Se presenta los fundamentos teóricos para proyectos de rehabilitacion de carreteras

1. Rehabilitación y Mejoramiento de la
Carretera «X»
Diseño de Pavimento Flexible

2. Estructura del Informe
5.1. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO FLEXIBLE
• 5.1.1 Alcance
• 5.1.2 Método de Diseño
• 5.1.3 Estimación de las cargas de diseño (Wt18)
• 5.1.3.1 Tránsito promedio diaria anual (TPDA)
• 5.1.3.2 Factores de equivalencia de carga
• 5.1.4 Confiabilidad en el diseño (R)
• 5.1.5 Variación permisible en la Servicapacidad (Dpsi)
• 5.1.6 Caracterización del material de la sub-rasante y definición de la Unidad de Diseño
• 5.1.7 Determinación del Número Estructural (SN) en cada Unidad de Diseño
• 5.1.8 Materiales y mezclas para las capas de la estructura del pavimento
• 5.1.9 Alternativas de diseño
• 5.1.10 Espesores de la estructura de pavimento para cada alternativa
• 5.1.11 Alternativa final a ser seleccionada

3. 1. Alcance del Proyecto de Pavimentos
• Análisis de las variables de diseño y materiales de
construcción para definir la estructura de pavimento para
la Rehabilitación y Mejoramiento de la Carretera.

4. 2. Método de Diseño
• El Método seleccionado es el desarrollado por la
Asociación Americana de Administradores Estadales de
Carreteras y Transporte (AASHTO)
– Guía de diseño AASHTO-93
– Manual SIECA
– Programa de diseño de pavimentos desarrollado por la
Asociación Americana de Pavimentos de Concreto (ACPA),
versión WinPas, aplicación para pavimentos flexibles (1993).

5. 2.1 Ecuación de diseño
( )
07.8log*32.2
1
1094
40.0
5.12.4
log
20.0)1(log*36.9*18log 10
19.5
10
1010 −+
+
+




−
∆
+−++= RoR M
SN
PSI
SNSZWt
Variables independientes:
Wt18 : Número de aplicaciones de cargas equivalentes de 80 kN
acumuladas en el periodo de diseño (n).
ZR : Valor del desviador en una curva de distribución normal,
función de la Confiabilidad del diseño (R) o grado confianza en
que las cargas de diseño no serán superadas por las cargas
reales aplicadas sobre el pavimento.
(Ecuación 1)

6. 2.1 Ecuación de diseño
– So: Desviación estándar del sistema, función de posibles variaciones en las
estimaciones de tránsito (cargas y volúmenes) y comportamiento del pavimento
a lo largo de su vida de servicio.
– ∆PSI: Pérdida de Serviciabilidad (Condición de Servicio) prevista en el diseño,
y medida como la diferencia entre la “planitud” (calidad de acabado) del
pavimento al concluirse su construcción (Serviceabilidad Inicial (po) y su planitud
al final del periodo de diseño (Servicapacidad Final (pt).
– MR: Módulo Resiliente de la subrasante y de las capas de bases y sub-
bases granulares, obtenido a través de ecuaciones de correlación con la
capacidad portante (CBR) de los materiales (suelos y granulares).

7. 2.1 Ecuación de diseño
– Variable dependiente:
– SN: Número Estructural, o capacidad de la
estructura para soportar las cargas bajo las
condiciones (variables independientes) de
diseño.

8. 3. Estimación de las cargas de diseño (Wt18)
• Wt18=EEo*F
(Ecuación 2)
EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño
F = Factor de crecimiento
EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D
F = {(1 + TC)^n
– 1} / TC
TC = tasa de crecimiento interanual
n = periodo de diseño

9. 3. Estimación de las cargas de diseño (Wt18)
EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño
EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D
TPDA = Tráfico Promedio Diario Anual, para el primer año del periodo de diseño.
%Vp = Porcentaje de vehículos de carga dentro del volumen de tráfico total
FC = Factor Camión, o carga equivalente total por “camión promedio”
fds = factor de distribución del tráfico por sentido de circulación
fuc = factor de utilización del tráfico total por sentido en el canal de diseño
A = factor de ajuste por tráfico desbalanceado
D = Días por año en que circulará por el canal de diseño el tráfico definido por
los términos anteriores (365 días en este proyecto).

