiable del peso de los camiones para cada clase de camión y especialmente para los camiones
. multiejes, ya que estos vehiculos constituyen un porcentaje elevado del total de cargas ESAL en la mayoda de los proyectos. .
El calculo de los ESAL futp.ros está a menudo basado en los factores camión por clase de camión. Por ejemplo, basados en la información del peso de un camión trailer de 5 ejes, es posible desarrollar un multiplicador promedio para cada camión de 5 ejes. Así, sí el diseñador puede estimar el número de camiones de 5 ejes durante el periodo de diseño, es posible calcular las cargas ESAL acumuladas para este tipo particular de camión. Un procedimiento similar se describe en el Apéndice D para la mayoría de [as clases de camiones sobre las carreteras reales.
Con resvecto al uso de factores camión. será imooc-:..ance utilizar información ¿el - . peso de camiones representativa del tráfico de camiones sobre la vialidad diseñada .. A.lgunos datos de pesos de camiones indican que estos pueden variar en un factor de 6 ó más entre
-\5-
15
::.
AAsmo GGIDE FOR DES[GN OF PA VE..YíENT STRUCTURES - 1993
est. ·.ciones de pesaje_ Por eso, es muy importante obtener la información tan cercana como sea posible del lugar especifico, al momento de estimar las cargas ESAL por camión, para cada clasificación de camión.
Los procedimientos descritos en el Apéndice D pueden ser aplicados al diseño para la construcción por etapas, esto es, donde el periodo de diseño (comportamiento) es variado, para tomar en cuenta diseños alternativos, con fines de comparaciónes económicas.
Debe quedar claro de esta discusión, que el tráfico futuro estimado o previsto (ES AL ) no es un problema ' trivial. . Estimaciones pobres del tráfico pueden producir comportamientos del pavimento significativamente diferentes a los esperados y causar mayores incrementos en 10.5 costos de un proyecto especifico. Estos costos incrementados, cuando sea aplicados a todas las secciones que están siendo diseñadas por una agencia, afectarán adversamente .a la programación total de los proyectos de carretera y reducirán el volúmen de trabajo que pueda ser ·hecho.
La falta de regulaciones futuras, o la relajación en el control de las cargas de los camiones, pueden también resultar en cambios en la distribución de cargas por clase de camión, resultando posiblemente en un incremento del porcentaje de vehículos de 5 ejes (o más) que están siendo usados_ Las presiones de inflado usadas en las llantas de los camiones también estan siendo incrementadas conforme los fabricantes de llantas mejoran su tecnología y la indus.tria de los camiones evalúa la ventaja potencial de usar mayores presiones de inflado. ~o se sabe con exactitud cual es et efecto neto d~ una mayor presión de inflado; sin embargo, los ingenieros de pavimentos y diseñadores necesitan conocer los posibles cambios que puedan influir en el comportamiento del pavimento.
En resúmen, es importante una información confiable concerniente a las ESAL acumuladas para la determinación de los requerimientos de la estructura del pavimento, tanto para construcciones nuevas como -para rehabilitaciones. Es importante y vital un momtoreo continuo del tráfiro- en rutas seleccionadas para comparar las carga~ del tráfico previstas con las reales, 'a iin de producir diseños confiables_
El factor de confiabilidad incluí do en esta Guía (parte r, Capitulo 4 y Volúmen 2, Apéndice EE), há sido desarrollado para proporcionar consideraciones de incertidumbre en las predicciones del tráfico y de su comportamiento. Las investigaciones de algunos estados e industrias, han proporcionado algunas informaciones concernientes a las incertidumbres en las predicciones del tráfico, esto es, la comparación de los SSAL previstos con los ESAL reales. La desviación estándar de la relación entre el tráfico previsto y el tráfico real ha sido reportada (27) como del orden de 0.2. En efecto, el tráfico actual puede ser de_ 1.6 (una desviación estándar) a 4 veces (3 desviaciones estándar) mayor de lo previsto. Debe tenerse en cuenta que las mejoras en la información acerca de las cargas del tráfico y las predicciones, contribuirán significativamente a la precisión que pueda alcanzarse en los diseúos de espesores_
La inforro.ación detallada y los procedimientos para cácular las =:SAL se dan en el Apéndice D. Los diseños en la Parte II toman en consi¿eración la incertidumbre en las estimaciones del tráfico. El diseñador debe usar los mejores estimados del tráfico sin ningún ajuste basado en su interpretación personal de la seguridad de tal información. Se han tomado precausiones para el tratamiento de la confiabilidad en la Parte n.a fin ¿e tomar en cuenta el erecto total de las variacioneS en. las pre¿jcc~ones ce
- \~-
l
•• , • I
•
• • • • • • • • • • • I
el
• • • •
, • •
• •
• I
::. AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTT.JRES .1993
carga por eje acumuladas y otros factores relacionados con el diselÍo y el comportamiento.
1.4.2 Limitaciones
Es pertinente notar que los factores de equivalencia de cargas usados en ésta Guía están basados en observaciones en la Carretera Experimental AASHO en Ottawa, Illinois. En ese contexto, deben reconocerse algunas limitaciones tales como: (1) tipos limitados de pavimentos, (2) cargas y aplicaciones de cargas, O) edad.; y (4) medio ambiente.
Los tipos de pavimen.tos en la Carretera Experimental AASHO, de los que se derivaron los factores de 'equivalencia de carga, incluían construcciones flexibles convencionales, es decir, capa de superficie, base y subbase; y pavimentos' rígidos con y sin refuerzo de acero, pero siempre con elementos de transferencia de cargas ( dowels). Los mismos factores de equivalencia de cargas han sido aplicados en ésta Guía a: (1) pavimentos flexibles con base y subbase estabilizadas, (2) pavimentos rígidos sin dowels en las juntas transversales y (3) pavimentos con refuerzo continuo. Las modificaciones a los valores de equivalencia de cargas solamente pueden ser hechas en base a experimentos controlados . Los valores usados en ésta Guía se consideran los mejores disponibles al momento.
Los diseños experim.entales en la Carretera .E."{perimental AASHO, inclu(an un rango de cargas discutido previamente (Sección.L4.1); sin embargo, las cargas aplicadas estuvieron limitadas a un máximo de 1'114,OQO aplicaciones de ejes para aquellas secciones que sobrevivieron a los períodos de tráfico total. Así, el máximo núméro de cargas de 18 kips por eje simple equivalente aplicado fué de aproximadamente un millón. Sin embargo, por aplicación del concepto de cargas equivalentes a las secciones de ensayo sujetas sólo a cargas por 'eje simple de 30 kip~! por ejemplo, es posible extender los resultados a J;:SALs de-8 x 106
: El uso de cualquier ESAL sobre 8 x 106, requiere la extrapolación mas allá de la
ecuación desarrollada en la 'Carretera Experimental. Tal extrapolación tiene sin-embargo, resultados razonables, en base a la aplicación de la Guía, desde 1972.
La Carretera Experimental AA.SHO, fué completada dos alÍas después de:someterla al tráfico. Los modelos de predicción representados por las ecuaciones (1.2:1) y (1.2.2) no incluyen un término para la edad, es decir, un término interactivo entre edad y tráfico. En el estado de conocimientos actual, existe muy poca información disponible para cuantificar los efectos del envejecimiento sobre el comportamiento, expresado en términos de PSI o de aplicaciones de cargas por eje. Se necesita mas información, concerniente al efecto combinado del tráfico y del envejecimiento sobre el compoItamientó. Si una agencia us.uaria . tiene tal información, podría ser posible modificar el modelo de comportamiento. Sin embargo. ésta Guía no hace una evaluación directa de los efectos del envejecimiento. La evaluación de los factores de envejecimiento conjuntamente con el tráfico (ESAL) deberá tener una prioridad elevada en el monitoreo a largho plazo del comportamiento de los pavimentos.
Solamente un juego de I!l(!teriales y un tipo de sucrasante fueron incluidos en !a Carretera E:cperimental A:\.SHO para cada tipo de pa'lime~to. Un pequeño experimento también incluyó observaciones del compon:amiento de materiales de base estabilizados bajo superficies asfálticas. El uso de materiales alternativos de construcción representa una
'f -
..-v"'~nJ.V V v1.1.J~ ':v .. \, ..., ................. . --.
PA 'VE;\1E~T STRUCTURES ' 1993
extrapolación de los datos basicos. Sin embargo, como se indicó previamente, tales extrapolaciones están basadas en investigaciones que utilizan tecrucas analíticas y se considera razonable que sus resultados queden pendientes de los resultados de las investigaciones de campo.
El clima en la Carretera Exper...mental en Ottawa, lliinois. es repr'esentativo de una gran porción de los Estados Unidos, sujeta a temperaturas de congelamiento durante el invierno y con lluvias medias a elevadas a lo largo de todo el año, Se ha hecho un esfuerzo en la Parte II de ésta Guía para proporcionar un procedimiento que permita estimar los efectos de las condiciones estacionales y para modificarlas en localidades específicas. Mas información sobre medio ambiente se proporciona en una sección posterior de la Parte 1, así como en la Parte TI de la Guía.
Se ha íncluido un número de conceptos nuevos en esas Guias, por ejemplo, confiabilidad. coeficientes de drenaje, uso del módulo resiliente para estimar los coeficientes de capa, estimados de vida remanente para las sobrecapas "Y los metodos NTIT (Non Destructive Testing- Ensayos no destructivos) para estimar el módulo resiliente in-situ. Esos conceptos tienen documentación limitada basada en las observaciones de campo actuales; sin embargo, ellos están basados en una evaluación extensa del estado actual de conocimientos. Se proporcionan explicaciones con la extensión posible, tanto en éste volúmen como en el Volúmen 2 de ésta Guía. Se espera que esos conceptos tengan suficiente aplicación como para evaluar y eventualmente modificar y mejorar los procedimientos de diseño y efectividad de uso de ésta Guía.
1.4.3 Casos Especiales
Esta Guía está basada en las ecuaciones de comportamiento de la Carretera .. E'q)erimental A ... t\SHO, las cuales no se pueden aplicar directamente a algunas ealles en zonas urba2as, caminos rurales, ,estacionamientos o vias expresas. Para las calles de ciudad, las mayores cargas q.e' tráfico estarán generadas por los vehículos de servicios, buses y camiones de suministro. Los valores de equivalencia de carga para tales vehículo,s no están generalmente bien estimados por los factores , de equivalencia de carga de camiones en las estaciones de pesado de camiones. Si se usa ésta Guía para el diseño de calles urbanas, deberá hacerse un esfuerzo para obtener información actualizada sobre las cargas por eje y frecuencias típicas de los vehículos que las operan. Hecho esto, se puede usar la Guía a un ni~/el selecc~onado de confiabilidad.
Para estacionamientos (es decir. vias con uso limitado de camiones pesados), puede ser necesario ajustar el diseño en base a una combinación de factores de tráfico, factores ambientales y la experiencia. El uso de los factores de equivalencia de carga como se dan en el Apéndice D, puede resultar en un pavimento subCimensionado y en deterioros prematuros.
1-5 Sl;~LO DE FT.;:-i'DACIO~-
La propiedad definitiva de material usada para caracterizar al suelo de fundación en
- \ 'O -
18
"
'. '. '41
I 41
I I
• • • • • ' . . , (
• •
• (
•
•
• •
.>.Asma GUIDE FOR DESIGN OF PA VD1E~l STRUCTüRES . 1993
ésta Guía es el módulo resiliente (MR). El procedimiento para la determinación del MR está dado en el ivfétodo de Ensayo AASHTO T 274.
El módulo resiliente es una medida de la propiedad elástica del suelo, tomando en cuenta ciertas características no lineales. El módulo resiliente puede ser utilizado directamente para el diseño de pavimentos flexibles, pero debe ser convertido a un módulo de reacción de la subrasante (valor k), para el diseño de pavimentos rígidos o compuestos. Es posible hacer mediciones dir-ectas del módulo de reacción de la subrasante, si es que tales procedimientos son considerados preferibles por la agencia que diseña.
El módulo resiliente fué seleccionado para ' reemplazar al valor sopolte del suelo utilizado en ediciones previas de la Guía de Diseño, por las siguientes razones:
Se reconoce que muchas agencias no cuentan con el equipamiento para llevar a cabo ensayos para la determinación del módulo resiliente. Por eso se han reportado fa.ctores apropiados que pueden ser usados en la estimación del ivfR a partir de los ensayos de CBR del valor-R y de los valores o resultados de los ensayos de las propiedades índi~.deI suelo. El desarrollo de tales factores está basado en correlaciones del estado del conocimiento. Se recomienda especialmente que las agencias usuarias, adquieran el equipamiento necesario para medir el )'-fR• En cualquier caso, es esencial un experimento de diseño bien planificado, a fin de obtener correlaciones confiables. Deberán incluirse en los programas de ensayos, varioS'" rangos de tipos de suelos, saturaciones y densidades, 'a fín de identificar los efectos principales. Las guias para convertir los valores CBR y R a :\rfR se discuten en éste capítulo." Esas correlaciones se usan en la Parte II de ésta Guía, dependiendo de los valores establecidos por la agencia.
Heu-kelom y KIomp (ó) han reportado correlaciones entre los valores CBR del Cuerpo de LTlgenieros, usando compactación dinámica y los módulos Íll-situ del suelo. La correlación se dá en la siguient¡; relación:
:\tf~ (psi)= 1.500 x CBR
- 19 -
.. . . ...
A,\SIITO CUlO!:: ~·OH. U!-;.)\GN O~' 1>:\V~ytE~T ST!WCrUK!::.::i • ¡YYJ
Los daleS a pa!tir de los t¡ue st;: desarrolló ésta relación, están entre 750 a 3.000 veces el C13R. Estas relaciones se han usado extensamente por agencias de diserlo e investigado res y es considerada razonable para suelos de gradación fina coa. un CBR sumergido de 10 Ó
menos. Los metodos de ensayo están dados en el Apéndice F. El CBR deberá corresponder a la densidad de campo espec.tada.. . '
Relaciones similares han sido desarrolladas por el Insti'tuto del Asfalto (7) entre el valor-R y el ivfR:
donde:
M!{ (psi)= A + B x (valor-R)
A= de 772 a 1, l55; Y B= de 369 a 555.
(1.5.2)
Para tos fines de ésta Guia, se pueden usar las siguientes correlaciones para st1t.~los de gradacióu. fi~a (valor-R menor o igual a 20), hasta que los di.señadores desarrollen sus p ro pías relaciones:
~fR= 1,000 + 555 x (valor-R) (1.5.3)
Esta discusión resume los estimados para convertir el CBR y valor-R a módulo rcsilicnte l?~ira sudas' de fundación. In[011l1<lóón similar se p"(oporeioni para materiales cr;'¡llulares en- ia Sc::ccióll 1.6, Mate.riales de Conslrucción. .
El tratamiento del suelo de fundación es una consideración importante en el comportamiento d~ los pavimcntos. Para mejorar la collGabi¡idad genera! del diseÍlo. es ncccsJrio cOllsidef;lf los requerimientos de compa<.'t;lción. En condiciones promedio, no es II\.:cesario especilicar prcvi::iÍoIlcs especiales para la compactación. Sin embargo, existen algunas sitllacÍoncs en las que el díseñador deberá rcqucnr mociitícacioncs a las espcei ficacio !les.
(1)
:., ) '-
El criterio básico para la compactación de los suelos de fundación deberá incluir un requerimiento apropiado de deusidad. :Los proeedimienlos de inspección deben ser adecuados para Jsegurar que se obtenga la d~nsidad especitl<.:a durante la construcción. Si por cualqui-.!r razón. los requerimienlos básicos de compactación no Se pueden cumplir. el diseñador deberá ajustar el .\t:;. en corrcs~oGdencia con elles. Los sudas qu~ son excesivamente <.:xpansivos o resilic:nl~:i. dc:berán rl..",.:iblr una consideración especial. U na solución consisce en cubrir -:sos suelos con un esp<::ior apropiad0 de malc:ri(jl :idcc<.:iOllé:lJO. para múJifi<.:ar los ~r..:L'l0:) negatIvos de la expansión o resilielKia. Los suelos exp~ns\vos puedt.·n él
- 20 -
::
<-(1 (t (1 t • • ¡I
II
I
I I
• • • •
• • • • • • • t •
~
-.
•
•
•• .-
• •
•
"
(3)
(4)
(5)
(6)
AAsmo GUIDE fOR DES1GN OF PA VEMEl'i"T STRUCTURES • 1993
>
menudo ser mejorados por compactación a contenidos de humedad de 1 a 2 por ciento por encima del óptimo. En algunos casos puede ser mas económico tratar a los suelos expansivos o resilientes estabilizándolos con un aditivo apropiado, tal como cal o cemento, o encajando un espesor sustantivo en una mem.brana a prueba de agua, a fin de estabilizar el contenido de humedad. La información concerniente a los suelos expansivos se cubre en la Referencia 8. En el Apéndice G se proporcionan los metodos para evaluar las consecuencias potenciales de suelos de fundación expansivos. . En areas sujetas a heladas, se pueden remover los suelos susceptibles de congelar, reemplazándolos por materiales seleyionados no susceptibles . Donde tales suelos sean muy extensos como para una remoción económica, deberán cubrirse con un espesor suficiente de materiales apropiados para modificar los efectos perniciosos del congelallÚento y descongelamiento. En el Apéndice G se dán los métodos para evaluar las consecuencias del hinchamiento por helada, los cuales han sido revisados previamente en éste capítulo. Los metodos para compensar por debilitamientos estacionales debido al deshielo; se dán en la Parte n. LOs problemas con suelos altamente orgánicos están relacionados a su naturaleza extremadamente compresible y se acentúan cuando los depósitos no son uniformes en sus propiedades con la profundidad. Los depósitos locales, o aquellos de relativamente poca profundidad, resultan a menudo mas económicamente fáciles de excavar y .. reemplazar con materiales apropiados. Los pro blemas asociados con depósitos mas gruesos '
- y profundos han sido resueltos colocanco - sobrecargas para la preconsolidación, a veces con previsiones especiales para remover rápidamente el agua a fín de acelerar el proceso de consolidación:' Las previsiones especiales para condiciones y tipos de suelos variables pueden incluir: escarificación y recompactación; tratamiento de la capa superior del suelo de fundación con un aditivo apropiado; empleo de cap3.S gruesas de suelos de fundación mas apropiados (materiales seleccionados o de préstamo); sobre-excavaci6il de las secciones en corte y colocación de una capa uniforme de material seleccionado en las areas de cortes y rellenos; o ajustando el espesor de la subbase según del tipo de suelo . Aunque el procedimiento de diseño está basado en la suposición' de que se tomarán precausiones para el drenaje superficial y el subdrenaje, algunas situaciones pueden requerir que se dé especial atención al diseño y construcción de los sistemas de drenaje. El drenaje es particularmente importante donde se encuentren grandes flujos de agua (por ejemplo en filtraciones v "oJ:os de a2:ua"), donce se oresente!l condiciones dañinas de
J ~ •
congelamiento, o donde los suelos sean particularmente susceptibles de e: .... pandir o perder resistencia con los incrementos en sus contenidos de humedad. El drenaje subterráneo especial puede incluir previsiones de capas adicionales ¿e materiales peS1eabl::::s debajo del pavimento. para la
- 21-
(7)
;.
AASHTO Gú1DE FOR DESrCN OF PAVE.'r1:E;:-iT STRUCTURES - 1993
intercepción y recolección del agua; y tuberias de drenaje paEi la colección y conducción del agua. Los drenajes superficiales especiales pueden requerir servicios tales como diques, cunetas revestidas y colectores de cuencas. Ciertos suelos de fundación ofrecen dificultades durante la construcción. Estos son principalmente los suelos sin cohesión,los cuales son fácilmente desplazados bajo los equipos usados en la construcción de los pavimentos; y los suelos arcillosos húmedos, los cuales no pueden ser compactados a contenidos de huinedad elevados, debido a los desplazamientos bajo los rodillos y por que requieren de periodos mas largos para secar a un contenido de humedad apropiado. Las medidas tomadas para aliviar tales pro blemas constructívos incluyen: (1) mezclas con materiales granulares, (2) añadir aditivos apropiados a las arenas para proveerlas de cohesión, (3) añadir aditivos apropiados a las arcillas para acelerar el secado o aumentar la resistencia al corte; y (4) cubrir con una capa de materiales seleccionados mas apropiados para que actúen como una plataforma de trabajo durante la construcción del pavimento.
Los valores del módulo resiliente (MR) para el diseño de la estructura del pavimento, deberán estar normalmente basados en las propiedades de la caga compactada del suelo de fundación. Puede ser necesario, en algunos casos, incluir la consideración de un suelo de fundación no compactado~ si es que esos materiales in-situ son especialmente débil_~s. Es importante hacer notar que el diseño de la e~Jructura del pavimento con ésta Guía, está basado en el valor promedio- de MEt• Aunque la confiabilidad con.;iidera la variación de muchos factores asociados .COll el diseño, ella es . tratada ajustando el tráfico de diseño (ver Capítulo 4). El tráfico de diseño es el valor espectado del ESAL de 18 kips durante- el periodo de diseño. El diseñador nQ.debe seleccionar un valor de diseño de MR• basado en algún criterio mínjmo o conservador, ya que esto introducirá un conservadorismo elevado en el diseño, mas allá del proporcionado por el factor de confiabilidad.
1.6 i\1L\TERIALES DE CONSTRUCCION
. Los materiales usados para la construcción de la estructura ¿el pavimento puede dividirse en dos clases generales: (1) materiales para pavimentos flexibles; y (2) materiales para pa·,imentes rígidos. Los materiales usa¿os en pavimentos compuestos inch.!.yen les necesarios para la preparación ¿el suelo de fundación, de la subbase y de las losas de concreto de cemento portlancL con una superficie de desgaste ce concreto asfái~co. e na so brecapa de concreto asfáltico so ere un pavÍr:!ento rígi¿o es considerada un pavimento compuesto.
Para completar los requerimientos de diseño para pavimentos fle:cib!es. ?uede ser necesario convertir el CBR o valor resistente-R a un módulo resiliente. \f~. En auseGcia de correlaciones de las agencias. se proporcIonan las siguientes
- 22-
t
• • • • • • • • • • • • ,t
•
• • • • • • • • • • • • • • •
• .-"-
•
_ .
.....-•
•• .-
.~
..
:.
AASHTO Gú1DE fOR DESIGN OF PA'".EME:-iT STRUcruRES - 1993
correlaciones para materiales granulares no ligados (base y sub-basé):
() (psi) iY1g, (psi)
100 740 x CBR ó 1,000 + 78D x R 30 440 x CBR ó 1,000 + 450 x R 20 340 x CBR ó 1,000 + 350 x R 10 250 X CBR/ó 1,000 + 250 x R
/
donde " B. = suma de los esfuerzos principales al +aZ+a3 ; refiriéndose a AASHTO T 274, esto corresponde a: ad + 3a3 cuando ad = al - a3'
La resistencia de la base o subbase granulares, está relacionada al estado de esfuerzos principales que ocurrirán bajo condiciones de operación. La suma de los esfuerzos-principales, B, es una medida del estado de esfuerzos, el cual es una función del espesor del pavimento, la carga y el módulo resiliente de cada capa. A medida que una agencia se familiarice cada vez más con estos parámetros, será posible determinar el estado de esfuerzos a partir del análisis de un sistema de capas, siguiendo el procedimiento dado en la parte IV de la Guía. Sin embargo si tal información no ~stá disponible, pueden usarse los estimados ci.e los valores del módulo" resiliente proporcionados en Parte II de esta- Guía .
1.6.1 Pavimentos Flexibles
Como se ha mostrado en la Figura 1.1, los pavimentos flexibles generalmente consisten de un suelo de fundación preparado (subrasante), subyacente a las capas de sub base, base y superficie de rodadura. En algunos casos la sub-base y/o base se estábilizan para· márimizar el uso de los materiales locales. La literatura de ingeruena contiene una buena cantidad de información relativa al suelo y a la estabilización de los agregados (9, 10).
Las referencias 9 y 10 proporcionan un estado del conocimiento relativo a la descripción de los procedimientos para la selección de los estabilizan tes apropiados a los diVersos tipos de suelo y métodos constructivos. Los ejemplos del diseño de pavimentos e:l la referencia 9 se refieren a la Guia Interna de 1972; sin embargo, los ejemplos pueden todavía ser usados para ilustrar los conceptos de diseño apropiados. para ser usados con.los materiales estabilizados.
Suelo de Fundación Preparado (subrasante) . El suelo de fundación preparado es una capa de suelo de fundación o de ~éHerial de préstamo selecc:ona¿o. que ha sido compactado a una densidad especificada .
- 23-
.- -- :,. ... . -23
AASEITO GUIDE rOR DES[GN OF PAVEM.ENT STRUCTURES - 1993
- Capa de Subbase. La capa de subbase es la porción de la -. estructura del pavimento flexible, entre el suelo de fundación preparado y la capa de base. Comúnmente consiste de una capa compactada de material granular, tratado o sin tratar, o de una capa de suelo tratado con un aditivo apropiado. Además de su posición en el pavimento, se distingue del material de base por tener requerimientos menos estrictos de especificación en la resistencia, plasticidad y gradación. El material de subbase deberá ser de significativamente mejor calidad que el su'elo de fundación. Por razones de ecqnomía, la subbase es frecuentemente omitida si los suelos de fundación son de alta calidad.
Cuando los suelos de fundación son de relativam~nte pobre calidad yel procedimiento de diseño indica que se requiere de un espesor considerable de pavimento, _ deberían prepararse algunas alternativas de diseño para las secciones estructurales, con y sin subbase. La selección de una alternativa puede entonces hacerse en base a la disponibilidad y costos relativos de materiales apropiados para base y subbase. Debído a que los materiales de mas baja calidad pueden usarse en las capas más inferiores de una estructura de pavimento flexible, el uso de una capa de subbase es frecl!entemente la solución más económica para l~ construcción de pavimentos sobre suelos de fundación pobres. .
Pes~ a que no se presenta en ésta Guía ningún requerimiento de calidad específico, el }¡[anual de Construcción AASHTO para C~l1i'eteras puede ser usado como una Guía. Muchos materiales diferentes han sido usado exitosamente para subbase. Puede usarse la experiencia local como base para la selección. Para su empleo en éste procedimiento de diseño, el material de subbase, si es que está presenté~ requiere del uso de un-ro eficiente de capa (a)), a fin de convertir su espesor actual a un ilúmero estnrcr.uar (S0i) Debe hacerse una consideración especial enia determinación de los espesores mínimos de base y de capa superficial, requeridos sobre un determinado material de subbase. Los procedimientos que pueden usarse con":este fín se dán en la Parte Ir. Los procedimientos para asignar los coeficientes de capa apropiados, basados en un MR esperado, se dán en la Parte II. La subbases de agregados no tratados, deberán ser compactadas al 95 por ciento o más de su má:rima densidad de laboratorio, en base- a la.Prueba AASI-ilO T 180, ?vfétodo D, o equivalente. Además de su función más importante como una porción estructural del pavimento, las cap?S de sub base pueden tener funciones secundarias adicionales tales como:
. ' - 24 -
t t
\
(
(
l
e (
:.
AAsmo GUIDE FOR DESrGN OF PAVD1E~T STRUCTti"RES· 1993
Capa de ·Base.... La capa de la base es la porción de la estructura del pavimento inmediatamente debajo de la capa de superficie. Se construye sobre la subbase o, si no se usa 'subbase, directamente sobre la sub rasante. Su función más importante en el pavimento es el soporte estructural. Comunmente consiste de agregados tales como piedra chanca da, -escoria chanca da, grava chancada y arena, o combin:aciones de estos materiales. Puede usarse tratada o sin tratar con aditivos '-estabilizantes apropiados, tales como "Cemento portland, asfalto, ca!, cemento de cenizas 'lolantes y cal de cenizas -volantes, po r ejemplo en las bases puzolánicas estabilizadas. Las especificaciones para materiales de base son generalmente apreciablemente más estrictas que' las especificaciones para material de subbase, en lo que respecta a los requerimientos de resistencia,. plasticidad y gradación. Las guias para la estabilización pueden encontrarse en las referencias 9 y 10.
Cuando se utilizen bases estabilizadas con puzolanas debajo de una superficie asfáltica de desgaste, relativamente delgada, puede esperarse qt!-e. o~urran grietas transversales rep.ejas en la superficie, en un periodo relativament.e corto de tiempo, por ejemplo, de 1 a 3 años. Pueden emplearse juntas aserradas y selladas Ca travéz del concreto asfáltico hasta la base), para minimizar los efectos adversos en la apariencia y para proveer mejores operaciones de sellado futuro. El espaciamiento de juntas puede variar desde 6 hasta 12 m, dependiendo de la experiencia local con problemas anteriores para controlar el espaciamiento de grietas.
Aunque no se presentan en esta C-uía requerimieatos especificos de calidad para las capas de base, las especificaciones incluidas ea el "~fanual ..-:JASHTO para la Construcción de Carreteras o en la Especificación Asní D 2940, "}¡[aterial de Agregado Gradado para Bases o Subbase para Carreteras y A. eropuertos" , se utilizan frecuentemente. Algunos materiales que difieren en gradación y calidad con los de estás especificaciones. han sido usados en ciertas áreas v han tenido un
- 25-
25
.~SHTO GUIDE FOR DEStGN OF PAVEME1'cT STRUCIVRES - 1993
comportamiento satisfactorio. Se pueden también incluir en las especificaciones de materiales o constructivas, requerimientos adicionales para la calidad de los materiales de base, basados "en los " procedimientos de ensayo utilizados por las agencias de construcción. Las bases de agregados no tratados deberian compactarse a por lo menos el 95 por ciento de su máxima densidad de laboratorio, "en base a la prueba .AASHTO T - 180, Método D, o equivalente. Una amplia variedad de materiales no apropiados para ser usados como capa de base no tratada, han dado" comportamiento satisfactorios cuando se han mejorado por adición de un aditivo estabilizan te, tal como cemento portland, asfalto o cal. Debería considerarse al uso de tales materiales tratados para capa de base, cuando ellos sean económicamente factibles, particularmente cuando los materiales no tratados se encuentra en pequeñas cantidades. Las ventajas económicas pueden obtenerse no solamente por el uso de agregados de bajo costo, sinó tambien por la posible reducción en el espesor total de la estructura del pavimento resultante del uso de materiales tratados. Se requiere un estudio cuidadoso en la selección del tipo y cantidad de aditivo a ser usado, para el desempeño óptimo y la economía.
Para el uso en este procedimiento de diseño, el material de base debe estar representado por un coeficiente de capa Caz). de tal manera que su espesor actual pueda ser convertido a un número estructural. Los procedimientos para la determinación de los coeficientes de capa basados en el j\¡fR, se dan en la Parte Ir.
Capa de Drenaje. yn cierto número de Agencias está ahora consigerando o construyendo pavimentos con una capa de drenaje, como se muestra en la Figura 1.3 (11). Esta figura.il~stra una configuración; otros diseños alternativo§. se muestran en el Apéndice AA del Volumen 2 y en las referencias 12 y 13.
La sección transversal mostrada en la Figura 1.3 es sólo ilustrativa.,"" La localización del drenaje longitudinal con respecto al sentido de tráfico puede variar dependiendo de la preferencia del diseñador y de la experiencia local. Además, esta figura no muestra los sistemas colectores y los requerimientos de desague para un diseño del drenaje total. Para información adicional concerniente al diseño del sistema de drenaje, deberá referirse al Apéndice AA"del Vo1u.CJ.en" 2 y a las Referencias 11, 12. 13, 22 v 23 . .
Cuando especifique un sistema de drenaje, el diseñador debería dar algunas consideraciones respecto de la secuencia de construcción preferida, por ejemplo: excavación e instalación después que se ha completado el carril de pavimentación. Debena de seg'.úrse la práctica local; sin embargo, el diseñador debe estar a'ásado de que pueden ser necesarias modificaciones especiales a las especificaciones.
Las Tablas 1.1, 1.2 Y 1.3 proporcionan alguna información para estimar la :Je:::leabilida¿ ce vanos ticos c.e materia1. . .
La Tabla 1.1 proporciona relaciones generales entre materiales no estabilizados ¿e gradación g:--.lesa y sus cceficientes de per:neabilidad (11).
La Tabla 1.2 proporciona algunas guias para la gradación de materiales pe;:rneables tra~dos con asfalto (11). Po r lo menos una agencia estatal ha reportado la
- 26-
::;
, , :
I • ~ : I • • • • • • • • • • • • \
~ 11
• • • • • • •
•
.-
( (
(
•
A. La base es usada como la capa de drenaje.
B.
.L Capa de Drenaje como bas\! .
Materiales de base y subbase deben cwnplir los criterios de filtro
El material debe cumplir los criterios de filtro
La capa de drenaje es parte de o está debajo de la s,:!base
Capa de Drenaje como parte de o .
I debajo de la sub base
Materiales de base y subbase deben cwnplidos criterios de permeabilidad venical del dreñaje
El material debe cumplir . los criterios de filtro
El material debe cumplir los criterios de mITO
si la base o subbase adyacentes a hl capa de drenaje no cumple.!l esos criterios
"NOta: L~ :e~as de filtro pueden ser usadas en lugar de los mace:-iaks de filtro - , suelo. o agregado, dep~.:ldiendo ée I:!S cccside:ac~ones econom!c:lS.
Figura 1 . .3 . Ejemplo de Capa de Drenaje en )ln:.! Estructura de Pavimento (11)
- 27-
.. -:: ....
27
::.
AASEITO GUillE FOR DESrGN OF PAVDíE:-t-r STRUC1ü'"RES . 1993
misma gradación para concreto poroso usado como capa de drenaje. La Tabla 1.3 resume la información relativa a la permeabilidad de agregados
gradados, en función del porcentaje que pasa el tamiz N2 200. Información adicional concerniente a materiales a ser usados para la capa de drenaje se proporcionan en la Referencia 12.
Tabla l.i Permeabilidad de Agregados Gradados (11)
Número de la Muestra Poc-centaje que pasa 1 2 3 4 5 6
Tamiz de 3/4" 100 100 100 100 100 100 Tamiz de 1Il" 85 84 83 81.5 79.5 75 Tamiz de 3/8" 77.5 76 74 72.5 69.5 63 Tarn.iz Ni 4 58.5 56 52.5 49 43.5 32 Tamiz Ni 8 42.5 39 34 29.5 22 5.8 Tamiz Ni 10 39 35 30 25 17 O Tamiz Ni 20 26.5 22 15.5 9.8 O O Tamiz N1 40 18.5 133 6.3 O O O Tamiz Ni 60 13.0 7.5 O O O O Tamiz Ni 140 6.0 O O O O O Tamiz Ni 2C0 O O O O O O Densidad Seca (pe!) 121 117 115 111 104 101 Coeficiente de Per=.~abilidad (pie/dia) 10 110 320 l,ceo 2,6CO 3,CCO
Nota: Los sistemas de drenaje subterráneo debenan removieles.
-. --
El coeficiente de permeabilidad aproximado del material permeable tratado con asfalto, es 3,000 o más pies por dia cuando es tratado con 2% de asfalto; y 8,000 pies por dia sin asfalto.
Tabla 1.2 Gradación para Capa Permeable tratada con asfalto
Tamaño del Tamiz
1" 3/4"
3i8" N 24.
01 28
~ 2'8 -
Porcentaje que pasa
100 90-1.00 30-5
0-5 0-2
• • • • • • •
• • •
•
(
e • e(
í
• • (
(
(
l
e
' -(
(
(
(
.\Asma GúlDE FOR DESIGN OF PA 'V:EMEl'IT STRUClü"RES • 1993
Tabla 1.3 Efecto del POl'C1!ntaje que pasa la Malla :-i2200 en el coeficiente de. permeabilidad de Agregado de Gradación Densa, Pies por día (11)
POl'C1!ntaje que Pasa la Malla Ni 200
TIpos de Finos O 5 10 15
Silica o Piedra Caliza 10 0.07 0.08 0.03 Limo 10 0.08 0.001 0.0002 Arcilla "lO 0.01 0.0005 0.00009
"
Las Especificaciones para diseño y construcción de las capas de drenaje, se encuentran.en desarrollo, por lo tanto, los requerimientos de materiales deberían estar referidos a la guía más reciente de especificaciones de la AASHTO, la ASTIvf, o de la Agencia Estatal apropiada, responsable del desarrollo de los criterios y requerimientos . La información en las tablas 1.1, 1.2, Y 1.3 proporciona algunas guías para estimar la permeabilidad.
El Dep?rtamento de . Transportes de Nueva Jersey ha desarrollado especificaciones para mezclas bituminosas de gradación abierta, estabilizadas y no estabilizadas, para capas de drenaje. Los requerimientos de gradación usados por el NJDOT son:
- ' Tamaño del Tamiz
1.5" LO" O.S' N24 N 28 N 216 N~50
Porcentaje que Pasa
100 95-100 60-80 40-55 5-25 0-8 0.5
Estel material puede ser obtenido con una mezcla 50'%:'50% de piedra chancada N~ 57 Y ~~ 9. La permeabilidad sugerida por el j\"JDOT -=-$ ¿e 1000 a 3000 pies/dia. Se recomien.da la ejec:rción de pruebas de laboratorio para ¿e:::::---,inar la permeabilidad de la capa porosa. pre'¡iamente a la aprobación del materiL en !!recetario" para el problema de drenaje interno esta dado por G.S. l\.oz!co ~ Transportation Record 993.
Las dimensiones del drenaje subterráneo están ge::.e:almente basadas en .el tiempo requerido Dor el 50% del auua libre para ser rec.o·,--::6!. de la caoa de drenaje.
• ~ . ro.
La ecuación de flujo de Casagrande para la estimación. dei ::e::::?o de drenaje del 50% esta expresada como
:: :.
AASRTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEME~-r STRUCl1.JRE.S • 1993
~o= (770 xL II [2 x K x eH + L le tan o:)J
donde:
t~ = Tiempo para que drene a150% del agua libre (dias) 'Tle = Porosidad Efectiva (80% de la porosidad absoluta) L = Longitud del trayecto .del flujo (pies) K = Constante de Permeabilidad (pies/dia) y tan a = Gradiente de la Capa de Base.
Material de Filtro. Una descripción detallada de las capas contenida en el Apéndice AA, Volumen 2. Ridgeway (11) dá comentarios generales
(1ñ1.)
de filtro está los siguientes
Debe prevenirse la obstrucción de la capa drenante y del sistema colector, si es que el sistema va a permanecer funcionando por un periodo largo. de tiempo. Esto se logra por medio de un filtro entre el dren y el material adyacente. El material de filtro, hecho con agregados selectos o con geotextiles, debe cumplir tres requisitos generales: (1) debe prevenir que los materiales más finos, generalmente de la subrasante tubifiquen o migren dentro de la capa de drenaje, obstruyéndola; (2) ~~be ser suficientemente permeable para acarrear a~a sin ninguna resistencia; y (3) debe tener suficiente resistencia para soportar las cargas apli~d~s y para los agregados, distribuir las cargas vi~as sobre la subrasante.
Capa SlI.peifu:ia1. La capa 'superficial de una estructura flexible consiste de una mezcla de agregados minerales y materiales bituminosos colocada en la parte mas superior y usualmente construída sobre una capa de base. Además de su función princip-al como una parte estructural del pa'ámento, deee también· ser diseñada para: resistir las fuerzas abrasivas del tráfico, reducir la cantidad de agua superficial que puede penetrar en el· pavimento, proveer una superficie resistente al . patinaje y proporcionar una superficie de manejo lisa y uniforme.
El éxito de una capa superficial depende del graco con que se obtenga una mezcla con la óptima gradación de agregados j' porcentaje de ligante bituminoso . para ser durable y para resistir la rotura y el desgaste superEcial, sin volverse inestable bajo las cargas del tráfico y las condiciones climáticas espectadas. El uso de U:1
procedimiento de diseño de laboratorio es esencial para asegurar que una mezcla sea sa tis facto ría.
Aunque los agregados de gradación densa, CC!l un tamaño máximo de alrededor de 1" son comUllillente los más especificados para capas superficiales de carreteras, U:la gran. ':ariedad de otres gradaciones de m~zclas de gradación abierta. desde arenas hasta gravas. han sido usadas y han proporcionado un comportamiento
- '30 -
• • ca
• • • • • • • • .. • •
• • • • • • •
,
w( el · (.~
( -. · (-. ( •
e .~
( e( • e • •
(
(
e ((
•
AAsmo GUIDE FOR DESIGN OF PA VE'tíE~T STRUCI1TRES • 1993
satisfactorio en condiciones especificas. Las capas superficiales son usualmente preparadas con cemento asfáltico en plantas de mezcla en caliente, aunque también se han obtenido comportamientos satisfactorios con las mezclas de planta en frío con asfaltos líquidos o con emulsiones asfálticas. Las mezclas de plantas en caliente, por ejemplo el concreto asfáltico, están recomendadas para ser usadas sobre carreteras de tráfico moderado a pesado.
Las especificaciones de construcción usualmente requieren que se aplique un material bituminoso sobre las capas de base de agregados no tratados, como un revestimiento primario, sobre las capas de base tratadas y entre capas intermedias de la capa superficial, pára' servir como una capa de impregnación (imprimación).
En esta Guía se presentan requerimientos de calidad no específicos para las capas de superficie. Se asume que cada agencia preparará especificaciones basadas en el desempeño, práétícas locales de construcción y en el uso mas económico de los materiales. Las especificaciones ASTM D 3515, proporcionan algunas guías para diseñar mezclas de concreto asfáltico para pavimentación.
Es particularm~nte importante, que las capas superficiales sean ·apropiadamente compactadas durante su construcción. Una compactación inapropiada de la capa superficial 'originará una .variedad de tipos de daños que tienden- a reducir la vida y sobre todo el nivel de comportamiento del pavimento. Los tipos de daños que están con frecuencia relacionados con una compactación insuficiente durante la construcción, incluyen los ahuellamientos resultantes de una densificación debido al tráfico, fallas estructurales resultantes de un exceso de infiltración de las aguas superficiales a travéz de la capa sup~rficial; y agrietamientos o desconchamientos d.e la capa superficial como resultado del resquebrajamiento del ligante bituminoso por exposición de la mezcla al aire y al agua. Deben establecerse criterios especmcos para la compactación por cada agencia, en base a la experiencia local. Densidades máximas teóricas de 92% o más, son algunas v~es especificadas para mezclas de grac!?ción densa.
1.6.2 Pavimentos Rígidos . Cbmo se. ~uestra en la Figura 1.1, los pavimentos rígidos .generalmente
consisten de una suorasante subyacente, una capa de subbase y una losa de pavimento. La subbase puede ser estabilizada o sin estabilizar. En los casos de diseño de caminos con bajos volúmenes de tránsito, donde el tráfico de camiones es bajo, la capa de subbase puede no ser necesaria entre la subrasante y la losa del pavimento.
Puede incluirse una capa de drenaje en los pavimentos rígidos. de la misma forma como se ha descrito para los pavimentos t1exibles, como se ' muestra .:n la Figura 1.3. Les diseños alternativos de drenaje se muestran en el Apéndice .~_A.. Volúmen 2.
SubBase. La subbase en una estructura de pavimento [1' C7i ":0 co n sis:¿ de 1.:::>_'- •
una o más capas compactas de material g~anui<,r o estaci2iz3.¿c. co!ccaco enrre la
- 3) -
31 .
sub rasante y la losa ng ida con los siguien tes p ropósitos:
' 7
•
AAs uro ~UlUJ::: ~'OR U~H;~ O~·
1' .... VI-:.V1 .1::¡.(r sTK UCT UKl·:'i· 1')').1
(.l) P.~!t ... P.{9P8[~~9:q.~:~w\¡fqr~}Jf.,il,~,~~~Hiq:ª~,: ){. ~9P9d.e. ~,nÁfQn:n.~-?:::;:~:~¡;:;¡~:':;;~; ~;;! :¡ ;F:;(~T ,,: (2) pa.á!.l' incremén tari'e(: módu lo': (k}"de:;'teacció n de' fa subrasante ','" ¡¡~ :jHii¡¡¡i::::¡"::;¡:T : ;::,:, .. ;,;."
(3) p~' :~ ~gj;rr.i:t~i.r¡~~~;~~e¿'~~,::~~¡~9~~~~li!~f~~~9g: ,pe .las :helad:q~t~:~~~~:¡~~::¡¡~t;:,1:~;:~::} : " ,:: (4).. par<i!. p,rev~nk el:: bom~~-: de:lo(s~~tg~~~º~: grao.~s finos. e.q. l a~ : J.y·!.HJ!.~\: : ; '~ ¡,<¡O :'~ '~' :;~ ,
'g;i~ta;S Y. l?9~r.des" "de¡)~~Jq:sas';·dg¡~~:;¡~y~:¡~;!?~.'¡ ::¡ ~ :::: ":. :.':" ,:', <':' -::., o!: 'n~~~~~:i:~ ~¡ ":"" '¡'::".'::' ,~' ::
: ~5). ;E~~:~~~~~}~f~~r~~hl~:~~f,f~~i1f~~1~~~tt~m~~~~~~~~ .. ~~~ !:~~~~t~.~j;~~~~~:~:~~i~~J~¡A;: ;:1 w""*
Si los suelos de fundación son de igual calidad que los de la subbase, o en [os casos donde el tráfico de di::;eÍlo es menor él 1 '000,000 de ESALs de 18 kips, puede no ser necesaria una capa adicional de subbase.
Se ha usado satisfactóriamellte un cierto número de diferentes tipos de sub bases. Estos incluyen materiales granulares y estabilizados con aditivos apropiados. Las experieucias locales pueden tambien proporcionar criterios útiles para 'la selección de los tipos d~ subbase. La prevención de las acumulaciones de agua en o sobre los suelos de fundación o en sub bases, es esencial si se busca un comportamiento s<.¡ti'::;[adorio de la e::iLructura dd pavimento. Se recomienda que la capa de subbase se !lt:vl.! de 0.3 /ll ti 0.9 mIllas al!<i dd ancho de la vía pavimentada, o hasta el talud !:ii es que se requiere pura el dr.enaje.
Los problemas con la erosión del material de subbase eu las jÚhtas y en los bordés cid pavimento, han llevado a que algunos diseñadores a usar concreto pobre o capas porosas como subbase. Mientras se fomenta el uso de Ulla eapa porosa, debé hacerse notar que los criterios de diseño para esos makriales e::;tán aún 'en Ull
estado de desarrollo y que el disl'ñador debería revisar lu literatura, o contactar <"'0[1
agencias familiarizadas con requerimientos similares.
Losas del Pavimento. Los materiales básicos ea las losas de pavimento son: concreto de cemento Portland, acero de refuerLo, dispositivos de transferencia de carga y materiales para el sellado de las juntas. El control de calidad -en el proyecto para asegurar que los materiales conformen las es?ecÍficaciones AASHTO, o las especificaciones de la agencia, minimizarán los dt:!ños resultantes de la disto esión o d..;sü,k~mción.
Concreto de Cemento Fordand. El diseño de :!lezc!~ y las especific,!c ioilCS Lk' malC'naks para d concrelO dl.:b~·n estar (lcord~s con los requerimientos de la \.A.SHTO en su Guia de: E:.p.:clficac:olles para la Construcción de Car."'e!t:triJ.s y
E.:::¡;ec::'¡':cac:ol!e.s Estandar para el Trau..)porte de :'-'f.1. ;t.:rú.:&s. o similareS. B<1jo !,¡S .:or:~ ic ¡ cn..;s de un proy\;."cto t,':)!kt.:iúco, el milli(~!o ra<.:~or c;:menLo deberá ~L.·r
- :32. -
"
• •
t I
~ . . ~ (
•
• -
f \
-\
:.
AASHfO GUIDE FOR DESIGN OF PAVE't1E~T STRUcruRES - 1993
determinado sobre la base de los ensayos de laboratorio y por experiencias previas de resistencia y durabilidad.
