PavimentosIng. Johny Bendezu Acero

UNH-2014

Pavimentos-UNH 2

Libro de Texto :• 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.

1.0 Introducción al Diseño de

Pavimentos

1.1 Conceptos Generales

Pavimentos-UNH 5

“……..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

¿Qué es el pavimento?

• Estructura conformada por una o varias

capas de materiales apoyados

íntegramente sobre el terreno, se diseñan

y construyen técnicamente con

materiales apropiados preparadas para

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.

Pavimentos-UNH 6

Pavimentos-UNH 7

¿Qué es el diseño de pavimentos?

• Es el proceso por el cual los componentes estructurales(carpeta, losa, base, sub base, subrasante) de un segmento decarretera son determinados tomando en consideración lanaturaleza de la sub-rasante, las consideraciones ambientales,densidad y composición del tráfico, y las condiciones demantenimiento.

• Considerando que el pavimento es la parte superior de unacarretera, aeropuerto o zona de parqueo e incluye todas lascapas que se apoyan en el suelo natural, incluidas las bermas.

Pavimentos-UNH 8

¿Qué es el diseño de pavimentos?

• En forma resumida el diseño de la estructura del pavimentoes:

ESTABLECER ESPESORES Y RIGIDECES DE LOS MATERIALES PARA MANTENER LA VIA BAJO UN CIERTO

NIVEL DE DETERIORO Y CONFORT

Pavimentos-UNH 9

¿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 tipode ejecución)

• Determinación de espesores finales

Pavimentos-UNH 10

¿Cuáles son las funciones de la

estructura de pavimento?

• Proporcionar a los usuarios circulación segura, cómoda yconfortable sin demoras excesivas.

• Proporcionar a los vehículos acceso entre dos puntos bajocualquier condición de clima. Reducir y distribuir la carga detráfico para que esta no dañe la subrasante.

• Cumplir requerimientos medio ambientales y estéticos.

• Limitar el ruido y la contaminación del aire.

Pavimentos-UNH 11

¿Qué requisitos debe cumplir una

estructura de pavimento? (1)

• Suficiente espesor para que la intensidad de las cargas ypresiones sea tolerable por la subrasante, sin deformacionesexcesivas.

• Resistencia suficiente de los componentes para asumir losesfuerzos impuestos por el tráfico y el clima.

• Suficiente espesor para prevenir el efecto del congelamiento ensubrasantes.

Pavimentos-UNH 12

¿Qué requisitos debe cumplir una

estructura de pavimento? (2)

• El material del pavimento debe ser impermeable a la penetracióndel agua superficial que pudiera debilitar la subrasante yconsecuentemente el pavimento o en su defecto facilitar lacirculación del agua disminuyendo su permanencia en laestructura.

• La superficie del pavimento debe ser resistente al deslizamiento.

Pavimentos-UNH 13

Evolución del

estado de los

caminos

Pavimentos-UNH 14

Los enemigos

de la carretera

1.2Desarrollo Histórico de los

Pavimentos

Pavimentos-UNH 16

Reseña Histórica

• Los romanos construyeron 84,000 km de vías empedradaselevadas del nivel de rasante apoyadas en una estructura depiedras grandes

• Los incas y preincas construyeron caminos peatonales de granlongitud con superficies de piedra y arena.

Pavimentos-UNH 17

Reseña Histórica

• En Francia en el siglo XVII se construyeron vías de poco anchocon superficie de rodadura formada por piedras pequeñas, yarena

• En EEUU e Inglaterra en 1830 se emplea el asfalto y arenacomo protección de la carretera

• En Austria en 1850 se emplea por primera vez el pavimentorígido

• En 1900 aparecen los vehículos a motor con neumáticos

Pavimentos-UNH 18

Reseña Histórica

• Pierre Trasaguet finales del siglo XVII,introduce el concepto de que elpavimento debe contar con un buendrenaje y que requiere unmantenimiento continuo.

• John McAdam (1756-1836), lasubrasante con drenaje y adecuadacompactacion debe soportar la cargamientras que la superficie derodadura está conformada por piedrachancada de diferentes tamaños queactúa también como una capa deprotección.

Pavimentos-UNH 19

Reseña Histórica

Comparación de estructuras de pavimento – Diseño de Macadam Romano

Pavimentos-UNH 20

Reseña Histórica

• En 1941 en EEUU seefectúa el ensayo en pistade prueba de Maryland ,donde se analiza el efectode 4 configuracionesdiferentes de pavimentosde concreto.

