Chequeo de estructuras de pavimento flexible a través del software (MEPDG)

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas Facultad de Construcciones Departamento de Ingeniería Civil. TRABAJO DE DIPLOMA. Chequeo de estructuras de pavimento flexible a través del software (MEPDG). Autor: AdriànR. Batista Alcàntara Tutor: MSc. Liosber Medina García. Curso: 2013/2014.

(2) DEDICATORIA A mis padres Olga e Higinio Por saber guiarme con sus experiencias y sabidurías a lo largo de todos estos años de estudiante, sin ellos yo no hubiese podido realizar este sueño..

(3) AGRADECIMIENTOS  A mis padres: gracias por estar siempre a mi lado, y guiarme por el buen camino, son lo más importante en mi vida.  A Maribelita: por ayudarme en los momentos difíciles  A mi familia: por comprenderme y apoyarme siempre.  A mi tutor Liosber: Por confiar en mí y ayudarme en todo momento con sus valiosas orientaciones y sugerencias.  A mi cotutor Renecito: por estar siempre a mi lado y brindarme su apoyo en todo momento.  A Juanita y Rafe: porque sin ellos no hubiera podido realizar esta investigación.  A mi tío Tomás: por su colaboración  A mis compañeros del cuarto: Por su amistad y apoyo incondicional.Son los mejores amigos que he tenido.  A Betsy: gracias por ayudarme en este trabajo de diploma  A mi claustro de profesores: por brindarme sus conocimientos a lo largo de la carrera.  A Jessica Valdés y Ernesto López:por el apoyo incondicional, nunca los olvidaré. A todos los que me apoyaron y estuvieron a mi lado, muchas gracias..

(4) Resumen En la actualidad con el desarrollo tecnológico y el crecimiento demográfico, se incrementa el volumen de tránsito en las carreteras, lo que conlleva a una mayor cantidad de repeticiones de carga por ejes. El aumento de las cargas de tránsito y el empleo de nuevos materiales constituye un reto constante en el diseño de pavimentos. La tendencia internacional se orienta al desarrollo de métodos empíricomecanicista de diseño de pavimento. Sobre esta base se analiza la posibilidad de chequear las estructuras de pavimento diseñadas, actualmente en Cuba, por un método netamente empírico a partir de los conceptos empírico-mecanicistas incluidos en la nueva guía de la AASHTO 2006. En el logro de este objetivo se emplea el software Desing Guide AASHTO 2002 versión 1.0 que permite realizar el análisis de la evolución de las patologías más frecuentes en estructuras de pavimentos flexibles diseñadas. Finalmente, como resultado de esta etapa, se logra establecer un procedimiento de comprobación de algunos de los criterios de la mencionada guía haciendo especial énfasis en las modificaciones que deben ser incluidas en el software para comenzar su adaptación a las condiciones de nuestro país..

(5) Summary At the present time with the technological development and the demographic growth, the traffic volume is increased in the highways, what bears to a bigger quantity of load repetitions for axes. The increase of the traffic loads and the employment of new materials constitutes a constant challenge in the design of pavements. The international tendency is guided to the development of methods empiricmechanic of design of pavement. On this base the check possibility is analyzed the designed structures of pavement, at the moment in Cuba, for a method highly empiric starting from the concepts empiric-mechanics included in the new guide of the AASHTO 2006. In the achievement of this objective the software Desing Guide AASHTO 2002 version is used 1.0 that he/she allows to carry out the analysis of the evolution of the most frequent pathologies in designed structures of flexible pavements. Finally, as a result of this stage, it is possible to establish a confirmation procedure of some of the approaches of the one mentioned guide making special emphasis in the modifications that should be included in the software to begin their adaptation to the conditions of our country..

(6) ÍNDICE INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1 CAPÍTULO I: ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO EN EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO FLEXIBLES CON HORMIGÒN ASFÀLTICO CALIENTE (HAC). ............................................................................................................... 6 1.1. Pavimentos flexibles. Consideraciones para el diseño ........................... 7 1.2. Métodos de diseño de pavimentos flexibles ............................................... 9 1.2.1 Métodos Empíricos ......................................................................................... 9 1.2.1.1 Método de la AASHTO ................................................................................ 9 1.2.1.2 Método de la Road Note 31..................................................................... 12 1.2.1.3 Método de la SHELL .................................................................................. 12 1.2.1.4 Norma Cubana ............................................................................................ 13 1.3 Métodos empíricos-mecanicistas..................................................................... 14 1.3.1. Método de diseño del Instituto del Asfalto ................................................ 15 1.3.2. Procedimiento de diseño (LCPC) ............................................................. 16 1.3.3. Método de la AASHTO ................................................................................. 17 1.4 Método Mecanicista ............................................................................................ 19 1.5 Fallas consideradas en el análisis MEPDG ................................................... 20 1.5.1Deformación Permanente. ................................................................................ 20 1.5.2Fisuración por efectos térmicos................................................................. 21 1.5.3 Fatiga en la estructura del pavimento ..................................................... 22 1.6 Características generales de la guía ............................................................... 23 1.7 Condiciones de entrada ...................................................................................... 25 1.7.1 El tránsito......................................................................................................... 25 1.7.2 Características de los materiales de la estructura del pavimento ... 26 1.7.3 Factores climáticos..................................................................................... 27 1.8 Conclusiones parciales ....................................................................................... 28 CAPÍTULO II: MÉTODO DE DISEÑO EMPÍRICO MECANICISTA (MEPDG) COMO HERRAMIENTA DE CHEQUEO PARA ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO FLEXIBLE .................................................................................................. 30 2.1 Procedimiento de diseño MEPDG .................................................................... 30 2.1.1 Datos de entrada para el diseño de pavimentos flexibles. ................ 30 2.1.2 Diseño y análisis ............................................................................................ 31 2.1.3 Ejecutar el software MEPDG y examinar los datos de entrada y salida ........................................................................................................................... 39 2.1.4 Enfoque de diseño ........................................................................................ 40.

(7) 2.2 Chequeo de las estructuras de pavimentos a través del software MEPDG. .......................................................................................................................... 42 2.2.1 Secuencia de pasos a seguir en la modelación empleando el software MEPDG. ..................................................................................................... 42 2.2.2 Esquema de trabajo ...................................................................................... 48 2.2.3 Importancia y uso del software ................................................................. 49 2.2.4 Indicadores de desempeño pronosticados por el MEPDG ................ 50 2.2.5 Confiabilidad ................................................................................................... 51 2.3Conclusiones parciales ........................................................................................ 52 CAPÍTULO III: METODOLOGÍA DE TRABAJO Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ................................................................................................................... 53 3.1 Estudio de la red vial en la provincia de Villa Clara .................................... 53 3.2 Análisis de los datos del tráfico y del espectro de carga .......................... 54 3.3Esquema de trabajo seguido en la investigación ......................................... 60 3.4Variables de entrada ............................................................................................. 60 3.4.1 Cargas............................................................................................................... 60 3.4.2 Condiciones climáticas............................................................................... 61 3.4.3 Características de los materiales de la estructura ............................... 61 3.5 Definición de las estructuras de pavimento flexible (Diseño por la NC: 334-2004) ........................................................................................................................ 65 3.6 Diseño por el software MEPDG y análisis de los resultados .................... 65 3.6.1 Agrietamiento por fatiga .............................................................................. 66 3.6.2 Deformación permanente ........................................................................... 68 3.7 Líneas futuras de desarrollo .............................................................................. 69 CONCLUSIONES GENERALES DE LA INVESTIGACIÓN ...................................... 70 RECOMENDACIONES..................................................................................................... 71 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 71.