Se deberá usar concreto con aire incorporado donde sea necesario para proporcionar resistencia el deterioro superficial debido al ~ielo-.C!e.shi~lo,. a las. sales, o para mejorar la trabajabilidad de la mezcla.
Acero de Refuerzo. El. acero de refuerzo usado en la losa, deberá tener deformaciones superficiales adecuadas para la adherencia y para el desarrollo de esfuerzos de trabajo en el acero. Para mallas de alambre liso, la adherencia se desarrolla a través de la soldadura en las uniones. Para mallas de alambre deformado, la adherencia se desarrolla por las deformaciones en los al~bres y por la soldadura en las intersecciones. -
lv.fateria1.es de SeUo para las juntas. Tres tipos básicos de selladores se utilizan actualmente en el sellado de las juntas :
(1)
(2)
(3)
.Selladores Líquidos: Incluyendo una vasta variedad de materiales tales como: asfalto, caucho colocado en caliente, compuestos elástoméricos, siliconas y polímeros. Los materiales son colocados en las juntas en forma liquida, permitiéndoseles fraguar. Cuando se utilizen selladores liquidos, deb~ tenerse cuidado de proveer el factor de forma apropiado para los movimientos esperados. Se!!os_elastolJ1.éricos prefomr..ados. Estos son sellos de neopreno enruido que tienen redes internas que ejercen una fuerza hacia afuera contra las caras de la junta. El tamaño y el ancho de la instalación dependen de la cantidad de movimiento esperado en la junta . Re!lel"'..ador de corchopara junta de expansión. Hay dos tipos de rellenado res de corcho: (a) rellenadores estandar para juntas de expansión; y (b) del tipo auto expandido (SE).
l Juntas Lo%oitudinales. Las juntas longitudinales son necesarias para formar ( agrietamientos en las ubicaciones deseadas, de tal modo que ellas puedan ser. selladas
"( (
e (
adecuadamente. Pueden ser machihembradas, ensambladas, o combinaciones de ellas. Las juntas longitudinales deberán ser aserradas o formadas a una profundidad mínima de un cuarto ¿el espese r de la losa. El momento en el que se ejecuta el aserrado es critico para la formación de la junta en la ubicación deseada. El máximo espaciamiento recomendado para juntas longitudinales es de 4.8 m.
Dispositivos de transferencia de carga. Los dispositivos mecánicos de transferencia de carga en las juntas transversales deberán F0seer los siguientes atributos:
- '33-
•
AASHTO GuLDE FOR DESIGN OF PAVEMENf STRUcruRES . 1993
Un dispositivo de transferencia de carga normalmente usado es la barra lisa y redondeada de acero con revestimiento, confonnante de la especificación AASHTO M 3i-Grado 60 ó superior. Los requerimientos especificas de diseño, relativos al diámetro, longitud y espaciamiento, son" descritos en la Parte n. Aunque los dowels redondeados son los mas usados comunmente, pueden también usarse otros dispositivos mecánicos que se hayan probado satisfactoriamente en el campo.
Debe también tomarse en consideración, la omisión de los dispositivos de _transferencia de carga en las juntas de plano debilitado en los pavimentos de concreto simple con juntas, cuando están soportados por una base permeable tratada.
Barras de UniÓll:. _ Las barras de unión de acero deformado o gonectores, están diseñadas para mantener firmemente unidas a las caras de losas colindantes. Las barras de unión están diseñadas para soportar las fuerzas máximas de tensión requeridas para soportar el arrastre de la subrasante. No están diseñadas para actuar como dispositivo de transferencia de carga.
Las barras deformadas deberán fabricarse con acero liso o de eje. de Grado 40, conforme las especificaciones AA..SHTO ?vi 31 ó ?vf53. Las re9Qmendaciones especIncas sobre el diámetro de las barras, longitudes y espaciamientos para diferentes condiciones de pavimentos, son descritas en la Parte n.
Otros conectores aprobados también pueden ser usados. La resistencia a la teasióll de tales conectores debe ser igual a la -de las barras deformadas que fueran requeridas. El espaciamiento de esos conectores deberá conformar los mismos requerimientos dados para las oaI7as de unión defor::o.adas, dados en la Parte Ir.
Donde se apliquen sales a la superficie del pa<.imer:.to. debe tonarse en cuenta el uso de materiales resistentes a la corrosión o revestimientos para las barras de unión y los dowels.
1.6.3 Bermas
- 3~-
í 4í
í ¡
• •
41 r
(
(
(
e .(
• • • • r" • • • •
• • e \
(
(
e e -l,
:.
..v.SHTO Gú1DE FOR DESIGN OF PAVDfENT STRUCTURES • 1993
Las bermas han sido a menudo construídas en el pasado con una base flexible y una superficie asfáltica o con una base estabilizada y una superficie asfáltica. La diferencia entre la berma y el carril externo del pavimento, cuando las ruedas de un camión pesado viajan sobre aquella, han producido a veces problemas en las juntas entre ellos. La investigación ha mostrado que el aumento de resistencia de las bermas y la colocación de sellos especiales, han ayudado a aliviar este problema. El uso de bermas de concreto unidas al pavimento, o de' ensanches de 1 m, monoliticos con el carril exterior del PCC, han sido tambien beneficiosos (un ensanche monolítico de 1.5 m tambien es aceptable, si se utiliza conjuntamente con una línea de avisos). El ensanchamiento del borde exterior o el uso de un sardinel monolítico (donde sea apropiado), tambien rigidiza el borde del pavimento y --reduce los problemas en la unión de la junta con la berma. Las recomendaciones para el diseño de losas con bermas unidas y caniles exteriores ensanchados, se dán en la Parte II de ésta Guía.
Información adicional referente al diseóo de bermas se dá en la sección 1.9.
1.7 MEDIO k\1BIENTE
Se consideran específicamente en ésta Guía, dos de los principales factores ambientales, en relación al compOrtamiento de la estructura del pavimento: las lluvias y la temperatura.
La. temperatura afectará (1) las propiedades de fluencia del concreto asfáltico; (2) Los esfuerz~ ,s térmicos inducidos en el concreto asfáltico; .(3) la e:\-pansión y contracción del concreto de cemento portland.; y (4) El hielo y deshielo del terreno_ de fundación. La temperatua y la humedad difer~ncia1 entre la parte superior y el fondo de las losas de concreto, en los pavimentos de concreto con juntas, crea un cur¡ado hacía arriba y una flexión de los extremos de las losas, lo cual puede traer como consecuencia el bombeo y deterioro estructural de las secciones no drenadas.
Sí se permite que las lluvias penetren en la estructura del pavimento o en el suelo de cimientación, se afectarán las propiedades de esos materiales. Esta sección
" de la Guía abarca los problemas asociados con t,emp,er:atura. La Sección ;l:8 : abar~' los requerimientos de drenaje relacionados con las precipitaciones plUviales.
El hielo y deshielo del terreno de fundación ha sido tradicionalmente de gran importancia para los diseñadores de pavimentos. El mayor efecto está relacionado con el debilitam~ento por deshielo, el cual puede ocurrir durante el periodo de descongelamiento en primavera. La figura lA ilustra los efectos estacionales que pueden ocurrir en muchas regiones de los Estados U nidos. un segunGo efecto del collge1amierrto es el levantamiento por heiada. que causa una disminución de la serviciabilidad del pavimento.
Los procedimientos para calcular el daño durante las variaciones de las estaciones en el año. en función del debilitamiento por deshielo y de los levantamientos por helada, son tratados en la Parte n. Está fuera del alcance de
. ' .. c.¿;sc~C~.:-
congelamiento, al debilitamiento por deshielo y al levarrtamÍento por helada.5. el
- 35-
W (J)
• - ..... ~J-t: ,~
~'T,
~ '0 'u
CQ
'O Mili ~ ;:l ~ V
'O
O V ;:l
U)
"¡j "O M ns IU ..... ~ QJ
VI QJ
p:: O ;:l MIS
'O '0 ...... .c...
T,o
M,S :; lvlódulo del Suelo dt.: FUlldaciólI COIl~clado
M :; ¡V/ódlflo dd Suelo de fUJldaci6n Nonnal liS
M .. u - tv(ódulo del :; r I X Mm
Sucio de Fundación tlenelido (reducido)
11 Tel
12 meses
AT re ~Tn
T,o
Tiempo, meses
r I = F ac(or de reducción por desconge/amiento
T ;: Mes en el que comienza la heluda lo .;
11 T, :;Tiempo de congelamienro
11 T :.' Tiempo de descongelamiento crítico el
D. Tre ;:
Ll T n =
Tiempo de rec\1peración después del descongelamiento Tiempo de la condición llonnal del suelo de fundación.
1.1
l'
•
FiguI"II lA . HcpresclItació1I de 111 VI~riacl6n del Módulo Rcsilientc n lo largo del ano
a. a -A -· •••••••••• . -A -A. a -. ··a -a .. A .... •
• •
•
•
• •
e (
(
, I
(
\..
(
(
e e
~ -l í
o ·
o',
:\ASIDO GUIDE FOR DESIGN OF p.4.VEME~T STRUCI1JRES· 1993
usuario debe remitirse a la Referencia 14 para más información al reSpecto Unas . cuantas de las consideraciones mas pertinentes de la Referencia 14, respecto al diseño de la estructura del pavimento en áreas de congelamiento, se reproducen en ésta sección de la Guía.
El hinchamiento de! suelo por helada, dentro o debajo de un pavimento, es causado por la acumulación de hielo dentro de los vacios mayores del suelo y usualmente, por una expansión subsecuente que forma lentes continuos, capas, venas, u otras masas de hielo. El crecimiento de tales cuerpos distintos de hielo se denomina segregación Por helada. Este crecimiento de los lentes en espesor se produce en° dirección de la transferencia de calor, hasta que el abastecimiento de agua se agota por la formación de nuevos lentes en un niveJ más bajo o hasta que las condiciones de congelamiento de la interface de congelamiento no puedan soportar una posterior cristalización. Las ~vestigaciones (1413 y 16) muestran que la segregación ocürre sólo si el suelo contiene partículas finas. Tales suelos se dice que son suceptibles a las heladas; las arenas limpias y gravas son suelos no suceptibles a las heladas. El grado de suceptibilidad al hielo es principalmente una función del porcentaje de partículas o finas yen menor grado, de la forma de las partículas, de la distribución de los tamaños de los granos y de la composición mineralógica.
Las siguientes tres condiciones de suelo, temperatura yagua, deben presentarse o simultáneamente para que ocurra la segregación por helada en los materiales subterráneos:
Los períodos de descongel.amiento están entre las fases más críticas en el ciclo anual de cambios ambientales que afectan a los pavimentos en áreas de congelamiento estacional. Tales ciclos de descongelamiento son en muchos casos muy irregulares, dependiendo de la rapidéz del descongelamíento y de la o capacidad de drenaje del sistema del pavimento. Durante los periodos de descongelamiento puede ocurrir una considerable fusión de IlÍeve, la cual una vez derretida, llena las cunetas y se infiltra en el pav-imento desde las bermas y a travéz de las grietas del pavimento. Durante los periodos de descongelamiento, la capacidad ce soporte del terreno de fundación puede reducirse severamente, siendo el levantamiento por helada frecuentemente más severo luego de los periodos de descong~lamiento, a la mitad del o invierno. En áreas de penetración profunda de helada, el periodo de descongelamiento completo de [as estructuras de pavr:;::¡ento más gruesas. en
- 37-
:.
AASHI'O GUIDE FOR DESIGN OF PAYEME:-iT STRUCTURES .1993
primavera, es usualmente el tifXJ más perjudicial de deshielo, porque afecta a la subrasante, así como a las capas de subbase y base. La severidad de los efectos adversos en la capacidad de soporte de una subrasante dada, depende en gran parte de la distribución de la temperatura en el terreno durante el periodo de deshielo.
• El deshielo puede ocurrir desde la parte superior hacia abajo, desde la parte inferior hacia arriba .. o de ambas formas. La forma del deshielo depende de la temperatura superficial del pavimento. Durante un deshielo primaveral súbito, el derretimiento ocurrirá casi enteramente desde la superficie hacia abajo. Este tipo de deshielo conduce a condiciones extremadamente adversas de drenaje. El suelo aún congelado debajo de la capa de descongelamiento, atrapa 'el agua descargada por la fusión de los lentes de hielo, de tal manera que un drenaje lateral y superficial son los únicos medios de evacuación. En los suelos granulares, los drenajes laterales pueden estar restringidos fXJr las bermas aún congeladas, resultantes de los efectos aislantes de la nieve y/o de las características diferentes en la conductividad térmica y rdlectividad superficial. Sí la temperatura del aire en la primavera permanece fría y escarchada en la noche, la conducción , hacia arriba del calor almacenado en el terreno desde el verano anterior y el calor desde el interior de la tierra, producirán descongelamiento, principalmente desde el fondo hacia arriba. Tal tifXJ de descongelamiento permite que el terreno se humedezca a partir de los lentes de hielo fundido drenando hacia abajo,' mientras que el material supenor permanece congelado.
Los factores climáticos de temperatura del aire, radiación solar recibida desde la superficie, viento y precipitacionesL son los mayores parámetros que afectan la severidad de los efectos de las heladas, en un área geográfica. en particular. Los tres primeros efectos afectan pri,gcipalmente al régimen de la temperatura en_la estructura del pavimento, incluyendo los parámetros impor:.antes de profundidad y penetración de las 'heladas, número de ciclos de hielo-deshielo y la duración de los períodos de hielo y deshielo. Las precipitac~ones afectan principalmente al régimen de humedad, pero causan cambios en las propiedades térmicas del suelo e
interactuan con las otras variables climáticas que determinan también las temperaturas del terr~D.o.
Los Investigadores involucrados en el cálculo de la profundidad de penetración de las heladas, han encontrado que es conveniente el uso de un índice de congelamiento (15), el cual expresa el afecto acumulativo de la intensidad y duración de las temperaturas de sub-congelamiento del aire. El índice de congelamiento es expresado en grados-día y representa la diferencia entre los puntos más altos y bajos en una curva de grados-día acumulativos versus el tiempo para una estación de congelamiento. Los grados-día para cualquier día es igual a la diferencia entre el promedio diario de la temperatura del aire y 32 ~F. Los gradosdía son positivos cuando la temperatura diaria promedio está por debajo de los 32 2F (grados-día de congelamiento) y negativos cuando la temperatura está sobre los 32 2F (grados-día de descongelamiento). .J...sí tma temperatura diaria ?romedio de 312F es igual a un grado·día. 33 2F es igual a menos un gra¿o-dÍa. y 22 2F es igual a 10 grados-día.
- 38-
"
f •
\
4 t
,
t • • • • • • •
• •
, • ,
~
(
('
( • ( •
· ( · ( · ( • •
•
(
( (
!
\~
el e
:. :.
AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES· 1993
_ El índice de congelamiento para un año y una ubicación determinados, puede calcularse a partir de los registros de la temperatura diaria promedio del aire, los cuales deberían obtenerse de una estación situada cerca al lugar de la construcción. Esto es necesarió debido a que las diferencias en la elevación y topografía - y 1"a cercanía a los centros poblados o cuerpos de agua (río, lagos, costas maritimas) y otras fuentes de calor, son la causa probable de variaciones considerables en el valor del índice de congelamiento en distancias cortas. Tales variaciones pueden ser de magnitud suficiente como para afectar un diseño de pavimentos basado en la pro fundidad de la penetración de la helada, particularmente en áreas donde el índice de congelamiento usado en el cálculo es de 100 grados-día. La Tabla 1.4 proporciona una indicación de la profundidad de helada, basada en la penetración de la iso.terrna de 32~ F (Q!~C), a 12" por debajo de la superficie de concreto de cemento portlan:d. Las variaciones debído al tipo de pavimento, tipo de suelo, duración de las temperaturas bajas y al contenido de humedad, pueden afectar la penetración actual. del hielo; sin embargo, es claro que ésta. puede eXtenderse en los suelos de fundación durante períodos sostenidos de temperaturas de congelamiento.
La mayor parte de los estudios ha mostrado que el suelo es susceptible al hielo sólo si contiene partículas finas. El suelo libre de material que pase la malla 200, generah:riente no desarrolla una segregación significativa del hielo o levantamiento por helada. Aún no se ha identificado un método seguro para reconocer un material susceptible a la helada, para condiciones específicas de un lugar. Algunas pautas están disponibles en la literatura y son descritas por Johnson (14). El Cuerpo de Ingenieros de los Estados Unid0s ha reportado que la mayor parte de los suelos inorgánicos que contienen un 3% (en peso) o más de granos mas finos qüe 0.02 mm . . de diámetro, son considerados susceptibles a la helada, para los propósitos del diseño de pavimentos. _.
En suma la acción de las heladas· debido a las temperaturas de congelamiento en el suelo, pueden causar levantamÍetos y debilitamiento por deshielo. Sin embargo, el debilitamiento por deshielo no es necesariamente directamente proporcional al hinchamiento, desde que la experiencia de campo - ha mostrado que arenas bien drenad$ls. o materiales gravosos, recuperan capacidad portante muy rápidamente, mientras que los suelos arcillosos pueden mostrar poco hinchamiento, pero recuperan su estabilidad muy lentamente (14). El procedimiento de diseño en la Parte II de esta Guía, proporciona información para el hinchamiento por helada y para el debilitamiento por deshielo.
El periodo de debilitamiento por deshielo puede ser estimado a partir de las medidas de la deflexión como se muestra en la figura 1.5. Esos datos fueren obtenidos de la Carretera Experimental A .. <\SHO, e indican que los periodos de debilitamiento por deshielo pueden abarcar desee unas pocas semanas hasta unos cuantos meses, con variaciones del grado de reducción de la capacidad estructural. Posteriores guias relativas a los periodos de debilitamiento por deshielo están dados en la Parte 2 de esta Guía; sin embargo, se urge a las agencias de usuarios a desarrollar esas relaciones. en base a mediciones in-situ específicas dentro de sus áreas y comparar ciertas experiencias con las de otras agenclas en [03 EEüL:.
'" = "':::l -.E:P ,-. .... ::: 4J
::: -e ~ :.J -:.J -.. --:.J ..,
-.. j
.070
.000
.060
.040
.0:::0
.020
. 010
O Oct. Nov. Mar. Apr. May June July Aug. Sept. Oct.
1968 1969
.070
"~r .C6J r
.. .040
.030
,02:)
.010
'0 Dec. Jan. Feb. Mar. Apr. May June Juiy Aug. Sept. Oct. Nov.
19-"=....9
Figura 1.5.
19€1J
Deflexión Estacional en un Anillo sin Tráfico, Carga por Eje Simple de 6 kips (17)
- 40 -
,41
t t t t
• t t t t t G
Nov.
t t
•
1 • • -¡ • I
1 • • • Oec.
•
•
•
\~
( (
l. (
e C r . (,
e l, el
(
:.
AA.SHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEME~T STRUCTURES ·1993
_ Los Ensayos de Laboratorio y las evaluaciones de campo, indican que los módulos retenidos durante los periodos de debilitamiento por deshielo, deben ser de 20 a 50% del módulo normal obtenido durante los períodos de verano Y otoño .
. Deberá notarse que el módulo resiliente para los suelos de fundación pueden tambien variar con la estación, aún cuando no se haya experimentando un periodo de debilitamiento por deshielo. Por' ejemplo, durante los periodos de,lluvia intensa, podría esperarse que ocurra alguna variación estacional. Podrían haber otras situaciones en las que no ocurran variaciones estacionales, pudiéndo usarse un módulo constante para el suelo de fundación. Debe notarse que el módulo está relacionado al CBR valor-Ro o al valor del plato de carga, de donde, la experiencia con esos tipos de ensayos de resistencia, puede ser usada para inferir los efectos estacionales en los módulos. "
Mientras que la información respecto de los efectos de debilitamiento por helada o saturación de agua en los agregados no tratados de la base y subbase, es generalmente deficitaria, algunas investigaciones sugieren que los módulos reducidos pueden ocurrir durante las estaciones críticas. La Referencia 18, basada en los
resultados de las medidas de deflexión en primavera, en la Carretera E' .. perimental AASHO, indican que el Ínódulo retenido está en un rango que va de 80 a "85% del módulo normal obtenido durante el verano y el otoño. Sí esas capas han sido bien drenadas, podría anticiparse que no existirá ninguna reducción en los módulos.
En la Parte TI se han tomado precausiones para compensar los efectos del debilitamiento por helada sobre el comportamiento de los pavimentos, en el calculo del módulo resiliente efectivo del suelo de fundación. El módulo efectivo usado para un período de 12 meses, p-roducirá los mismos cambios en el PSI que los que'·se hubieran obtenido calculando el cambio con el módulo estacional respectivo.
El diseño en las áreas con helada incluí da s en esta Guía, depende en gran medida del comportamiento de los pavimentos rígidos y flexibles según la Carretera Experimental AASHO. Es reconocido que la experiencia en algunos estados del Norte y en Alaska, podrían indicar que deberían utilizarse procedimientos alternativos. Por ejemplo, algunas agencias estatales requieren de una capa granular de 12 a 24 pulgadas sobre los suelos de fundación susceptibles de congelar. Otras agencias requieren. el reemplazo total 9 parcial de lo's materiales susceptibles a. la , helada (16). Tales requerimientos podrían incrementar el espesor total de la estructura ' del pavimento, cuando se comp'ara con los requerimientos de esta Guía. Una atenta revisión cuidadosa de los costos y beneficios (comportamiento) de tales políticas de diseño debería ser considerada; sin embargo, si los datos de campo indican que los costos del ciclo de vida, puede reducirse siguiendo algún procedimiento, no debería haber ningún problema en justificar ese tipo de diseño y construcción.
Además del efecto estacional sobre los materiales de subrasante y granulares, la temperatura también influirá en las características del concreto asfáltico. El comportamiento será afectado de 3 maneras: (1) agrietarr.iento a bajas temperaturas; (2) agrietamiento por fatiga; y (3) ahueIlamiento. No está claro en algunos estudios de investigación como es que tales factores podrian.influir en ::l ?SI (19). Sin embargo los agrietamientos por temperaturas bajas y los agrietamientos por fatiga, ,incrementarán
11 1
AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES· 1993
tos Costos de mantenimiento, siendo el ahuellamiento una consideración de seguridad relativa al potencial de ocurrencia del "hidroplaning", así como un problema de mantenimiento. ,
La referencia 20 resume la información concerniente al agrietamiento prematuro en el concreto asfáltico debido a los esfuerzos inducidos por baja temperatura y a la fatiga debida al tráfico. Las recomendaciones de éste estudio indican que los grados mas blandos de asfalto, es decir, AC-5 o equivalente, deberían ser usados en climas frios (cuando la temperatura media ,anual del aire es menor de 45 QF (7 2C»; y los grados mas duros, es decir AC-20 o equivalente, en climas cálidos (cuando la temperatura media anual del aire es mayor de 75 ~F (24 ~C». La selección especifica del grado de asfalto será una función de la experiencia local; sin embargo, se recomienda que se tome en cuenta las guias indicadas.
Para concreto asfáltico en todo su espesor (full-depth) grueso, existen indicaciones de las investigaciones, que el agrietamiento por fatiga puede estar afectado significatívamente por la temperatura (21). En general, esos hallazgos sugieren que los grados mas duros de asfalto proveerán un comportamiento mejorado en términos del agrietamiento por fatiga. Así, un AC-40 debería ser mas apropiado en climas templados, para pavimentos gruesos (711 de -espesor o mas).
Deberá notarse que la selección del grado de asfalto, por si, no resuelve todos los pro blemas de agrietamiento prematuro. El diseñador debe también prestar atención cuidadosa a todos los factores que pueden influir en el comportamiento, es decir, diseño estructural, drenaje, construcción, debilitamiento por helada, etc.
1.3 DRENAJE
El drenaje del agua de los pavimentos ha sido siempre una consideración importante en el diseño de carreteras; sin embargo, los metodos corrientes de diseño han resultado a menudo en capas de base que no drenan bien. Este exceso de agua combinada ~n volumenes y cargas de tráfico crecientes, han llevado a menudo al destrozo prem aturo de la estructura del pavimento. ,
El agua ingresa a la estructura del pavimento en muchas formas, tales como, a través de las grietas, juntas, o infiltración a través del pavimento, o en forma subterránea desde un acuífero interrumpido, nivel" freático elevado, o una fuente localizada. Los efectos del agua (cuando está atrapada en la estructura ¿el pavimento) sobre el pavimento incluye:
- 42 -
• t
•
l
(
L
AAsmo GUIDE FOR DESIGN OF PA VE.\1E~-r STRUCTURES - 1993
Algunos problemas debidos al aire entrampado incluyen menos frecuentemente, áunque no están limitados a):
Ediciones previas de la Guia AASHTO para el Diseño de Estructwas de Pavimentos, no han tratado el efecto del drenaje sobre el coID;portamiento del pavimento. En ésta Guía, se consideran directamente los efectos del drenaje, en términos del efecto de la ,humedad sobre la resistencia del suelo de fundación y de la base (para pavimentos flexibles); y de los efectos de la humedad sobre la resistencia de la sub rasante y sobre la erosionabilidad de la base (para pavimentos de concreto). Aunque no se dan consideraciones acerca de los efectos de la denudación del concreto asfáltico, se toman en cuenta los efectos de suelos expansivos y de hinchamientos por helada.
1.8.1. Consideraciones Generales de Diseño
Los metodos para tratar el agua en los pavimentos han consistido generalmente en:
-Cuando todas las fuentes posibles de agua está consideradas, la protecciQn de, la ' estructura del pavimento contra el ingreso de agua, requiere la intercepción del agua freática, así como el sellado de la superfície del pavimento. Generalmente se ha dado una atención considerable a la intercepción del agua freática y menos atención al sellado de la superficie, excluyendo la infiltración de la lluvia y nieve derretida. Corno resultado, a menudo ingresa una considerable cantidad de agua a la subestructura del pavimento, resultando en la necesidad de algún tipo de drenaje.
Para obtener un drenaje adecuado del pavimento, el Ciseñador deberá considerar la provisión de tres tiñas de sistemas de drenaje: (1) drenaje superficial; (2) drenaje subterrán.eo; y (3) ¿maje est.-ucturaL Tales sistemas. si:! embargo, son solamente efectivos para el "agua libre". El agua mantenida dentro de los suelos y agregados finos F'0r capilaridad, no puede ser drenada. Los efectos de ésta humedad "oculta" deben ser considerados en el diseño de las estructuras del p~';~le:::c, por medio de su efecto
43
,,-
:.
!\Asmo GUIDE FOR DESIGN' OF PAVEMENT STRUcrURES -1993
so bre las propiedades de los materiales. La mayor parte de los pavime~tos existentes, bno iñcluyen sistemas de drenaje capaces de remover rápidamente el agua libre.
La mayor parte de los métodos existentes, han confiado en la práctica de construir pavimentos suficientemente fuertes para resistir los efectos combinados de las cargas y del agua. Sin embargo, ellos no siempre toman en cuenta los efectos potencialmente detructivos del agua dentro de la estructura del pavimento. Como resultado, se necesita un mayor énfasis para excluir el agua "deL pavimento y proveerle de un drenaje rápido. Mientras que ambas aproximaciones son extremadamente dificiles, ésta Guía enfatizará solamente en el último tratamiento. Sin embargo, las políticas de mantenimiento deberán reconocer los beneficios y la necesidad de" mantener el sellado de juntas previniendo así la infiltración del agua dentro de la subbase.
1.8.2 Diseño del Drenaje Subterráneo de Pavimentos
Se han propuesto dos tipos gene¡;ales de criterios para el diseño del subdrenaje de pavimentos (11):
La remoción del agua libre puede estar acompañada por el drenaje del agua libre verticalmente dentro de la subrasante o lateralmente haCia una capa de drenaje ~n un sistema de tuberias colectoras. Gerealmente, el proceso actual será una combinación de los dos.
1.83 Incorporación del Drenaje dentro de la Guía
Los efectos del drenaje sobre el comportamiento del pavimento han sido considerados en ésta Guía. El drenaje es tratado considerando el efecto del agua sobre las propiedades de las capas del pavimento y sus consecuencias sobre la capacidad estructural del pavimento. Se necesita un trabajo adicional para documentar el efecto actual del drenaje sobre la ... -ida del pavimento.
Para diseños nuevos (parte II), el efecto del drenaje es considerado modificando el coeficiente de capa estructural (para pavimentos flexibles) y el coeficiente de transferencia de cargas (para pavimentos rígidos), en función de:
4.t.t -
44
•
•
•
• • •
AASHTO GUlDE FOR DESIGN OF PAVDíENT STRUCl1JRES. 1993
Para la rehabilitación de pavimentos existentes, necesitan conocerse otras cuestiones adicionales (22):
( Los detalles de los sistemas del sub drena je son importantes y po r eso, el Apéndice ( AA del Volúmen 2 ha sido provisto para asistir al ingeniero en ese sentido. (
(
l l (
(
(
(
e e l (
L r
1.9 DISE~O DE BER.\{A.S
Como ha sido definido por la AASHTO, una berma de una carretera es la "porción de la carretera, contigua a la vía de circulación para acojer durante emergencias a los vehículos parados y para el soprte lateral de las capas de base y subbase". La berma es también considerada por algunas agencias, como un desvio temporala ser usado durante la rehabilitación de la vía principal. .
No se proporciona un criterio éSpe,c;ffico- en "ésta Guía púa la-determinación dela estructura del pavimento en bermas. Un documento de la • .:\..A.SHTO sobre el diseño de bermas se incluye en el Apéndice E.
Un cierto número de agencias ha desarrollado criterios de diseño específicos para bermas. Donde tales criterios estén disponibles, dentro de junsccciones gubernamentales específicas. se recomienda que sean seguidos mientras la _A.ASHTO desarrolla recomendaciones mas específicas.
Si los criterios de diseÍÍo para las bermas están basados en requerimientos de la estructura del pavimento similares a los usados para la vía de circulación principal. se considera aplicables los procedimientos de diseño y rehabilitación incluidos en las Partes II y III de ésta Guía.
El uso de bermas conectadas o el ensanche ¿e las VÍ2.S 2.·=:¡ace~tes a la !:-~!-:nl'.. !:?:l
- ~5-
45
------
:.
AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PA VEMENT STRUcnJRES • 1993
probado ser beneficiosos al comportamiento global de los pavimentos "rígidos. En las Partes II y IrIse han tomado precausiones para recnocer los beneficios derivados de éste tipo de diseño.
Se reco"noce que las bermas pavimentadas adyacentes a pavimentos flexibles, proporcionan soporte lateral a las capas de base y de supemcie. No se toman precausiones en ésta Guía para modificar el diseño de pavimentos flexibles en función del diseño de las bermas. La práctica local, experiencia y análisis de costos, debenan en todos los casos, ser consideraqos como factores principales en el diseño de bermas. Los beneficios de una berma pavimentada aumentaráJ? si el tráfico está concentrado en los carriles de tránsito. El uso de una berma de color o textura contrastante (revestimientos de sello), ayudará a alcanzar éste objetivo. La invasión de los camiones sobre la berma es la causa principal de daño; de aquí que cualquier tratamiento que minimize las operaciones sobre la berma, beneficiará el comportamiento de los pavimentos en la vía principal yen la berma.
- ~6-
• • • • •
41 41
t 41 41 t
• • • • • •
ti ,
• , • I • r :
(
(;:-
e e (
• ·c l (
~
CAPITULO 2
!!SRTO GOIDg fOR DK5IGJ ay PAYXKKI! STRocrORKS - 1993
GESTION DE PAVIl\tlENTOS RELACIONADA CON EL DISEÑO A NIVEL DE PROYECTO
La gestión de pavimentos en su sentido mas amplio, se relaciona con todas las actividades involucradas en el planeamiento, diseño, construcción, mantenimiento, evaluación y rehabilitación de una porción de pavimento de Un programa público de trabajo. Un Sistema de Gestión de Pavimentos (pMS-Pavement Management System) es un conjunto ~e herramientas o metodos que asisten a la persona encargada de la toma de decisiones, en hallar las estrategias óptimas para proporcionar, evaluar y mantener a los pavimentos en una condición útil durante un período de tiempo. La función de un PMS es mejorar la eficiencia del que toma las decisiones, expandir sus alcances, proporcionarle retro-alimentación Cfeed back) sobre las consecuencias de sus decisiones, facilitarle la coordinación de sus actividades dentro de la agencia y asegurarle la consistencia de las decisiones hechas a diferentes niveles de gestión, dentro de la misma organización.
En éste sentido, el "diseño" de pavimentos, como se trata en ésta Guía y la "rehabilitación", como se trata en la Parte Ir de la Guía, son partes vitales en el proceso integral de gestión de pavimentos. El propósito de éste capítulo es mostrar mas claramente las interrelaciones del diseño y la rehabilitación, con la gestión de los pavimentos y con los sistemas existentes o po1~nciales de gestión de pavimentos. __-
La estructura detallada del PMS depende de la organización de la agencia en particular, dentro de la que está siendo implementado. No obstante, puede á~Pnirse o establecerse una red global generalmenté 'aplicable, sin perjuicio de cualquier organización departamental detallada. Otros reportes basados en la tecnología e:O.stente (29), esbozan conceptos de gestión de pavimentos a largo plazo y proporcionan guias para su aplicación inmediata, no siendo nuestro propósito, discutirlos aquí.
Es conveniente describir la gestión de pavimentos en términos de .. dos niveles " generales: (1) el nivel de gestión de la red general, a veces llamado eLniveLdei programa,.
donde se toman decisiones administrativas que afectan los programas para las redes de carreteras; y (2) el nivel de gestión de proyecto, donde se toman decisiones técnicas para proyectos específicos. Algunos desarrollos de sistemas formales de gestión de pavimentos se han dado a nivel de proyecto. :vías recientemente, un desarrollo extenso en la gestión del mantenimiento y la información de metodologías de gestión, proporcionan la oportunidad para el desarrollo de sistemas de gestión de pavimentos mas comprensivos, en los que se puede incluir un mavor número de actividades, correlacionándolas mediante interfases e~plícitas con los ot~s niveles de la red.
Los sistemas de gestión de pavimentos pueden proporcionar algunos benetlcios a las agencias de carreteras, tanto en la red como en los niveles de proyecto. Uno de ellos es la
- ~7-
!ASR!O GUIDK YOK DKSIGJ Dl ~!VKKKI! SriaC~aRgS - 1993
selección de alternativas de costo-efectivo. En lo concerniente a construcción nueva, rehabilitación o mantenimiento, el PMS puede ayudar a gerenciar como alcanzar el mejor valor porsible a los dolares públicos.
A nivel de red, el sistema de gestión proporciona información pertinente al desarrollo de un programa estatal o de agencia de construcción nueva, mantenim.iento o rehabilitación, que optimizará el uso de los recurso's disponibles. Esta relación está ilustrada al lado izquierdo de la Figura 2.1.
Considerando las necesidades de la red como un conjunto, un PMS total, proporciona una comparación de los beneficios y cos'tos para algunos programas alternativos, haciendo posible identificar que presupuesto o programa dará el menor costo total, o el mayor beneficio, en el período de análisis seleccionado. Los beneficios de utilizar este sistema han sido probados en la práctica.
A nivel de proyecto, se hace una consideración detallada para las actividades de diseño, construcción, mantenimiento o rehabilitación, para una sección en particular de una carretera o proyecto, dentro del programa general. Acá nuevamente, comparando los beneficios y costos asociados con algunas actividades alternativas, se identifica una estrategia óptima, la cual proporcionará los beneficios deseados o los niveles de servicio al mas b'ajo ' costo, durante ~l período de análisis.
2.1 ' RELACION Ei'I"TRE DISE~-O y GESTION DE PA VDrm.l',rrOS
En la Figura 2.1 se ve que ':.diseño" es principalmer:.~e una actividad a nivel de proyecto, desde que el diseño no es normalmente hecho hasta que se hayan definido los programas y asignado los presupuestos. La Figura 2.2 ilustra las mejores relaciones conocidas entre diseño y otras actividades tipicas a nivel de proyecto, una vez que un proyecto o sección de carretera ha sido seleccionado para su constucción y han comenzado las actividades de diseño. .- . -. . Muy a menudo en el pasado, las alternativas de diseño han considerado solamente
aquellas'secciones estructurales o estrategias de"diseño qué se esperaba duraran todcrla·vid.a .. .. ... . de servicio prevista o el período de comportamiento seleccionado. Es v'ital notar que la gestión de pavimentos proporciona una aproximación organizada para corregir esas deficiencias. Es aparente en la Figura 2.3, que en los analisis de diseño pasados, no se incluyeron los criterios eco no mico s durante el cido de .. -ida ni la interacción de la construcción inicial y la so brecapa subsecuente.
:vfas explícitamente, un sistema de gestión de pavimentos (P:\-rS), proporciona un'a forma organizada y coordinada de tratar el proceso de gestió=. de pavimentos. La cantidád de datos involucrados y el número de calculos requeridos para verificar las alternativas disponibles, indican claramente la necesidad de contar con algún tipo de dispositivo para asistir al ingeniero. Normalmente una computadora micro o en red, llena muy bien. éste
- ~'8 -
::.
• • t
• • • t
• •
• • • • • • • • • • • • • •
Figura 2.1
.... ;-
Nivel de Red
programac~ ~
Presupue~
Datos del Sistema
( 1-}
Nivel de Proyect.o
~Diseño ~
~ . , Con~trucclOn
~ ~.
Mantenimiento ~
~ ~ehabilitación.
Iavestigación y Esrudios Especiales tales como
Efectos de las incrementos en. los pesos de los camiones; nuevos hos de materiales, etc
Actividades de un Sistema de Gestión de Pa"imentos (29)
:.
ACTIVIDADES DE DIs..EÑ"O
Ingreso de Información sobre Materiales, ACTIVIDADES DE PLAl'ffiAl\1IENTO Tráfico, Clima., Costos, etc.
· Catastro de las Deficiencias Jj' de la Red Estrategias Alternativas de Diseño
•
· Establecer Prioridades U.
• Programa y Presupuesto Análisis, Evaluación Económica y Optimización
- 1 Actividades de construcción)
H Actividades de Mantenirnientc) _.
-:- ,
- H J Evaluacién de! Pavimento .. -
: : H Actividades de Rehabilitación : :
:i_c::-:,;daces ée Investigación
-. ., ., rrgura ;..._ Principales Tipos de Actividades en un Sistema de Gestión de Pavimentos
- 50 -
r • ,
I
~
• • • • • •
I : ~
• • •
•
\..
(
(
e
TRAFICO (Ca rga por Rneda Rcpre- 1-se:1tativa).
-
MEmO A.. .... íBIE.!.~ Existente.
r MATER):ALES E~stentes
j- ~ I Grupo de MODELOS Satis~ce los ESPESORES DE orSEÑ:> DE requerimientos ESTRUcrURALES. PAVIMENTOS de resistencia
( Proced.imienlo Estructural? itemtivo)
~
~' ESPESORES ESTRUCTURALES para durar toda la
CARTA PARA EL DISEÑO DE PAVIME~TOS
(Método Di recto tal OJmo el CBR).
~ vida de servicio
f Otros a tes a los JUS Detalles de diseCo en base a los Es ce-sares ootenídos:
Prepa rar Planos, ' r: . es pe::::..:cac:o (! es,
y estitr..ados.
r-
-
:.
!Asaro GUIOX fOR DXSIGX OY PAYXKKrf STaUCTURXS - 1993
Aspecto~ no AnalizIdos oom-ain:m en d cnCxxb
presente.
Costo del cido de vida Mantenimiento Rutinario Rcllabilitacióa. Otras Alternativas. Costes y Beneíicios dd Usuario Comportamiento del Pavimealo.
Figura ·2.3 Diagrama Esquemático de la Práctica Típica Pasada del Diseño de Pavimentos. .
- 6\
requisito.
!!sato GOrnK [Oi n&SIGI or PAV&X&lf SrRUCtURKS - 199]
Normalmente, la función de diseño, como ha sido definida, cubre los dieños nuevos (parte II de la Guía), así como la rehabilitación (Parte nI de la Guía). La gestión de pavimentos también proporciona un ~ecanismo apropiado para comprar las ventajas de varios tipos de pavimentos y seleccionar el mejor para una situación dada o grupo de circunstancias. Es también esencial por supuesto, que se construyan los pavimentos como han sido diseñados. Esto se anota en la Sección 4.1.2.
Debe reiterarse aquí que el PMS no toma decisiones, sinó proporciona un método para procesar datos y hacer comparaciones, los cuales luego permitirán al diseñador o al que toma las decisiones, barajar los resultados y comparar posibilidades alternativas basadas en criterios prácticos de decisión realística.
¿Cómo el proceso de diseño, tal como se describe en las Partes Ir y lli de ésta Guía, se. relaciona con la gestión de pavimentos a nivel de proyecto? Simplemente verifica que la solución de la metodología de la Guía para un grupo fijo simple de datos de entrada, cumpla los requerimientos de diseño. La Figura 2.4 ilustra este aspecto.
Dados los datos de entrada, los cuales pueden, por supuesto, ser los mismos a ser usados en ésta .Guía, los nomogramas o ecuaciones de la Guía hacen un "modelo de la estructura del pavimento" mostrado cerca de la parte superior en la Figura 2.4. Hay algunos modelos involucrados por supuesto, ilustrados por el hecho de que hay diferentes modelos • para pavimentos flexibles y rígidos. Utilizando uno de esos modelos, se producirá un estimado de la vida de diseño relativa a un grupo de datos de entrada en particular, ensayados en una primera o segunda corridas por ejemplo. Esto puede o no cumplir con suficiente confiabilidad, el período de·comportamiento o de diseño requerido, en adelante: Si un diseño de prueba dado, satisface esas restricciones, luego, se mueve hacia el bloque de evaluación económica en el proceso . . Esto significa que la combinación particular de datos de entrada utilizados para esa prueba, incluyendo los espesores y materiales · usados, satisfacen las restricciones impuestas y proporcionana una historia de serviciabilidad que sobrevivirá durante todo el período de comportamiento o vida de diseño, como se ilustra en la Figura 2.5 para la Prueba B. .
La Prueba A por totro lado, no es aceptable como un diseño "total", desde .que no . alcanza la vida de diseño Td• La Prueba A sin embargo, no está terminada; aunque inaceptable como diseño total, puede ser económicamente aceptable si se combina con una sobrecapa adecuada aplicada en o antes del tiempo TA • La decisión involucrará costos del ciclo de vida, incluyendo los costos y beneficios de los usuarios.
:\tfuchas posibilidades surgen de añadir sobrecapas; dos de ellas están ilustradas en las Pruebas Al y.-\2 en la Figura 2.5. La Prueba Al es rechazada debido a que no cumple los requisitos de tráfico y vida. El diseño desarrollado en la Prueba 2 por otro lado, es aceptable estructuralmente y ahora pasa al subsÍtema de evaluación económica para ser comparada con la economía total de otros diseños de prueba aceptables. La Figura 2.6 i.lustra el concento de diseño mas comoleto. el cual oermite a las Pruebas A-Al v A-A2. ser comprobadas ~mo diseños economi~s. Los resultados dependerán del análisis ~conómico.
-- 52-
• • • • • • • • •
• • • • • • •
• • • -•
• • ~ • • • l
::
!Asaro GUID& 102 DKSIGK 01 PAVXX&If Sf2UCfU2KS - 1993
Tic::npo (Edad) Materiales
-------.-~I INGRESOS I ~ Medio Ambiente T -n"roya",,,
~-------,
MODELOS DE ESTRUcruRAS DE r------------'~ PAVIMENTOS rNCUJYENDO FAC
TORES DE INGENIERIA
I RESTRlCCIONESJ l DE DISEl\o
I I COMPORTA.\íIENTO
k IDMOSI "
I COMPORTr-ro
1------ ~o .... -él!:-----l CICLO DE VIDA ¡...f....c.------c.tf CONFIABIUDAD I (Cumple las restric:cioaes 1) J
Figura 2.4
sr
COSTOS DEL CICLO DE VIDA ;------1
l I ÉvALUACION I ECO~OYíICA
t OPTIMIZACION I
(Llscadopor costo mínimo ;ú :!ivel es¡:eé.iiado de c:oafiablidad
COSTOS DIRECTOS I~1)[RECTOS
I SELCCCION DEL DISElSo FINAL : ..... """..------11 PRESU?UESTO I '" I cm·¡STRt!1R 1
~10~1TOREA..~ a COMPORTA\1I.E..",¡ro
. I 1 srSTE!.íA I 3A.'-."CO DE DATOS ';1----""'>+1' DE r:-':OR.\íACrON
I ~P_~_1S_~~ __ ~ f I RETRO..u.n.1E~-rACION ~---,..-----'
Diagrama de Flujo de un Sistema de Gestión de PaYÍmentos
- 53-
53
VI .f:'
0\ .C:
. ,.-..
~.
~ T.l r.I
-(J ~ :0
(\1
Ti .~ 4)
(/)
4i T.l
~ ~
r."4 H
~ ~l PI\lcba A'--"I'" ~
..
S 1 mínimo a~eptable
~ -- --- Pnleba Al 7 : '" -------~ I \ ~
Pmeba A~ .~\
. \ \
l'erÍlxlo ele cOllllx)rtall1ic.:nlo rc.:il uerÍllo o vicia tle diseño. ..1
TA
l1c1llpo o TrMico Acumulado
Ta;:;:: Vida de diseño Prueba A :. Td == Vida de diseño deseada.
Td
"" '\ \
Figura 2.5. Historias dc SC1- . '\05 Ilustradas para diferentes Diseños dc PI1.JCbll. •
•• • •••••••• ••
\
\.'
• • ......
::;.
J INGRESOS I AEzctir Sobr=c:J como 6co de Ul!:r:so
I -
" .. -- - - . ... . .. .. - . - . - . .... . .
MODELOS DE ESTRUCTURAS DE .. PAvt.MEN1'OS INCLI.fYFNDO FAG-t
f " . TORES DE INGENI.ERL;. . .... , J . Combiaar Prue llÍcreine:lta r
betA con UQa el espeso r o I COMPO RT A.\íIE..'¡ro I sobrc:::::1pa pi- · la re.siscc::da y
r;¡ cu mpuc el para ua:¡ pr'..le I DAÑ:>S I modelo & ba subsCC1.!ea- ~
CJmpo ccacni en re: del cüse::o I COMroRTA'v{[E~70 I Co requerido Ülic:ial (prueba I . . (prueba Al) fa ó Al)
t ... .,. crctOs DE vIDA .L...I ------------l! (ClImple las rc:scric::ioaes?)
NO ¡
sr k I COSTOS ~~ CICLO DE
I .,. CVALü;..crON ECONOM!C.""
I T
O ?TI MIZACION (IJsta po r :nÜlicto costo al nivd es~Ec::1¿o de coaáab¡¡¡éa¿)
CO~TRUCCION
MONITO:u::..",,-~
EL CO~RT_A.:.\IIENTO
..
l!SalO Gcrra~ l07 DlSrGI or Pli1~!Ir sLlaC~ai!S - 1~q3
~fale:131cs
Meclo Ambie:lle Clró3S del T cffico
. . . -.-.
J RESTRIc:rO NES I DE DISEm . " I
-
;g o (j ..:::
'" ...,
"¡;; '" -g O CI'l <J
-o
CONFt,-\.BIUDAD
r
COSTOS DIREcroS (.'\;e:t~) c::
2 o r .... UCREClOS (Usuario) ':.J U
'" .¡;; .ª -: -c;) 8 ,.,
PRESt:?UESTO
Figura. 2.6 n .- - . .Jo. roc~lmlenr:o de Diseño ca n Pasib ilidad de Sobre Cao::ls
de Di~ña Complet.::!. p<lr~ [U. Vida
- ' 55
l!saro GOrD~ rOi D~SIGX Ol ?!Vr~EX! Sil0C!OirS - 1~9J
Los det,dles de la evalu<ición económica o del costo del ciclo de vida son pr~'~¿nt(ldos en el Capitulo 3.
