Fundamentos del Diseño de Pavimentos y Caracterización del Tráfico

Daños Comunes en Pavimentos: Piel de Cocodrilo

La Piel de Cocodrilo es un daño común en pavimentos, producto de:

• La fatiga del pavimento.
• Deformación de la estructura.
• Daños por humedad.

En pavimentos de alto tránsito, capaces de resistir las vibraciones, la pista de buses es la vía principal para la evacuación de aguas pluviales.

Caracterización del Tráfico para el Diseño de Pavimentos

El tráfico es una de las variables más importantes en el diseño de pavimentos, ya que proporciona la carga que debe resistir la estructura. Es un parámetro difícil de caracterizar.

Clasificación del Tráfico

El tráfico se clasifica como comercial o pesado.

Clasificación de vehículos:

• Tipo A: Automóviles.
• Tipo B: Micros, buses.
• Tipo C: Camiones de carga.

Tipos de Ejes y Cargas

• Eje simple de una rueda: Autos (6.6 ton).
• Eje simple de doble rueda: Kia Frontier (8.2 ton).
• Eje tándem: 2 ejes simples con doble rueda (15 ton).
• Eje tridem: 3 ejes simples de doble rueda (23 ton).

Concepto de Eje Equivalente

Un eje equivalente es el daño que causa un eje simple de doble rueda con 8.2 toneladas (o 18 kips). Ese eje es el «patrón» con el que se comparan todos los demás. Para convertir todos los vehículos que pasan por una vía en una sola cifra comparable, se utiliza el número total de ejes equivalentes que recibirá ese pavimento durante su vida útil. Esa cifra se usa para diseñar el espesor y la resistencia del pavimento.

Ejemplo: Un eje simple de una rueda de 5 ton equivale a 0.32 ejes equivalentes. Esto se calcula como: (5 ton / 6.6 ton)⁴ = 0.32.

Parámetros Clave del Tráfico

• Tráfico Promedio Diario (TDP)

  Número total de vehículos que en promedio circulan por toda la sección transversal de una vía.

• Composición Vehicular (VC)

  El TDP se compone de diferentes tipos de vehículos. El parámetro VC corresponde al porcentaje de vehículos de un mismo tipo que lo conforma.

  Ejemplo: Si el TDP de una vía es 50, y el parámetro VC para automóviles es del 50%, para buses del 20% y para camiones del 30%. Esto quiere decir que el TDP se compone de:

  • 25 automóviles.
  • 10 buses.
  • 15 camiones.

• Factor de Distribución por Carril (CD)

  Corresponde al factor de distribución de vehículos de diseño por carril.

Estimación del Tráfico Acumulado

La estimación clásica del tráfico acumulado en el período de diseño para ser empleado en el diseño de pavimentos requiere los siguientes datos:

• TDP (Tráfico Promedio Diario).
• Porcentaje de vehículos pesados.
• Porcentaje de carril de diseño (CD).
• Tasa de crecimiento.
• Período de diseño.

Este valor de la fórmula está dado en número de vehículos.

Método de Diseño AASHTO 1993 para Pavimentos Flexibles

Introducción al Método AASHTO 1993

El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos flexibles se basa primordialmente en identificar un Número Estructural (SN) para el pavimento. Este SN hace referencia a la resistencia estructural de un pavimento requerida para la combinación de soporte del suelo (Mr), tránsito total (W18), servicialidad terminal y condiciones ambientales.

El experimento realizado por la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) fue para determinar cómo el tráfico contribuye al deterioro del pavimento de las carreteras.

Fundamentos y Objetivo

El Método de Diseño AASHTO Tradicional 1993 es un método semi-empírico para diseñar pavimentos, basado en los resultados del histórico AASHO Road Test (1958-1961). Se fundamenta en una gran cantidad de datos reales de cómo diferentes cargas vehiculares afectan el pavimento. Considera la confiabilidad del diseño, módulos elásticos, drenaje, aspectos económicos, etc.

Objetivo: Diseñar pavimentos que resistan un cierto tráfico durante un período de diseño, manteniendo una calidad mínima aceptable (serviciabilidad).

Factores Clave en la Ecuación de Diseño

1. W18: Tráfico Equivalente

   El tráfico se resume a un número equivalente de ejes. Este eje es de 80 kN o 18 kips, según AASHTO.

2. Zr: Confiabilidad del Diseño

   Es un coeficiente de seguridad agregado por AASHTO debido a los distintos factores que pueden variar el funcionamiento del pavimento con respecto al diseño previsto, tales como el tráfico, procesos constructivos, propiedades de los distintos materiales y condiciones climáticas futuras.

