Criterios de diseño

En los procedimientos de diseño, la estructura de un pavimento es considerada como un sistema de capas múltiples y los materiales de cada una de las capas se caracterizan por su propio Módulo de Elasticidad. La evaluación de tránsito esta dada por la repetición de una carga en un eje simple equivalente de 80 kN (18,000 Ibs) aplicada al pavimento en un conjunto de dos juegos de llantas dobles. Para propósitos de análisis estas dobles llantas equivalen a dos platos circulares con un radio de 115 mm ó 4.52" espaciados 345 mm ó 13.57" centro a centro, correspondiéndole 80 kN ó 18,000 Ibs de carga al eje y 483 kPa ó 70 PSI de presión de contacto sobre la superficie. Este procedimiento puede ser usado para el diseño de pavimentos compuestos de varias combinaciones de superficies, bases y subbases. La subrasante que es la capa más baja de la estructura de pavimento, se asume infinita en el sentido vertical y horizontal; las otras capas de espesor finito son asumidas finitas en dirección horizontal. En la superficie de contacto entre las capas se asume que existe una completa continuidad o adherencia.

Selección de variables de diseño

Las propiedades de la subrasante, características de los materiales, importancia del tránsito, factores de medio ambiente y otro tipo de variables, son las que intervienen en el diseño de estructuras de pavimento. Muchas veces, para caminos y calles de menor importancia, la información no está disponible o actualizada, por lo que es necesario recabarla. Algunos valores de diseño están especificados y pueden variar con el tipo de carretera ó nivel de tránsito. Para tránsito pesado se han seleccionado valores más conservadores con resultado de espesores mayores. Por ejemplo, un valor de esfuerzo de diseño para la subrasante, puede resultar bajo para un tránsito pesado pero aceptable para un tráfico liviano. Poco conocimiento de las características de la subrasante y las propiedades de otros materiales particularmente de la pavimentación, variarán su calidad y desempeño, lo que traerá como consecuencia un alto costo de mantenimiento; también la selección del tipo de base puede afectar el comportamiento del pavimento.

Clasificación de calles y carreteras

La clasificación es el proceso por medio del cual las calles y carreteras son organizadas dentro de un sistema funcional, de acuerdo con el carácter de servicio que prestan y que ayude a seleccionar los factores apropiados de tránsito y otras variables que sean necesarias, según se muestran en la tabla 2-1:

Tabla 2-1 Clasificación funcional de las carreteras Regionales, Volúmenes de Tránsito, Número de carriles y Tipo de Superficie de Rodadura

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO

Introducción 

Dentro de las consideraciones que deben tomarse en cuenta para el diseño de estructuras de pavimento, es necesario analizar fundamentalmente la problemática que representa el comportamiento de los pavimentos debido al tránsito, ya que éste se incrementa conforme el desarrollo tecnológico y crecimiento demográfico, lo que trae a su vez mayor cantidad de repetición de ejes y cargas. Por ello, es necesario la selección de apropiados factores para el diseño estructural de los diferentes tipos de pavimentos, por lo que deberá tomarse en cuenta la clasificación de la carretera dentro de la red vial, la selección de los diferentes tipos de materiales a utilizarse, el tránsito y los procesos de construcción. En los siguientes capítulos, se encontrarán diferentes métodos para la determinación de los factores de diseño y su uso. Es necesario tener conocimiento sobre el tránsito, medio ambiente y condiciones de la subrasante para la cantidad de vehículos que circula en las carreteras, adicionalmente la calidad de materiales y especificaciones o normas de construcción son requeridas para mejorar el rendimiento de ellas por muchos períodos de tiempo.