2.2 L·\ GT..1A. COlYIO SCBsrSTEyl~ ESTRCCft.l{AL PAR·'\, l.~. P\'IS A :\TVEL DE PR01'ECTO ESTATAL
El contenido de ésta Guia puede ser usado muy efectivamente como modelo estructural o subsistema, para un PMS a. nivel de proyecto estatal. Trabajará más efectivamente. por supuesto, cuando los modelos (ecuaciones y nomograrnas ) sean apropiadamente dispuestos ·para soluciones comparativamente rápidas de pruebas subsecuente5. tales corno las obtenidas en una computadora o calculadora.
- B prcx::es:> puede empezar por una construcción nueva. una reconstrucción. o UD.a rehabilitación, tan pronto como léls relaciones apropiadas y los requerimientos de valores de entrada sean combinados dentro del procedimie~to. CualquÍer estado con un sistem<t de gestión a nivel de pavimento, debería estar advertido de e~aminar las modilicac-Íones de su PMS para hacer uso de las nuevas guías. Los estados que usen una red a nivel P?vfS .. pero no un sistema formal a nivel de proyecto, deberían considerar el des<1rrollo de un P:v1S adicional. que use los modelos de la Guía. combinados con c~kulos de los ,costos del ciclo de vida y rutinas de optimización para proveer un grupo ordenéldo de diseños económicos, a partir de los cuales se pueda seleccionar e impiementar un diseño "finar. La .AASHTO ha preparado una guía escrita sobre la gestión de pé:l .. :imentos. la cual es presentada en el Apéndice BE, Volúmen 2.
2.3 SELECCION DEL TIPO DE PA vThIENTO
El procedimiento para seleccionar el tipo de pavimeuto m~s aprop:..ido es complejo y dificil 'de definir. En el análisis final, el procedimiento de seiección es una decisión económica, pese a que todos los factores ingenieriles pue'dan ser apropiada y cuidadosamente considerados en tal análisis. Si todos los factores ingenieriles pudier2.!l ser aproptadamente modelados y todos los costos apropiadamente comparados " descontados al valor presente, el costo final más bajo de pa"wento de cualquier tl?O o diseño. debería ser- e! tiDO de oavirnento aprooia¿o a const.ruír. O. depenciie::do ¿e. la economía y de los modelos e~cogidos. el tipo ·de p<tvime.:.to que produzc? la más al~~ relación costoibeneficio .. deberia ser la elección apropiada. Desé1r!or!unadame!lte. [os modelos usados para comparar los tipos de pavimentos. no son a menúdo i:an .b~e::.~s como deberían ser. La falta de observaciones de.l pavimento a largo plazo. ha lllmt~Cc nlIestra habilidad Dara modelar el cOl!1portamieuto de v<trios tiDOS de pél\1nlentOs sOüre una bélSe- ccmün. ~at·ticuiarmerw~ con ~espec~o él úe-ctos a8oL~~(2.1es de té1r2:0 plazQ y . -él los ::!~·e:.::os y cos~os íeLa¡:iv,)s de rna.ntenimiec~o.
- 56 -
~ -~
l~ I~ \. I
14
•• • • <. t
• • t
• t
• • • • • fI t
• • • • • • • • • •
•
•
(
(
(
(
(
(
("
(
(
(
(
(
(
(
( r-'-
AAsaro GUlOE ?OR OKSlGX ay PAVKXKxr STRUCTURES - 1993
En vista de éstas imperfeccienes en les medeles. pueden ocurrir errores que serán trasmitides entre la red y las fases del preyecte durante el procese PMS. Así, si les est~ades de costes usades en cada - sección de pavimento. en la red, reflejan una estimación apro.piada de la resistencia del pavimento. hecha usando. les me deles de la Guía, la distribución de reservas resultante, para cada preyecto respective, cumplirá más directamente las necesidades actuales de les diseñes a nivel de preyecte definitivo., hechas también usando. la Guía y sus medeles.
- Los lineamientes para la selección del tipo de pavimente, se repreducen en el Apéndice B. No.rmalmente, el procedimiento. más realístico para la selección del tipo de pavimente, puede resultar ebteniende entre 5 y 10 selucio.nes de costo. mas cercanas a la óptima para cada tipo de pavimento. en consideración, y examinado. esas epcienes cualitativamente a la luz de les facteres subrayades en les lineamientes de selección.
2.4 GESTION DE PA VTh1ENTOS A NiVEL DE RED
~ gestión de pavimenteS" es un proceso importante a nivel de red, pero. ésta- Guía no. trata la gestión de pavimentes a ese nivel. La relación es mucho. menes directa que para preyectes a nivel de PMS. Sin embargo., cualquier red a nivel de PMS debe tener algunes estimado.s acerca de la cendición del pavimente y de su compo rtamiento. y de las prediccio.nes de coste, en función del tiempo. y del tráfico esperado.. Una versión simplificada de les mo.deles y ecuacienes presentado.s en ésta Guía, pedrían ser utilizado.s con ese propósito.. Los beneficies de tal preceso deberían incluír la interacción mejerada y les estimades de costes, como. se ha indicado. mas arriba .
.s. -.
..;; ~ : LI'~ . ,~
- " ~.
oo" • • ¡ -
\ /'
.' o" "":" -,
- 5'7--
:.
CAPITULO 3
::;.
!ASffrO GUIOK lOi OKSIGI ay P!VX~Xlr sriUC~URKS - 1993
EVALUACION ECONOi\'IICA DE LAS ES'IRATEGIAS ALTERl'lA1TVAS PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS
3.1 L.'imODUCCION
• f
t
• La aplicación de los ' prinClpIOS de la ingerueria económica a los proyectos de pavimentos ocurre generalmente en dos niveles. Primero, están las decisiones gerenciales requeridas para determinar la factibilidad y la programación de un proyecto; segundo, está el requisito de alcanzar la máxima economía posible. El segundo nivel podría ser • considerado una sub-optimización con respecto al primero, pero es mas importante para el • ruseñador. •
La factibilidad del proyecto a nivel de red, se determina por comparación con otros • proyectos potenciales, en los que se alcanza la economía, considerando una variedad de alternativas capaces de satisfacer los requerimientos totales del proyecto. ~. •
La mayor diferencia en la evaluación económica entre esos dos niveles de gestión de pavimentos, está relacionada con la cantidad de detalles e información requeridos. Por otro lado, los principios básicos involucrados son los' mismos. Este capítulo considera ambos principios y su incorporación a los metodos de evalüación económica. Tales modelos serán I luego una parte vital en el proceso de ruseño de pavimentos.
3.2 COSTOS DEL CICLO DE VIDA
Es esencial que durante la evaluación económica, se incluyan todos los costos en que • se incurrirá durante la vida de la vialidad. En las comparaciones economicas, esto no se ha prácticado cuidadósamente, o incluso ~ntendido por los diseñadores de pavimentos, debido a que las comparaciones fueron a menudo hechas, para un periodo de diseño fijado igual. • Así, los'diseñadores, asumen que las comparaciones del primer costo fueron adecuadas para los estudios económicos. Esto no es cierto y a fin de enfatizar la necesidad de un análisis completo de costos, se acuñó en 1970.el termino "costos del ciclo de vida" para ser usado con los pavi.mentos.
Los costos del ciclo de ',ida se refieren a to¿os los costos (yen el sentido mas completo, a codos los beneficios), mvolucrados en un pavimento durante su ciclo de vida comoleto. cs~o incluve. oor suouesto. los costos de constrt.!cción. de mantenimiento. de
.. J • .. ... . •
rehabilitación, etc. Para comparar los cestos y valores para la compra de dos automóviles. necesitamos considerar: (1) los precios de compra; (2) los costos de gasolina y de operación. tales como los correspondientes a la compra de neumáticos; (3) los costos de reparación (mantenimiento); (4) el valor de negociación final (rescat~), etc. Esas mismas clases ¿e
-.
:.
C0mparaciones son validas para los pavimentos.
!Asaro GUIDg 10R OgSIGJ 01 PArKXgIT STRUCrURgS - 1993
También se requiere, por supuesto, considerar la vida de uso del carro. Un carro barato pude durar 4 años, mientras que uno caro puede durar 15 años. Desde que todos los costos no ocurren al msmo tiempo, es importante determinar la cantida de dinero que deberla ser invertida en un momento fijo (usualmente el inicio) y debería ganarse sufien~e dinero, a una tasa de interés especifica, que permita cubrir todos los costos cuando estos ocurran. Así, son importantes en los calculo s, la tasa de interés o el valor del dinero en el tiempo. .
"Los costos del ciclo de vida", es un término acuñado para llamar la atención en el hecho de que se necesita un análisis económico contÍnuo y completo, si se quiere comparar
( correctamente las alternativas. . ... el" , e(-
3.3 - CONCEPTOS BASICOS
Se ha escrito mucho sobre los principios básicos de la ingeniería económica y los metodos de evaluación económica. Aquellos principios que son aplicables ar diseño de pavimentos pueden ser sumarizados como sigue:
59
--- ----
!Asara CUIDE lOR OESIGI 01 P!~KKgXr srRucrURKS - 1993
El principio 5 no se establece normalmente para proyectos de transporte, debido a que es un requerimiento aceptado. Sin embargo, en el campo de los pavimentos, la práctica usual ha sido considerar solamente los costos de capital y de mantenimiento, con el supuesto implícito de que los costos de los usuarios no varían. Esta aproximación es inadecuada, debido a que, como ha sido demostrad"o por McFarland (30) y Kher y colaboradores (31), los costos de los usuarios pueden variar significatívamente con esos factores. Los beneficios pueden pueden ser considerados como reducciones en los costos (32).
3.4 DEFll'HCIONES RELACIONADAS CON EL ANALISIS ECONOiY.1ICO
Las definiciones que se dan a continuación incluyen los principales términos tecnicos usados en el texto del manual de análisis económico de la AASHTO (37). El listado está separado en dos categorías: conceptos de análisis económico o constantes; y características del tráfico de la vialidad. Las definiciones han sido simplificadas en algunos casos para ser usadas con los proyectos de pavimentos.
3.4.1 Costos de Mejoramiento del Transporte
Se refiere a·la suma de los costos de inversión, costos de mantenimiento y costos de los usuarios, asociados con un mejoramiento dado de la carretera. Con propósitos de análisis económicos, solamente se deberán considerar los costos de tranporte que sean resultado directo de las mejoras estudiadas.--Los componentes de los costos de mejoramiento_de.! transporte están definidos como sigue:
Costos de la Carretera o de la Vzalidad. Inversión total requerida para preparar una mejora de la carretera para el servicio, incluyendo el diseño de ingeniería y la supervisión, la adquisición del derecho de vía, la construcción, los dispositivos de control del tráfico (señales y signos) y el paisajismo .
Costo de lvIan.tenimiento de la Carretera. Es el costo de mantener la carretera y todas las obras pertenecientes a ella, en coñdiciones de servicio. Los cambios en los costos administrativos que puedan ongmarse en una mejora particular, también deberán ser ir:clui¿os.
Costos de los Usuarios de la Carretera. Es !a suma de (1) los costos de los vehículos autor::!.otores, (2) el valor del tiempo de los usuarios de Los ve¡":culos y (3) los costos de los accidentes de tráfico.
Costos de Recorrido de los Vehfculos Autonwtores. Son los costos dependientes
- 60 -
•
• • • •
• • •
• • ~f) •
•
•
• • • i~ • l
•
(
í '.
\... (
~ .. - =. ..... -~~. ~ . .....;...--~-- . .
!!SHfO GOIOg F02 OgSIGI 01 P!yg~glf SrROCTORgS - 1993
del kilometraje recorrido por automóviles. camiones y otros vehículos automotores sobre la carretera, incluyendo los gastos de com.bustib~e, ~Iantas, a~ite del. motor, mantenimiento y la porción de la depreciación del vehículo atnbU1.~le al kilome~raJe. recorrido. Se excluyen de los costos de recorrido a los COJtO' de operaclon y del propletano, los cuales no varían con el kilometraje; es decir, a las ~as Y der~hos de parqueo, seguros, a la porción de tiempo dependiente de la depr,eciaá6n y cualqwer otro costo de uso fuera de la carretera.
Valor del Tzempo de Viaje. B$ el .resulta~o del tiempo de viaje del vehículo multiplicado por el valor unitario promedio del tIempo.
, Tzempo de Vuzje del Ve}úcu/tJ, específico de vehículo .
Es el total de horas-vehículo, viajado por un tipo
Valor Unitaria del Tiempo, Es el :ralor atrib~ido a 1 hora del tiempo de viaje, usualmente diferente para carrOfJ de pasajeros y camrones.
Costos de. ÚJS Accidentes tk 'fráf!Sito. . Es el costo atribuible a los acciCientes de tráfico de vehículos automotorc:~, c!ltlmados usualmente multiplicando las tasas estimadas de accidentes, por el costo promt.:dio por accidente.
Costos de los Usuarios. Es la ;suma de los costos de los usuarios de la carretera.
3.4.2 Beneficios de los Usuario:!
Se refiere a las ventaja:s, prí'/Í,legios y/o redu~~n de costos que obtienen los':~suarios de los vehículos automotores que cIrcula.n por la VIalidad (chof~res y propietarios), por el uso de una vialidad en particular, ~nstrUlda de una manera part~~ular, en comparación con el uso de otra. Para pavimcnto~ ;¡ l1lvel de proyecto, la ~mparacl_on ~s entre dos estrategias de pavimentación. Los beneficLo:1 !íun genralmente medidos en terromos de un decremento en los costos de los usuarios. .
Incremento de Costos. Es el cambio neto en los costos atribuibles directamente a una decisión o propuesta daJaS. com?arada~ con alguna ot.:a alternativa (la cual podna ser la situación existente, o (a aitemutlva de no hacer nada ). Esta definición incIuve la reducción de costos que resulta en un ~ecremen~o de. los ~s~os , o equivalentement~, en ~n .incremento de los beneficios. Para Ilu~trar:. SI la .sltuacló~ exis~ente d~ no hacer nada mdica que no deben hacerse ga~~().5 J~ caplt~l ~mversIones) y.la mejor parucular propuesta requiere de un desembolso dé aplral de Sl millon, el costo de l~cremento del caoital deberá ser de Sl millón. Si, por otro la~r c:stamos compar.ando dos alterna~vas de mejoramiento, A y B, donde A cuesta Sl millon Y B cuesta S 3 mIllones. luego. el mcrmento de costo de
- G\-
.-.&
:. :.
!!SH!O GUIOK laR oxsrGJ al PAVXMXX! S!iUC!URKS - 1993
la propuesta B comparada con A es de $2 millones. En otra ilustración, si los costos normales de los usuarios asociados con una vialidad dada, son $100 por mil vehículos kilómetro y una mejora de la carretera debería resultar en un costo unitario para el usuario de $80 por mil vehículos kilómetro, luego el incremep.to en el costo unitario del usuario debería ser menos $20 por mil vehículos kilómetro (equivalente a un beneficio de $20 por mil vehículos kilómetro). Los unicos costos que son relevantes para una propuesta dada son los incrementos futuros de costos, en contraste con las caidas de costos del pasado, las cuales son irrelevantes en decisiones futuras.
Valor Presente (PV). E un concepto económico que representa el traslado de costos o beneficios específicos en diferentes períodos de tiempo, dentro de una cantidad simple, a un instante dado (usualmente el presente). Otro nombre para el valor presente es "precio presente". El término "valor presente neto" (N'"PV) se refiere al valor presente acumulativo neto de una serie de costos y beneficios estirándose en el tiempo. Se deriva aplicando un factor de descuento apropiado a cada costo o beneficio en la serie, el cual convierte cada costo o beneficio a un valor presente. Dos consideraciones subrayan la necesidad de computar los valores presentes: (1) el hecho de que el dinero tiene una capacidad intrínseca para ganar interés en el tiempo (conocido como el valor de tiempo del dinero) debido a su productividad y escaséz; y (2) la necesidad en un estudio económico, de comparar o sumar los incrementos de gastos o ahorros de dinero en diferentes períodos de tiempo.
Costo (o Beneficio) Anual-VTÚforme Equivalente. Es el costo (o beneficio)- anual uniforme, distribuido en el período de análisis, de todos los incrementos de costos incurridos en (o beneficios recibidos de) un proyecto. El costo (o beneficio) anual equivalente es una forma del valor presente. Es decir, que el valor presente de las series uniformes de costos anuales equivalentes, iguala al valor presente de todas las partidas del proyecto .
Tasa de Descuenta (Tasa de InLerés, VaLor de Tr.empo del Dinero). Es una figura porcentual -usualmente expresada como una tasa anual- que representa la tasa de interés del dinero que se puede asumir se gas-tará en el período de tiempo bajo análisis. Una unidád gubernamental que decide gastar dinero mejorando una carretera, por ejemplo, pierde la of<)rtunidad de !finver'".ii! ese dinero en otra parte. La. tasa a la que el dinero podría ser lnverti¿o en otra parte es a veces conocida como el "Costo de Oportunidad del Capital" y es la tasa de descuento apropiada para ser usada en los estudios económicos. Los facto res de descuento derivados como una función de la tasa de descuento y del periodo de tieop0 :-elatívo al presente, pueden ser usados para convertir los costos y beneficios periódicos para un proyecto, en valor presente o en costo anual uniforme equivalente. Sin embargo, calcular los beneficios en dolares constantes y usar tasas de interés del mercado en los cálculos es
- 62-
, ; •
ti
• ti 41
•
4
• •
\. ( (
e e
el l . , -
.~
!!SHfO GUID& fOi O&SIGI 01 P!YX~&lf SfaUCrUR&S - 1993
un error, debido a que la tasa del mercado o de retomo, incluye una tolerancia para la inflación esperada. De aquí que, si los costos y beneficios futuros son calculados en dolares consta-ntes y se usan las tasas del mercado, solamente deberá representarse el costo real del capital en la tasa de descuento usada. La tasa dé descuento asume el componente anual al final-del,-año, a menos que se especifique de otra manera. La cantidad de $100 al contado hoy día, es equivalente, a una tasa de descuento del 10%, a $110 dentro de un año, $121 al final del segundo año y $259.37 al final del décimo año. Inversamente, un gasto futuro de $259.37 dentro de 10 años, a una tasa de descuento de 10%, tiene un valor presente de $100.
~ PerolÚJ de An.á1isis. Es el penodo de tiempo (usualmente el número de años) elegidos "para cOnsideración y estudio de los incrementos. de beneficios y costos en un análisis económico. El año final de la construcción es usualmente llamado año cero. Los años subsecuentes son llamados año 1, ' año 2 y así sucesívamente. Los proyectos de co~truCción por etapas que se extienden por mas de 4 ó 5 años, deberían, cuando sea posible, ser divididos en proyectos separados para etapas separables (para la"s que puedan ser conocidos los beneficios separables). Donde esto no sea posible, deberá usarse como año cero, el año final de construcción de la primera etapa mayor. Las colocaciones de capital mayores, deberán ser compuestas a su valor presente equivalente en el año cero.
Valor de Rescate"o Residual. Es el valor de una inversión o colocación de capital que permanece al final del estudio o período de análisis.
Proyecte. Cualquier componente relatívamente independiente de la mejora de una vialidad propuesta. Según ésta definición, eslabones independientes de una gran propuesta de mejoramiento, pueden ser evaluados separadamente. Donde se' consideren mejoras de construcción alternativas, pueden definirse proyectos separados.
Proyectos Alternativos. Cualquier variación de un plan básico de proyeCto que (1) incluya costos significatívamente diferentes, (2) resulte en niveles significativamente diferentes de servicio o demanda, o (3) incorpore 10calisacÍones de rutas diferentes u otras características distintivas del proyecto tales como tipo de s1..:?erfície.
1 --~ FACIORES Th-VOLUCRADOS EN LOS COSTOS Y BENEFICIOS DE LOS PA YnIE~"'TOS
- E>3-
:.
!!SH~O GOInK lOR DXSIGI or PAvsxxxr srROC~ORZS - 1993
menores, y el sub sellado de losas de concreto entre otras, como una parte esencial 'de la rehabilitación; y cualquier otro trabajo que se intente principalmente para la preservación de la vialidad existente.
Los proyectos de rehabilitación de pavimentos deberán incrementar sustancialmente la vida de servicio de una longitud significativa de la vialidad. Los siguientes son algunos ejemplos de posibles trabajos de rehabilitación de pavimentos, apropiados para la mayor parte de los proyectos carreteros:
Esta lista no es del todo exclusiya. Hay otros items que podrían ser añadidos, los cuales satisfacen la definición antes mencionada. Sin embargo, es imperativo que la definición sea aplicada consistentemente en toda la nación.
La práctica común de seleccionar una técnica. de: rehabilitación debído solamente él que tiene el costo inicial de construcción más bajo, es una práctica pobre de ingenieria y puede conducir a serios problemas futuros en el pavimento. Se recomienda considerar a los costos del ciclo de vida en la selección de la alternativa preferida. Los ciiferentes costos de las alternativas de rehabilitación de pavimentos son la consideración ;nas i:rrportante en la selección de la alternativa preferida. Les costos ¿el ciclo de vida l:tduyen: (1) los costos para las agencias de carreteras por el diseño inicial y la ::o r:!.s trucci.ó:!., rehabilitación v mantenimiento futuro, v valor de rescate: v (2) los costos ?ara el usuar:o ¿e la carre"tera incluyendo demoras J en el recorrido debidas a caniles :errados y pavimentos de baja transitabilidacI. operación vehícular, accidentes e 3cornodidad. Aunque existen dificultades en la estimación de estos costos, se cree que ~sta aproximación proporcionará el mejor pavimento para el costo anual más bajo.
- 6~ -
411
• 411
ti ti
-.
•
::
!Asaro GUIDK lOR DKSIGI 01 PAYKKXIT srRucrUiKS - 1993
Los mayores costos inicial y recurrente que deberían ser considerados en la evaluación económica de las estrategias alternativas, incluyen los siguientes:
(1)
(2)
Costos de la AgeIIcia. (a) Costos de construcción inicial (b) Costos de constrUcción o rehabilitación futuras (sobrecapas, capas de sello,
reconstrucción, etc.) (e) Costos de mantenimiento, recurrentes en el período de diseño (d) Valor de rescate o residual al final de período de diseño (el cual puede ser
un "costo negativo") . (e) Costos de ingeniería y administración (f) Costos de control del tráfico, si es que hay alguno
Costos de los Usuarios (a) Tiempo de viaje (b) Operaci<;5n del vehículo (e) Accidentes (d) Disconíort (e) Pérdida de tiempo y costos extra de operación vehicular durante el recapado
o mantenimiento mayor
3.6 COSTOS DEL CAPITAL J?,'"-lCLU (COSTOS DE Ii.'iY~RSION)
El cálculo del costo inicial de construcción involucra el cálculo de las cantidades de materiales a ser proporcionados en cada estructura de pavimento y su producto por los precios unitarios. Las cantidades de materiales son generalmente función directa de sus espesores en la estructura. También son función de los espesores de otras capas y del ancho del oa,rimento v las bermas. . . . - - 1 •• •• ••
. . . . El costoJ
del material u;.'-situ · en una estructura de pavimento no es directamente -proporcional al volúmen requerido. El precio unitario depende de la cantidad de material a ser proporcionada, procedimiento de Cónstruccción empleado, magnitud del proyecto, etc. Por eso, debe tenerse cuidado al estimar las cantidades y costos verdaderos espectados. Una capa de 2", por ejemplo, puede no ser dos veces mas cara que una de 1", debido a que la labor involucrada en cada operación es la misma. También deberán incluirse los costos de ingerueria y administración asociados con el diseño.
3.6.1 Costo de mantenimiento
- 65-
!Asara GUIO& fOi OKSIGJ Ol P!VXKKXf sriucrUiKS - 1993
En un análisis económico, es esencial la estimación de todos los costos para mantener la inversión del pavimento a un nivel deseable de servicio especificado, o a una tasa de deterioro en servicio. El nivel de mantenimiento, es decir, el tipo y extensión de las oper:lcioIl;es de mantenimiento, determina la tasa de pérdida de calidad de la transitabilidad o indice de servicia bilidad.
Hay varias operaciones" de mantenimiento " en una carretera. El mantenimiento del pavimento, de las bermas, del "drenaje, de las obras contra la erosión, de la vegetación y de las estructuras, mas el control de la nieve y del hielo, son algunas de las principales. Para un análisis económico del pavimento, solamente deben considerarse aquellas categorías de mantenimiento que afectan. directamente al comportamiento del pavimento. Estas incluyen normalmente al mantenimiento de la superffcie del pavimento, de las bermas y del drenáje.
Algunas agencias se refieren a la categoría de "mantenimento mayor'; nosotros hemos escogido " permanecer con solamente dos categorías, mantenimiento y rehabilitación, las cuales incluyen todas las actividades subsecuentes a la construcción.
3.6.2 Costos de Rehabilitación y Recapado
Los costos de rehabilitación incluyen las sobrecapas futuras y/o tratamiento necesario cuando la calidad de transitabilidad del pavimento decrece a un cierto ruvel mínimo de aceptabilidad, por ejemplo, un índice de serviciabilid..ad presente (pSI) de 2.5. Para los propósitos de éste reporte, los costos de recapado están incluidos en la categoría de rehabilitación.
lvIan.tenimiento. Como se ha definido en la Sección 101 del Título 23 del Código estadounidense, es lila preservación de la vialidad, incluyen¿o superficie, bermas, derecho de vías, estructuras y dispositivos de control de tráfico necesarios para su utilización segura y eficiente'!. El mantenimiento de pavimentos incluye luego la preservación del pavimento inclu::endo bermas y drenajes.
Rehabilitación del Pavimento. Es el trabajo ejecutado para alargar la vida de servicio de una v"Íalidad existente. Incluye la colocación de material adicional de recubrimiento de supemcie y/o otro trabajo necesario para llevar una vía existente. ;.,.,c1uyencio las bermas, a una condición de a¿ecuación estructural o funcional. Este podría incluír la remoción parcial y el reemplazo de la est...--.rctura del pavimento.
El t¡-abajo de rehabilitación del pa'¡imento ;:0 incluye las actividades norrw.ales ¿e mantecimiento periódico. Se inter~re¡:a que el manten.i.r;:Úento periódico incluye items :ales como recapados menores que K· pulgadas de espesor o de una longitud co rta: parchado. rellenado de agujeros. sellado de grietas y j:!iJtas o reoaración de. fallas
66 -
•
•
• l
!Asara GUrDX rOR DgSIGI OF PAY&K&Xr srRucrURKS - 1993
Mientras los fondos disponibles no puedan permitir una mejora al más bajo costo del usuario para el mejoramiento, es una buena herramienta a usar en la evaluación de las alternativas posibles.
3.6.3 Valor Residual o de Rescate
El valor residuai"o de rescate es usado por algunas agencias en la evaluación eco no mICa. Puede ser significativo en el caso de pavimentos debído a que involucra el valor de los materiales reutilizables al final del penodo de diseño. Con el agotamiento de los recursos, tales materiales pueden ser crecientemente' importantes en el futuro, especialmente cuando sean usados en el nuevo pavimento mediante retrabajado o reprocesamiento. La práctica del reciclaje de pavimentos proporciona una dramática y reconocible ilustración de las razones para el uso del valor de rescate, así tambien como, una base para determinarlo. .
El valor de rescate de un material depende de varios factores, tales como volumen y posición del material, contaminación, edad o durabilidad, uso anticipado al final del periodo de diseño, etc. Puede ser presentado como un % del costo original.
El valor de rescate puede ser relativamente fácil de calcular; sin embargo, la elección de valores a ser asignados impondrá un problema para el análista. Por ejemplo, que valor asignar a una base de 15 años de edad o a un concreto asfáltico moderadamente dañado, el cual tiene. 10 años de edad. Tales preguntas deben ser _. dejadas a cada agencia hasta el momento en que se desarrollen métodos objetivoS" ·basados en el análisis estructural. .
3.6.4 Costo del Usuario
Cada estrategia alternativa de pavimento está asociada con un número de costos indirectos o no costos de la agencia, los cuales involucran al usuario del camino y deben ser considerados para. un:. análisis económico racional. Tales costos no pueden ser ignorados, ya que de manera similar a los costos de los pavimentos, los costos del · usuario están relacionados a la rugosidad o historia de servicio del pavimento. Una estrategia de pavimentos que proporcione un elevado nivel general de rugosidad en un cenodo mavor de tiemoo, resultará en un mayor costo del usuario, que una estratezia que lleve eÍ tráfico sobre una superficie relati~amente suave para la "mayor parte del tiempo.
Los tres mayores tipos de costos de usuario asociados con el desempeño del pavimentos son:
- 67-
67
(1) Costo~ de operación d~l vehículo
( a) Consumo de combustible
(2)
(3)
(b) Desgaste de llantas " (c) Nfantenimiento dd vehículo (d) Consumo de aceite (e) Depreciación del vehículo (f) Repuestos
Costc?:s ~e tiempo de viaje del usuario.
Costos accidentales
(a) Accidentes fatales (b) Accidentes "no fatales (c) Daños a la propiedad
!ASHrO GUIDK 10R DXSIGX OY PAYXKXlr SrRUCrURXS - 1993
Cada uno de los costos dados es una función del nivel de rugosidad así tambien como de la velocidad del vehículo resultante de tal nivel de rugosidad. A medida que un pavimento se hace más rugoso, las velocidades de operación de vehículos son generalmente reducidas (41). Las velocidades mas bajas y los pavimentos mas rugosos resultan en mayores tiempos de recorrido, incomodidad y otros costos de los usuarios.
Esto es ali'iiado en algún grado"· por los menores costos de combustibles a las velocidades mas bajas (42). Desde que el nivel de rugosidad para una estrategia de pavimento, depende, entre otras cosas, ,de sus espesores ¿e construcción inicial y de los materiales empleados, de la extensión y tiempos de rehabilitaciones y de la extensión dei mantenimiento mayor y menor proporcionado durante su vida de servÍcio, el costo del usuario está interrelacionado con todos estos factores.
3.6.5. Costos al Usuario por Demoras en el Tráfico
El mantenimiento mayor o colocación de una sobrecapa está generalmente acompañado por alteración del flujo normal del tráfico, e incluso el cierre del carri1. Esto resulta en fluctuaciones de velocidad del vehículo, paradas y arranques y pérdidas de tiemoo. El costo extra del usuario Duede en ciertos ca.c::os ser un factor simificativo . . -en la elección de diseE.os y puede garantizar su inclusión en los cálculos del costo económico. Aunque este costo indirecto es algunas veces considerado como un costo "suave" (es decir, no una parte del gasto real de una agencia), es ciertamente soporta¿o por los usuarios del canino y esto justifica su inclusión en el análisis económico.
Lejanamente. el costo por retraso del tráfico es una función del volumen de
- 68-
• ; •
• • • I
• •
• •
• • • • .. • er .-• • •
-•
• • •
:.
!Asara GOIOg 10R OgSIGJ 01 P!vg~gxr STiOCrORgS - 1993
tráfico, la geometría del camino, del tiempo y duración de construcción de la so brecap a, de la geometría del camino en la zona de recubrimiento, y del método de desviación de tráfico adoptado. El costo comprende los valores de operación verucular y de tiempo del usuario para manejo lento, velocidades fluctuantes. paradas, aceleraciones, demoras y accidentes veruculares.
3.6.6 Identificación de los Beneficios del Pavimento
Los beneficios del pavimentos se acreditan principalmente a partir de las reducciones directas en los costos de transporte del usuario, como se ha listado en la s ecclO n precedente. Tambien es posible considerar beneficios en términos de impuestos adicionales. a los usuarios . generados por un proyecto, 'pero esto tiene. varias deficiencias y no está recomendado para proyectos de pavimentación.
Para medir o calcular los beneficios del pavimento, es necesario definir aquellas caracteristicas del pavimento que afecJarán los costos del usuario previamente anotado.s para la operación vehicular, tiempos de recorrido, accidentes e incomodidad. Estos podrían incluír rugosidad, nivel de serviciabilidad, apariencia, colo r, características de reflexión' de la luz- y. así por el estilo. Sin embargo dos factores tienen mayor influencia, la serviciabilidad (cuando ésta afecta a los costos de operación verucular, a los costos del tiempo de recorrido, a los costos de accidentes y a los costos de incomodidad) y el patinaje (cuando afecta a los cost<?s de accidentes).
(1) Cuando la servi.ciabilidad dismmuye, los costos del tiempo de recorrido se incrementan debído a que los conductores desaceleran y la velocidad promedio de recorrido decrece (de manera no lineal). (2) Cuando ocurre la rehabilitación (es decir, hay mayor mantenimiento, recapado ,
o reconstrucción), pueden ocurrir costos elevados del tiempo de recorrido, debido a las demoras del tráfico durante la construcción.
(3) Los beneficios · del usuario no son normalmente considerados en la elaboración de los análisis económicos para la construcción nueva o para comparaciones entre alternativas de rehabilitación o tratamientos de pavimentos. En la mayoría de los análisis económicos, los costos del usuario son considerados corno un costo añadido al usuario a medida que un pavimento se deteriora. y así, son añadidos a los costos de mantenimiento y constmcción. Sin embargo, cuando se establecen prioridades, pueden considerarse los beneficios de los usuarios. Por ejemplo, en la evaluación de dos pavimentos para detenninar cual pavimento será corregido, los beneficios del usuario pueden ser incluídos en el cr:teno de decisión para un sistema ¿e gestlon de pavimentos. En efecto, una relación costo-beneficio aproximada podría ser considerada como la base para priorizar el gasto de fondos para rehabilitación o construcción.
3.6.7 Penodo de Análisis
!ASHrO GUlDE laR DKSIGX al PAV&K&Xr S!RaCrURXS - 1993
El período de análisis se refiere al tiempo para el que se conduce el análisis económico. El período de análisis puede incluir provisiones para renovaciones periódicas de la superffcie o estrategias de rehabilitación, las que se extenderán durante toda la vida de servicio de una estructura de pavimento hasta 30 ó 50 años antes que una reconstrucción completa sea requerida.
3.7 NfETODOS DE EV ALUACION ECONOMICA
Hay numerosos métodos de análisis económico que son aplicables a la evaluación de estrategias alternativas de diseño de pavimentos .
. Una característica común. de esos métodos es su· habilidad para considerar flujos de costos futuros (es decir, métodos 1, 2a, y 5) o de costos y beneficios (es decir, métodos 2c, 3 Y 4), de tal modo C!ue, cada"alternativa de inversión pueda ser comparada. Las diférencias en el valor del dinero a traves del tiempo, como se ha· reflejado en las ecuaciones de interés compuesto usadas, son los medios para esas comparaciones.
:.
•
Hay algunas consideraciones básicas en l? selección del método más apropiado (pero no necesariamente el mejor) para la evaluación económica de estrategias alternatívas de pavimentos. Es útil presentar estas antes de discutir detalles de los métodos en sí, así • como sus desventajas y limitaciones. Estas incluyen lo siguiente:
(1) Cuan importante es el desembolso del capital inicial en comparación a los desembolsos esperados a futuro? A menudo, los intereses oñciales publicos y privados (digamos en el caso de la pavimentación de una gran área de estacionamiento). se. centran princtpaLmente eCo los costos iniciales. lj n análisis ":''''''''i:16 .. :~0 ·'U':'·~'=' j..-6cal- -<J • .:>;0..-.-.10 on" Uf' ¿e<:e::::r:..cI<,:o baJ;o de caoit~[ hov día .. .......... ,.¡ !.J. ... __ r:' ---~" .;:. .• -J_ ........ :--- ... ,,-- - - ... - ... ......._
70-
-•
• • • •
• •
(2)
(3)
(4)
!Asaro GUIOE lOR DgSIGK OY P!yg~gIr sr¡UCra¡ES - 1993
puede resultar en excesivos costos futuros, para una alternativa particular (por supuesto, lo contrario tambien puede ocurrir). Aunque el desembolso inicial bajo es tal vez la única consideración relevante para los oficiales que toman las decisiones, especialmente si ellos no saben que fondos tendrán disponibles varios
años después. Tales situaciones pueden no representar una buena economía para el analista, pero a menudo representan la realidad. Que método de analisis es más entendible para el que toma decisiones? Esta consideración nuevam~nte representa la realidad. Por ejemplo considere una agencia que ha usado un método de relación costo-beneficio por algunos años, con un buen grado de dominio subjetivo de los resultados del análisis. Bien podría ser que éste no sea el mejor método para su situación, 'sin embargo, cambiar a un mejor método podría ser dificultoso y largo. Otro aspecto de ésta consideración es el nivel en el que está involucrado el tomador de decisiones (es decir a nivel de red o a nivel de proyecto). Es posible por ejemplo, que una agencia de carreteras. pOdría usar el método de la tasa de retomo para analizar sus inversiones propuestas para la re~ mientras que un análisis de valor presente neto está siendo usado por el diseñador de los pavimentos a nivel de proyecto. Que método cubre mejor los requerimientos en particular de la DOT involucrada? Aunque el método del valor presente neto es preferible para el caso de los pavimentos, un método del costo anual podría ser mas aprovechable para una pavimentación privada (como es el caso de. un gran centro comercial). . Están los beneficios incluídos en el análisis? Cualquier método que no considere las diferencias en los beneficios. entre las alternativas de pavimentación, .es básicamente incompleto para ser usado por una agencia pública. Sin embargo, para la situación privada previamente mencionada, una SUposlclon implicita de beneficios iguales para varias alternativas, puede ser satisfactoria. ..
3.8 DISCUSION DE LAS TASAS DE Th"TERES, FACTORES DE lliFIACIÓN .Y TASAS DE DES CUEi'll'O.
?v1uchos autores han considerado los efectos de la inflación y de las tasas de interés en los análisis económicos, incluyendo a Winfrey (32), Grant e rreson (40), \Vohl y Martín (34) y Sandler (38).
De un. valor particular es la discusióc. lúcida presentada por el último autor listado (38) en su publicación del año 1984 en el documento del Tran.sportation Research Board, la cual se presenta aquí para su aplicación .
... 71 - .
71
:.
3.8.1 Descuento y Costo de Oportunidad del Capital
!!SHtO GUIDE FOi DKSIGI OY P!VXK&Xr StXOCtURXS - 1993
El concepto de costo durante el ciclo de vida (LCC-Life Cicle Cost) debería ser entendido para representar una evaluación económica de las alternativas de diseño competentes, considerando a todos· los cOstos significativos durante la vida de cada alternativa, expresados en dólares equivalentes (39). Una clave significativa para el LCC es la evaluación económica usando dolares equivalentes. Por ejemplo, supongamos qUe una persona tiene $ 1,000 en la mano y otra tiene $ 1,000 prometidos para dentro de 10 años a partir de la fecha y una tercera está juntando $100 cada año durante 10 años. Cada uno tiene asegurados $1,000. Sin embargo, son los capitales equivalentes? La respuesta es no, simplemente porque los capitales son expedidos en periodos de tiempo diferentes. Para deterininar quien tieñe el capital más valioso, debe establecerse primero una linea base de referencia en el tiempo. Todos los dolares deben ser luego llevados a esa línea; base, usando procedimientos económicos apropiados para desarrollar una valor de dolar equivalente. El dinero invertido en cualquier forma gana, o tiene la capacidad de ganar, intereses; de tal manera que un dólar de hoyes más valioso que el prospecto de un dólar
. en el futuro. El mísmo principio se aplica cüando se comparan los costos de varias alternativas de diseño de pavimentos en el tiempo; Cada alternativa puede tener un flujo distinto de costos, los que deben luego ser transformados en un valor de dólar único equivalente antes de hacer una comparación. La tasa a la que esas alternativas de flujo de costo son convertidas a un valor único de dólar equivalente, se conocen ('.omo la tasa de-descuento.
La tasa de descuento es usada para ajustallos costos o beneficios futuros esperados, a.un valor presente actual. Esto proporciona los ·medios para comparar usos alternatívos de los fondos, pero no se debe confundir con la tasa de interé~, la cual está asociada con los costos del dinero prestado actualmente. :..
El concepto del valor del dinero en el tiempo, se aplica más allá de los aspectos financieros sobre los intereses pagados al dinero prestado. En primer lugar, el dinero es sólo un medio de intercambio, el cual representa la propiedad de recurso::; reales- tierra, mano de obra .. materia prima; plantay equipamiento. Segundo. el concepto más. importante en el uso de una tasa de descuento es el costo de ofX)rtunidad del capital (32, 33). Cualquier desembolso de fondos para un proyecto de pavimentos no debería mantenerse ocioso. Ellos son fondós recolectados desde el sector 'privado, sea por impuesto o por préstamos. o del gobierno mismo. destinando fondos de otros propósitos. Sí se dejan en el sector privado, ellos pueden ser usados allí y ganar un retomo que mida el valor social en el uso de los fondos. Sí los fondos son deri~/ados ai uso del go bierno, el costo ';erdadero de la derivación es el retorno que debería haberse ganado de otro modo. El costo es el costo de oportunidad del capital y es la tasa de descuento correcta a usar en el cálculo del LCC de varias alternativas de diseño de pavimentos.
- 72 -
• • •
•
e !ASlfrO GUInX rOR nXSIGI OY PAYXXXlf STRucrUiXS - 1993
e í
e l l (
r
e ' 1...
l (
e e e ~
( (
3.8.2 Inflación.
La consecuencia de como tratar con la inflación en los estudios Lee es importante debido a que el procedimiento adoptado para el tratamiento de la inflación puede tener un efecto decisivo en los resultaOdos de un análisis. Primero, uno debe identificar cuidadosamente la diferencia entre lós dos tipos de cambios de precios: inflación general y cambios diferenciales de precio. El primero puede ser identificado como un incremento en el nivel general de precios y rentas en toda la economía. Cambio diferencial de precio significa la diferencia entre la tendencia de precios de los bienes y servicios análizados y la tendencia general en precios. Durante el perío do de análisis, algunos precios pueden declinar mientras que otros permanecen constantes, mantener el paso con ellos, o exceder la tendencia general en precios.
Las distorsiones en el análisis causados por la inflación general pueden ser evitadas mediante la toma apropiada de decisiones, conside~do la tasa de descuento y el tratamiento . de los costos futuros. La tasa de descuento para los cálculos del valor presente en proyectos públicos, debería representar el costo de oportunidad del capital del que paga los impuestos como reflejo de la tasa de retomo promedio del mercado. Sm embargo, la tasa nominal o de mercado del interés, incluye una permisibilidad para la inflación esperada, así como un retomo que represente el costo real del capital. Por ejemplo, una tasa corriente de interés de mercado de 12 por ciento, bien puede representar un componente del costo de oportunidad de 7 por ciento y un componente de inflación de 5 por ciento o La práctica de' expresar los costos futuros en dólares constantes y luego descontar esos costos usando las tasas de intereses nominales o de mercado, es un error y subestimará el Lce de una alternativa. Similarmente, la práctica de expresar los costos futuros en dolares inflados o actuales y luego descontar los costos usando el costo real de capital, sobreváloraría el LeC de una alternativa. 00
La distorsión causada por la inflación general puede ser neutralizada en dos formas. Una es usando la tasa nominal de interés (incluyendo su interés de inflación) para el descuento, mientras todos los costos son proyectados en dólares inflados o constantes. La otra es ajustando la tasa nominal de intereses por inflación, descontando só}~:)c~:)n el C9mponente de la tasa real, mientras se ande °el flujo de costo en términos de:~" :: ' o>' -dólares constantes.
Debido a la incertidumbre asociada con la predicción de las tasas futuras de inflación y en vista de los resultados similares alcanzados siguiendo cualquiera de los métodos, Sandler y colaboradores, eligieron usar una tasa ce descuento que represente el costo real de capital, mientras cálcula LCC en ténninos de dólares constanteso Debido a que esto evita la necesidad de especulación respecto de la inflación, al llegar al mérito económico de un proyecto, es que este es el procedimiento generalmente aceptado, usado en la profesión de ingeniería y es recomendado por la Oficina de Gestión y Presupuesto de los Estados Unidos.
La eleccion final de la tasa de descuento. interés o inflación y el método de
- 73-
------_._. _- ----_.
!!SHtO GUrnE 10R ogsrGJ Ol PAVKKXIt StiUC!URKS - 1993
interpretación es dejado a cada analista o encargado de la toma de decisión. La consulta con las autoridades y la familiaridad con el sistema ayudará a proporcionar valores apropiados para ser usados. Debería enfatizarse que la determinación final de la tasa de descuento tendrá un impacto significativo en los resultados del análisis.
Aunque la distorsión . causada por la inflación general de precios puede ser fácilmente neutralizada, la consecuencia de incorporar cambios de precio diferenciales, o reales en un análisis económico es una materia extremadamente compleja. Autoridades como Wmfrey (32) , Y Lee y Grant (33, 40), han recomendado el uso de precios diferenciales sólo cuando hay evidencias abrumadoras o sub~tanciales de que ciertos ingresos, tales como el costo de la tierra, se espera experimenten cambios significativos relativos ~l nivel general de precios. Tales circunstancias raramente se relacionan a los costos de pavimentos y así, el análisis de costo diferencial no deberia usarse con la Guía.
3.9 ECUACIOi'l"ES PARA Al'fALISIS ECONOMICOS
Para este reporte sólo se presentan los métodos· de análisis del costo anual y valor presente, debido a su amplia aplicabilidad y aceptación. El material ha sido adaptado de Hass y Hudson (5), quienes también presentan detalles de los métodos remanentes de análisis económicos para aquellos que deseen comparar métodos. El Manual de Análisis Sobre los Beneficios del Usuario de la AA.SHTO, presenta también detalles comprensivos para aquellos que deseen más informacione (37).
3.9.1 Método del Costo Anual Uniforme ~uivalente
El método del costo anual uniforme equivalente, combina todos los costos de capital inicial y todos los gastos futuros recurrentes en pagos iguales anuales durante el periodo de análisis. En forma de ecuación, este método puede ser expresado como :
Oonde:
(3.9.1)
costo anual uniforme equivalente para la aitema::':a x!' durante una 'vida de servicio o período de análisis de n años. factor de .ecuperación del capital para una tasa ~:eres i en n años. i (l+it / (l+it - 1,
- 7i:¡ -
• • • I • I
• 41 t
• t
•
I • I
• • •
e l e • • · (. e ( . ( e ( e ( er o e( e ( e ( e c
(
e c ( (
e l e ' .'. e l
( (
e r
\.,
(
(
!ASHTO GUrOE rOi OESrGX 07 PAYEXEXr srxucrURXS - 1993
(rCC)xl = Costos del capital inicial de construcción (incluyendo costos de construcción actual, costos de materiales, costos de ingenieria etc.)
(AAtvf011'= Costos de mantenimiento anual promedio más costos de operaciones para la alternativa xl>
(AAUC)xI'= Costos anuales promedio de los Usuarios para la alternativa Xl (incluyendo operación vehicuIar, tiem¡:o de viaje, aa:ldentes e incomoádad ~ es el c;a<;O)
(SV)xI,ll= Valor de rescate, si hay alg~o, para la alternativa Xl' al final de n años.
La Ecuación (3.9.1) considera los costos anuales de mantenimiento y de operación y los costos de los usuarios sobre una base promedio. Estp puede ser satisfactorios para muchos propósitos. Donde tales costos no se incrementen 'uniformemente, sin embargo, pude aplicarse fácilmente un factor de crecimiento exponencial.
3.9.2. l'rfétodo del Valor Presente
El método de costos de valor presente es diréctamente comparable al método del costo anual uniforme equivalente, para condiciones comparables, es decir, costos, tasas de descuento y periodo de análisis. El· método del valor presente, puede considerar solamente los costos, sólo,los beneficios, o los costos y beneficios juntos. Esto involucra los descuentos de todas las sumas futuras al presente, usando una tasa apropiada de descuento. El factor (5) para descuentos de costos o oeneficios es:
Donde
pwí . ~ll
1
II
---
pw ~!I = 1/(1 +- it
Factor presente para un i y un n particulares Tasa de descuento; y Número de años para cuando la suma será gastada o ahorrada.
Tablas públicadas para el pwf, o el crf de la ecuación (3.9.1.), están disponibles en una gran variedad de referencias, incluyendo \Vinfrey' (32).