10. 3.1 Valores de TPDA y TC
Fuente: Estudio de Tráfico Carretera
Año Moto
Veh.
Liv.
Pesados de
Pasajeros
Pesados de Carga
TPDA
(vpd)
MB BUS C2 Liv. C2 C3 Otros
2010 33 23 1 17 11 62 82 1 230
2011 34 24 1 18 12 71 88 1 249
2012 35 25 1 18 12 77 92 1 261
2013 36 26 1 19 12 92 102 1 289
2014 37 26 1 19 13 99 107 1 303
2015 39 27 1 20 13 105 112 1 318
2016 40 29 1 21 14 113 118 1 337
2017 43 30 1 22 14 123 125 1 359
2018 45 31 1 23 15 133 132 1 381
2019 47 33 1 25 16 145 137 1 405
2020 50 37 2 26 17 173 160 2 467
2021 54 39 2 28 19 187 169 2 500
2022 57 42 2 30 20 203 181 2 537
2023 61 44 2 32 21 223 194 2 579
2024 66 47 2 35 23 244 209 2 628
2025 70 50 2 37 24 263 213 2 661
2026 75 53 2 40 26 287 223 2 708
2027 80 57 2 43 28 311 227 2 750
2028 86 63 3 46 30 338 238 3 807
2029 92 67 3 49 32 368 252 3 866
FUENTE: ESTUDIO DE TRÁFICO DEL ASOCIO

11. 3.2 Factores de equivalencia de cargas
Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5
Carga (kips) Carga (ton) FE(simples) FE(dobles) FE(triples)
2 0.91 0.0002 0.000
4 1.82 0.003 0.0003 0.0001
6 2.72 0.013 0.0010 0.0004
8 3.63 0.041 0.0040 0.001
10 4.54 0.102 0.0090 0.002
12 5.45 0.213 0.0180 0.004
14 6.36 0.388 0.0330 0.008
16 7.26 0.645 0.0570 0.013
18 8.17 1.000 0.0920 0.021
20 9.08 1.470 0.1410 0.032
22 9.99 2.090 0.2070 0.048
24 10.90 2.890 0.2920 0.068
26 11.80 3.910 0.4010 0.095
28 12.71 5.210 0.5340 0.128
30 13.62 6.800 0.6950 0.170
32 14.53 8.800 0.8870 0.220
34 15.44 11.300 1.1100 0.281
36 16.34 14.400 1.3800 0.352
38 17.25 18.100 1.6800 0.436
40 18.16 22.500 2.0300 0.533
42 19.07 27.800 2.4300 0.644
44 19.98 34.000 2.8800 0.769
46 20.88 41.400 3.4000 0.911
48 21.79 50.100 3.9800 1.107
50 22.70 60.000 4.6400 1.250
SN = 4,0 y pt = 2,5

12. 3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes simples)
Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

13. 3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes dobles)
Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

14. 3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes triples)
Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

15. 3.3 Factores camión por tipo de vehículo, para la
combinación de cargas sobre la vía
(Fuente: Estudio de Tráfico, Aparte IV.4.1 y Guía AASHTO-93)
condición de carga
Tipo de
vehiculo
Total %
Ejes equivalentes por camión
% 100%
cargados
% 50%
cargados
% vacios Total
Factor
Camión
Ponderado
100%
cargados
50%
cargados vacios
Mbuses 1 0.57% 0.700 0.178 0.050 61.00% 27.00% 12.00% 100.00% 0.4811
Buses 17 9.77% 1.674 0.426 0.050 36.00% 43.00% 21.00% 100.00% 0.7963
C2pesado 62 35.63% 1.674 0.426 0.050 21.00% 55.00% 24.00% 100.00% 0.5975
C2 Liviano 11 6.32% 0.169 0.038 0.004 21.00% 55.00% 24.00% 100.00% 0.0572
C3 82 47.13% 1.469 0.652 0.228 80.00% 10.00% 10.00% 100.00% 1.2633
OTROS 1 0.57% 2.780 0.731 0.104 67.00% 33.00% 0.00% 100.00% 2.1035
Veh. Livianos 23 0.0003
Total
pesados 174 100.00%