Pavimentos-UNH 21

Reseña Histórica

• En 1955 en EEUU se lleva acabo el ensayo en pista deprueba WASHO, donde seanaliza el efecto de 4configuraciones de ejes decarga en pavimentosflexibles.

Pavimentos-UNH 22

La pista de prueba AASHOReseña Histórica

• En 1962 se realiza en EEUU elensayo en pista de prueba AASHO,en Ottawa Illinois, donde sedesarrolla la relación entre elnúmero de repeticiones de undeterminado eje de carga dediferente magnitud y configuracióny el comportamiento de diferentessecciones de pavimentos rígidos yflexibles.

• Costo $27 millones (1960 ).

• Concebido y auspiciado por la

American Association of State

Highway Officials (AASHO).

Pavimentos-UNH 23

Pista de Pruebas AASHO

Ubicación 1958 - 1961

AASHO Road Test

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.

Pavimentos-UNH 24

Pavimentos-UNH 25

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.

AASHO Road Test

Pavimentos-UNH 26

Pista de Pruebas AASHO

Mapa de la pista de pruebas AASHO

27

AASHO Road Test

Pesos y distribución de ejes usados en circuitos

de la AASHO Road Test

Vehículos usados en la pista de prueba AASHO

Pavimentos-UNH

Pavimentos-UNH 28

Secciones ensayadas en la pista de

pruebas AASHO

SECCIONES TÍPICAS

368 secciones de pav. rígido 486 secciones de pav. flexible

Subrasante

Pavimentos-UNH 29

• Profundidad promedio de congelamiento 28 pulg (711 mm)

(para suelos finos)

Temperatura

Pavimentos-UNH 30

• Temperatura media (Julio) 76°F (24.5°C)

• Temperatura media (Enero) 27°F (-2.8°C)

Lluvia

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• Precipitación media anual 34 pulg (837 mm)

Pavimentos-UNH 32

Materiales de las Secciones Flexibles

• MAC

– Denso-graduado

– Pen asfalto 85-100

• Base

– Piedra caliza chancada

– 10% pasante No. 200

– CBR promedio = 107.7

• 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%

AASHO Road Test

Pavimentos-UNH 33

Secciones Flexibles

• MAC

– 1 a 6 pulgadas de espesor

• Base

– 0 a 9 pulgadas de espesor

• Subbase

– 0 a16 pulgadas de espesor

• 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

AASHO Road Test

Pavimentos-UNH 34

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

AASHO Road Test

Pavimentos-UNH 35

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 mismasque de las flexible

AASHO Road Test

Pavimentos-UNH 36

Secciones Rígidas

• Losa

– 2.5 a 12.5 pulgadas de

espesor

• Subbase

– 0 a 9 pulgadas de espesor

• Dowels

– Todas tuvieron dowels

– Tamaños variados

• 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

AASHO Road Test

Pavimentos-UNH 37

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

AASHO Road Test

Pavimentos-UNH 38

Serviciabilidad

Concepto desarrollado durantebla prueba AASHO.

Definición:

“La capacidad de una sección especifica de

pavimento para servir el trafico en su estado

actual”.

Pavimentos-UNH 39

Pavimentos-UNH 40

Relación Presente de Serviciabilidad (PSI)

Definición:

“la habilidad actual de un pavimento para servir

el trafico es conocido como servisiabilidad”.

Pavimentos-UNH 41

Resultados de Serviciabilidad en la Pista

de Pruebas AASHTO

Version 1993

Pavimentos-UNH 42

Guía de Diseño de Pavimentos AASHOMetodología 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)

Pavimentos-UNH 43

Pavimentos-UNH 44

Reseña Histórica

• En 1997 se inicia en EEUU SHRP (Strategic HighwayResearch Program)

• Pista de Pruebas West Track iniciada en el año 1996

Pavimentos-UNH 45

Pistas de Prueba Actuales

Pista de prueba NCAT

Pavimentos-UNH 46

Pista Oeste

Pavimentos-UNH 47

CEDEX Pista de Pruebas Acelerada

ATREL accelerated pavement testing

tections

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Pavimentos-UNH 49

Guía de Diseño AASHTO 2008• Desarrollada como la guía de Estructuras de Pavimentos

basada en métodos mecanísticos-empìricos (M-E) ysustentada en un programa de computo.

