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XII Congreso Nacional de Ingeniería Civil

RESUMEN

El manual presenta un procedimiento para el DISENOESTRUCTURAL DE LOS ESPESORES DE PAVIMENTOSutilizando cemento asfáltico o asfalto emulsificado en toda, o partede la estructura. Se incluye varias combinaciones de superficie deconcreto asfáltico, de superficie de asfalto emulsificado (contratamiento superficial), de base de concreto asfáltico, de base deasfalto emulsificado y de bases o subbases de agregados no tratados.Igualmente el método presenta guías para la definición de laspropiedades de la subrasante, propiedades de los materiales y valoresde tráfico requeridos para la selección de los espesores apropiadosde las capas de pavimentos, así como procedimientos para el disenode la construcción por etapas, análisis económico y recomendacionesde compactación. Finalmente acompana las cartas de diseno paraconcreto asfáltico en todo su espesor, para mezclas con asfaltoemulsificado, para base de agregados no tratados y un glosario quepermite uniformizar términos en general.

Lamentablemente por limitaciones de extensión que regula lasponencias en el presente evento ; se presentarán tan solo los conceptosbásicos del método, quedando el autor comprometido a absolvercualquier consulta y de material bibliográfico a los profesionalesinteresados en ampliar el tema en mención.

1. INTRODUCCION

El trabajo que se presenta tiene por finalidad dar a conocer ELMETODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO PARA ELDISENO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS ASFALTICOSPARA CALLES Y CARRETERAS, que corresponde al ManualSeries No.1 (MS-1), Versión de Febrero 1991.

La traducción de este método ha sido efectuada por el Instituto parael Desarrollo de los Pavimentos en el Perú (IDPP), con laparticipación del Ing. Germán Vivar Romero en su revisión ; quienpor ser un especialista connotado en el tema asegura que la utilizacióndel método será correctamente aplicado y de esta manera nos permitaelaborar disenos de espesores de pavimentos flexibles correctamenteque den como resultado obras de alta calidad técnica y económicasen las carreteras y calles de nuestro país.

2. BASES DEL MANUAL

Como sabemos, el pavimento asfáltico está caracterizado como unsistema elástico multi-capa. Para desarrollar un procedimiento dediseno comprensible, se ha usado la teoría establecida, la experiencia,los datos de ensayos y un programa de cómputo analítico (DAMA).El procedimiento fue luego simplificado en cartas de diseno paraser usado sin la necesidad de la computadora o de complicadosprocedimientos de ensayo. El programa de cómputo para el análisiselástico multi-capa, DAMA y el programa de cómputo delprocedimiento de diseno de espesores aquí presentado (HWY),pueden ser obtenidos en las oficinas del Instituto del Asfalto.

La metodología considera 2 condiciones específicas de esfuerzo-deformación, según se ilustra en las Figuras I-1 y I-2. En la primeracondición ilustrada en la Figura I-1 (a) la carga por rueda W, estransmitida a la superficie del pavimento a través de la llanta comouna presión vertical aproximadamente uniforme, Po. La estructuradel pavimento distribuye luego los esfuerzos de la carga, reduciendosu intensidad hasta que en la superficie de la subrasante, tiene unaiintensidad máxima P1. La Figura I-1 (b) ilustra la manera generalen la cual la intensidad de la máxima presión vertical disminuyecon la profundidad de Po a P1. La segunda condición está ilustradaen la Figura I-2, donde la carga por rueda W, deflecta la estructuradel pavimento causando esfuerzos y deformaciones de tensión ycompresión en la capa asfáltica.

Las cartas de diseno presentadas en este manual, han sidodesarrolladas utilizando los criterios de deformaciones verticalescompresivas inducidas en la parte superior de la subrasante y lasdeformaciones tensionales máximas inducidas en el fondo de la capaasfáltica por las cargas de las ruedas

DISEÑO DE ESPESORES - PAVIMENTOSASFALTICOS PARA CALLES Y

CARRETERASING. NESTOR HUAMAN GUERRERO

* Catedrático de la Universidad Nacional de Ingeniería Figura I-1. Distribución de la presión del neumático a trvés de laestructura del pavimento

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Figura I-2. La deflexión del pavimento trae consigo esfuerzos decompresión y tensión en su estructura

3. VENTAJAS DE LAS BASES ASFALTICAS

Este manual incluye cartas de diseno para capas de base de concretoasfáltico, capas de base tratadas con asfalto emulsificado y capas debase de agregados no tratados.