El método del valor presente para costos sólamente, puede estar expresado en térulÍnos de la siguiente ecuación (5):
t=l TP\VC:clo:1 = (ICC)rl' +- L pv·¡L..c >1< [(CC):ú.: +- (MO)x.: +- (DC),::.:] . (SV)x!.:1 PWan (3.9.3)
"(:0
donde :
T?\VC:d." - Valor presente toca! de los costos. para la alternativa xl. para un período
e -~-
e l l L 75 (
(ICCh¡ (ICCk.!
de análisis de n años.
!ASHrO GUrDK fOR DE5IGX ay PAVXXElr sraucrURKS - 1993
Costos de capital inicial de construcción, etc. Para la alternativa Xl
Costos de capital de construcción etc. para la alternativa x1,en el año t, donde t es menor que n
- Factor valor presente para la tasa de descuento i, para t años. - 1/(1 + iY
(M0)x¡,c - Mantenimiento m~s costos de operación para la alternativa xl, en el año t (UC)xI.t Costos de los usu'arios (incluyendo operación vehícular,tiempo de viaje, accidentes e ,incomodidad si es que es considerada en el diseñ~) para la alternativa Xl' en el año t (SV)u.n - Valor de rescate, en caso de que haya alguno, para la alternativa xl, al
fínal del periodo de diseño, n años . Aunque método de costos del valor presente es directamente comparable al método
de costo anual uniforme equivalente, es sólo en los años recientes que se ha empezado a aplicar en el campo de los pavimentos.
E! valor presente de los. costos es usado en el métódo de costo uniforme anual equivalente cuan.doocurren gastos adicionales de capital adicional antes del fín periodo de análisis, es decir, cuando la vida de servicio es. menor que el período de análisis y se requiere una rehabilitación futura, tal como sobrecapa o sello de recubrimiento. La ecuación (5) para ésta situación, ha sido modificada a partir de la sugerida por Baldock (35), para incluír.los costos de los usuarios:
(3.9.4 )
donde :
ACd,1l = Costo anual uniforme equivalente para la altenativa Xl' para un periodo de análisis de n años.
R 1, R2, ... ~= Costos ¿el primero, segundo ..... T''O, recapados, respectivamente; y al' a-¡, .• ,aj = Edades a las cuales ocurren el primero, el segundo ... ellvo recapados,
respectívamente. .
Todos los otros factores quedan como se han. defillido previamente. El presente v.alor de los beneficios pue¿e ser calcula¿o de la misTIla man.era que
el valor presente de los costos usando la siguiente ec'..lación (5):
I1
TP~I.:t= I: p.,vf:. t * [(DUB)xu + (Il .. TB)x¡.t + (~ü'"B)xI.c1 t=O
~ -76 -
(3.9.5)
,
: I
~
• • • • •
• • •
(
.( ( (
(
(
(
( '-
(
(
\.
( (
(
e e l L r '
donde:
!Asaro GUrOE lOi OgSrGI OY P!VKKKlf SfiucrUiKS - 1993
TP\VB =Valor presente total de los beneficios, para la alternativa Xl' para un xl.11
período de análisis de n años (Du13).....l,t= Beneficios directos de los usuarios, acreditados de la alternativa Xl' en
el año t, (IU13)x1.C = Beneficios indirectos de los usuarios acreditados de la alternativa Xl en
el año t; y (NUB)x!.c= Beneficios de los no-usuarios, acreditados del proyecto Xl en el año· t.
Es cuestionable, para los pavimentos, si los beneficios de los no usuarios y los beneficios indirectos de los usuarios, pueden ser .. medidos adecuadamente. Consecuentemente, es tal vez razonable considerar solamente, los beneficios directos de los usuarios, hasta que el estado del arte esté suficientemente avanzado, como para permitir que los otros factores sean medidos.
El método del valor presente neto ·sigue a los métodos precedentes debído a que es simElemente la diferencia entre el valor presente de lo~ beneficios y el valor presente de los costos. Obviamente los beneficios deben exceder a los costos si un proyecto está económicamente justificado. La ecuación (5) para el valor presente neto es:
(3.9.6)
donde: _. i'i1'V:l = valor presente neto de la alternatíva Xl "C)' TP\VB:1.;t Y 1PWC:1•a son como
se los ha definido previamente)
Sin embargo, para la alternativa Xl de proyecto de un pavimento, la ecuación (3.9.6) no es aplicable directamente a Xl en sí, sinó a la diferencia entre ella y algUna otra alternatíva disponible, como por ejemplo Xo. Considerando solamente los beneficios directos de los usuarios, estos son luego calculados como ahorros de los usuarios (resultantes de costos de operación verucular mas bajos, costos de tiempo de viaje mas bajos, costos de
-.. . accidentes mas bajos y costos de incomodidades mas bajos) realizado por Xl soqre~. _ . - . Así, el método del valor presente neto puede ser aplícaco a los pavimentos solo sobre
la base de comparaciones de proyecto, donde las alternatÍVas de proyecto son mutuamente exclusivas. Cuando se evalúa una alternatíva de proyecto, necesita compararse no solamente con alguna alternatíva estandar o de base, sinó también con todas las otras alternativas de proyecto. En el caso de pavimentos, la alternativa base puede no ser de gastos de capital para mejoras (donde se requieren costos de operación y mantenimiento incrementados, para mantenerla en servicio). La ecuación del método del valor presente neto para pavimentos (5), puede e:\-presarse como:
(3.9.7)
- 77-
77
donde: Ñ'"PVd = valor presente neto de la alternativa Xl ; Y
!lSR!O GUIOg YOK DKSrG~ or P1YKXKX! SriUCrURXS - 1993
TPWCxo,n= valorpresenteneto de los costos, para la alternatívaXoC donde Xo puede ser la alternativa base o estandar, o cualquier otra alternatíva factible, mutuamente factible Xl'
h2'."~) para un penado de análisis de Ir años y TPW~n es como se ha definido previamente.
" El método del valor presente neto es preferido en el campo de los transportes por algunos escritores, tales como Wohl y ~fartin (34). Otros .. tales como Winfrey (32), consideran que no tiene una ventaja particular en los estudios económicos de carreteras. Aunque el método tiene ciertas limitaciones, sus ventajas sobrepasan a sus desventajas. Así, es la aproximación preferida para evaluar las estrategias alternatívas de pavimentos cuando se involucran inversiones públicas. Por otro lado, con un uso creciente en el campo del • transporte planificado, su aplicación al campo de los pavimentos, indudablemente que tendrá mucha mayor aceptación en la siguiente década.
En muchos casos y para much~s agencias, sin embargo, solamente se utiliza la . ecuación (3.9.3), sin el término correspondiente a los costos de los usuarios, debido a que los datos que relacionan los costos de los usuarios a los factores de los pavimentos no están disponibles, o debido a que la política es considerar sólo los costos de la agencia. La comparación entre las alternatívas se conduce en tales casos sobre la base del menor valor toatl presente de los costos.
Hay un número de ventajas ~~rentes eñ" el método d~l valor presente neto que 19. hacen tal vez el mas factible para el campo de las carreteras, en comparación con los metodos tradicionales del costo anual" y-del costo-beneficio. Esas ventajas incluyen las" -siguientes:
Hay algunas desventajas del método del valor presente neto. que incluyen las siguientes:
- 7'8-
• •
•
4 •
!!SHTO GUIDE FOR OgSIGX OF PAVXKEXT SfaUCrUaKS - 1993
e( Wohl y Martin (3~) han considerado extensamente esas ventajas y desventajas no
, ! "-/ ,
solamente para el método del valor 'presente neto, smó también 'para otros metodos de análisis económico. Ellos concluyen en que el método del valor 'presente neto es el único que siempre dará la respuesta correcta. Los otros metodos pueden, bajo ciertas situacionés, dar respuestas mco rrectas o ambiguas.
3;93" Resúmen
CualCLuiera de los métodos 'del valor presente neto o el del costo anual equivalente, pUeden' ser- rrsa-dos ' para determinar los costos del ciclo de vida, para comparaciones dediseños de pavimentos alternativos, o' est~ategias de rehabilitación. En cualquier:.caso, es' esencial CLtré 1a:S"" comJ?aracibrres' solamente sean hechas para Qeriodos de análisis' de igual duración.
:.
CAPITIJLO 4 CONFIABILIDAD
!!SH!O GUIDK ?Oi DKSIGI Ol PAiXXXX! SrirrCTrr~gS - 1993
4.1 DE.iI'h'iICIONES
Esta sección proporciona las definiciones generales del concepto de confiabilidad en el diseño de pavimentos y las definiciones específicas requeridas para la evaluación de la confiabilidad.
4.1.1. Definiciones Generales de Confiabilidad
Lasiguientes son definiciones .generales que han sido seleccionados de la literatura so bre investigación de carreteras;
(1)
(2)
(3)
"QJnfiabilidad es la probabilidad de que la serviciabilidad será mantenida a niveles adecuados, desde el punto de vista del usuario, durante toda la vida de diseño de la vialidad" (25).
I!Confiabilidad es la probabilidad de que bajo aplicaciones de carga, un pavimento pueda permanecer a un· nivel de serviciabilidad mínimo especificado, si es que no sé excede el ~úmero de aplicaciones de carga, aplicadas actualmente al pavimento" (26).
"Confiabilidad es la probabilidad de que el sistema del pavimento cumplirá la función prevista durante su vida (o tiempo) de diseño y bajo las condiciones (o medio ambiente) encontrados durante la operación" (27). .
Las definiciones 1, 2 Y 3 son establecidas en té m:: ¡nos de servi.ciabilidad (pSI). una defL.Lición análoga para otras medidas de la condición del pav-imento podrían establecerse como SIgue:
(4) Confiabilidad es la ?robabilidad de que un tipo particular de daño (o combinación de manifestaciones de daños), penI!anecerán ¿ebajo o dentro de los niveles permisibles durante la vida de diseño.
Una descripción sumaria tInal del concepto de ccafiabilidad se dá en las siguientes de fmiciones:
- 80 -
ti ti
t ti t
•
•
• • •
•
{ \
(
L l. (
::
!Asara GOIDg lOR DgSIGK OY · P!iX~Xlr SfRocrURXS - 1993
(5) La confiabilidad de un proceso de diseño-comportamiento de. un pavimento, es la pro babilidad de que una sección del pavimento, diseñada usando el proceso, se comportará satisfactóriamente bajo las condiciones de tráfico y medio ambiente, durante el período de diseño.'"
La evaluación de la confiabilidad requiere definiciones específicas para cada uno de los elementos de la definición· 5. Las definiciones necesarias están dadas en las Secciones . .'
4.1 .2-4.1.3. [*NOTA: Período de diseño en éste capítulo, como en otras partes de ésta Guía, se
refiere al período de uso o período de tiempo transcurrid.o para que una estructura de pavimento, nueva o rehabilitada, se deteriore desde su serviciabilidad inicial hasta su serviciabilidad final.]
.L 4.1/. Definición de Sección del Pavimento Diseñado
Ecuación de Diseñ.o. Con el propósito de ésta discusión, una SeccIon del pavimento diseñado es cfefinida mediante el uso de una ecuación de diseño específica. Esta ecuación se asume como una fórmula matemática específica para predecir el número de ESAL (Equivalent Single A'de Load) que la sección pue.de resistir (!Ne)' antes que alcance un nivel de serviciabilidad terminal especificado (Pe). Las variables de predicción (factores de diseño) en la ecuación de diseño, pueden-.ponerse en una u otra de 4 categorias:
;- . ~ '.' \ . . . ;.
La ecuación de diseño puede ser escrita en la forma:
V'¡e= f (pSF, RSF, CRF, PCF)------------------------------- (4,1.1)
donde cada factor de diseño y la forma matemática de la función "f', están completamente especificaáos. Tales ecuaciones de diseño para pavimentos flexibles y rígidos se dan en el Capitulo 1, Sección 1.2.
Sustituciones Iniciales. El uso de la ecuación de diseño para llegar al diseño estructural. implica los siguientes pasos:
- 8\-
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
!ASaTO GOIDE YOR DKSIG! O? PAV&KKKT ST~aCraRKS - 1993
Inserción de valores nominales para los factores de condición del pavimento, (PCF), Uso de datos climáticos locales para estimar los valores de los factores relacionados con el clima (CRF) y la inserción de esos valores, Uso de los datos del suelo de cimentación in-situ, para estimar los valores de los factores del suelO-de cimentación (RSF) y la inserción de esos valores, Uso de los datos relevantes del tráfico y de los medidores de cargas y los factores de equivalencia especificados para predecir el número total de ES AL, WT que la sección recibirá durante el periodo de diseño . de T años; y Multiplicación de la predicción del tráfico WT' por un' factor de confiabilidad FR,
el cual es 'mayor que o igual a uno y sustitución de F R x: W T por \Vt , en la eCUación de diseño.
W = F * W Ó FR = W'wT --------------------[ R T el (4.1.2)
Así la ecuación de diseño puede ser escrita-de la forma:
F R * wT = f (PSF, RSF, CRF, PCF) ------------------------ (4.1.3)
donde todos los factores en cursiva y las variables son ahora valores numéricos específicos. ;\Irás. discusión y detalles para el factor de coniiabilidad FR, se dan en la Sección 4.2.
Selección del Diseño de la Estroctura deLPavimento. La ecuación 4.1.3. o su nomograma, pueden ahora ser usados para identificar una o más combinaciones de materiales y espesores (PSF) que satisfacerán la ecuación de diseño reducIda. La selección de un diseño final a partir de las alternativas, está basada en análisis economicos y de ingeniería .
. Especificaciones Finales para el Diseño de una Sección. de Pavimen..to. ~ a.n::e
que se han especificado valores fijos para todos los factores relevantes, tales como los ra'sgos de carriles de tránsito y bermas, los que no se consideran directamente en las ecuacÍo nes de diseño.
Se aSUI:1e también que las esoecificaciones de materiales v constructivas han sido •• J
preparadas para tocios los factores de diseño en la ecuacién y para todos factores de soporte, tales como calidad de materiales. El uso de meéi¿as de control de calidad ~Jroducirá.ll luego un grado de confianza entre los valores como han sido corrstruídos y los valores de entrada en el diseño de todos los valores controlados.
- 82. -
• • • • •
!!SHTO GUIDg FOR O&SIGI OY PAY&KKXT SrRUCTUR&S - 1993
4.1.3 Definición de la Condición del Pavimento, Cargas por Eje Acumuladas y Variables de Comportamiento del Pavimento
Esta sección define 3 tipos de variables que son esenciales para la definición de confiabilidad.. Las variables representan : (1) la condición del pavimento, (2) las acumulaciones de cargas por eje; y (3) el comportamiento del pavimento. La discusión incluye variables que fueron necesariamente introducidas en la Sección 4.1.2, de tal manera que la sección del pavimento diseñado quede completamente definida.
Definición de Corulición del Pavimenlo y Variables de Cargas por Eje Acumuladas. La única medida de la condición del pavimento que será considerada aquí es el índice de serviciabilidad presente, denominado PSI o p, cuyo valor en un momento en particular, depende de la extensión de la rugosidad superficial y manifestaciones de daños tales como agrietamientos, ahuellamientos y desniveles sobre la sección de diseño. Las fórmulas para los indices de pavimentos flexibles y rigidos se dan en las Referencias 3 y 4.
La medida de las aplicaciones de cargas por eje que serán usadas, es el número de cargas por eje simple equivalente a 18 kip (ESAL), que han sido acumuladas desde el inicio hasta algún punto durante el periodo de diseño. Esta acumulación se denota por N.
La historia de la serviciabilidad de una sección de pavimento está representada por el gráfico de p versus N, como se muestra en la Figura 4.1 de las Secciones A y B. También se indica un período de diseño de Tañas.
Para propositos de diseño y cálculos de la confiabilidad, solamente interesa conocer tres puntos de la curva de serviciabilidid (p,N):
(1) Al inicio del periodo de diseño ..
p = Pl (generalmente algo mayor que 4) N=o
(2) Cuando la serv1ciabilidad de la sección alcanza un nivel terminal o mínimo permisible y deve ser recapado o reconstruido: .
p = Pe. generalmente asumido como 2.0 ó 2.5 en el diseño N=Ne
Como se muestra en la Figura 4.1 la Sección A alcanza 5U serviciabilidad terminal (P:) antes (y la sección B después) del final del periodo de diseE.o.
(3) .~ final del periodo de diseño para secciones cuyo :=Cice de ser'¡lciabilidad aún excede Pe:
(O :J ~J U (1.)
'-..J
1-(
C() ú) ~ 0_
.. •
PI
p
P1.
l~l . ~
A Se e C' _
- IOn . B Se
A9-----~ón B 9-- - - -- - J 'S{\ I -----
[) <>-- - - - - - : - -I --
I 1
I - - - - - - - - - - -1- --
I . l I I
I
. i
Pt CA ~ 5) I
--~O
N (A) o
Nt ({\) N (8)
I • NT N t la)
I 1- ?\?i"i.ado d,e 'D,~e,~.o'(T éJ 'ños ) .-----t C.o 1'1'\ P CY\a.~n \ v\\1<JA = 1°9 N l: (t~)
I 12.0 rn (loy- \13 m \ e...~IO B = 1°9 N t ( B)
o~·--------------------------------------------------------------------"
ES;¡JL A CUJl?u/t2c1os (ZecJ,l)
Figura 4.1 Indicc de Serviciabilidad (p) Versus Aplicaciones de Carga Equivalente (N)
••• •••••••
.r t .. ~ (v{clabtl. Ja(A r{ i ~tllMa
({.y I~;'i l' bl e..
l'
• •••
• {
• • ,
• ~ •
{ ;
'PQ. ~·-cd.o cge. .....¡ .1 ~ A .,;{os &tSeI.Á..O
¡
T "
!E5!\L
Pu J.J-roS Nr W""T \Vi: Nt.
.E.S:<lL.l0 E..S'{ L . l' T'eLifw' d '-' .,[,..54-L B4-~. i c.o '5 ~\ P~v~d..c w .¿Q '?C'<1 O:!o dz e.c-~~ tQe.a.!< p CITé! (t=.sA-L) d~ D...u~"--~o . ck Q¡.H~O ·~~oF<J.
~~ '7'(~"¡Ii~r-O ~SAl- P'L r~él.. P.e
103 E:Sr\L PU¡uTC5 frNr icS lV:- .lA:f ú}.c . !\J Ir::,
BA~ ¡Ces qrY'av<..o lcITya~'~ Ce·ti; 13 "'-;t¡ .... , .tu.~ v.' ¡OO.1'(¿~.ú.",ru
(~v iSAL) .l G " ,A..V L.. ~.u..J .~ v ¡2.¿ C. ( P.,c!v_J lO ~(/ .. .' ~c.<.""" ....
Pf"Q.Jdr<.!.. R¿.d
-------
Figura 4.2 Puntos Básicos y De::,-viaciones p.ar.l. la Coniíabilidad DLscno-ComportamicrHu
- 87-
se muestra en la parte superior de la figura.
!Asara GUIDK laR OKSIGI ay PAYKKXIT srROC~ORKS - 1993
Los tres (lag ESAL) intervalos formados por los cuatro puntos básicos son mostrados como desviaciones básicas (nivel 1) y son como siguen:
(1) Error de predicción en el tráfico durante el periodo de diseño:
(lag WT -' lag NT)= : o (NT' wT) ".
(2) Factor de confiabilidad de diseño (lag):
(lag Wc - lag wc )= + lag FR
(3) Predicción de error en el comportamiento del pavimento
La desvi?ción básica cuarta, es la suma de las primeros tres, tanto geométrica como algebraicamente:
(4) La desviación total del comportamiento de la sección actual a partir del tráfico durante el periodo de diseño·:
En la etapa de diseño. el diseñador tiene control sobre lag FR pero n"o puede saber el tamaño o la dirección (signo) de las otras desviaciones. Para facilitar la presentación sólo se muestran las desviaciones positivas en la Figura 4.2, pero cada una de las combinaciones remanentes (+ ó -) son iguales. Por ejemplo, podna"ocurrir que todo Nv WT Y W" están a la izquierda de N'T. La única garantía es que Wc iguale o exceda a ",vTdesde que F:;t es igualo mayor que uno por definición. Así, lag Fa es una variación controlada y las desviaciones remanentes son todas variaciones de "oportunidad".
La deS'\oiación total 00 será positiva siempre que el comportamiento actual (lag N c)
de una sección de pavimento, exceda el correspondiente tráficO actual durante el periodo de diseño (log 0i'c), es decir, para todas las secciones que "so brevivan!! al tráfico durante ei penado de diseño, teniendo p mayor que p: al final de T aríos. Como será explicado, la confiabilidad del factor de diseño es usada para suministrar la seguridad probabilísüca de que log~: excederá a lag NT , es decir que la desviación total será positiva.
4.2.2 Distrib ución de Probabilidades de las Desviaciones Básicas
- 88
•
• • • • • • • • •
•
(
. , { -t
(
(
(
e '\. L
· c •
::
!!SKYO GUIDE fOi DESIGI af P!ig~gIY srZUCrUiKS - 1993
_ Se asume que el grupo de todos los posibles resultados para cada opción de desviaciones, debería producir una distribución normal de probabilidad,' como se muestra en la Figura 4.3. La distribución para o (NT wt ) se muestra en la parte superior izquierda y representa todos los errores en la predicción del tráfico que pueden ser generados por predicciones repetidas para un NT daao y para un amplio rango de valores NT• Si el procedimiento de predicción es imparcial, entonces el grufX> de todas las posibles desviaciones o (NTWT), tendrá valor medio de cero y la varianza será (digamos) S2w. De esta manera, ~~~medio (raíz cua~?~~_ promedio) o un valor "a ser esperado" de o (NT wILY es llamado el error standard de la predicción de!. __ t~Jico -durant~_el perfudSL-..de-diseño. -----.. - -
La dis~nl)Ución de probabilidad para o (Nt Nt ) eS". mostrada en el lado superior derecho y representa todos los errores de predicción de funcionamiento que puedan ser generados por la construcción de muchas secciones de pavimento para un log W¡ =log W T + log. FR _ dado, y para un amplio rango de valores de W t Otra vez, si el procedimiento de predicción es imparcial, entonces el grupo de todas las posibles c;iesyiaciones. o 0Nt Nt) tendrá un valor mediQ de cero y un valor promedio (raiz cuadrada media) de ~. ~í, SN eS el error standard c!~ la_.predicción.~l com~rtamien.tcir-Y~~.ª---Ya.rÍanza de.Ja distribución de todas las deSV1iciones posibles __ Ae-Ias P~oDe~.-·afux)mportamieñfu Oog W t ) ~J.9~_co..o:.es~neiientes compO"rtamientos reales Q.!Jg N t ) de la_u,e<X;llm.eLp-avimentadas.
- .- -La probabilidad-'-de distribución para o 01 mostrada -en la parte inferior de la Figura 4:3, representa el grupo de todas las posi~!es desviátiones totales, que aumentan a partir de los correspondientes pares de o (N, W,) y o Ctb.-;J:::¡t). Desde que 0
0 = (N,
W; + log F;¡, -+- o 0V: N t ) para todo aquel par, 00 está compuesta de una desviación fija (log FR) y áos pro babilidades de desviación, cada una de las cuales está distribuida normalmente. Para está situación las leyes de probabilidad son que 00 tambiéñ sigue una distribución normal de probabilidad, cuya media es la suma dejas medias de las tres desviaciones y cuya varianza es la suma de la desviación de las tres vananzas. sí,
00 . _ ·0 (N"T W¡) + log FR + o (W¡ N¡) o + Log Fi'" +- o = Log F?
v J
Sz S"· . S2 o = ~'IJ'O, ~
desde que log F;¡, es fijo por diseño y no tiene posibilidad de variación. De particular interés. es el punto donde o", = O. Desde que 0
0 (log N: - log NT), este punto está
¿oade el coI!lpcrtamieato actual (log ~:), iguala al tráfico real en el periodo de diseño (log 0TT )· Todos los puntos que tienen Do> corresponCientes a las secciones de pavimento que sobreviven (p> Pt) al tráfico en el periodo de diseño.
gq -
J
-----
QU\.JTCS g·¡'\~lc.cs ~
(~ fSAt-)
1~9 NT IYé2!~'w ~cl
109 w-r ·T4·~.o
'Prl!,.¡.!>.To
loS Wt, (;1.1I.o~C ~hu.l';l ¡>'C~<r.!:i'o
:.
{oq Nt
1°5 ESAL (:.l,.lJ P Q ¡¡¿ oL.u.'~
~oX.
Fígurcl 4.3 Dí::itribuciones Basicas dI.! Probabilidad pum la ConJíabilicJad DiseñoCo m ¡:-0 rwmiento
- qO-
\ • • ti ti • • ti
• • • • • • • • • • • • • • • • • • •
\ . • , • , , ,
(
(
(.
e
(
!!SH!O GOIDE TOR DKSIGI 01 P!VXKKX! STRUCTURKS - 1993
4.2.3 Definición Formal del Nivel de Confiabilidad y Factor de Confiabilidad de Diseño
La distribución . de probabilidades para la desviación total del diseño-comportamiento (00)' se repite con mayor detalle en la Figura 4.4. y es la base para las definiciones formales de confiabilidad del diseño-comportamiento y del factor de confiabilidad del diseño.
El área punteada enci.ma del rango para 00 .2:... o corresponde a la probabilidad de que N t .2:... NT• Esto es, que Una sección del pavimento sobreviva al tráfico durante el período de diseño, con p ~ Pe' Esta probabilidad está definida como el nivel de conflabilidad, RllOO, del proceso de diseño-comportaim¡ento, donde R está expresado como un porcentaje. De esta manerq., la definición formal de confiabilidad está dada por:
R (porcentaje) 100 x 100 x
Prob (Nt ~ NT)
Prob (00 ~ o) (4.2.1 )
Para calcular R y para evaluar el factor de confiabilidad de diseño (log FR) es necesario variar la escala 00 a la correspondiente escala Z para Una desviación normal estandar, mediante la relación:
Z 00 ) ISo .log FR) ISo (4.2.2)
En el punto donde 00 = O, Z se convierte en (digamos) ZR donde
(4.2.3)
Para un determinado nivel de confiabilidad. se dice que R es igual al 90 porci~nto. ZR puede ser hallado en las tablas que dan las areas de la curva standar no rrnal y co rresponde al área tabulada de -00 a (100 - R) /100. Si R es igual al 90 porciento, las tablas indican que Z~ = -1. 28 para un área en la cola de 10, pcrciento (Se proporciona la Tabla 4.1 por
.. conveniencia, para permitir la selección- de valores de ZR correspondientes a niveles especificos de confiabilidad). La manipulación algebraica de la ecuación (4.2.3) - dá :
Lag FR= - ZR X Ó
So (4.2.4)
FR = la ·z::t:tSo ;.._ . .) (f ') -)
Cualqutera de las cuales puede ser considerad..A. COülO una definición algebraica del factor de de confiabilidad de diseño. Valores para F::t estaD. tabulados en la Tabla EE.9 del apéndice EE. Volumen 2 para un amplio rango de civetes de confiabilidad (R) y de varianzas totales. S20.
- q¡ -
91
:.
~--------------r----------+I------------------------~~~ e (-lo5F~)ISo :::: ;:"R :r.-O
105 FR, ::. -cR 50 .
f~' ... 10 -clI:.S., =- "fac.Th,,- ck Cc"I.~';].~(¡'da,.¿ ~ ~r'Je.-;'"O
N (J í1l ~ fA ,¡ Q le. v el.-<:. '< 12. !l-S dt: (Q. Y"/t.U. '''1. oJ.,o P c,., ~ ./.:..~ IÍ ck.. rz...) .;j Q..~ . .o b.-!e.( .. , ... I'(Lc el¿¿ ~/) t~)<Jf ck c'VC! o. ck-.k ()Irt.l~ a.<;..~'",d".r,.....
~1c,.y~a~ I 1OM.J.re.vtc.W (.uv (leo ~'-,e. !)/I00 V'-4'f;l 0 .,;...·:!d' I clx <:..J a i &-'1 ~ - C>Ó ~¿.<;to ;;:-,z.. ..
Nonl.. 2, R.! ~f f~ =0 I ~rz.:.a, F«.e 1 1 (2= s<:!'._ ,)J~('/_fa ~.!j t. 2. ')J 'cicA. d{ .s.v p<.,.,j I VQ..M( .. Ú, \l..... ~ yJ v. yf cd..o ck d-tp .. u. o
VJ ~ '(, $-/ 1:) ff,¿r&'wJv, d.Y Iva'f-<\"J el S'.J'.7,Tv:d .J
c1;Y-QJ,;",~ .... t.J.,T-<.... ;.2JO"('" '\/\Ji; Q.".A)¿; ~UJd<:..::o',-, cJ,..;: rytcLú .... n!'-I
~ c.Ow~'J(,-iíQ,v..:..\·~u.Xo (~~<Zo) .
Mon 3, 'Po'{"d, v-'\ e..'\~CI~do (arL ': s~h.J..f'dG:,d.,<J :6Cl-) I F-.z. /'~ \' lA c.....re (;...( .~ , .. eL]. (o c.k~~u.. ... ...{,~ ') r lJ6t,.J cJ.,a Se. .. _ . Tez .!- 5 2
( - - \j V-.J' ~
/~ i '.A..c.V'l-M~(..~ffi (e ck,,,< ·,.:.;.~~-:-~)~ 1-z s:,;,Tc~ .. ~ ',_w I..U~ ..... G
)
" ,) ._ " • ~ 1.
e<1.,(~ <J. lj¿h! ·.3..C!~'.o\ ~.''''' ~« ·:~:C::l-.:,.,.;.'d,;d '}"t]r--;.:t., ~'J' ~ 'c...~
l(lyt cJ.,¡, ;(u '¿-"¿V') c'~( 'T", :SI'·t, \..; "f L'.....) a. 1" 0"U;¿·(.~ : ;:.I.' ~'" d...:f' t I _ ..--- I -, ':) Coi..<; i) CJ"\J1.\~ . .(;,.; '.:.:,l.~
Fi~ur-..l ~A Délillidúl1l!s de Confiaoilidad y Evaluat.:ión del Factor de la ConlÍaoiliU¡¡u ,1.·
Di::l~'Ílú
\ .
~ •
. t
t
•
•
. :.-~
• • 1_
! • • • • l
•
e •
:.
!!SHTO GUIOX YOR OXSIGX Ol FA1&K&IT SfRUCfU¡XS - 1993
Tabla 4.1 Valores de la Desviación Estandar Normal (Za) Correspondientes a Niveles Seleccionados de Conliabilidad
Confiabilidad, Desviación Estandar R (%) Normal, ZR
50. -0.000 60 -0.253 70 -0.524 75 -0.674 80 -0.841 85 -1.037 90 -1.282 91 -1.340 92 -1.405 93 -1.476 94 -1.555 95 -1.645 96 -1.751 97 -1.881 98 -2.054 99 -2.327 99.9 -3.090 -99.99 -3.750
,
Los siguientes párrafos resúmen o enfatizan las características sobresalientes del proceso de confiabilidad de diseño que han sido presentadas.
(1) ·. . Algún nivel de confiabilidad· está -implicito en todo procedimiento de diseño de · pavimentos. Los métodos presentados sólo hacen posible diseñar a unpredeterminado nivel de con.fiabilidad. Si por ejemplo el diseñador sustituye la predicción del tráfico (WT) directamente dentro de la ecuación. de diseño para W:, luego F~ = 1 Y lag FR = O. La Figura 4.4. muestra que la distribución de 80 entonces estará centrada sobre 80 = O Y qu R entonceS será 50 porciento. El
diseñador ror esa razón tomará una Drobabilidad 50 - 50 de Que las secciones . . . diseñadas no sobre'ávirá el tráfico durante el periodo de ciseño con p~ P: .
(2) Lag FR es la parte positiva de 00 (ver Figura 4.3 ) que "neutraliza" los errores
93
41 !Asaro GUIng YOK DKSIGI OY .. P!rgXXX~ SfKucrUKXS - 1993
negativos en la predicción del tráfico, o (NT \VT) y en la predicción del comportamiento 8 (W;Ne)' Geométricamente, log FR es un "espaciador" que go bierna cuanto de la cola izquierda de la distribución 8 (W TNT), promediará para extender pasada NTo Por conveniencia F R es aplicado como un multiplicador de la predicción del tráfico (WT) , pero el valor de FR depende (ver ecuación 4.2.5.) del nivel de confiabilidad (R) que es seleccionado, como del valor de 502' la desviación standard .total. Desde que So = S21'1 + S2N, FR cuenta no sólo para ti la variación de la predicción del tráfico (S21'1)' sÍnó tambien para la. variación en ti la probabilidad del comportamiento real (S2N). Además, S2w y S2N por d::ii:i:D, cu'entan para ·todas las posibilidad de variación en las respectivas predicciones. Así, S20 y-log FR , proporcionan para toda posibilidad de variación en 'el proceso de diseño-Comportamiento y a un nivel de confiabilidad conocido.
Finalmente, las varianzas (nivel 1) S2..., y S2N pueden .ser descompuestos. respectivamente, dentro de jerarquias de los componentes de varianza, en. niveles 2.3.4. Las descomposiciones están dadas en el Apéndice EE. Volúmen 2, donde se dan estimaciones qtiméricas en la Tabla EE.4 para pavimentos flexibles, en la Tabla EE.5 por pavimentos rígidos yen la Tabla EE. 6 para las predicciones del tráfico. Por ejemplo, los componentes del nivel 4 son medidas de variación probable en factores de diseño individual tal como espesores superficiales y módulo del sub rasante. El apéndice da la guía para la estimación del usuario para cada componen.te en cada nivel. De esta manera el usuario puede hacer nuevos estimados para cualquier:. componente y finalmente '-Ilegar a un nuevo estimado para 52
0 que es aplicable a las condicioae$ locales. Los nomogramas para las ecuaciones de diseño (ver Parte Ir. Capítulo 3), proveen para un rango de valores de So a cualquier nivel de confiabilidad R.,.
CRITERIO PARA LA SELECCION DE LA DESVIACION ESTA . .!.'rDAR TOTAL
Como se acaba de disCutir, el Apéndice EE del Volúmen 2, provee la guia necesaria para que cualquier usuario desarrolle niveles de varianza total (52
0) o desviación estandar total (So), conforme a sus propias condiciones especificas. Al hacer esto, el apéndice identiñca las estimaciones de varianza para cada uno de los facto res individuales asociados con los modelos de predicción del comportamiento (incluyen¿o ia varianza en las futuras proyecciones de tráfico), arribando subsecuentemente a los estimados de la '/ananza :otal y de la des-· ... iaclón e sta;:ldar q'..re pueden ser usados coco criterio provisionaL
(1) Las desviaciones estandar estimadas para el caso donde la varianza del tráfico futuro proyectado es considerado (conjuntamente con las otras variantes
- qi4 -
ti
41 41
ti ti
ti
(
(
(
e (
( \
( (
("
" ,
!ASH!O GUID& lOR OESIGI OY P!7XKXlf S!RUCrUR&S - 1993
asociadas con los modelos de comportamiento de pavimentos revisados) son 0.39 para pavimentos rigidos y 0.49 para pavimentos flexibles.
(2) Las desviaciones estandar to tales estimadas para el caso en que la varianza del tráfico futuro proyectado no es considerado (y las otras variantes asociadas con los modelos de Comportamiento de pavimentos revisadas) son 0.34 para pavimentos rígidos y 0:44 para pavimentos flexibles.
(3) El rango de valores So proporcionados en la parte II (Sección 2.1.3), está basado en los valores identificados arriba: ',.
0.30 - 0.40 pavimentos rígidos - 3'0 -su . \\íA 0.40 - 0.50 pavimentos flexibles. rj 50 -f-S/J
El extremo más bajo de cada rango, sin 'embargo, corresponde aproximadamente a la varianza estimada con la Carretera Experimental AASHO y los modelos de comportamie"nto del pavimento original presentados en las" Guias de Diseño previas (1972 y 1981). '
NOTA: Es útil reconocer que inherente en los valores So identificados en (1) Y (2) arriba, es un medio para que el usuario especifique una desviación estandar total (So), la cual representa mejor su habilidad para proyectar futuro tráfico ESAL de 18 kips: Si. debido a un conteo de tráfico exitenso y"un programa de peso- en-movimiento" un estado es capáz de proyectar un tráfico futuro" mejor y por lo tanto tener una varianza de tráfico mas baja " (que la identificada en el apéndice EE del Volumen 2), luego ese estado podría usar un valor de So en algún lugar entre los valores identificados en (1) y (2). Por ejemplo, para pavimentos rígidos, donde So (bajo) es 0.34 y So (alto) es 0.39, podría usarse un valor de 0.37 ó 0.38.
4.4 CRITERIO PARA LA SELECCION' DEL ~lVEL DE CON-nABILIDAD
La selección de un nivel apropiado de confiabilidad para' el diseIÍo de una vialidad en particular, depende primariamente del proyectado de uso y de las '.:onsecuencias (riesgos), asociados con la constnrccÍón de una estructura de pavimento, :nicialmente más delgada. Si una vialidad es sometida a tráfico pesaco, puede ser ndeseable tener Que cerrar o incluso restrin'Z!r su '.ISO en fechas futuras, debico .. -3. los niveles más altos de daños, mantenimiento y rehabilitación. asociados con un ~spesor inicial inadecuado. Por otro lado, un pavi-rnento inicialmente delgado (junto con. :llveles de rehabilitación y mantenimiento mas intensos), puede ser aceptable, si el nivel Jroyectado de uso es tal qu~ se pueden esperar unos cuantos conflictos.
- q5-
C{)
/
::.
!Asaro GUlnX YOR DKSIGK or P!VKXXlf SfRucrURKS - 1993
Un medio para identificar los niveles apropiados de preclslOn de confiabilidad, consiste en evaluar la precisión inherente a muchos de los procedimientos de diseño de pavimentos. Esta aproximación fué usada para desarrollar los niveles sugeridos de confiabilidad presentes en la. Parte II (Sección 2.1). Ellos fueron derivados investigando la confiabilidad inherente de los procedimientos de diseño en muchos Departamentos de Transportes estatales (D01), considerando la clase funcional de la vialidad y su medio ambiente fué rural o urbano (ver Volumen 2, Apéndice II). Aunque esta aproximación es segura. en que está basada en una considerable cantidad de experiencias pasadas. no provee un medio para seleccionar un nivel único de conf!.abilidad p~ua un proyecto dado. Esto requiere una consideración de uso más detallada y el riesgo de falla pematura.
La Figura 4.5 proporciona un gráfico ilustrando el concepto detrás de esta aproximaclOn detallada, para identificar un nivel óptimo de confiabilidad para un proyecto particular de diseño. Se muestran tres curvas en la figura. La primera curva (A) representa los efectos de la confiabilidad sobre el costo (expresado en valor presente ne~9 o. costo anual uniforme equivalente) de la estru~tura inicial de pavimento; a medida que la confiabilidad de diseño se incremente, 10 hará el espesor inicial requerido del pavimento y su costo asociado. La segunda curva (B) representa los efectos de la .confiabilidad sobre los costos futuros asociados con daños (mantenimiento, rehabilitación, demoras del usuario, etc.). La tercera curva (C) representa la suma total de las primeras dos curvas. Desde que el objetivo es minimizar el costo total, la confiabilid~d óptima:' para un proyecto dado, corresponde al..:calormínifuo sobre la curva (C). -
Debe ser reconocido que esta conflabilidad óptima es aplicable sólo al nivel de uso y consecuencias (riesgos) de fallas asociadas con un proyecto en particular. Aunque otros proyectos de diseño pueden tener el mismo nivel de uso las variaciones en el suelo y medio ambiente, pueden afectar el nivel de riesgo y por lo tanto, la confiabilidad óptima.
4.5 CO~lIT..'rnILIDAD y ALTE:&~ATIVAS EN LA CONSTRUCCION POR ETAPAS
Cuando se considera la confiabilidad en las alternativas de diseño de una construcción por etapas o !lrehabilitación planificada!!, es importante considerar los efectos de la confiabilidad compuesta. A menos que sea reconocida. la confiabilidad total ¿e digarr:os una estrategia de 2- etapas (cada etapa diseñada para un nivel de conÍiabilidad del 90%), debería ser 0.90 :c 0.90 u 81 porciento. Tal estrategia podría no ser comparada igualmente con una estrategia deuna sola etapa, diseñada pé3;ra un 90-p,xciento de cen.fiabilidad.
Refiriéndose a la definición fa rmal en la Sección 4.2.3, la con fiabilidad es ,,,. , ••••• , • , 9 • d d b .. , 1 ~aSlca=~IE~ la prC¡;"biL:.Cad ce que una escruccura ce paVilllento a a, so reVIVlra a
- qS -
l.t
• • • • •• • • •
• • • •
-• •
~ "J'
.u
.~
~ .:>
L ill
o.J
~
'- / '-,- /
'------ re) Có / --: --~!:. 7!:..Tcl{ ./ / ----" 'Y---~ ~
:JO'
~ :;,
--c:= ~ -e
(/1
o o aJ ~ ~
o (,7 <ji
'> <?-
'>-..3 '5
• o
• 50 60 100 70 ea 90
C~ 1'c3b:6ooda c4 ((.)
Figurel 4.5 Ilustración de la Aproximación para IJl.!nlílíl:ar el :\ivcl Optímo ti'! Contiabilidad para una Vialidad Dada.
_. _ _ __ -,L...;..L -.
!Asaro GUID& YOR D&SIGI OY P!yg~gIr srxucrURKS - 1993
tráfico en el periodo de diseño· (funcionamiento), con p ~ Pe' Esta definición es aplicable al caso fundamental donde el periodo de diseño para la estructura inicial es equivalente al periodo de análisis. Para casos donde el periodo de diseño inicial es menor que el periodo de análisis deseado, se requiere la construcción por etapas o la rehabilitación planificada (para que la estratgegia de diseño dure el periodo de análisis) y la definición de confiabilidad debe ser expandida para que incluya la incertidumbre asociada con la(s) etapa(s) adicional(es). Asumiendo que la probabilidad de duración de una .etapa es su periodo de diseño y es independiente de cualquier otra etapa, la probabilidad o confiabilidad total de que tod~s las etapas durarán sus períodos de diseño (o que la estrategia durará el periodo de análisis entero), es el producto de las etapas de rehabilitación individuales.
. Así, para alcanzar una cierta confiabilidad to tal de diseño (RotaD en una estrategia de diseño en particular, deberia aplicarse la siguiente ecuación para establecer la confiabilidad individual (Retapil) requerida para cada etapa del diseño:.
donde n es igual al número de etapas incluyendo las de la estructura del pavimento inicial.
- q-g -
• • t
• • • • t
• t
• •
ti
• • • • •
• •
fi~ • •
• I • :
. "
t-t
::.
CAPI'l1JLO .5 RESUIYIEN
.uSUTO GUlilX YQ:l D~$[G1 Of' PAVK~X»r sr~ucru~xs - 199]
Este capítulo finaliza la Parte I de la Guía, la parte que explica los conc~ptos generales relacionados al diseño y comportamiento de los pavimentos. Se ha hecho el intento de proporcionar a los potenciales usuarios de la Guía con informa<.:ión tÍtil relacionada con (1) los datos de entrada para el diseño, (2) gestión de pavimentos, (3) aspectos economicos y (4) confiabilidad. Por supuesto, no es posible dar detalles completos de todas estas materias en esta Guía y se invita a los usuarios a examinar los Apéndices y a revisar las importantes referencias citadas aquí, para una e).,:plicación de.tallada de sus necesidades específicas .
Esta Guía puede y feli:ancnte sed usada por muchas <tgencias de pil.vimellto::i dL'SC!0
nivel féderal hasta agencias estatales y lÍlunicipales. Por esta razón, se ha provisto de fle:cibilidad para adaptar la Guía a su uso. Sin embargo, muchos desarrolIos lluevos y conceptos se' presentan también en csta Guía. Por favor, considere cuidadósament~ c~os aspectos nuevos antes de de.scartarlos o modi(lcarlos en favor de melodos ex:Ískllll:.'S. El cambio no es f¿ícil. pero la experiencia a 10 largo del país ha demostrado la neccsiJaJ dI.! 1ll0difiC<lr esta Guía y su aplicación a su agencia, probablemente merecerá también al~llIlos cambios o al menos consideraciones serias de cambio.
El Capítulo 1 de la Parte 1 está referido a los factores de dise:ii.o y "datos de entrada requeridos-para usar la Guía. La aplicación y detemlÍnacÍón de los detalles fin:des de dis~úo', serJn cumpiído"s usando las metodologías presentadas en la Parte n para el Nuevo Diseño y en la Parte III para el Diseño de Rehabilitación. Es ímportante: que usted r~'/is::,
cuidadósamenbt~ el Capítulo 1 y las Part~s JI y III de la GUÚ¡, antes de iniciar <.:t1alquÍI..'r actividad específica de diseiío.
El Capítulo 2 de la Guíu de::i<.:ribc las rdacÍollcs cntre d diseÍlo de pavimento:) y la g~stión de pavÍmcntos, con panicular atención tll si~tema de g':::irión dt! pavimentos (PMSPé.1vemerrt Managcmc:;nt Systcm) a nivel" de proyecto. Los USU~lI-¡os de la Guía ck"LJI.·r;;t;l
continuar estudiando la relación del diseño a la gestión de pavimeo.tos y considerar d u::o de los nomogramas y c:cuaciollC:s de la Guía como modelos élporpiados para el di.=, ... ·[-¡;; dd subsistema de P\-1S en sus agen~iJs.
El Capítulo :1 eX<lmina [os a::ipectos económicos de! disL'lí\) y n.:[¡;\hitiUl·ión ¿L'
pavimenlos. Las a<.:tiviJaoes d.;; dist.:lÍo dl.:scl'il<.lS \.:11 las p¡¡rtt.=s [[ y 111. I:() indl:]'L"n lo~
asrectos ecor.omicos p.:.:r se. DC::$¡Ju¡§::; de Lksarro[l<1r las ¡¡[kl1l¿:¡¡iv¡¡s JI:! Úi:;L":10 con la Glii~l. lkb\.:rú¡¡ Cümp¿l,ar~L" ,:011 UIl an¡íli:-;is I..:I."Oí,\)lllil'\) \'I."rdal.1L-r0, l",)1110 :-:L" lid ;nJi(,¡du ,"íl d capítulo 3. Esto por supucsto, indllY':' la <.:níllparacÍón dl: [os (x>:-ol.'-';' lkl I.'id,) dt.: ,:il!¡¡ y ("s
llH.:jür h(!cho c..:il d I."Ulll~xto d~ una IIll~lOdolo~ia (;Omplda de! L~"\lS u liívd lk· PI\}yc:,:t,)" ~,;[
como SA..'vlP-ó y lT'S- U (5), por nombrar ¿dgllll<lS •
----------------_... _._--- ._-_ .. _-_. _. ------
- :..
!ASHfO GUIDK 10R OKSrGI Ol PAVKXXlf SfXUCrUiKS - 1993
El Capítulo 4 cubre el área muy importante de la confiabilidad y sus aplicaciones en el diseño de pavimentos. Los usuarios de la Guía deberán recordar que muchos de los malos entendidos en el diseño de pavimentos y las fallas resultantes de los mismos en los 20 años pasados, han estado asociados con la incertidumbre y la pérdida resultante de confiabilidad en el diseño. Cualquier método de diseño basado en condiciones promedio tiene solamente un 50% de oportunidad de cumplir el comportamiento requerido. Los apendices asociados presentan una aproximación racional y correcta a este problema Nosotros nos damos cuenta de que esto es una materia compleja, pero los usuarios de la Guía deberán tratar de entender esta sección. Las metodologías de confiabilidad discutidas aquí son usadas en las Partes Ir y lIT.
