Ingº M.Engº. Jorge Timaná RojasIngº M.Engº. Jorge Timaná Rojas

Universidad de Piura Universidad de Piura Programa Master en Ingeniería Civil Programa Master en Ingeniería Civil

TECNOLOGÍA DE PAVIMENTOSTECNOLOGÍA DE PAVIMENTOS

DISEÑO ESTRUCTURALDISEÑO ESTRUCTURAL

BASADO EN LA GUIA PARA EL DISEÑO BASADO EN LA GUIA PARA EL DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS AASHTO 1993ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS AASHTO 1993

PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)

PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)

PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)

PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)

PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)

PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)PAVEMENT ANALYSIS SOFTWARE (PAS)

ANTECEDENTES DEL DISEÑO DE PAVIMENTOSANTECEDENTES DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS

TIPOS DE PAVIMENTOSTIPOS DE PAVIMENTOS

RígidosRígidos““Las cargas se distribuyen uniformemente debido a la rigidez Las cargas se distribuyen uniformemente debido a la rigidez del concreto, dando como resultado tensiones muy bajas en la del concreto, dando como resultado tensiones muy bajas en la subrasante”subrasante”

Flexibles Flexibles ““Sistema multicapa, las capas de mejor calidad cerca de la Sistema multicapa, las capas de mejor calidad cerca de la superficie donde las tensiones son mayores. Al tener menor superficie donde las tensiones son mayores. Al tener menor rigidez, se deforma más que el concreto y se producen rigidez, se deforma más que el concreto y se producen tensiones mayores en la subrasante”tensiones mayores en la subrasante”

Losa de concretoLosa de concreto

Pavimento rígido Pavimento rígido

Pavimento flexiblePavimento flexible

MÉTODOS EMPÍRICOS PREVIOS A ENSAYOS MÉTODOS EMPÍRICOS PREVIOS A ENSAYOS

ROAD TESTROAD TEST

• Primeros métodos en base a la experiencia y sentido común Primeros métodos en base a la experiencia y sentido común (antes de 1920): difícil extrapolar(antes de 1920): difícil extrapolar

• Métodos basados en la mecánica de suelos: proteger la Métodos basados en la mecánica de suelos: proteger la subrasante de tensiones excesivassubrasante de tensiones excesivas

• Método del índice de grupo: mayor índice de grupo, mayor Método del índice de grupo: mayor índice de grupo, mayor espesor de pavimento espesor de pavimento

MÉTODOS EMPÍRICOS PREVIOS A ENSAYOS MÉTODOS EMPÍRICOS PREVIOS A ENSAYOS

ROAD TESTROAD TEST

• Métodos edafológicos: Según la formación del suelo Métodos edafológicos: Según la formación del suelo

• Método del valor soporte CBR (1929)Método del valor soporte CBR (1929)

• Métodos basados en ensayos carga – deformación: correlación Métodos basados en ensayos carga – deformación: correlación del ensayo de plato de carga y el comportamiento del del ensayo de plato de carga y el comportamiento del pavimento pavimento

MÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS ROAD TESTMÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS ROAD TEST

• Road Test de Bates (1922 – 1923)Road Test de Bates (1922 – 1923)• Se reconoce la importancia de las cargas del tránsito y su distribución Se reconoce la importancia de las cargas del tránsito y su distribución

por ejes en el diseño de pavimentospor ejes en el diseño de pavimentos• Se ensayaron pavimentos de ladrillo, asfalto y concretoSe ensayaron pavimentos de ladrillo, asfalto y concreto

• Road Test de Maryland (1950)Road Test de Maryland (1950)• Estudio de fisuras y deformaciones sólo en pavimento rígidoEstudio de fisuras y deformaciones sólo en pavimento rígido• Se observa el bombeo en cierto tipo de subrasantes. Se observa el bombeo en cierto tipo de subrasantes.

