Pavimentos

Libro de Texto : Referencias : Huang, Y. H.,2004. Pavement Analysis and Design, Prentice Hall. Referencias : AASHTO, 1986. Guide for Design of Pavement Structures, American Association of State Highway and Transportation Officials. Asphalt Institute. Thickness Design-Asphalt Pavement for Highways & Streets, Manual Series Nº1, Asphalt Institute. Yoder, E.J., 1979, Principles of Pavement Design, Wiley, New York. PCA,1984, Thickness Design for Concrete Highway and Street Pavements, Portland Cement Association. NCHRP.2004. Guide for Mechanistic-Empirical Design of New and Rehabilitates Pavement Structures. Reyes Lizcano, F.A.2003. Diseño Racional de Pavimentos, Centro Editorial Javeriano. Montejo Fonseca, A. 2001.Ingeniería de Pavimentos para Carreteras, 2da Edición, Universidad Católica de Colombia. Ullidtz P.1987. Pavement Analysis, Elservier. 2

1.0 Introducción al Diseño de Pavimentos

1.1 Conceptos Generales

“……..Si se da a dos diseñadores la tarea de diseñar un pavimento para una vida útil de 20 años, el primero puede considerar que hizo un buen diseño si no apareció ninguna grieta en 20 años, mientras que el segundo estará satisfecho si el último vehículo pudo circular el año 20 desde la construcción” AASHTO Test Report 5, 1962 Pavimentos-UNH 5

¿Qué es el pavimento? Estructura conformada por una o varias capas de materiales apoyados íntegramente sobre el terreno, se diseñan y construyen técnicamente con para materiales apropiados preparadas soportar las cargas repetidas del transito, en diferentes condiciones climáticas, sin agrietarse o deformarse excesivamente y con capacidad de transmitirlas a los suelos de sub--rasante y de fundación, sin provocar hundimientos o asentamientos excesivos, dentro de un rango de serviciabilidad y durante el periodo de tiempo para el cual fue diseñado la estructura del pavimento.

¿Qué es el diseño de pavimentos? proceso por el cual los componentes estructurales (carpeta, losa, base, sub base, subrasante) de un segmento de carretera son determinados tomando en consideración la naturaleza de la sub-rasante, las consideraciones ambientales, densidad y composición del tráfico, y las condiciones de mantenimiento. Considerando que el pavimento es la parte superior de una carretera, aeropuerto o zona de parqueo e incluye todas las capas que se apoyan en el suelo natural, incluidas las bermas.

¿Qué es el diseño de pavimentos? En forma resumida el diseño de la estructura del pavimento es: ESTABLECER ESPESORES Y RIGIDECES DE LOS MATERIALES PARA MANTENER LA VIA BAJO UN CIERTO NIVEL DE DETERIORO Y CONFORT

¿Cuáles son las fases del diseño de pavimentos? Estudio de la subrasante Selección de los materiales (tipos de pavimentos) Proporcionamiento de los materiales Estudio del tráfico Diseño de los espesores de cada capa Análisis del ciclo de vida (incluido mantenimiento y tipo de ejecución) Determinación de espesores finales

¿Cuáles son las funciones de la estructura de pavimento? Proporcionar a los usuarios circulación segura, confortable sin demoras excesivas. cómoda y Proporcionar a los vehículos acceso entre dos puntos bajo cualquier condición de clima. Reducir y distribuir la carga de tráfico para que esta no dañe la subrasante. Cumplir requerimientos medio ambientales y estéticos. Limitar el ruido y la contaminación del aire.

¿Qué requisitos debe cumplir una estructura de pavimento? (1) Suficiente espesor para que la intensidad de las cargas y presiones sea tolerable por la subrasante, sin deformaciones excesivas. Resistencia suficiente de los componentes para asumir los esfuerzos impuestos por el tráfico y el clima. Suficiente espesor para prevenir el efecto del congelamiento en subrasantes.