Pavimentos-UNH 50

1.3Tipos de Pavimentos

Pavimentos-UNH 52

Tipos de Pavimentos

Pavimentos-UNH 53

Estructura Típica de un Pavimento Asfaltico

Pavimentos-UNH 54

Pavimentos-UNH 55

Distribución de las Solicitaciones en un

Pavimento Flexible

Pavimentos-UNH 56

Mecanismo de Funcionamiento de un

Pavimento Flexible

Pavimentos-UNH 57

Pavimentos-UNH 58

Tipos de Pavimentos Flexibles

• Parcial (partial depth)

• Completo (full depth)

• Losa continua de asfalto-piedra (continuous rock asphaltmat-CRAM)

Tipos de Pavimentos Flexibles

Pavimentos-UNH 59

Full Depth

Pavimentos-UNH 60

Pavimentos-UNH 61

Tratamientos Superficiales

Tratamiento superficial bituminoso

Tratamientos Superficiales)CONSERVACION VIAL POR NIVELES DE SERVICIO

EMP-PE-3S (IZCUCHACA) – HUANCAVELICA-PLAZAPATACASTROVIRREYNA-TICRAPO-

PAMPANO Y STA. INES – PILPICHACA - RUMICHACA

Pavimentos-UNH 62Tratamiento con Otta Seal

Asfaltos de Pavimentación

Pavimentos-UNH 63

Planta de asfalto

Pavimentos-UNH 64

Planta de asfalto

Pavimentos-UNH 65

Distribución del concreto asfaltico

Pavimentos-UNH 66

Pavimentos-UNH 67

Estructura Tipica de un Pavimento Rigido

Espesores tienen

una rango de 200

mm a 325 mm para

carreteras

interestatales en

U.S.

Pavimentos-UNH 68

Pavimentos-UNH 69

Pavimentos 70

qt = 0,22 kgf/cm2

qc = 7,5 kgf/cm2

20 cm

30,4 cm

88,7 cm

CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE CARGA DE UNA PLACA DE CONCRETO

(carga en el interior, seg. PCA)

LOSAS DE CONCRETO SIMPLE CON

JUNTAS (JPCP)

Pavimentos-UNH 71

• Juntas menor espaciadas

• Sin dowels

LOSAS DE CONCRETO CON JUNTAS

(REFORZADAS POR CONTRACCION Y

TEMPERATURA- JRCP).

Pavimentos-UNH 72

• Acero de refuerzo

• Mayor espaciamiento de juntas

• Requiere dowels

LOSAS DE CONCRETO CON JUNTAS

(REFORZADAS PARA ACCION

ESTRUCTURAL - CRCP)

Pavimentos-UNH 73

• Acero de refuerzo

• No juntas

LOSAS DE CONCRETO POSTENSADO,

CON JUNTAS MUY ESPACIADAS (PCP)

Pavimentos-UNH 74

• Esfuerzo compresivo preaplicado

• Menor mantenimiento

• Mayor tiempo de vida

Colocación del concreto

Pavimentos-UNH 75

Pavimentos Rígidos

Pavimentos-UNH 76

Estructura Típica de un Pavimento

Articulado

Pavimentos-UNH 77

Pavimentos-UNH 78

Pavimentos 79

HR

ÁREA GRANDE DE DISTRIBUCIÓNDE CARGA

PRESIÓN PEQUEÑAEN LA FUNDACIÓN DELPAVIMENTO

HF

PRESIÓN GRANDE EN LA FUNDACIÓN DELPAVIMENTO

ÁREA PEQUEÑA DE DISTRIBUCIÓNDE CARGA

CONCRETO ASFALTO

COMPARACIÓN DE LA DISTRIBUCIÓN DE CARGAS EN PAVIMENTOS

EQUIVALENTES

Pavimentos Asfalticos vs Pavimentos Rígidos

Pavimentos-UNH 80

1.2Factores de Diseño

Pavimentos-UNH 82

Factores de Diseño de los Pavimentos

Pavimentos-UNH 83

Factores de diseño

Pavimentos-UNH 84

Factores de Diseño de los Pavimentos

1.4 Métodos de Diseño de

Pavimentos

Pavimentos-UNH 86

Estado del Conocimiento y la Práctica

Estado de la

PracticaEstado del

arte

Actual Estado

de la Practica

Pavimentos-UNH 87

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

Pavimentos-UNH 88

Métodos de Diseño de Pavimentos

• MECANISTICOS EMPIRICOS

– Instituto del Asfalto

– SHELL

– AASHTO 2008

• METODOS MECANISTICOS

– Soluciones analíticas (Watergaad, etc)

– Soluciones numéricas (elementos finitos,

probabilístico, etc)

Marco General del Diseño de Pavimentos

Pavimentos-UNH 89