• Road Test de WASHO (1953 – 1954)Road Test de WASHO (1953 – 1954)• Sólo se ensayaron pavimentos de asfaltoSólo se ensayaron pavimentos de asfalto• Se valoró el daño en el pavimento según la carga aplicadaSe valoró el daño en el pavimento según la carga aplicada• Se determinaron primeras equivalencias de ejes según el daño Se determinaron primeras equivalencias de ejes según el daño

producidoproducido

INTRODUCCIÓN Y DESARROLLO INTRODUCCIÓN Y DESARROLLO DEL METODO AASHTODEL METODO AASHTO

ROAD TEST DE ASSHO (1958 – 1960)ROAD TEST DE ASSHO (1958 – 1960)

• Último gran ensayo Último gran ensayo realizado en EEUUrealizado en EEUU

• Introdujo el concepto de Introdujo el concepto de serviciabilidadserviciabilidad como como medida de calidad de medida de calidad de servicio al usuarioservicio al usuario

• Se estudiaron pavimentos Se estudiaron pavimentos rígidos y flexiblesrígidos y flexibles

• Se dedujeron ecuaciones Se dedujeron ecuaciones en base a relaciones en base a relaciones empíricas de estados de empíricas de estados de solicitaciónsolicitación

ESQUEMA DE PISTAS DE PRUEBAESQUEMA DE PISTAS DE PRUEBAAASHO ROAD TESTAASHO ROAD TEST

Picture from: Highway Research Board Special Report 61A-G

AASHO Road TestAASHO Road Test

Picture from: Highway Research Board Special Report 61A-G

OBJETIVOS DEL ROAD TEST DE AASHOOBJETIVOS DEL ROAD TEST DE AASHO

• Determinar relaciones entre Determinar relaciones entre repeticiones de cargarepeticiones de carga y espesores y espesores requeridosrequeridos

• Determinar el efecto del peso de los vehículos en puentesDeterminar el efecto del peso de los vehículos en puentes

• Estudio de bases granulares y estabilizadasEstudio de bases granulares y estabilizadas

• Mantener la sección de estudio en buenas condiciones lo Mantener la sección de estudio en buenas condiciones lo máximo posiblemáximo posible

• Desarrollar instrumentos, procedimientos de ensayo, datos, Desarrollar instrumentos, procedimientos de ensayo, datos, tablas, gráficos y fórmulastablas, gráficos y fórmulas

CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES EN RL CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES EN RL ROAD TEST AASHOROAD TEST AASHO

• Pavimentos flexibles:Pavimentos flexibles:• Subrasante A-6 (limo/arcilla), CBR entre 2 y 4 %Subrasante A-6 (limo/arcilla), CBR entre 2 y 4 %• Subbase, mezcla arena y grava, CBR ente 28 y 51 %Subbase, mezcla arena y grava, CBR ente 28 y 51 %• Base, piedra chancada, CBR 107.7 % en promedioBase, piedra chancada, CBR 107.7 % en promedio• Carpeta, HMA mezcla densa, asfalto PEN 85 - 100 Carpeta, HMA mezcla densa, asfalto PEN 85 - 100

• Pavimentos Rígidos:Pavimentos Rígidos:• Cemento Tipo ICemento Tipo I• Resistencia a los 14 días: f´c= 3500 psi (245 Kg/cmResistencia a los 14 días: f´c= 3500 psi (245 Kg/cm22) y S´c: 550 (39 ) y S´c: 550 (39

Kg/cmKg/cm22))• Tamaño máximo: 1.5 – 2.5 pulgadasTamaño máximo: 1.5 – 2.5 pulgadas

SECCIONES TÍPICAS EN EL ROAD TEST AASHOSECCIONES TÍPICAS EN EL ROAD TEST AASHO

• Pavimentos flexibles:Pavimentos flexibles:• Carpeta, entre 1 – 6 pulgadasCarpeta, entre 1 – 6 pulgadas• Subbase, entre 0 y 16 pulgadasSubbase, entre 0 y 16 pulgadas• Base, entre 0 y 9 pulgadas Base, entre 0 y 9 pulgadas

• Rígidos:Rígidos:• Espesor de losa: entre 2.5 y 12.5 pulgadasEspesor de losa: entre 2.5 y 12.5 pulgadas• Subbase, entre 0 y 9 pulgadasSubbase, entre 0 y 9 pulgadas• Todas las secciones contaban con barras de transferencia de carga Todas las secciones contaban con barras de transferencia de carga

(dowels) de tamaños variados(dowels) de tamaños variados

CARGAS DE TRÁFICOCARGAS DE TRÁFICO EN EL ROAD TEST ASSHO EN EL ROAD TEST ASSHO

• Inicio en Nov. 1958• Loops 3-6:

• 6 veh/carril• 10 veh/carril (Ene 1960)

• Operación:• 18 hr. 40 min.• 6 días/semana

• Total Carga• 1,114,000 Aplicaciones• EAL Promedio: 6.2 millones• Máximo EAL: 10 millones

(Flexible)

