capítulo 1 volumen i higuera
TRANSCRIPT
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
1/23
1.
PRINCIPIOS BÁSICOS DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS
. En este capítulo se aborda la historia de los pavimentos, la definición de estructura de
pavimento, las funciones de las capas que integran una estructura, las variables de diseño,
la elección de los periodos de diseño y la descripción de los materiales que conforman las
diferentes capas de una estructura de pavimento.
1.1. HISTORIA DE LOS PAVIMENTOS
Cuando la humanidad abandonó la vida nómada empezó la historia del camino, ya que el
sistema de migraciones estacionales la obligaron a retornar a parajes menos inhóspitos.
De esta manera, el primitivo sendero que iba desde la caverna hasta los lugares de
abastecimiento se convirtió en el obligado camino, que era utilizado cada vez que las tribus
regresaban. Sin embargo, el camino no es exclusiva invención del ser humano, puesto que
pequeños y grandes animales establecen, guiados por el instinto, sus propias vías de
comunicación.
Los caminos construidos por los humanos han evolucionado debido a las perentorias
necesidades comerciales, militares y religiosas de la sociedad activa. Actualmente, la
necesidad religiosa no tiene el auge que tuvo en la antigüedad y en la edad media, y es, casi
exclusivamente, la actividad comercial el motor del desarrollo caminero.
Se tiene conocimiento de que ya en la antigüedad existían pavimentos perfectamente
constituidos; es así como en el año 322 a. C. algunas ciudades contaban con pavimentos
de piedras planas por los cuales transitaban seguramente los primeros vehículos de ruedas.
En Creta se encontraron vestigios que datan del 1500 a. C. Los más antiguos pavimentos
se encontraron enAsia. Con eltiempo se fueron extendiendo a Europa, cuando esta comenzó
a dar auge al comercio.
El imperio Romano es el pionero en la red caminera; tenía la necesidad apremiante de
vincular las diferentes regiones en una gran extensión, para poder dominar sus colonias, lo
cual dio lugar a caminos estratégicos y adecuados. El primer camino construido en Roma
data del año 312 a. C., el cual dio comienzo al espléndido sistema vial romano que sorprende
por su eficacia. Además, el tipo de estructura de los pavimentos romanos sorprende por su
similitud con los de hoy .
, FERNANDEZ ORDÓÑEZ, Hernán Otoniel. Conferencias de pavimentos. Universidad del Cauca. Popayan, 1985. p.2.
13
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
2/23
Los prim eros ca minos encontra dos en Am érica se ha lla ba n G ua na ha ní, Cuba y Ja ma ica . Pero
[os gra ndes sistem as ca mineros a merica nos fueron el a zteca y el m ay a, que recorría n M éxico
y pa rte de Am érica Centra l, y el inca , en Am érica del Sur, que fue el m ás extenso, era ra dia l e
ib an h ac ia E cua do r, B oliv ia y A rgentin a. H em án C ortés que dó m a ra villa do a nte lo s e splé ndid os
ca minos que encontró ; se ha lla ba n a rboriza dos a a mbos la dos, tenía n un tra za do cla ro y p reciso,
era n m uy a nchos y pa vim enta dos con enorm es la ja s; su construcción se constitu ía , prim ero,
9.e
uoa-cajade.un
metro de pro fundida d que rellenaban con una capa de
0.80
m de gruesa s
piedras, y después m ateria l de gra nulometría m ás fina pa ra enra za r y da r un a sup erfic ie lisa .
Es
as
com o. los espa ñoles encontra ron ca minos fáciles, útiles y cóm odos .
.La
construcción
de ca rretera s como ciencia a pa rece en Europa por el a ño
1850,
con los
métodos ideados por Tresa guet pa ra la construcción de cam inos. En Ing la terra , ha cia el
a ño de
1820,
Telford diseñó ca minos con superfic ie de roda dura , constru idos con piedra
cuida dosa mente co loca da . Por la m ism a época , M aca da m ideó o tro tipo de construcción,
em plea ndo p iedra irregula r de ta ma ño m edia no en luga r de la s gra ndes usa da s por Te lford.
Este último.tipo de pa vimento ideado por Macadam es utiliza do aún y lleva su nombre; es
una ' estructura que proporciona buena s ca ra cterística s de circula ción en cua lqu ier época
delaño. ' .
H~y seconocen diversos m étodos de d iseño de ca rre tera s y va rios tipos de pa vim entos, en
ra zó n d el crecim ie nto incesa nte de l tránsito , que a umenta la dem anda de ca minos
y
reclama
me jo re s c on dic io ne s y m a y or s eg urid ad, lo que se puso en evidencia desde princip ios del
siglo xx, concre ta mente en
1920,
a ño de la a pa ric ión del a utom óvil.
: . .
En ·e(2Ó 03Ia , r~d via l de Colom bia esta ba confo rm ada por
162,036
km , de los cua les la red
via l básica , a ca rgo de llnstítuto Na ciona l de V ía s
-1
NVIAS-, era de
16,527
km
(10.2%) Y
la
red secunda r ia
y
tercia ria era de. 1 45,409 km (89.8 )2. La red via l de colom bia se encuentra
a dm inistra da por el Institu to Na ciona l de Vía s
(16,527
km ), lo s d ep a rtamento s
(71 ,528
km ),
tos
municipíos (34,9~8·
km ), el Fondo Naciona l de Cam inos Vecina les
(26,811
km)
y
por
entidades
pr ivadas
(12,252'km).
De
16,527 km
de la red via l básica o red prima ria de
Colombia ,
f?,081
km (73: 1
se encuentra n pa vim enta dos, y 4,446 km
(26.9%),
e n a firm a do .