Resumen

a) El desarrollo de carreteras en forma técnica comenzó en Centroamérica en el siglo pasado, alrededor de los años 40, debido al aprovechamiento de los adelantos tecnológicos en materia de transporte. Todo ello requirió la ampliación de las mismas, así como un desarrollo adecuado de sus normas geométricas, tanto en el alineamiento horizontal como vertical, para brindarle seguridad y comodidad al usuario.

 b) Este desarrollo obligó a que las carreteras se mantuvieran en buenas condiciones durante el mayor tiempo posible y para que no se deterioraran tan rápidamente, se hizo necesario colocarles una cubierta que resistiera tanto el desgaste como las cargas verticales a que estuvieran sometidas. 

c) Esta tendencia obligó a implementar una estructura adecuada a los requerimientos que imponían los vehículos, tanto por su peso como por sus dimensiones y por su impacto al rodar sobre las carreteras. 

d) Esta situación obligó a hacer revisiones de acuerdo con los adelantos tecnológicos, analizando, estudiando e investigando, para poder seleccionar procedimientos que permitieran obtener diseños de pavimentos más resistentes y duraderos.

e) También se logró concientizar a las autoridades superiores, sobre la importancia económica, política y social, de contar con carreteras construidas con buenos materiales, con estructuras adecuadas a los requerimientos de carga, con una duración que corresponda a su inversión y a su relación costo - beneficio. Estos beneficios permiten competir en los mercados internacionales de transporte de carga y pasajeros, así como contribuir al sostenimiento de los patrimonios viales en Centroamérica. 

f) El "Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos" tendrá gran importancia porque constituirá una herramienta con los últimos adelantos de la tecnología y tendrá información de fácil interpretación y aplicación, para que en un futuro la red de carreteras coadyuve a mejorar el desarrollo de la integración de Centroamérica.

Mantenimiento

En lo que coinciden todos los países, es que el mantenimiento rutinario y periódico prolonga sustancialmente la vida útil de los pavimentos, sin importar el tipo de rodadura que posea; sin embargo, se comenta que en algunos casos, las actividades de mantenimiento no son sostenibles y muchas veces se realizan únicamente de manera reactiva, al haber fallas que ocasionan daño a los usuarios. En general, en muchas carreteras, el mantenimiento rutinario sirve únicamente para mantener habilitada la ruta sin baches, aunque con un alto grado de incomodidad en la conducción, dado lo avanzado del deterioro que algunas vías presentan.

Mantenimiento

En lo que coinciden todos los países, es que el mantenimiento rutinario y periódico prolonga sustancialmente la vida útil de los pavimentos, sin importar el tipo de rodadura que posea; sin embargo, se comenta que en algunos casos, las actividades de mantenimiento no son sostenibles y muchas veces se realizan únicamente de manera reactiva, al haber fallas que ocasionan daño a los usuarios. En general, en muchas carreteras, el mantenimiento rutinario sirve únicamente para mantener habilitada la ruta sin baches, aunque con un alto grado de incomodidad en la conducción, dado lo avanzado del deterioro que algunas vías presentan.

Mantenimiento

En lo que coinciden todos los países, es que el mantenimiento rutinario y periódico prolonga sustancialmente la vida útil de los pavimentos, sin importar el tipo de rodadura que posea; sin embargo, se comenta que en algunos casos, las actividades de mantenimiento no son sostenibles y muchas veces se realizan únicamente de manera reactiva, al haber fallas que ocasionan daño a los usuarios. En general, en muchas carreteras, el mantenimiento rutinario sirve únicamente para mantener habilitada la ruta sin baches, aunque con un alto grado de incomodidad en la conducción, dado lo avanzado del deterioro que algunas vías presentan.

Diseño versus lo construido

Respecto a la variante resultante del diseño original de una carretera y lo construido, en el caso de El Salvador, algunos contratistas han propuesto un cambio al diseño, ofreciendo concreto hidráulico en vez de mezcla asfáltica, manteniendo los mismos precios. En Honduras, Guatemala y Nicaragua si el proyecto se desfasa en el inicio de su ejecución, se revisa nuevamente el diseño estructural de acuerdo al tránsito y otras variables. Ningún Ministerio de Transporte cuenta con una oficina que tenga control sobre si las carreteras han durado el tiempo para el que fueron diseñadas. Algunos países coinciden en que dada la falta de control en los pesos de los vehículos, estos procesos de deterioro se han acelerado considerablemente. En algunos casos, los países que cuentan con Administración de Pavimentos, establecen parámetros iniciales, al concluirse una obra nueva o reconstruida, a partir de los cuales, pueden obtenerse niveles de servicio (IRI, Indice de serviciabilidad, etc) cada cierto tiempo y así observar su grado de deterioro en el futuro.