(8) INTRODUCCIÓN A medida que las ciudades de las primeras civilizaciones incrementaron de tamaño y densidad de población, las vías de comunicación con otras regiones se tornaron cada vez más necesaria. La necesidad de hacer llegar suministros alimenticios y transportarlos a otros consumidores impulsó, sin duda, al desarrollo de la construcción de caminos y carreteras. El rápido desarrollo y transformación del transporte terrestre trajo consigo el perfeccionamiento en los métodos y técnicas de construcción de carreteras durante las tres primeras décadas del siglo XIX, donde se destacaron los ingenieros,. Thomas. Telford,. John. LoudonMcAdam. y. Pierre-Marie-. JérômeTrésaguet. Es en este período donde se introduce el ladrillo y el asfalto como pavimento para las calles de las ciudades. Se estima que el primer caso de pavimento asfáltico compactado fue en el año 1870 en Estados Unidos de América. Los métodos de diseño de estructuras de pavimentos han ido evolucionando, desde la colocación manual de materiales angulosos y duros hasta la obtención de mezclas asfálticas que aglomeran áridos para conformar una estructura cada vez, de mejores prestaciones ante las cargas provenientes del tráfico. Estos se clasifican en tres grandes grupos: método empírico, semi-empírico o empíricomecanicista y método mecanicista. El método empírico fue el primero en ser desarrollado, que se basa en procesos racionales de identificación de parámetros críticos de comportamiento para un conjunto de variables de diseño como la resistencia de la subrasante, el tránsito, el espesor y calidad de los materiales estructurales. Dicho método considera un criterio de diseño: la protección de la subrasante frente a esfuerzos excesivos de compresión debido al tránsito, tiene como desventaja que se caracteriza por la ausencia de predicción explícita del daño causado por la fatiga.Actualmente se utiliza en Cuba este método. El método semi-empírico o empírico-mecanicista se basa en la aplicación de la mecánica estructural. Este combina aspectos tanto empíricos como mecanicistas, es el método de mayor aplicación ya que corresponde a un desarrollo posterior 1.

(9) que incluye el análisis de la fatiga y un modelo de daño con ajustes que consideran el comportamiento real. Cuba está en condiciones de insertarse en la aplicación de este método para utilizarlo como una herramienta de chequeo de estructuras de pavimento flexible diseñadas a partir de la norma cubana vigente. Representativo. de. este. enfoque. es. la. Guía. AASTHO. 2004. o. MechanicalEmpiricalPavementDesing Guide (MEPDG), aún no establecida como norma de diseño, es una poderosa herramienta de diseño y comprobación de estructuras de pavimentos que ha cambiado la concepción que apunta a criterios semi-empíricos. Además establece valores admisibles para los resultados que evalúa: deformaciones permanentes en la estructura de pavimento (RDtotal), el agrietamiento por fatiga (hacia la base y hacia la superficie) y el ahuellamiento. La visión que tiene el mundo es tender a métodos puramente mecanicistas, basado en la mecánica del comportamiento estructural ante la aplicación de cargas, deben conocerse las propiedades fundamentales de los materiales y la geometría de la estructura sometida a solicitaciones. La metodología mecanicista pretende alcanzar un enfoque puramente científico que se puede realizar un análisis completo de la mecánica del comportamiento de un pavimento, ante las acciones del clima y del tránsito vehicular, donde se determina la predicción correcta de la evolución en el tiempo de los diferentes deterioros que se pueden presentar y, por ende, aumentar el grado de confiabilidad de los diseños. Problema: ¿Qué criterios empírico mecanisìsticos de diseño pueden ser empleados como herramienta para el chequeo estructural de pavimentos flexibles diseñados por la Norma Cubana a través del uso de la guía MEPDG 2004? Objeto de estudio El Método de Diseño MEPDG AASTHO 2004. Hipótesis: Se podrán obtener diseños racionales y económicos si se aplican los conceptos de diseño empírico-mecanicista y utilizarlo como una herramienta de chequeo de estructuras de pavimento flexible a partir de la norma cubana vigente.. 2.

(10) Objetivo general: Establecer una metodología para la introducción paulatina de la Guía de Diseño MEPDG 2004 como herramienta de chequeo de diseño de estructuras de pavimento flexible. Objetivos específicos de la investigación: Analizar el estado actual del conocimiento sobre el tema del diseño de estructuras de pavimento flexible para determinar cuáles son las tendencias investigativas contemporáneas y definir la línea de trabajo a seguir. Definir criterios de chequeo para estructuras prediseñadas por la norma cubana que tomen en consideración las principales ventajas de los métodos de diseño de la Guía AASHTO 2004. (Modelar mediante el software MEPDG V 1.0) estructuras de pavimento flexible previamente diseñadas por la norma cubana, para chequear el comportamiento ante la acción de las cargas de tráfico real durante su vida útil. Establecer una propuesta de valores admisibles para las patologías (roderas y piel de cocodrilo) Proponer una metodología para el uso del software MEPDG v1.0 como herramienta de chequeo para de estructuras de pavimentos flexibles diseñadas a partir de los criterios de la norma cubana vigente.. En la elaboración de la investigación se realizaron un grupo de actividades para dar cumplimiento a los objetivos planteados, para ello se definieron las siguientes etapas: Etapa I. Diseño de la investigación y revisión bibliográfica 1.1 Definición del tema y planteamiento del problema de estudio, recopilación bibliográfica, planteamiento de la hipótesis, definición de los objetivos, definición de tareas científicas. Consulta de especialistas Se redacta la introducción y el capítulo I. Etapa II: El método de diseño empírico mecanicista y aplicación del software (MEPDG) 2.1 Procedimiento de diseño empírico mecanicista según AASHTO 2004 3.

(11) 2.2 Metodología general a seguir para el diseño de una estructura de pavimento flexible. 2.3 Definir cuáles son los parámetros que determinan la estructuradel pavimento y el suelo ( características de los materiales) 2.4 Definición de las cargas de tráfico real a partir de conteos de vehículo por el método indirecto establecido en la NC 334-2004. Se redacta el capítulo II Etapa III: Aplicación y análisis de los resultados Modelación de la estructura de pavimento por software (MEPDG) Análisis de los resultados de la estructura de pavimento Criterios generales de chequeo de la estructura de pavimento flexible Se redacta el capítulo III Etapa IV. Elaboración y defensa del informe final Redacción del informe final. Conclusiones y recomendaciones Divulgación, y publicación de los resultados principales Novedad científica Se logra establecer mediante la aplicación del software (MEPDG) un grupo de criterios empírico-mecanicistas para el chequeo de estructuras de pavimento flexibles diseñadas por la Norma Cubana de Diseño. Aporte científico Se establecen criterios de chequeo del diseño de pavimentos flexibles por métodos empíricos – mecanicista a partir del empleo del software (MEPDG) Campo de aplicación El campo de aplicación de este software es chequear. las estructuras de. pavimentos en Cuba que pueden ser una herramienta fundamental con vista a mejorar la planificación, investigación y construcción de pavimentos. Los resultados serán de especial interés, para el Ministerio de la Construcción de Cuba, para las empresas de proyectos estructurales o viales del país y para el Ministerio del Transporte o cualquier otra empresa u organismo que pueda realizar Investigaciones de diseño de pavimentos. Estructura de la tesis 4.

