Donde:
- 𝑎 , 𝑎 , 𝑎 = coeficientes estructurales de las capas; superficial, base y subbase, respectivamente (obtenidos de tablas del Manual de suelos y Pavimentos del MTC). - 𝑑 , 𝑑 , 𝑑 = espesores (en cm) de las capas: superficial, base y subbase,
respectivamente.
- 𝑚 , 𝑚 = coeficientes de drenaje para las capas de base y subbase, respectivamente. Sobre los coeficientes de drenaje, estos se determinan de acuerdo al tiempo que tarda el agua en ser evacuada del pavimento, el Manual de Suelos y Pavimentos del MTC presenta tablas para la obtención de este coeficiente y a la vez recomienda considerar este valor como 1, considerando que la calidad de drenaje para pavimento urbano y rural es buena tanto para base como para subbase.
El número estructural no tiene solo una solución, se debe realizar combinaciones de espesores y analizar cuál es la más óptima.
116
5.2.2. Sobrecarga tradicional.
Con los parámetros establecidos en el MTC Manual de Carreteras – Sección Suelos y Pavimentos se realizó el cálculo del Número Estructural, aplicando la ecuación 13.
Variable Símbolo Und. Valor
N° repeticiones de EE 8.2 ton 38,001,010
CBR Subrasante 0.1" al 95% M.P.U.S. % 52.5
Módulo de Resiliencia psi 32,232.42
Confiabilidad R % 95
Desviación Estándar Normal Zr - -1.645
Desviación Estándar Combinada So - 0.45
Índice de Serviciabilidad Presente PSI -
Serviciabilidad Inicial Pi - 4.2
Serviciabilidad Final o terminal Pt - 3
Variación de serviciabilidad ▲PSI - 1.2
SN 4.21
Tabla 62 Calculo del número estructural con una sobrecarga tradicional para pavimentos flexibles rural Fuente: Elaboración propia
Con este número estructural se planteó 4 opciones de espesores de pavimento, aplicando la ecuación 14:
Superficial Base Subbase Base Subbase Superficial Base Subbase
SN a1 a2 a3 m2 m3 d1 (cm) d2 (cm) d3 (cm) 0.17 0.054 0.047 1 1 13 25 15 4.27 16 20 15 4.51 16 15 15 4.24 15 20 15 4.34
Tabla 63 Espesores del pavimento flexible rural con sobrecarga tradicional Fuente: Elaboración propia
De las 4 opciones, se tomará en cuenta la 3era. opción, ya que cumple con los espesores mínimos requeridos según el Manual de Carreteras del MTC y también cumple con el número estructural (SN) requerido.
𝑊 𝑀
117
Gráfica 24 Espesores de pavimento flexible rural (tradicional) Fuente: Elaboración propia
Para determinar el peso de la carpeta asfáltica sobre la subrasante, se tomará en cuenta la gravedad especifica bulk de la mezcla asfáltica compactada, tomando como referencia una presentación titulada “Diseño de Mezclas Asfálticas HMA Método Marshall”, realizada por el
Ing. Augusto García publicada en: https://es.slideshare.net/RibBrian/1000-diseo-de-mezclas-
asfalticas-marshall, donde menciona que la gravedad especifica bulk de la mezcla asfáltica es de 2.442 gf/cm³.
En caso del peso ejercido por la base y subbase sobre la subrasante, se tomará en cuenta el peso unitario seco obtenido en los ensayos de CBR.
118
Área del molde CBR 182.24 cm²
Capa superficial
Densidad mezcla asfáltica 2.44 gf/cm³
Volumen en 1m² 160,000.00 cm³
Peso en 1m² 390,720.00 gf
Peso a aplicar en molde CBR 7,120.48 gf
Base
Peso unitario seco 2.01 gf/cm³
Volumen en 1m² 150,000.00 cm³
Peso en 1m² 301,000.00 gf
Peso a aplicar en molde CBR 5,485.42 gf
Subbase
Peso unitario seco 1.97 gf/cm³
Volumen en 1m² 150,000.00 cm³
Peso en 1m² 295,000.00 gf
Peso a aplicar en molde CBR 5,376.08 gf
Peso total a aplicar 17,981.99 gf
N° pesas de sobrecarga 7
Tabla 64 Calculo de pesas de sobrecarga equivalente en pavimento rural Fuente: Elaboración propia