Habiendo completado la lectura y estudio de la Parte L el usuario se moverá a las Partes II- Nuevo Diseño y III- Rehabilitación. Deberá tenerse mucho cuidado en la revisión apropiada de los Apéndices relacionados, los cuales proporcionan un material adicional de soporte. El buen diseño de pavimentos no es simple. No puede ser hecho en la parte posterior de un sobre. Por favor tome en cuenta que está involucrado un grado razonable de complejidad. pero la Guía puede ser usada exitósamente con estudio, entrenamiento, y una aplicación cuiCladosa del entrenamiento ingenien1. -
La Parte IV de la Guía proporciona mas detalles concernientes a los antecedentes de la teoría de pavimentos y a la posible aplicación de los modelos mecanísticos al diseño futuro de pavimentos o a casos especiales de diseño difícil que requieren un estudio mas detallado. La lectura y el estudio de la Parte IV puede ser muy útil para los diseñadores de pavimentos serios. También está disponible un segundo vclúme:r resultante de los esfuerzos. El Volúmen 2 proporcionará antecedentes detallados de como se desarrollaron la Guía y las ecuaciones de diseÍio, incluyendo las bases analíticas y teáccas.
100 -
• -• • • • • • • • • • • •
• • • 41
• • • t 4
4
4 4
• 4
• ,~
1.
2.
3.
4.
5.
ó.
7.
~.
9.
!O .
r I , '.
!ASHrO GUIDK fOi DKSrGI or PAYKKKXT ST2ucrU2KS - 199]
REFERENCIAS A LA PARTE 1
Smith, R., Dartt..:r. M., anc.J Ht..:rrin, M., ··Highw-...1Y Pavc.:mcne Oi:l~rt..:ss Ilkntilicatiun Manual," Ft..:c.Jer...11 Highw-...1Y Ac.Jministr;¡tion. !{epon FHWA-7\.1-ó6, M~rt.:h I (n\.l.
"AASHTO lntcrilll Guiul! 1~lr Dc.:sign 01" Pavemc::nt Structures-1972," published by Alllcric:..tn Assuc:iatiun of StaL": Highw...1Y auu Tr...1ns{XlrtaLion Ortic.:ialx. Carey, W., amI Crick, P., "1'he l'-.lvcnlent Servicc.ability-Pertormanac Concepe," Highw:..ty Rescarch Board Special Report 61 E, AASHO Road Tese, pp. 291-306, 1962. Carey, Y-I., amIlrick, P., "The P",¡vc.:mc::nt Serviccabili~y-Pcrformance Conct!pr," Highw.lY Rc.:sc:1rc.:h Boarú Rc.:c.:urú 250, 1%0. Haas, R., a~d Huc.Jsun, W.R., "l'avt..:11lt..:nt !\bn:..t¡;<!n\..:nt Systo!ms," Kric!g..:r Puhlishing Company, Malabor. Florida, 1 IJlS2.
11cukclulll, W., anll KlullIp, A.l.U., ··Oy· nam~c;. Tcsting as ;. Ml!ans ()f Contmlling Pave-11lents During anu Aftl!r Construc.:tiol1:· ?rocf:c:dilr;;s 01" thc.: First Illtc.:nJalion:d Con!l:r..:nc:c on Structural D..:sign ()f Asph:dt. Pavements, Univcrsity or Mit.:hig:IlI, 1962. Thc Asphal[ Institute. "Rcsearch anc.J ()t.:vel"pment uf the Asphalt Institute's Thickncss De~ign Manual. Ninth Euitiun," Rc.:scardt Repon No. ~2-2, pp. 60-, 1%2. F..:lle r.l1 Highw:.¡y Alllllinistr:.¡tiun, "l~dlnic:al
GuiJdint..:s fur E~pansivc Suil;; in High '~'ay
Subgr.:Jc.:s," FJ!WA·RD-79-5l, JUlle 1979. Tt.:rrel, R.L, -Epps, J., B:.trt.:nbt.:rg, E.l., Mit::hdl, J., und Thompson, :Vi., "Soil Swbiliz:.ttion in P:lvemcnt Srruc:ui<!s-A Usc:-'$ ?vfanual, Volumc.! 1, Pavement Oesign ano C0nstn:ccion CunsiÚer:Hions." Tc.:¡:~!. R.L..... E:¡:PSt l . , ~ar~nbc.!rg . E.J .. :VI il<.:hc.:ll , J .• :llIc.! TIII)IIIP~"II. ,\1.. ··S'lil Sl;¡lliii::;¡;;uo in P:.vt.:lllt.:nc Siíllt.:lurt.:S-A. Uso.::-"s .\I:!nu:d, VOIUIIIl! 2 .• \Ii.\turt: [)c:~i;;1l C()Cl~iJ<.:r:.Itions," FH"VA Rt.:¡>orc IP 8U-2, Oc:tubt:r 1'J79 . í<id¡;.:· ... ·ay. H. H. . .. P:IV<.:t:t..:n1 SUChUr1;:C:<.: Or.!i::;¡:;..: Sy~t<.:ms:· ~Ci 1 Ro? Sy:11!:":S;S J(
Hi::;~way Pr::...;¡icc. R:.: ;:or: 9ó. ~U""<.:;:lC:,::-
1982_
' . '1.r. •• • -.,
10\
12. Mllultlln. I..K .. ··Hig(¡w;¡y SubJr:lin:lg .... Po.: sign:' Ft.:u<.:r:tl Higltw...1Y Auministratioll. R..:· port No. ¡':H WA-TS-::m-224. AlI~llst I <lXll (rt.:(Irilll<.:J 1')S2).
lJ. T(¡OI\l[lSOIl, D., "IUtprllv ing SubJr;lill;lgt: ;lIId
SllOulc.Jc:.rs or E~istin~ ?-.lvcmcnts." RCpllf[ ¡-";II. , -FIiWA/RD/U77, Stal!; or lltt..: Art, 1 ~::;2.
14. Jllhnsun. T.e .. Ikrg. R.l... C';¡n.:y. K.l... :111.1 Kaplan, C.W., ··Ro;¡uw ... .!}' D..:sign in S .... :.tslln:11 Frost Arc¡¡s," NCHRP Synthésis in High\~;.¡y
Pr¡¡ctice, Rt..:porr 26, 1974. 15. Yod..:r, E., :lOd Witcz:lk, M .. "Prin~'ipks ll(
Pa' ~111cnt Design," Sccond Euitiun, lohn V. '..:y & Co .. pp. 179-1 HO.
16. L •.. dl. K.A" I·l..:nnillO, EO., and I.llba..:y. c. F., "Cllrps lit" Engill..:c.:rs· Pavc.:III<.:1Il Dt.::;i~n
in Arcas ()(" Sc.::lsonal Frost," Highway Rt..:SI: n.:h BoarJ R<.:t..:llru :n. pp. 7ó-(J(). I 'J(l.l.
17. TI!.: AA!:iHO ({oal! ·1i.:s..~-({ep(Jrt 5-l'avc.:III<':lIl Rcst.::Jrch':'- H ighw:ty Rt.:s.:;¡n:h Board. Sr..:..:i;¡( Rc.:port6IE,p. 107, 1\.162.
In. 1-':nn, EN .. ' Sa-rat", CL., Kulkarni, le. N.:ir. K .• Smith. W .• :ln<1 Ahdull:.tlt .. A .. "1.1<!\"(:lll[llIIt..:nt 01" P;IVt.:llll':llt S:rul.::u·r;¡r SlIlbysl<.:tI:,,:· Final R<.:port NCHRP I-I!l. r..:brll:lry (1)77.
19. Huuson. W.R , rion. EN., P..:uigo. R.D .. :II1J Rn(¡t..:rts, F.L.. ··Rdatin~ P:'¡Vc.:llll.!lIt Di~tI·~~" ;'1
Savit:<.:abilit I ano Pc.:rlunn¡¡ncc," Rt.:[lort ~ll.
¡':HWA IW ::;.J/U'J~,.July 1~l.<O.
20. Finn, EN., N.lÍr, K., anJ Hilli~rJ, J. , ··~I:lli
mizing Prent:llttre Cc;¡cking in A~plt;dtit: L'1I11-
t.:rl!te P::V":II1C:1t." NCHR? Repon IlJ5. 197~.
21. Thompson, M.R., _'JllÜ Catinn. K., "Clt~r:.-=
teri7.:uion 01' Tt.:mp.:r:::Uft! Erfct.:t:; :ur h!l! O.:pth AC P;,¡v,,·m.:m D<!si::;n," D .... partlllc:l( l:(
Civil t::l::ill<':,,·rill~. lfniwrsit)' ,!l' lllill .. is. lili· :l (lis C,:op..:r::tivt.: ¡.¡i;;.¡:· ... · .. Y Rl.·st.::.trdl P¡·d~r:,:;:.
¡¡'¡.II·j tOo <'kl"!" " l"~~.
,., C' ..:d..::-:;r<.::1. H . R 1.."1 :d .. "GlIiddlih':" : .... Oc.:sigll lll" Sub." " Lú' (),: ,i l1;¡t~", S)o ,,1.'11\:-. t'",' Hi:;h·,.r;.y Strur.:lllf:d S":"·::"ilS ." Fll\V.·\·!'O· 72· :;0. 1 'Jl2.
'i R : ·.! ~ ,;·. ",,,:,;' ... , .... ":;: (dILdi,ll1 .,:1 \, .... : ..... ¡"'
·r!!~·:; .. ..;h=:! t!lc.: p~\ ~:¡;~:a .si.!r:;~I..:l.::· 1"!·,,;!:: ;}u; : .. -
1·6.::$
24.
}).
? _u.
27.
2S.
29.
30.
31.
:.
The A:-;p(¡al! Institu!\!. "Asphalt Ov\!rlays and P".lVc.:lllc.:nt Rc.:habilitutiun," Manual Sc:ri\!s No. 17. Nnvl:mhc.:r 1060. LI.:11Il.:r, A.C., ;llIU NIl:1VI!1l:t.:Judl, F., "Rdiabilily uf Highw'..IY r-..Ivc.:tl1\!o!S," Highw:IY Rc.:sc.::m:h Record No. 362, Highw..lY Rc.:sc.:an.:h Uuan.l. I'nl. K hc.: r. R.K .. allll Dartl.:r. M.L. "Prob:¡bilislic COllt:l.:plS :Jnu TIlc.:ir Applit::JtillllS tü' AASHO /lltc.:rim Guide.: lur Dcsign uf Rigid Pavc.:ll1e.:nts," líighway Rc.:sc;¡rch Rl!cord Nu. 466, Highway Rc.:sc:Jrcll l3oarú, /973. Darter, M.L, anú Hudson, W.R., "Probabilislie Dcsign Concepts Applied tO Flexible F'-..Ivement System Design." Reseo.reh Repon 123-18. Cc.:ntc.:r fur Transpon:J1 ion Research, Univc.:r!>ily oC Tc.:xas :J( Auscjn, 1973. Ocacon, l . A., anú. Lynch, R.L., "LJc:t<:rioralion oc Tr:Jf¡ic Paramc.:l\!rS lor lhl! Prl!diccion, Projl!ccion. and ~ol1lpu~liun 01" EWL's," Fin:z! R.!90rl KYHPR·ó4·2! HPR-I(4-), K~' .Lucky Highw..lY 01.: pa rcHlc.: lit , 196H. Huuson, W.R .. Haas. R .• anc..l Pc.:digo. R.O., .. ?-..IVC:11c.::1C Managcnlt:nc Syslem Oc.:vc.:lupmene," NCHRP Repare 215, Novcmba 1979. Mc~:!r(:¡.nd. W.F., "Bendir An:lIysis for Pavc:mc.:~l Dc.:sign Sy:'ll!:nS." Rc.:s. Rc.:¡::urt I~J-¡3,
jointly publ ished by Texas Highwuy Oc.:partmem, To.:x:as Tr:znsponalion Instilutc.: of Tc:x..:¡s al A~Slin, April 1972. K:tc.:r, R .• }lllang. W.A .. :.lné Ha:!s. R.C.G .• " E::u:lomic Analysis EklllC:lb ill Pavc.:ll1\!nc 01.::;;;;0." Hil:;hway R:.:: ... :ar:::l Lh;an..! R:.:cord 572. ! ')70.
l!ayo d¿ 19,5
32.
33.
J"'.
35.
36.
37.
38.
39.
.. o.
.+1.
\o~ -
!ASHrO GOIOX rOR OXSIGI al PAVXXXlr sr~OCrOi&S - 1993
D"sigl/ uf PU\'c'II/('111 S¡nt<'(ur,'\
Willrr~y. R .• ·'r:(."Olllln1Í1.: An:lly~is fllr Higllwuys." {nlc.:rnational TI!X.lbuo\': C\1111pany. 1 'leí').
L..::.:, R.R .• :UIÚ Grane, E.L., "llllbll<1ll alld H ighway Economy S!utli\!s ," H igh w:ty R..:: s..:;¡rd¡ Ii,\;¡rd R,·(."'lrd I (JO. l'l('5. Wllhl. M., ;llId Martin. U .• "E\-.,duali'lll o(
Mlllllally EX\"lllsive O..:sign Proj":<.:lS." Hi!;!h· W¡¡y K\!s..::m.:h Board Spc.:\!i:.l1 RI!(lorc tJ 2, I ~6 7. B:zlúod:. R.H .• "The Annual Cnsl. 01' HighwJ.ys," Highway Rcs<:arch Board Recllrú I ~. 1~63.
Lytton. R.L., antl McFarland, W.F.. "Syslt:l11S Approaeh to Pavemenc De!:iign-Implc.:m":l1l;llioll Ph:lse," Final Ro!porc: Prl!parc:d for Highway Rl!sl!an:h Buard. NCHRP. Nacional .-\ .... aJ:.:my uf S..:ic.:nces. rvbrch 197'+. .J..ASHTO, "A Manual on Usc.:r Bl!llc.:t:( :~n:.rl ... ·
.._ I
sis of Highway :lnd t3us·Tran:.¡l lllti1rov<.:· ml!nL'i," 1 977. Salid!:! •• R.O., "A CUlllparaliv:.: Ecollumic Analysis uf Aspll;¡ll aud COll.;rl!ll! P'..I ... ..:luc.:ncs ... Transporulion Rc.:s\!:¡rch Ooa,·<I. bm.:ar}' 198-+. D\!lli:.c.lla ' .. J .• anu Kirl.:. S . l .• "Lili.: Cydc.: Co~:r!~.; lur Design Prolcssionals,' McG r.lWHill tlook Ca .. Nc.:w York. In-z. Gr;lCil E.L .. lrc.:son. \V.G .. :!lIJ L:~"'·':¡I'.\llnh . R.l., "Principks uf E:1ginr.:~ring E.':Ull\lI1ly." ó,h Eüiciun. Mt:GrJ.w-Hill Book Cn . . Nr.:w Y(;rk. 1976, p. 293. ~ra::. :VLA.. Haas, R .. ;tnJ ~::-=r. R .. ·'cfti.::.::s 01' P' .. va;;l11c.:nt RllughllC~:' ,'11 \ .... !¡:.;l..: Sr:~:.::.is." Tr:!nSrorcal!On R..:!-.c.:;.:r,-·~ !.{,,;;r:J ¡(~cur:i ó02. i 97é.
41 t
• • t
t G t
t
ti ti
• • ti
• • • •
• • •
• ..
.-.
•
• • •
C{JfJllu/o .¡
t1IHFINICION. Deflnícitn de Confiobil idad. Proceso de diseo<rcomportamienio de un pavimento, es le probobilídod que uno seccitn de un p<JVimenio, olSeoodo usondo el proceso, se comporlor. soiisfaclor iomerrle bajo lo, condiciones de tr .fico y medio ambienie, duronie el periodo de diseoo.
Definicitn de le Seccitn del Povimento Diseoodo. Ecuodtn de Disroo. El diseoo de uno seccitn de povlmemo 'Je ha definido como ,uno e'ipresitn moiem .Uco Que evpre5<lf. el ni mero de ES A L (Cargo [qu ivolerrle por Eje. Simple}. que lo secdtn puede resísiir(W{), anies que olcance un nivel de servíciabilidod ierminol especificado. Esto ecuocítn de diseoo es fundtn de los 'Jiguíentes por. meiros. - Faclorf?S de lo eSlrudura del povimemo(PST), como espesores de lo bose. - r adores del 'Juelo dt' dmemodtn(RS r), como mtdulo resilenie del 'Juelo de cimen{ocítn. - Faclort's c1im.iico,(CRr), como cot'fkienfe'J de drene;e. - Faclo res de condicitn del pavi mento(P C n, como PSI {ermí nol. La ecuocirtn de diseoo puede ser e'Jcr ito como;
JJI, = í (P.5t, 115r, CfiF, Pcr)
La predkci,tn de ir . rico '/.d plJF.'de SF.'r fCIttorodo por un fodor de-i.'Qnfiobllíd0d Fr Qbleni.ndose i'Jmbí.n Wt, por lo que lo e·tpresitn onterior resuHor ..
í r y W, = f (P5t, !?Sr, Cff, frF)
Seleccitn dt'1 I)i~el)o dF.' lo EsiJlJcllJro del Par/imp.rrfo. " La er.üocirtn" onierior o sus nomoqr<Jmos re'Jpeclil/o~ pUt'den ser" usado'3 p<Jro '
identificor uno o mas combinaciones de mof.er¡a!es y espesores, pero el diseCio {in<J1 f.'stGr. ba-sado en el an . lisis econrtmico .~ de inqenier1o.
[specifícodQnp.s Finole'3 poro el Diseoo de una Seccttn dF.' Pa\lí mefi1Q. Se osume que se han esper.-¡{icado valores f¡¡os por<J iodo~ I,~ f<Jcio(~ rde'lI'Jnie'3,
i.'Qmo rc:;g~ de cerriles de ir. n~ito y bf.'rmQS , 10'3 f.1JlJles nQ han sido p.spp.cífkad0s En lo F.'cuocitn.
L as ~pecificor;ione~ de mof.er lales y consirudillOS hon sido hecho'3 Doro iodos 10$
f<JCtores de di'Jt'<)o en lo t'cuaci~n. El uso de medidos de control de t'olidod produ<:ir.n un mayor grado dt' t'onfionzo.
~ 103-
I
~.v{ i{;'
¿ ry1-:) ~!('"f"
d/~(W I~' ~ J1¿,~vv~
OennÍcitn de lo Condk-i~n de POJ/imenio, CorQOS PQT eje ocumulodos y Vorioble<J de Compodomienio del Pavimenlo. .
Aqu l se definen hes tipos de vorÍobles que son imporlonies en lo defin id~n de lo t'onfíobilídod. Lo condicitn del pO'limenio. los ocumu lociones de I:orgo por eje. El comportomienio del povimento.
Oefínícitn de lo Condid~n del Povímenio y Vorioble, de Cargos por Eíe. lo medido de lo eondidtn del povimenfo Que ser. eon,íderodo oQu l ~ el Indíee de servid<lbil idCJd preserie{p'SI o p}. su valor de pende de! e:siodo en que se encueniro el povimenio como ru<¡o,ídod. ohue!lomíento. ek. lo serviciQbilioad poQr. r:uontífk-orse pOI' medío de lo <:UTVO que resuHo de ploieor el Indice de $ervíciobilidod V'3 N(nímero de ES A L o<;umu lado desde el inir:io hosio okll n iiemp<) en el per iQdo de diseoo}. Poro el colculo de lo r:onfi<lbilidod ho<;en roBo ~Io hes punto, de ~<l curva en los síguieni e<J insionies. A I inicio del peri<Jdo de cnseoo: p = p1 (~enerolmen{e rnoyor Que 4). N = O.
CU<lndo lo servíciobilidod de lo ,eccítn okorl1O un nivel iermínol o mln imo permisible y debe ser recapodo o re<:onshuido. P = p = pi generolmenie osumido eomo 1.0 ~ 2.5 en el díseoo. A I final del periodo de díseoo poro Se<:ciones cuyo Indice de ser'lieíobilídod afn e'l'cede o pi. p = p2 rl = ~li Coma se eyplie~ onieriormenie el proceso de di,eoo requieren uno predkcitn de wi, del ESA L en el per iQdo de díseoo, ~lT, Osi; --
wt (predicho) = q ... NT (oduol) Donde g represento lo íncer1idumbre en I (} predicútn, lo cual bosade en e'a'períeneia~ posado,. pue~e ~ur en el rango de 0.5 2.0 veces del ir. íir.o prevIS~O, medido en i .rmino de ESAL. . . . --
Oefinícitn del comporlomié'nio del Pa1/imenio. E 'iÍsien do, elemenios en lo defin idrtn del ccmpQr{omieniQ del DC\limenio~ Comooriomi.enio relmivo 1Jc1/Jol (1 uno $ervir;iobílidcd Ter mí mJI E~pecffícodo. Bosodc en el nt"mero oc1lJol Ni de lo Se<:'C'itn, OmF.'5 qlJe alcance '3U s?r\lícicbilidad ~.
rr f'.~_-,~.l -m¡·efi~~ Dr""dJ'~ho L. ".I"JI JI ¡"> "J 1 l'.; Ili) ¡ o;; {; •
donde: rr , 1 Loo rr . O .' 1 o ~ -
• • • •
• • •
'. '.
~2 COliPON[NTES DE LA VARIANZA Y FACTOR DE CONFIABllIDAD DE OISE\'O.
t2.1 Componenie'l de lo voríobílidod del Diseoo-Cornporlomienio del Povimenio. Involucra ires pOS03 prindpol~. Predi¡;~itn, W{, del [SA L en el periodQ ocluol de díseoo N T. M u Ji iplicocitn de wt por un focior de confooilidod de dÍ'Jeoo selec~lQnodo r r . 1. PredÍ!:-citn del rornpor1o~íento aduol del pevimemo, Ni, por medio de Wi = w~ t rr a trO'll.s de uno etooci~n de diseoQ. qlJe e'l'preso wt corno LIno {lJndtn de los {odores de diseoo del P'Q'IirnemQ. los hes posos onieriores involucran h~ posos b.sicos e intervalos en escolos del ES A l y l og E SA L. comQ se muesiro en el gr. fíco N ro. 1 \ los hes intervalos formados por los cuoiro punfos b.si~os son mosirodos <,omo desviociones b.ska~(nivel 1) y son:
- Error de predic<,itn en 'el tr.fico duronie el período de di,eoo. (109 Wi • lo~NT) = .. (NT, wi)
- Focior de confiobil idad de di~eoo[ loq); (logwt . log.m) = -+ log rr
- Predíc¡;Íqn de error en ef <,omportomíento del povi mento: (l og Ni • l og Wt = .. ( Nt,wt)
-la des'lio<,itn toiol del <,omportornienlo de lo secdtn aduol a podir del te .fico duronfe el períO<Jo de diseoo.
(logNt . NT) = .. 0
l Q confiabílidad dp.1 foc+.or de di~p.-:)'O es usada pOiG suminísiror 10 sequridad ' probabillsii<,a que logNi e'l'ceder. o l'OgNT, ~ decir, lo de-,vioC'Ítin fotol ser. posÍ1i'lo.
4.2.2 Disiribucitn de Prob<Jbilidades de los Oes\liociones 8.~i~o~. Se asume que el grupo de todos los posible<j reStJltodos paro <,odo opci~n de
desviociones, deberlo producir uno dístribuC'Í-tn norrnol de probobilíd<Jd. lo díshibucitn .( ~J T I '/Ji) repr~f'riio iodos los errores en ID predicci~n · def {r.fiCI]
que pueden ser generodo<j por prediccione<j repetidos poro un Ni dado y paro un amplio rango de valores de ~n. Sí el procedimien1o de predícdtn ~ irnporciol, enionces el grupo de las posible<j d~'/iar.ione~ .01T, '110, lendr. un ~/tJlor medio ~ro y lo Vurianla ser. S2 w, SW es un promedío df: .(~JT ,'Ni) Y ~ lIorn0d,.) el error siondord df.' lo predíccilin del ir .fico durante el pp.riodo de diseoo.
l a di~iriblJci-tn .( N I \Vl) rf'preSen1a todos los errores en 10 prediccirtn de frJndonom ier~o que pue~en ser generodos por lo consirucC"i,in de muchas secf."ionF;s de pavirnenios poro IJfl log'lll = logl1lt + l'Ogfr dado y para fJn amplio rango de volores dF.' Wt. Si el procedimienfo de predicci,tn es imparcial, enion\.~ el grupo de las posibles desviaciones .( NT, Wi). tendr. un '/alor medio cero y 1m 'I1Jlm promedio S~J , es IJn error s.1 IJndard de lo predi<,d·tn del comporiomienio y S2N e<j lo ',¡or iamo de la dístribucitn de i J I d·...J· b' °b I d I .J" '_1 l" " '/'t'" I .'OGas .QS 1';)1" IJCloneS p~1 es e as' pr?~JI\.CIones O~ \'QmponlJm:ento ;:.L og ! J ce ,os correspondientes comporiamienios reoles {logNi) de los "3er.dones povimen1ados. lo pfobobílidod de" disir iblJl;irtn para . o, mOSlrodo en Icr fiqura~ represp.nfa p.1 qrupo de todos 1M po~\bres ...I ..... IJ:n ... ~.""Q .. fefales que aumentan a. pérlir de los ccrr:'3p<Jnd1errtes
- t05-
y
. o = .(NT. 'lit) + LogfR -+ .(Nt,'IIt) =0-+ logfR+O=
S2 o = S2 w + O -+ 52 N
t2.3 Definicitn Formal dE'l Nivel de Confiabil idod y F acior de Confíobilidod de DisE'oo. l a figuro 3 a lo b(ne poro las definkiones formoles de l'onfiabil idad del -di'leao
t'omporlomienia y del fociar de ¡;onfk1bil idad del di'leoor Se define como nivel de r:onfiobilidod. R/100. a lo proo<Jbilidod que uno sec-citn
de povimenio wbrevivo <JI {r. fi¡;1} duranie el periodo de diseco p.p t.
R(por¡;en!aje) = 100 t Prob{Nt. NT) = 100 T Prob{. o . O)
Poro cokulor R y evaluor el fodor de t'onfiabil idod de dheao(L ogF R) 'le variar. lo escolo .1} o la correspondIente escalo de lo Oe'lviod tn Normal EsLnd<lf(Z). mediante lo rek1citn.
z = ( . o - . o Y50 = [.0 - logFRVSo
Poro un deierminodo nivel de l'onfiobilfdod 'le dice Que R=90 %.
Criterio poro lo selec-cítn de lo Oes1/ioddll EsLndor Total. L a s d eS'II iaC'Í o nes es{. nd·:) r esií mada s prJrG el r.os,:; do n d e fo I/IJ r ionz·:) de [ Ir.f i t: O f uir. . .:r O
proyedodo a l'on-síderodo {conjuniamenle con los oiros voriontes asociadas con 10'5 mode[l}'l de compmiamienlo de poví mento~ re'~isodos) son 039 plJrO pO'limenlos.Jlgidos y 0.49 poro pa'limenlos fle'l'ibles. -. los desviaciones aLndor iolal~ e5timodo'3 p<Jro el coso dondp. lo vor iam<J del ir .fko f Uluro proyeclodo no a considerado (y los otros vork1nies osoC'Íooo con los modelos de r.ompor1ornienio de ~<Jvimen{o'l re\Jisodo'l) son OJ4 poro povímen{o<J rlgido'l y 0.44 pero f1e'ú b I e<s. _ _ _-E I rango de valores So esto ba~ado en los valores anter iores. OJO . OAO poví men1o'l rlgidos. OAO . 0.50 poví mento'l fle'I'Íble'l,
t3 e R I T [ R I o PAR A LAS E L E e e I o H DEL N I V E L 1) E e o N r U. B I LI DAD. l a "3e1e~ciri'n de un nivel de confiGoil idod porG el díseoo de un obro I/;<JI deDf.'rX;e
prfm~fC' d?[ proyedo de uso y de los t:Qnser.:':f.'r.dos(r iesgQs). iJsc·ctcdcs í."c·n lo r.Qnsir!.!cci~n de uno ~iruduro de pcvimento iniciolmenie m<JS delgoda. Corno ejemplo se 111-.re:rJe sor el ~oso que uno vio de ir. fico pesado sea cerrado {emporal menie por pres<:mor un nivel de d<Joos <JKo~ como resuHcdo de escoger un espesor ini~;<J1 i rt O de~lJtld<Q. rJn mediO ~<lra identificar los niveles opropiodos de preci"3Í1tn de coníiobii;dIJd, r.ons:Sie ~n 1;'/cil.!0f lo pr?cisitn inherente IJ muchos de los procedirnienios de disec··) -de povimenios~ r~ult<JndD predominantes: ~i la dose funciDno I ,fu la '/Í<Jlidod y 'lU mediQ r;mb!eme fue ruro! 1) urbono. A pesor que esio vprovimcrchtn est. besado en e'l'períendo-s Doscdo"3 la seleccí·tn de! nivel de confiobilidod rr.quiere uno CQnsioero~itn de U"30 mes ~ '- : 'I~.!- l' d f 11 1· : ~:;; ,;: '~'J :~ 'rj ~i íi es go e C! ,IJ ~-remo ura.
- 106·-
41
• • • ,
41
• 41
•
•
• • • •
• • ..
l o fi~uro 4 muestro esto oprovimocítn m<:lS delo/lodo. paro obiener un nivel tp{irno de ¡;onfi<:lbi/idod paro un proyedo particular de di~eoo, Lo curvo e represenio lo sumo {oto I de los dos ~urvo~r A y B). donde lo confiobilidod tptimo poro U proyedo corresponde oJ 'l/olor mln imo sobre esto ~urvo.
Se debe record<:lr que esto confiobilidod es op/íC<:Iblr: stlo o/ nivd de uso y consecur:n~ios{rir:sg~) de folios osoci<:ldos ron un proyeclo en podi~ulor,
. t5 e o Nr / A 8 I LID A () Y AL TER N A 11 V A S EN L A e o N S T R U e e IoN POR ETAPAS .
. Poro consideror 1<:1 confrobilidod de un proyr:clo .por elopo,. es neres<:lt'Ío considerar los :dedos de! 1<:1 confrobilida{¡;ompuesio, ;Asu m iendo qur: lo probobilidad de dur<:lc1tn de uno r:topo es su periodo de diseoo y es independienie de cuolquier ofro etOPO, lo probabilidod o confi<:lbilidod ioiol que todo~ los
·et<:lPOS durar.n su periodo de diseoo. es el producio de kJs et<:lPOS de rehobllit<:l~itn indivíduo/e"
Retop<:I = ( Riotol ) 1/n
Donde • N = / de eiopo'3 incluyendo los de 1<:1 esl:rucluro del pO\límento iniciaL
• • •
- \07-
" t ti ti ti
• t 4 ti ti 41 ti 411
t
• ti t
• , • • ti
• ti ti ti
t ti ti
• • ti
• • • • • • • • •
AASHTQ GUIDe: FOR
DESíGN oC'" ?AVEMEi'<T ~L'CTURES • 1993
GUÍA AASHTO PARA EL DISEÑO DE ESTRUCfURAS DE PA VllvfENTOS - 1993
Basado en la Publicación de ASSHTO AASHTO Guide for Design of Pavement Structures - 1993
PARTE JI PROCEDllvfIENTOS DE DISEÑO DE PA VIME1'ITOS PARA CONS1RUCCIONES
NUEVAS O RECONSTRUCCIONES
CAPITULO 1 INTRODUCCION
\
En éste capítulo se discuten los antecedentes relativos al desarrollo de los procedimientos de diseño de pavimentos nuevos y reconstruidos. En segundo termino, se hace una breve discusión de los alcances de la Parte II- A continuación, se discuten las limitaciones de los procedimientos de diseño, seguidas de una sección de conclusiones, la cual discute brevemente la organización de ésta Parte. .
Se asume.en éste texto, que el lector ha estudiado la Parte I, '~Diseño de Pavimentos y Principios de Gestión", previamente a la aplicación de los procedimientos de diseño descritos aquí. Los principios basicos están contenidos en la Parte r.
1.1 AL'ITE CED ENTES
Uno d~. los objetivos principales del Ensayo de Carrete:ras AASHO, fué el de suministrar información que pudiera utilizarse para elaborar los criterios y procedimientos de diseño estnictüral del pavimento. Consecuentemente, el COini"té de Diseño de l·a AA.SRO, a través de su Sub-Comité de Practicas de Diseño ce Pavimentos, desarrolló la Guía Interna para el Diseño de Pavimentos Flexibles y Ri.~.dos. La Guia estaba basa.da en los resultados de la Carretera Experimental AASHO, suplementada por procedimientos de diseño existentes y en el caso de los pavimentos rigidos, por la teoría disponible.
Después que la Guia fuera utilizada por algunos años, el Comité de Diseño AASRTO, en 1972, publicó la Guía Interna para el Diseño de EstructLUas de Pavimentos, la cual incorporaba la experiencia obtenida desde la publicación original. de-lé; Guia. En 1981, se revisó la porción concerniente· a los pavimentos rigidos (CapítulO' III). . .. .
Esta publicación de la Guía, contiene las siguientes modificaciones a la versión de 1981, las cuales fueron definidas por el Sub-Comité de Prácticas de Diseño de Pavimentos, de la siguiente manera:
(1) Se incluyen las siguientes modificaciones en íos prQcedimiei!tos de diseño de pavimentos flexibles: Ca) El número de soporte del suelo es reemplazado por el módulo resilente, para
proveer de un procedimiento ce ensayo racional qué· pueda ser usado por una agencia para definir las propiedades del material.
Cb) los coefi.cientes de capa de los diferentes cácer:ales son definidos en terminos del móculo resilente, así como de metodos es~ndar (CBR y va!or-R)
1
:.
AASHTO GUIDe POR De5IGN al' PAVEMENT STRUcruRES - 1993
-(e) se incorporan objetívamente los factores ambientales de humedad y temperatura, de tal manera que sean tomados en cuenta de manera racional en el procedimiento de diseño. Esta aproximación reemplaza al término subjetivo de factor regional utilizado previamente.
(d) incorporación de la Confiabilidad, para pennitir al diseñador utilizar el concepto de análisis de riesgo para los diferentes tipos de vialidades.
(e) se incorporan procedimientos de diseño para la construcción por etapas (es decir, rehabilitaci.ón planificada).
(2) Se incluyen las siguiente~ modificaciones en los procedimientos de diseño de pavimentos rigidos: \
(a)
(b)
incorporación de conceptos de Confiabilidad, idén~icos a los usados para los pavimentos flexibles se incorporan aspectos 'ambientales de diseño en el mismo formato que para los pavimentos flexibles
(c) se modifica el procedimiento de diseño para incluir factores tales como: bermas articuladas, erosión de sub-base y diseños de sub-bases de concreto pobre.
El material de-la versión de 1972 ha sido reorganizado y presentado en un nuevo formato, como se describe en la Parte 1 de ésta Guía. Básicamente se describen los datos de ingreso, se presentan las ecuaciones de diseño (nomogramas, etc) y finalmente, se describen los resultados del procedimiento de diseño.
1.2 AL CA.:.'f CE S
Ei procedimie.nt.9 descrito aquí es básicamente una extensión de_los algoritmos desarrollados originalmente a partir de la Carretera Experimental AASHO. Las extenslone's le dan al diseñador la oportunidad de utilizar las ultimas tecnicas del estado del arte. Sí todos los datos de entrada de la C~rretera Experimental AASHO fueran ingresados en los procedimientos de diseño, se obtendrían los mismos resultados que aquellos obtenidos por aplicación de loas ecuaciones de la .Carretera Experimental AA .. SHO. . .
El material contenido en esta parte, tiene que ver con el diseño de una carretera nueva, o con la reconstrucción de una existente. También se presentan los criterios de construcción por etapas, para dar al diseñador la opción de examinar numerosas alternativas para la selección de una estrategia óptima de diseño de pavimentos.
La Pa¡-te Ir también le permite al diseñador tomar en cuenta la pérdida de se¡·¡iciabilidad del pavimemo, resultante de las cargas de! tránsito y del medio ambiente. Los aspectos a~bientales son considerados en termino; de s:.!s efectos directos e indirectos sobre el índice de serviciabilidad. Los efectos directos deí medio ambiente se consideran en función ce los hncnamientos por heiadas del suelo de fundación, mier!tras q'J.e los e~ectos indirectos están expresados en terminas de las variaciones estacionales en las propiedades de [os materiales y su impacto sobre las caigaS del t:-ánsito, asociadas con la pérdida de sc,vlciabiii¿ad. El diseñador tiene la opciór.- de r!O consicerar aigui10s ce esos fac:ores ambien~a:es, si así lo éesea.
z -
t
•
• • • • • t
•
• •• •
• •
:. :. AASHTO CUIDE': FOR
DES[CN OE> PAVEMENf STIWcruRES - 1m
1.3 LIMITACIONES
Las limitaciones inherentes a las ecuaciones originales de la Carretera Experimental AASHO, son aún aplicables:
Estas lirrútaciones basicas han sido reducidas en cierta medida, por las experiencias de varias agencias, las cuales han sido incorporadas en ésta edición de la.Guia, así como en ediciones previas.
1.4 ORGAl~IZACION
Básicamente, ei material contenido aquí, está presentado en una forma modular. Primero se presentan los procedimientos para carreteras mayores, los que son seguidos por procedirrúentos para carreteras de bajo volúmen de tránsito.
Aunque __ ésta Guia no pretende ser un manual del USl!é!rio para ··aplicaciones computacionales, se presenta el material en una forma t2.1 que puede ser usado eñ aplicaciones con Computadoras. Existen programas de cómpuro para reSOlver las ecuaciones basicas y generar múltiples estrategias dé diseño, de tal manera que el diseñador pueda seleccionar una solución económica óptima. Esos programas no están sin embargo documentados en ésta Guia.' De tal forma que el diseñador pueda referirse · a otros documentos AASHTO para los manuales de usuarios. La versión presentada en ésta Parte, es básicamente una aproximación simplificada, en la que se utilizan nomo gramas para resolver las ecuaciones básicas. ·Si el diseij.ador resuetve. una ·gama:exterisa de probl~mas, · llegará a la misma selección óptima que ·con la aproximación de la cÓrriputadora. ..
Además del procedimiento de diseño mediante cartas, se proporciona una aproximación simplificada para el diseño de caminos con bajo volúmen de tránsito. Básicamente consiste en un catálogo de diseños que requieren de un mínimo de entradas por el usuario. La intención es usarlo como una guía por aquellas agencias con un mínimo ce fondos disponibles para diseño. No imeri.ta ser un reerr:DÍazo de [os procedimiemos rigurosos de diseño.
-7.· ... . · - .J •••• ~ ~- ..
;.
AAS!-ITO GUIDE RJR •
DES1GN OF PAVEMENT STRUCnJRES - 1993 •
CAPITULO 2 REQUERIMIENTOS DE DISEÑO
En este capítulo se discute la preparación y/o selección de los datos de ingreso requeridos para el diseño de pavimentos nuevos (o reconstruidos). Desde que este capítulo trata de los requerimientos de diseño para diferentes tipos de estructuras de pavimentos en carreteras de alto y bajo vo~umenes de tránsito, solamente se requiere de cierto grupo de datos de entrada para una combinación de diseño estructural dada. La Tabla 2.1 identifica todos los requerimientos de datos de entrada posibles, e indica los tipos especificas de diseños estructurales, para los cuales ellos soh requeridos. Un uno (1), significa que un dato de ingreso para el diseño, debe ser determinado para esa combinación estructural. Un dos (2), indica que un dato de ingreso para: el diseño debería ser considerado debido a su impacto potencial sobre los resultados. Bajo el encabezamiento de "Flexible", AC se refiere a concreto asfáltico superficial y ST a un tratamiento superficial. Bajo el encabezamiento de "Rigido", JCP se refiere a pavimento de concreto simple con juntas, JRCP a pavimento de concreto reforzado' con juntas, CRCP a un pavimento de concreto contínuamente reforzado y PCP a un pavimento de concreto pretensado. PCP no se muestra como una columna en -la Tabla 2.1, ya que no se dispone en estos momentos de los requerimientos de los datos de ingreso para el diseño.
Por facilidad en la descripción, esos datos de ingreso se clasifican en cinco categorias separadas:
Importante Debido al tratamiento de confiabiiidad en ésta Guía (como se ha discutido en la Parte r y posteriormente en ésta sección), se recomienda de manera especial que el diseñador use valores medios (promedio)e.-:::. lugar de "estimados canser-.¡adores" para C2.¿a una de los Gatos de entrada requeridos en ¿s,e procedimiemo. Es:o eS importante debido a qL.:e las ecuaciones de diseño desarrolladas, utilizan valores medios y variaciones actuales. Así,
I • • • ~ • t
•
ti
•
•
AASIITO GUIDE FOR
DESIGN OF PAVE.\íENT STRUCIURES - 1993
Tabla-Z.l Requerimientos de Diseño para los diferentes tipos de Pavimentos a ser considerados
Descripción
2.1 VARIABLES DE DISEÑO
2.1.1 TIempo Periodo de Comportamiento Período de Análisis
2.1.2 TrálIco 2.1.3 ConlIabilldad 2.104 Impactos Ambientales
Hunditniea10s del suelo de (undación Hinchamientos por helada
2.2 CRITERIOS DE COMPORTAMlE..'ITO 2.2.1 Serviclabllidad 2.2.2 Ahuellamiento permitido 2.2.3 Pérdida de A.gregados
Flexible AC ST
1 1 1 1 1 1 1
2 2 2 2
1
2.3 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL 2.3.1 Módulo Resilentc. Efectivo del suelo de fundación 1 1 2.3.2 Módulo Efedívo de reacción de la subrassnte 2.3.3 Caracterización de los Materiales
ea !.as diferentes capas del pavimento 2.3.4 Módulo de Rotura del PCC 2.3.5 Coeltcientes de Capa
2.4 CARACTERlSI1CAS ESTRUCTIiR-U.ES DEL FA VL'tíE..'1TO Zo4.1 DrenAje
Pavimento Flexible Pavimento Rígido
2.4.2 TnLIlsfer-eccÍa de Ca-z-ga Psvimentos con Juntas Pavimentos con Refuerzo Continuo Bennas Articuladas o Carriles Ensanchados hacia el exterior
204.3 Pérdida de Soporte
l..S VARIABLES D E REFUERZO 2.5.1 Pavimentos con Junlas
- Longitud de, COsas: _-<o
Est'uerzos de Trab:sjo Factor de fricción
- .... ~ • • o .
2.5.2 Pavimentos con Refuerzo Continuo Est'uerzo de Tensión en el 'Concreto Contracción del Concreto Coeficiente Térmico del Concreto Diámetro de barras CoeiicieaLe Térmico del Acero Caida de Temper:1tura par:J el Diseóo :3ctor de F:-icción
2 2
1 1
1 1
Rigido lCP/JRCP CRCP
. -
1 1 1 1
2 2
1
1
1 1
1
1
1
F--'-1 1
\
-- . .: -
1 1 1 1
2 2
1
1
1 1
1 2 1
1 1 1 1
Agregado S u perficial
1 1 1
1 1 1
1
1
2
.J.C- Concreto As(:ilt:co ST-Tratamiento Superficial
CRCP-P:lvi:nenlo de Conc..:!o con Refuerzo Cootir.uo
!C?· Pavimenlo de Coccreto con Juntas !?.CP· Pavimento de Concreto R"ron:ldo ron junt:lS.
t· 'iu-:ables de Entr-ada ¡;:Jr:1 ~¡ diseño que deb'!!l ser detcrmi:'.:lda~ :::- <;:¡n3bles de diseño que de:::er.an ser considcr:ld.3s
5
. /
AASHTO GUIDE FOR
DESIGN OEl P.~ VEMEm" SlRUcruR.ES - 1993
;1 diseñador debe utilizar valores medios y desviaciones estandar asociados con sus condiciones Jarticülares.
~.1 VARIABLES DE DISEÑO
2.1.1 Restricciones en el Tiempo
Esta sección considera la selección de los datos de entrada para los períodos de :emportamiento y análisis, que :afectan (o limitan) el diseño del pavimento dentro del :entexto del tiempo. La consideración de estos factores es requerida para pavimentos con alto o bajo volumenes de tráfico. Las restricciones de tiempo permiten al diseñador, seleccionar desde estrategias que van de la duración inicial de la ~tructura, hasta el periodo de análisis total ( es decir, período de comportamiento igual al período de análisis), hasta la construcción por etapas, con una estructura inicial y sobre capas planificadas.
Penado de Comportamiento. Se refiere al periodo tiempo de duración de una estructura nueva hasta el momento en que requiera una rehabilitación. También se refiere al periodo de comportamiento entre operaciones de rehabilitación. En los procedimientos de diseño presentados en ésta Guía, el periodo de comportamiento es equivalente al tiempo transcurrido hasta que una estructura nueva, reconstruida o rehabilitada se deteriore desde su serviciabilidad inicial hasta su serviciabilidad final. Durante el período de comportamiento, el diseñador debe seleccionar limites núnimos y máximos admisibles del periodo de diseño basados en experiencias y/o políticas de la agencia. Es importante hacer notar que en la práctica actual, el periodo de comportamiento puede estar significatívamente :lfectac.o For el tipo y_el nivel de· mantenimiento aplicado. El comportaII1iento preVisto, inherente a éste procedimiento está basado en las practicas de mantenimiento de laCarretera Experimental AASHO. El período de comportamiento mínimo es la menor cantidad de tiempo que puede dútar una alternativa. Por ejemplo, puede ser deseable que una estructura de pavimento ·dure al menos 10 años antes que un trabajo de rehabilitación sea efectuado. El límite puede estar con~rolado por factores tales como la percepción del público acerca de cuanto debería durar llJ."1a superffcie "nueva:" el costo vida-ciclo y otras consideraciones de ingeniena:· .. ..: ~ . ." . El período de comportamiento máximo es el máximo espacio de tiempo práctico que el usuario puede esperar que dure cierta etapa. Por ejemplo; la experiencia a mostrado en ciertas zonas que pavimentos originalmente diseñados para durar 20 años requirieron cierto tipo de trabajos de rehabilitación en los primeros 15 años posteriores a la construcción. Estos periodos de tiempo limitantes pueden ser resultantes de la perdida de PSI debido a factores ambientales, desintegración de la superfIcie, etc. La seLec:::ión de periocos de tiempo mas largos que pueden alcanzarse en el campo, resultará en ¿¡seños no reales. Entor:ces, si los COSLOS durante el ciclo de vida van a ser considerados con seguridad., es importante da. algunas consideraciones para el máximo penoco de comportamiento práclico de un determinado tipo de pavimento.
6
• •
• • • • • • • • • •
•
•
•
(
(
l ( , l
(
AA5!-ITO GUU"
DESIGN OE" PA VEMENr STRucruR.E.<'
Período de Análisis. Se refiere al período de tiempo para el cual va a ser conducido el análisis, es decir, el tiempo que puede ser cubierto por cualquier estrategia de diseño. El período de análisis es análogo al término "vida de diseño" usado por los diseñadores en el pasado. Debido a la consideración del período máximo de comportamiento, puede ser necesario considerar y planificar una construcción por etapas (es decir, una estructura de pavimento seguida por una o mas operaciones de rehabilitación) para alcanzar el período de análisis deseado.