(12) La estructura de la tesis presenta cada una de las fases de la investigación. La misma se encuentra estructurada de la siguiente forma: Síntesis Introducción Capítulo I. Estado actual del conocimiento en el diseño de estructuras de pavimento flexible con HAC. Capítulo II. Método de diseño empírico mecanicista MEPDG como herramienta de chequeo para estructuras de pavimento flexible. Capítulo III. Metodología de trabajo y análisis de los resultados. Propuesta de metodología de chequeo de estructuras de pavimentos flexible. Conclusiones y Recomendaciones Referencias bibliográficas Anexos. 5.

(13) CAPÍTULO I: ESTADO ACTUAL DEL CONOCIMIENTO EN EL DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO FLEXIBLES CON HORMIGÒN ASFÀLTICO CALIENTE (HAC). En este capítulo se realiza un análisis del estado actual del conocimiento sobre el diseño de estructuras de pavimento flexibles con HAC,. los factores que. intervienen en el diseño de estructuras de pavimentos flexibles y los diferentes modos de fallas críticos, alcances, limitaciones, tendencias modernas en el diseño y su evolución histórica. Finalmente, se comenta la aplicación del software (MEPDG), como herramienta de análisis del comportamiento de estructuras de pavimentos flexibles. A continuación se definen conceptos para la investigación. Pavimento: es una estructura multicapa construida sobre la subrasante del camino para resistir y distribuir esfuerzos originados por los vehículos y mejorar las condiciones de seguridad y comodidad para el tránsito. Por lo general está conformada por las siguientes capas: base, subbase y capa de rodadura. Capa de rodadura: Es la parte superior de un pavimento, que puede ser de tipo bituminoso (flexible) o de concreto de cemento Portland (rígido) o de adoquines, cuya función es sostener directamente el tráfico. Base: Es la capa inferior a la capa de rodadura, que tiene como principal función de sostener, distribuir y trasmitir las cargas ocasionadas por el tránsito. Esta capa será de material granular drenante (CBR > 80%) o será tratada con asfalto, cal o cemento. Subbase: Es una capa de material especificado y con un espesor de diseño, el cual soporta a la base y a la carpeta. Además se utiliza como capa de drenaje y controlador de la capilaridad del agua. Dependiendo del tipo, diseño y dimensionamiento del pavimento, esta capa puede obviarse. Esta capa puede ser de material granular (CBR> 40%) o tratada con asfalto, cal o cemento. En la práctica ingenieril se reconocen tres tipos de pavimentos: el pavimento rígido, el pavimento flexible y. el pavimento semirrígido, este último va tomando. mayor auge en el mundo. Pavimentos flexibles: están constituidos por capas de base y subbase además de una capa superior de pequeño espesor de mezcla asfáltica (mortero asfáltico, 6.

(14) macadam asfáltico, mezclas asfálticas en frío y mezclas asfálticas en caliente), que debe resistir los esfuerzos tangenciales e impermeabilizar el cuerpo del pavimento. Los esfuerzos generados sobre el pavimento serán soportados sin deformaciones apreciables en las diferentes capas de los materiales utilizados en su construcción y las tensiones que se transmitan a la explanación serán inferiores a su capacidad soportante. (Torres Vila 1985; Yoder y Witczak, 1975). Pavimentos rígidos: están constituidos por una losa de hormigón, armado o no, que puede o no descansar sobre una subbase de suelo seleccionado o tratado. Las cargas se distribuyen uniformemente debido a la rigidez del hormigón, lo que resulta en tensiones muy bajas en la subrasante. En los pavimentos rígidos el mayor problema lo provoca el borde libre que conlleva a la introducción del agua en la base y subrasante y aumenta el peligro al surgimiento del fenómeno del bombeo, y también la posibilidad del surgimiento de deformaciones plásticas en la subrasante arcillosa. (Torres Vila, 1985; Yoder y Witczak, 1975). Existen tres categorías de pavimento rígido: Pavimento de concreto simple con juntas Pavimento de concreto con juntas y refuerzo de acero en formas de fibras o mallas. Pavimento de concreto con refuerzo continúo. Pavimento semirrígido: Es una estructura de pavimento compuesta básicamente por capas asfálticas con un espesor total bituminoso (carpeta asfáltica en caliente sobre base tratada con asfalto); también se considera pavimento semirrìgido la estructura compuesta por carpeta asfáltica sobre base tratada con cemento o sobre base tratada con cal. Los pavimentos adoquinados se han incluido dentro de esta estructura de pavimento muy común en Cuba.. 1.1.. Pavimentos flexibles. Consideraciones para el diseño. El pavimento flexible debe proporcionar una superficie de rodamiento uniforme, resistente a la acción del tránsito, a la del intemperismo, así como trasmitir los esfuerzos. Estructuralmente debe soportar las cargas impuestas por el tránsito. 7.

(15) que producen esfuerzos normales y tangenciales, las cuales se reparten gradualmente en este tipo de estructura (Rico y Del Castillo 1984). En los pavimentos flexibles se observa ante la aplicación de una carga una deformación o hundimiento, estas deformaciones se producen en cada una de las capas y dependerá del valor de la carga, del suelo y del aporte estructural de cada capa del pavimento. Las cargas repetidas producen a la vez deformaciones irreversibles acumuladas y rotura por fatiga de las distintas capas, sin embargo para el. cálculo de los. pavimentos flexibles, es preciso determinar los esfuerzos y deformaciones que se producen en las capas asfálticas y en las no aglomeradas, ya que su fallo puede condicionar el fallo de la estructura. Dentro de las consideraciones que deben tomarse en cuenta para el diseño de estructuras de pavimentos flexibles, es necesario analizar fundamentalmente la problemática que representa el comportamiento de los pavimentos debido al tránsito, ya que este se incrementa conforme al desarrollo tecnológico y crecimiento demográfico, lo que trae a su vez mayor cantidad de repetición de ejes y cargas. Un grupo de analistas (Torres Villa 1985; Rodríguez, Gutiérrez y Garnica 1998) coinciden en el criterio anterior, además consideran otros factores que influyen en los pavimentos: El tráfico y la predicción de su evolución en el tiempo. Comprende la carga por rueda, la presión de inflado de los neumáticos, el tipo de eje y la frecuencia de aplicación de las cargas. La subrasante. Está determinado por las características geotécnicas de los suelos del lugar y por las variaciones climáticas que condicionan la humedad de cálculo más desfavorable. Los materiales componentes. Comprende los espesores y las características mecánicas de los materiales y mezclas de las capas de las estructura del pavimento, en condiciones de trabajo más desfavorables.. 8.