Controles

Con relación a conteos de tránsito para obtener el TPDA, Costa Rica realiza conteos manuales desde antes de 1,995 y lo efectúa anualmente. Actualmente están contratando una empresa privada para que efectúe la actualización de datos del TPD en las 1,106 secciones de conteo establecidas por Planificación del MOPT. Existen al menos 8 conteos automáticos del sistema captador y detector, pero en la actualidad aparentemente solo funciona uno. Se están instalando además 8 aparatos de conteo automático de Bucle de inducción magnética, en zonas estratégicas del país. El Salvador realiza conteos y encuestas de origen y destino. Guatemala realiza dichos conteos 2 veces al año, en rutas seleccionadas. Honduras a través de SOPTRAVI realiza conteos cada dos años, y con el apoyo de empresas Consultoras del Fondo Vial, se realizan adicionalmente conteos anuales, de siete días de duración. Nicaragua por su parte efectúa conteos, pero no están establecidos en toda la red. Algunos países han contratado sistemas de administración de pavimentos, los cuales realizarán y actualizarán esta información. Actualmente solo se utilizan para proyectos específicos.

Capacidad Instalada - II

Plantas procesadoras de Concreto Hidráulico en Centroamérica, existen más de 30, las cuales también son responsables por el procesamiento de agregados. Ver Figura 1-4. Figura 1-4 Distribución regional de plantas para la fabricación de Concreto Hidráulico

Fuente: Dictamen Técnico Regional, para la preparación del
Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos, 2,001.

En general, la mayoría de empresas productoras de mezclas asfálticas y concreto hidráulico, cuentan con la tecnología y el equipo necesario para realizar labores de colocación, control de calidad y acabados finales. Centroamérica cuenta con la orografía y formación geológica suficiente para obtener de cualquier zona geográfica, materiales apropiados para su explotación. La mayoría de estos agregados se obtienen de la trituración de roca , ya sean cantos rodados o bancos de préstamo.

Capacidad Instalada - I

Con relación a la capacidad tecnológica disponible, tanto en personal profesional y auxiliar, para el diseño y construcción de pavimentos, Costa Rica, Guatemala y Honduras si cuentan con personal, tanto estatal como de la iniciativa privada para dicho fin. El Salvador y Nicaragua dependen de la infraestructura que posean las empresas contratadas para la realización de los trabajos; únicamente son fiscalizadores de las acciones realizadas, para lo cual si cuentan con el personal necesario. En relación a plantas asfálticas, Centroamérica cuenta con más de 50 plantas de fabricación de mezcla asfáltica, ver Figura 1-3. Casi todas estas plantas pertenecen a empresas privadas que realizan labores a los Ministerios de Transporte, así como suministran mezcla a otras empresas para labores menores. La mayoría de estos fabricantes cuentan además con planta procesadora de agregados, con lo cual garantizan un producto final de buena calidad. Figura 1-3 Distribución regional de plantas para la fabricación de mezcla asfáltica

Materiales

En los países de la región se utilizan materiales explotados directamente de los proyectos viales en bancos de préstamo y en algunos países se usa el canto rodado, aprobado por los entes supervisores o las Direcciones de Caminos responsables del proyecto. En la mayoría de casos, se colocan plantas trituradoras, para mejor control granulométrico del material. En algunos casos, los países tienen definidas zonas geológicas, en las que la clasificación de materiales para obras de ingeniería ya están establecidas. Con la utilización de materiales no tradicionales o no convencionales para el diseño de pavimentos, tales como: polímeros, vidrio, chips de llantas, etc. no se observa mayor experiencia de su utilización en Centroamérica, únicamente el uso de polímeros en lechadas asfálticas, sellos y microcarpetas. Honduras no tiene ninguna experiencia en esta área y Costa Rica utiliza aditivos modificadores del asfalto, para mejorar las características de susceptibilidad a la humedad y resistencia a la deformación permanente. La Tabla 1-3 muestra los análisis de laboratorio que se realizan a materiales utilizados en diseño de pavimentos:

Análisis de Laboratorios que se realizan a los materiales

Rehabilitación - II

El método de la prueba de deflexión por peso (Falling Weigth Deflectometer, FWD) es utilizado en Centroamérica, aunque su uso tiene distintas fechas de inicio. En Costa Rica y El Salvador, se ha iniciado recientemente la utilización de este método para su diseño de pavimentos. En el caso de Costa Rica todavía prevalece el uso de la viga Benkelman.

