INTRODUCCIÓN Desde los senderos hechos a fuerza de paso, hasta las grandes carreteras de concreto, el hombre ha modificado su entorno de acuerdo con las necesidades de su tiempo. Actualmente, en la era de las comunicaciones, la necesidad de construir caminos más fuertes fuertes y más seguros seguros intensifi intensifica ca su mirada mirada en el concret concreto, o, material material de grandes grandes posibilidades para el desarrollo de los caminos en el mundo contemporáneo. La historia de las modernas técnicas de construcción de caminos y puentes tiene sus inicios alrededor de 18!, con "ressaguet en #rancia y $ohn %etcalfe en el &eino 'nido, (uienes desarrollaron un método de construcción con base en la colocación de piedras largas, limitadas limitadas por piedras de tama)o progresi*amente progresi*amente más pe(ue)o. +ste tipo de caminos, unto con otros realizados con piedras, gra*a y arena, fueron dise)ados para los baos *ol-menes y *elocidades de los primeros *ehculos, hasta (ue la industria automotriz, al ir creciendo a pasos agigantados, fue demandando meores carreteras y caminos urbanos. +l reto, entonces, era buscar un material (ue resistiera pesadas cargas de manera eficiente y duradera/ la solución se traduo en lo (ue ahora llamamos la construcción de caminos pa*imentados. pa*imentados. #ue $ohn Loundon %acAdam, a principios principios del siglo 00 (uien desarrolló el sistema notablemente más económico (ue se usa en la actualidad.
2D3+ 2"&4D'3342 CAPITULO I 45$+"64 1.1 A2"+3+D+2"+7 7"9&347 D+ :A6%+2"47 1.; D+#2342 D+ :A6%+2"47 1.;.1 3A&A3"+&7"3A7 D+L :A6%+2"4 1.;.; #A3"4&+7 <'+ 2#L'=+2 +2 +L D7+>4 D+ :A6%+2"47
CAPITULO II %+"4D4 D+ D7+>4 D+ :A6%+2"4 ;.1
D7+>4 +7"&'3"'&AL D+ :A6%+2"47 '&5A247 ;.1.1 %étodo de dise)o ;.1.; Dise)o estructural ;.1.? %étodo @ua AA7"4 ? de dise)o para pa*imentos fleBibles ;.1.C :eriodo de Dise)o ;.1. %etodologa de dise)o AA7"4 ? para pa*imentos rgidos ;.1. #actores de dise)o de pa*imentos rgidos
3423L'742+7 55L4@&A#A
CAPITULO I OBJETIVO n*estigar e informarse ampliamente sobre todo lo relacionado a E:a*imentosF, con el fin de comprender y conocer sus funciones de acuerdo a los tipos de pa*imentos, también usos y métodos (ue se emplean para su dise)o y construcción de los mismosG as como criterios para la selección de materiales.