.E n el A nexo E sta distíca s de la red via l co lom bia na se presenta en deta lle la com posición
.d.~[a
red via l de C olom bia . .
? Definidón
. . . .
E l pa vim ento es una estructura via l fo rmada por una o va ria s capa s de ma teria les
selecciona dos que se construy en técnica mente sobre la subra sa nte,
y
es ca pa z de resistir
2
MINISTERIO DE TRANSPORTE. Oficina de planeación. El transporte en cifras. Bogotá D.C .. 2004. p. 36.
3
FE RNÁNDEZ ORDÓI\1EZ , Op. c it. , p. 3.
14
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
3/23
las cargas impuestas por el tránsito
y
la acción del medioambiente, así como transmitir al
suelo de apoyo o fundación esfuerzos y deformaciones tolerables, además de proporcionar
la circulación de los vehículos con rapidez, comodidad, seguridad y economía.
1.2.2. Características de los pavimentos
Para satisfacer adecuadamente sus funciones, un pavimento debe tener [as siguientes
características:
• Ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el tránsito.
• Ser resistente ante los agentes del intemperismo.
• Tener textura adecuada para el rodamiento con una fricción apropiada para evitar el
deslizamiento
y
además resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de [as
llantas.
o Ser durable.
o
Tener condiciones adecuadas respecto al drenaje.
• Ser económico.
• Debe tener el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramientos, y ofrecer una
adecuada seguridad al tránsito.
1.2.3. Clasificación de los pavimentos
Los pavimentos han sido clasificados en:
1.2.3.1. Pavimentos flexibles
Se denominan pavimentos flexibles todos aquellos que están formados por una capa
bituminosa apoyada sobre una o varias capas de gran flexibilidad (base
y
subbase) que
transmiten los esfuerzos al terreno de soporte o fundación mediante un mecanismo de
disipación de tensiones, las cuales van disminuyendo con la profundidad. En el cuadro 1 se
presentan los elementos estructurales que conforman un pavimento flexible y en la figura 1
se muestra el esquema, el corte típico y la distribución del esfuerzo horizontal (o.) y vertical
o)
en una estructura de pavimento flexible.
15
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
4/23
Cuadro 1. Elementos estructurales de los pavimentos flexibles
E L E M E N T O
T I P O S F U N C I O N E S
M A T E R I A L E S B Á S I C O S
C O N S T R U C C I Ó N
1 . S e g ú n s e c c ió n
S u b r a s a n t e e n c o r t e
• S u b r a s a n te e n t e r r a p l é n
• S u b r a s a n t e m ix t a
• R o c a
S u b r a s a n te
2 . S e g ú n e l m a t e ñ a l
• S e r v i r d e fu n d a c i ó n a l p a v i m e n t o
• S u e l o s
• S u b r a s a n l e e n r o c a
o A g u a
• S u b r a s a n t e e n s u e lo a r e n o s o
S u b r a s a n t e e n s u e lo l i m o s o
• S u b r a s a n t e e n s u e l o
p l á s t c o
1 . B a s e s g r a n u l a r e s s i m p l e s
• G r a d a c i ó n a b i e r t a
G ra d a c i ó n d e n s a
• F u n c i ó n e c o n ó m ic a
• G r a d a c ió n in t e r m e d i a
• U n if o r m e
• C a p a d e t r a n s i c i ó n
• A g r e g a d o s
2 . B a s e s d e s u e l o e s t a b i l i z a d a
• D i s m i n u c i ó n d e d e fo r m a c i o n e s
• A g u a
S u e lo - c e m e n to
• R e s i s t e n c i a
• S u e l o
B a s e s y s u b b a s e s
• S u e l o - c a l
• D r e n a j e
• C e m e n t o
• S u e lo - a s f a lt o
• A m o r t í g u a r c a m b io s d e v o l u m e n d e
• A s f a l t o
l a s u b r a s a n t e
• S u e l o s - a d i ti v o s q u ím i c o s
. F a c i li ta r [ i c o n s tr u c c i ó n
• O t r o s
3 . B a s e s a s f á l ti c a s
• S e r v i r d e r o d a d u ra p ro v i s i o n a l
• G r a n u l a r e s t a b i l i z a d a c o n a s fa l to
.
t M a c a d a m a s f á l t i c o
• C o n c r e t o a s f á l t i c o
R i e g o d e
1 . l m p r im a d ó n
• L i g a r
• A s f a l t o l í q u i d o
i m p r i m a c i ó n
• I m p e r m e a b il i z a r
• E m u l s i o n e s a s f á lt ic a s
1 . T r a t a m i e n t o s s u p e rf i c i a l e s
• S i m p l e
• D o b l e
• T r i p l e
• P r o v e e r u n a s u p e rf i c i e d e r o d a d u r a
• C u á d ru p le
s u a v e s e g u r a
y
c ó m o d a
• A g r e g a d o s
C a r p e t a a s f á lí ic a
2 . M a c a d a m a s f á lt i c o
• I m p e r m e a b il i z a r l a e s t r u c t u r a
• A s f a l to
3 . C o n c r e to a s f á l t i c o
• M e j o r a r l a c a p a c i d a d e s t r u c t u r a l
-
r e s i s t e n c i a
• O tr o s
~ M e z c la e n v í a
• L i m p i e z a
• M e z c la e n p l a n t a e n fr í o o e n c a l i e n te
• M a c a d a m a s f á l t ic o
• C o n c r e to a s íá l í l c o
Fuente: FERNÁNDEZ ORDÓÑEZ, Hernán Otoniel. Conferencias de pavimentos. Universidad del Cauca. Popayán,
1985. p. 10.