En Guatemala, se utiliza dicho método para el diseño de pavimentos. Honduras no lo utiliza, solo usan la viga Benkelman y un camión cargado con 8,200 kg para evaluar las deflexiones en el pavimento. Nicaragua utiliza únicamente la viga Benkelman para conocer la capacidad estructural necesaria para soportar sellos asfálticos sin que se reflejen daños a la estructura.

Con relación a que si el método FWD se lleva para tener registros del comportamiento de los pavimentos, se pudo observar que la mayoría de estos controles lo ejercen empresas privadas, aunque los países que están implementando sistemas de administración de pavimentos, esperan que estos contratos lleven estos registros y poder tener mayor información en el futuro.

Rehabilitación - I

Respecto a las consideraciones estructurales que se utilizan para el diseño de sobrecapas o recarpeteos de pavimentos en uso, cada país mostró un distinto procedimiento. 

En Costa Rica consideran los siguientes parámetros: Evaluación deflectométrica, Composición de la estructura de pavimento, CBR de la Subrasante, Características de las capas existentes y Capacidad Residual del Pavimento. En El Salvador las consideraciones planteadas, son el producto de los trabajos efectuados por la sección de geotécnica y de pruebas no destructivas ( viga Benkelman, prueba de impacto, etc. ), con la intención de definir la capacidad portante de cada una de las capas. 

En Guatemala se realizan los diseños para el recapeo de tramos carreteros, por medio del Sistema de Administración de Mantenimiento Integral (SAMI), que recomienda las políticas respecto a las labores de mantenimiento rutinario y periódico. 

En Honduras utilizan el método de las deflexiones. Este método consiste básicamente en determinar el espesor del refuerzo requerido, para reducir la deflexión representativa o evaluada, a niveles admisibles o tolerables para el tráfico esperado en el período de diseño. Nicaragua por su parte, no ha realizado trabajos de este tipo, únicamente sellos de 3 centímetros de espesor. Básicamente lo utilizan para evitar filtraciones de agua a la estructura de pavimento existente. En caso de pavimentos reconstruidos o rehabilitados, todos los países coinciden en que utilizan los mismos criterios para los trabajos de recarpeteado mencionados en párrafos anteriores. 

Mitigación

Con relación a disposiciones que utilizan los países para la mitigación del medio ambiente por el impacto de la construcción de estructuras de pavimento, cada país si considera medidas de mitigación. Cuenta con una oficina especifica en cada Ministerio, en la cual se contemplan las disposiciones ambientales para cada proyecto. Regulan el manejo de bancos de extracción de agregados, campamentos, área de botaderos de desperdicios, etc. Todos los países coinciden en que los entes financieros externos exigen estudios ambientales para todos los proyectos que van a financiar y realizan los mecanismos necesarios para su cumplimiento.

Drenaje

Para el diseño de pavimentos, todos los países coinciden en utilizar el normativo definido en AASHTO, el cual delimita los coeficientes para el diseño y los factores que deben observarse con respecto al sistema de drenaje de las estructuras de pavimento. En Nicaragua utilizan sus propias normas, que consideran el régimen de lluvia de cada zona y coeficientes en base al tiempo (días - horas) que el agua se elimina de las capas granulares.

Tránsito

Respecto a normas que se han utilizado para definir pesos y dimensiones, los países del área se han regido en las desarrolladas por SIECA y aprobadas en 1,958. En base a esto, cada país realizaba sus modificaciones, de acuerdo a sus necesidades o requerimientos especiales. Cada país ha generado sus propias tablas de clasificación vehicular y en el año 2,001, se han estandarizado a raíz de la actualización del Acuerdo Centroamericano sobre Circulación por Carreteras, también realizado por SIECA. La mayoría de países están haciendo esfuerzos en la implementación de control de pesos y dimensiones (básculas) para normar la circulación del tránsito pesado y regular de esta forma, las cargas sobre las cuales se diseñan, tanto carreteras como puentes. La utilización del método para determinar ejes equivalentes para el diseño de pavimentos, es usado en todos los países de la región, sin embargo, el mayor problema observado es que, no cuentan con controles de tránsito actualizados y en algunos casos no llenan los requerimientos técnicos para ayudar al diseñador a establecer las proyecciones futuras, ni factores para las conversiones necesarias.