¿Qué requisitos debe cumplir una estructura de pavimento? (2) El material del pavimento debe ser impermeable a la penetración del agua superficial que pudiera debilitar la subrasante y consecuentemente el pavimento o en su defecto facilitar la circulación del agua disminuyendo su permanencia en la estructura. La superficie del pavimento debe ser resistente al deslizamiento.

Evolución del estado de los caminos

Los enemigos de la carretera

1.2 Desarrollo Histórico de los Pavimentos

Reseña Histórica Los romanos construyeron 84,000 km de vías empedradas elevadas del nivel de rasante apoyadas en una estructura de piedras grandes Los incas y preincas construyeron caminos peatonales de gran longitud con superficies de piedra y arena.

Reseña Histórica En Francia en el siglo XVII se construyeron vías de poco ancho con superficie de rodadura formada por piedras pequeñas, y arena En EEUU e Inglaterra en 1830 se emplea el asfalto y arena como protección de la carretera En Austria en 1850 se emplea por primera vez el pavimento rígido En 1900 aparecen los vehículos a motor con neumáticos

Reseña Histórica Pierre Trasaguet finales del siglo XVII, introduce el concepto de que el pavimento debe contar con un buen drenaje y que requiere un mantenimiento continuo. John McAdam (1756-1836), la subrasante con drenaje y adecuada compactacion debe soportar la carga mientras que la superficie de rodadura está conformada por piedra chancada de diferentes tamaños que actúa también como una capa de protección.

Reseña Histórica Comparación de estructuras de pavimento – Diseño de Macadam Romano

Reseña Histórica En 1941 en EEUU se efectúa el ensayo en pista de prueba de Maryland , donde se analiza el efecto de 4 configuraciones diferentes de pavimentos de concreto.

Reseña Histórica En 1955 en EEUU se lleva a cabo el ensayo en pista de prueba WASHO, donde se analiza el efecto de 4 configuraciones de ejes de carga en pavimentos flexibles.

La pista de prueba AASHO Reseña Histórica En 1962 se realiza en EEUU el ensayo en pista de prueba AASHO, en Ottawa Illinois, donde se desarrolla la relación entre el número de repeticiones de un determinado eje de carga de diferente magnitud y configuración y el comportamiento de diferentes secciones de pavimentos rígidos y flexibles. Costo $27 millones (1960 ). Concebido y auspiciado por la American Association of State Highway Officials (AASHO). 22

Pista de Pruebas AASHO Ubicación 1958 - 1961 AASHO Road Test Pista de Pruebas AASHO Ubicación 1958 - 1961

Pista de Pruebas AASHO - Etapas Construcción: Agosto 1956 - Septiembre 1958. Pruebas de Trafico: Octubre 1958 - Noviembre 1960. Estudios especiales: primavera y commienzos del verano 1961.

Pista de Pruebas AASHO Seis circuitos de prueba de dos carriles. AASHO Road Test Pista de Pruebas AASHO Seis circuitos de prueba de dos carriles. Circuito 1: No sujeto a trafico, usado para pruebas de efectos ambientales. Circuito 2 al 6: Sujeto a diferentes configuraciones de trafico. Pavimentos-UNH 25

Pista de Pruebas AASHO Mapa de la pista de pruebas AASHO 26

Vehículos usados en la pista de prueba AASHO AASHO Road Test Vehículos usados en la pista de prueba AASHO Pesos y distribución de ejes usados en circuitos 27 de la AASHO Road Test

Secciones ensayadas en la pista de pruebas AASHO SECCIONES TÍPICAS 368 secciones de pav. rígido 486 secciones de pav. flexible

Subrasante Profundidad promedio de congelamiento 28 pulg (711 mm) (para suelos finos)

Temperatura Temperatura media (Julio) Temperatura media (Enero) 76°F (24.5°C) 27°F (-2.8°C) avimentos-UNH 30