1.1ANTECEDENTES HISTORICOS DE PAVIMENTOS :robablemente el primer in*ento (e re*olucionó los medios de transporte fue la rueda, con la cual se facilitó el traslado de bienes de mayor tama)o y *olumen pero a la *ez estableció la necesidad de contar con caminos con menores obstáculos y superficie uniforme y firme para hacer más eficientes los traslados. A medida (ue se desarrollaban las grandes naciones, las necesidades militares primero y las comerciales después impulsaron la construcción de caminos carreteros. Aun(ue los caminos suelen estar dise)ados principalmente para el paso de *ehculos con ruedas, los ncas H(uienes nunca llegaron a descubrir la ruedaI construyeron una a*anzada red de carreteras (ue atra*esaba los Andes, partiendo desde la actual +cuador y recorriendo ?.8! Jm. hacia el sur. Los más grandes constructores de caminos del mundo antiguo fueron los romanos, (ue construyeron una red de *as de comunicación muy eficiente, la cual fue uno de los pilares de la eBpansión romana. +n un principio dicho sistema de *as fue dise)ado con fines militares y polticos, el mantener un control efecti*o de las zonas incorporadas al mperio era el principal obeti*o de su construcciónG posteriormente, las calzadas ad(uirieron una importancia económica a)adida, pues al unir distintas regiones facilitaban el comercio y las comunicaciones. A mediados del siglo 06 :ierre %erie "résaguet inició en #rancia la construcción de pa*imentos formados por tres capas de piedra triturada a mano, las dos primeras con tama)o máBimo de K. cm y un espesor conunto del orden de ;! cm, sobre de ellas se colocaba una tercera capa de cm de espesor con tama)o máBimo de ;. cm, estos caminos se construan con cunetas laterales y pendiente trans*ersal para atender los problemas de drenae. +ste tipo de procedimiento fue replicado por "homas "elford en +scocia a principios del siglo 00. :osteriormente $ohn %cAdam introduo su sistema de pa*imentación HmacadamI construido con capas de piedra de granulometra uniforme, con tama)o máBimo y espesores similares a los empleados por "elford, aglutinando las partculas con ligantes aplicados por riego. 3on el siglo 00 se inicia la nue*a era de los pa*imentos, el crecimiento de la población y la re*olución industrial hicieron necesario el transporte de *ol-menes cada *ez mayores de mercancas y personas, con la aparición de los *ehculos con motor de combustión interna las *as terrestres tu*ieron (ue modificarse para proporcionar el ser*icio re(uerido por estos cambios, a pesar de (ue los concretos hidráulicos y los ligantes asfálticos
haban sido utilizados de manera rudimentaria por mucho tiempo, con el desarrollo de la industria del petróleo, se comenzó a emplear cementos asfálticos para la fabricación de mezclas asfálticas, (ue en la actualidad son básicas para la pa*imentación.
1.2 DEFINICION DE PAVIMENTOS 7e llama pa*imento al conunto de capas de material seleccionado (ue reciben en forma directa las cargas del tránsito y las transmiten a los estratos inferiores en forma disipada, proporcionando una superficie de rodamiento, la cual debe funcionar eficientemente. Las condiciones necesarias para un adecuado funcionamiento son las siguientes/
:roporcionar al tránsito de *ehculos una superficie de rodamiento cómoda, segura, uniforme y permanente, conforme a su *ida de proyecto y con el mantenimiento adecuado.
Deben resistir los esfuerzos generados por el paso de *ehculos difundiéndolos de manera (ue la magnitud de las solicitaciones (ue se transmitan a las terraceras sean inferiores a la resistencia de estos materiales.
Deben ser capaces de resistir la acción del medio ambiente, sobre todo a la acción del agua y las temperaturas eBtremas.
1.2.1 Característcas !e" #a$%e&t' F(&c'&a") :7, Hindice de ser*icio actual del pa*imentoI, es un indicador de las caractersticas funcionales del pa*imento, es un indicador de como califican los usuarios el pa*imento.
Las caractersticas funcionales son/
Re*("ar!a! s(#er+ca". +stá referida a las deformaciones, tanto longitudinales como trans*ersales, con respecto a la superficie ideal. :ro*oca mo*imientos *erticales en la suspensión de los *ehculos y por lo mismo la (ue genera más incomodidad a los usuarios y a su *ez la (ue más afecta a los costos de operación *ehicular. Afecta también en la seguridad ya (ue las deformaciones pueden pro*ocar descontrol al conductor además de dificultar el desaloo de agua de la superficie de rodamiento con lo cual se incrementa el riesgo de acuaplaneo.
Resste&ca a" !erra#a%e&t'. La teBtura de la superficie de rodamiento debe ser tal (ue aporte un coeficiente de fricción suficiente para la operación
eficiente de los *ehculos a la *elocidad de proyecto de la *a a-n en presencia de precipitaciones.
Dre&a,e s(#er+ca". La combinación de regularidad superficial, pendiente trans*ersal y teBtura debe e*itar (ue se presente una lámina de agua en la superficie del pa*imento, ya (ue esta facilita el fenómeno de acuaplaneo además de (ue el roco (ue generan las llantas de un *ehculo al circular reducen a la *isibilidad de los (ue lo siguen.