Diseños utilizados - II

La metodología de diseño de mezcla asfáltica se ha utilizado en forma oficial en la ruta San Ramón - Barranca para lo cual, a finales del año 1,999 un laboratorio de USA, elaboró el diseño utilizando asfalto AC-30 modificado con polímeros, y un agregado con graduación que cumpliera los requisitos de SUPERPAVE. 

En Honduras se utilizó en la rehabilitación de la carretera, tramo Comayagua - Siguatepeque. La principal herramienta de la tecnología SUPERPAVE que más se ha utilizado, es la clasificación del cemento asfáltico, por su grado de desempeño. En los demás países, aún no se aplican estos controles, porque estiman que a corto plazo no se piensan implementar. Cuentan con muy poca bibliografía o ninguna.

Diseños utilizados - I

Los métodos o técnicas, más utilizados en Centroamérica, se refieren siempre a la guía de diseño de la AASHTO, edición 1,993, para los pavimentos asfálticos e hidráulicos. Esta versión será actualizada y publicada en el año 2,003, por lo que se recomienda que a finales del próximo año sea revisada y comparada, verificando si los cambios fueran de forma o de fondo, para así poder actualizar el nuevo manual. 

También para el diseño en concreto hidráulico, utilizan la guía de PCA (Portland Cement Association). A pesar de que la tendencia en Centroamérica, va encaminada hacia concretos asfálticos, Costa Rica y El Salvador están incrementando el uso de concreto hidráulico, por la razón de que han nivelado los precios de mercado y la realización de grandes inversiones de equipo y tecnología, por parte de empresas privadas. Adicionalmente en Costa Rica se efectúan para la estructura diseñada análisis de fatiga y deformación permanente empleando modelos mecanísticos empíricos. 

La mayoría de países de la región utilizan sus propias especificaciones, básicamente para control y procedimiento de trabajos que se realizarán. Estas citan al libro de AASHTO en lo referente a especificaciones, de materiales y métodos a usar. En algunos otros casos utilizan ASTM. 

En las Especificaciones de SIECA, éstas hacen también mención a AASHTO para ciertos controles. Sobre la tecnología SUPERPAVE, únicamente en Costa Rica se observa un grado de avance en su utilización, ya que la Universidad de Costa Rica, está implementando un laboratorio con equipo y personal calificado para el efecto. Las especificaciones de agregados para mezcla asfáltica están basadas en recomendaciones del SUPERPAVE en cuanto a granulometría y requisitos de calidad. 

Antecedentes - IV

En general, Centroamérica se ha desarrollado a raíz de mejorar su posición económica intraregional e internacional, lo cual ha sido posible por la ampliación de sus comunicaciones hacia puestos fronterizos y zonas de comercio en los distintos puertos de ambos océanos. 

stos corredores principales, tienen la característica esencial de haberse desarrollado para unir las principales zonas económicas de cada país, así como eslabón de la ruta internacional interamericana.

Antecedentes - III

Dentro del territorio centroamericano en el año 2,000, prácticamente todo el transporte se realiza por carreteras. Más de 100,000 kilómetros de carreteras de todo tipo enlazan el campo con las ciudades y complementan una infraestructura disponible para satisfacer las necesidades de movilidad de personas y mercancías, desplazando diariamente 2.8 millones de vehículos automotores. Figura 1-2 Distribución en Centroamérica, de los distintos tipos de rodadura

Fuente: Dictamen Técnico Regional, para la preparación del Manual

Centroamericano para Diseño de Pavimentos, 2,001.