Las bases asfálticas ofrecen muchas ventajas sobre las bases notratadas. Una de las mayores ventajas es que las bases tratadas conasfalto resisten los esfuerzos del pavimento, mucho mejor que lasbases de agregados no tratados, las cuales no poseen resistencia a latensión. Consecuentemente, para las mismas condiciones de carga,las bases tratadas con asfalto pueden ser construidas con espesoresmenores que las bases de agregados no tratados.

Otras ventajas importantes de las bases asfálticas son :

- Bajo una adecuada construcción, las bases asfálticas producenpavimentos de mejor calidad de circulación.

- Los agregados desechados para las capas asfálticas de superficiepueden frecuentemente ser usados en las capas de base asfáltica.

- Las bases asfálticas son excelentes para la construcción por etapas- Se reducen las demoras en la construcción ocasionadas por el

mal tiempo.

- Las bases asfálticas pueden ser usadas por el tráfico de laconstrucción antes de colocar la capa de superficie, agilizandode esta manera la construcción.

4. VENTAJAS DE LOS “PAVIMENTOSASFALTICOS EN TODO SU ESPESOR”

Un “Pavimento Asfáltico en Todo su Espesor” (Full-Depht AsphaltPavement) es un pavimento en el que se utilizan mezclas asfálticaspara todas las capas encima de la subrasante natural o mejorada.Además de las ventajas citadas en 3.0, el “Pavimento Asfáltico enTodo su Espesor” no retiene agua, la cual puede causar fallas en labase y en la subrasante como sucede frecuentemente en el caso delas bases de agregados no tratados. De hecho, hay a veces una pequenao ninguna reducción en la resistencia de la subrasante bajo los“Pavimentos Asfálticos en Todo su Espesor”.

De acuerdo a estudios limitados, se ha encontrado que, después dela construcción, el contenido de humedad de una subrasante arcillosapuede estabilizarse a un contenido de humedad menor en los“Pavimentos Asfálticos en Todo su Espesor”, fenómeno generalmenteopuesto al que se encuentra cuando se emplean bases de agregadosno tratados. Sin embargo, el uso de “Pavimentos Asfálticos en Todosu Espesor” no elimina la necesidad de considerar el subdrenajeadecuado. El diseno de un adecuado sistema de drenaje es un aspectoesencial a considerar dentro del diseno de pavimentos.

Incluso cuando no se consideren sistemas de subdrenaje bajo lospavimentos, deben requerirse frecuentemente drenes interceptorespara desviar las aguas freáticas o subterráneas. El Manual Drenajede Estructuras de Pavimentos Asfálticos (MS-15) , del Instituto delAsfalto proporciona una discusión profunda de todos los aspectosdel drenaje de pavimentos asfálticos. Otras ventajas del “PavimentoAsfáltico en Todo su Espesor” son:

* Se reduce el tiempo de construcción* Cuando se construye en capas gruesas - 100 mm. o más se

pueden extender las etapas de construcción.* Existe una menor interferencia con los sistemas de servicios

públicos durante la construcción de calles en ciudades,principalmente debido a que el espesor del “Pavimento Asfáltico en Todo Espesor” es menor que las estructuras de pavimentos con capas de agregados no tratados.

* Usualmente son menos afectados por la humedad.

Figura III-1. Ubicación de las deformaciones consideradas en el procedimiento de diseño

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XII Congreso Nacional de Ingeniería Civil5. CONSIDERACIONES DE DISENO

5.1 Introducción

En este capítulo se discute la selección de los factores apropiadospara el diseno estructural de pavimentos asfálticos. Se presentainformación sobre la clasificación de vialidades, la selección de lostipos de materiales y su relación con el tipo de tráfico, el uso de laconstrucción por etapas y la comparación económica de diferentesalternativas de diseno.

Generalmente se conoce más acerca de las características del tráfico,clima y condiciones de la subrasante, en carreteras de alto volumende tráfico que en caminos de bajo volumen de tráfico.Adicionalmente, pueden requerirse estandares más exigentes demateriales y construcción y mejores comportamientos para períodosde servicio más largos .En tal sentido, el grado de complejidadaplicado al diseno de un pavimento puede variar dependiendo de laclase de carretera o calle que se considere.