Re!(cr e" r(!'. +l ruido es un problema ambiental (ue genera problemas serios en la salud, un pa*imento bien dise)ado y construido puede reducir el ruido de manera considerable el ruido (ue se percibe tanto en el interior de los *ehculos como en su entorno. Se*(r!a!)
:roporcionar seguridad a los *ehculos H(ue no se deslice el *ehculoI, (ue halla suficiente tracción en los *ehculos y (ue las llantas no se deslicen.
Estr(ct(ra") 7e refieren a las propiedades, sobre todo mecánicas de los materiales (ue conforman la estructura del pa*imento. :or eemplo la distribución de los esfuerzos (ue ap lican las llantas para (ue no haga fallar la subrasante.
1.2.2 Fact'res -(e &+"(e& e& e" !se/' !e #a$%e&t's TRAFICO
CLIMA plu*ial
3arga bruta y presión de llanta 3arga bruta y :recipitación
POSICIÓN DE LA ESTRUCTURA 7ecciones de corte y relleno :rofundidad del 2i*el #reático Deslizamientos y problemas relacionados. Depósitos ligeramente profundos CONSTRUCCIÓN 0 MANTENIMIENTO
Deficiencia en la 3ompactación del "erreno
de #undación
yMo
3imiento
+Bpansión por congelamiento Deshielo del inicio de prima*era 3ontracción y eBpansión. 3ongelamientodeshielo y h-medo seco
EOMETRA DEL PRO0ECTO 3DISE4O VIAL5 Distribución del "ráfico en el :a*imento
#allas/ nstalación y %antenimiento de
$untas nadecuada colocación de @uas en los ni*elesH%andiles o &eglas %etalicasI +scarificado y eliminación de materiales superiores al especificado Durabilidad del AgregadoHAridoI :artidoH#racturadoI
CAPITULO II METODO DE DISE4O DE PAVIMENTO +n function de tipo de analisis (ue realizan, las metodologias de dise)o structural se di*iden en/ •
EMPIRICAS) 7e basa en la performance ee*idenciada en eBperiencias yMo eBperimentos de pa*imentos. +ste tipo de aproBimaciones son communes, desde las muy simples Hempleo de soluciones conocidasI a las muy compleas HAA7"4 ?I.
"picamente el dise)o de los pa*imentos es mayormente influenciado por los parámetros o factores de dise)o Las cargas de tráfico *ehicular impuestas al pa*imento. &esistencia de los materiales &esistencia de los materiales Las caractersticas de la subrasante sobre la (ue se asienta el pa*imento. 3aractersticas de la subrasante 3ondiciones ambientales La forma como se consideran estos dos parámetros dependerá de la metodologa (ue se emplee para el dise)o.
2.1
DISE4O ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS URBANOS 2.1.1 M6t'!' !e !se/' 7e podrá utilizar cual(uier método de dise)o estructural sustentado en teoras y eBperiencias a largo plazo, tales como las metodologas del nstituto del Asfalto, de la AA7"4? y de la :3A, com-nmente empleadas en el :er-, siempre (ue se utilice la -ltima *ersión *igente en su pas de origen y (ue al criterio del :&, sea aplicable a la realidad nacional. +l uso de cual(uier otra metodologa de dise)o obliga a incluirla como aneBo a la %emoria Descripti*a. 2.1.2 Dse/' estr(ct(ra" +n cual(uier caso se efectuará el dise)o estructural considerando los siguientes factores/ aI 3alidad y *alor portante del suelo de fundación y de la subrasante. bI 3aractersticas y *olumen del tránsito durante el perodo de dise)o. cI 6ida -til del pa*imento. dI 3ondiciones climáticas y de drenae. eI 3aractersticas geométricas de la *a. fI "ipo de pa*imento a usarse. 2.1.7 M6t'!' (ía AASHTO 87 !e !se/' #ara #a$%e&t's +"e9:"es +ste procedimiento está basado en modelos (ue fueron desarrollados en función de la performance del pa*imento, las cargas *ehiculares y resistencia de la subrasantes para el cálculo de espesores.