(16) Las condiciones climáticas que establecen regímenes de temperatura que afectan el trabajo de los materiales asfálticos y de humedades para los materiales no aglomerados del pavimento y la subrasante. La capacidad estructural del pavimento está determinada por el aporte que cada una de las capas puede dar al conjunto y por la correcta evaluación de los factores de diseño. 1.2.. Métodos de diseño de pavimentos flexibles. Independientemente del tipo de material que constituye las estructuras de pavimento, se han realizado una serie de estudios, enfocados a la creación de métodos de diseño, que permitan contar con la existencia de pavimentos más confortables y duraderos, entre ellos se destacan: Empírico, estado en el que se encuentra la mayoría de las normativas de diseño, Semiempírico o EmpíricoMecanicista, estado de la práctica actual en varios países y Mecanicista, hacia donde se están motivando la mayoría de las investigaciones científicas en la actualidad (Elliot y Thompson, 1985; Garnica, Alfonso Rico, Rodolfo, 1998; Cordo y Bustos 2007). 1.2.1 Métodos Empíricos Los desarrollos empíricos tienen su origen en bases de datos reales conformadas a partir de pavimentos existentes, en este se correlaciona el comportamiento de los pavimentos in situ, a través de observaciones y mediciones de campo, con los factores que causan los mecanismos de degradación en estas estructuras. Los factores más importantes son las cargas impuestas por el tránsito, las condiciones ambientales (principalmente temperatura y precipitación) a las cuales se encuentra sometida la estructura, el tipo de suelo o terreno de fundación (subrasante), la calidad de los materiales empleados y deficiencias durante. el proceso. constructivo. Todos estos factores son controlados y medidos durante las fases de estudio para correlacionarlos con los mecanismos de degradación y crear así el método de diseño. 1.2.1.1 Método de la AASHTO Este procedimiento es de amplia aceptación para el diseño de pavimentos flexibles y es el principal documento para el diseño y rehabilitación de pavimentos 9.

(17) de carretera el cual se presenta en la Guía AASHTO para el Diseño de Estructuras de Pavimento, la cual es publicada por la American Association of StateHighway and TransportationOfficials. Este método combina ecuaciones, tablas y figuras. La información de pruebas incluidas en el desarrollo del método fue recolectada en el Ensayo Vial AASHTO de 1958 a 1961, el ensayo se llevó a cabo en Ottawa, Illinois. (figura 1.1). Figura 1.1Ensayo realizado en Ottawa, Illinois. La Guía conserva los algoritmos originales del Ensayo Vial correspondientes a un grupo reducido de materiales, un solo tipo de subrasante, tránsito homogéneo y muy modesto comparado con la actualidad y el medio ambiente del sitio del ensayo (Sharpe, 2004). Debido a sus limitaciones se han realizado investigaciones para ampliar la aplicación del método. La Guía comprende procedimientos para diseñar pavimentos, incluyendo la selección del tipo de estructura, el espesor total de la misma y el espesor de cada capa componente. Un buen ejemplo del uso de ecuaciones de regresión para el diseño de pavimentos corresponde a la Guía AASHTO.La versión de 1972, 1986 o 1993 de la Guía de Diseño fueron basadas en la ecuación resultante del comportamiento de la pista de pruebas de la AASHO en la década de 1950, con estas metodologías se han diseñado con éxito, las estructuras de pavimentos para varios millones de kilómetros de carreteras en el mundo. La metodología de diseño implantada en 1972 con la publicación por AASTHO es de carácter empírico y no incorpora procedimientos mecanicistas. En la Guía de Diseño de Pavimentos AASTHO 1986 se reconoce abiertamente la conveniencia de avanzar hacia la adopción de procedimientos de diseño empíricomecanicista, que permitan predecir el desempeño de estructuras de pavimento, 10.

(18) teniendo en consideración las variaciones en las cargas, los materiales, los dispositivos de diseño así como los efectos directos del clima, sin embargo en aquel entonces, no era práctico desarrollar dicha metodología por la ausencia de computo. La Guía de Diseño de 1993 indirectamente usa procedimientos mecanicista para evaluar el deterioro debido al clima y establecer coeficientes para drenaje y transferencia de cargas. 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 encuentran: Deficiencias en los efectos climáticos: Debido a que la carretera experimental AASHTO fue llevada a cabo en una ubicación geográfica específica, es imposible saber los efectos de diferentes condiciones climáticas sobre los pavimentos. Deficiencias en la subrasante: Un mismo tipo de subrasante se utilizó para todas las secciones de carretera experimental, actualmente se ha demostrado la importancia de utilizar diferentes tipos ya que es diferente el comportamiento del pavimento. Deficiencias en las cargas del tráfico: El peso y geometría de los vehículos, el volumen de tráfico se han incrementado sustancialmente (de 10 a 20 veces). Deficiencias en los materiales superficiales: En la carretera experimental solamente se utilizó una mezcla asfáltica en caliente (HMA) y una mezcla de concreto de cemento Portland (PCC), hoy en día existen muchos tipos de mezclas. Deficiencias en la rehabilitación: Los procedimientos de diseño para la rehabilitación de pavimentos no estuvieron considerados en la carretera experimental AASHTO.. 11.

(19) Deficiencias en la vida de diseño: Debido a la corta duración de la carretera experimental, los efectos a largo plazo del clima y del envejecimiento de los materiales no fueron tomados en cuenta. 1.2.1.2 Método de la Road Note 31 Este método fue elaborado por el Road ResearchLaboratory, 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 a través del 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 tropicales y subtropicales. 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. 1.2.1.3 Método de la SHELL En 1963, SHELL publicó un juego de cartas de diseño para pavimentos flexibles Años más tarde, el procedimiento fue expandido para incorporar importantes parámetros de diseño que determinan las propiedades de los materiales y los. 12.

(20) 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. 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. Las capas asfálticas y de subbase se consideran construidas con materiales homogéneos, de espesor uniforme y extensión horizontal infinita, los cuales yacen sobre una subrasante homogénea semi-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. 1.2.1.4 Norma Cubana El método de la NC-334 2004, 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: 13.

(21) “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 asfáltico, en las condiciones de explotación del clima de Cuba. Es válido destacar que comparando la propuesta de norma de 1990 con la actual, se obtienen mayores espesores de estructuras en esta última debido a que los coeficientes de factor camión eje son demasiado altos. En el caso específico de la temperatura en el hormigón asfáltico se considera un valor de 50ºC; este valor carece de influencia, no se considera su efecto dentro de las ecuaciones de diseño así como se torna intrascendente para el diseño de las mezclas asfálticas porque se realiza por el método Marshall que parte de otras consideraciones. Se establece también la 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 señalar que toma como base la norma del Instituto de Asfalto. 1.3 Métodosempíricos-mecanicistas Método científico basado en análisis mecánicos que proporciona las herramientas para evaluar las variaciones en los materiales en el comportamiento del pavimento y utiliza los principios de la mecánica racional para predecir el comportamiento (esfuerzos y deformaciones), en la búsqueda de diseños estructurales más eficientes y duraderos. Este método presenta modelos matemáticos, la solución se basa en: (1) los requerimientos físicos de una estructura para soportar las cargas externas, las deformaciones y los esfuerzos en los elementos, y (2) el comportamiento mecánico de los materiales de acuerdo con las leyes básicas de la mecánica que gobiernan el movimiento y las fuerzas. En ese orden de ideas, un modelo matemático se compone de tres sub modelos: El equilibrio del sistema de pavimento bajo la influencia de cargas externas.. 14.