16
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
5/23
Figura 1. Esquema, corte típico y diagrama de distribución de esfuerzos en un pavimento flexible
Pavimento flexible
Distribución de esfuerzos, kglcm
2
15 -10
5 o
5 10
hCA
-
Esfuerzo vertical /
,
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
6/23
Cuadro 2.
ELEMENTO
Elementos estructurales de los pavimentos rígidos
TIPOS
Subrasante
1. Según sección
• Subrasante en corte
• Subrasante en terraplén
• Subrasante mixta
2. Según el material
• Subrasante en roca
• Subrasante en suelo arenoso
• Subrasante en suelo limoso
• Subrasante en suelo plástico
Bases
y
subbases
1,BasEl.s gri lnu[ares simples
.,. Gradación abierta
..;; Gradacióndensa
•. Gradación intermedia
• Unlforme..
2. Bases de suelo estabilizada
• Suelo - cemento
• Suelo - cal
• Suelo - asfalto
• Suelos - adit ivos químicos
3. Bases asfálticas
FUNCIONES
• Servir de fundación al pavimento
• Capa de transición
• Dar capacidad .a t pavimente
• Arnortlquarcarnblós
de
volumen
d e
la subrasante . ;
• Facili tar el drenaje .. ..
• Facilitar la construcción,
• Servir de rodadura provisional
• Prevenir el fenómeno de bombeo
MATERIALES BÁSICOS
DE CONSTRUCCiÓN
• Roca
• Suelos
• Agua
. Agregados
.• : Agua
• Suelo
• Cemento
• Asfalto
• Otros
Elemento
antifriccionante
• Riegos asfálticos
• Tela de polietileno
• Otros
• De concreto simple
• De concreto reforzado
• De concreto preesforzado
Losa
Juntas
1. Según su función
• De construcción - contracción
• De expansión y alabeo
2. Según su posición
• Longitudinal
• Transversal
3. Según su forma
• Al tope, caras planas
• Con luz
4. Según refuerzo
• Sin pasadores
• Con pasadores transferencia)
• Reducir fricción entre la base
y
la
losa
• Resistencia estructural
• Superficie de rodadura
• Impermeabilización
• Facilitar la construcción
• Controlar el agrietamiento por
expansión, contracción o alabeo de
las losas.
• Asfalto
• Polietileno
• Otros
• Concreto
• Acero de refuerzo
• L1enante
• Sellantes .
• Acero
Fuente: FERNÁNDEZ ORDÓÑEZ, Hernán Otoniel. Conferencias de pavimentos. Universidad del Cauca. Popayán,
1985. p. 11.
Figura 2. Esquema, corte típico y diagrama de transmisión de la carga en un pavimento rígido
Pavimento rígido
18
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
7/23
1.2.3.3. Pavimentos semirrígidos
hsb g
Losa de concreto
Diagrama de distribución de la carga en un
.:. . pavimento rígido,: . : > . . . .: : . . . ; :
~ .f-;.
.
En las últimas décadas se ha extendido el uso de un núevo tipo de estructura que podríamos
llamar 'pavimento mixto o semirrígido , que es, esencialmente, un pavimento flexible en el
cual a alguna de sus capas se le ha dado una rigidez alta, mediante tratamientos específicos
con asfalto, cemento, cal u otros productos. La transmisión de los esfuerzos al suelo de
soporte o fundación se hace en parte por disipación y otro tanto por repartición, por eso se
asume que tienen un comportamiento mixto.
En la figura 3 se muestra el corte típico y la distribución de esfuerzos horizontales o) y
verticales o) en una estructura de pavimento semirrígido.
Figura 3. Corte típico y diagrama de distribución de esfuerzos en un pavimento semirrígido
1.2.3.4. Pavimentos articulados
Distribución de esfuerzos,
kg m
15
10
10
o
5
5
Esfuerzo vertical .-/
-
'- Esfuerzo horizontal
4
0.5
0.6
Es el pavimento formado por elementos prefabricados (bloques o adoquines) de pequeñas
dimensiones, que individualmente son muy rígidos y se asientan sobre una capa de arena.
Estos van asentados sobre la subbase o directamente sobre la subrasante, dependiendo
de la calidad de ésta. Transmiten los esfuerzos al suelo de soporte mediante un mecanismo
de disipación de tensiones.
19
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
8/23
En la figura 4 se muestra el esquema y un corte típico de un pavimento articulado y en el
cuadro 3 se muestran los elementos estructurales de un pavimento articulado.
