Métodos de diseño basados en ensayos de carreteras: Road Test de Bates

En los años 20 los ingenieros comenzaron a reconocer que las cargas de tránsito y su distribución por ejes eran factores fundamentales en el diseño de pavimentos. Así la División de Carreteras de Illinois realizó el Bates Experimental Road Test entre 1922 y 1923. Este ensayo fue realizado en una vía de 4 Km de largo cerca de Springfleld, Illinois. La que fue dividida en distintos sectores y se usaron diferentes materiales: ladrillos, concreto asfáltico y hormigón. Este ensayo corroboró la suposición de que el diseño de pavimentos debe estar relacionado a las cargas por eje.

DESARROLLO HISTÓRICO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS: Métodos basados en la resistencia (II)

Métodos basados en ensayos de carga deformación
Este método de diseño supone que el comportamiento del pavimento es función de las características de carga deformaciones de la subrasante. Para medir esta característica se usa el ensayo de placa o plato de carga en el cual la subrasante es cargada a través de una serie de placas rígidas de 300 a 750 mm de diámetro y se mide la deflexión de la placa. El espesor de diseño está basado en una correlación entre la deflexión de la placa y el comportamiento del pavimento.

Métodos basados en ensayos triaxiales
Se coloca la muestra de material dentro de una cámara triaxial, se le aplica una presión de confinamiento que simula las condiciones imperantes en el cuerpo del pavimento y se la carga verticalmente hasta la rotura. Estas tensiones de rotura se relacionan con los espesores de pavimentos necesarios para proteger la subrasante y de base para proteger la subbase.

DESARROLLO HISTÓRICO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS: Métodos basados en la resistencia (I)

Estos métodos usan las propiedades de resistencia o de relaciones carga deformación de los suelos de subrasante como un indicador relativo de la calidad de los materiales. Se detallan los siguientes:

Método del Valor Soporte California (CBR)
Este método usa las características de carga deformación de la subrasante, subbase y base y en forma empírica los relaciona con los espesores totales del pavimento, capa de rodadura, base y capas subyacentes. El CBR es la relación existente entre una carga que produce una deformación de 0.1 pulg (2.5 mm) en el material en cuestión y la carga que produce esa misma deformación en una muestra patrón que es un material granular de excelente calidad que se asume como 100%.

Método del Valor R de Hveem
Se basa en el ensayo del estabilómetro de Hveem que mide las presiones horizontales desarrolladas en un material granular por efecto de la aplicación de una carga vertical. A mayor resistencia a la presión vertical, mejor será la calidad del material. El espesor de un paquete estructural es función del valor R de la subrasante, a menor R, mayor espesor.

DESARROLLO HISTÓRICO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS: Métodos basados en la Mecánica de Suelos

Muchos de estos métodos estaban basados en principios geotécnicos. El concepto era proteger la subrasante de tensiones excesivas colocando un espesor suficiente de materiales por encima de ésta.

Método del Índice de Grupo
Se basa en el concepto del Índice de Grupo. Propiedad de suelos que aumenta a medida que disminuye su calidad, por lo tanto a subrasantes de alto Índice de Grupo le corresponderán grandes espesores de pavimentos. Este método no era muy sofisticado en cuanto a la selección de materiales o diseño de espesores y únicamente tomaba en cuenta el número de vehículos pesados diarios.

Métodos edafológicos
Están basados en la clasificación de la formación de suelos y el principio de que suelos del mismo origen y con condiciones climáticas similares tendrán propiedades ingenieriles similares. La filosofía de diseño era similar al método del índice de grupo.

DESARROLLO HISTÓRICO DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS: Métodos previos a los ensayos de carreteras

Los primeros métodos de diseño de pavimentos se remontan a tiempos anteriores a la década de 1920. En esa época, los diseños se hacían en base a la experiencia y al sentido común del proyectista. En algunos casos los resultados eran buenos, pero cuando se extrapolaban a zonas de diferente tipo de suelo, distinta composición de tránsito y distinto clima, los resultados eran dudosos, y la posibilidad de sobre dimensionar o sub dimensionar el pavimento eran muy grandes.

CLASIFICACIÓN DE PAVIMENTOS

Los pavimentos pueden dividirse en rígidos y flexibles. Las cargas que transmiten a la fundación son muy diferentes como se muestra a continuación:



En un pavimento rígido, debido a la rigidez de la losa de hormigón se produce una buena distribución de las cargas de las ruedas de los vehículos, dando como resultado tensiones muy bajas en la subrasante. En un pavimento flexible, el concreto asfáltico, al tener menor rigidez, se deforma y transmite tensiones mayores en la subrasante.
Debido a la rigidez y alto módulo de elasticidad del hormigón, los pavimentos rígidos basan su capacidad portante en la losa de hormigón más que en la capacidad de la subrasante. Los pavimentos rígidos pueden dividirse en tres tipos:
• Hormigón simple con juntas.
• Hormigón armado con juntas.
• Hormigón armado con refuerzo continuo.
El pavimento de hormigón simple no contiene armadura en la losa y el espaciamiento entre juntas es pequeño entre 2.50 a 5 metros. Las juntas pueden o no tener dispositivos de transferencia de cargas.
Los pavimentos de hormigón armado con juntas tienen espaciamientos mayores entre juntas entre 5 a 12 metros y llevan armadura distribuida en la losa a los efectos de controlar y mantener cerradas las fisuras de contracción. Este tipo de pavimentos se cubrirán con mayor detalle en el capítulo correspondiente.
Los pavimentos de hormigón armado continuo tienen armadura continua longitudinal y no tienen juntas transversales, excepto juntas de construcción. La armadura transversal es opcional en este caso. Estos pavimentos tienen más armadura que los de hormigón armado con juntas y el objetivo de esta armadura es mantener un espaciamiento adecuado entre fisuras y que éstas permanezcan cerradas.
Los pavimentos flexibles se caracterizan por ser sistemas multicapa con las capas de mejor calidad cerca de la superficie donde las tensiones son mayores. La capa superior es de concreto asfáltico. Un pavimento flexible trabaja distribuyendo la carga hasta que llegue a un nivel aceptable para la subrasante. Por debajo de la capa de concreto asfáltico se coloca una base que puede ser de piedra partida, grava bien graduada o materiales estabilizados (con cemento, cal o asfalto). Por debajo de esta base se coloca una capa de menor calidad denominada subbase.

PRÓLOGO DE LA TERCERA EDICIÓN

El objetivo de esta tercera edición del Manual AASHT0 '93 en castellano es adecuar la metodología de diseño de pavimentos nuevos y refuerzos a la nueva versión del programa DARWin, denominado DARWin 3.0, que fue adquirido el año pasado por la EICAM y ya utilizado en varios proyectos de diseño de pavimentos por dicho instituto de investigación. La novedad que presenta este programa, que es compatible con Windows 95, es que permite trabajar con unidades inglesas, como las versiones anteriores del DARWin, y unidades métricas. En el caso del empleo de este último sistema de unidades, el programa trabaja con unidades del llamado Sistema Internacional o S.I, donde las fuerzas son expresadas en kN, las presiones en kPa o Mpa y los módulos de reacción de subrasante en kPa/mm. Dicho sistema de unidades no tiene aún mucha aplicación entre los profesionales de nuestro medio, más acostumbrados a emplear el Sistema Técnico, con fuerzas expresadas en Kg o tn y presiones en Kg/cm2 o tnlm . El traductor entiende que la presentación de este Manual, junto con aplicaciones del programa DARWin 3.0 es una excelente oportunidad para que los profesionales vayan familiarizándose con este sistema de medidas ya aceptado en los países desarrollados, de donde provienen gran parte de sofís, máquinas de ensayo e instrumentos de medida, que son de uso cotidiano en la vida profesional. Para facilitar la comprensión de este sistema de medidas, se adjunta al final del trabajo una tabla de conversión de unidades del sistema Inglés al Técnico y al Internacional.
En la elaboración de esta tercera edición, se agregó a todos los gráficos existentes, expresados en unidades inglesas, las correspondientes al Sistema Internacional, como así el equivalente en Sistema Internacional de algunas fórmulas empíricas que estaban expresadas en unidades inglesas. Los ejemplos de aplicación fueron convertidos al Sistema Internacional. Donde, en las anteriores versiones del Manual AASHT0 '93, aparecían figuras que eran representaciones en pantalla resultantes de hacer correr el programa DARWin, fueron cambiadas por lasfiguras correspondientes al DAR Win 3. 0., como el lector lo puede comprobar en los capítulos 8, 9 y 18. Además se agrega al Anexo A 2 "Diseño de refuerzos según criterio AASHT0 '93" figuras con las representaciones en pantalla de los ejemplos presentados haciendo correr el DARWin 3. 0.
Otra modificación que surge como consecuencia de la aparición del Programa DARWin 3. 0 es que para pavimentos flexibles, el número estructural SN deja de ser un adimensional para tener dimensiones de longitud, que representan un espesorficticio de pavimento. En el Sistema Inglés viene expresado en pulgadas y conserva numéricamente el mismo valor adimensional que tenía antes, mientras que en el Sistema Internacional viene expresado en mm. Los coeficientes estructurales de capa a, mantienen numéricamente el mismo valor que antes, pero en lugar de tener como unidad pu1g`, son ahora adimensionales, vale decir que no cambian, cualquiera sea el sistema de unidades utilizado. Esta modificación ha sido tenida en cuenta en la elaboración de esta Tercera Edición, tanto en textos como e gráficos.
Ing. Oscar V. Cordo
San Juan, Septiembre de 1998