EJEMPLOS - I

8.8.1. Diseñar un pavimento teniendo en cuenta estas características:

Ubicación: rural

Clasificación: primaria

Datos de tránsito:

·                Tránsito anual inicial esperado (ambas direcciones) = 2.67x10⁶ ESALs

·                Distribución direccional DD = 0.50

·                Distribución de camiones TD = 0.70

·                Crecimiento de camiones (por año) = 4%

Propiedades de materiales:

·                Módulo del concreto asfáltico M_AC = 2070 MPa = 300000 psi

·                Módulo resiliente de base granular M_BS = 172 MPa = 25000 psi

·                Módulo resiliente de subbase granular M_SB = 82.7 MPa = 12000 psi

·                Módulo resiliente subrasante:

§    Invierno (mediados de Diciembre ‑ fines Febrero) M_R = 207 MPa = 30000 psi

§    Primavera (mediados de Marzo ‑ fines Abril) M_R = 6.89 MPa = 1000 psi

§    Verano y otoño (principios de Mayo – mediados de Diciembre) M_R = 34.5 MPa = 5000 psi

Solución:

Algunas variables de entrada deben seleccionarse en base a la importancia funcional del pavimento, consideraciones de construcción por etapas, conocimiento de la calidad de la construcción y experiencia. Así se adoptan este tipo de variables:

·                Período de vida útil = 10 años

·                Período de análisis (incluye una rehabilitación) = 20 años

·                Confiabilidad en el período de análisis: R = 90%

·                Desvío estándar de todas las variables: S_O = 0.45

·                Serviciabilidad inicial: p_o = 4.5

·                Serviciabilidad final: p_t = 2.5

En cada etapa la confiabilidad será R = (0.90)^1/2 = 0.95 = 95%

El tránsito esperado para el final de la vida útil será:

W₁₈ = Factor de crecimiento tránsito x tránsito inicial x DD x TD

= 12.01 x 2.67x10⁶ ESALs x 0.50 x 0.70 = 11.2x10⁶ ESALs

El módulo efectivo de la subrasante es: M_R = 14.15 MPa = 2100 psi

Variación de serviciabilidad   DPSI = p_o – p_t = 4.5 – 2.5 = 2.0 por tránsito

Se supone que por condiciones ambientales hay una pérdida adicional de 0.64 en 10 años, con lo que la pérdida de serviciabilidad es:

DPSI = 2.0 – 0.64 = 1.36

Para R = 95%, S_O = 0.45, W₁₈ = 11.2x10⁶ ESALs, M_R = 2100 psi y DPSI = 1.36 corresponde SN = 213 mm (8.4 pulg), con:

SN₁ = 92 mm (3.6 pulg) para protección de base 

TENDENCIAS FUTURAS EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

El pavimento flexible es en realidad un sistema elástico multicapa. Hay dos maneras básicas de encarar el diseño de un pavimento. Uno de ellos considera un procedimiento general de diseño aplicable a diferentes condiciones de tránsito y clima. Este es un método empírico y simplista. Se basa en la correlación entre el comportamiento observado in situ y mediciones de propiedades de materiales y espesores. El AASHTO es un método de este tipo. El otro tipo de método de diseño está basado en métodos mecanico‑empíricos y se fundamentan en la correlación entre la respuesta predicha de un pavimento a través de modelos elásticos o mediante análisis por elementos finitos y las mediciones observadas in situ. Como ejemplo se tiene el Método Shell.

La AASHTO consideró la posibilidad de implementar un método mecanico‑empirico en la guía de Diseño AASHTO de 1986, pero finalmente se adoptó un método empírico como los anteriores por la gran aceptación que hablan tenido éstos entre los usuarios y por el hecho de que un método mecánico‑empírico necesita muchas verificaciones. No obstante, la tendencia es a ir hacia soluciones mecánicas y hacia allí apuntan las investigaciones, como ejemplo citamos el método AASHTO – 2002.

LIMITACIONES EN EL MÉTODO DE DISEÑO AASHTO - II

1.     Períodos de vida útil muy cortos en el Road Test. El número de años y las cargas aplicadas en el AASHO Road Test representan sólo una fracción de la vida de diseño y de las aplicaciones de cargas vistas en la realidad. Con períodos muy largos en servicio, el deterioro del pavimento por condiciones ambientales empieza a ser importante.