(22) Una evaluación de los esfuerzos y deformaciones en los elementos del pavimento para una condición dada de soporte. Una caracterización de las propiedades fundamentales de los materiales del pavimento y su efecto en el equilibrio y estabilidad de la estructura del mismo. Otra característica importante del diseño empírico – mecanicista es la capacidad de adaptación a los nuevos desarrollos en el diseño de pavimentos basándose principalmente en la mecánica de los materiales (Timm, Birgisson, Newcomb, 1998). Los métodos de diseño empírico-mecanicista tienen grandes ventajas como son: 1. Utilizan distintos tipos de cargas y cuantifican el impacto en el desempeño del pavimento. 2. Utilizan materiales disponibles de manera más eficiente. 3. Realizan predicciones confiables. 4. Mejor evaluación de aspectos constructivos. 5. Incluyen efectos ambientales y de envejecimiento en los materiales. 1.3.1. Método de diseño del Instituto del Asfalto En Estados Unidos el Instituto del Asfalto (1981) propone un modelo ligeramente diferente para predecir la vida por fatiga de las mezclas asfálticas y en la predicción del Módulo Dinámico IE*I resumen la ecuación de witczak. El mismo método considera un valor del módulo resiliente de la subrasante de Mr = 100 MPa y un Tránsito de 1x106 ejes de 80 kN para lo que obtiene un espesor de mezcla asfáltica. El método más reciente publicado en 1993, presenta algunos cambios significativos, respecto a los métodos anteriores para el diseño de la sección estructural de los pavimentos flexibles. El método se basa principalmente en la aplicación de la teoría elástica en sistemas multicapas, que utiliza resultados de investigaciones recientes por parte de ese organismo. El manual presenta un procedimiento de diseño para obtener los espesores de la sección estructural de pavimentos, donde se utilizan el cemento asfáltico y emulsiones asfálticas en toda la sección o en parte de ella. Se incluyen varias combinaciones de superficies de rodamiento con mezcla asfáltica, carpetas elaboradas con emulsiones asfálticas, bases asfálticas y bases o subbases granulares naturales. 15.

(23) El método considera períodos de diseño de 1 a 35 años y tasas de crecimiento del tránsito del 2 al 10% anual. También el método incorpora factores de ajuste de los ejes equivalentes de diseño, para diferentes presiones de contacto de las llantas sobre el pavimento, en función de su presión de inflado y de los espesores de la carpeta asfáltica, donde contempla desde 10 hasta 25 cm de espesor. Además considera como parámetro fundamental, dentro de la evaluación de los materiales, la obtención del Módulo de Resiliencia (Mr), sin embargo, reconocen que no todos los organismos o dependencias tienen el equipo adecuado para llevar a cabo tal prueba, por lo que han establecido factores de correlación entre Mr y la prueba estándar de Valor Relativo de Soporte (T-193 de AASHTO), no obstante, para un diseño preciso, se recomienda llevar a cabo la prueba de Mr para la capa de la subrasante. El método contempla factores de medio ambiente y varios tipos o clases de asfalto según las necesidades particulares de los usuarios, ejes equivalentes con metodología AASHTO, factor de ajuste para diferentes presiones de contacto de llantas, módulo de resiliencia de diseño, correlación del Mr con Valor Relativo Soporte, pruebas índice según ASTM o AASHTO para compactación). Se presentan en el método gráficas con escalas logarítmicas para las tres condiciones climáticas consideradas, con el total de ejes equivalentes sencillos acumulados en el período de diseño y el Módulo de Resiliencia de diseño de la capa subrasante, para obtener los espesores finales de pavimentos de una sola capa formada con hormigón asfáltico y bases granulares sin tratamiento. 1.3.2. Procedimiento de diseño (LCPC) Para el diseño se presenta la adaptación de la metodología expuesta en el Manual Francés de Diseño de Estructuras de Pavimento (LCPC, 1997). Es necesario ajustar los parámetros deducidos de la experiencia francesa a medida que puedan formularse leyes de fatiga de los materiales y obtener información de las condiciones de construcción. Este método de diseño se basa en el concepto de esfuerzos (deformaciones unitarias) de trabajo en las capas del pavimento, los cuales se determinan de acuerdo con las características de fatiga del material, el tránsito acumulado y el 16.

(24) riesgo aceptable. En este punto es conveniente aclarar que “riesgo” es el complemento de “confiabilidad”, definida previamente –AASHTO–, de forma tal que r% = 100%− R% (r: risk, riesgo % y R: reliability, confiabilidad %). Se considera que la variabilidad de las características mecánicas de los materiales del pavimento está dentro de unos límites reducidos para materiales que son artificiales y se construyen de acuerdo con alguna especificación. Por lo tanto los únicos factores que se toman en consideración para la variabilidad de la ocurrencia de los deterioros del pavimento son los resultados de los ensayos de fatiga y el espesor construido de las capas. La curva de fatiga obtenida en el laboratorio está definida al 50% de probabilidad de falla. Los resultados de los ensayos se expresan en términos de log N (N es repeticiones de ejes para la ocurrencia de la falla) y se distribuyen normalmente con una desviación estándar “SN”. El espesor de las capas se considera normalmente distribuido con una desviación estándar “Sh”. Así, en el proceso de diseño del pavimento se anticipa un número de repeticiones de ejes NE y se establece un riesgo, r, de forma que el pavimento se diseña para una probabilidad de falla, a las NE repeticiones de carga, menor o igual que r. La aplicación de este método requiere un estudio profundo de los materiales locales para establecer leyes de fatiga de la forma requerida por el proceso de cálculo. El Manual Francés presenta una serie de relaciones sugeridas para la obtención de los módulos de elasticidad de las capas granulares no tratadas. Sin embargo, aclara que aún no existe una metodología plenamente aceptada para la determinación de este parámetro en dichos materiales, por lo cual se sugiere hacer uso de las ecuaciones como herramienta suficiente para la estimación de los módulos de elasticidad de los materiales granulares no ligados. Este método representa la tendencia futura del diseño de pavimentos y considerándose particularmente valiosa la metodología probabilística del diseño.. 1.3.3. Método de la AASHTO La Guía de diseño AASHTO 2004, para estructuras nuevas y rehabilitación de pavimentos que combina el análisis mecanicista de los pavimentos con 17.