5.2 CLASIFICACIÓN DE CARRETERAS Y CALLES

La Administración Federal de Carreteras de los Estados Unidos,(FHWA), clasifica a las carreteras y calles con un sistema declasificación funcional que puede ser de ayuda para determinarapropiadamente los factores de tráfico y otras variables de disenonecesarias. La clasificación funcional consiste en organizar lascarreteras y calles en diferentes clases, o sistemas, de acuerdo al tipode servicio que estas proporcionan. La clasificación más importante es:

SISTEMAS RURALES SISTEMAS URBANOS

*Sistema Arterial Principal *Sistema Arterial Principal-Interestal - Interestal-Otras arterias principales - Otras autopistas & vías

expresas- Otras arterias principales

*Sistema Arterial Menor *Sistema Arterial Menor de Calles

*Sistema Colector *Sistema Colector de Calles -Colectoras mayores -Colectoras menores

*Sistema Local *Sistema Local de Calles

5.3 SELECCIÓN DE VARIABLES DE DISENO

En lo posible, las propiedades de los suelos de subrasante y materialesde construcción, los valores de tráfico, los factores climáticos y otrasvariables de diseno deben basarse en estudios de datos actuales. Sinembargo, en muchos casos y particularmente para caminossecundarios y calles, la información necesaria no está disponible.

Las recomendaciones acerca de las variables de diseno varían segúnla clasificación de la vialidad o el nivel del tráfico de diseno. Para untráfico más pesado, se seleccionan valores más conservadores,resultando en pavimentos de mayor espesor, cuando las otras variablesse mantienen constantes. Por ejemplo, la resistencia de disenorecomendada para los suelos de subrasante, es más baja para tráficopesado que para tráfico liviano. Por otro lado, los requerimientospara el diseno de la mezcla asfáltica son más estrictos para tráficopesado que para tráfico liviano . Los requerimientos del espesormínimo para el concreto asfáltico son también función del nivel deltráfico y del tipo de base.

Si el conocimiento de las propiedades de los suelos de subrasante yde los materiales de las capas del pavimento es escaso ; y si el control

de calidad de la construcción es inadecuado, es probable que elpavimento resultante, varíe en calidad y comportamiento. Cuantomayor es la variabilidad del pavimento construido, mayor será laprobabilidad de fallas prematuras y de mayores o más elevados costosde mantenimiento. Además la selección del tipo de base puede afectarel comportamiento del pavimento. Como se vio anteriormente, lasbases asfálticas tienen ventajas sobre las bases de agregados notratados y deberían de emplearse en lo posible.

5.4 CONSTRUCCIÓN POR ETAPAS

Existen numerosas situaciones de tipos de tráfico donde es apropiadoconsiderar la construcción por etapas. Un ejemplo de éstas son lascalles de una urbanización nueva, donde la base asfáltica puede serconstruida para soportar el tráfico de la construcción y la superficieasfáltica puede ser anadida como una fase final de la construcción.Otro ejemplo son las vías en las que se prevé un aumento considerablede tráfico en el futuro. Una ventaja importante de la construcciónpor etapas radica en la posibilidad de corregir las fallas que aparecenen la subrasante o en la base por causa del tráfico antes de procedera colocar las capas definitivas, asegurando así un mejor acabadosuperficial para períodos de tiempo mayores.

5.5 COMPARACIONES ECONOMICAS

Frecuentemente, pero no siempre, la selección del tipo de base o ladecisión de usar una construcción por etapas, se basa en un análisiseconómico de las alternativas viables. El procedimiento adoptadopara la comparación de alternativas de costos, utiliza el concepto delValor Presente. En este procedimiento, los costos iniciales y futurosse reducen a su “valor presente”. Sin embargo, el menor costo inicialo total, no es siempre la base más lógica para tomar tales decisiones.Una de las razones fundamentales para utilizar la construcción poretapas, por ejemplo, es que las condiciones futuras de tráfico puedanser desconocida.

6. PRINCIPIOS DE DISENO

6.1 BASES PARA EL DISENO

En este método de diseno el pavimento se caracteriza como un sistemaelástico muticapa. El material de cada capa está caracterizado por suMódulo de Elasticidad y su coeficiente de Poisson. El tráfico estáexpresado en términos del número de repeticiones de un eje simpleequivalente de 80 kN (18,000 libras) aplicado al pavimento en dosjuegos de ruedas duales.