Figura 4. Modelo estructural de un pavimento articulado
Pavimento articulado
80-100 mm
50mm
h
Sbg
Corte típico de un pavimento articulado
Cuadro 3. Elementos estructurales de los pavimentos articulados
ELEMENTO
TIPOS
FUNCIONES
MATERIALES BÁSICOS
DE CONSTRUCCiÓN
1. Según sección
• Subrasante en corte
• Subrasante en terraplén
• Subrasante mixta
• Roca
Subrasante
2. Según el material
• Servir de fundación al pavimento
• Suelos
• Subrasante en roca
• Agua
• Subrasante en suelo arenoso
• Subrasante en suelo limoso
• Subrasante en suelo plástico
1. Bases granulares simples
• Gradación abierta
• Gradación densa
• Gradación intermedia
• Dar capacidad al pavimento
• Uniforme
• Agregados
2. Bases de suelo estabilizada
• Amortiguar cambios de volumen de
• Agua
la subrasante
Bases y/o subbases
• Suelos - cemento
• Facilitar el drenaje
• Suelo
o Suelo - cal
• Facilitar la construcción
• Cemento
• Suelo - asfalto
• Servir de rodadura provisional
• Asfalto
• Suelos - aditivos químicos
• Prevenir el bombeo
• Otros
3. Bases asfálticas
• Granular estabilizada con asfalto
• Macadam asfáltico
• Concreto asfáltico
1. Bloque en piedra
o Proveer una superficie suave y
o
Piedra
2. Bloque en madera
segura
• Madera
Elementos de
3. Bloque en ladr illo
• Mejorar la capacidad estructural
• Ladrillo
superficie
4. Bloque de concreto
• Impermeabilizar
5. Bloque de otros materiales
• Limpieza
• Concreto
• Ornato
• Otros
Fuente: FERNÁNDEZ ORDÓÑEZ, Hernán Otoniel. Conferencias de pavimentos. Universidad del Cauca. Popayán,
1985. p. 12.
2
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
9/23
1.2.4. Funciones de los pavimentos
Las funciones de las diversas capas de una estructura de un pavimento flexible, rígido y
articulado son las siguientes:
1.2.4.1.
Funciones de las capas de los pavimentos flexibles
a. Subrasante
. Servir de fundación al pavimento.
b. Subbase
o
Función económica: Una de las principales funciones de esta capa es netamente
económica; en efecto, el espesor total que se requiere para que el nivel de esfuerzos en
la subrasante sea igualo menor que su propia resistencia, puede ser construido con
materiales de alta calidad; sin embargo, es preferible distribuir las capas más calificadas
en la parte superior y colocar en la parte inferior del pavimento la capa de menor calidad,
la cual es frecuentemente la más barata. Esta solución puede traer consigo un aumento
en el espesor total del pavimento y, no obstante, resultar más económico.
• Capa de transición: La subbase bien diseñada impide la penetración de (os materiales
que constituyen la base con los de la subrasante y, por otra parte, actúa como filtro de la
base, impidiendo que los finos de (asubrasante la contaminen
y
menoscaben su calidad.
• Disminución de deformaciones: Algunos cambios volumétricos de la capa subrasante,
generalmente asociados a cambios en su contenido de humedad (expansiones) o a
cambios extremos de temperatura (heladas), pueden absorberse con la capa de subbase,
impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la superficie de rodamiento.
• Distribución de esfuerzos: En la subbase continúa la disipación de esfuerzos
transmitidos por la base, de manera que las presiones verticales a nivel de subrasante
sean menores a las admisibles.
• Resistencia: La subbase debe soportar los esfuerzos transmitidos por las cargas de
los vehículos a través de las capas superiores
y
transmitirlos a un nivel adecuado a la
subrasante.
c. Base
C I Función económica: Respecto a la carpeta
asfáltica,
la base tiene una función
económica análoga a la que tiene la sub base.
21
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
10/23
• Drenaje: En muchos casos [a base debe drenar e[ agua que se introduzca a través de la
carpeta o por [as bermas, así como impedir la ascensión capilar .
• Distribución de esfuerzos: La función primordial de la base es la de absorber los
esfuerzos horizontales de tracción generados en la fibra inferior de la carpeta asfáltica.
ID
Resistencia: La función fundamental de la base de un pavimento es proporcionar un
elemento resistente que transmita a la subbase y a la subrasante [os esfuerzos producidos
por el tránsito en una intensidad apropiada.
d.
Carpeta
asfáltíca
o
Superficie de rodamiento: La carpeta debe proporcionar una superficie uniforme,
estable
y
segura al tránsito, de textura
y
color conveniente
y
resistir los efectos abrasivos
del tránsito .
• Impermeabilidad: Hasta donde sea posible, debe impedir e[ paso del agua al interior
del pavimento.
• Distribución de esfuerzos: La carpeta asfáltica está sometida básicamente a esfuerzos
de compresión y tensión. La función principal es la de disipar los esfuerzos horizontales
generados por las cargas de los vehículos, pasando de unvalor positivo (de compresión)
en la superficie a uno negativo (de tracción) en la fibra inferior; de manera que no se
produzca el agrietamiento de la capa.
• Resistencia: Su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del
pavimento.
1.2.4.2. Funciones de las capas de los pavimentos rígidos
a. Subrasante
• Servir de fundación al pavimento.
b. Subbase
• La función más importante es impedir la acción del bombeo en las juntas, grietas y
extremos del pavimento.
• Servir como capa de transición
y
suministrar un apoyo uniforme, estable y permanente al
pavimento.
22
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
11/23
., Facilitar los trabajos de pavimentación.
• Mejorar el drenaje y reducir por tanto al mínimo la acumulación de agua bajo el pavimento.
e a
Ayudar a controlar los cambios volumétricos de la subrasante y disminuir al mínimo la
acción superficial detales cambios volumétricos sobre el pavimento.
• Mejorar en parte la capacidad de soporte del suelo de la subrasante.
C.
Losa de concreto
o
Superficie de rodamiento: La carpeta debe proporcionar una superficie uniforme y
estable al tránsito, de textura y color conveniente y resistir los efectos abrasivos del tránsito.
o lmpermeabilidad: Hasta donde sea posible, debe impedir el paso del agua al interior
del pavimento .
•• Resistencia: Su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del
pavimento.
• Función estructural: Soportar y transmitir adecuadamente los esfuerzos que se le
apliquen.
1.2.4.3.