5.2.3. Sobrecarga rediseñada.
Los resultados de CBR con las pesas de sobrecarga ensayada son los siguientes:
CBR con 7 pesas de sobrecarga CBR referido al 95% de la Máxima Densidad Seca y
una Penetración de carga de 0.1" %
80.3
81.8 83.3
81.9
CBR referido al 95% de la Máxima Densidad Seca y una Penetración de carga de 0.2" %
97.9
100.1 104.5
97.8
Tabla 65 Resultados del ensayo de CBR con 8 pesas de sobrecarga para pavimento flexible rural Fuente: Elaboración propia
Con el nuevo valor de CBR, se procedió a volver a realizar el diseño, con lo cual primero se calculó el Número Estructural (SN) y posterior a ello, los nuevos grosores de pavimento flexible.
119
Variable Símbolo Und. Valor
N° repeticiones de EE 8.2 ton 38,001,010
CBR Subrasante 0.1" al 95% M.P.U.S. % 81.8
Módulo de Resiliencia psi 42,810.77
Confiabilidad R % 95
Desviación Estándar Normal Zr - -1.645
Desviación Estándar Combinada So - 0.45
Índice de Serviciabilidad Presente PSI -
Serviciabilidad Inicial Pi - 4.2
Serviciabilidad Final o terminal Pt - 3
Variación de serviciabilidad ▲PSI - 1.2
SN 3.73
Tabla 66 Calculo del número estructural con una sobrecarga equivalente a espesores de pavimentos flexibles rural Fuente: Elaboración propia
Superficial Base Subbase Base Subbase Superficial Base Subbase
SN
a1 a2 a3 m2 m3 d1 (cm) d2 (cm) d3 (cm)
0.17 0.054 0.047 1 1 14 15 15 3.90
Tabla 67 Espesores rediseñados con sobrecarga equivalente a espesores de pavimentos flexible rural Fuente: Elaboración propia
Gráfica 25 Espesores de pavimento flexible rural (con adición de pesas de sobrecarga) Fuente: Elaboración propia
𝑊 𝑀
120
5.3.PAVIMENTO AEROPORTUARIO
5.3.1. Criterios de diseño.
5.3.1.1. Generalidades.
Para realizar el diseño de pavimentos aeroportuarios se usa el método de la Federal Aviation Administration (FAA) AC No 150/5320-6F, para ello es necesario hacer uso del programa FAARFIELD (versión 1.42), el cual es un software de la FAA que se emplea exclusivamente para el diseño de pavimentos aeroportuarios.
5.3.1.2. Método de la FAA – AC 150/5320-6F “FAARFIELD”
Su significado en inglés Federal Aviation Administration Rigid and Flexible Iterative Elastic Layer Design, el cual, como su nombre lo indica, es un método iterativo.
FAARFIELD para predecir la vida estructural considera dos tipos de falla. La primera es debido a la tensión máxima vertical de la parte superior de la subrasante que puede generar ahuellamiento y la segunda es debido a la tensión máxima horizontal de la parte inferior de la carpeta asfáltica, la cual puede generar agrietamiento en dicha capa.
FAARFIELD supone que los materiales usados en las capas del pavimento cumplen con los requisitos de la AC 150/5370-10H (Standard Specifications for Construction of Airports). Para el estudio de tráfico, según la FAA solo se considera las salidas de las aeronaves ya que, en muchos casos las aeronaves llegan con menos peso a comparación de su despegue, debido al consumo del combustible.
Este programa está basado en el concepto del Factor de Daño Acumulado (CDF, Cumulative Damage Factor) en el cual suma el daño causado al pavimento por cada tipo de aeronave de un tráfico dado. Cuando el Factor de Daño Acumulado (CDF) suma el valor de uno (1), quiere decir que las condiciones de diseño son satisfactorias.
Según este método y a diferencia de los anteriores métodos, FAARFIELD no convierte todas las salidas equivalentes a solo un avión de diseño, sino que, de todo el mix de aeronaves es capaz de identificar aquellas aeronaves que causan mayor daño al pavimento. Según la FAA menciona que, si se tomaría una aeronave de diseño, generalmente daría un grosor excesivo.
121
El CDF representa la fatiga del pavimento y se puede definir con la siguiente ecuación:
𝐶𝐷𝐹 = 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑒𝑡𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑝𝑒𝑡𝑖𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑎𝑑𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒𝑠 𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑎𝑙𝑙𝑎𝑟
Ecuación 15 Ecuación para hallar el Factor de Daño Acumulado