(25) verificación empírica del comportamiento a través de la predicción de determinados tipos de deterioros, también conocida como MEPDG (MechanicalEmpiricalPavementDesing Guide) por sus siglas en inglés. Dicha metodología no utiliza una ecuación de regresión para el diseño, sino recomienda la aplicación de la teoría elástica, y modela el medio mediante múltiples capas horizontales, homogéneas, con comportamiento elástico en la sub-rasante, bases granulares y comportamiento viscoelástico para los materiales asfálticos. El procedimiento de diseño MEPDG, en términos generales, consiste en adoptar inicialmente una serie de parámetros estructurales para el pavimento (número y tipo de capas, indicadores de resistencia de las mismas, características de la subrasante, etc.), y establecer las condiciones de transito y clima a las que estima que se verá sometido a lo largo del periodo de diseño. El procedimiento MEPDG mecanísticamente calcula la respuesta del pavimento en cuanto a deformaciones y tensiones asociadas a las cargas de tráfico y las condiciones climáticas además acumula el daño producido durante el período de diseño. Empíricamente a través de modelos de regresión relaciona el daño en el tiempo con deterioros típicos tales como: fisuras, ahuellamiento e IRI. (Cordo, y Bustos, 2007). Introduce el concepto de carga de diseño (Número de pasadas) en lugar de la conversión a ejes equivalente (EAL) y reemplaza el índice de servicio por indicadores de deterioro, funcional y estructural Recomienda que el módulo elástico de la carpeta se evalúe con el Módulo Complejo Dinámico, E* determinado de los ensayos de compresión triaxial cíclico. Sin embargo, se propone la ecuación de (Yoder y Witczak 1975), el cual considera: El tipo de asfalto (penetración, viscosidad y/o gradación caso de Superpave, asfaltos modificados y envejecidos) La granulometría de la mezcla asfáltica (densa, abierta, incompleta, porosa, etc.) Las variaciones de temperaturas horarias y estacionarias. La velocidad vehicular asociada a la frecuencia de la carga. 18.

(26) Actualmente La Guía MEPDG es uno de los métodos más novedosos y exactos que se utiliza en el diseño de estructuras de pavimento. Es resultado de un proyecto de investigación que incluso hoy continúa en desarrollo y que muchos países han tratado de replicar en dependencia de sus particularidades. Independientemente de esto, permanece como guía de diseño y no como norma debido a los grandes retos que implica su introducción. 1.4 Método Mecanicista Las metodologías mecanicistas pretenden tener un enfoque puramente científico, con un marco teórico suficiente que permita el análisis completo de la mecánica del comportamiento de un pavimento, ante las acciones del clima y del tránsito vehicular (Flintsch. G. W. 2007). Este método de diseño se basa en el supuesto que un pavimento puede ser modelado como una estructura multicapa elástica o viscoelástica sobre una cimentación elástica o viscoelástica. Con esta premisa es posible calcular las tensiones y deformaciones producidas por las cargas de tráfico y efectos del clima. En este método se conocen las propiedades fundamentales de los materiales y la geometría de la estructura sometida a solicitaciones, el módulo de resiliencia se usa como un parámetro de cálculo que se correlaciona con el CBR y no como una propiedad fundamental del material. Esta metodología permitirá la predicción correcta de la evolución en el tiempo de los diferentes deterioros que se pudieran presentar y, por ende, aumentar en gran medida la confiabilidad de diseños.  Los beneficios que se pueden derivar de la correcta aplicación de los procedimientos mecanístico son:  Mejora la confiabilidad para el diseño  Tiene capacidad de predecir tipos específicos de fallas  Tiene la capacidad de extrapolar resultados de campo y laboratorio. Sin embargo, los investigadores y académicos concuerdan que el comportamiento de los pavimentos está influenciado por varios factores que no permiten una modelación. por. métodos. mecanìsticos. puros. que. produzca. resultados. suficientemente exactos y precisos para la predicción de su desempeño a lo largo de su ciclo de vida. 19.

(27) 1.5 Fallas consideradas en el análisis MEPDG Se analizan las fallas que pueden relacionarse con tensiones o deformaciones, determinadas al aplicar los modelos mecanicistas en pavimentos flexibles. a) Fisuración por fatiga, de abajo hacia arriba:Deriva en piel de cocodrilo. Está motivada por las tensiones de tracción que se desarrollan en la parte inferior de la capa asfáltica. b) Ahuellamiento: Es debido a la suma de deformaciones verticales que tienen lugar en cada una de las capas que conforman el paquete estructural más la subrasante. c) Fisuración longitudinal, de arriba hacia abajo: Motivada por la combinación de cargas muy pesadas de rueda, presiones altas de inflado junto con la aparición de tensiones térmicas de tracción debidas a bajas temperaturas en la superficie del pavimento. d) Fisuración térmica: No está motivada por tensiones o deformaciones excesivas debidas a cargas de tránsito. Su causa es debida a las excesivas tensiones de tracción como consecuencia de sucesivos ciclos de enfriamiento del pavimento. Dos son los mecanismos principales de degradación que se intentan controlar en los pavimentos flexibles y en los cuales vamos hacer mayor énfasis en esta investigación: la fisuración (por fatiga o por efectos térmicos) y las deformaciones permanentes (también conocidas como roderas) Torrejón Olmos, Sanz Díaz y Sagredo Flores (1999); Centeno Ortiz, Cremades Ibáñez (2007). 1.5.1Deformación Permanente. La deformación permanente es la deformación vertical residual que se va acumulando debido al paso de los vehículos la cual puede generar fallas estructurales o funcionales en el pavimento. En el caso de las estructuras flexibles, la deformación permanente total es la suma de la deformación producida en cada una de las capas del pavimento, pero actualmente los métodos empíricos suponen que tal deformación se genera solo en la capa subrasante y esto crea una de sus principales limitaciones. La anterior suposición se basa en que la subrasante es la capa más susceptible a la deformación debido a su más baja rigidez (en comparación con las otras capas del pavimento) y a una mayor probabilidad de 20.

(28) presentar altos contenidos de agua (lo cual disminuiría su capacidad portante). Es decir las metodologías empíricas no tienen en cuenta que: . En las capas de rodadura y base asfáltica (compuestas por mezclas asfálticas de comportamiento viscoso) un incremento de temperatura genera disminución de la rigidez y por lo tanto un incremento en la deformación del pavimento. .. Las capas granulares juegan un papel importante en la generación de la. deformación permanente cuando se dimensionan estructuras flexibles para vías de bajo tráfico. En este tipo de pavimento las capas asfálticas no tienen una función estructural (por lo general se construyen capas asfálticas delgadas o de baja rigidez) y las capas granulares (base y subbase) soportan casi en su totalidad las cargas rodantes. El efecto final de las cargas permanentes es el ahuellamiento causado por el paso de los neumáticos de los vehículos, el cual puede tener muchas causas: debilitamiento de las capas de pavimento por daños, por humedad, abrasión, exceso de tráfico, etc. Aunque las deformaciones permanentes no influyen inmediatamente en la capacidad. de. soporte. del. pavimento,. se. sabe. que. pueden. acortar. significativamente su vida efectiva, además de causar una pérdida importante en la calidad de servicio de la vía. Un pavimento debe ser diseñado de tal manera que las cargas de tránsito no generen deformaciones permanentes excesivas. Por lo tanto, las metodologías de diseño deben comenzar a considerar que en pavimentos flexibles estas deformaciones se producen en cada una de las capas y los modelos para predecir dichas deformaciones, deben ser capaces de reproducir el comportamiento de estos materiales bajo diversas trayectorias de carga cíclica y condiciones del medio ambiente. 1.5.2Fisuración por efectos térmicos El agrietamiento térmico es un tipo de falla causada por condiciones climáticas rigurosas.. Se. caracterizan. por. ser. fisuras. transversales. intermitentes,. perpendiculares a la dirección del tráfico, espaciadas en forma casi constante a lo largo del camino. 21.