En el pasado, los pavimentos se diseñaban y analizaban típicamente para períodos de comportamiento de 20 años. Ahora se recomienda que se hagan consideraciones para períodos de análisis mayores', puesto que los mismos pueden adecuarse mejor a la evaluación de estrategias alternativas de mayor alcance, basadas en los costos durante el ciclo de vida. Las consideraciones deberán darse para extend~r el período de análisis, de tal manera tal que se incluya por lo menos una rehabilitación del pavimento. Periodos de analisis mas largos pueden ser considerados para vi as libres urbanas de alto volúmen de tráfico. A continuación se dán unas guías generales:
Clasificación Período de Análisis de la Vía (Años)
Urbana de Alto Volúmen de 30 - 50 Tráfico
Rural de Alco·Volúmen de Tráfico 20 - 50
Payi~encada de Bajo Volúmen de 15 - 25 Tráfico
No Pavimentada de Bajo Volúmen 10 - :20 de Tráñco
2.1.2 Tráfico . - ' .
. Los procedimientos de diseño para carreteras de alto y bajo volumenes de tráfico, están basados en las cargas acumuladas esperadas, de un eje simple equivalente (ESAL) a 18 kips durante el período de análisis (W18). En la Parte 1 y Apéndice D de ésta Guía, se presenta el procedimiento para convertir el tráfico mezclado en unidades ESAL de 18 kips. En e[ Apéndice D se dán valores detallados de equivalencia. Para cualquier situación de diseño donde se eSFere que la estructura inicial del pavimenco dure tedo el período de anáiisis sin r.in2:"' .. ma obra de rehabilitación o recaoado, todo lo que se resuiere es conocer el tráfico _ • L
cotal en todo el periodo de análisis. Si se considera sin embargo, la construcción por etapas, es decir que se anticipe una rehabilitación o recapado (debido a reducción en [os rondas iniciales, hinchamiento del suelo de fundación, congelamiento por helada, etc). el usuario debe pre?arc.r un gráfico de tr¿f.co acumulado ESAL de 1 S ki~s, versus el tiempo. como se ilustra en la F!g!.lra 2.1. Es;:o Será usado para separar el trát:co acumulado en pc.-iodos
7
- - --
• t - • • • • • j
t • ~
t • 10.0 t t t t
8.0 , • ..-.. • ",.
4) • c ·
~ • ~ 41 "--" ~ 6.0
j ~ e u J -< '" l ~ c::..
:.:2 00 4 .0 ,. r L , <: L U")
~
I l -5 o ~
~ • -e 2.0 ;.... • J • I
I • (6) ] • o , • S 10 15 20
Tiempo (años)
Figura 2.1. Ejemplo de Tráfico .I!:~AL-18 kips Versus el Tiempo
• • • •
AASHTO GUlDB FOR
DESIGN OP PA VEMEm" STRUCIURES - 1993
(etapas) durante las cuales se vaya encontrando. El tráfico previsto, suministrado por el grupo de planeamiento, es generalmente el
número de aplicaciones de ejes ESAL de 18 kips espectado en la carretera, en tanto que el diseñador requiere las aplicaciones de ejes en la vía de diseño. Así, a menos que sea específicamente proporcionado, el diseñador debe multiplicar el tráfico de diseño por la dirección y luego por el número de vias (si son mas de dos). La siguiente ecuación permite definir el tráfico (w1S) en el carril de diseño:
\
donde: Do: Factor de distribución direccional, expresado como una relación que toma en cuenta
las unidades ESAL por dirección, por ejemplo este-oeste, norte-sur, etc. DL : Factor de distribución de carril, expresado como una relación que . considera la
distribución del tráfico cuando dos o mas éarriles existen en una dirección de trafico.
!-V l8 unidades ESAL de 18 kips acumuladas, previstas para una sección específica de la carretera en el penado de análisis (propqrcionado por los ingenieros de tráfico).
Aunque el factor Do generalmente es de 0.5 (50%) para la mayor parte de vias veruculares, hay casos en los que puede moverse mas peso en una dirección que en otra. Así, el lado con los vehiculos mas pesados, deberá ser diseñado para un gran número de unidades ES AL. La experiencia ha demostrado que Do puede variar de 0.3 a O}, dependiendo de cual djrección está "cargada" y cual está "descargada".
La siguiente tabla puede usarse como una guia para obtener DL:
Número de Carriles en cada dirección
1
2
4
2.1..3 Confiabilidad
% de ESAL de 18 kips en el Carril de Diseño
100
80 - 100
60 - 30
'\Q ., 7<;
Los conceptos de confiabilidad fueron introducidos en el Capítulo 4 de la Parte r y están completamente desarrollados en el Apéndice EE del Volúmen 2. Básicamente es un medio para introducir cierto grado de certeza en el procedimiento de diseño, pua asegurar que ras diferentes alternativas de diseño durarán todo el período ce análisis. El factor de discfc basa¿o e:1 fa confiabilidad. coma en cuenta [as posibles variaciones en la predicción de! tráfico (w¡s) y en la predicción del comportamiento (W¡s) y por lo tanto,. proporciona un
q
:.
AASHTO GUlDE flOR
DESIGN OE' PA VEMENT SIRUcruRES - 1993
determinado nivel de seguridad (R), que las secciones del pavimento sobrevivirán durante el periodo para el cual fueron diseñadas. .
Generalmente, ante los incrementos de los volumenes de tráfico, de las dificultades para diversificar el tráfico y de las expectativas de disponibilidad del público, debe minimizarse el riesgo de que los pavimentos no se comporten adecuadamente. Este objetivo se alcanza seleccionando niveles de confiabilidad mas altos. La Tabla 2.2 presenta los niveles de confiabilidad recomendados para varias clasificaciones de confiabilidad. Obsérvese que los mayores valores corresponden a las vías de mayor uso, mientras que el nivel mas bajo, 50%, corresponde a las carreteras locales.
Tabla 2.2 Niveles de confiabilidad Sugeridos para varias Cla~ficaciones Funcionales
Clasificación Nivel de ConfiabiIidad Recomendado Ftmcional
Urbano Rural
Inc~restatal y Otras Vias Libres 85 - 99.9 80 - 99.9
Arterias Principales 80 - 99 75 - 95
Colectoras 80 - 95 75 - 95
Locales 50 - 80 50 - 80
Nota: Resultados basados en una investigación de la Fuerza de Tarea de Diseño de Pavimentos de la AASHTO.
Como se ha explicado en ~a !'arte r, Capítulo 4, la confiabilidad del binomio dis~ñocomportamiento, está controlada por el uso de un factor de confiablidad (F¡J, el cual se multiplica por el tráfico previsto a lo 'largo del período de diseño (WI8) para obtener las 3.plicaciones del tráfico de diseño (WI8) a utilizarse en la ecuc.ción de diseño. Para un nivel de confiabilidad (R), el factor de confiabilidad es una función de la Desviación Standard Total (So) que considera las posibilidades de variaciones en el tráfico previsto y la variación normal en el comportamiento p'revisto del pavimento para un W 1S dado.
Es importante notar que tratando la incertidumbre de diseño como un factor separado, el diseñador no necesita usar mas estimados "conservadores:' para las otras variables de diseño. En lugar de valores conservadores, el diseñador deberá usar sus mejores estimados de la media o valor promedio para cada dato de entrada. El nivel seleccionado de la confiabilidad y de la desviación estandar total, ¿ebe¡án tene;:-se en cuenta para el efecto combinado de la vaíiación en toc.3.S las variables de dise:1o.
La aplicación Ce los conceptos de confiabilidad requieren deñnir los sigtlÍentes pasos:
10
• • • ti ti • I
• • • • • • • ti
• • • • •
(
(
(
e (
l ( (
l ( (
l (
e e e e e e
-AASHTO GUIDE FOR
DESIGN OE'?A VEMENT STRUcruRES - 1993
2.1.4 Efectos Ambientales
El medio ambiente. puede afectar el comportamiento del pavimento en varias formas. Los cambios de temperatura y húmedad pueden tener cierto efecto sobre la resistencia, durabilidad y capacidad de carga del pavimento y de los suelos de sub rasante. Otro impacto ambiental mayor es el efecto directo del hinchamiento de los suelos de sub rasante, levantamientos de los pavLI1lentos, coñgelamientos por heladas, desintegración, .~Jc, los cuaI~s reducen la calidad de manejo y la serviciabilidad del pavimento. Otros efectos adicionales como el envejecimiento, 'la- sequedad y el deterioro de los materiales áebido al intemperismo, son considerados en la Guía solamente en términos de su influenCia sobre el comportamiento de los modelos de predicción del pavimento adoptados.
El tratamiento actual de los efectos de las variaciones estacionales de temperatura y húmedad en las propiedades de los materiales se discute en la Sección 2.3 " Propiedades de los Materiales para el Diseño Estructural". En esta sección se tratan solamente los criterios necesario.s para cuantificar los requerimi.entós de'" entrada 'necesarios para evaluar hinchamientos del suelo de cimentación y levantamiento por heladas de los suelós de subrasante. Si cualquiera de los dos factores pueden conducir a una perdida signiñcativa en la ser.¡iciabilidad o calidad de manejo aurante el periodo de análisis, deben ser considerados en el análisis para el diseño de todos los tipos de estructuras del pavimenco, excepto tal vez para los caminos recubiertos por agregados. Corno los modelos basados en la serviciabilidad han sido desarrollados Dara factores tales corno levantamientos del , pavimento, es~os podrán ser añadidos en el procedimiento de diseño,
El objetivo de éste paso es producir un gráfico de per¿ida de serviciabilidad con el tiempo, ~al como se muestra en la Figura 2.2. Como ha sido descrito en la Parte 1, la perdida de serviciabilidad debido a efectos ambientales debe ser adicionada a aque!la resultante de ias cargas acumuladas cor eJ'e. En la Firura 2.2 se indica que la perdida por - . ~
efectos ambientales es el result2co d~ sumar los efectos de ex;:::.r:sión e ::!r:-:::2.:::ie:::.:: ;-:::-hel::.da. Por iliedio ce es:a g¡-¿tica es posible es-cimar la pirdida de ser.¡iciabilié2.d en
\\
:. ::.
12.
u <
0.2
00
Pérdida Total
6. PSI SW.FH
Pérdida Dor
-----"(0.731
-r-_____ ---+~ ____ _t__::o"¿--+--...lI-HinCh<lmi~·n[o I 6. PSI¡:H·
() 5 10
T:e:::~c (años)
. ., ''''
-+p¿rd~a Levantamiento por He!ada I 6. PSIsw
15 20
Figura !.!. Ejemplo Conceptual de (a Pérdida de Serviciabilidad Ambiental Versus Tiempo que se Puede Desarrollar en una Localiúad upecitíca
41 • í ti ti
ti
• • • • • • • • • •
•
• • • • • • • • •
---
•
• •
• • el
( ( .(-
::.
AASHTO GUIDa FOR
DESIGN OF PA VEMEm" STRUCIURES - 1993
períodos intermedios, por ejemplo a los 13 años la perdida es de 0.73. Obviamente si solo se consideran la expansión o el hinchamiento, habrá una sola curva en el gráfico. La pérdida de serviciabilidad ambiental se evalúa con mayor detalle en el Apéndice G 'Tratamiento de Exp~nsi?n de la Subrasante y/o Hinchamiento por Heladas en el Diseño" .
2.2 CRITERIOS DE COMPORTAMIENTO
Z.2.1 Serviciabilidad
La serviciabilidad de un pavimento está definida como, su habilidad para servir al tipo de tráfico (automoviles y camiones) que usa la vía. La medida primaria de la serviciabilidad es el Indice de Serviciabilidad Presente (PSI-Present Serviciability Index), que varía entre O (camino imposible) a 5 (camino perfecto). La filosofla básica de diseño de ésta Guía es el concepto de comportamiento-serviciabilidad, el cual proporciona un medio de diseñar un pav~mentos .bas~do en un volúm~n específico de tráfico total y un mínimo nivel de serviciabilidad deseado al final del período de servicio. .
La selección del PSI mas bajo perrnisiblé o índice de serviciablidad terminal (Pt), está basado en el índice mas bajo qJle será tolerado antes que se haga necesaria pna ~ehabilitación, refuerzo superficial o reconstrucción. Se sugiere un Índice de 2.5 ó mayor para el diseño de las carreteras principales y de 2.0 para las carreteras con menores volumenes de tráfico. Se puede establecer un criterio para identificar un nivel mínimo de serviciabilidad, sobre la base de la aceptación pública. A continuación se dá una guía para ¡os niveles mínimos de Pt> obtenida de estudios relacionados con la carretera Experimental A..A.SHO (14):
Nivel de Serviciabilidad
Final
3.0
2.5
2.0
% de personas que lo considera inaceptable '
12·
55
85
Para vías de reiatívamente menor categoría, donde los factcres económicos establecen q.ue la inversión irúeial se mantenga en un !TIinimo, se sugiere que eso esté acompañado por '",na redL:.cción ¿el periodo de diseño o del volumen de tráfico tata!, en lugar de diseñar para ;' i1a serviciab ilidad termillal menor de 2.0.
Desde que el tiempo al que una estructura dada de pavimento alcanza su serviciabilidad ~ :;rminal depende del volúmen del tráfico y de la serviciabilidad original o inicia! (Po), debe
1. nacerse aigun tipo de consideración para la selección de PI)' (Debe reconocerse que [os ( 'i3.!ores de P'J observados en la Carretera Experimental A .. A.SHO fueron de 4.2 para ( 9avimentos flexibles y de 4.5 para pavimentos rígidos).
I
(
e l (
l .C r
y3
AASHTO GUlDa FOR
DESIGN OF?A VEMENT STRUCTI1RES - 1993
Una vez que Po Y Pt han sido establecidos, deberá aplicarse la siguiente ecuación para definir el cambio total en el índice de serviciabilidad: '.
ilPSI= Po - Pt
La ecuación es aplicable a caminos con pavimentos flexibles, rigidos y con cubertura de grava.
2.2.2 Ahuellamiento Permisible
En ésta guía de diseño, el ahuellamiento es considerado solaihente como un criterio de comportamiento para caminos con superficie de grava. A pesar de que el ahuellamiento es un problema con la superficie de los pavimentos de concreto asfáltico, no se cuenta con ningún modelo de diseño para ser incorporado dentro de ésta Guía. Es importante notar que la profundidad de la huella predicha en el modelo para los caminos con recubrimiento superficial de grava, no se refiere a un ahuellamiento superficial simple (el cual puede ser corregido mediante operaciones normales con motoniveladora), sinó a un ahuellarniento serio asociado con la defonnación de la estructura del pavimento y el soporte de la sub rasante. La profundidad de huella penuisible para un carn.tno de grava, depende del tráfico diario promedio. Típicamente,el rango de profundidades de huellas va de 1.0 a 2.0 pulgadas para caminos de grava.
2.23 Pérdida de ~aregados
_. Para los carninas de grava superficial,_un asuntó' adIcional es la pérdida de agregados debido al tráfico y a la erosión. Cuando ocurre la pérdida de agregados, la estructura del pavimento se hace mas delgada y se reduce la-capacidad de soportar cargas. Esta r~ducción incrementa a su vez la tasa de deterioro superficial.
Para tratar la pérdida de agregados en el procedimiento, es necesario estimar (1) el espesor total de agregados que se perderán durante el período de diseño y (2) el ITÚnimo espesor de agregados requerido para mante,ner, operativa la superñcie de la estructura del pavimento.
Desafortunadamente, existe poca infonnación disponible para predecir la tasa de pérdida de agregados. ;\-fas adelante se dá un ejemplo de ecuación de predicción, desarrollada con datos limitados, sobre secciones con trañco de camiones superior al 50% (15, 16):
~onde:
GL=0.12 + 0.1223 (LT)
GL= pérdida total de agregados en pulgadas LT= número de camiones cargados en miles.
Uina ""'71'''',-12. ecu"'~;";'" ¿"""-~-nl1::>¿,,, ""~ , ..... "S·""';:" - .. r;en-~ en el Bras¡'l so'or'" sec--l'ones lo _'-',::.-0. ..... _ _ ........... !.., ......... ..::.:.. !. -il .. _ - - ... -.! - ~ --. J !. --Jo .. ~ _ l 1 \,j ........
rurales típicas. ?ue¿e emplearse !Jara determinar el da~o de entrada para pérdida de grava (15, 16):
I~
•
• • • • • • •
• • • • • • • • • • -
• •• ,. •
donde:
AASh"TO GUIOE fOR
OESIGN DEl PA VEMENf STRUCfURES - 1993
GL= (B/25.4)1(O.0045LADT+3380.6/R+ 0.467G)
GL= pérdida de agregados en pulgadas, durante el período de tiempo en consideración.
B = número de operaciones de nivelación (con la motoniveladora) durante el , período de tiempo en consideración.
LADT = tráfico diario promedio en el carril de diseño (para caminos de una sola vía, usar el tráfico total en ambas direcciones)
R = radio promedio de las curvas, en pies y G =valor absoluto de la pendiente, en porcentaje .
Otra ecuación desarrollada a través de un estudio Británico llevado a cabo en Kenya, es mas aplicable en are'as donde hay muy poca actividad de camiones, siendo la vía utilizada principalmente por carros. Desde que ésta ecuación está referida a una pérdida anual de grava, la pérdida total de grava deberá ser estimada multiplicando el número de años en el período de servicio:
donde:
AGL= [T2/(T2+5Q)]xf(4.2+0.092T+ 0.889R2+ 1.88VC)
AGL= pérdida anual de agregados, en pulgadas; T = volúmen de tráfico anual en ambas direcciones, en miles de vehiculos; R = precipitación pluvial anua-I, en pulgadas; VC = procentaje de grad¡,~nte promedio en el camino; y
f = 0.037 para gravas lateríticas; 0.043 para gravas cuarCíticas; 0.028 para gravas volcánicas; y 0.059 para gravas coralíferas.
Deberá notarse que hay serias desventajas en las ecuaciones mostradas aquí, por eso, donde sea posible,deberá usarse información local acerca de la pérdida de agregados como datos de entrada en el proceso.
2.3 PROPIEDADES DE LOS MATERL.u.ES PAR.\. EL DISEÑO ESTRUCTIJRAL
2.3.1 iYfódulo Resilente Efecth'o de Subrasante
Como se discutió anteriormente en ésta Parte y e:: la Parte I. la base para la caracterización de [os materiales en esta Guía es el móduLo elástico o módulo resilente. Para .-nateriales de sub rasante, deben llevarse a cabo ensayos de !aooratorio para ¿eterminar el módulo resilente (Af\SHTO T 274) sobe muestras representativas bajo condiciones de esfuerzos y humedad, similares a [as de las estaciones prir::arias h~medas. Alternat ívamente, les módulos res¡¡e¡;tes est~cionales puede ser determinac:-:s por correlación eOi! ot::.S ?:opied2.des de los suelos, como contenido de arcilla, hur::edad, Indice P[ás¡:ico, eee. Ei
15
:.
AASHTO GUIDE fOR
DESIG.'l OE' PA VEMENI' STRUcruRES - 1m
propósito de identificar los módulos estacionales, es cuantificar el daño relatívo al que un pavimento estará sujeto durante cada estación del año, tratándolos como parte del diseño. Se establece luego un modulo resilente efectivo de la sub rasante, el cual es equivalente al efecto combinado de todos los valores de los modulas estacionales. (El desarrollo del procedimiento para generar un módulo resilente efectivo de sub rasante, se presenta en el Apéndice HH del Vo[úmen 2 de ésta Guía).
Las condiciones de humedad para las que deben ensayarse las muestras de sub rasante son aquellas que dan como resultado modulas resilentes significativamente diferentes. Por ejemplo, en un clima que no está sujeto a temperaturas extremas por debajo del punto de congelamiento, es importante ensayar para condiciones diferentes entre las estaciones húmeda (lluviosa) y seca. Podría no ser necesario sin embargo ensayar para condiciones diferentes entre primavera-húmeda e invierno-húmedo, a menos que hubiera diferencia significativa en las precipitaciones pluviales promedio durante la primavera y el otoño. Si las operaciones hacen dificil ensayar el suelo de sub rasante para las condiciones de primavera-húmeda o de invierno-helado, en esos casos extremos pueden utilizarse los valores prácticos de módulo resilente de 20,000 psi a 50,000 psi para las condiciones de heladas, mientras que para las condiciones de primavera-húmeda, los modulas . retenidos pueden ser de 20 a 30% del módulo normal durante. los periodos de verano yotoño.
Se ofrecen como guia dos procedimientos diferentes para determinar la variación estacional del módulo resilente. Uno de ellos consiste en obtener en e[ laboratorio, relaciones entre el módulo resilente y el contenido de humedad. Luego, puede estimarse el módulo resilente para cada estación, estimándo el contenido de humedad del suelo in-situ bajo el pavimento. Un procedimiento alternativo consiste en calcular el módulo resilente para diferentes estaciones, usando el procedimiento descrito en la Parte ITI, mediante medidas de deflexión sobre oavimentos en servicio. Ellas oueden ser usadas como factores . . .. de ajuste para corregir el módulo resilente, para una condición de referencia.
Además de definir el módulo estacional,- es necesario también separar e[ año en diferentes intervalos de tiempo durante los cuales los diferentes modulas son ·efectivos. Haciendo ésta división no es necesario especificar un intervalo de tiempo de menos de medio mes para cualquier estación dada. Si no es posible estimar adecuadamente el tiempo de duración de las estaciones, el usuario puede referirse a [a sección 4.1.2, la cual proporciona criterios sugeridos para el diseñó de caminos con bajos volurnenes de tránsito . .
En éste punto, el tiempo de duración de las estaciones y el módulo resilenre estacional de la subrásante, son los requeridos en terminas de soporte de la sub rasante para el diseño de pavimentos rígidos y caminos recubiertos de .grava. Para el diseño de pavimentos flexibles, sin embargo, los datos estacionales deben ser tra¿ucidos a terminas de módulo resilente de la subrasance, corno se ha descrito anteriormente. Esto se logra con [a ayuda ée la carta en ~a Figt-lra 2.3. El módulo efectivo es un valor pc::éerado, que dá el daño anual equivalente oocenido tratando a cada eS1:ación independier:temente en [a ecuación de com~or~miemo y sumando los daños. Es importante nota: sin embargo, que el módulo resilenre efectivo de la sub rasante determinado de esta carta se aplica solamente a pavimentos flexibles diseñados usando el cnterio de serviciabilidad. No es necesariamente aplicable a otros procedimientos de diseño basados en el médula resilente.
Desde que se usa un valor medio del módulo resilem'e, las secciones ''::: d:se::o COl.
coeficientes de variación mayores que 0.15 (dentro de una estación), deber3i1 ser dividid2.s en secciones mas pequeñas. Por ejemplo, si e[ valor medio del módulo resilence es 10,000
16
• • • • •
• • • • •
•
• • • • • •
• •
•
Módulo del Daño Suelo de
Mes Cimentación . Rdalivo·
Mil (psil Uf
Ene
Feb.
Mil(.
Abr
May
Jun .
Jlll
Ago ..
... Set.
-
DeL
Nvv.
Die. . . -. I
Sumatorialn: í:u f =
Promedio Uf
ti> a. .., o
c:: ~
-·0 ' (3 <ti e E U ~
-o o
"O ::l
(./)
.~
"O <.1
::; -.~ ':.> ::: ; .o ~
30---
20
10
5
.005
.01
.05
.10
.50
1.0
5,0
10.0
13 .0
. . . . . ~. . d c:~ "'., ;. 1.4 / ~- . ' - ____ (corresponde a U'l ) Y1CCt.!10 R~sll!eme E:e::~vo ce! St.::!to e .. "e ... ~c.on ( , ";:'- 1;"') - -
~
o .::: <ti
"O ~ o
fC <ti
o
Figura 2.3. C:lrt!l para Estimar el :'YlóuuJo Resilienr<! Sf:=c!ivo del Sucio de Cime:I(;¡ción para p;l"'imentOS Flexibles Diseú;¡dus L's;¡ncJo e! Criceric de St!rviciabilidad
"l ""': N
'e:!, :r:
"T ~
O
'< on --<
....... :J' .' c: ·0
._-'<3 ~ U .:.;..!-
\7
17
---- --------------------------.:.
AA5HTO GUIDE RJR
Oe5IGN Off PAVEMENT SIRUcnJRES - 199:3
psi, luego, aproximadamene el 99% de los datos deberán estar en el rango de 5,500 a 14,500 psi. -
El primer paso de éste proceso consiste en ingresar el módulo estacional, en sus respectivos periodos de tiempo. Si la estación mas corta es de medio mes, luego todas las estaciones deberán ser divididas en terminas de medios meses, Ilenándo cada uno de los espacios. Si la estación mas corta es de un mes, luego todas las estaciones deberán ser definidas en terminas de meses completos y solamente un espacio por mes podrá ser rellenado.
El siguiente paso consiste en estimar los valores del daño relativo (llr) correspondientes a cada módulo estacional. Esto se hace usando la escala vertical de la ecuación correspondiente mostrada en la Figura 2.3. Por ejemplo, el dañq relativo correspondiente a un módulo resilente de la sub rasante de 4,000 psi, es O.5L
A continuación los valores Uc deberán ser sumados y divididos por el número de incrementos de estaciones (12 ó 24) para determinar el daño relatívo promedio. El módulo resilente efectivo del suelo de sub rasante (MR) será luego, el valor correspondiente al daño relatívo promedio en la escala MR-u(. La Figura 2.4 proporciona un ejemplo de aplicación del proceso de estimación del módulo efectívo MR• Nuevamente,se enfatiza en que éste valor efectivo M R deberá ser usado solamente para et diseño de pavimentos flexibles basados en el criterio de servicio.
23.2 Módulo EfectÍvo de Reacción de la Subrasante
De manera similar al módulo resilente efectivo del suelo de sub rasante para el diseño -de pavimentos flexibles, se desarrollará un módulo efectivo de reacción de la sub rasante (valor-k) para el diseño de pavimento's· rigidos. Desde que el valor-k es directamente '. ' proporcional al módulo resilente del suelo de-subrasante, se usarán los periodos de duración de las estaciones y modulas estacionales desarrollados en la sección previa, com0. un dato de entrada para la estimación de un 'valort-k efectivo de diseño. Pero, debido a los efectos de las caracteristicas de la subbase sobre le valor-k efectivo de diseño, sus determinaciones son incluidas en un procedimiento de diseño iterativo paso a paso. (Ver parte Ir, Capítulo 3). El desarrollo del procedimiento actual para generar este módulo efectivo' de reacción de la subrasante se presenta en et Apéndice HH del Volúmen 2 de ésta Guía.
2.3.3 Caracterización de los Materiales de las Capas del Pavimento
Aunqt..:e hay muchos tipos de propiedades de materiales y procedimientos de erIsayos de laboratorio Dara determinar la resistencia de los materiales est:ucturales del :Javimento, sólo . . uno ha sido adoptado como base para el diseño en ¿sta Gt.!fa. Si bien es cierto sin embargo, que el usuario debería tener una mejor comprensión de los "coeñcientes de capa" (ver Sección 2.3.5) que han sido tradicionalmente usados en el procedimiento de diseño original ~e la AA <;:¡..¡rO ~"';-a n::>',:"""entos fle"";bles no ps ".s". ... c;::>l a"~ el m·odllll'"\ ~I';¡, ;- :,..", ,..l". ~<:c<: \,..,;, a • __ ...... J.. :--'--... ~_ ~.1. ~ .. ~U ,....... ..... \", .. ¡ L_ ... "'-_ ~.... _.,-- _. __ .......... ...; '-"' ......... _ ....
:::aterrales esté caracterizado. En general, se prefieren [os coeficientes de capa derivados de caminos de prueba o de secciones satélite. '
• (
• • • • • • • • • • • • ~ • • • ,
• • • • •
• •
Módulo del Daño Slfelo de
Mes Cimentación . Rdativo·
MH (psi) u,
Ene
Feb.
Milr.
Abr
May
Jun .
J~I
Ago ..
... Ser.
-
OeL
Nuv.
Dic. - . . . I
Sumatoriam; :Eu ( =
Prcmedio u, 2:u = ,
n
\ .-'" a.
M o
c: ¿
-·0 '13
<::1
c: E U , ~
" o <:i =s
C/)
.-.¡ ~
<J
1 .;; -:.>
::::: O :; .o ~
30
20
10
5
.005 .
. 01
.05
.10
.50
1.0
5.0
10.0
13.0
d C· . . Lo< r ' ____ (ccorrc:sponde a Ü,' )
yeéduio R~siEer:te Efe::tivo ¿e! Suc!io e :=nentac:on I I 'o;..\.. pS.) -::. -
N <!\ 0
~I >-~
l -+ ..-
1) .
~ . Q0
~~ >-
~~ ~
--\"'-l c.J
~~I\r ~ ': .... '~
"~ ~ o :¡: .~ 'r
. D ;; . -o .2j
~ O
o oC . '< .
'" Qn
el -
~
:J .' e ·0
·_-·ü .~
u .:.;.!-
Figur:l 2.3. C:lrt!1 para Estimar el :YIódulo Rt!silienre EfectivO del Sucio de Cimeac:lción para Pavimentos Flel:ibles Oist!lÍados CS:1ntlo e! Cric,:ric de Sérvic:abilid:lc.i
, 7
..
---------- .. _-- ------------.-----------------:.
AASHTO GUIDE FOR
DEStGN Off PAVEMENT STRUCTIJRES • 1993
psi, luego, aproximada mene el 99% de los datos deberán estar en el rango de 5,500 a 14,500 . -pSI.
El primer paso de éste proceso consiste en ' ingresar el módulo estacional en sus respectivos periodos de tiempo. Si la estación mas corta es de medio mes, luego todas las estaciones deberán ser divididas en terminos de medios meses, Henándo cada uno de los espacios. Si la estación mas corta es de un mes, luego todas las estaciones deberán ser definidas en terminos de meses completos y solamente un espacio por mes podrá ser rellenado.
El siguiente paso consiste en estimar los valores del daño relativo (llr) correspondientes a cada módulo estacional. Esto se hace usando la escala vertical de la ecuación correspondiente mostrada en la Figura 2.3. Por ejemplo, el daño relativo correspondiente a un módulo resilente de la subrasante de 4,000 psi, es 0.51. '
A continuación los valores Uf deberán ser sumados y divididos por el número de incrementos de estaciones (12 ó 24) para determinar el daño relatívo promedio. El módulo resilente efectivo del suelo de sub rasante (MR) será luego, el valor correspondiente al daño relatívo promedio en la escala MR-u(. La Figura 2.4 proporciona un ejemplo de aplicación del proceso de estimación del módulo efectivo MR• Nuevamente,se enfatiza en que éste valor efectivo MR deberá ser usado solamente para el diseño de pavimentos flexibles basados en el criterio de servicio.
23.2 l'vlooulo Efectívo de Reacción de la Subrasante
De manera similar al módulo resilente efectivo del suelo de sub rasante para el diseño -de pavimentos flexibles, se desarrollará un módulo efectivo de reacción de la sub rasante (valor-k) para el diseño de pavimento·s· rígidos. Desde que el valor-k es . directament.e '. ' proporcional al módulo resilente del suelo de-subrasante, se usarán los periodos de duración de las estaciones y modulos estacionales desarrollados en la sección previa, como. un dato de entrada para la estimación de un 'vaJort-k efectivo de diseño. Pero, debido a los efectos de las caracteristicas de la subbase sobre le valor-k efecti'lo de diseño, sus determinaciones
~. (
( • \
•• • 41
• • • • • •
son incluidas en un procedimiento de diseño iterativo paso a paso. (Ver parte n, Capítulo • 3). • El desarrollo del prccedimiento actual para generar este módulo efectivo' de reacción de la • sub rasante se presenta en el Apéndice HH del Volúmen 2 de ésta Guía.
233 Caracterización de los Materiales de las Capas del Pavimento
AunqT.:e hay muc~os t~pcs de propiedades de materiales y procedimientos de ensayos de laboratorio oara determinar la resistencia de los materiales est'-úcturales del pavimento, sólo . . uno ha sico adoptado como base para el diseño en ésta Guía. Si bien es cierto sin embargo, que el usuario debería tener una mejor comprensión de los "coeñcientes de capa" (ver Sección 2.3.5) que han sido tradicionalmente usados en el procedimiento de diseño original ce la A ... A.SHTO ¡Jara 'Je.'1imentos flexibles, no es esencic.l at.:e el modulo e!2.st:CQ de eses . . . :::ateria!es esté cc.racterizado. En ~eneral, se prefieren los coeficientes de capa derivados de
~ . caminos de prueba o de secciones satélite.
• •
•
•
•
•
•
Prcrr.ecio
,.---' Mód~lo /,.
, del Suelo- de Mes Cimentación
MR
• (p~l)
20., ,-Xl Ene.
Ft!b 20,000
2.500 M':lr
4.000 Abr.
4.000 M¿,y
7 (¡(JO J\IClC
7.000 JlJly
-' ..
7.()(Xl Ago
I -I
Set 1 7.000
I 7. ()(JO
(Jr;r •
4 ()OO I ~4ov . -I .' .
Die 20.0<..-0
Sumatona ,. Lu I = I 3 "í ./~ íI 31
rl • 7 I~
Daño· JU --.,.--=-- .005
Relativo
u r .01
0.01 20
.0.01
" 1.51
.05
0.51 10 -= VI c. ..., o .10
0.51 c:: ~
0.13 .g '(3
'" e a 5 0.13 U
o "O o .50
(J. 13 ~ ::J
C,Ij
~ O 13
o 1 U
ª .¡;:¡ o
0.13 ~
...2
-O 051
..,..
...:::
.. 5.0
0.01
372 HJCj
I ___ 13 (l
\.1' . . - .. d G )' 5"'~""~ (cor-' ·pl..lnd· a Ü ) , .c::t.:!O Resilie!~¡e E:ectivo de! Sue!o de Cime:~¡::'Clon J ,,« ~ s~ -= -=::.:.... '- ,<.:!i • <: • +
Ñ M
J ~ Id.
o ~ .:: ~ ,. 'O ~ ~ o le X o:: Q) o
...:.
-j"
. ~ '0 '(3.
'" ::J U
t.I.J
?~g'.!:-:.¡ :.~. Carta para Estim:tr el :\lódu(o Rcsiiicnce Efectivo dc!l Suelo de Cimentación par:r P:lvimentos Flexiblt!s Diseñados Us;. ndo el Criterio de Serviciabilidad
- -'~ .. -. -.-':- ~ - ".
,
-
' . '
,q
1'71
AASHíO GUIDE RJR
DESIGN OF PAVEMENT STRuCTURES - 1993
•
El módulo elastico es una propiedad fundamental de ingenieria para cualquier material de -pavimentación o de subrasante. Para aquellos materiales sujetos a deformaciones permanentes significativas bajo cargas, esta propiedad puede no reflejar el comportamiento del material bajo carga. El módulo resilente se refiere al comportamiento esfuerzodeformación del material bajo condiciones normales de carga del pavimento. La resistencia del material es importante además de su rigidéz, y los procedimientos futuros basados en criterios mecanísticos, pueden reflejar tanto la resistencia como la rigidéz en los procedimientos de caracterización del material. Adicionalmente, los materiales de base estabilizada pueden estar sujetos a agrietamiento bajo ciertas condiciones y la rigidéz puede no ser un indicador para éste' tipo de daño. Es importante notar que, pese a que el módulo resilente puede aplicarse a cualqUier tipo de material, la notación M R usada en ésta Guía solamente se aplica al suelo de sub-rasante. Se usan otras" notaciones para expresar los módulos de subbases (Esa), bases (EBS), concreto asfáltico (EAc) y concreto de cemento portland (Ee).
El procedimiento para determinar el módulo resilente de un tipo particular de material de pavimentación, depende del tipo. Los materiales con relativamente bajas rigideces tales como los suelos naturales, capas granulares sin ligante, e incluso capas de estabilizados y concreto asfáltico, deberán ensayarse usan,do el método de ensayo del módulo resilente (AASFffO T274). Aunque el aparato de ensftyo para cada uno de esos tipos de materiales es el mismo, hay otras diferencias, tales como la necesidad del confinamiento triaxial para materiales sin ligante.
Alternatívamente, el ligante de materiales con mayores rigideces, tales como las bases estabilizadas y el concreto asfáltico pueden ensayarse usando el ensayo de tensión indirecta con cargas repetidas (AASHTO T4123). Este ensayo aúnque está basado en el uso de medidores electrórucos para medir pequ~fj.os movimientos de la muestra bajo carga, es menos comphjo y fácil de usar que el ensayo triaxial del módulo resilente.
Debido a los pequeños desplazamientos y a la naturaleza quebradiza de los matenales rigidos de pavimentación, es decir, concreto de cemento portland y aquellc~? materiales estabilizados con un elevado contenido de cemento, es dificil medir el módulo usando el aparato de tensión directa . .Así, se recomienda que el módulo elástico de tales materiales de alta rigidéz sea determinado según el procedimiento descrito en ASTM C469.
, _, El módulo elástico para cualquier tipo de material puede también ser estimado usando correlaciones desarrolladas por el departamento de transportes del estado o por cualquier otra agencia reputada. La siguiente es una correlación recomendada por el American Concrete Institute (4) para concreto de peso normal de s::emento portland:
conde:
zo
E = 57000 (f )0.5 e I c:
Ec = :nódulo etásticc deL PCC (en psi); y fe = resistencia compresiva del PCC (en psi) determinada según .'\..'-\SHTO 112,
Tl40, Ó ASThf C39
t t t t t t
• • I
• '.
• •
:. AASHTO GUIDE POR
DESrGN OE'" PAV"EMENT STRUCTIlRES - 1993
2.3.4 ivlódulo de Rotura del PCC
El módulo de rotura (resistencia flexora) del concreto de cemento portland se requiere solamente para el diseño de pavimentos rigidos_ El módulo de rotura requerido por el procedimiento de diseño es el valor meclió- determinado despues de 28 dias utilizando el ensayo de carga en los tercios (AAS!ITO 1'97, AS1M C78). Si la práctica estandar de la agencia indica el uso de la carga en el punto central, deberá hacerse una correlación entre ambos ensayos.
Debido al tratamiento de confiabilidad en ésta Guía, se recomienda enfáticamente no utilizar la especificación norrÍIal de construcción para el módulo de rotura, debido a que representa un valor debajo del cual solamente puede caer un pequeño porcentaje de la distribución. Si fuera deseable utilizar la especificación de construcción, deberían aplicarse algunos aJustes basados en la desviación estandar del módulo de rotura y en el porcentaje (PS) de la distribución normal de resistencia que normalmente caen debajo de la especificación:
donde:
/ S'e (media)= Se + Z (SDs)
S'e = valor medio estimado para-el módulo de rotura del PCC (psi) Se = módulo de rotura de la especificación de con.s~rucción del concreto (psi)
SDs= desviación estandar estimada del módulo de rotura' del concreto (psi); y z = varianza normal estandar:
= 0.841, para PS= 20 porciento* - 1.037, para PS = 15 porciento = 1.282, para PS= 10 porc{ento = 1.645, para PS= 5 porciento y = 2.327, para PS= 1 porcierito.
* Nota: Número permisible de especimenes expresado en porcentaje, que puede tener resistencias menores que el valor especificado.
2.3.5 Coeficientes de Capa
Esta sección descriÍJe un método para estimar los coeCC1entes estructurales de capa A .. A.SHTO (valores a¡), requeridos para el diseño es truC::lra 1 de pavimentos flexibles estandar. Se asigna un valor de éste coeficiente a cada cada capa de· material en la estructura del pavimento con el objeto de convertir los eSFesores de capa en el número estmctural (S~). Este coeficience de caFa expresa la re[aciór!. empírica entre SN y el espesor y es una medida de la habilidad relatíva del marerial para funcionar como un componente estructural dei pavimento. La siguiente ecuación general de! número esrructural refleja el impacto relatívo de [os coeficientes de capa (a¡) y el espesor (D¡):
i=t
AASHTO GU1DB FOR
OBS[GN OE' PAVE.\íENT STRUcruRES - 1993
Aünque el módulo elastico (resilente) ha sido adoptado como una medi.da de la calidad del material, es necesario identificar los (correspondientes) coeficientes de capa debido a su tratamiento en b aproximación al número estructural de diseño. Aunque existen correlaciones para determinar el módulo a partir de ensayos tales como el valor-R, el procedirrúento recomendado es la medición directa usando los metodos AASHTO T274 (materiales granulares para subbase y !la ligados) y ASThf D4123 para concreto asfáltico y otros materiales estabilízados. Las investigaciones y los estudios de campo indican que muchos factores influyen sobre. los coeficientes de capa, así, debe incluirse la experiencia de la agencia en la implementadón de los resultados de los procedimientos presentados. Por ejemplo el coeficiente de capa puede variar con el espesor, soporte de las capas inferiores, posición en la estructura del pavimento, etc. \
Deberá notarse que los valores del modulo resilente obtenido en el laboratorio son significativamente diferentes de los que pueden existir para una condición in-situ. La presencia de una capa no adherida muy blanda sobre una capa rigida inferior por ejemplo, puede resultar en una descompactación y una correspondiente reducción de la rigidéz. Como una guia para capas sucesivas de materiales no adheridos, la relación del módulo resilente de la capa mas superficial a la de la capa mas baja no deberá exceder los· valores que resulten de los esfuerzos tensionales en capas de materiales granulares no adheridos.
La discusión. de como se estiman esos co~ficientes se separa en cÍnco categorias, dependiendo del tipo y función del material de capa_ Esos son concreto asfáltico, base granular, subbase granular, base tratada con cemento y base tratada con asfalto. También son aceptables otros materiales tales como la cal, cenizas volantes con cal y cenizas volantes con cemento y cada agencia deberla desarrollar cartas.
- _. Capa Superficial de Concreto Asfáltico. La Figura 2.5 muestra una carta que puede utilizarse
_ para estimar el coeficiente estructural de capa ~e_ una superficie de concreto a~fáltico de gradación densa, basada en su módulo elástico (resilente) (EAc) a 68°F (20°C). Se recomienda tener cuidado con los valores del módulo por encima de los 450,000 psi. Aunque los concretos asfalticos con modulas mas elevados son mas rigidos y mas resistentes él la flexión, son también mas susceptibles a los agrietamientos termicos y por fatiga.
Capas de Base Granular.
La Figura 2.6 proporciona una carta que puede ser usada para estimar el coeficiente de capa estructural a2 , basado en uno de cuatro resultados diferentes de ensayos de laboratorio, incluyendo el módulo resiliente de la base, Ess. La base de la Carretera E\:perimeútal AASHO para esta correlación es:
a2 = 0.14 Egs = 30,000 psi CBR = 100 (aproximadamente) Valor-R= 85 (aproximacame:¡ée)
También puede utilizarse la siguiente relación en lugar de la Figura 2.6 para estimar el
:. .• • -•
• • t
• ti ti
. t
•
•
0.5 I
r
r-
r.
r
0.1
r-
0.0 , o
:.
I I
"
L ~
/
100,000
_. -
I
-
I !
200,000
MÓdulo Elástico, E,.\.c (psi) del Concreto .-\sfá!tico Ca 20 oC)
.1.
I
--~
V"- -
-
-
-
..
. -
.L
400,000 5OO.O<XJ
Figura 1.5. Carta para la Estimación de! Coeficiente Estructural de Capa de Concreto . .ufáltico de Gradación Densa Basado en el Modulo Elástico (Resiliente) (3)
- .. -_ .. -~ ., -_ .. -.~ .:..~=-..... .! . '-
0.20
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.00
0.04
0.02
a
.... , Q
ca .... -Ü
- -- - 100-
70 60
50
2 40 '(;:;:i _____ _
'-=-1 30 o -ü
lt ___ 20_
--- --85- 2.0 -
80
c:: 0-----70 2.5 ~
~-----Lo
u ..g >-60 3.5
-----50-4.0
(1) Esc3la derivada promediando corrdaéiones obtenidas ¿:; lllinois
--- - 30
!:}'" <= x ~
25
- f-o~ - - - 20 o
-o
-= .~
;c: :-
(2) Esala dc.-ivada promediando correlaciones oble:ú~ de California, Nuevo México y Wyoming (3) Escala derivada promediar.do correlaciones oÓleni~ de Tcx;!S (-+) Escala derivada del proycct..o NGL.tU' (3)
Fi~ur:! 2.6. Variación en el Coeficiente Estructural de Capa Ce Base (31) con Diferentes Parámetros de Resi~tcncia (3)
:.
.¡;; c.. o o o
o
'0 ;¿
?11, '
~ 41 41 41 41 G 41 ti 41
• 41
• • • • • • • • • • • • • • I
• • • • • • • • • • • •
o'.
\ .-I
AASHTO CUIDE RJR
DESIGN OE" PAVEMENT STIWCfURES - 199J
coeficiente de capa, a2 para una base de material granular, a partir de su módulo elástico o resilente EBS (5):
az =O.249*log(E BS) -0.977
Para capas de base de agregados, Eas es una función del estado de esfuerzos (8 ) dentro de la capa y está normalmente dado por la relación:
EBS=k¡ *e*k2
donde: 8 = Estado de esfuerzos o suma de los esfuerzos principales
al + az + a3 (psi) y \ k l , k2= constantes de regresión, las cuales son función del tipo de material.
Valores típicos de k1 y k2 para [os materiales de base son:
k1 = 3,000 a 8,000 k2 = 0.5 a 0.7
En la Carretera Experimental AASHO, los valores del módulo para la base (Eas en psi) fueron:
Estado de Humedad Ecuación
Seco Húmedo iYfojado
8000eo.ó , 4000eo.ó , 3,2008°·ó
Estado de Esfuerzos (psi) 9=5 9=10 "8=20 9=30
21,012 31,8""48 .10,506 15,924 . 8,404 12,739
48,273 24,136 19,309
61,569 30,748 24,627
Nota: Ess es una función no solamente de la humedad, sinó también del estado de esfuerzos (8). Los valores del estado de esfuerzos dentro de la capa de base varían con el módulo de sub rasante v el eSDesor de la caDa sUDerncial. Los valores traícos a · usar· en el diseño son:
~... .. - -
Espesor del Concreto Asfáltico (pulgadas)
Menos de 2 2 - + 4 - 6 ~ü .. ycr de 6
Módulo resilente del suelo de subrasante (psi)
3,000 7:500 15,000
20 7-.. J 30 10 15 20
5 10 15 5 j 5
Es posibie imerpolar el móduio resilente de la subrasan~e para valores ::-;:e;-;-;lccios.
--- -_.- - ----
::
AASHTO GUIDa roR
OESIGN OEl PAVEMENT STRUCIURES - 1993
S~ alienta a cada agencia para que desarrolle relaciones para sus materiales especificos de base (por ejemplo, MR= k1 () k2 ) utilizando el método AASHTO T 274, 'sin embargo, en ausencia de estos datos, pueden usarse los datos de la Tabla 2.3.
Tabla 23 Valores Tipicos para k1 y k1 de materiales de base y subbase no adheridas (MR=k1 8 kJ
Condición de Humedad k* 1 kz *
(a) Base \
Seco 6,000-10,000 0.5-0.7 Húmedo 4,000-6,000 0.5-0.7 Mojado 2,000-4,000 0.5-0.7
(b) Sub base Seco 6,000-8,000 0.4-0.6 Húmedo 4,000-6,000 0.4-0.6 Mojado 1,500.-4,000 0.4-0.6
* El rango entre k1 y k2 es una función de la calidad del material
Capas de Sub-Base Granular
La Figura 2.7 proporciona una carta que puede utilizarse para estimar un coeñciente de capa, aJ ,. eil base a uno de cuatro diferentes resultados de· ensayo de laboraJorio sobre materiales de subbase granular, incluyendo el módulo resiliente de la sub base. La ecuacion base de la Carretera Experimental AASHO para esas correlaciones es:
aJ = 0.11 Esa = 15,000 PSI CBR = 30 (aproximadamente) Valor-R= 60 (aproximadamente)
La relación de ESB versus az (5), similar a la de los materiales granulares, es:
Para capas de subbase de agregados, Esa está afectado por el estado de esfuerzos (fJ) ce Uf'.:=' :nanera similar a ra de [a caDa de base. Les valores tipicos de k, va.n de 1,500 a ó,CCO, miencras que k: varia entre 0.4 a- 0.6. Los valores para [os' maceriales de subbase en [a Carrecera Experimental ASHO fueron:
26
, •
• • • • •
• • • •
• •
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
r_ v
.. , ca
üi .... -Ü 2 Vi ~ u c: el)
.i3 c.: .., o
U
----100
70 50 40
30 -----
20
10
------5
r.t: al U
80
70
60
50
40
M
------'1-- ----:.10 !::!