En el análisis, cada rueda está representada por dos placas circularescon un radio de 115 mm (4,52"), espaciadas 345 mm (13.57") centroa centro, correspondiendo a una carga por eje de 80 kN (18,000 lbs)y una presión de contacto de 483 kPa (70 psi). Esta configuraciónestandard de carga puede ser modificada fácilmente en el programade cómputo DAMA.

El método puede ser usado para disenar pavimentos asfálticos convarias combinaciones de mezclas asfálticas de superficie y base ;superficies de asfalto emulsificado (con tratamiento superficial) y base; y con bases y subbases de agregados no tratados. La Figura III-1muestra esquemáticamente algunas secciones típicas de pavimentos.

Los “Pavimentos Asfálticos en Todo su Espesor” (Full-Depth) sonmodelados como un sistema de 3 capas, mientras que los pavimentoscon agregados no tratados son modelados como un sistema de cuatro capas.

La subrasante o capa más baja, se asume infinita en las direccionesvertical hacia abajo y horizontal. Las capas del pavimento, de espesorfinito, son consideradas horizontalmente infinitas. Asimismo se asumeque existe una continuidad (fricción total) en la interfase entre capas.

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XII Congreso Nacional de Ingeniería Civil6.2 CRITERIOS DE DISENO

En la metodología para este manual, se asume que las cargas en lasuperficie del pavimento producen 2 deformaciones que sonconsideradas críticas para el diseno (ver figura III-1). Estasdeformaciones unitarias son :

(1) La deformación horizontal de tensión ( ∈t ) en el fondo de lacapa asfáltica más profunda, ya sea que se trate de concretoasfáltico o de una capa tratada con asfalto emulsificado. ; y

(2) La deformación vertical de compresión ( ∈c ) en la parte superiorde la capa de subrasante.

Si la deformación tensional horizontal es excesiva, se produciránfisuras en la capa asfáltica, mientras que si la deformación verticalcompresiva es excesiva, se producirán deformaciones permanentesen la superficie del pavimento por sobrecargar la subrasante. Lasdeformaciones excesivas en las capas de materiales tratados secontrolan imponiendo ciertos límites en las propiedades de losmateriales.

Para desarrollar los criterios de diseno, se calcularon las deformacionestensionales horizontales y las deformaciones verticales compresivas, usando el programa de cómputo llamado DAMA, el cual está basadoen el programa de cómputo de N-capas desarrollado por la Chevronpara el cálculo esfuerzos y deformaciones y considera una ampliavariedad de parámetros de entrada, condiciones de carga ycondiciones ambientales.

6.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES

Todos los materiales fueron caracterizados por un Módulo deElasticidad (también llamado Módulo Dinámico), en el caso de lasmezclas asfálticas o Módulo de Resilencia en el caso de los suelos ylos materiales granulares no tratados) y por un coeficiente de Poisson.Se seleccionaron valores específicos en base a la experiencia yestudios extensos de datos de ensayos.

6.3.1 Concreto Asfáltico

El Módulo Dinámico de las mezclas de concreto asfáltico dependeen gran medida de la temperatura del pavimento. En el desarrollo delas curvas de diseno para este manual, se utilizó la relación módulo-temperatura de una mezcla típica de concreto asfáltico de alta calidad.Para simular el efecto de la temperatura y sus variaciones durante elano, se utilizaron tres distribuciones típicas de la temperaturapromedio mensual del aire, que representan tres regiones climáticastípicas de los Estados Unidos de Norteamérica. Los valoresapropiados de los módulos dinámicos fueron seleccionados luegode un estudio exhaustivo de las relaciones módulo-temperatura y delas propiedades de los asfaltos.

6.3.2 Mezclas de Asfalto Emulsificado

Las mezclas de asfalto emulsificado incluidas en este manual estáncaracterizadas por 3 tipos de mezcla, dependiendo del tipo deagregado empleado:

Tipo I : Mezclas producidas con agregados procesados de gradación densa.Tipo II : Mezclas producidas con agregados semiprocesadosTipo III : Mezclas producidas con arenas o arenas-limosa

Los valores del Módulo Dinámico fueron seleccionados para los 3tipos de mezcla luego de un exhaustivo estudio de datos.

El módulo dinámico es función del tiempo de curado, considerándose enla preparación de las cartas de diseno, un período de curado de 6 meses.

Tiempos de curado de hasta 24 meses no influyen mayormente enlos espesores mostrados en las cartas de diseno.