Lluvia Precipitación media anual 34 pulg (837 mm)

Materiales de las Secciones Flexibles AASHO Road Test Materiales de las Secciones Flexibles Subbase Mezcla Arena/grava 6.5% pasante No. 200 – CBR = 28 – 51 Subrasante Suelo A-6 (limo/arcilla) 82% pasante No. 200 CBR promedio = 2.9 Optimo wc = 13% MAC Denso-graduado Pen asfalto 85-100 Base Piedra caliza chancada 10% pasante No. 200 CBR promedio = 107.7

Secciones Flexibles Sección mas gruesa MAC 6 pulgadas MAC AASHO Road Test Secciones Flexibles Sección mas gruesa 6 pulgadas MAC 9 pulgadas de base 16 pulgadas de subbase Usado para cargas pesadas PSI de 2.6 a 3.6 al final de la prueba Sección mas delgada 1 pulgada MAC Usado para cargas livinas 8 a 25 ESALs para la falla MAC –1 a 6 pulgadas de espesor Base –0 a 9 pulgadas de espesor Subbase –0 a16 pulgadas de espesor

Comportamiento de las Secciones Flexibles AASHO Road Test Comportamiento de las Secciones Flexibles La mayoría fallo Aun las secciones mas gruesas sufrieron daño apreciable La mayoría fallo durante el deshielo de primavera La acción de la helada fue el factor principal Las bases y subbases más gruesas ayudaron a mitigar la acción de la helada

Materiales de las Secciones Rígidas AASHO Road Test Materiales de las Secciones Rígidas Cemento Tipo I 564 lb/yd3 Concreto de Cemento Portland Máximo a/c = 0.47 Resistencia a la compresión 14-días = 3500 psi (246 kg/cm2) Resistencia a la flexión 14-días = 550 psi (387 kg/cm2)) Slump = 1.5 a 2.5 pulgadas Máximo tamaño del agregado = 1.5 y 2.5 pulgadas Las secciones de la Subbase y subrasante fueron las mismas que de las flexible

Secciones Rígidas Sección mas gruesa Losa 12.5 pulgadas losa AASHO Road Test Secciones Rígidas Sección mas gruesa 12.5 pulgadas losa 9 pulgadas subbase Usado para cargas pesadas PSI de 4.2 a 4.5 al final de la prueba Sección mas delgada 2.5 pulgadas losa Usado para cargas livianas PSI de 4.2 a 4.4 al final Losa 2.5 a 12.5 pulgadas de espesor Subbase 0 a 9 pulgadas de espesor Dowels Todas tuvieron dowels Tamaños variados

Comportamiento de las Secciones Rígidas AASHO Road Test Comportamiento de las Secciones Rígidas La mayoría no fallo El PSI en la mayoria de las secciones al final de la prueba fue alrededor de 3.8 a 4.4

Pavimentos-UNH

ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD Concepto desarrollado durante la prueba AASHO: Es un índice de la comodidad y seguridad que percibe el usuario en el pavimento. Cuantifica en una escala de 0 a 5, el grado de confort y seguridad que el usuario percibe al transitar.

ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD Inicialmente la medición era realizada por un grupo de 5 conductores, quienes manejaban en el pavimento y evaluaban su confort con una escala de 0 a 5 (Intransitable a Perfecto).

ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD En vista que era una medición subjetiva, que podía reflejar un panorama inexacto de la condición del pavimento, el proceso de medición fue objeto de algunas modificaciones. Utilizando métodos estadísticos, se obtuvo ecuaciones para determinar el Indice de Serviciabilidad Actual (PSI).