7e incluye más adelante la ecuación de cálculo en la *ersión de la @ua AA7"4 N ?. +l propósito del modelo es el cálculo del 2umero +structural re(uerido H72rI, en base al cual se identifican y determinan un conunto de espesores de cada capa de la estructura del pa*imento, (ue deben ser construidas sobre la subrasante para soportar las cargas *ehiculares con aceptable ser*iciabilidad durante el periodo de dise)o establecido en el proyecto.
2.1.; Per'!' !e Dse/' +l :eriodo de Dise)o a ser empleado para dise)o de pa*imentos fleBibles será hasta 1! a)os para caminos de bao *olumen de tránsito, periodo de dise)os por dos etapas de 1! a)os y periodo de dise)o en una etapa de ;! a)os. +l ngeniero de dise)o de pa*imentos puede austar el periodo de dise)o seg-n las condiciones especficas del proyecto y lo re(uerido por la +ntidad. 2.1.< Met'!'"'*ía !e !se/' AASHTO 87 #ara #a$%e&t's rí*!'s +l método AA7"4 ? estima (ue para una construcción nue*a el pa*imento comienza a dar ser*icio a un ni*el alto. A medida (ue transcurre el tiempo, y con él las repeticiones de carga de tránsito, el ni*el de ser*icio baa. +l método impone un ni*el de ser*icio final (ue se debe mantener al concluir el periodo de dise)o. %ediante un proceso iterati*o, se asumen espesores de losa de concreto hasta (ue la ecuación AA7"4 1? llegue al e(uilibrio. +l espesor de concreto calculado finalmente debe soportar el paso de un n-mero determinado de cargas sin (ue se produzca un deterioro del ni*el de ser*icio inferior al estimado.
2.1.= Fact'res !e !se/' !e #a$%e&t's rí*!'s +l dise)o del pa*imento rgido in*olucra el análisis de di*ersos factores/ tráfico, drenae, clima, caractersticas de los suelos, capacidad de transferencia de carga, ni*el de ser*iciabilidad deseado, y el grado de confiabilidad al (ue se desea efectuar el dise)o acorde con el grado de importancia de la carretera. "odos estos factores son necesarios para predecir un comportamiento confiable de la estructura del pa*imento y e*itar (ue el da)o del pa*imento alcance el ni*el de colapso durante su *ida en ser*icio. Los principales factores de dise)o (ue se deben tener en cuanta son/ A. Terre&' !e F(&!ac>& ? C%e&t'. +s necesario colocar e" c%e&t', (ue consiste en una o más capas de materiales granulares (ue cumplan las siguientes caractersticas/ :roporcionar apoyo uniforme a la losa de 3oncreto. ncrementar la capacidad portante de los suelos de apoyo. &educir al mnimo las consecuencias de los cambios de *olumen del "erreno de #undación. &educir al mnimo las consecuencias de la congelación en las secciones de las diferentes capas o la capa superior del "erreno de #undación. &ecibir y resistir las cargas de tránsito (ue se transmiten a tra*és de la base de la losa de concreto. "ransmitir estas cargas, adecuadamenteG distribuyéndolas a las diferentes capas del :a*imento. #inalmente, e*itar el fenómeno de bombeo
B. Ca"!a! !e" C'&cret'. Las mezclas del 3oncreto idráulico para :a*imentos deben de estar pre*istas para/
aI @arantizar una durabilidad satisfactoria dentro de las condiciones de re(uerimiento del :a*imento. bI :ara asegurar la resistencia deseada a la fleBión
C. A&@"ss !e" Tr@+c' 3lasificación de 6a. 7e obtendrán a partir del n-mero de *ehculos (ue, probablemente, pasarán diariamente por el sistema *ial proyectado. D. Dse/' e'%6trc'. +l dise)o geométrico es el resultado del análisis de la geometra *ial de un proyecto HAltimetra y :lanimetraI. E. Dse/' Estr(ct(ra"/ 7oluciones tpicas. 7e clasifican en tres grupos/ Te>rcas) 7on a(uellas metodologas (ue asimilan o modelan la estructura del pa*imento en función del estudio elástico de sistemas multicapas, sometidos a cargas estáticas. E%#írcas) +stas renuncian a la utilización de los resultados de la mecánica y se limitan a una clasificación de suelos y de tipos de pa*imentos más usuales eBperimentales. Se%e%#írcas) Llamadas -ltimamente EDise)os %ecanicistas+mpricosF combinan los resultados anteriores y preparan circuitos de ensayos en Laboratorio o 6as de ser*icio. +stos métodos son los (ue tienen mayor difusión y son a la *ez los más racionales.