Funciones de las capas de los pavimentos articulados
a. Subrasante
• Servir de fundación al pavimento
b. Subbase
• Dar capacidad estructural al pavimento
• Amortiguar cambios de [a subrasante
11 Facilitar el drenaje
D
Facilitar la construcción
11 Prevenir el bombeo
23
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
12/23
c. Elementos de superficie adoquines o bloques)
• Proveer una superficie suave y segura
• Mejorar capacidad estructural
• Ornato
1.3. VARIABLES QUE AFECTAN EL DISEÑO
J
LA CONSTRUCCiÓN Y EL
COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS
Las principales variables que deben considerarse para el diseño, la construcción y el
comportamiento de las estructuras de pavimento son:
a. Estructurales
• Terreno de fundación o subrasante
• El pavimento (flexible, rígido, semirrígido o articulado), constituido por capas (subbase,
base, capa de rodadura) con un espesor determinado
y
unas condiciones mecánicas de
cada capa y del conjunto.
b. El tránsito
•• El tipo de vehículo
• Peso del vehículo
• Clase de ejes
• Cargas por eje
• Presión y área de contacto de las llantas
• Velocidad de aplicación de la carga
• Impacto
• Número de aplicaciones de carga
24
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
13/23
c Clima y condiciones regionales
• Lluvias
• Cambios de temperatura
o Topografía
o índices regionales (humedad. presión atmosférica, vientos, nubosidad, etc.)
d Los costos
o Costos de construcción
• Costos de conservación y mantenimiento
e.
Factores intrínsecos
• Resistencia estructural
• Deformabilidad
• Durabilidad
4 ÁREA DE CONTACTO Y PRESiÓN DE CONTACTO
Los métodos de diseño de pavimentos actuales asumen una carga de neumático estática
aplicada sobre la superficie de pavimento (Yodery Witczak, 1975; Huang, 2004). La figura
5 muestra la presión de contacto (q), la presión de inflado del neumático (Pi) y el área de
contacto (Ac).
Figura 5. Presión de contacto, presión de inflado del neumático
y
área de contacto
Área de contacto ~
Presión de
inflado
\
Presión de contacto
25
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
14/23
En la mayoría de los casos se asumen dos supuestos: (1) la presión de contacto se distribuye
de manera uniforme en toda el área de contacto y (2) la presión de contacto es igual a la
presión de los neumáticos, así:
q=Pi
Ecuación 1
El área de contacto se relaciona con la carga y la presión de los neumáticos así:
P
a=-
q
Ecuación 2
Donde:
P:
Carga aplicada
a: Radio de carga
q
Presión de contacto
Pi:
Presión de inflado del neumático
Para el análisis se consideran dos tipos de huellas: (1) circular o redondeada y (2)
rectangular con extremos redondeados.
1.4.1. Huella ci rcu lar o redondeada
Si se considera un plato de carga se tiene:
P P
q ~
t
Ac
Ecuación
3
Donde:
Ac:
Área de contacto.
Expresando el área de contacto (Ac), en función del radio de carga, se tiene:
Ecuación
4
Donde:
st: Pi (3.141516).
Luego de reemplazar Ac en la ecuación 3, se obtiene:
26
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
15/23
a J q
Ecuación 5
Figura 6. Huella circular o redondeada
1.4.2. Huella rectangular con extremos redondeados
La figura 7muestra la forma aproximada del área de contacto para una rueda, la cual está
conformada por un rectángulo y dos semicírculos. Considerando un plato de carga de longitud
L y ancho 0.6 L se tiene:
Ac
=11:
(0.3
L y
+
OALx
O.6L)
Ecuación 6a
Ac=O.5227e
Ecuación 6b
Donde:
Ac:
Área de contacto
L:
Longitud de [a huella
n:
Pi (3.141516)
La longitud de la rueda se determina a partir de [a relación entre la carga aplicada, el área y
[a presión de contacto presentada en la ecuación 3. Por lo tanto, la longitud de la huella es:
L-
¡;::c-
~ o s
Ecuación 7
En el procedimiento de diseño por elementos finitos de la PCA se asume un área rectangular
de longitud 0.8712 Ly de ancho 0.6 L, equivalente al área de una huella circular con extremos
redondeados de 0.5227 L 2
27
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
16/23
Figura 7. Huella rectangular con extremos redondeados
y
rectangular equivalente
T
1
1
T
T
I
I I
I
6 L
r e 0.5227L I
0.6 L
Ac
=
O.522 7L2
0.6 L
1
1 1
I
I
I
I
f <
L
> 1
~~ 0.8712L
4
En el cuadro 4 se presenta, para varios tamaños de ruedas de uso típico de los vehículos
comerciales, la relación entre la carga de eje y la presión de ínflado tanto para ruedas
simples y dobles. También se muestra el espacia miento mínimo entre centros para ruedas
dobles.
