Métodos Empíricos

Los desarrollos empíricos tienen su origen en bases de datos reales conformadas a partir de pavimentos existentes, en dichas bases de datos se ha registrado gran cantidad de información referida a diversos aspectos entre los que se cuentan: información general de los pavimentos, datos de diseño (materiales, diseño estructural, diseño de juntas, etc.), características del drenaje y de las bermas, datos de tránsito, de condiciones climáticas y de deterioros a lo largo de su vida útil.

1.3.1.1. Método de la AASHTO

Este método combina ecuaciones, tablas y figuras. Este procedimiento es de amplia aceptación para el diseño de pavimentos flexibles y se presenta en la Guía AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimento, la cual es publicada por la American Association of State Highway and Transportation Officials. La información de pruebas incluida en el desarrollo del método fue recolectada en el Ensayo Vial AASHO de 1958 a 1960.

El Ensayo Vial AASHO se llevó a cabo en Ottawa, Illinois, a unos 128 kilómetros de Chicago. Tanto el clima como el suelo son típicos de una gran parte de los Estados Unidos. Los ensayos sobre pavimentos se hicieron sobre seis secciones separadas dobles, con pistas de doble vía en forma de dos tramos rectos paralelos con secciones curvas para retorno. En la Figura 1.3 se presenta el emplazamiento general del ensayo.

Figura 1.3. Emplazamiento general del Ensayo Vial AASHO

Los segmentos rectos contenían 836 secciones de prueba separadas, las cuales representaban cerca de 200 combinaciones de superficies, bases, y subbases de varios materiales y espesores. Había 12 trochas de tránsito en los seis tramos de ensayo. El denominado tramo 1 no se sometió a la acción del tránsito y se utilizó para estudios especiales de deflexiones y contracciones para evaluar el efecto del clima.

Los otros cinco tramos (del 2 al 6) se sometieron al tránsito de vehículos durante 18.5 horas diarias, 6 días a la semana, entre el 5 de noviembre de 1958 y el 30 de noviembre de 1960. Se emplearon 78 camiones, casi 10 veces los utilizados en el anterior ensayo WASHO. El costo total del Ensayo Vial AASHO fue de 27 millones de dólares de la época.

La Guía conserva los algoritmos originales del Ensayo Vial correspondientes a un grupo reducido de materiales, un solo tipo de subrasante, tránsito homogéneo y el medio ambiente del sitio del ensayo. Debido a este panorama limitado se han realizado investigaciones para ampliar la aplicación del método.

La Guía comprende procedimientos para diseñar y rehabilitar pavimentos, incluyendo la selección del tipo de estructura, el espesor total de la misma y el espesor de cada capa componente.

Los resultados obtenidos con MOPT y Road Note 31 de 1993 presentan alguna similitud, siendo mayor la estructura obtenida por el método inglés. Con el método AASHTO se obtiene un espesor importante de mezcla asfáltica y espesores menores de base y subbase. Una verificación empírico – mecanicista podría favorecer el resultado AASHTO sobre los otros.

Un buen ejemplo del uso de ecuaciones de regresión para el diseño de pavimentos corresponde a la Guía AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimentos, principal documento utilizado por las agencias de transportes en los EE.UU. para el diseño y rehabilitación de pavimentos de carreteras. La versión de 1972, 1986 ó 1993 de la Guía de Diseño de Pavimentos de la AASHTO, fueron basadas en la ecuación resultante del comportamiento de la pista de pruebas de la AASHO en la década de 1950.

Los resultados del Ensayo Vial AASHO han sido extrapolados a otras condiciones mediante investigaciones posteriores dentro de los Estados Unidos y Europa. Sobre este punto la misma Guía de Diseño sugiere, de forma reiterativa, que cada Agencia (autoridad local norteamericana) debe desarrollar valores locales para parámetros tan críticos como la desviación estándar total o los coeficientes estructurales de capa.

El método AASTHO 1993 presenta el criterio de “confiabilidad”, el cual permite adoptar un nivel de “seguridad” ante la falla prematura del pavimento dentro del período de análisis. La falla del pavimento no está asociada a un tipo de daño en particular, sino al concepto de serviciabilidad, calificado mediante el Índice de Serviciabilidad Presente (PSI), en el cual la rugosidad es un componente importante.