F. J(&tas. Los efectos de retracción y de gradientes térmicos en las losas de concreto producen, ine*itablemente HeBcepto en el pretensadoI, fisuramiento, (ue
sólo podemos controlar o dirigir, precisamente, por medio de lneas de roturas impuestas, llamadas EuntasF. 7e distinguen C tipos de $untas/
De Dilatación De 3onstrucción Longitudinal De &etracción #leBión De 3onstrucción "rans*ersal
. Es#ec+cac'&es T6c&cas) 7on elementos descripti*os, cualitati*os y cuantitati*os para la eecución correcta del :a*imento de 3oncreto idráulico. +stá normalizada por la institución (ue manean el sistema *ial del :er-/ Dirección H%"3I basadas y adaptadas de las normas internacionales, como la A7"%, AA7"4 y la :3A, las (ue determinan a (ue se elaboren dos tipos de ellas/ las especificaciones generales y las especificaciones especiales. 2.2. M6t'!' !e Dse/' PCA +ste método se basa en dos criterios especficos, uno relati*o a la resistencia a la fatiga del hormigón y el otro a la erosión de la base. +n el primer caso, se supone (ue la carga máBima se aplica en medio de la losa usto sobre la unta longitudinal (ue da la tensión máBima con la losa. +n el segundo caso, se supone (ue la carga máBima se aplica en una es(uina de la losa para generar defleBión máBima de la losa. 3uando se usa este método de dise)o, hay (ue conocer cuatro parámetros fundamentales/ +l módulo de ruptura del hormigón, +l módulo de reacción de la fundación +l periodo de dise)o, Las caractersticas del tráfico. 2.7. M6t'!' !e Dse/' ASSHTO +ste método se basa en el uso de una ecuación emprica desarrollada por la obser*ación de algunos pa*imentos de hormigón estudiados durante ensayos de AA7"4 sobre carreteras. Los criterios de dise)o son/ +l n-mero de e(ui*alentes cargas aBiales de 8! J2, +l espesor de la losa, +l módulo de elasticidad del hormigón, +l módulo de ruptura del hormigón, +l módulo de reacción de la fundación, +l coeficiente de transferencia de carga en las untas +l coeficiente de drenae 2.;. Met'!'"'*ía !e Dse/' ASSHTO 87 +l método AA7"4 ? estima (ue para una construcción nue*a el pa*imento comienza a dar ser*icio a un ni*el alto. A medida (ue transcurre el tiempo, y con él las repeticiones
de carga de tránsito, el ni*el de ser*icio baa. +l método impone un ni*el de ser*icio final (ue se debe mantener al concluir el periodo de dise)o. %ediante un proceso iterati*o, se asume espesores de losa de concreto hasta (ue la ecuación AA7"4 1? llegue al e(uilibrio. +l espesor de concreto calculado finalmente debe soportar el paso de un n-mero determinado de cargas sin (ue se produzca un deterioro del ni*el de ser*icio inferior al estimado.