(29) Este agrietamiento puede ser causado por varios ciclos de ascenso y descenso de la temperatura. Esta última condición es lo que se conoce como fatiga térmica. El problema del envejecimiento del asfalto en las mezclas puede afectar enormemente su resistencia a la fisuración térmica. Cuanto mayor sea el envejecimiento del asfalto y menor sea su porcentaje en la mezcla, mayor será la probabilidad de tener problemas de fisuración térmica cuando el pavimento y la capa de rodadura se encuentra a temperaturas bajas, inferiores a -5 o -10º C (Jiménez 2005). El pavimento se agrietará cuando la tensión termal es mayor que la resistencia a la fractura. Se puede evitar este tipo de deterioros de la siguiente forma:  Utilizar ligantes más blandos, de baja susceptibilidad térmica  Utilizar asfaltos poco susceptibles al envejecimiento durante su vida útil  Evitar asfaltos oxidados  Eliminar el porcentaje de vacíos La fisuración térmica presenta un serio problema en el diseño de mezclas ya que resulta. difícil. su. evaluación. y. predicción.. Esta. patología. se. presenta. fundamentalmente por efecto de temperaturas por debajo del punto de congelación, lo que nunca ocurre en Cubay los modelos que explican este comportamiento son de gran complejidad y no se dispone en el país de los ensayos necesarios para su caracterización. 1.5.3 Fatiga en la estructura del pavimento En los ensayos de fatiga se ha determinado que las grietas se propagan de la base de cada capa hacia arriba. Como se considera que los materiales que conforman la estructura durante su vida útil están trabajando dentro del rango elástico, entonces la fatiga de estos es causada por repeticiones de carga (N) impuestas por el tránsito. Por consiguiente, el comportamiento a la fatiga para las capas que conforman el pavimento, se presenta normalmente como una relación entre las repeticiones de carga y la deformación. Entonces el pavimento flexible puede fallar de dos maneras (LILLI, Félix J. 1987):. 22.

(30) Que la deformación horizontal por tracción t en la fibra inferior de las capas asfálticas, al flexionar ellas bajo la acción de las cargas, supere cierto límite admisible, en este caso se producirá agrietamiento en dichas capas. Que la deformación vertical z por compresión de la subrasante supere el límite admitido por ella, caso en el cual se presenta una deformación permanente y por consiguiente la del pavimento, en este caso se producirá ahuellamiento. Además se puede verificar que z se mantenga dentro de los límites admisibles. En términos generales la ley de fatiga de los materiales que conforman la estructura del pavimento según los resultados de ensayos de laboratorio se describe para las mezclas asfálticas y para la subrasante. El daño por fatiga de la carpeta asfáltica generada por las cargas de tráfico, se inicia en la parte inferior de la carpeta asfáltica y se propaga hacia la superficie (reflejo de fisuras). En el modelo tradicional de fatiga las fisuras se originan en la fibra inferior de la mezcla bituminosa (zona donde la tensión de tracción es mayor) y se propaga verticalmente hacia la superficie del pavimento (Uribe y Meléndez 2007). La nueva Guía de AASTHO 2004 utiliza correlaciones de los modelos desarrollados por las pruebas experimentales realizadas por el Instituto de Asfalto 1982 y Shell 1985, para el cálculo del número aceptable de repeticiones de carga admisible por agrietamiento, por fatiga y por el número admisible de repeticiones de carga limitado por el valor de la deformación vertical elástica. 1.6 Características generales de la guía La Guía de diseño de pavimentos empírico-mecanicista incorpora varias modificaciones en cuanto a su uso, empezando con la principal, la Guía no es una herramienta de diseño que nos proporcione espesores de la estructura como se venía realizando en anteriores metodologías, ahora es una herramienta de análisis del pavimento que nos proporciona una predicción del desempeño de la estructura a lo largo del periodo de diseño. Además incorpora el uso de un software el cual realiza el análisis del diseño que se ha previsto. Debido a que La Guía de diseño de pavimentos empírico- mecanicista es una herramienta de análisis, nos permite una interacción entre propiedades de los 23.

(31) materiales, tráfico, condiciones ambientales y geometría del proyecto. En la figura 1.2 se muestra el proceso que se debe seguir para el análisis, ya que el espesor de las capas de la estructura es obtenido mediante el proceso iterativo en donde el desempeño predicho es comparado con los criterios de diseño de los diferentes parámetros de desempeño (roderas, agrietamiento, rugosidad, etc.). El proceso emplea un nivel jerárquico, en donde se pueden seleccionar entre tres niveles de análisis de acuerdo a la confiabilidad de la información, los recursos disponibles para realizar el proyecto y la importancia del mismo.. Figura 1.2 Proceso de análisis en la Guía de Diseño de Pavimentos Empírico – Mecanicista.. Nivel 1, la información proviene de un alto nivel de precisión en la veracidad de los datos. Este nivel se utilizará comúnmente en pavimentos con una capa de tráfico muy alta, o cuando pueden haber serias consecuencias sobre seguridad y economía debido a la falla. El módulo resilente obtenido por pruebas triaxiales en el laboratorio es un ejemplo del nivel 1. Nivel 2, los datos proveen un nivel intermedio cuando su grado de veracidad es cercano al que se utiliza en La Guía de diseño AASHTO 1993. Este nivel puede ser utilizado cuando los recursos o equipos de pruebas no se encuentren 24.

(32) disponibles para realizar el nivel 1. Los ejemplos de este nivel, incluyen los módulos elásticos de la explanación o materiales de la base y el cálculo de CBR a partir de correlaciones empíricas. Nivel 3, los datos proveen del menor grado de exactitud. Este nivel deberá usarse en los casos que haya consecuencias bajas debido a una falla temprana (caminos de bajo volumen de tránsito),los valores de materiales incluidos por defecto que están basados en experiencia local son de nivel 3. El valor por defecto del módulo resilente basado en la clasificación de suelos de la AASHTO es un ejemplo del nivel 3. La Guía de diseño de pavimentos empírico-mecanicista incorpora una mezcla de datos de los diferentes niveles, sin embargo el algoritmo usado en el análisis es el mismo sin importar el nivel que se esté empleando. 1.7 Condiciones de entrada 1.7.1 El tránsito Las características del tránsito vehicular son esenciales para el análisis y diseño de pavimentos ya que constituye la solicitación directa al sistema estructural del pavimento. La mayoría de los métodos de diseño existentes incluyendo todas las guías de diseño de AASHTO, cuantifican el tráfico en términos de ejes equivalentes ESAL’s, por sus siglas en inglés (Equivalent Single Axle Load), introduce en los módulos del programa de diseño la carga expresada en toneladas por tipo de eje, ya sea a nivel de cada tipo de vehículo de carga, o agrupándolos por tipo de eje: simple, doble, y triple,los cuales representan el tránsito acumulado en ejes sencillos de 8.2 ton (18,000 lbs.) en el carril de proyecto. Mientras tanto la metodología aplicada en la guía de diseño empírico-mecanicista de la especificación de la magnitud y de la frecuencia de las cargas que se esperan que pasen por el pavimento durante su período de vida útil, esto es lo que se conoce como espectro de carga. La misma norma considera un período de diseño de uno a 20 años y la tasa de crecimiento del tránsito se evalúa según el crecimiento del tráfico de camión con el tiempo.. 25.