Entre las limitaciones encontradas en el método de AASTHO 1993, se han listado las siguientes:

1. La pista de pruebas no consideró tramos, ni procedimientos de rehabilitación de pavimentos y fueron realizados en un solo lugar, existiendo problemas para predecir el comportamiento bajo condiciones ambientales diferentes.

2. La pista de prueba consideró un solo tipo de subsuelo y utilizó bases granulares no estabilizadas. Actualmente se ha demostrado la importancia de utilizar diferentes tipos de bases tratadas o reforzadas en subsuelos de baja capacidad de soporte.

3. El peso y geometría de los vehículos, las presiones de las llantas y el volumen de tráfico se han incrementado sustancialmente en las últimas cuatro décadas.

4. El diseño se evaluó en función del espesor del paquete que conformaban las distintas capas del pavimento. Actualmente, la aplicación de la teoría elástica permite que el diseño se evalúe y se determine la influencia de cada una de las distintas capas o elementos estructurales que componen el pavimento.

Los espesores obtenidos por el método AASHTO 1993 son llamados por algunas personas “económicamente desbalanceados”, por lo cual manipulan el espesor de la mezcla asfáltica a valores mínimos, lo cual es violatorio del análisis de capas y constituye un diseño viciado. Esto se encuentra con frecuencia en publicaciones publicitarias sobre productos para la estabilización o el refuerzo de algunos componentes de los pavimentos.

1.3.1.2.Método de la Road Note

La Road Note 31 fue elaborada por el Road Research Laboratory, actual TRL de Gran Bretaña. La versión de 1975 caracteriza por primera vez el tránsito como repeticiones de un eje en un período de diseño, pues antes se utilizaba un sistema de vehículos comerciales en un rango de pesos. El espectro de diseño es de 1,500 vehículos pesados por día, para una vida de diseño de 10 a 15 años. El método ofrece recomendaciones de diseño basadas en la resistencia de la subrasante, medida mediante el ensayo de CBR. Deben considerarse dos aspectos principales:1) la influencia de los diferentes climas tropicales en las condiciones de humedad bajo superficies selladas y su efecto en la resistencia de la subrasante, la subbase y la base; y 2) el rápido incremento del tránsito, lo cual es una característica generalizada de las carreteras en los países en desarrollo de las regiones tropical y subtropical

Los pasos principales para el diseño del pavimento flexible son:

ƒ Estimar el tránsito y la distribución de carga por eje que soportará la vía durante la vida de diseño.

ƒ Determinar la resistencia de la subrasante debajo del pavimento construido.

ƒ Establecidos los dos puntos anteriores, seleccionar la combinación correcta de materiales y espesores que produzcan un pavimento económico y con mínimo mantenimiento.

El Road Note 31 de 1993 hace el diseño mediante catálogo. Esta versión conserva la caracterización del tránsito como repeticiones de ejes equivalentes a ejes estándar de 8,200 kilogramos y la caracterización de la resistencia de la subrasante mediante el CBR. No obstante profundiza sobre cada variable de diseño en lo concerniente a métodos de predicción del tránsito y elección del valor de diseño de la subrasante. Los diseños incorporados en esta edición de la Road Note 31 están basados de forma primordial en: resultados de experimentos a gran escala donde todos los factores que afectan el desempeño han sido medidos con precisión y se ha cuantificado su variabilidad; y estudios de desempeño en redes viales existentes.

El proceso de diseño continúa el orden expuesto previamente. Estimación del tránsito en repeticiones de ejes – Determinación de la resistencia de la subrasante – Selección de la combinación de materiales y espesores más económica.

Se consideran algunos aspectos críticos de diseño en la mayoría de los países tropicales:

ƒ Influencia de los climas tropicales en la humedad de la subrasante.

ƒ La interrelación entre diseño y mantenimiento. Si no se asume un nivel de mantenimiento apropiado, se producirán diseños incapaces de soportar las cargas del tránsito sin un incremento considerable de los costos de operación vehicular debido al deterioro del pavimento.