Donde / O8.; P numero pre*isto de ees e(ui*alentes de 8.; toneladas métricas, a lo largo del periodo de dise)o. Q& P des*iación normal estándar 7! P error estándar combinado en la prediccion del transito y en la *ariación del comportamiento esperado del pa*imento. DP espesor de pa*imento de concreto, en milmetros R:7P diferencia entre los ndices de ser*icio inicial y final :tP indice de ser*iciabilidad o ser*icio final %rPresistencia media del concreto Hen %paI a fleBo tracción a los ;8 das Hmétodo de carga en los tercios de luzI 3dP coeficiente de drenae $P coeficiente de transmisión de carga en las untas. +c P modulo de elasticidad del concreto, en %pa SP modulo de reacción, dado en %paMm de la superficie Hbase, subbase o sub rasanteI en la (ue se apoya el pa*imento de concreto. +l cálculo del espesor se puede desarrollar utilizando la formula AA7"4 ? con una hoa de cálculo, mediante el uso de nomogramas, o mediante el uso de programas de cómputo especializado.
CONCLUSIONES Los pa*imentos, por las formas en (ue se trasmiten las cargas a la subrasante pueden ser pa*imentos fleBibles ó pa*imentos rgidos, como se describe en el capitulo , considerando (ue es importante para su dise)o tomar en cuenta las las untas (ue son dise)adas para transferir las cargas del tráfico entre las losas, controlar el agrietamiento longitudinal y trans*ersal, disipar tensiones debidas a agrietamientos inducidos debao de las mismas untasG todo esto con la ayuda de las pasauntas. 7eg-n los tipos de pa*imentos descritos en el ccapitulo , Los pa*imentos de concreto son reconocidos como una solución *ial debido a (ue siendo competiti*os en términos de costos de construcción, destacan además por su larga *ida, por su resistencia y por ser ecológicamente amigables. +ntre sus principales fortalezas se deben considerar sus menores costos de mantenimiento y el menor costo de operación *ehicular. +l periodo de *ida de los pa*imentos fleBibles se presenta problemas de fallas como indica el capitulo 6, los cuales pueden ser/ asentamientos diferenciales, deformaciones plásticas, factores climáticos, la intensidad del tránsito circulante, sus deformaciones, las condiciones de drenae y subdranae, etc. +l pa*imento re(uiere de conser*ación y mantenimiento, eficiente, rápida y económica. . +l método más utilizado para el dise)o de pa*imentos es el método AA7"4, descrito en el capitulo , por lo (ue el punto más importante es aproBimar las caractersticas de los materiales térreos del cimiento del lugar donde se esté dise)ando el elemento estructural. Las *ariables de dise)o (ue toma en cuenta el método AA7"4 son el espesor, *ariable (ue se pretende determinar, la ser*iciabilidad, el tránsito, (ue es una de las *ariables más significati*as y sin embargo una es una de las (ue más incertidumbre presenta en el momento de estimarse, la transferencia de carga, las propiedades del concreto, resistencia a la subrasante, el drenae y por -ltimo la confiabilidad.
BIBLIORAFIA AA7"4, E@'TA :A&A +L D7+>4 D+ +7"&'3"'&A7 D+ :A6%+2"47F, 1?. 3&+7:4 6LLA7 3A&L47. 6TA7 D+ 34%'23A392 FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA CARRETERAS II –UMSS 2@+2+&A D+ :A6%+2"47 :A&A 33A&&+"+&A7, ;DA +D342, AL#4274 %42"+$4 #427+3A 234LA7 $. @A&5+&, L+7"+& A. 4+L. 2@+2+&TA D+ "&U27"4 = 3A&&+"+&A7 66A& &4%+&4, @+&%A2, ED7+>4 = 3427"&'3392 D+ :A6%+2"47F ;DA +D392, :+&V, 1. O&@", :A'L . W :A<'+""+, &AD24& $., E2@+2+&TA D+ 3A&&+"+&A7F +D"4&AL @&':4 24&+@A, "A +D392, %X034, 1?. =4D+& +. $. :&23:47 D+ D7+>4 D+ :A6%+2"47
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