   • Autopistas: 85%-99.9% (debido al alto costo de reparación).
   • Carreteras locales: 50%-80%.

3. So: Error Estándar Total

   Representa la variabilidad estadística del comportamiento del pavimento y del tránsito. Afecta la confiabilidad.

4. Serviciabilidad

   Es la diferencia entre el estado inicial del pavimento (Po) y el estado final aceptable (Pt). Va desde 0 a 5, siendo 0 pésimas condiciones y 5 perfecto estado. Si la vía tiene mayor tráfico, necesitará un índice más alto. Esto también depende del criterio del diseñador y las pautas recomendadas por AASHTO.

5. SN: Número Estructural

   Representa la resistencia estructural que debe tener un pavimento. Se encuentra en función del tránsito y del CBR, que mediante distintas correlaciones puede definir el módulo resiliente del suelo de apoyo. Se calcula y se traduce en espesores de capa (rodadura, base y subbase).

Consideraciones Adicionales

La ecuación relaciona todos los factores anteriores y permite encontrar el SN necesario. Aunque el método no incluye directamente el clima, sí considera el efecto del agua (humedad) en la resistencia de capas no cementadas, usando el coeficiente de drenaje.

Método de Diseño Racional de Pavimentos

Principios del Método Racional

El Método Racional es una metodología basada en principios mecánicos y físicos reales, no solo en observaciones empíricas. Usa modelos matemáticos para calcular los esfuerzos y deformaciones internas del pavimento bajo cargas vehiculares y condiciones reales, como el clima, el tipo de material y la presión de las llantas.

Etapas del Modelo Racional

1. Ingreso de Datos Generales

   Configuración del método, elección del número de capas del pavimento, definición del clima (pueden definirse varios períodos climáticos al año).

2. Geometría del Pavimento

   Se define cada capa (rodadura, base, subbase, subrasante) y se establece el espesor de cada una.

3. Propiedades de los Materiales

   Módulo elástico, relación de Poisson, comportamiento no lineal viscoelástico (si aplica).

4. Carga Aplicada

   Se calcula la presión que genera el eje sobre el pavimento.

Puntos de Análisis en la Estructura del Pavimento Flexible

Los puntos de análisis se determinan de la siguiente forma:

• Capas Ligadas (Mezcla Asfáltica)

  El punto de análisis corresponde a la base de la carpeta, ya que en ese punto comienza el fenómeno de la fatiga debido a los esfuerzos de tensión.

• Capas No Ligadas (Bases, Subbases y Subrasante)

  El punto de análisis se encuentra en la parte superior de cada capa para controlar los esfuerzos axiales que producen ahuellamiento.

Resultados Esperados y Mecanismos de Falla

Los resultados esperados incluyen:

• Deformaciones horizontales y verticales.
• Esfuerzos principales (tensión y tracción).

Se evalúa el riesgo de falla por dos mecanismos principales:

• Fatiga en capas asfálticas (ligadas).
• Ahuellamiento en capas granulares (no ligadas).

Cálculo de la Resistencia y Ley de Fatiga

Se calcula cuántos ejes equivalentes puede resistir el pavimento, comparándolo con la demanda estimada. La fórmula que se utiliza es la Ley de Fatiga.

Factores de Corrección

Se utilizan los siguientes factores de corrección:

1. Rodadura asfáltica (1.1) y base asfáltica (1.3): Dependen del tipo de material.
2. Ks: Factor de corrección por subrasante, depende del módulo de la subrasante.
3. K0: Factor de corrección por temperatura.
4. Kr: Factor de corrección por dispersión.
5. Kd: Factor de corrección por efecto del pasador en juntas de losas de concreto.

Análisis por Tipo de Capa

• Mezcla Asfáltica (Rodadura)

  Principal preocupación: fatiga por tracción. Se evalúan las deformaciones que puede soportar sin fallar.

• Capas Granulares (Base y Subbase)

  Preocupan las deformaciones verticales que causan ahuellamiento. Se calcula si esas deformaciones están dentro del rango admisible.

• Losa de Concreto

  Se evalúan tensiones de tracción admisibles. Se consideran pasadores, espesor y módulos.

Ventajas del Método Racional

El Método Racional (más exacto y técnico) busca diseñar un pavimento que:

• Resista las cargas reales de los vehículos (tipo de eje, presión, peso).
• Considere las propiedades reales de los materiales (módulos, comportamiento viscoelástico).
• Tenga en cuenta el clima, drenaje y deformaciones internas.

Entrega resultados como: si el diseño soportará el tráfico proyectado (número de ejes equivalentes), cuánto tiempo durará antes de fallar, y los espesores y materiales necesarios.