ƒ Las elevadas cargas por eje y presiones de inflado comunes en la mayoría de los países tropicales.

ƒ La influencia de los climas tropicales en la naturaleza de los suelos y rocas utilizados en la construcción de las carreteras.

La versión de 1993 de la Road Note 31 acumula la experiencia de las versiones anteriores y ofrece como herramienta de diseño un catálogo compuesto de ocho cartas con diferentes materiales y espesores constituyentes de la estructura del pavimento. Esto permite obtener varias soluciones para unos valores de diseño establecidos. Se hace una recomendación de tipo estadístico para la elección del valor de diseño de la subrasante, como aquel que es superado por el 90% de los valores de resistencia en el proyecto. Si existe una variación importante en los valores de la resistencia se recomienda definir unidades de diseño. En el análisis del tránsito se ha incorporado la experiencia británica en el cálculo de los factores de equivalencia de eje, pero no se presenta información relativa a ejes tándem.

Asimismo, se ha extendido el rango de diseño hasta 30 millones de repeticiones de ejes estándar.

1.3.1.3. Método de la SHELL

En 1963, SHELL publicó un juego de cartas de diseño para pavimentos flexibles basadas en un método analítico con criterios derivados de pruebas de laboratorio y del Ensayo Vial AASHO.

Años más tarde, el procedimiento fue expandido para incorporar importantes parámetros de diseño que determinan las propiedades de los materiales y los efectos de la temperatura y carga, dentro de un paquete conocido como el Manual de Diseño de Pavimentos SHELL de 1978.

El método de diseño SHELL considera la estructura como un sistema de tres capas, tal como se muestra en la Figura 1.4. La capa superior representa todos los materiales ligados y se caracteriza por las propiedades de la base asfáltica, la segunda capa representa la subbase no ligada y la tercera capa la subrasante.

Figura 1.4. Modelo de pavimento tricapa.

Las capas asfáltica y de subbase se consideran construidas con materiales homogéneos, de espesor uniforme y extensión horizontal infinita, los cuales yacen sobre una subrasante homogénea seme-infinita. Se considera que todas las capas desarrollan fricción total en sus interfaces.

La carga aplicada a la estructura se define como el número estimado de ejes estándar acumulados durante el período de diseño.

El principio del método es diseñar la capa asfáltica de tal forma que las cargas del tránsito aplicadas al pavimento no generen una deformación excesiva en la interface entre la subbase y la subrasante (criterio de la deformación unitaria vertical por compresión de la subrasante) y no induzcan el agrietamiento estructural de la base asfáltica (criterio de deformación unitaria por tensión en la parte inferior de la capa asfáltica). Las propiedades que determinan el comportamiento de los materiales del pavimento son la rigidez (similar al módulo de elasticidad de Young) y la relación de Poisson de cada capa.

1.3.1.4.Norma Cubana

El método de la NC 2003, consiste en calcular el espesor total equivalente a una base granular de 500 MPa, con una carga de 100 kN, utilizando el tráfico de diseño y la resistencia de la subrasante. Con ayuda de los coeficientes de equivalencia de espesores, se conforma la estructura definitiva, sustituyendo cada parte del espesor total con materiales de otras características resistentes, para la superficie, base y subbase. La ecuación de comportamiento, los coeficientes de equivalencia y espesores mínimos que se usan en la norma, han sido validados mediante procedimientos de cálculo analítico. Se calcula el tráfico de diseño, a partir de recuentos en una vía de características similares, o en su defecto, se recomiendan parámetros que permiten estimarlo. Se propone en esta norma: “Método indirecto para la determinación de las cargas del tránsito”. Este procedimiento es útil en los estudios de cargas, en ausencia de equipos para el pesaje de los vehículos.

La Norma establece el método para el diseño de pavimentos flexibles y semirrígidos de carreteras y calles, con las características del tránsito, así como la humedad de los suelos y temperatura en el hormigón

forma de obtener los factores que intervienen en el diseño de la estructura de pavimento flexible o semirrígido y la forma de calcular los espesores de las capas componentes, mediante el uso de coeficientes de equivalencia de espesores. Es importante señalizar que la misma toma como base la norma del Instituto de Asfalto.