2.     Factores equivalentes de carga. Los factores equivalentes de carga usados para pasar del tránsito mixto al número de ESALs son válidos para los materiales, composición del pavimento, clima y subrasante del AASHO Road Test. La extrapolación de estos factores a otras condiciones es desconocida. Estos factores, a su vez están dados para niveles finales de serviciabilidad variables entre 2.0 y 2.5. Para caminos muy importantes de alto volumen de tránsito pueden adoptarse serviciabilidades finales mayores y estos LEFs no se adecuan correctamente.

3.     Variabilidad. Una de las principales limitaciones del método AASHTO es que está basado en tramos muy cortos de pavimentos con un gran control de calidad en lo que respecta a materiales y construcción. La variabilidad en construcción y materiales en casos reales es mucho mayor. Los proyectos diseñados con valores medios tendrán fallas localizadas antes de que su serviciabilidad descienda a su nivel final, a menos que se use un alto nivel de confiabilidad en el diseño.

4.     Falta de guía en el diseño. Los coeficientes estructurales o de capa y los factores de drenaje m_i tienen una gran importancia en la determinación de los espesores de pavimentos, pero se han dado muy pocas guías en este rubro. Lo mismo ocurre con la confiabilidad. La selección de estos valores debe estar basada en el buen juicio y experiencia del proyectista.

LIMITACIONES EN EL MÉTODO DE DISEÑO AASHTO - I

Las limitaciones del método AASHTO son las siguientes:

1.     Materiales y subrasantes limitados. El AASHO Road Test fue realizado con una clase típica de materiales y un único tipo de subrasante. La extrapolación de los resultados obtenidos a aplicaciones generales conlleva el hecho de que los materiales y suelos de un determinado lugar pueden ser muy diferentes a los usados en el AASHO Road Test. Este problema se salva con el uso de factores de ajuste, M_R, a_¡, m_i, etc., pero pese a todo, muchos de estos factores están basados en relaciones empíricas y deben usarse con precaución.

2.     Tránsito no mezclado. El AASHO Road Test consideraba el tránsito acumulado de vehículos con cargas y configuraciones por eje idénticos. En la realidad los pavimentos están expuestos a un gran número de configuraciones y cargas por eje. El proceso para convertir un tránsito mixto en un número equivalente de pasadas de ESALs se basa en una relación empírica.

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD - V

En la Figura 8.11 se ve el efecto del módulo resiliente de la subrasante en SN. Las subrasantes más débiles requieren un mayor SN para reducir las tensiones verticales y prevenir así, la deformación permanente. Este incremento se puede lograr en forma eficiente y barata incrementando los espesores de base y subbase. A menos que la base tenga poca resistencia no conviene incrementar mucho la capa de concreto asfáltico. En este ejemplo, un incremento en MR de 10.0 a 35.0 MPa (1450 a 5000 psi) provoca una reducción de 64 mm (2.5 pulg) en SN, mientras que un incremento en MR de 35.0 a 60.0 MPa (5000 a 8700 psi) provoca una reducción de 23 mm (0.9 pulg) en SN.

Figura 8.11. Sensibilidad con respecto al módulo resiliente de la subrasante

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD - IV

Figura 8.9. Sensibilidad con respecto a la confiabilidad
En la Figura 8.1 0 se muestra el efecto del desvío estándar de las variables sobre el SN. Hay una relación lineal con respecto a SN cuando la confiabilidad se mantiene constante porque ésta se traduce en el factor ZR que multiplica a So en la fórmula de diseño. El So tiene una influencia muy pequeña en SN. Un aumento de So de 0.40 a 0.50 produce un incremento de 6 mm (0.23 pulg) en SN

Figura 8.10. Sensibilidad con respecto al desvío estándar

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD - III

En la Figura 8.8 se muestra el efecto del cambio de serviciabilidad en el diseño de SN. Un incremento en la serviciabilidad final de 1.5 a 3.0 produce un incremento de SN de 33 mm (1.30 pulg).

Figura 8.8. Sensibilidad con respecto a la serviciabilidad final En la Figura 8.9 se muestra el efecto del nivel de confiabilidad en el valor de SN. Si R es menor del 90%, los cambios en la confiabilidad tienen un efecto muy pequeño en SN, pero por encima del 90% el SN se incrementa notablemente. En este ejemplo se ve que cambiando la confiabilidad de 50 a 90%, el SN se incrementa en la misma cantidad que se incrementaría si R pasara del 90 al 99%. A partir de R = 90% la confiabilidad empieza a tener mucho peso.