Tabla 1-2

Longitud de kilómetros por tipo de rodadura, año 2,001

Tipo / País	Costa Rica	El Salvador	Guatemala	Honduras	Nicaragua
Mezcla Asfáltica	2,135	1,378	2,736	1,934	1,957
Concreto Hidráulico	65	51	60	220	0
Tratamiento Superficial	2,271	1,026	2,239	623	2,885
Grava o tierra	3,100	3,070	9,303	10,826	14,040
Adoquín	0	0	0	0	138
TOTAL	7,571	5,525	14,338	13,603	19,020

Antecedentes - II

Para el año 1,970, ya se contaba con un inventario de carreteras en Centroamérica, según su tipo de rodadura, ver tabla 1-1: Tabla 1-1 Longitud de carreteras en Centroamérica en 1,970

Tipo de carretera	Longitud (km)
Pavimentada, superficie de asfalto y de cemento Portland	6,719
De grava, piedra o suelo estabilizado	13,901
De tierra transitable todo el tiempo	11,395
De tierra transitable en estación seca	29,499
TOTAL	61,514

Fuente: Dictamen Técnico Regional, para la preparación del Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos, 2,001. 

El crecimiento vial se refleja en la Figura 1-1, la cual desde el año de 1,945, pasando por 1,970, hasta el año 2,000, muestra una tendencia de crecimiento respecto a las carreteras que eran recubiertas con una estructura de distribución de carga.

Crecimiento de carreteras con recubrimiento en su superficie

Antecedentes - I

En el período comprendido entre 1,898 y 1,944 ocurrieron en el mundo diversos cambios tecnológicos, tanto en el sistema de transporte como en los equipos que se utilizaban para prestar los servicios correspondientes. Estos cambios permitieron reducciones importantes en el tiempo que se invertía en los traslados, así como en los riesgos para las personas y mercancías, lo cual se tradujo en disminución significativa en los costos. 

Entre los medios de transporte existentes a principios de siglo pasado, predominaban los carruajes para personas, las bestias de carga, carretas de bueyes y carretas de muías. El automóvil comenzaba a usarse. Los trazos de estas carreteras eran sinuosos e irregulares, y en los lugares montañosos muchas de las pendientes eran pronunciadas, pues tenían valores entre el 10 % y el 20 % y en época lluviosa eran casi intransitables. A finales de 1,920 los gobiernos de la región centroamericana concedieron más importancia a las carreteras y ampliaron antiguas veredas. 

En el año de 1,945 se consideraba que la red vial en Centroamérica ya superaba los 40,000 kilómetros. En su gran mayoría, eran carreteras de tierra, transitables parcialmente en época seca y muy pocos caminos, quizás el 10%, tenían una cubierta de rodadura. 

Anteriormente a lo indicado, los países de Centroamérica, habían iniciado sus gestiones para establecer oficinas que se encargaran de controlar el diseño, construcción, mantenimiento, atención de emergencias, control de transporte y en general, fuera el ente regulador sobre el que se definieran las políticas de desarrollo en todo lo concerniente a carreteras y al transporte por las mismas.

En Centroamérica el transporte automotor por carretera es el medio más importante para la movilización, siendo ésta relevante en el intercambio comercial. En el año de 1,964 solo dos de cada tres toneladas utilizaban el transporte por carreteras y en 1,970 atendió al 94 % de la carga total. La red vial centroamericana en 1,960 implemento notablemente el espacio geográfico económico, lo que dio por resultado una ampliación del mercado y una protección efectiva de los productos centroamericanos frente a los provenientes del exterior. Dicho de otra manera, la red vial ha provocado una disminución apreciable de los tiempos de recorrido entre los países del área. 

EJEMPLOS - V

Para la determinación del reservorio para la junta y diseño del material de sellado se requiere el conocimiento del coeficiente de contracción térmica del hormigón, la variación de temperatura entre el momento en que el hormigón es colocado y la mínima temperatura media anual, la contracción por secado del hormigón, el factor de ajuste por fricción entre losa y subbase, el tipo de sellante, la deformación admisible del sellante y el factor de forma. Estos datos se muestran en la Figura 9.29 y también los resultados, indicando un ancho mínimo de reservorio, que es de 10 mm y la profundidad de sellante, que es también 10 mm ya que el factor de forma es igual a 1. DIPAV sugiere una profundidad mínima de corte de ampliación que está en función de la profundidad mínima de sello, de la tira de respaldo y de la profundidad a la que queda el sello bajo la superficie de la losa.