Cuadro 4. Características de ruedas típicas de los vehículos comerciales
ESPACIO
PRESION DE INFLADO, kl>a
TAMAÑO NOMiNAl
TIPO DE ENTRE
300 I 325 I 350 I 375 I 400 I 425 I 450 I 475 I 500 I 525 ¡ 550 I 575 I 600 I 625 I 650 I 675 I 700 I 725 I 750 I 775 I 000
RUEDA
RU EOAS
MINIMO,mm
PESO POR RUEDA, kg
6.50-20 Simple
1500 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2120 2210 2320 2430
Doble 2GB
:za2D 2820
3010 3200 3400 3600 3800 4000 4220 4410 4600
7.00-20
Simple
1800 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800
Doble
222
:>400 3400 3600 3800 4020 4240 4360 4540 4720 4900 5090 5280
7.50-20
SimplG
1910 1910 2050 2200 2350 2500 2650 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600
Doble 239
3460 3480 3750 4020 4~0 4560 4830 5280 5520 5760 6000 8200 6400 6600 6800 7000
6.2>-17 617 Simple -
21DO 2100 2250 2400 2540 265D 2820 2960 3100 3200 3260 3400 :>480 3590 3700 3800
OOOle
263
3800 ~BOO4090 4350 4600 485D 5100 5350 5600 5800 6000 6200 6450 6700 6950 nao
8.25-20620 Simple
2220 2220 2370 252G 2570 2820 ~70 3120 3260 3400 3520 3650 3800 3900 4010 4120
9.00-22.51 822.S)
Doble
263
4000 4000 4300 4600 4900 S20D 5SOO 5800 6100 6400 6660 6930 n o o 7400 7600 7800
9.00-20 C20
Simple
2640 2640 2810 2980 3150 3300 3450 3600 3700 3950 4120 4240 4360 4480 4610 4740 4870 5000
10.00-22.5 C22.5
Doble
311
4610 4610 4920 5230 5540 5850 6160 6470 6780 7090 7400 7680 7960 8240 3460 8720 8960
9200
10.00-20 020
Simp le
3000 3000 3160 3320 3460 3640 3800 3960 412G 4280 4440 4600 4770 4940 5120 5300 5440 5580 5720 5860 6000
11.0{h; 2.S022.5
Doble 329
5400 5400 569 6000 6310 6620 6930 7240 7550 7 liD 8170 8480 8740 9010 9280 9720 9520 100 lO10360 10630 10900
11.00-20 E20
Simple
3160 3160 3330 3500 3680 3660 4040 4220 4400 45B(] 4760 4940 5120 5300 5400 5600 5800 60ao 6200 6350 6500
12.00-22.5 E22.5
Doble 354
5720 5720 6030 6340 6650 6960 7270 7560 7890 8200 8510 8820 9130 9440 9760 10140 1052010900 11,40 11370 11600
11.00-22 E22
Simple
3240 3240 3420 seee 3760 3960 4140 4320 4500 4680 4660 5040 5220 5400 5600 5800 6000 6150 6330 6510 6700
Dob le
329
5630 5830 6160 6480 6800 7130 7510 7840 8170 a500 Sa30 9160 9480 9800 10140104701080011200 11460 1173012000
Fuente: CRONEY, David
y
CRONEY, Paul. The design and performance ofroad pavernents. Segunda edición. McGraw HilL Reino
Unido, 1992. pp, 82-83.
1.4.3. Ejemplos de aplicación
a. Rueda doble con huella circular
Un eje sencillo de rueda doble tiene una carga de 8.2 toneladas. Calcule el radio de carga
de cada llanta para una presión de contacto de 5.6
kg m
Si el eje es de rueda sencilla,
determine el área de contacto
y
el radio de carga.
De acuerdo con la ecuación 3, para una carga por llanta de : ;;;;2,050 kg se tiene:
28
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
17/23
Ac = 2,050 kg = 366.07 cm
2
5.6 kglcm
2
.
De la ecuación 5, el radio de carga es:
_~366.07cm2 -108
a- - .
cm
1t
Para una carga por llanta de ~ = 4,100 kg, se tiene:
Ac= 4,100kg =732.14cm
2
5 6 kglcm
2
El radio de carga es:
a=~732.1:cm2 =15.27cm
b. Rueda doble con huella rectangular con extremos redondeados
Un eje simple de rueda sencilla soporta una carga de 8.2 toneladas. Calcule las dimensiones
de la huella rectangular con extremos redondeados si la presión de contacto es de
5.6 kg/cm
2
.
De acuerdo con la ecuación 3, para una carga por llanta de ~
=
4,100 kg se tiene:
Ac= 4,100kg =732.14 cm
5.6
kg/cm
2
De acuerdo con la ecuación 7 la longitud de la huella es:
L = 732.14 cm
2
= 37.42 cm
0.5227
1.5. PERIODO DE DISEÑO DE LAS ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS
FLEXIBLES4
1.5.1. Periodo de análisis y periodo de diseño estructural
El periodo de análisis (PA) es un periodo convenientemente planeado durante el cual es
indeseable una reconstrucción de la vía. El periodo de diseño estructural (POE) está definido
como el período durante el cual está previsto, con alto grado de confiabilidad, que no se
• INVIAS. Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios
y
altos volúmenes de tránsito. Bogota D.C., 1998. pp.
7-9.
29
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
18/23
requerirá ningún mantenimiento estructural. Con el fin de satisfacer el objetivo del diseño, de
seleccionar e pavimento óptimo en términos del valor presente de los costos globales, es
necesario considerar la forma en que se espera que el pavimento se desempeñe du rante el
periodo de análisis. La manera en que la estrategia de diseño puede ser presentada
dependerá, en gran medida, de la relación entre deterioro y tiempo y/o número de ejes
equivalentes, la cual muestra una tendencia generalizada de la disminución en calidad de
circulación con el tiempo yel número acumulado de ejes equivalentes.
Figura 8 . Perio do de análisis (PA) y periodo de dise ño estru ctu ra l (P OE)
PA
Deterioro
Mantenimiento
(capas de refuerzo, ete.)
Reconstrucció n
PDE
Edad (a ños )
1.5.2. Selección del periodo de análisis y del periodo de diseño estructural
Para [a selección de los periodos de análisis y diseño, las vías se clasifican como se presenta
en el cuadro 5.