~ ¿, o
3
-~-----
4
'" <á >< o
E-~ 15 _~ ____ 2-4
~ 13 ·C 12 e- 11
10
-- -- --.- ------- -------30
25 s
(t) Escala de.:-ivada de las correlaciones obtenidas de lllinois (2) Escala derivada de las correlaciones obtenidas del Instituto de! Asfalto, California., Nuevo México y Wyoming (3) ESQ!01 6:::'Ívada de las corrc!ac:;iones oblenidas de Texas (4) Escala é..="iv3da de! prcyecto NCERP (1)
Figura :'.í. Yari:lclones en c!! Coeficiertte de Capa de Subbase Granular (:l}) con Diferemes Parimetros de Subbase (Resüiente) (3)
.¡;¡ c. o o o
'------------ -------_._- --.-._,----
.... . . .:. ':';::0t' ;?':i~
, . AASHTO · ~e: roR . . . .
Estada de Humedad Relación desarrollada
Húmedo Mojado .!
. ~ R = 5,400 eO.
6
M =4600 eO.6 ; R ,
DES[GN OE' PA VEMENT STRUC11JRES - 1993
Estado de Esfuerzos (psi) 8=5 _ 8=7.5 ~- 8=10
!
14~183 12,082
18,090 15,410
~21,497 : 18,312
. .
~mo en el cas~ de las capas ~e base, cada ag~ncia es alentadk _a desarrollar relacion~s para sus mat~riales especificós; sin embargo, 'en lugar de esto~ datos, pueden usarse 16s valores de la Tabla 2.3 : , ;
;Los estados de ~fuerz~s (e) que:puede ser usados. como una guía para seleccionar el valor del módulo, parit espesores de s.ubbases comprendidos-entre 6 y 12 pulgadas son:
- . ~ ... 1 ' - .
-- -.- - ! " . -. .
Espesor de Coricreto ~~. Asfáltico (pulgadas) .
Bases Tratadas co~ CemeTlto -
Menos de 2 2-4
Mayor de 4
Estado de Esfuerzos (psi)
10.0 7.5
_ 5.0
La Figura 2.8 proporciona una carta que puede...ser utilizada para estimar el coeñci.~nte estructural de capa, az , para un material de ~a.se tratado con cemento, ya sea a partir de su módulo elástico, ESS] o en forma alternativa a partir de su resistencia a la compresióñ no conñnada a los siete días (ASTM D1633) .. -
Bases Tratada con PrOductos Asfálticos
La Figura 2.9 presenta una carta que puede ser utilizada para estimar el coefiCiente.;,. de capa estructural, az 1 para un material de base. tratado con productos asfálticos, ya sea a partir de su módulo elástico, El3$> o en forma alternativa a partir de su estabilidad ~farshall (AASHTO. T 245, ASThf D1559). Esto no está mostrado en la Figura 2.9.
• ti -. . • • i
• • • • • •
~
• • • ~.
• • • • • .. (
.28
.26
.24
.22
0.20
.18
. 16
.14
0.12
-0.10
o
• ;
--~ ----------
1000
------"'--- -- -800-
600
c.: . ~-------------Ü 400 2 ;;;
>:.l u . ~ o 'ü <=:
'" o
200
::
------------
'" a:
10.0
9.0
- :0----------r- \ 8.0
'" B <IS
'" ... ::l (5 ::::::
i.u
-----------..-... .~ 6.0 '--'
'" "O ;;: a § u o 5.0 ;z: u· - -- ---- ~ :5----_ .. _-- --.V;- .
<.> ... :3
U
(!) !:scJ.!a derind:! :romedi:ll1CO las ccrrel::ciones obte:li6s ::e Ulinois, Louisiar.a Y T t!xaS
(2) Esda derivad:! de! proy~lo NCHR? (3) .
Figura 2.S. anaclOu d~ :i! en Bases Tr:Had:1s COII Cemento con los v ... Parámetros de Resistencia de la Base ti)
U.30
0.20
0.10
30
.• T~~~!lff!f<: .... : :~?:"~~ff~~j;;t~:'~" ..... . . .
.. ~ .. .. ~::. :'.:::' .. ~ :'~ . .... , ....
11:)(}() 4 O
- ~ - - - -- .- -- . - - - .. - -- - ._~.
1 (j()O ------------.c.: .........
1400 30 .. ~
¡ ... -- , 2.!l
1200
. :- - :;': :' _. -- - ',--- - ... - ..
1000 20
800
1.5
-a .... ::l Ü ..
S ~ Ci o ~ e d
. ~ 200 ~ ~ ~ g ~ .-
400
_ . i 1.0
u _____________ ~ _________ _
'" ~ _. -
o
(1) Esc~:1 derivada de las correlaciones oOt:n.idas de lllinols. (2) Esc.lla derivada del proyecto NCHRP (3)
Figura 2.9. Variación de al en Bases Tratadas coa Bitumen con los
Parámetros de Resistencia de la Base (3)
• • • • • •• •
•
•
ti
::
AASHTO GUIDE POR
DESIGN OF PAVEMENI" STRUcruRES • 1993
2.4 CARACfERlSTICAS ESTRUCTUR<U.ES DEL PAVIMENTO
2.4.1 Drenaje
Esta sección describe la selección de los datos de entrada para manejar los efectos de ciertos niveles de drenaje en la predicción del comportamiento de los pavimentos. No se proporciona una guia para los diseños detallados de los drenajes o procedimientos constructivos. Asimismo, no se proporcionan los criterioS" acerca de la habilidad de varios meto dos de d.renaje para remover la humedad de los pavimentos. Depende del ingeniero de diseño, identificar· que nivel (o calidad) de drenaje es alcanzado bajo cierto grupo específico de condiciones de drenaje. Debajo se dan. las definiciones generales correpondientes a diferentes niveles de drenaje de la estructura del pavimento:
Calidad .de Tiempo de Remoción Drenaje del Agua
Excelente 2 Horas
Bueno 1 día
Regular 1 Semana
Pobre 1 Mes
Muy Pobre No Drena
Con propositos de comparaclon, las condiciones de drenaje en la Carretera Experimental .~SHO, son consideradas como regulares, es decir que el ag1.!a libre se removió en una semana.
Pavimentos Flexibles
El tratamiento para el nivel espectado de drenaje para un pavimento flexible es por medio del uso de coeficientes de capa modificados ( es decir que debería usarse un coeficiente de capa efectivo mayor para mejorar las condiciones de drenaje). El factor para modificar el coeficiente de capa está referido como un valor ITl¡ y ha sido integrado dentro de la ecuación del número estructural (S N) junto con el coeficiente de capa (ai) y el espesor (D¡):
(No Se considera el posible efecto del drenaje en la capa de conc,e:o asfáltic.'; superficial). La conversión del número estructural en Los espesores de c2.¡::a ¿e l p2.virt:en~·') actual se discl!cen con mas detalle en la Parte 11, Capítuio 3.
3\
::
AASHTO GUIDe FOR
DEStGN . OE" PAVE.\.fENf srn.UCTURES - 1993
La Tabla 2.4 presenta los valores l11; recomendados como una función de la calidad del drenaje y el porcentaje de tiem~o durante el año en que la estructura del pavimento debería normalmente estar expuesta a niveles de humedad aproximadamente iguales a la saturación. Obviamente que esto último depende de las precipitaciones anuales promedio y las condiciones de drenaje prevalecientes. Como una base de comparación, el valor de ffi¡ para las condiciones de la carretera Experimental AASHO es 1.0, independient~mente del tipo de material En el Apéndice DD del Volúmen 2 se hace una discusión de como fueron derivados esos valores de II1; . '
TABLA 2.4
Calidad del
Drenaje
Excelente
Bueno
Regular
Pobre
Muy Pobre
Valores de m, recomendados para los Coeficientes de GaPa Modificados de , Materiales de Base y Subbase no Tratada en Pavimentos Flexibles
% del Tiempo que la Estructura del Pavimento está Expuesta a Niveles de Humedad Cercanos a la Saturaci6n
< 1 1-5 5 - 25 > 25
1.40 -135 135 - 1.30 130 -1.20 1.20
1.35 - 1.25 1.25 - 1.15 1.15 -1.00 1.00
1.25 - 1.15 1.15 - 1.05 1.05 -0.80 0.80
1.15 - 1.05 1.05 - 0.8 0.80 - 0.60 0.60
1.05 - 0.95 0.95 - 0.75 ' 0.75 - 0.40 0.40
Finalmente, es también importante notar que esos valores se-aplican solamente a los efectos del drenaje sobre capas de base y subbase no tratadas. Aunque el:' drenaje mejorado es ciertamente benefico a los materiales estabilizados o tratados, los efectos sobre el comportamiento de pavimentos flexibles no son tan profundos como los cuantificados en la Tabla 2.4.
Pavimentos Rigidos
El tratamiento 'para el nivel espectado de drenaje para un pavimeñto rígido es por rr:edio del coeñciente de drenaje, Cd, en la ecuación del comportamiento. (fiene un erecto ú:1ilar al ¿el coeficiente de transferencia de ca~ga, J.) Como U:la base de comparación, el .. -::Ior de C ~::¡-::¡ las condic;ones de 1- c::¡-"'-"'r::¡ E..,....e...:,....., ....... ~.,' ~ ).<::HO "'<:: 1 O '-. ,:i: :-'''''''''.:....... J. lo a. _l.lWI.\",. .. _ .• "t-' .... ! ... \.I4 .... __ 1 r"\...¡: ... _ '-' .... .:.. ...
La Taola 2.5 proporciona los valores recomendados de Cd, dependiendo de la ·:2.iidad del ¿renaje y del porcentaje de tiempo durante el año, que la estructura del ¡:;avimento estará normalmente expuesta a niveles de saturación aproximadamente igua,les é. [os de la samracÍón. Como antes, lo último es dependiente de las precipitactones promedio :=.::uales y de ras condiciones de drenaje prevalecientes. En el Apé::dice DD ce! Voi~;::e:1 2 se hace una discusión de como fueron derivados esos valores recomend2.¿·~s de Cd •
4 -, .
4
• 4 4
4
• • G
•
(
• • c. e . ~ . ( • • e ~ ) c.
-
AASl-ITO GUmE fOR
DESIGN OP PAVEMENT STRUCI1JRES - 1993
TABLA 2..5
Calidad del
Drenaje
Excelente
Bueno
Regular
Pobre
Muy Pobre
Valores Recomendados del Coeficiente de Drenaje, Cd, para el Diseño de Pavimentos Rigidos
% del Tiempo que la Estructura del Pa .... imento está Expuesta a Niveles de Humedad Cercanos a la Saturaci6n
< 1 1-5 5 - 2S >25
1.25 -1.20 1.20 - 1.15 1.15 -1.10 1.10
1.20 - 1.15 1.15 - 1.10 1.10 -1.00 1.00
1.15 - 1.10 1.10 - 1.00 1.00 -0.90 0.90 \
1.10 -1.00 1.00 - 0.90 0.90 - 0.80 0.80
1.00 - 0.90 0.90 - 0.80 0.80 - 0.70 0.70
2.4.2 Transferencia de Carga
El co~ficiente de transferencia de carga, J, es un factor usado en el diseño de pavimentos rigidos para tomar en cuenta la habilidad de una estructura de un pavimento de concreto para transferir (distribuir) cargas a través de discontinuidades, tales como juntas o grietas. Los dispositivos de transferencia de cargas, trabazón de agregados y la pres·encia de bermas de concreto tienen efecto sobre éste valor. El valor-J para un grupo dado de condiciones (por ejemplo, pavimentos de concreto con bennas), generalmente se incrementa cuando las _e:argas del-tráfico se incrementan, desde que la transferencia:- de carga de lqs agregados disminuye con las repeticiones de carga. Le. Tabla 2.6 establece rangos de los coeficientes de lransferencia de carga para diferentes condiciones desarrolladas a.partir de la experiencia y de análisis mecarustico de esfuerzos. Como una guia general para- el rango de los valores-J, deberán usarse los valores mas altos con los valores mas bajos de k, con los valores mas altos de coeficientes termicos y con variaciones grandes de temperatura. (En el Apéndice KK del Volúmen 2 se proporciona el desarrollo de los terminas del factor-J) Cada agencia deberá sin embargo, desarrollar criterios para sus propios agregados, condiciones cIimaticas, ctc.
Si se usan dowels, el tamaño y espaciamiento deberán ser determinados por los procedimientos de l?- agencia local y/o la experiencia. Como una guia general, el diámetro del dowel deberá ser igual al espesor de la losa multiplicado por 1/8 de pulgada (por ejemplo, para un pavimento de 10 pulgadas, el diámetro es 1 1/4"). El espaciamiento y longitud de los dowels son normalmente de 12" y 18" respectívamente.
Pa',:imentos con Juntas
El valor de J recomendado para un pavimento de concreto simple con juntas (JCP) o para un pavimento de concreto reforzado con juntas (JRCP) con algún tipo de dispositivo de transferencia de cargas (tal como las barras lisas o dowels) en [as juntas. eS c:e 3.2 (condición de "esquinas protegidas" en la Carretera E.xperimental ASSHO). Este .valor es
33
AASliTO CUIDE RJR
DESICN OF PAVEM.ENf STRUcnJRES - 1993
indicativo de la transferencia de cargas de pavimentos con juntas sin bermas articuladas de concreto.
Tabla 2.6 Coeficientes de Transferencia de Carga Recomendados para vanos Tipos de Pavimentos y Condiciones de Diseño
Berma Dispositivos de Transferencia
de Cargas Tipo de Pavimento
1. Simple con juntas y reforzado con juntas
2. CRCP
Asfalto PCC unido
Si No Si No
3.2 3.8-4.4 2.5-3.1 3.6-4.2
2.9-3.2 - -NI A 2.3-2.9 N/A
Para pavimentos con juntas sin dispositivos de transferencia de cargas en las juntas, se recomienda un valor-J de 3.8 a 4.4 (Esto basicamente cuenta para los esfuerzos flexores mas elevados q!le se desarrollan en un pavimento sin dowels. pero también incluye alguna consider~ción del potencial incremento por escalonamiento). Si el concreto tiene un coeficiente térmico elevado, deberá incrementarse el valor-J. Por otro lado, si se anticipan unos cuantos camiones pesados como en caminos de bajo volúmen de tránsito, puede disminuirse el valor-J desde que la pérdida de trabazón de los agregados será menor. La Parte r de ésta Guía proporciona algunos otros criterios generales paraJa consideración y/o óseño de juntas de expar...sión, juntas de contracción, juntas longitudinales, dispositivos de transferencia de carga y barras de unión en pavimentos con juntas. --
Pavimentos Continuamente Reforzados
El valor de J recomendado para pavimentos de cac.creto continuamente reforzados (CRCP) sin bermas art!culad2.s de concreto está entre 2.9 y 3.2, -dependiendo de la capacidad para transferir cargas por trabazón de los agregados (como grietas transversales futuras). En el pasado un valor comunmente usado del valor-J para CRCP fué de 3.2, pero, con mejores diseños para el control de la abertura de las grietas, cada agencia deberá desarrollar criterios basados en los agregados locales y rangos de temperatura.
Bermas [inidas o Carriles Externos Ensanchados
Una de las mayores ventajas de usar hermas PCC (e carriles externas ensanchacos) es la reducción de esfuerzos en la losa y el incremento en la vida de ser/icio que ellas ~roveen. Para tomar en cuenta esto, pueden usarse valores-J significatívame;¡~e mas bajas ~2.ra. el disefio de pavimentos con juntas y de pavimentos continuos.
Para pavimentos de concreto continuamente reforzados (el tamaño mínimo y
• • •
• • • • • • •
-. ti
• • • •
í \
(
{
\. (
(
(
:: AASIiTO cumE': POR
DESIGN OF PAVEMEN'T STRUcn.JRES - t993
espaciamiento máximo de barra de unión deberán ser los mismos que para las barras de unión entre carriles) el rango de J está entre 2.3 y 2.9, con un valor recomendado de 2.6. Este valor es considerablemente mas bajo que el del diseño de pavimentos de concreto sin bermas unidas, debido a la significativamente incrementada capacidad de distribución de cargas de los pavimentos de concreto con bermas unidas.
NOTA: La experiencia a mostrado que una berma de concreto de 1.00 m ó mayor puede ser considerada una berma uFÚda. Los pavimentos con sardineles monolíticos o unidos que proporcionan rigidéz adicional y mantiene al tráfico alejado del borde, pueden ser tratados como bermas unidas.
2.43 Pérdida de Soporte
Este factor, LS, es incluido en el diseño de pavimentos rigidos para tomar en cuenta la pérdida potencial de soporte proveniente de la erosión de la subbase y/o movimientos diferenciales verticales del suelo. Se trata en el procedimiento actual de diseño (discutido en la Parte II, Capítulo 3), disminuyendo el valor-k efectivo o compuesto, en base a la magnitud de los vacios que puedan desarrollarse debajo de las losas. La Tabla 2.7 proporciona algunos rangos sugeridos para LS, dependiendo del tipo de material (específicamen~e su rigidéz o módulo elástico). Obviamente, si se van a considerar diferentes tipos de bases o subbases en el diseño, los correspondientes valores de LS deberán ser detenninados para cada tipo. En el Apéndice LL del VOlúmen 2 de ésta Guía, se hace una discusión de como se derivó la pérdida del factor soporte.
Deberá también considerarse al factor LS en terminas de los movimientos verticales del ~uelo que pueden resultar de vacios bajo el pavimen.to. Aún cuando se utilice una subbase no erosionable, pueden desarrolIarse vacios, reduciéndo la vida del pavimento. Generalmente, pira arcillas expansivas o hinchamietos excesivos por helada, pueden considerarse valores de LS entre 2.0 y 3.0. La experiencia de cada agencia en ~sta área deberá sin embargo ser la llave en la selección del valor aporpiado de LS. El exámen del efecto de LS en la reducción del valor efectivo de k para el suelo de sub rasante (ver Figura 3.6), puede ser también útil en la selección de un valor apropiado .
., _. _~ o VARIABLES DE REFUERZO 'o o ...
Debido a las diferencias en los procedimientos de diseño de refuerzo entre los pavimentos con juntas y los pavimentos continuamente reforzados, es que se separan en dos secciones los requerimientos de diseño para cada uno de ellos. También se proporciona información para el diseño de pavimentos de concreto pretensado. Aparte de las dimensiones, cebe tomarse en cuenta la resistencia a la corrosión de los refuerzos, especialmente en c.reas donde tos pavimentos están expuestos a variaciones en les ccnteniccs de numecad y aplicaciones de sales.
35
AASfITO GUIDe FOR
OesIGN OP PAVEMENr STRUCIURES • 199:3
Tabla 2.7 Rangos Típicos de los Factores de Perdida de Soporte (LS) para Varios Tipos de Materiales (6) ,
Tipo de Material
Base Granular Tratada con Cemento CE::: 1,000,000 a 2,000,000 psi) Mezclas de Agregados con Cemento E::: 500,000 a 1,000,009 psi) Bases Tratadas con Asfalto (E= 350,000 a 1,000,000 psi) Mezclas Bituminosas Estabilizadas (E::: 40,000 a 300,000 psi) Estabilizados con Cal (E= 20,000 a 70,000 psi) Materiales Granulares sin Ligante (E= 15,000 a 45,000 psi) , Materiales Granulares Finos o Sub rasante Natural (E::: 3,000 a 40,000 psi)
Pérdida de Soporte (LS)
0.0 a 1.0
0.0 a 1.0
0.0 a 1.0
" 0.0 a 1.0
1.0 a 3.0
1.0 a 3.0
2.0 a 3.0
~OT A: E en ésta tabla se refiere al simbolo general del módulo elástico o resilente del material. '
2.5.1 Pavimentos de_ Concreto armado con juntas
Hay dos tipos ce pavimentos rigidos que pueden caer en la categoría de "con juntas": pavimentos de concreto simple con juntas (JCP), los cuales son diseifados sin refuerzo de acero y los pavimentos de concreto reforzado con juntas CJRCP), los cuales son diseñados con un refuerzo significativo de acero, en terminas de mallas de barras de acero o acero electrosoldado. El refuerzo de acero se añade si la posibilidad de agrietamiento transversal durante la vida ,del oavimento es alta debido'a',factores tales. como esfuerzos . . '
debidos a movimientos del suelo por cambios en la humedad o temperatura. Para el caso de los pavimentos de concreto simple con juntas (JCP), el
espaciamiento de juntas deb,erá ser seleccionado de tal manera que los movimientos del suelo por cambios en la humedad o temperatura no produzcan agrietamiento intermedio entre juntas. El espaciamiento máximo entre juntas variará, dependiendo de las condiciones :ocaies, tipos de subbase, tipos de agregados gmesos, etc. Aderr:ás, el máximo espaciarrJ.ento ~~~:-e ;ium::.s cuede seleccionarse oara miili-nlzar el movimiento de las J'untas v •• J
:or:secuememente, maximizar la transferencia de cargas. Deberá tomarse en cuenta la experiencia c:e cada agencia para ésta selección.
A continuación se dan los criterios necesarios para el diseño' de pavimentos con juntas reforzados con acero (JRCP). Esos criterios se aplican al diseño áel refuerzo del
, . . ,.. 1 1 :-~:-:':'erzc c.~ :?-.:e:-o ¡.onglCUc.tna y trans~,:ersa ..
• • • • • • •
• • '. • •
•
AASHTO GUIDE f'OR
DESIGN OE' PAVEMéNI" STRUC11JRES - 1993
• Longitud de las Losas
Se refiere a la distancia o espaciamiento L (en pies) entre juntas transversales libres (no unidas). Es una consideración de diseño importante desde que tiene un gran impacto en el esfuerzo de tensión máxima del concreto y consecuentemente en la cantidad de refuerzo de acero requerido. Debido a éste efecto, la longitud de las losas (espaciamiento entre juntas), es un factor importante que debe ser considerado en el diseño de cualquier pavimento de concreto reforzado o no reforzado. En la Parte Ir, Capítulo 3 se cubre la selección del valor apropiado.
Esfuerzo de Trabajo del Acero \
.-- Se refiere al esfuerzo de trabajo permisible, fs (psi) en el refuerzo de acero. Típicamente se usa un valor equivalente al 75% de la resistencia de fluencia del acero. Para aceros de Grados 40 y 60, los esfuerzos de trabajo pemúsibles son 30,000 y 45,000 psi respectívamente. Para mallas de alambre soldado (W"\VF) y mallas de alambre deformado (DWF), la resistencia de fluencia del acero es 65,000 psi y el esfuerzo de trabajo permisible es 48,750 psi. Elnúnimo tamaño de alambre deberá ser adecuado para que el potencial de corrosión no tenga un impacto significativo sobre el área de la sección transversal.
Factor Fricción
Esta fª~tor, F, representa la resistencia friccional entre el f9ndo de la losa y la parte superior de la subbase o sub rasante y es básicamente equivalente al coeficiente de fricción. En la tabla 2.8 'se-presentan los valores recomendados para la sub rasante natural y una variedad de materiales de subbase.
Tabla 2.8 Factores de Fricción Recomendados (7)
Tipo de Material Bajo la Losa
Tratamiento Superficial Estabilización con cal Estabilización con Asfalto Estabilización con cemento Grava de río Piedra chancada Arenisca Sub rasante natural
Factor de Fric.ción (F)
2.2 1.8 1.8 1.8 1.5 1.5 1.2 0.9
27
-. :.
AASHTO GUIDE f'OR
DES1GN . OP PA VEMENT STRUCI1JR.ES - 1993
2.5.2 Pavimentos de Concreto con refuerzo Contínuo
El refuerzo principal en los pavimentos de concreto continuamente reforzados (CRCP) es el acero longitudinal, el cual es esencialmente "contínuo" a lo largo de toda la longitud del pavimento. Este refuerzo longitudinal es usado para controlar las grietas que se forman en el pavimento debido a los cambios de volúmen en el concreto. El refuerzo puede ser por medio de barras de refuerzo o mallas de alambre deformado. La restricción del concreto debido al acero de refuerzo y a la fricción con la subbase, son las que causan la fractura del concreto. Es necesario alcanzar un balance entre las propiedades del concreto y el refuerzo para que el pavimento se comporte satisfactoriamente. La evaluación de ésta interacción es la base para el diseño del refuerzo longitudinal. ..
El propósito del refuerzo transVersal en un pavimento CRC es controlar el ancho de cualquier grieta longitudinal que se pudiera fonnar. El refuerzo transversal puede no ser requerido en· los pavimentos CRC, en los cuales es posible que no ocurra agrietamiento longitudinal a la luz de la experiencia observada en pavimentos de concreto con los mismos suelos. tipos de agregados, etc.-5in embargo, si ocurre agrietamiento longitudinal, el refuerzo transversal restringirá el 'movimiento lateral y minimizará el efecto dele té reo de un borde libre. El refuerzo transversal deberá diseñarse en base a los mismos criterios y metodologías usados para los pavimentos con juntas.
Los siguientes son los requerimientos para el diseño del acero de refuerzo longitudinal en pavimentos CRe.
Resistencia a la Tensión del Concreto
En éste procedimiento de diseño se utilizan dos medidas de la resistencia a lá tensión del concreto. Se-usa el módulo de rotura (o resistencia flexora),' derivado de un ensayo de viga a la flexión (carga en los tercios), para la determinación def'espesor requerido de losa (ver sección 2.3.4). Por otra parte, el diseño del refuerzo de acero está basado en la resistencia a la tensión, derivada del ensayo de tensión indirecta según AASHTO T 198 Y ASTM e 496. En ambos casos debe usarse la resistencia a los 28 dias. Arnbas resistencias. deben ser consistentes una a otra .. En este. procedimiento .de diseño, la_ resistencia a la tensión indirecta, normalmente será alrededo'r del 86% del módulo de rotura del concreto.
Contracción del Concreto
La com:-acción por secaco en el concreto ¿ebiée a la pérdida de agua es un fac~or s~gnificat¡vo en el diseño del refuerzo. Otres factores que afectan a la contracción incluyen el conceniéo de cemento, aditivos químicos, metodo de curado, agregados y condiciones de curado. Se usa el valor de la contracción a los 28 dias para el valor de la contracción de diseño ,
La resis;:e=:cia y la comracción dependen de la z-ctacién agua-cemer:w. Cuanw mas agua se añ.ada a la mezcla, mayor será el potencial de conrraccÍón y la resistencia decrecerá. Desde que la contracción puede ser considerada inversamente proporcional a la resistencia,
• • • •
• • ••• • •
AASHTO GUIDE! R)R
DESIGN OE'" PAV'E.\tEN!" STRUCI1JRES • 1m
puede emplearse la Tabla 2.9 como una guia en la selección del valor correspondiente a la resistencia tensional indirecta determinada en la sección 2.5.2.
Tabla 2.9 Relación Aproximada entre la Contracción y la Resistencia TensionaI Indirecta del Concreto de Cemento Portland (6)
Resistencia a la Tensión Indirecta (psi) Contracción (plg/plg) 300 (o menos) 0.0008 400 0.0006 500 0.00045 600 0.0003 700 (o mayor) -- 0.0002
Coeficiente Térmico del Concreto
El coeficiente de expa.nsión térmica para concreto de cementoportland, varía con factores tales como. la relación agua-cemento, edad del concreto, riqueza de la mezcla, humedad relatíva y tipo de agregado en la mezcla. De hecho, el tipo de agregado grueso ejerce la influencia m·as significativa. En la Tabla 2.10 se presenta los valores recomendados del coeficiente té~co del PCC ( en función del tipo de agregado).
Tabla 2.10 Valor Recomendado del Coeficiente Térmico del PCC en función- de los Tipos de Agregados (8)
Tipo de . .;.gregado Grueso
Cuarzo Arenisca Grava Granito Basalto Caliza
Coeficiente Térmico del Concreto (10-6¡2F)
6.6 6.5 6.0 5.3 4.8 3.8
Diámetro de las Barras o Alambres
Típicamente se usan barras deformadas N2 5 Y N2 Ó en el refuerzo longitudinal en CRCP. La barra N2 6 es e[ mayor tamaño oráctico eue debiera ser usado en CRCP cara
.1 ... " lo
cumplir [os requerimientos de adherencia y para controlar el ancho de [as grietas. Los nomog:.-amas ée diseño para refuerzo, limitan la selección ce las barras a un rango de N~ -+ a N2 7. El diámetro nominal de una barra de refuerzo, en pulgadas, es simplemente el número de barra dividido entre 8. El diámetro de alambre deberá ser suficientemente m::.yor de tal manera que la corrosión posible no reduzca significacívamente el diámetro de la sección trans--y·ersaL Además, la relación entre [os alambres longicudina[ y tr::,::s'¡;::-sal deberán
39
:::
----------
AASHTO GUlDE R:JR
DE!SIGN OE" PA'IEMENT STRUCIUR.E!S - 1m
cumplir con las recomendaciones del fabricante.
Coeficiente Térmico del Acero
A menos que se conozca específicamente el coeficiente térmico del acero de refuerzo, deberá asumirse con propósitos de diseño un valor de 5.0 x 10 -6 pulglpulgl2 F.
Caida de Tempera.twa para el Diseño
La caída de temperatura usada en el diseño del refuedo es la diferencia entre la temperatura promedio de curado del concreto y la temperatura mínima de diseño. La temperatura promedio de curado del concreto puede tomarse como el promedio diario de las temperaturas altas durante los meses en que se espera que el pavimento sea construido. Este promedio se toma en cuenta para el calor de hidratación. La temperatura mínima de diseño se define como el promedio diario de las temperaturas bajas para los meses mas frias durante la vida del pavimento. De no encontrarse disponibles los datos de temperatura, pueden obtenerse de los registros climaticos gubernamentales. La caida de la temperatura de diseño que se ingresa en el procedimiento de diseño del refuerzo longitudinal es:
donde: DT D = caida de la. temperafura de diseño, QF
T H = temperatu~a ~lta diaria promedio durante el mes en que se ~'?~truye él pavimento; y
T L = ·temperatura baja diaria promedio durante el mes mas frío del año, "F
Factor Fricción
• '. • • • • t t t
• • • • • • • • • • El criterio para la selección de un factor fricción para los pavimencos eRe, es el •
mismo que para pavimentos con juntas (ver Sección 2.5.1). •
• •
., (
::
CAPITULO 3
GUIA AASHTO 1993 PA..'V\ :::!.. DISEÑO DE Esrn.UC1lJR.~S DE ?A vC'vIENTOS
DISEÑO ESTRUCTURAL DE PA VTh'lENTOS DE CARRETERAS
Este capítulo describe la aplicación de los procedimientos de diseño para pavimentos flexibles y rígidos de carreteras. El diseño de pavimentos flexibles incluye superficies de concreto asfáltico (CA) y tratamientos superficiales (TS). El diseño de pavimentos rígidos incluye pavimentos de concreto simple conjuntas (pCJ), de concreto reforzado con juntas (pCRJ), y de concreto con refuerzo cpntínuo (PCRC). Se provee también de un criterio general para el diseño de pavimentos de concreto presforzado (PCP). Se espera que los pavimentos diseñados con esos procedimientos requieran una superficie pavimentada y soporten niveles significativos de tráfico .
. Con excepción de los pavimentos de concreto presforzado, los procedimientos de diseño de este capítulo están basados en las ecuaciones originales AASEITO de funcionamiento del pavimento, las que han sido modificadas para incluir factores de diseño no considerad9s en la Guía Provisional de Diseño (Interim Design G1,lide) previa. El procedimiento de diseño está basado exclusivamente en los requisitos de diseño desarrollados en la Parte TI, Capítulo 2 yen una serie de nomogramas que resuelven las ecuaciones de diseño. Debe notarse que debido a la complejidad adicional, los procedimientos de diseño basados en operaciones por computadora, tanto para pavimentos rígidos como flexibles, necesitan ser tratados en manuales de diseño por separado. Debe ta.IT!l:;>ién tomarse en cuenta que las CarL8.S de Diseño y los ~r:ocedimieñtos presentados aquí tienen algunas suposiciones y simplificaciones inherentes, las cuales en ' algunos casos han' originado soluciones menos precisas en comparaCion con la correspondiente solución de un computador. ..
Los diseños tanto de pavimentos rígidos como flexibles permiten perdidas de serviciabilidad tanto por parte der tránsito como del medio ambiente, que deben ser tomadas en cuenta Si el proyectista desea que solamente se tome en cuenta la pérdida de la servicialidad debido ál tránsito, se 'pueden ignorar las secciones 3.1.3 y 3.2.4.
El concepto' básico de diseño de oavimentos flexibles y rígidos tiene como prü;cipio determínai los r~quisitos"del espes'or basados' en el nivel det' tránsito: Luego se corrige el período de funcionamiento asociado, para cualquier medio ambiente asociado con las pérdidas de servicialidad. Se provee una opción durante la etapa de construcción, para permitir que el proyectista considere la rehabilitación planificada por razones de medio ambiente o económicas. De este modo, se pueden desarrollar numerosas estrategias para el diseño original de espesores y la subsecuente rehabilitación.
Fina~Llente, se recomienda enfáticamente el uso del método de análisis económico del costo durante el ciclo de vida descrito en la Parte r, como una base de comparación entre los dise::os alternativos de pavimentos generados por es!e procedimiento usando la Carta de Diseño, para un tipo de pavimento dado. A causa de ciertas diferencias fundamentales entre los pavimentos flexible y rígidos y la diferencia
4 r
GUIA AASi-fTO 1993 PARA EL DISE..'\¡O DE E~TR;..IC;-n.1RAS DE PAVIlv{ENfOS
potencial en sus costos relatívos, es recomendable que este análisis económico durante el ciclo de vida, sea un factor, pero no el único criterio para seleccionar del tipo de pavimento.
3.1 DISE~O DE PA VThIENTOS FLEXIBLES.
Esta sección describe el diseño tanto para pavimentos de concreto asfáltico (CA) y de tratamientos superficiales (TS) con niveles de tránsito significativos (es decir mayores que 50,000 ESAL de 18 kips) durante todo el período de funcionamiento. Para las superficies de los tipos CA y TS, el diseño se basa en la identificación del número esL.-uctural (NE) del pavimento flexible para mantener el nivel proyectado de cargas por ejes. Esto es hasta que el proyectista determine si se requiere una superficie de TS simple o doble, o una superficie pavimentada de CA, para las condiciones específicas. En el apéndice H se presenta un ejemplo de aplicación del procedimiento de diseño de un pavimento flexible.
3.1.1 Determinación del Número Estructural Requerido.
La Figura: 3.1 presenta el nomograma recomendado para determinar el número estructural de diseño (NE) requerido para condicioners específicas, incluyendo
(1) el tránsito futuro estimado, W18 (Sección 2.1.2), para el período de diseño, (2) la confrabilidad, R (Sección 2.1.3·), la cual asume que todos los datos de entrada son
valores promedio, .. (3) la desviación estándar tota:1-, So (Sección 2.1.3), (4) el módulo resilente efectivo del material del suelo de fundación, ivfR (Sección 2.3. i) y
. (5) la pérdida de servicialidad de diseño, LlPSI= Po- Pt (Sección 2.2.1).
3.1.2 ConstrucCÍon por Etapas
La experiencia en algunos estados ha mostrado que además de la resistencia (ó capacidad de soportar cargas) de un pavimento flexible, puede haber un período de funcionamie:lto má.ximo (Sección 2.1.1), asociado con una estructura inicial dada, la cual está sujeta a algún nivel significativo de tránsito de camiones. Obviamente, si el período c.e análisis (Sección 2.1.1) es de 20 años (o más) y este período máximo de funcionamiento es menor de 20 años, puede haber la necesidad de considerar la construcción ~or etapas (es decir, una rehabilitación planificada) en el análisis de diseño. Esto es especialmente cierto si Se va a realizar el análisis económico durante el ciclo de vida, donde se pueda evaluar el intercambio entre los espesores de diseño de la estructura inicial del pavimento y las consecuentes sobrecapas. En tales instancias, donde se va a consi¿~:-;::.:- l::. alternativa de la construcción Dor eraoas, es imooname ve:::lcar las '. . re~criccioncs sobre el mínimo períodos de funcionamiento (sección 2.1.1) dentro de las
,..,
t •
• • •
~r~
~.! "
~
\
SOLUCION DEL NOMOGRAMA
[
6 PSI j W
1cxJ10 lU
lcx] --
Z .0 10 JI .:>O-~ !i.J6.1cxJIO(,sml) _ 0.20 + 4.2 - 1.5
1094 0.40 -1- -~-
(SNt-l) 5.19
II '. TL
!J~ 9
v,o .§ ~
_ '!)!I .~-"r2 ~ I s: ~'!' . ~_ J1~0 o:: Q 1--.. ----~
~ ---TI [ !.i (U ... :Q ¡fJ :6 -~o
ru 1;: t: 1- dO O O
-- 70
'LU
~o
~-
.o~
-:1 1\1 0).-.. ~ UI 10 Ql Oc lOE
~1 11) ...
l\l -~ '0> 10 •
E~ .;::¡ c UI Ql UJíü
11) > 41'_:1 (QU-15 111 1- ... Ulñ. ~.§ ou) '0 dl
<O .~ .!! IU
~.~
di.---" 'O .¡¡¡ 0->0: > ..... ;U~
I - ~iÜ ¿-
EjemplQ:
W - 6 10 - 5 x 10
R : 95 %
So : 0.35 .
MII.·: 500g p,1 ,
6PSI ; 1.9
'0 :CIl '0 ~c ro i.~ 'O ¡~ § ¡ 41 u.. :~ 41 :0 'O ':; o :-0 4i .. o :J .~ (J)
SOlu'i idn: Né:. ,5.0
-1- 2.32*lOCJIO~ '. 0.07
'-' : la Se",lclab\llda~ de.Dise(\o I 6PSI
/
/ V
... - ... ~
~ ,,-
... - -: 1"-~
f-- /' ~~ V ~ rr ./
V ~ ~ / L
V ~ W / L ~ / /
~ 1-
V¿ .0~1 l(; ~ 1-'-
1.~,1 VJ, r "
I!<.I ::.0 ~ I I I
~ 6 7 6 :1 4 1 2
Ñúrneso eslructural de Dlseno¡ NE
¡:i~lllr<l 3.1. Cmta ele Disello para Pavimentos Flexibles, Bas~da on el Uso de V~loras Medios para cada Ingreso de datos.
0° en c m> ~~ c~ n ....
~~ Ul \",
0"0
~~ <171
~i
\1
O z· Ul O \,1
:. :.
GUIA AASfffO 199.1 PARA EL DISEÑO DE ESTR U c.TUR.A S DE ? 1\ V IlvtB-rrO::¡
diferer.tes estrategias alternativas. Es muy importante también la necesidad de combinar la-confiabilidad para cada etapa individual de la estrategia. Por ejemplo, si cualquier etapa de una estrategia de 3 etapas (un pavimento inicial con dos sobrecapas), tiene un 90% de confiabilidad, la confiabilidad total de la estrategia de diseño es 0.9x 0.9x 0.9 ó 72.9 por ciento Recíprocamente, si se desea una confiabilidad· total de 95 por ciento, la confiabilidad individual de cada etapa debería ser de (0.95)1/3 ó 98.3 por ciento. Es importante reconocer que la combinación de la confiabilidad, puede ser severa para la etapa de la construcción, y se deben considerar oportunidades posteriores para corregir las áreas problema. .
Para evaluar las alternativas en la etapa de construcción, el usuario debe referirse a la Parte In de esta guía, la cual está relacionada con la rehabilit~ción de pavimentos. Esa Parte provee no solamente un procedimiento para el diseño de sobrecapas, sinó también criterios para la aplicación de otros métodos de rehabilitación, los que pueden ser usados para mejorar la serviciabilidad y extender la capacidad de soportar cargas del pavimento. El ejemplo de diseño en el Apéndice H, provee una ilustración para la aplicación de la construcción por etapas, usando una sobrecapa futura planificada.
3.1.3 Hinchamiento del Suelo ~e Fundación y Levantamiento por Congelamiento
El hinchamiento del Suelo de Fundación ylo el levantamiento por congelamiento, son consideraciones importantes debido a su efecto potencial en la tasa de pérdida de serviciabilidad. El hinchamiento se refiere a los cambios de volumen localizados que ocurren en suelos de fundación expansivos cuando absorven humedad. Un sistema de drer.aje puede ser un métodq . efectivo para minimiza::- el l-.i:1chamiento del suelo_ .ce fundación si reduce la humedad a ser absorvida.
Los levantamientos por heladas, como se consideran. aquí, se refieren a los cambiosde volumen localizados, que ocurre en el suelo de fundación, cuando se congela la humedad retenida, y produce una distorsión permanente en la superficie del pavimento. Al igual que el hinchamiento, los efectos del levantamiento por helada puede ser menguados, proporcionando algún. tipo. de. drenaje. Otra medida efectiva consiste en proporcionar una capa de un -matenal susceptible de· no congelarse, con espesor suficiente para aislar el sueJo de fundación de la penetración del hielo. Esto no solamente protege del levantamientó, 'sino que también reduce significativamente o incluso elimina el efecto de ablandamiento por deshielo, que ocurre en el suelo de fundación durante el inicio de ta primavera.
S i se considera cualquier hinchar.1iento o tevantar::.iento ;;or helada, en términos de sus efe~tos sobre la Dérdida de servicia!idad v la necesidad de sobrecaoas futuras.
1. .J .. '
e:1tonces se debe aplicar el siguiente procedimiento, si se requiere hacer el ploteo de la ~ér¿~¿a ¿~ la servicialidad versus el tiempo, lo que ha sido desar.ollado e~ la Secc~é:: 2. lA.
El ;;roce¿imier.to para considerar la pérdida c:e ser· ... icialiead por el medio ambiente es similar al ~íatamiento que se hace con las estrategias de la construcción por e~a;:a.s . =:-: razón ce !a ¡-:ecesidad de un planeamiemo futuro para la renabiiw.ción. En la solución c:~ la cons,rucción por etapas, se selecciona el número estructural de pavimento inicial, y su
• • • 4 4
• • • • • • • • • • • • ti ti ti
• • • • • • • • • • • • • • • •
•
•
•
• (
GUrA 1'v\~HTO 1993 P."-..'<A EL DrSE~¡() DE E~TRCCnJR.AS DE ?Avt.\'1E~TOS
correspondiente período de funcionamiento (vida de servicio). Luego se identifica una sobrecapa (o serie de sobrecapas) que extenderán [os períodos de funcionamiento pasados, combinados al período de análisis deseado. La diferencia en [a construcc(ón. por etapas cuando se consider~n el hinchamiento y/o levantamiento por hdada, es que se requiere de un proceso iterativo para determinar ' [a duración de [os períodos de funcionamiento para cada etapa de la estrategia. El objetivo de este proceso iterativo es el de determinar cuando la pérdida de servicialidad combinada, debido al tránsito y al medio ambiente, alcanza un determinado niveL Esto se describe con ayuda de la Tab[a 3.1.
Tabla 3.1. Ejemplo del Procedimiento Usado para Predecir el Período de Funcionamiento de una Estructura Inicial de Pavimento Considerando Hinchamiento y/o Levantamiento por Congelamiento
(1) Itera ción N°
1 2 ..., .J
PSI Inicial 4.4 Período de Funcionamiento iYláximo Posible (años) 15 Pérdida de la Serviciabilidad de Diseño, LiPSI= Po-Pt= d 4-) 5= 1 9
(2) Período de Funcionamiento de Prueba (años)
13.0 9.7 8.5
(3) (4) Pérdida de la Correspondiente Serviciabilidad Pérdida de Ser-Total debido a viciabilidad debi-Hinchamiento y do al tránsito Levantamiento ó.PSITR.
.. por Helada, ó.PSIH.LH
0.73 0.63 0.56
1.17 1.27 1.34
(5) Tránsito Acumulado Permisible (ESAL de 18 kips)
(6) Correspond Período de Funcionam. (años)
6.3 2.0xlOÓ
2.3xl0ó
2.6x106 .. 7.2
8.2
Columna N° Descripción de Procedimientos
2
5
.Es~ado por el diseñador (Paso 2) . _. . Se determina la pérdida de serviciabilidad tor21 debido. a runchacrüenro y levantamiento por congeiamienro usando los valores estimados de la Columna 2 con la Figura 2.2 (Paso 3) Restar la pérdida de serviciabilidad ambiental (Columna 3) de la pérdida de serviciabilidad cotal para determiné!!' la cor:-espondiente pérdida de serviciabilidad debido al tránsito. Detenninados de la Figura :3.1 mantener .cdos ios datos de ingreso Constantes (excepto para el uso de la ;:er¿ida ce sen ... iciabilidad ~or el Tránsito ¿e la Colwnna 4) Y aplicar la CZla ce :nodo inverso (Paso 5)
Usando el Td.nsiro de la CoiWni'la 5, escim.:rr e¡ ;;etiodo neto de Comportamiento de la Figura 2.1 (Paso 6)
45
.:
GIJ(A AASIíTO 199] P!\RA EL DISEÑO DE ESTRUC.lURAS DE PA VIMENTOS
Paso l. Seleccionar un número estructural apropiado (NE) para el pavimento inicial. Debido al relativamente pequeño efecto que el número estructural tiene en minimizar el hinchamiento y levantamiento por heladas, se recomienda un número ' (nicial máximo NE, derivado para condiciones en las cuales no haya hinchamiento o levantamiento por congelamiento. Por ejemplo, si la confiabilidad total deseada es del 90 por cientó (desde que se e~pera una sobrecapa, la confiabilldad de diseño tanto para el pavimento como para la sobrecapa es 0.9 112 ó 95 por ciento), el módulo efectivo del suelo de fundación es 5,000 .psi, la servicialidad inicial e~perada es de 4.4, la servicialidad final de diseño es de 2.5, y se asume un período de funcionamiento de 15 años (junto con una aplicación corre~pondiente de 5 millones de ESAL de 18 Iqp~) ,para el pavimento inicial, el máximo número estructural (determinado de la Figura 3.1) q)le debería ~r considerado para las condiciones de hinchamiento y de levantamiento .por congelamiento es de 4.4. Cualquier valor menor a un NE de 4.4 puede ser apropiado, mientras q)le no supere el mínimo .período de funcionamiento (Sección 2.1.1).
Paso 2. Seleccionar un período de funcionamiento de prueba, q)le podría ser e~perado b~ o las condiciones antic~padas de hinchamiento/levantamiento .por congelamiento, e ingresar en la Columna 2. Este número debería ser menor al máximo .período de funcionamiento .posible corre~pondiente al número estructural inicial del pavimento seleccionado. En general, cuanto mas grande sea la pérdida debido al medio ambiente, menor será el. período de funcionamiento.
Paso 3. Usar el gráfico de perdida de serviciabilidad ambiental acumulada versus el tiempo desarrollado en la Sección 2.1.4 (se usa la Figura 2.2 como ejemplo), estimando la correspondiente pérdida de servicialidad total-debido a hinchamiento y levantamiento ' por congelamiento (D.PSrH,Ld que pueda ser esperada para el f:eríodo de prueba del Paso 2, e in~esar luego en la Colwnna 3.
Paso 4. Restar esta pérdida de servicialidad ambiental (Paso 3) de la pérdida de serviciabilidad total deseada (en el ejemplo se usa: 4.4 - 2.5 = 1.9) para establecer la pérdida de servicialidad correspondiente al tránsito: Ingresar luego los resultados en la columna 4.
LlPSln = M'SI - 6.PSIH,LC
Paso 5. Use la Figura 3.l para estimar el tránsito acumulado permisible de 18 kio ES)...L, cor.esgondiente a la pérdida de serviciabilidad determinada en el Paso -+ e ingrese en La COiUIT22. 5. Nocar que es impo~ante usar ei misülo nivei de confiaoirió.d, módu~o resiiezHe e:-ectlvo dd suelo de fundación y número eSutlctural iLlicial, cuando se aplique::. las cu:as ce ¡::;avimenco flexible en el estimado de este tránsüo admisible.
Paso 6. Estimar el correspondiente año al que se puede alcanzar el tránsito de 18 kip ES)...L acumulado (determinado en el Paso 5), e ingresar en la Columna 6. Esto debería estar acor:::::::fado del ploteo del m~.nsito 2.cLi!i1ul<!do versus el tiempo g'2.::c::,co -::r. ~::.