Figura 9.29. Pantalla tal como se ve para el diseño de reservorio para el material sellante

EJEMPLOS - IV

El diseño de las barras de unión puede hacerse también con DIPAV. Los datos de entrada son: grado de acero, distancia al borde libre, espesor de losa, factor de fricción, porcentaje de tensión de fluencia en el acero y tamaño de barras.

Para este ejemplo se usan barras de 16 mm, con acero de tensión de fluencia 276 MPa, equivalente a Grado 40 (40 ksi). El porcentaje adoptado de resistencia de fluencia es 75%, el factor de fricción F = 1.5 y, con un espesor de losa de 270 mm, la longitud de las barras debe ser 0.76 m y el espaciamiento debe ser 0.61 m. Los resultados pueden verse en la Figura 9.28.

Figura 9.28. Pantalla tal como se ve para el diseño de barras de unión

EJEMPLOS - III

Este ejemplo sirve para darnos cuenta de la importancia que tiene el módulo de rotura del hormigón.

¿Qué pasa si el pavimento está expuesto a niveles próximos a la saturación en un 30% del tiempo en lugar del 7%?

Esto hace que el coeficiente de drenaje C_d pase de 1.0 a 0.9 y entonces W₁₈ será de 14x10⁶ ESALs frente a 20x10⁶ ESALs, la disminución es bastante menor que la que produce el módulo de rotura.

9.9.3 Se trata de un camino rural, con un W₁₈ = 15x10⁶ ESALs. Se coloca una base granular de 152, lo cual da un k = 54 KPa/mm (200 pci).

Tiempo en que el pavimento está expuesto a niveles próximos a la saturación = 25%

Tiempo en que efectúa el drenaje = 1 día

Módulo de rotura del hormigón: Sc’ = 4.5 MPa (650 psi)

Módulo elástico del hormigón: Ec = 20.7 GPa (3x10⁶psi)

Se prevén barras pasadoras y bermas vinculadas.

Mediante el uso del programa DIPAV se determinará el espesor de la losa.

Solución:

Para este problema se adopta:

p_o = 4.5

p_t = 2.5

R = 95%

S_o = 0.40

C_d = 1.0

J = 2.8

Con estos datos DIPAV da un espesor D = 265 mm. En la Figura 9.27 se muestra el aspecto que ofrece la pantalla con los datos de entrada.

Figura 9.27. Pantalla con los datos de entrada del problema

EJEMPLOS - II

El incremento de espesor es: 266 – 229 = 37 mm

9.9.2. Pavimento de hormigón para una autopista urbana. Se trata de un pavimento de hormigón armado con juntas, con bermas de concreto asfáltico.

W₁₈ = 20X10⁶ ESALs

Tiempo previsto para drenaje del agua: 1 día

Módulo de rotura del hormigón: Sc^’ = 5.2 MPa (750 psi)

Módulo elástico del hormigón: Ec = 34.5 GPa (5x10⁶ psi)

Módulo efectivo de reacción de la subrasante: k = 81 kPa/mm (300 pci)

Solución:

Se supone:

p_o = 4.5

p_t = 2.5

R = 95%

S_o = 0.35

Buen drenaje C_d = 1.0

Hormigón armado con juntas J = 3.2

Según el ábaco de diseño resulta un espesor de losa D = 269 mm

¿Qué pasa si el Módulo de rotura es un 20% mayor o menor?

Si es un 20% menor Sc' = 4.1 MPa = 600 psi, 

EJEMPLOS - I

9.9.1. Pavimento de hormigón simple para ruta colectora.

W₁₈ = 6x10⁶ ESALs

Dos carriles, juntas transversales a 4.6 m con barras pasadoras

Tiempo para drenar el agua del pavimento: 1 semana

Tiempo en que la estructura del pavimento está próxima a la saturación: 30%

Módulo de rotura del hormigón: S_C' = 4.8 MPa (700 psi)

Módulo elástico del hormigón: Ec = 27.6 GPa (4x 10⁶ psi)

Módulo efectivo de reacción de subrasante: k = 54 kPa/mm (200 pci)

Solución:

Se supone:

Serviciabilidad inicial: p_o = 4.5

Serviciabilidad final: p_t = 2.5

Confiabilidad: R = 85%

Desvío estándar de las variables: S_o = 0.35

La calidad del drenaje es aceptable y para un tiempo próximo a la saturación del 30% resulta un coeficiente de drenaje C_d = 0.90.