16. 3.4 Cargas equivalentes acumuladas en el periodo de
diseño (Wt18)
CONSIDERACIONES:
•fds = 0.52 (Fuente: Estudio de Tránsito)
• fuc = 1.0 (Fuente: Guía AASHTO-93)
• A = 1.0 (Fuente: Guía AASHTO-93)
Veh.
Liv.
Pesados de
Pasajeros
Pesados de Carga
MBus Bus C2 Liv. C2 C3 Otros
Totales 773 32 568 372 3,617 3,161 32
FE 0.0003 0.4811 0.7963 0.0572 0.5975 1.2633 2.1035
fds 0.52
DIAS 365.00
fuc 1.0
A 1.0 1.0
REE 44 2,922 85,848 4,036 410,183 757,939 12,776
REEtotal 1273,748
VIDA UTIL (años) Cargas de diseño
20 1,273,748
15 779662
10 415113
•RESUMEN:

17. 4 . Confiabilidad en el diseño (R)
• La Confiabilidad y el
Factor de Seguridad
Valor de la
Confiabilidad
Zr So Factor de
seguridad
50 0.000
0.45
1.00
60 - 0.253 1.30
70 - 0.524 1.72
75 - 0.674 2.01
85 - 1.037 2.93
95 - 1.645 5.50

18. 5. Variación permisible en la Servicapacidad
(Dpsi)
• Servicapacidad inicial (po) = 4.2
– Condición de servicio de un pavimento al concluir
su construcción
• Servicapacidad final (pt) = 2.00
– Condición de servicio de un pavimento en una vía
rural principal al final de su vida de servicio
Ambos valores son recomendados por el Manual SIECA y la Guía AASHTO-93
Dpsi = 4.2 – 2.0 = 2.2

19. 6. Caracterización del material de sub-rasante
• Fueron ensayadas 21 muestras del material de
fundación sobre la línea.
(Estudio de suelos para revisión de estructura de pavimentos, ASOCIO, enero 2009)
• Estos resultados fueron analizados bajo el
procedimiento del Instituto del Asfalto, para
determinar el CBR de Diseño”.

20. 6. Caracterización del material de sub-rasante
RESULTADO DE ENSAYOS ANALISIS
N° CBR
CBR menor a
mayor
FRECUENCIA
NUMERO DE
ENSAYOS,
IGUALES O
MAYORES
PERCENTIL
1 3.18 2.69 3.00 21.00 100.00
2 3.73 2.69
3 3.18 2.69
4 3.18 2.9 1.00 18.00 85.71
5 3.18 3.08 10.00 17.00 80.95
6 3.08 3.08
7 3.08 3.08
8 3.08 3.08
9 3.08 3.08
10 3.08 3.08
11 13.85 3.08
12 3.08 3.08
13 4.8 3.08
14 2.69 3.08
15 2.69 3.18 4.00 7.00 33.33
16 2.69 3.18
17 3.08 3.18
18 3.08 3.18
19 2.9 3.73 1.00 3.00 14.29
20 3.08 4.8 1.00 2.00 9.52
21 3.08 13.85 1.00 1.00 4.76
21.00
Nt PERCENTIL
CBR DE
DISEÑO OBSERVACIONES
10^8
95
COMO LOS EJES EQUIVALENTES SON 1,273,748 ESTA
ENTRE 10^6 Y 10^7, EL PERCENTIL DE DISEÑO ES EL
85% y POR LO TANTO EL CBR DE DISEÑO ES 3.05%.
10^7
90
10^6
85 3.05%
10^5
75
NOTAS:
Nt es cargas equivalentes totales o ejes equivalentes (EE)

21. 6. Caracterización del material de sub-rasante

22. 6. Unidades de diseño en función de los CBR
• Correlación entre valores de CBR y Módulo Resiliente
(MR)*
* Ecuación de correlación integrada dentro del Programa Winpas de la APCA

23. 7. Número Estructural (SN/sr)* sobre la SR
* Solución de la Ecuación AASHTO-93 para las diferentes variables independientes
VIDA UTIL (años) Cargas de diseño MR sub-rasante psi SN/sub-rasante
20 1,273,748
4,211.7
3.82
15 779662 3.56
10 415113 3.24
Valores requeridos de Número Estructural (SN) sobre la sub-rasante