(33) En Cuba se ha demostrado que la composición vehicular ha tenido una cierta variación en algunas vías y en otras es similar a las consideraciones que hace la NC 334: 2003, así como también se han producido cambios en los pesos y dimensiones de los vehículos. La razón anual del crecimiento del tránsito exige el estudio de las tendencias del crecimiento de la red. La NC 334:2003 recomienda cuando no se dispone de información más precisa, una razón de crecimiento entre 0.03 y 0.04. A continuación se listan los datos de tránsito vehicular requeridos por la guía de diseño empírico-mecanicista. Información del volumen del tránsito base. Tránsito promedio anual en las dos direcciones de camino de carga. Número de carriles en la dirección de diseño. Porcentaje de camiones en la dirección de diseño. Porcentaje de camiones en el carril de diseño. Velocidad de operación de vehículos de cargas. Factores de ajuste del volumen de tránsito. Ajuste mensual. Distribución por clase de vehículo. Distribución horaria de los camiones. Factor de crecimiento del tránsito. Factor de distribución de los ejes de carga por temporada, tipo de vehículo y tipo de eje. Características generales de entrada del tránsito. 1.7.2 Características de los materiales de la estructura del pavimento La identificación y selección de materiales corresponde a la fase inicial del proceso de diseño. Las propiedades de los materiales para los métodos de diseño empírico-mecanicista necesitan de una caracterización más específica a través de modelos constitutivos más complejos. Se evalúa el efecto del envejecimiento del ligante asfáltico y las propiedades de resistencia a la tensión, conductividad y coeficiente de contracción térmica. Los materiales no aglomerados se caracterizan por el módulo de elasticidad. 26.

(34) Las propiedades de los materiales requeridas para calcular la respuesta estructural del pavimento sobre la tensión y contracción del mismo, se podían agrupar por tipo como se describe a continuación: Concreto asfáltico (espesor de la capa, Módulo dinámico, Módulo de Poisson, propiedades del asfalto y propiedades del agrietamiento térmico). Concreto hidráulico (espesores de la capa, propiedades de la mezcla, características de la contracción, resistencia a la compresión, Módulo elástico, Módulo de ruptura y coeficiente de expansión térmica). Materiales no ligados a la estructura (tipo de materiales, espesor de las capas, unidad de peso, coeficiente de presión lateral de la tierra, Módulo resilente y Módulo de Poisson.. 1.7.3 Factores climáticos Los factores climáticos tienen gran importancia, ya que las propiedades de los materiales dependen fuertemente de los valores de temperatura y humedad presentes en la sección estructural del pavimento. El efecto del medio ambiente se incorpora en la nueva Guía de diseño AASHTO 2004 a través de una herramienta de modelado climática sofisticada, que se llama el “Modelo Climático Integrado Mejorado” (EICM), que precisa en el estudio del pavimento los datos climáticos de precipitación, temperatura, nubosidad, humedad relativa, velocidad del viento, así como hora de salida y puesta del sol. Realiza análisis mecanicista en función del calor y del flujo de humedad, esto simula los cambios en el comportamiento, características del pavimento y capas del material inducidos por los factores climáticos. Factores externos como precipitación, temperatura, ciclos de congelamiento/deshielo y profundidad del nivel freático juegan un papel importante para definir el impacto. del medio. ambiente en el desempeño del pavimento. Factores internos como la susceptibilidad de los materiales del pavimento a la humedad y al detrimento por el deshielo, drenaje de las capas del pavimento y la infiltración definen como reaccionará un pavimento ante las condiciones climáticas externas. El efecto climático se estudia con especial interés ya que las bases de datos se encuentran 27.

(35) desarrolladas únicamente para los Estados Unidos de América, provista de información aproximadamente de los últimos diez años con datos tomados de forma horaria de unas 850 estaciones meteorológicas, lo que implica diversas dificultades al utilizarla fuera de los EUA, ya que en Cuba no se cuenta con una base de estaciones climáticas tan extensa con los datos que necesita el EICM, también se cuenta con estaciones que toman datos climáticos diarios de casi todos los principales factores en el caso de requerir estaciones adicionales, pero con menor grado de veracidad en los valores. Para el caso de Cuba se tomó como referencia la base de datos del Estado de La Florida, debido a que presenta condiciones climáticas muy parecidas a las de Cuba, donde predomina un clima cálido, subtropical, en el que se destaca el sol y la buena temperatura a lo largo del año. En la NC 334: 2003, la temperatura de cálculo es de 50 oC, definida como un valor representativo de los máximos valores esperados, para una probabilidad del 95%; la humedad de cálculo considerada para los suelos de la subrasante, es función del tipo de emplazamiento.. 1.8 Conclusiones parciales Los métodos de diseño se clasifican en: Empírico, Semi-empírico o EmpíricoMecanicista y Mecanicista. La NC 334:2003 está basada en un método empírico; sin embargo, actualmente existe en el mundo una tendencia a la aplicación de métodos empírico-mecanicista debido a las ventajas que este método representa. En la actualidad se trabaja para perfeccionar la caracterización de los espectros de carga, sin embargo en Cuba se emplea el método indirecto. Las condiciones actuales de ausencia de estaciones de aforo o pesaje no permiten el desarrollo de bases de datos sobre esta invariante de diseño. En el efecto de las condiciones climáticas se tomó como referencia la base de datos del Estado de La Florida, debido a que presenta condiciones climáticas muy parecidas a las de Cuba, donde predomina un clima cálido, subtropical Dos son los mecanismos principales de degradación que se intentan controlar en los pavimentos flexibles y en los cuales se va hacer mayor énfasis en esta 28.

(36) investigación: la fisuración (por fatiga o por efectos térmicos) y las deformaciones permanentes (también conocidas como roderas) Se debe estudiar cómo establecercriterios empírico-mecanicista análogos a la guía AASHTO 2004 para las estructuras diseñadas en Cuba. La Guía de diseño empírico-mecanicista permite evaluar el tipo y la extensión de los deterioros causados al pavimento, garantizando la efectividad del diseño y logrando estructuras más eficientes desde el punto de vista de durabilidad y economía. Actualmente en Cuba existe la necesidad de realizar investigaciones dirigidas al perfeccionamiento de los métodos de diseño de pavimento flexible y una mejor caracterización de sus variables de entrada para obtener soluciones más racionales y económicos.. 29.

(37) CAPÍTULO II: MÉTODO DE DISEÑO EMPÍRICO MECANICISTA (MEPDG) COMO. HERRAMIENTA. DE. CHEQUEO. PARA. ESTRUCTURAS. DE. PAVIMENTO FLEXIBLE En este capítulo se analiza detalladamente el procedimiento de diseño empírico mecanicista que establece la AASHTO 2004, se establecen las bases para determinar el comportamiento de la estructura de pavimento bajo las cargas del tránsito y se definen las consideraciones de diseño para las estructuras diseñadas en Cuba utilizando el software computacional MEPDG. 2.1 Procedimiento de diseño MEPDG. Figura 2.1 Flujograma de análisis. 2.1.1 Datos de entrada para el diseño de pavimentos flexibles. La guía considera en un primer diseño de prueba propuesto para un pavimento nuevo o una rehabilitación, las condiciones específicas del sitio (el tránsito, el clima, la subrasante, las características de la estructura y la condición del pavimento existente para el caso de una rehabilitación). 30.