Como hay barras pasadoras J = 3.2

Mediante el ábaco de diseño (Figura 9.3) se tiene un espesor de losa D = 229 mm.

¿Qué pasa si el módulo elástico de la losa es un 25% menor?

El módulo pasa a valer 20.7 GPa (3x10⁶ psi), para una losa de 229 mm de espesor, el nivel mínimo de serviciabilidad se alcanza para 6.8x10⁶ ESALs. Si el módulo es un 25% mayor (Ec = 34.5 GPa), ese número asciende a 5.6x10⁶ ESALs. Se ve que un cambio del 25% en el módulo elástico produce cambios en W₁₈, menores del 10%.

¿Cuál será el W₁₈ que podrá soportar la calzada si no se colocan barras pasadoras? ¿Cuál deberá ser el espesor de la losa si se desea soportar el mismo número de ESALs?

TENDENCIAS FUTURAS EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS

Al igual que para pavimentos flexibles, hay dos maneras de encarar el cálculo: una de ellas es la que usa el método AASHTO, o sea con fórmulas empíricas, desarrolladas a partir de pruebas en pavimentos hechos a este fin (AASHO Road Test). Otra forma de encararlo es a través de métodos mecánicos como el de la PCA (Portland Cement Association). Aunque se ha avanzado mucho hacia la implementación de métodos mecánicos, estos métodos no han tenido mucho uso, en primer lugar por la complejidad de los cálculos a realizar y también por la falta de pruebas que verifiquen la teoría. Se deben hacer más investigaciones para determinar la respuesta de pavimentos de hormigón al alabeo por temperatura, a la deformación por gradiente de humedad, a la transferencia de cargas, etc. También es necesario estudiar el efecto de las características de diseño en las fisuras transversales y otro tipo de fallas.

LIMITACIONES EN EL MÉTODO DE DISEÑO AASHTO - II

Para pavimentos de hormigón continuos se desprecia el efecto de la fricción de la subbase, que se cree que puede llegar a ser un factor crítico determinante. También el ancho admisible de fisura de 1 mm (0.04 pulg) puede considerarse muy alto, siendo recomendable un valor de 0.58 mm (0.023 pulg).

·                Clima. El comportamiento de los pavimentos de hormigón no es independiente de las condiciones climáticas. Dado que el AASHO Road Test fue hecho en dos años, los efectos climáticos para este caso no tuvieron el mismo efecto que tienen para un pavimento real, aún sometido a la misma solicitación de cargas, pero en un período mucho mayor (20‑40 años). La corrosión en el acero tarda varios años en desarrollarse, lo mismo que las reacciones entre álcalis y agregados.

·                Factores equivalentes de carga. Estos factores son válidos para los materiales del AASHO Road Test, la composición del pavimento, la pérdida de serviciabilidad y el tipo de subrasante. La extrapolación de estos valores a otras condiciones no está bien conocida, pero es cuestionable. Además los camiones usados actualmente difieren mucho de los de la década del 50.

·                Tránsito no mixto. El AASHO Road Test consideraba vehículos con idénticas configuraciones de ejes, lo que no ocurre en la realidad donde los vehículos tienen distintas configuraciones. El procedimiento de convertir un número equivalente de ejes de 80 KN (18 kips) no ha sido verificado in situ.

·                Falta de directivas en la elección de varias variables de entrada. La pérdida de soporte y el coeficiente de drenaje tienen una gran influencia en el espesor de la losa, pero hay muy pocas directivas en lo que concierne a su correcta elección. Finalmente, el método AASHTO permite determinar el espesor de losa, pero no da directivas en cuanto a la determinación de espesor de subbase.

El uso exitoso del método AASHTO requiere haber adquirido experiencia y conocimientos sobre el tema. Se recomienda que los resultados obtenidos con el método AASHTO sean comparados con otros métodos.