6.3.3 Materiales Granulares no Tratados

Los Módulos de Resilencia de los materiales granulares no tratadosvarían con las condiciones de esfuerzos en el pavimento. Los valoresutilizados en el desarrollo de las cartas de diseno varían al menosentre 15,000 psi (103 Mpa) hasta mas de 50,000 psi (345 Mpa)

6.4 CONSIDERACIONES AMBIENTALES

Adicionalmente a los efectos de las variaciones mensuales de temperaturaa lo largo del ano, sobre los módulos dinámicos de las mezclas deconcreto asfáltico y de asfalto emulsificado ; las curvas de disenotambién toman en consideración los efectos de la temperatura sobrelos módulos de resilencia de la subrasante y de los materialesgranulares de la base. En el caso de la subrasante, éste se corrigióutilizando un módulo resilente incrementado para representar la épocade helada en el invierno y un módulo resilente reducido pararepresentar la época de descongelamiento.

Esta variación se ilustra esquemáticamente en la Figura III-2.Lamisma técnica se utilizó para representar los efectos ambientales enlas bases granulares.

FIGURA III-2. Variaciones del Módulo de subrasante en condicionesde hielo y deshielo.

7. CARTAS DE DISENO

El programa de cómputo DAMA fue utilizado para determinar losespesores en función de los dos criterios de deformación descritosen el numeral 6.2 para diferentes condiciones seleccionadas. Seobtuvieron dos espesores para cada condición, uno para cada valorde deformación crítica, empleándose el mayor de los dos para prepararlas cartas de diseno. Por esta razón, varias de las curvas de disenopresentan formas asociadas con 2 criterios diferentes.

Se muestran los espesores mínimos para ciertos niveles de tráfico.En aquellos casos donde estos espesores mínimos no fueron obtenidosdirectamente de los cálculos con el programa DAMA, fueronseleccionados basados en la experiencia, incluyendo los Caminosde Ensayo AASHO, otros estudios y ediciones anteriores de estemanual.

Para el desarrollo de este manual se seleccionaron tres grupos decondiciones ambientales, representativas del rango de condicionespara las que debiera aplicarse el manual:

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XII Congreso Nacional de Ingeniería CivilTemperatura Media Anual del Aire Efecto de la Helada

< 7º C (45º F) Si 5.5º C (60º F) Posible > 24º C (75º ) No

Se usó la Temperatura Media Anual del Aire (MAAT) paracaracterizar las condiciones ambientales aplicables a cada región,seleccionándose las características de los materiales según esto.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

1. Se han presentado en la aplicación del Método todos los parámetrosque intervienen para el diseno de los espesores buscados. Sinembargo se necesita profundizar el estudio de los mismos parasu concepción en la forma más precisa posible .

2. Dentro de estos parámetros debe considerarse con mayoramplitud el Análisis de Tráfico, debiendo estimarse el volumendel mismo a través del Período de Análisis, Clasificación yNúmero de Camiones, Carril de Diseno, Período de Diseno,Capacidad de la Carretera y Crecimiento de Tráfico. Asimismodebe efectuarse la Estimación del EAL a través del Número deVehículos de cada clase y del Factor Camión determinándose deesta manera el EAL del Diseno.

3. Debe considerarse La Evaluación de Materiales en primer lugarde una manera general a través de la propiedad determinante dela subrasante y su Módulo de Resilencia (Mr).

4. Debe efectuarse el procedimiento de Diseno Estructural a travésde un Diagrama de Flujo del mismo teniendo como datos deentrada : el tráfico, la subrasante y los materiales . Asimismo losfactores ambientales que determinarán finalmente los espesoresdel pavimento en estudio, para lo cual se requiere la utilizaciónde tablas y las ya conocidas Cartas de Diseno.

5. Como cuestión complementaria presenta los estudios quecorresponden a la Construcción Planificada por Etapas y elAnálisis Económico.

RECOMENDACIONES

El autor recomienda la utilización del presente método para el DisenoEstructural de Espesores de Pavimentos Flexibles Nuevos ; por lotanto las instituciones públicas como privadas deben elaborar susproyectos de pavimentación con Métodos más actualizados y precisosde los que se vienen utilizando. Igualmente hago un llamado a lasUniversidades del País que cuentan con Facultad de Ingeniería Civilconsideren dentro de su currícula el curso de Pavimentos Flexibles

como OBLIGATORIO y que además el profesional responsable desu dictado sea un especialista del mismo con conocimientos del temadebidamente actualizados.

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