Pavimentos Asfálticos PSI Donde: SV: Varianza de la pendiente longitudinal x 102 (pulg/ pie), representa la regularidad del pavimento medida con perfilómetro. RD: Ahuellamiento promedio (pulg). C: Superficie agrietada (pie2 /1000 pie2) P: Area con baches (pie2 /1000 pie2)

Resultados de Serviciabilidad en la Pista de Pruebas AASHTO

Version 1993

Guía de Diseño de Pavimentos AASHO Metodología empírica de diseño basada en la prueba AASHO a finales de los 50s. Diferentes versiones  1961 (Guía interina) , 1972, 1986. La version de 1986 incluia caracterización de material refinado.  1993 Mas en rehabilitación Mas consistente entre diseños flexibles y rígidos. La versión actual es para procedimientos de diseño flexible.  1998 Guía suplementaria para diseño de pavimento rígido (version actual)

Reseña Histórica En 1997 se inicia Research Program) en EEUU SHRP (Strategic Highway Pista de Pruebas West Track iniciada en el año 1996

Pistas de Prueba Actuales Pista de prueba NCAT

Pista Oeste

CEDEX Pista de Pruebas Acelerada

ATREL accelerated pavement testing tections Pavimentos-UNH 50

Guía de Diseño AASHTO 2008 Desarrollada como la guía de Estructuras de Pavimentos basada en métodos mecanísticos-empìricos (M-E) y sustentada en un programa de computo.

1.3 Tipos de Pavimentos

Tipos de Pavimentos

Pavimentos-UNH 56

Distribución de las Solicitaciones en un Pavimento Flexible 57

Tipos de Pavimentos Flexibles Parcial (partial depth) Completo (full depth) Losa continua de asfalto-piedra (continuous rock asphalt mat-CRAM) Pavimentos-UNH 58

Tipos de Pavimentos Flexibles

Full Depth

Pavimentos Flexibles (tratamientos superficiales) Tratamiento superficial bituminoso

CONSERVACION VIAL POR NIVELES DE SERVICIO Pavimentos Flexibles (tratamientos superficiales) CONSERVACION VIAL POR NIVELES DE SERVICIO EMP-PE-3S (IZCUCHACA) – HUANCAVELICA-PLAZAPATACASTROVIRREYNA-TICRAPO- PAMPANO Y STA. INES – PILPICHACA - RUMICHACA Tratamiento con Otta Seal 62

Asfaltos de Pavimentación

Planta de asfalto

Planta de asfalto

Distribución del concreto asfaltico

Pavimentos Rígidos Espesores tienen una rango de 200 mm a 325 mm para carreteras interestatales en U.S.

LOSAS DE CONCRETO SIMPLE CON JUNTAS (JPCP) Juntas menor espaciadas Sin dowels

LOSAS DE CONCRETO CON JUNTAS (REFORZADAS POR CONTRACCION Y TEMPERATURA- JRCP). Acero de refuerzo Mayor espaciamiento de juntas Requiere dowels

(REFORZADAS PARA ACCION LOSAS DE CONCRETO CON JUNTAS (REFORZADAS PARA ACCION ESTRUCTURAL - CRCP) Acero de refuerzo No juntas

LOSAS DE CONCRETO POSTENSADO, CON JUNTAS MUY ESPACIADAS (PCP) Esfuerzo compresivo preaplicado Menor mantenimiento Mayor tiempo de vida

Colocación del concreto

Pavimentos Rígidos

1.2 Factores de Diseño

Factores de Diseño de los Pavimentos

Factores de diseño

Factores de Diseño de los Pavimentos

1.4 Métodos de Diseño de Pavimentos

Estado del Conocimiento y la Práctica Estado de la Practica Estado del arte Actual Estado de la Practica

Métodos de Diseño de Pavimentos METODOS EMPIRICOS Reglas prácticas CBR, Kansas, etc. Esfuezo cortante límite Deflexión límite Regresión basada en el comportamiento PCA AASHTO 1993

Métodos de Diseño de Pavimentos MECANISTICOS EMPIRICOS Instituto del Asfalto SHELL AASHTO 2008 METODOS MECANISTICOS Soluciones analíticas (Watergaad, etc) Soluciones numéricas (elementos probabilístico, etc) finitos,