C ua dro 5. Ca tegoría s de la s vía s
CATEG O R íA DE LA VíA
I
J l
1 1 1
Especia l
Autopistas
Colecta ras
Cam inos rur a le s
DESCRIPCiÓN
interu rb a n a s, interurbanas,
con t ráns ito
Pav imento s
cam inos cam inos rura les e
mediano, caminos
espe cia le s e
interurbanos indust ria les
innovaciones
principales
principales
estratégicos
Importancia
Muy Importante
Importante
. Poco im portante
Importa nte apoco
importante
Tránsit o p romedio
>
5,000
1,000 10,000
<
1,000
<
10,000
diario
Fuente: INVIAS. Manual de diseño de pavimentos asfáltieos en vías con medios
y
altos volúmenes de tránsito. Bogotá D.C.,
1998. p. 7.
3
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
19/23
1.5.3. Selección del periodo de análisis
El periodo de análisis es un periodo de cómputo de costos reales en vías nuevas. Existe
una diferencia entre el periodo de análisis
y
el periodo total sobre el cual la ruta es usada. El
periodo de análisis es a menudo relacionado con la vida geométrica. Si el trazado de la vía
es fijo, se debe usar un periodo de análisis relativamente largo (por ejemplo, 30 años). En el
caso de una vida geométrica corta, en una situación de tránsito cambiante, se debe usar un
periodo de análisis corto. En el caso de un pavimento de vida limitada (por ejemplo, caminos
de penetración) se deberá usartambién un periodo de análisis más corto. En el cuadro 6 se
muestran los rangos
y
los periodos de análisis recomendados. Estos valores deberán ser
usados para el análisis económico, de no existir información disponible más detallada.
Cuadro 6. Periodos de análisis recomendados
PERIODO DE ANÁLISIS (PA) AÑOS
CATEGORfA DE LA VíA
Rango
Periodo recomendado
Geometría fija
Condiciones inciertas
I
20-40
30
-
II 15-30
30
25
1 1 1
10- 30
30
20
Especial
10-30 30
20-25
Fuente: INVIAS. Manual de diseño de pavimentos asfált icos en vias con medios
y
altos volúmenes de tránsito. Bogotá D.C..
1998.
p.
8.
1.5.4. Selección del periodo de diseño estructural
a. Categoría I
Para las carreteras de la categoría 1,el periodo de diseño estructura debe ser razonablemente
largo debido a que:
• No es políticamente aceptable para las autoridades de carreteras cargar con grandes
rehabilitaciones a pavimentos recientemente construidos.
• Los costos de los usuarios son altos
y
los costos originados por interrupciones del tránsito
probablemente cancelen cualquier ahorro resultante de la elección de un periodo de diseño
estructural más corto.
• La geometría de la vía es normalmente fija.
El periodo de diseño estructural adoptado en este documento es de 20 años para los
pavimentos de categoría 1,como se muestra en el cuadro 7.
31
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
20/23
b. Categoría 11
Para las carreteras de la categoría 1I, el periodo de diseño estructura puede variar
dependiendo de las circunstancias. Periodos de diseño estructural largos (20 años) serán
elegidos cuando las circunstancias sean las mismas que para los caminos de la categoría 1.
Los factores que pueden derivar en la elección de periodos de diseño estructural más cortos
incluyen:
• Una vida geométrica corta debido a una situación de tránsito cambiante .
• Una carencia de fondos a corto plazo.
o Una falta de confianza en las suposiciones de diseño, especialmente en el tránsito de
diseño.
Los periodos de diseño estru ctural pueden variar entre 1OY20 años. Normal mente se usará
un periodo de 15 años, como se muestra en el cuadro 7.
c. Categoría 111
. Para las vías de la categoría 111sualmente es más económico seleccionar un periodo de
diseño estructural corto de 10 años. Sin embargo, cuando la rehabilitación estructural al final
de dicho tiempo sea dificultosa o no práctica, se puede seleccionar un periodo más largo,
hasta de 20 años, según se muestra en el cuadro 7.
Cuadro 7. Periodos de diseño estructural recomendados
CATEGORíA DE LA V A
PERIODO DE DISEÑO ESTRUCTURAL (PDE) AÑOS
Rango
Recomendado
I
10 - 30
20
1 1
10 - 20
15
1 1 1
10 - 20 10
Especiales
7-20
10-15
Fuente: INVIAS. Manual de diseño de pavimentos asfált icos en vías con medios
y
altos volúmenes de tránsito. Bogotá
D.C., 1998. p. 9.
1.6. MATERIALES QUE COMPONEN LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS
FLEXIBLES5
1.6.1. Listado general de materiales para pavimentos
La selección de materiales para diseño de pavimentos está basada en una combinación de
factores como calidad, disponibilidad, economía y experiencia previa de uso. Estos factores
necesitan ser evaluados durante el diseño, en orden a seleccionar los materiales que mejor
se adapten a las condiciones del proyecto.
5
INVIAS, Op.cit. pp. 55.56.
32
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
21/23
Tipo de eje
Sencillo rueda simple
Sencillo rueda doble
Tándem de rueda doble
Tridem de rueda doble
Peso, toneladas
6.6
8.2
15.0
23.0
E-916-07: Método para la determinacíóndel deterioro de geotextiles por exposición a la
luz,la humedad yel calor en un aparato de tipo arco de xenón.
E-917-07: Método de prueba estándar para determinar el desempeño de un manto para
control de erosión (mce) en la protección de taludes y laderas de la erosión
producida por la lluvia.
1.8. TALLER DE APUCACIÓN
o
¿Qué es un pavimento? ¿Cuáles son los tipos de pavimentos? Definir.
o
¿Cuáles son las características que debe cumplir un pavimento?