TrucksTrucks

AASHO Road Test

Picture from: Highway Research Board Special Report 61A-G

TRAFICO EN EL ROAD TEST AASHOTRAFICO EN EL ROAD TEST AASHO

Eje simple máximo

Eje Tandem máximo

EXTENSIONES DEL ROAD TEST DE AASHOEXTENSIONES DEL ROAD TEST DE AASHO

• Ensayo más completo en su tiempo Ensayo más completo en su tiempo

• Limitaciones:Limitaciones:• Ubicación geográfica específicaUbicación geográfica específica• Tipo de vehículos en la épocaTipo de vehículos en la época• No considera procedimientos de rehabilitaciónNo considera procedimientos de rehabilitación• Corta duración de pruebas experimentalesCorta duración de pruebas experimentales

• Componente que requerían verificación:Componente que requerían verificación:• Factor regional (clima)Factor regional (clima)• Valor soporte de distintas subrasantesValor soporte de distintas subrasantes• Coeficiente estructural para distintas capasCoeficiente estructural para distintas capas• Estudios complementarios en otras regiones de EEUUEstudios complementarios en otras regiones de EEUU

• Verificación o validación de resultadosVerificación o validación de resultados

• Alimentar la base de datos estadísticosAlimentar la base de datos estadísticos

• Definición más aproximada de fallas Definición más aproximada de fallas

LIMITACIONES QUE QUEDARON PARA EL LIMITACIONES QUE QUEDARON PARA EL MÉTODO AASHTOMÉTODO AASHTO

EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTOEVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO

Pavimentos flexiblesPavimentos flexibles

• El resultado de los ensayos fueron relaciones empíricas entre:El resultado de los ensayos fueron relaciones empíricas entre:

• El espesor de la carpetaEl espesor de la carpeta

• Magnitud de cargaMagnitud de carga

• Tipo de ejesTipo de ejes

• Número de aplicaciones de cargaNúmero de aplicaciones de carga

• Pérdidas de serviciabilidadPérdidas de serviciabilidad

ESTRUCTURALESTRUCTURAL

FUNCIONALFUNCIONAL

• Se dedujo la siguiente ecuación de diseño:Se dedujo la siguiente ecuación de diseño:

Donde:Donde:

logW: logaritmo del número esperado de aplicaciones para llegar a la serviciabilidad final logW: logaritmo del número esperado de aplicaciones para llegar a la serviciabilidad final

log log ρρ: Función de diseño y variables de carga que tienen en cuenta el número de aplicaciones : Función de diseño y variables de carga que tienen en cuenta el número de aplicaciones de carga para llevar la calzada a una serviciabilidad de 1.5de carga para llevar la calzada a una serviciabilidad de 1.5

G: Relación logarítmica entre la pérdida de serviciabilidad en un tiempo t y la pérdida G: Relación logarítmica entre la pérdida de serviciabilidad en un tiempo t y la pérdida potencial a una serviciabilidad de 1.5potencial a una serviciabilidad de 1.5

ββ: función de diseño y variables de carga que tienen influencia en la forma de la curva de : función de diseño y variables de carga que tienen influencia en la forma de la curva de serviciabilidad.serviciabilidad.

G

W loglog

EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTOEVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO

xxx LLLSN 22 log33.4)log(79.4)1(36.993.5log

EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTOEVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO

SN : Número estructural.SN : Número estructural.

Número abstracto que expresa la capacidad estructural requerida por el pavimento Número abstracto que expresa la capacidad estructural requerida por el pavimento para condiciones dadas de calidad de suelo, condiciones de tráfico, variación de para condiciones dadas de calidad de suelo, condiciones de tráfico, variación de serviciabilidad durante la vida útil del pavimento y condiciones ambientales.serviciabilidad durante la vida útil del pavimento y condiciones ambientales.

Lx : Eje de carga a ser evaluado (kips)Lx : Eje de carga a ser evaluado (kips)

L2x : Código de configuración de eje evaluado (1: eje simple)L2x : Código de configuración de eje evaluado (1: eje simple)

5.12.4

2.4log tG

23.32

19.5

23.32

)1(

081.04.0

X

XX

LSN

LL

EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTOEVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO

G : Relación logarítmica entre la pérdida de serviciabilidad en un tiempo t y la pérdida G : Relación logarítmica entre la pérdida de serviciabilidad en un tiempo t y la pérdida potencial a una serviciabilidad de 1.5potencial a una serviciabilidad de 1.5

ββ : Función de la diseño y variables de carga que tienen influencia en la forma de la : Función de la diseño y variables de carga que tienen influencia en la forma de la curva de serviciabilidad.curva de serviciabilidad.

EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTOEVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO

ECUACIÓN DE LA GUÍA AASHTO 1972ECUACIÓN DE LA GUÍA AASHTO 1972

WW1818 : Número de aplicaciones de carga de 18 kips esperadas en el periodo de : Número de aplicaciones de carga de 18 kips esperadas en el periodo de

diseño diseño

SN : Número estructural SN : Número estructural

19.2

18

)1(1094

40.020.0)1log(36.9log

SN

GSNW

INNOVACIONES INTRODUCIDAS EN 1986INNOVACIONES INTRODUCIDAS EN 1986

• Concepto de confiabilidadConcepto de confiabilidad

• Se introduce en Módulo Resiliente en lugar del CBRSe introduce en Módulo Resiliente en lugar del CBR

• Se introducen coeficientes de drenaje Se introducen coeficientes de drenaje mmii en lugar factores en lugar factores

regionalesregionales

• Se tienen en cuenta las subrasantes expansivas o sometidas a Se tienen en cuenta las subrasantes expansivas o sometidas a congelamientocongelamiento

EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTOEVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO

ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1993ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1993

WW1818 : Número de aplicaciones de carga de 18 kips : Número de aplicaciones de carga de 18 kips

ZZRR : Área bajo la curva de distribución estandarizada para una confiabilidad R : Área bajo la curva de distribución estandarizada para una confiabilidad R

SSoo : Desviación estándar de las variables : Desviación estándar de las variables

SN : Número EstructuralSN : Número Estructural

ΔΔPSI : Pérdida de la serviciabilidad prevista en el diseñoPSI : Pérdida de la serviciabilidad prevista en el diseño

MMRR : Módulo resiliente de la subrasante : Módulo resiliente de la subrasante

07.8log321.2

)1(1094

40.0

5.12.4log

20.0)1log(36.9log

19.2

18

RoR M

SN

PSI

SNSZW

ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1993ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1993

El número estructural se convierte a una combinación de espesores El número estructural se convierte a una combinación de espesores de capa, combinando coeficientes que representan la capacidad de capa, combinando coeficientes que representan la capacidad estructural relativa del material de cada capaestructural relativa del material de cada capa

aaii : Coeficiente de capa i : Coeficiente de capa i

mmii : Coeficiente de drenaje i : Coeficiente de drenaje i

DDii : Espesor de capa i : Espesor de capa i

NO HAY SOLUCIÓN ÚNICA!!NO HAY SOLUCIÓN ÚNICA!!

33322211 DmaDmaDaSN

Pavimentos rígidosPavimentos rígidos

• El resultado de los ensayos fueron relaciones empíricas entre:El resultado de los ensayos fueron relaciones empíricas entre:

• El espesor de la losa de concretoEl espesor de la losa de concreto

• Magnitud de cargaMagnitud de carga

• Tipo de ejesTipo de ejes

• Número de aplicaciones de cargaNúmero de aplicaciones de carga

• Pérdidas de serviciabilidadPérdidas de serviciabilidad

EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTOEVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO

ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1972ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1972

WW1818 : Número de aplicaciones de carga de 18 kips : Número de aplicaciones de carga de 18 kips

D : Espesor de la losa en pulgadasD : Espesor de la losa en pulgadas

pptt : Serviciabilidad final : Serviciabilidad final

S`c : Módulo de rotura del concreto (tracción por flexión)S`c : Módulo de rotura del concreto (tracción por flexión)

JJ : Coeficiente de transferencia de carga : Coeficiente de transferencia de carga

Ec : Módulo de elasticidad del concretoEc : Módulo de elasticidad del concreto

k : Módulo de reacción de la subrasantek : Módulo de reacción de la subrasante

25.075.0

75.0

46.8

718

)/(

42.18(63.215

)132.1(`log)32.022.4(

)1(

10625.11

5.15.4

5.4log

06.0)1log(35.7log

kEDJ

DS

D

DW

c

ct

INNOVACIONES INTRODUCIDAS EN 1986INNOVACIONES INTRODUCIDAS EN 1986

• 1981: Factores de seguridad para bajar S`c1981: Factores de seguridad para bajar S`c

• 1986: Concepto de confiabilidad1986: Concepto de confiabilidad

• Se introduce conceptos de drenaje, CSe introduce conceptos de drenaje, Cdd

• Factores de pérdida de soporte LS, que reducen el valor Factores de pérdida de soporte LS, que reducen el valor efectivo de kefectivo de k

EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTOEVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO

ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1993ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1993

WW1818 : número de aplicaciones de carga de 18 kips : número de aplicaciones de carga de 18 kips

ZZRR : área bajo la curva de distribución estandarizada para una confiabilidad R : área bajo la curva de distribución estandarizada para una confiabilidad R

SSoo : desviación estándar de las variables : desviación estándar de las variables

ΔΔPSI : pérdida de la serviciabilidad prevista en el diseñoPSI : pérdida de la serviciabilidad prevista en el diseño

D : espesor de la losa en pulgadasD : espesor de la losa en pulgadas

S`c : módulo de rotura del concretoS`c : módulo de rotura del concreto

Cd : coeficiente de drenajeCd : coeficiente de drenaje

JJ : Coeficiente de transferencia de carga : Coeficiente de transferencia de carga

Ec : módulo de elasticidad del concretoEc : módulo de elasticidad del concreto

k : módulo de reacción de la subrasantek : módulo de reacción de la subrasante

25.075.0

75.0

46.8

718

)/(42.18

(63.215

)132.1(`log)32.022.4(

)1(10625.1

1

5.15.4log

06.0)1log(35.7log

kEDJ

DcS

D

PSI

DSZW

c

dctoR

OTROS MÉTODOS DE DISEÑOOTROS MÉTODOS DE DISEÑO

• Métodos que limitan falla por corte. Principales propiedades: Métodos que limitan falla por corte. Principales propiedades: cohesión y ángulo de fricción internacohesión y ángulo de fricción interna

• Yoder (1959): uso de fórmulas de TersaghiYoder (1959): uso de fórmulas de Tersaghi• Yoder (1975): ActualizaciónYoder (1975): Actualización

• Métodos que limitan las deflexiones:Métodos que limitan las deflexiones:

• Kansas (1947): 2.54 mmKansas (1947): 2.54 mm• US NAVY (1953): 6.35 mmUS NAVY (1953): 6.35 mm

OTROS MÉTODOS DE DISEÑOOTROS MÉTODOS DE DISEÑO

• Métodos empirico- mecanísticos: métodos racionales basados Métodos empirico- mecanísticos: métodos racionales basados en consideraciones teóricas sobre distribución de esfuerzos y en consideraciones teóricas sobre distribución de esfuerzos y deformaciones.deformaciones.

• Método Chevron (1963)Método Chevron (1963)• Método Shell International Petroleum (1977)Método Shell International Petroleum (1977)• Método del Instituto del Asfalto (1981)Método del Instituto del Asfalto (1981)• Diseño mecanístico de pavimentos NCHRP 1-37A (2002)Diseño mecanístico de pavimentos NCHRP 1-37A (2002)

• Propuesta de nueva guía de diseño AASHTO 2002, para Propuesta de nueva guía de diseño AASHTO 2002, para estructuras nuevas y rehabilitación de pavimentos basado en estructuras nuevas y rehabilitación de pavimentos basado en principios mecanisistas – empíricosprincipios mecanisistas – empíricos

• Introduce el concepto de carga de diseño (Número de pasadas) Introduce el concepto de carga de diseño (Número de pasadas) en lugar de la conversión a ejes equivalente (EAL)en lugar de la conversión a ejes equivalente (EAL)

• Reemplaza el índice de servicio por indicadores de deterioro, Reemplaza el índice de servicio por indicadores de deterioro, funcional y estructuralfuncional y estructural

DISEÑO MECANÍSTICO DISEÑO MECANÍSTICO NCHRP 1 – 37ANCHRP 1 – 37A

• Investigaciones del TxDOT en 2003 Investigaciones del TxDOT en 2003

• Objetivos:Objetivos:• Análisis de sensibilidad de parámetros de entradaAnálisis de sensibilidad de parámetros de entrada• Comparación de resultados con otros métodosComparación de resultados con otros métodos• Revisión de protocolos de ensayos de materialesRevisión de protocolos de ensayos de materiales• Valores iniciales de caracterización de materialesValores iniciales de caracterización de materiales• Establecer criterios de diseñoEstablecer criterios de diseño• Encontrar coeficientes iniciales de calibraciónEncontrar coeficientes iniciales de calibración

• El método requiere un diseño previoEl método requiere un diseño previo

DISEÑO MECANÍSTICO DISEÑO MECANÍSTICO NCHRP 1 – 37ANCHRP 1 – 37A