24. 8. Calidad de materiales para capas del
pavimentos
• Material para sub-base
– Los resultados de los ensayos ejecutados sobre los materiales
encontrados en los bancos a lo largo del trazado, permiten concluir que
no se encontrarán materiales aptos para ser empleados como “sub-
base granular”, ya que, en los bancos analizados se han obtenido
valores de CBR muy bajos.
– Con base en lo anterior se recomienda que el actual rodamiento se
estabilice en 20 centímetros con cemento y sea considerada la
subbase, en función de ello se estima un coeficiente estructural (a3) de
0.10 y un “coeficiente de drenaje (cm3)” de 1.0
asub-base = 0.10 y coeficiente de drenaje = 1.0

25. 8. Calidad de materiales para capas del
pavimentos
• Material para base granular
• Como material de base granular se recomienda una mezcla de materiales
granulares, debidamente triturados y gradados, que resulten con un CBR mínimo de
80%. La correlación PAS para este tipo de material arroja un MR de 38,971 psi. La
Guía de Diseño AASHTO-93 asigna a estas mezclas un coeficiente estructural (a2) de
0.14 y un coeficiente de drenaje (cm2) de 1.00.
aBase = 0.14 y coeficiente de drenaje = 1.00
* Según Ecuación de correlación del ACPA

26. 8. Calidad de materiales para capas del
pavimentos
Mezclas asfálticas para pavimento
arodamiento = 0.43 y coeficiente de drenaje = 1.0
• Para la capa asfáltica debe emplearse mezcla de concreto asfáltico densamente
gradadas, mezcladas en planta en caliente, de las características que se indican en
la Tabla 11, determinadas de acuerdo al Ensayo Marshall (AASHTO T-245)
TABLA 11
Requisitos de calidad de las mezclas asfálticas
Capa Granulometría Tipo Estabilidad
(lbs)
Flujo
(0.01
pulg)
Vacíos
totales
(%)
VAM
(%)
Vacíos
llenados
(VFA), (%)
Rodamiento TNM 12 > 1.800 8 – 14 3 – 5 > 13 65 - 75

27. 9. Determinación de los espesores de capas
SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado
(Ecuación 5)
ESCENARIO 1: vida útil de 20 años
ALTERNATIVA Espesor
capa de
rodamient
o (cm)
Espesor capa
de base
granular (cm)
Espesor capa de
sub-base
estabilizada con
cemento (cm)
MEZCLA
ASFALTICA EN
CALIENTE (MAC)
10.0 25.0 20.0
DOBLE
TRATAMIENTO
SUPERFICIAL
ASFALTICO (DTS)
0.00 50.0 35.0
ADOQUIN 10
(MAS 5
CMS DE
ARENA)
25.0 20.0

28. 9. Determinación de los espesores de capas
SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado
(Ecuación 5)
ESCENARIO 2: vida útil de 15 años
ALTERNATIVA Espesor capa de
rodamiento (cm)
Espesor
capa de
base
granular
(cm)
Espesor capa de
sub-base
estabilizada con
cemento (cm)
MEZCLA
ASFALTICA EN
CALIENTE (MAC)
8.5 25.0 20.0
DOBLE
TRATAMIENTO
SUPERFICIAL
ASFALTICO (DTS)
0.00 44.0 35.0
ADOQUIN 10
(MAS 5 CMS DE
ARENA)
19.0 20.0

29. 9. Determinación de los espesores de capas
SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado
(Ecuación 5)
ESCENARIO 3: vida útil de 10 años
ALTERNATIVA Espesor
capa de
rodamient
o (cm)
Espesor capa
de base
granular (cm)
Espesor capa de
sub-base
estabilizada con
cemento (cm)
MEZCLA
ASFALTICA EN
CALIENTE (MAC)
6.5 25.0 20.0
DOBLE
TRATAMIENTO
SUPERFICIAL
ASFALTICO (DTS)
0.00 38.0 35.0
ADOQUIN 10
(MAS 5
CMS DE
ARENA)
15.0 17.5

30. 9. Determinación de los espesores de capas
ESCENARIO 4: Espesores de pavimento Alternativa de concreto.
Espesores de pavimento. Alternativa de concreto.
VIDA UTIL (años)
Espesores de diseño (cm)
Losa de concreto Base
estabilizada
con cemento
Sub-base
estabilizad
a con
cemento
20 15.00 15 20
15 14.00 15 20
10 12.00 15 20

31. 12. Alternativa recomendada
• El análisis de la información anterior, en cuanto a
espesores y tipos de materiales, conjuntamente con los
precios unitarios estimados para cada tipo de material,
permitirá la selección de la alternativa más conveniente
para el tramo