• ¿Cuáles son las funciones de las capas de un pavimento flexible, rígido y articulado?
• ¿Cuál es la incidencia de las obras de drenaje y subdrenaje en el pavimento?
o
¿Cuáles son los variables que participan en el diseño, construcción
y
comportamiento de
un pavimento?
• ¿Cómo influye el nivel freático en la resistencia de la subrasante y en el comportamiento
del pavimento?
o ¿Cómo influye el número de aplicaciones de carga en la estructura del pavimento?
IJ Determine el peso de cada rueda y el área de la huella para los siguientes ejes,
considerando una presión de inflado de q = 5.6 kg/cm
2
•
• Una llanta soporta una carga de 2.0 toneladas. Analice el comportamiento del área de la
huella si la presión de inflado varía de 5.0 kg/cm
2
a 7.0 kg/cm
2
,
con incrementos de 0.25
kg/cm
2
. Presente [as conclusiones del análisis, ilustrar con gráficos
y
cuadros.
• La huella de una llanta es de 339 cm
2
y su presión de inflado es de 5.6 kg/cm
2
• Determinar
el peso de un eje tridem de rueda doble, de un eje tándem de rueda doble y de un eje
simple de rueda doble.
51
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
22/23
• Determinar el índice m/km de vías pavimentadas, en afirmado y en tierra de cada uno de
los departamentos de [a República de Colombia. Determine el índice total por
departamento y el lndice total del país. ¿Qué conclusiones puede deducir del análisis? Si
compara el índice del país con los países deAmérica del Sur, ¿qué conclusiones obtiene?
• Un sistema está conformado por dos llantas que soportan una carga de 2,050 kg cada
una
y
una presión de contacto de 5.6 kg/cm
2
.
Determinar el área de contacto
y
el radio si
se considera que la forma de la huella es circular. Sí la carga del sistema la soporta
solamente una llanta, determinar el área de contacto
y
su radio.
• Un sistema está conformado por dos llantas que soportan una carga de 2,050 kg cada
una
y
una presión de contacto de 5.6 kg/cm
2
.
Determinar el área de contacto y las
dimensiones si se considera que la forma de [a huella es rectangular con extremos
redondeados. Si la carga del sistema la soporta solamente una llanta, determinar el área
de contacto y las dimensiones de la huella semicircular.
• ¿Cuáles son las especificaciones de calidad de un material de subrasante, afirmado,
subbase y base del INVIAS? Describir en detalle.
1.9. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
CRON EY,David y CRON EY, Paul. The design and performance of road pavements. Segunda
edición. McGraw HíII. Reino Unido, 1992.
FERNÁNDEZ ORDÓÑEZ, Hernán Otonie . Conferencias sobre pavimentos. Universidad
de[Cauca.Popayán,1985.
HIGUERASANDOVAL, Carlos Hernando. Conferencia
y
apuntes de pavimentos. XVII Curso
de Especialización en Vías, Instituto de Posgrado en Vías e Ingeniería Civil. Universidad del
Cauca. Popayán, 1984.
____ Comportamiento de la deflexión en función de los parámetros de diseño de una
estructura de pavimento. Trabajo de investigación. Escuela de Transporte y Vías, Facultad
de Ingeniería, Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. Tunja, 2006.
____ Mecánica de pavimentos - Principios básicos. ISBN 978-958-660-122-1.
Escuela de Transporte y vlas, Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica y Tecnológica
de Colombia. Tunja, 2008.
____ Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimentos para
carreteras. Escuela de Transporte y Vías. Facultad de Ingeniería. Universidad Pedagógica
y
Tecnológica de Colombia. Tunja, 2006.
52
-
8/18/2019 Capítulo 1 Volumen I Higuera
23/23
HUANG, Yang H. Pavementanalysis and designoUniversidad de Kentucky. Segunda edición.
Prentice Hall. New Jersey, 2004.
KRAEMER, Carlos y DEL VAL, Miguel Ángel. Firmes y pavimentos. Universidad Politécnica
de Madrid. España, 1996.
L1LLI, Félix J. Curso sobre diseño racional de pavimentos flexibles. Instituto de Posgrado en
Vías e Ingeniería Civil. Universidad del Cauca, Popayán, 1987.
LONDOÑO N. Cipriano
A
Diseño, construcción
y
mantenimiento de pavimentos de concreto.
Instituto Colombiano de Productores de Cemento -ICPC-. Medellín, 2001.
INSTITUTO NACIONALDE VíAS -1NVIAS-. Diseño de pavimentos asfálticos para vías con
bajos volúmenes de tránsito. Bogotá D.C., 2007.
____ Diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito.
Bogotá D.C.,
1998.
____ Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos
asfálticos de carreteras. Segunda edición. Bogotá D.C., 2008.
____ Normas de ensayo para materiales de carreteras. Bogotá D.C., 2007.
SÁNCHEZ SABOGAL, Fernando. Pavimentos - Fundamentos teóricos, guías para diseño.
Tomo 1.Bogotá, D.C.,
1984.
____ Pavimentos - Materiales para la construcción, evaluación de pavimentos en
servicio, diseño de obras de mejoramiento. Tomo 11.Bogotá D.C.,
1985.
YODER, Eldon Joseph
y
WITCZAK, Matthew. Principies of pavement designo Segunda
edición. John Wiley
&
Sons. Nueva York, 197-5.
WASHINGTON STATE DEPARTMENT OF TRANSPORTATION. WSDOT Pavement Guide
fordesign, evaluation and rehabilitation, Volumen 2. Washington D.C.,
1998.
53