Sección 2.1.2 (se usa la Figura 2.1 como ej~rnp¡o ).
• t
• ti
• • ti
• • • t I 41 I I
•
• • • • • •
• • •
• GUlÁ AASHTO 1993 PARA EL DISEÑO DE ESTRü CTIjRAS DE PAV~"TOS
::.
Paso 7. Comparar el periodo de funcionamiento de prueba con el'calculado en el Paso 6. Si la diferencia es mayor a un año, calcular el promedio de los dos y usar esto como el valor de prueba para el comienzo de la próxima iteración (regresar al Paso 2). Si la diferencia es menor que un año, se alcanza la convergencia ' y se dice que el promedio es el periodo de funcionamiento pronosticado para la estructura del pavimento inicial, correspondiente al NE inicial seleccionado. En el ejemplo, se alcanzó la convergencia después de 3 iteraciones y el periodo de funcionamiento pronosticado es alrededor de 8 años.
La base de este proceso·.iteratívo es exactamente la misma para la estimación del periodo de funcionamiento de las sobrecapas subsecuentes. Las mayores diferencias en la aplicación real son q~e (1) se usa la metodología para. el diseño de sobrecapas 'presentada en la Parte rrr para estimar el .periodo de funcionamiento de la sobrecapa y (2) cual~uier hinchamiento y/o levantamiento por helada pronosticado después de la sobreca:pa, deberá reiniciarse y luego .progresar a partir del momento en que se colocó la sobrecapa.
3.1.4 Seleccion De Los ES'pesor~ de Ca'pa
. Una vez ~ue se ha detenninado el número estructural de diseño eNE) para una
estructura de pavimento inicial, es necesario identificar un grupo de e~pesores de capas de pavimentos, ~ue cuando son combinados proporcionarán la capacidad de carga correspondiente al NE de diseño. La siguiente ecuación .proporciona la base para convertir un NE en espesores re~l.es de superficie, base y sub-base:
donde:
al. az, a) = coeficientes de capa representativos de la superncie, base y sub-base respectivamente (ver Sección 2.3.5.),
DI, D2, DJ . - espesores reales (en p.ulgadas} de la superficie, capas.de. base y sub,.base, respectivamente; y
m2, m) = coeficientes del drenaje para las capas de base y sub-base, respectivamente (ver Sección 2.4.1.).
La ecuación NE no tiene una solución única; es decir, hay muchas combinaciones de espesores de capas que son soluciones satisfactorias. El eSFesor de las capas de un pavimento flexible, debería ser redondea¿o a la ~/~ pulgada. Cuando se seleccionan valores apropiados para los espesores de capa, es necesario considerar su efectividad de costo, jU:1to con [as restricciones de construcción y mantenimiento, a fin de evitar la posibilidad de producir un diseño impracticable. Desde una perspectiva de costo efectivo, si la relación de costos de la capa 1 a la capa 2 es menor que la relación cor,es¡:oncii=:-.:e ó! ¡;úmero de \'eces coeficiem~ de c~oa ~ coeficiente de drenaje, luego
- ..... " .. . . ' . '-, . '
------------ ----_ .. _---- ..
GUlA AASF-iTO 1993 PARA EL DISc~O DE ESmUCTURAS DE PAViMENTOS
el diseño económico óptimo es uno donde se usa el mínimo espesor de base. Desde que es g-eneralmente impráctico y anti-económico poner capas de superficie, base o sub-base de menos de un espesor mínimo, se dán los siguientes espesores mínimos prácticos para cada capa de pavimento:
Espesores mínimos (pulgadas)
Concreto Base Trafico, ESAL's Asfáltico de Agregados
menos de 50,000 l. ° (o tratamiento 4 superficial)
\
50,001-150,000 ·2.0 4 150,001-5000,000 2.5 4 500,001-2,000,000 3.0 6 2,000,001-7,000,000 3.5 6 mayor que 7,000,000 4.0 6
Debido a que tales mínimos dependen en· alguna medida de las prácticas y condiciones locales, es posible que las agencias de diseño individuales, pueden encontrar deseable modificarlos para su propio uso.
Las Agencias individuales deberían también establecer los espesores efectivos y los coeficientes de capa, de los tratamientos superficiales simple y doble. El espesor de la capa de tratamiento superficial puede ser despreciable en el cálculo del N"E, pero · sus efectos en las propiedades de la base y sUD-base ~uede ser mayores, debido a la reducción. en la entrada de agua superficial.
3.1.5 Analisis Del Diseño por Capas
D~bería reconocerse que, para pavimentos .t1exibles , la estructura es un sistema estratificado y debería ser diseñada consecuen~ememe. La estructura debería ser diseñada de acuerdo con los principios mostrados en la Figura 3.2. Primero se debería calcular el número estructural requerido sobre el sueto de fundación. De la misma manera, se debería calcular el número estructural requerido sobre las capa de sub-base y base, usando los valores de resistencia a~licables para cac:a una de ellas. Trabajando con las diferencias entre ios números estructurales ca!c:.!!c.dcs req;,:e::dos sobre cada capa, se puede determinar el má.-x:ir:::1o espesor perr:risible ce cc::.lquie:- ca9<l.. Por ejemplo, el máximo número estructural permisible para el material de sub-base debería ser igual al número estructural· rec:uerido sobre la sub-base restado ¿el nlli-nero estructt::ai requerido sobre el suelo de fundación. De manera similar se pueden detenninar íos números estructurales de las otras capas. Los espesores de las capas respectivas se pueden
" • ' 0 f -" _ ..,
Q;:telirilrIar como se mG.lca en !a tlg'..!ra .J.':'.
• I
t t , •
• I
1 •
--- - -------
SN 3
1) a, O, in Y SN
2) Un asterisco el cual debe
NOTA: SN=NE
. SN
I . :Capa . a • . a o
. .
GUIA AASf-ITO 1993 PARA EL DiSEÑO DE ESTI'.DCTl:.fRAS DE PA '/TlVIENTOS
. . Sucerficial
. "-.. . . . . • '" . o . Q . SN 2 •
Í'", . • "Caca de Base o a • <::)
o .. o . • . Q # o <:> . . oC! 0° o a o <:> """ .., ..;> 0.'"
C> D o Subbase ° _ ,. r-°0 4 CI 1,,::::1 o
.00 °00 c..o <> c..¿ c..- u -c:: • 4:» el
Subrasante 0.
O" ::-SN1
1 --- _5.-.
al
SN"1 = a 1D"1 > SN 1
O" > 2
S~2 _ sw,
representan los valores mínimos requeridós
junto a D o a SN, indica el valor actualmente usado ser igual o mayor al valor requerido.
r· ...., ., !' 19ura .:J._. Procedimiento para Determinar los Espesores de Capas usando una
Aproximación de Análisis por Capas
"-:'--.. ,...:
GUlA AASHTO 1993 PARA EL orsEÑo DEESTRUCTURASDE?AV~OS
_Se debe reconocer que este procedimiento no debería ser aplicado a determinar el NE requerido encima de materiales de sub-base o base, con uri módulo superior a 40,000psi. En tales casos, se deben establecer los espesores de capa de los materiales colocados sobre el módulo de capa "alto", en base a consideraciones de efectividad en el costo y espesores prácticos mímimos.
3.2. DISEÑO DE PA VTh1ENTOS RIGIDOS
Esta sección describe el diseño para pavimentos de concreto de cemento protland incluyendo a los de concreto simple con juntas (eSJ), a los de. concreto reforzado con juntas (CRJ) y a los de concreto con refuerzo contínuo (CRC). Como en el caso del diseño de pavimentos flexibles, se aswne que estos pavimentos soportaran niveles de tráfico en exceso de 50,000 ESAL de 18 kips, durante el periodo de funcionamiento. En el Apéndice L se presenta un ejemplo de aplicación ·del procedimiento de diseño del pavimento rígido.
El procedimiento de diseño AASHTO está basado en el algoritmo de funcionamiento de pavimentos de la Carretera Experimantal AASHO. Inherente al uso del procedimiento· es el uso de pasadores lisos en las juntas transversales. En consecuencia, el escalonamiento en la junta no fue una manifestación de daño en la Carretera Experimental. S~ el proyectista desea considerar juntas sin pasadores lisos, puede desarrollar un factor-J apropiado (ver Sección 2.4.2, "Transferencia de Cargas") o verificar su diseño con el procedimiento de otra agencia, tal como el procedimiento de la PCA (9).
3.2.1. Desarrollo del IVIódulo Efectivo de Reacción de la Subrasante
Antes de usar la carta de diseño para la determinación del espesor de diseño de la losa, es necesario estimar los posibles niveles del soporte de la losa que puede ser provistos. E.sto se c012srgue usando la Tabla 3.2. y las Figuras 3.3,3'-+.3.5 Y 3.6, para desarrollar Ui1
módulo efectivo de reacción de la sub rasante. Un ejemplo de este proceso se demuestra en la Tabla 3.3.
Des¿e que el valor efectivo k depende de diferemes factores, además ¿el módulo resilie:::e ¿el suelo de fundación, el primer paso es identificar las combinaciones (o niveles) que van a ser considerados e introducirlos en el encabezamiento de la Tabla 3.2.
50
(1) T~~cs de sub-base-Diferentes tipos de sub-base tienen diferentes resÍste;¡cias o valores de módULOS. La consideración de un tipo de sub-base en la estimación de ULl valor k efectivo, proporciona una base para la evaluación de la efectividad de su costo como parte del proceso de diseño.
• • • • • • t
• •• • •
•
Tabla 3.2
GulA AASh-rO 1993 PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PA vnvlENTOS
Tabla para Estimar el ~Iódulo de Reacción Efectivo de la Sub-rasante
Süb-base de Prueba: Tipo (~) Profundidad hasta la cimentación rígida (m) ,'4 j Espesor (plg) Espesor Proyectado de Losa (plg) Pérdida de Soporte, LS (3)
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
iVIes iVlódulo del Módulo Valor k Valor k Daño Suelo de de.1a Compuesto sobre una Relativo Fundación Sub-base (pci) cimentación UI"
l\1:R (psi) (Fig.3.3) rígid~ (Fig. 3.4) (Fig.3.5)
Enero
Febrero
Marzo
Abril -
lvfayo ¡ I I
Junio I I I
Julio ¡ - . I I I I ,
I
Agosto I I l . I j I I
Seto I I I I I
I Oct. I I
I I ·Nov. I - - I .. I :. .. . .
I I - ,
I Dic. I I
I I Su.rnatoria LUr = I
r
Promedio: u!" = =----n
:,.,[óduio Efecrivo de ReaccÍón de la Sub-rasante, k (~ci)= Corregido por Pérdida de Soporte: k (pci) = __ _
51
Eiemolo:
Osa = 6 pulgadas Esa = 20,000 psi MR = 7,000 psi
Solución:.' ka: = 400 pci
::
GUlA AAS¡"':¡O 1993 PARA EL OIS:::"'O DE ES1RCCTh"R.AS DE ?AV\l\l1E~IOS
,_, I1 II 11 .1. III . l. 1·11 I / 1,,1 1'" 1 r--~i',j,,";,\ .. r ·i · Ssp.,e?~-$.;r~'y',9.~?a.s~IOsa~pl~!··i' J' ~ · I·.I·. h·1 I ", . "{ .~·N~~
JCoo·'-:,.' ;9 ":s :'--· .. i4 .... ;·~i:··:..:.··IO 8 ..... ~ .. K': '1 " ~--l. 1 1 '1 / ,/ I··:j·: II! 1 1 1 ~''''':'I~ -.;;., "';·;1 · 1 l· .--'-1-.' *1:.:.., '· .. ,1·- l· l.;.·. :I-:·.~ ....... ,.+:.,:-.J .. ,,
Z000t-+-l 1 '1' /., -~ / /-- '1' "'1·::"'" ~ , /. 1 I / / :' .; / . .'/ :/ 3C00r--+-L 1 N--k':. -'" ~ 1 .. :: :1:·I:.l .. I:',]· 1·/ 1 . 1: ··,1···/ ·1 " sooo~ 1 / T-t-!- . 1---t--l 1"t-:, / .r / I ~ I('~e><i> 1 / / l·' 1 rooo ~ ¡--j--.j... -' 1 1---~ ¡--.... / ~ l' I , : 1".., o; 1 I j/ 1 ¡ 1 ¡ 1 ¡~m~ :-:-.. /N.~ ~:!., ! . ! I : I 1 rs:··~~<:J .. I 1 ! , / I I ~~:~ E+-I ~~ r--1-- t-----.l / f~ ""-¡ i i , I ¡ 1 i ".J' 1 : ¡ 1 i ; i : :
: :~~--- N .. N 1"" 1 ! ' ! 1 1 ! : 1" 1 1·. ·1 1 I ¡ / 1 1 1 I N-.t....---+-~ 1"'-1 ~I 1: 1 ¡ 1 1 1 1 1"" / / / 1 1 1 1 / 1 1 1 1 1 / 1 ~~~ ''-1''- , 1 I , I 1 1 , , I-J 1 1 / 1 1 1 I I • I~'-h ,"-.J~ 1"'- 1 1 I i 1 1 I 1 1 ¡"'J 1 1 1 ! ¡Módulo Resili~nte 1 ~'" 1 1 I I / 1 1 1 1 1 I"'J I / i ; del Suelo de l' "... '" " ' 1 '1 ' . I ,_. Fundación M (;J si) I 1 1"- ~ 1 1 i I I 1 / / 1 1 I"'-! ! I !! , " 7 " !! I ! , ",-'j ! , 1 1 ! , ! 1 I 1 1 / 1 J"'J ! ¡ I ¡ ! 1 1 I 1 I 1 ! I I ! I 1 ¡ 1 I ¡ ¡ 1 1 ! ¡ 1 I 1 I i j I\J
1:"" - .... Jo ¡gura .J • ..). Cart!l para Estimar los Modulas de Reacción de la Subrasante
Compuestos, 1<..:. Asumiendo un Espesor Semi-infinito de Subrasante. (Para propósitos Prácticos, se considera. un espesor semi-infinito al que es mayor de 3 m por debajo de la superficie de la 5ubrasar:te).
• • • • • • • • • •
• • • • • • • • •
, •
()~~ (
V, l.J
¡:i~u ra 3,,1.
o.~~,~ " ¡ ,
e-"", .~~
Módulo de Reacción de la Sub-rasante, ~ (pci) Asumiendo una profundidad Semi-in~nila de la sub-rasante
r-i ]---]- " I ' I - U I .. / 1 T-V _I _________ ~ o 1 __ ~o 100 ~oo /loo 1.400
"
P,I,llfI II1rJid?d de, ~llh-rasanl~ para una I V / ;1 - Lllllonlaclóll Hlglda, Dso (pies) - - - I 7 J 1 / 1
I-I-I-I-I--~I-I-f-~ - I / / v. .. _. __ 0'-'-'-1-1-1-, IV ' JII V _. __ ._o. __ ._._._,_t I -l-Ii/// I I
-'-'---'-I-I-I-,-f-rr-- - ~'- 7 ,V / ¡f I-I-I-I----I-I-I~-V~- I V / V /[7
_._--.-.--.-.-I~ 7 / l o 1- ¡ l/V / /V 700
t-f-t--'I-I-I i/ V / I / / IV l' /[7 JZ r~ v : lV V V 1--;; [7V ~~ I I 11 1/ / /
___ , ¿~ v? /V , ~ - -,7[7 / / / /V /ld
~~vv 1_/-)/10 '1 V IV / L / vl7 k1
--- l--~ : II-I/VV V t7 V V I~oo 1I // /' v ___ ~
,- -,- ---r- I I I 1 I I 1 1 liT I 1 I I
lOpoo 1:1,000 10,000 :' o ~ o
I MÓl1ulo He:iilitlnte dof Suelo de Fund?ción, MH (psi)
o ,J
:\00 1000 1:100
Módulo de Reacción de la Sub-rasante, k (pci) (Modificado para lomar en cuenta la presencia de una cimentación rígida cerca de la superficie)
2000 '
------.,
Ejemplo: MR:::: 4,000 psi Oso= 5 pies k..t ;::: 230 pci Solución: k = 300 pci
:; ': Cartil para 1\ 11lI1if1t'ar d Módulo de Reacción de la Sub-rasantc, COllsídcralHlo los cfcctos de \lila Cilllentación Rígida ccrca de la supcrfícic
(dentro de 3 111)
\'
0° me: ro> ~~ ,~ VI
ri~ ::lo ~;o VI~ 0-0 m? ' ti »/ <r:1
~Q 1 V1
o~· VIO
\'
Espesor Proyectado de Losa (pulgadas) la b
""-
r---
r--
1
t---
t---
14
, I /
12 ,
I 1 1
'10 ~ r--.L !
1 .·f 9
GUrA AASl-fTO 1993 PARA EL DIsEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS
, , , I I ! I
1 , , , , , ,
I 1 1 1 1
1 1 1
1 ~ / , I / ! I I 1 1 I 1 1 I I I I--¡-- 1 I 1 I
t-H-. 111 I , , , I 1 I I rr r----J 1 1 Tii
I
"
/ I 1-+--1
__ : , 1 1--
I 11 ...... ¡-.¡-. 4r 1
r-t-I "-
,
, , 1
1
1 1 /
"" I I 1 1 I
,~ 1
III·~·~
I ""-
r I ~ 1 T t-¡-. f-f-
I---r--- 8 t--t.
~r-
l°O!~~~i:~;¡~:~Ii~'~"~'/I'I~~~,~!,~~~~\~r-~~~'~II'~~'i!~~: ~ 7 ' , , r-... 1 'l'--, 1 ............ 1 I I 11 1
,~ " l' 1_ ,~'" " 1 1 ,-- l' ,,_ 1 ........ 1'" "1
1 1 I I"-¡';"JII '.......... ,1 "'}::
:-¡gu ra 3.5.
I 6 / 1 1 1 I I ~ I / '"""-i... 1 I 1 N., I 1 " I----:::~-+-,..-,I- '1 I I 1 .............. I , . ,"'-.l. 1 '" 1 t'-.. 1
I I-~ I I / I I/! 1............. /,. I "" I 1 Ti-+-- I 1 111· I ~ I . I l· l' ~
'Espe~( ~(Q~ect~d~ I I ·1 TH-+k I 1 I'--l ·1 1 1 1 ~ I " de lat:,?sa(plg) r 1 1'1 11 ~ I 1 1 l"til 111 I ~ I
I------i-----<I / r I J / /1 /'~ 1 ; 1// tillll . . ~ -I 1·'1 .- - ~·I:·:· ~I 1·1 JI// I ~-' .. ,. ~~~~ .. l· II 111K I
. .. . . - . . , . . I : : : ' !,:: : ': . ' ' . : . : ; . : : i 1 I
I I I I I I I I I I 1 1 ' I I I I I I 11', 1, I I I I I I I
I I j I I I I I 1I I 1: 1 I I ¡ 1I I I
I . I I I I I , I I II II I111 I 1: I I I 11 I ! 11,," I1I I
~ • - I ••••.•. ! I I I 1 1 1 I 1 I ~ W_U.! ... ~- _._:- ;-; .+ ... ~ .. y : ; r: ~. 71 -----1 ~~ ~-+---r---+-f: ~~ + t{Titd--·-···~~_·-¡--··-i -, ,-- -+HHTTtti-Rk 1
5 1 I 1 1 / I 1 1 / 1 /, 1I , I i 1 I 1 1 1/ 1 1 11 1 11 // " / 1 I 1 I 1 1 1 I 1 i 1 111 I 1 1 í 1 1 1 1 1 ti 1 1 I1 11 l' "\ I 1 1 1 1 11 11I 1 1I1I 1 1 ¡ 11" I11I1 /1 \ 1
I 1 i 1 i 1 i 111 111111 : 1, I ¡, !l11111/1/1 '\
l' ¡ 1 11111 II.l./111 i 1 I! III!/! Illillll 1\ ¡ 1 I 1 1 11 1 1II '1111 1 1 ! 1 1 I 11 11 111111 1 \
! 1 I 1 I /111 1 1//11 I 1 ¡ 1 1 1 11/11 ¡ 1 ¡ I i 1// I
I I ! ! I ¡ 11 , 11 j 11, 1//1 I I : I 11 11 1/ i 5~~; I~ ! 111 I ,
50 ICO
ValCí Compt!esto ce ~< (;:c:)
Carta para Estimar el Daño Relatívo a Pavimentos Rígidos Basada en el Espesor de Losa y Soporte de la Subr!lsante
- , ) ...
• • • ti
• ti ti
41 ti
• : ,
• • • ,._.1
• • • •
GiJ1A AASI-ITO 1993 r;:..R,A EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS
500 r----+--r-+-r++++r----~~-+~~+H----~~--r.V~rrrH----/~
V / / V
cÜ'ál ~5 en o.. ro o '- en ..6<ll ~= L ~ro 1 ,
~g . VIL
/,
v
~ 2 50 1---=---+--I--f-+-IH-f-H---+--f--h1' V~++++-7L..-/-t--+--I-rorq-¡-t+---i ~~ V V ~ ~ - - l,¿ 11' .- V IL ~ t .. / "1 b0. ~ I V / I LV ~ i - ,,~~7 9" ..... ~' lliIr111o. V
V
w = , ~ ., . , ~ I J,,/' _o o~ i o r::=~f=+::::4=+=+=++~=- " ""-- L.... ..... r- I lit. I ' I 1"\ ~ I I lit J ¡ l' '1' , ,
I . V"
_"ª t:: 1 . 1 1 1/1 9" ¡.. 1 " 1 1 L. 1 1 1 1 1 <) O r---~':---+I -+, ----+1 "'-'l¡"-;""'./l:f'+-, Ir-/-r- c;¡ , 1 ; 1.L::f !,!, , , , , 1 ~ ~ I ! I I 1 1/1 1 I 1/ \... ~ e I¿; I 1 I i 1 l' I I : 1 !
1 I ILtllY ~_. ~. 1I1I I 1 IIIIII! 5
Figura 3.6.
! I 1./1 1)11 ./. I '--s 1 I ¡ /11 1 J 1 ¡ I I ¡ jo/
IL 111 J,.r,v .) 1 1 1 I 11 1 1 11
5 10 50 iCO sco 1000
Módulo Erectivo de Reacción de la Sucrasar.:e, k (pci)
Corrección del ~lódulo de Reacción Efectiyo de la Subrasante para Pérdida Potencial de Soporte de la Sub-base (6)
55
2CCO
Gü!A AASHTO 1993 PA.RA EL DrSEÑO DE ESTRUC1UR.AS DE PAVIMENTOS
Tabla 3.3. Ejemplo de Aplicación del lVIétodo para Estimar el 1YIódulo de Reacción Efectivo de la Sub-rasante
SuD-base de Prueba: Tipo Granular Profundidad hasta la cimentación rígida (m) ~1..:.=.5,--_
56
Espesor (plg) _6_ Espesor Proyectado de Losa (plg) __ ..::..9 ___ _ Pérdida de Soporte, LS ----'l~.O~ __
(1) (2) (3) (4) (5) (6)
Mes iVlódulo del lVIódulo Valor k Valor k Daño Suelo de deja Compuesto sobre una RelatÍvo Fundación Sub-base (pci) Cimentación Ur
i\1R (psi) ESB (psi) (Fig.3.3) Rígida'.(Fig. 3.4) (Fig.3.5)
Enero 20.000 50.000 1.100 1.350 0.35 I
Febrero 20.000 I 50.000 1.100 1 350 0.35 I
Marzo 2.500 15000· '160 230 0.86
Abril 4.000 I 15.000 ?30 300 0.78 1 1
Mayo 4.000 I 15.000 230 300 I 0.78 I I
Junio 7.000 20.000 I 410 1 540· 0.60 .. I
_. 1
Julio 7.000 I I -
20.000 410 540 0.60 - - I
Agosto I 7.000 I 20.000 ¡ 410 I 540 1 0.60 -:. I ,
Set. 7.000 1 20.000 410 540 I 0.60 I
Oct. 17.000 I 20.000 410 540 ¡ 0.60 . ! ! i 1 1
Nov. 14.000 I 15.000 1 410 I
540 1 0.78 . I I , I
Dic. 110.000 I 50.000 I 230 300 I 0.35 I
SUIT!2.:cna ~U:- = 7.25
I: u:- 7.25 Promedio: u~ = =--- = 0.50
n 12 Módulo Efectivo de Reacción de la Sub-rasante, k (pci)= Corregi¿o ¡:or Pérdida d.e Sopor::c: k (pci) =
'.lQ
¡70
56
I I I
4 t t
• • • t t ti t
• t , • • 41 41 41
• •
• • •
•
•. -•
• GUlA AAsmo 1993 PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS
(2) Espesor de la sub-base(pulgadas)-También se deben identificar potenciales espesores de diseño para cada tipo de sub-base, considerando la efectividad de su costo.
(3) Perdida de soporte, PS-Este factor, cuantificado en la Sección 2.4.3 se usa para corregir el valor k efectivo, basado en la erosión potencial del material de subbase.
(4) La profundidad de la fundación rígida-Si el basamento rocoso cae dentro de 3 m de la superficie de la sub-rasante, en cualquier longitud significativa a lo l8fgo del proyecto, se debe considerar su efecto sobre el valor total de k en conjunto para ese segmento.
Para cada combinación de estos factores a ser evaluados, es nec'esario preparar una tabla separada y desarrollar un correspondiente módulo efectivo de reacción de la sub-rasante.
El segundo paso del proceso es identificar los valores de los módulos resilentes estacionales de los suelos de fundación (a partir de la Sección 2.3.1) e ingresarlos en la Columna 2, de cada tabla. Como se dijo anteriormente, si la duración de la.estación más pequeña, es medio mes, entonces todas las estaciones deben definirse en términos de intervalos de tiempos de 12 meses consecutivos en la tabla. (Se usan los mismos valores de los módul9s resilentes estacionales del suelo de fundación usados en el ejemplo presentado en la Tabla 3.3).
El tercer paso en la estimación del valor k efectivo es asignar los valores de los módulos elásticos (resilentes) de sub-base (Esa) para cada estación. Estos valores, que fueron discutidos en la Sección 2.3·.3, deben ser ingresados en la Columna 3 de la Tabla 3.2. y deberían corresponder a aquellos para los que las estaciones usadas desarrollen los valores- de los módulos resilentes del suelo de fundación. Para. aquellos tipos de material de sub-base que no son sensitivos a la estación (por ejemplo, material tratado con eemento), se debe asignar un valor constante del módulo de sub-base para cada estación. Para aquellos materiales. no ligados que son sensitivos a la estación pero no füeron probados para condiciones extremas, pueden usarse valores de Esa de 50,000 psi y 15,000 psi para los periodos de congelamiento y descongelamiento de primavera, respectivamente. Para materiales no ligados, la relación del módulo resilente de la subbase al del suelo de fundación no deberá exceder de 4 para. prey.eni~ ur;a condición artificial. ... . ...
El cuarto paso consiste en estimar el módulo compuesto de reacción de la sub-rasante para cada estación, asumiendo una profundidad semi-infinita de sub-rasante (es decir, profundidad hasta el basamento rocoso mayor de 3 m) e ingresarlo en la Columna 4. Esto se consigue con ayuda de la Figura 3.3. Note que el punto de inicio en esta carta es el espesor de la sub-base, Dsa. Si la losa se coloca directamente sobre la sub-rasante (es decir, sin sub-base), se defin;;: al módulo compuesto de reacción de la sub-rasante utilizando la siguiente relación teórica entre los valores de k obtenidos de un ensayo de placa,! el módulo e[¿sLlco del suelo de fundación:
k= MRl19.4
~OTA : Ei1 el .-\péndice f-rri de~ Volúmen 2, se descíibe el des8.::-ollo de esta re!~ción.
57
GUIA AASHTO 199J PARA EL DiSEÑO OEESTRUCTURASOE?AVL~OS
El quinto paso consiste en desarrollar un valo'r de k, que incluya el efecto de una cim~ntación rígida cerca de la superficie. Este paso debería ser obviado si la profundidad hasta una cimentación rígida es mayor de 3 m. La Figura 3.4 proporciona la carta que se puede usar para estimar este valor modificado de k para cada estación. Considera el módulo resilente del suelo de fundación y el módulo compuesto de reacción de la subrasante, así corno la profundidad hasta la cimentación rígida. Los valores para cada valor de k modificado deberían ser consecu~ntemente registrados en la Columna 5 de la Tabla 3.2.
El sexto pass> en el proceso consiste en la estimación del espesor requerido de la losa y luego el uso de la Figura 3.5 . para determinar el daño relativo, Ur, en cada estación e ingresarlos en la Columna 6 de la Tabla 3.2.
El septimo paso consiste en sumar todos los valores de Ur (<::olumna 6) y dividir el total entre de incrementos estacionales (12 ó 24) para determinar el daño relativo promedio U:-. El módulo efectivo de reacción de la sub-rasante es luego, el valor correspondiente al daño relativo promedio (y espesor proyectado de losa) en la Figura 3.5
El octavo y último paso en el proceso consiste en ajustar el módulo efectivo de reacción de la sub-rasante para tomar en cuenta la pérdida potencial de soporte debido a la erosión de la sub-base. La Figura 3.6 proporciona la carta para corregir el módulo efectivo de reacción de la sub-rasante, en base a la pédida del factor de soporte, FS, dete'rrninado eJlla Sección 2.4.3. El la Tabla 3.2 se proporciona un espacio para registrar este valor fInal del k de diseño.
3.2.2 Determinación del espesor de Losa Requerido
. La Figura 3.7 (en dos segmentos) presenta el nomo~ama usa~o para determinar el espesor de losa para cada valor k efectivo identificado en la sección previa. El diseñador puede luego seleccionar la combinación óptima de espesores de losa y sub-base b~¡:.do en requerimientos económicos y otras políticas de la agencia. Generalmente, el espesor de capa se redondea a la pulgada mas cercana, pero el uso de pavimentadoras de encofrados deslizantes puede permitir incrementos de Yz". Además del valor k de diseño, se iequieren otros datos de entrada en este nomograrna de diseño de pavimentos rigido.s, . Los que incluyen;
(1) el tráfico futuro estimado, W l3 (Sección 2.1.2) durante el período de fi.m·cionamiento,
(2) la confiabilidad, R (Sección 2.1.3), (3) la desviación estandar total, So (Sección 2.1.3), (-l-) la ~érdi¿a de la serviciabilidad de dise::o , u PSI = Pi - P: (Sección 2.2.1), (5) el módulo elástico del concreto, Ec (Sección 2.3.3), (ó) el módulo de rotura del concreto, S'c (Sección 2 . 3.~), (7) el coeficiente de transferencia de carga, J (Sección 2.4 .2) y (8) el coeficiente de drenaje, Cú (Sección 2.4.1)
58
~ • • • ~ • • • • • • • • •
er.
v. -o
SOLUCION 011 NOMOGHAMA lo:). r~ PSI 1 ~o[ •. 5 - 1.5 J
10<J1UWill ~ ZIl"!;()·t 'l.JS'!OC)lOIDll) - 0.06 + -------'--;---1 t (~.22-o.J2Pt).1~10 1.624*107 .
S~ • Cd GO.75 - 1.132J
2l5.63'J fon.75 _ 16.42 1 1 ·t --'-X« (DI1) •
M.).lulo [lit~Uco dol Concrolo" fe (106 pd) ',--,
--.I---I----t---f~Y"'7""__i
---'_1_1_--1_1--1 l' r'l' 1'0 ', ... ·,·· ... ·'-.-1',-\ TT!l'..,.-.-I--.--1
UOO 500 100
Módulo Efectivo de Reacción de la Sub-rasante, k (pci)
so :()
1200
1100
1000 -
r 'Oll
eoo
100 I
'00
'00
lI'l
.s u
(f)
~.
0" . dí .... u e o O
: ~ (O
2 o .0::
ID -o o U ID ,~
1-.. o ~
TL
L (Ec!k)O.3J
1.' ""O
3.3
~ .o
1.)
:u
. Elemplo:.
k- 72 pel
ID ro ·~·13 -,
ID e
~ ~ g. 'ü't;¡ «l U::: cu ~~d)
.01--0
. 6 Ee :; 5 lt 10 pli
Sic;; 6~0 psi
J = 3.2
Cd : 1.0
TL
"O
U
~ ID 1.3 'ffi' ~ 1.1
.0 ID -o d) 'E .~, o.
"" :g o
O
10
2
:J E' 3. E 4)
Q) 'O ro 4) c:
::::¡
~~~ 70
J' 00
90
100
So :; 0.29
R ;; 9~ % ('ZI\:; - 1.645)
6 PSI: .... 2 - 2.~ :; 1.7
Wia z ~.I ·lt 106' (t8 kip [SAL)
Solutiool 0:10.0 plgs (la media pulgada mas cercana del segmento 2)
Fil\lIra J.7. Cllrt;¡ lIc.Discí\o panl l'avilllClltus Itigillos,l>asada cilios Vlllorcs Medios dc clIda Variable (Scgmcnto 1)
0° {TIC: {TI:;: VI> ;;b c: VI
Q?i ~:: ~~ 0"0
~~ < In
@.~ .:¡m OOZ· VIO
:.
o
JO
zo
JO
.0
!Xl
'O
10
la
~
100 --l
E <'5 c.. s= ¿; o
"O
Espesores de lesa de"Oiseño. O (plgs)
GUlA AASHTO 1993 PARA EL DISS'<O DE ESTI.:':CTURAS DE ?A vl~.(ENíOS
VV [7 V [71/1/ . VVVVI/ /f "
Aplicaciones Estimadas Tot~es de Cargas por Eje Simple Equivalente a 18 kips(ESAl), 'Nla (malones) ""
['" '1' , ,"" 1 I " 1"") , I 1"" l' , '."""'"J'TT'M'1 IO<X) 500 lOO!oO 10 la -' ·",I"~
NOTA: La aplicacién ée la ronfiabilidad en esta carta ,eqt!ie~eel uso ée vale res medios para teCas ¡as variab!es de ir:greso
------------------~-------------------------TL
Figura 3.7. Continuación-Carta de Diseño para Pavimentos Rígidos, Basada en el [50 de Valores .:'rledios para cada Variable dc Entrada (S~gr.1~nto 2)
I
t • ~ • t t t 41 41
•
• ,
• • • •
•
• ~
I
!
GUrA AASI-ITO 1993 rARA EL DISEÑo DE ESTRUCTURAS DE ?AVl}"íE~IOS - .
3.2.3 Construcción por Etapas
La experiencia en algunos estados ha mostrado que puede haber un período de funcionamiento má.ximo práctico (Sección 2.1.1) asociado con un pavimento rigido dado, el cual está sujeto a algún nivel significativo de tráfico de camiones. Para considerar periodos de análisis mayores que este periodo má.ximo de funcionamiento esperado, o para considerar costos' durante la vida de servicio mas rigurosos de diseños de pavimentos rígidos que son inicialmente mas delgados, es necesario considerar la construcción por etapas (rehabilitación planificada) en el proceso de diseño. Es también importante reconocer la necesidad de componer la ' confiabilidad para cada etapa individual de la estrategia. Por· ejempo, si ambas etapas de una estrategia de dos etapas (un pavimento inicial de CCP con una sobrecapa) tiene una confiabilidad de 90 por ciento, la confiabilidad total del diseño debería ser de 0:9 x 0.9 ó de 81 por ciento.Inversamente, si se desea una confiabilidad total de 95 por ciento, la confiabilidad individual para cada etapa debe ser de (0.95)~ ó de 97.5 por ciento.
Para evaluar las etapas secundarias de las alternativas de construcción por etapas, el usuario deberá referirse a la Parte lIT de esta Guía, la que trata sobre el diseño para la rehabilitación de pavimentos. Esta parte no solamente proporciona un procedimiento para el diseño de sobrecapas, sino que además proporciona criterios para la aplicación de otros' métodos de rehabilitación que, se pueden usar para inérementar la serviciabilidad y para extender'la capacidad de carga del pavimento. El ejemplo de diseño en el Apéndice L proporciona una ilustración de la aplicación del enfoque de la construcción por etapas utilizando el planeamiento de una sobrecapa futura.
3.2.4 Hinchamiento del Suelo de Cimentación y Levantamiento por Heladas
-La aproximación para considerar los efectos del hinchamiento y el levantamiento por heladas en el diseño de pavimentos rígidos, es casi identico al de los pavimentos flexibles (Sección 3.1.3). Así que, algo de esa discusión se volverá a repetir.
El hinchamiento del suelo de cimentación y el levantamiento por helada son dos factores ambientales de importancia debido a su efecto potencial en la tasa de pérdida de serviciabilidad. El hinchamiento se refiere a los cambios de volumen localizados que ocurren. en los suelos de cimentación expansivos, cuando ellos absorben humedad. Un sistema de drenaje puede ser efectivo en minimizar -el- . hinchamiento del suelo de cimentación, si reduce la disponibilidad de la humedad a ser absorbida.
El lévantamiento del suelo por helada, tal como lo trataremos aquí, se refiere a cambios de volumen localizados que ocurren en el suelo de cimentación del pavimento cuando se acumula la humedad, congelándose en lentes de hielo, y produciendo distorsiones en la superficie del pavimento. De manera semejante al hinchamiento, los efectos ceo ido ai levantamiento por ta congelación del suelo 9ueden ser disminuidos, al ~LUpor,:; ·~¿:a.seie algún tipo Ce sistema de drenaje. ?robable:::eme, una r7'!e¿i¿a mucho más efectiva, sea la de proporcionar una capa gruesa de material no susceptible al cong~lamiento por heladas, suficienre para aislar el suelo de cimemación de la penetíación de la helada. Esto no solamente protege contra la helada, sino que además
óQ
:.
6\
GUlA AASf-tTO 1993 I'~ SL D[SEÑO DE ESiRUC.lVRAS DE ?AVh'v{ENTOS
reduce significativamente y aún elimina los ablandamientos por deshielo que pueden ocurrir en el suelo de cimentación durante el inicio de la primavera.
- Si se consideran a los hinchamientos o levantamientos por heladaoen términos de sus efectos sobore ola pérdida de serviciabilidad y la necesidad de sobrecapas futuras, entonces debe aplicarse el sigl,liente procedimiento. Esto requiere elaborar una curva en la que se represente laoopérdida de serviciabilidad en uno de los ejes versus el tiempo en el otro, tal como ha sido desarrollado en la Sección 2.1.4.
El procedimiento para considerar la pérdida de serviciabilidad debida a factores ambientales -es °similar al tratamiento de las estrategias de la construcción por etapas, debido al planeamiento de las necesidades futuras para rehabilitación. En la construcción por etapas, se selecciona o un espesor inicial de losa CCP y se determina el correspondiente período de funcionamiento (vida de servicio)., Luego se identifica una sobrecapa (o series de sobrecapas) que ampliarán los períodos de funcionamiento, sobrepasando los períodos de análisis deseados. La iliferencia en el enfoque de la construcción por etapas, cuandQ.se consideran el hinchamiento y/o el levantamiento por heladas, es que se requiere un: proceso iterativo para determinar la duración del período de funcionamiento para cada etapa de la estrategia. El objetivo de este proceso iterativo es el de determinar, en que momento la pérdida de serviciabilidad combinada debida al tráfico y al medio ambiente alcanza su nivel terminal. Este proceso se describe con la ayuda de la Tabla 3.4.
Paso 1: seleccione un espesor apropiado de losa para el pavimento inicial. Debido al relativamente pequeño efecto que tiene el espesor de la losa en mirumÍZar los hinchamientos y levantamientos por helada, el máximo espesor inicial recomendado es el derivado de la suposición de la inexistencia de hinchamientos y levantamientos por r.elaca. Réfiriéndonos al problema del ejemplo ~reser:!ado en la· Figura 3.7, el máxlr7lo espesor de losa posible es de 9.5 pulgadas. Cualquier espesor práctico de losa menor a este valor puede ser apropiado para las condiciones de hinchamiento o levantamien~o por helada, siempre que no altere el período mínimo del funcionamiento (Sección 2.1.1).
Es importante notar aquí que para este ejemplo es deseable una confiabilidad total del 90 por ciento. Ya que se espera que sea necesaria una sobrecapa para alcanzar el periodo de análisis de 20 años, la confiabilidad individual que deb~. _de usarse-para el (~ise.fio t'::oi1to del" pavimento inicial, así como de la sobrecapa es 0.90'/: Ó 95 por eiento. o'
Paso 2: Seleccione un periodo de funcionamiento de prueba que podría esperarse bajo las condiciones de hinchamiento/levantamiento por helada anticipadas e ingresarlo en la Columna 2. Este número debe ser mer:or qt;e el máximo periodo de fu..."lc~cnaIniento cosible corresDondiente al es¡:;esor inicialmente se!;!cclonado al ;Jrlr:cip:o de! ?roc~dimiento. E~ general, c:.la'r:¿o ~ayor es la pérdida de serv·iciabilidad debida. a factores 2.moie:1tales, menor es el periodo ce f~"1cionamiento .
Pqso 3: utilizando el gráfico de pérdida de serviciabilidad acumulada debido a factores ar.:tie:1tales versus el tiempo desarrollado en la. Sección 2.1A (se usa la FiQ:t:.ra , ~
1.2 ca!"í:O Ul1 ejerr:plo), estímese la correspondier:te ¡::erc::¿a de serviciabi!idad total
61
\
~
• • t
•
• • • • •• • •
• • • •
I •
I
:: GUIA A.t\:)¡ [TU 1993 PARA EL DISEÑO DE ESTRCc:n...'RAS DE ?A vrMEmOS
debida a factores ambientares, por hinchamiento y levantamiento por helada (ÓPSIH•Lc )
que puede esperarse para el período de prueba del paso 2 e ingresarlo en la Columna 3.
Tabla 3.4. Ejemplo del Proceso Usado Para Predecir el Período de Funcionamiento de una Estructura Inicial de Pavimento Rígido, Considerando Hinchamiento y/o Levantamiento Por Congelamiento.
Espesor de Losa (pulgadas) --------lHáximo Período Posible de Funcionamiento (años) ----Pérdida de Serviciabilidad de Diseño, óPSI = Pi - pt=-------
(1) (2) (3) (4) (5) (6) Iteración Período de Pérdida Total de Pérdida de\ Tráfico Período N°
1 2 .., -'
Funcionam. de Prueba
Columna N°
2 3
4
5
6
14.0 11.8 11.0
Serviciabilidad Serviciabilidad Acumulado de Funcio-debido a Hincha- correspondiente Permisible namiento miento y Levanta- debido al tráfico (ESALde correspon-miento por Conge- ilPSITR 18 kip) diente (años) lación, ilPSIH.Lc
0.75 0.69 0.67
0.95 1.01 1.03
3.1 X 106
3.3 X 106
3.4 X 106
Descripción de 105 Procedimientos
Estimado por el diseñador (paso 2 -Se determina la pérdida total de serviciabilidad debido a hinchamiento y levantamiento por congelación usando el valor estimado de'ta Columna 2 con la Figura 2.2. .. Restar la pérdida de serviciabilidad. ambiental (Columna 3) de la pérdioda de serviciabilidad total de diseño para determinar la pérdida de serviciabilidad correspondiente debido al tráfico . . DetemUnada de la Figura 3.5, manteniendo todos los datos de ingreso constantes (excepto para el uso de la pérdida. de se;"iciabilidad del tráfico de la Columna 4) y- aplicando la carta en sentido inverso (Paso 5).
9.6 10.2 lOA
Estimar el periodo de funcionamiento neíO de la Figura 2.1 (Paso ~ .. --6), usando el tr¿ñco de la Colu..rnna 5. ,,--
/r
Paso 4: Reste esta pérdida de serviciabilidad estiffia¿a (paso 3) 5e la perdida de servidaoiiidad total deseada (4.2 - 2.5 = i. 7) usada en el ejemplo paCa es.ablecerse la corres~or:óente pérdida de serviciabilicad debido al trafico de vehi<;.Ulos. fngrésese en la columna 4. .'
/ . .-: D.PSf.!·~ = ~PS[ - ~psr;-u_.c
62
• • • ~ . _ • • ..J_ ~ -__ ._ .. ---=-':0._. ~ __ ~ .. _,~ . .,. ,
-----------------
(JUlA AASiilO 1'1",.; PAR:\ EL !)!SD;O DF. E:'\i'""'R.UCn .. 'RAS DE ?i\ vI:>.t.S'<"T()$
Paso 5: US{! la figur:t 3.7 para es-rimar el tráfico ESAL de 1 S kips acumulado oermisiblc corresDondienc~ a líl oérdida de serviciabilidad. determinada en el DasO ...¡. e • • lo •
ingresada y tabulada en la columna 5. Nórese que es imporL2.me usar los mismos i1ive!es . . de confi:tbilidad, modulo efectivo de reacción de la sub-r?.sante, etc., cuando se apI lea' el dia.g:r:ama d~ .. dis~ño dd Píl ..... imento rigido para estimar el trañco vehicula:r permisible.
Pago 6: Estímese el año correspondiente bajo el cual el tráfico 1 S-kip de cSAL ílcumulado será a!canzadó··e ingrese en la columna 6, este vaier. . Esto debe de c.ompletarse c'on,'ia 'a~:üda" deI tráfico acumulado versus tiempo,' curvíl' desarrollada en la
. ._. - .. , --.-... .. . . . . , " ,. . .-seCClOn 2.1.2 (se usará la Figura 2.1. como ejemplo). '. - . .. _. . .. _ .. ... ...... . -." '-.
.. ~ .. " . . :7" Paso 7: ' ~ompárese el período de D.u:.cionarntento de prueba que se calculó en el paSo Ó. Si la diferencia ~s mayor que 1 año, calcúlese el promedio de los des y úsese corno el valor de ensavo corresoondiente al inicio de la sü::uÍente iteración (vuelva al '. -paso 2). Si la diferencia es mayor que. 1 año: .se canseguir:á una convergencia y se dice que el promedio es el periodo de funcionamiento pronosticado .~e la estrUc~ra .inici2.i de p2V'imento correspondiente al espesor de rosa de diseño Seleccionado. En el ejemplo, la convergencia se alcanzó [llego de 3 ücraciones y el ?eriodo de funci~")narn¡emo es de alrededor de 10.5 años.
L2.S bases de es¡e 'üroceso iterativo son exaC¡2.I!!ente 12.5 mÍsmJ.s Gue las qu::! se usen pa¡2. es"llmar el 'periodo de D.mcionL!.miento de cU.<!.lquié:r sobre::s..pa pos¡erior. Las ~-i-'c;~,,:T~ ... - r:,,;:-.:>-.~-f""':~"" ~n 11- .... '::2~';,....:'l-io"- -.>~~ SO"" (1) 1<> -'c"OC!'O!OCT;:;a C!. ~ ~;s"'':::o C!.~ :,1 • .1.. ... l~ f_ ...... .:> ..- ... __ :, _~ .l _;'~,J __ ..... _~!..::. _~1..1o __ '-"''' 1 1, ~-"-':'t ..... L '- L.:. ... ~ .:::J~- -~ ...... ~~ ....,
sObreCz.DéS c::-esc:l~ada eLl ia oarte III se usa G2.!n. e.s¡irnar :::1 F-eriodo de fUltc i or1c..rnie~~o G:! !i sobr~c::.;a7 v (2) c~ai~uier oérdida 'Dor hincha:nie~to v/o !ev?nramien.::o Dor
• ... J • _. ¡ ., lo
cangeiílción, pr~dicha d~spués de la· aplicación del recubrimie:.~o dece refnicic::.r y . ...; d . L - • f l' J ....."., Sf!gt:t...:S2cr:.::e :lVanz2.f ·esC!e ~ pun~o en el CUL!.. Si:! ca CCO .a SOOi:'e~<.:.:=<>.
, . . . ~ . . -
...
l'
fB/f
. . -l . --_ ..... ~-- _ . - . ~- .
" -:..,- : "'-;::7. '.-: .• ~
~
~
~
4 4 4 I
• I ;., 4
• 4 t
•• • • 4 4 4 4 41
·41
