MÓDULO 4: CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO - FERNANDO SÁNCHEZ SABOGAL

CARACTERIZACIÓN DEL
TRÁNSITO

CONTENIDO
Definiciones
Período de diseño del pavimento
Caracterización de las cargas del tránsito
Equivalencia de cargas por eje
Equivalencias de carga por vehículo
Conversión del tránsito mezclado en aplicaciones
equivalentes del eje de referencia
Tendencia histórica y proyección del tránsito

CARACTERIZACIÓN DEL TRÁNSITO
DEFINICIONES

DEFINICIONES
Tránsito promedio diario
 Número de vehículos que circulan durante
determinado periodo, dividido por el número de días
del periodo
Vehículo comercial
 Vehículo automotor, de cuando menos dos ejes,
que comprende buses, busetas, volquetas y camiones
con o sin acoplado
Vehículo liviano
Vehículo automotor de dos ejes simples con sistema
de rueda simple

Carril de diseño
Carril por el cual se espera la circulación de mayor
número de cargas de diseño
Período de diseño
Lapso que transcurre desde que un pavimento se da al
servicio hasta que alcanza su índice de servicio terminal
DEFINICIONES

Índice de servicio presente
Valor numérico, entre cero y cinco, que da una
indicación del comportamiento del pavimento desde
el punto de vista del usuario
Índice de servicio inicial
Índice de servicio de un pavimento en el instante en
el cual se acaba de construir o de rehabilitar
Índice de servicio terminal
Menor índice de servicio que es tolerado por el
usuario antes de exigir la rehabilitación del pavimento
DEFINICIONES

ÍNDICE DE SERVICIO PRESENTE
DEFINICIONES

PERÍODO DE DISEÑO
DEL PAVIMENTO

PERÍODOS DE DISEÑO
Los períodos de diseño suelen ser diferentes según
se trate de pavimentos asfálticos o rígidos:
—En los pavimentos asfálticos depende de la
importancia de la vía y suelen variar entre 10 y 20
años
—Los pavimentos rígidos se acostumbran diseñar
para períodos de 20 años, independientemente de
la importancia de la vía, por cuanto los
incrementos de espesor y de costo al duplicar el
período de diseño no suelen exceder de 10%

PERÍODOS DE DISEÑO
I II III IV
DESCRIPCIÓN
Autopistas interurbanas,
Caminos interurbanos
principales
Colectoras interurbanas,
Caminos rurales e
industriales principales
Caminos rurales con
tránsito medio,
Caminos estratégicos
Pavimentos especiales e
innovaciones
Rango TPD inicial 5000 1000-10000 -1000 -10000
Periodo de diseño
recomendado (años) 20 15 10 10 - 15
CATEGORÍA DE LA CARRETERA
PERÍODOS DE DISEÑO RECOMENDADOS POR INVÍAS PARA LOS
PAVIMENTOS ASFÁLTICOS DE LAS CARRETERAS NACIONALES

CARACTERIZACIÓN
DE LAS CARGAS
DEL TRÁNSITO

—Diferentes tipos de vehículos
—Diferentes magnitudes de carga por eje
—Diferentes configuraciones de ejes
—Diferentes presiones de contacto neumático -
pavimento
—Diferente velocidad vehicular
TRÁNSITO MEZCLADO
CARACTERIZACIÓN DE
LAS CARGAS DEL TRÁNSITO
El efecto que producen los vehículos sobre un
pavimento es muy complejo de evaluar, debido a que
el tránsito es muy mezclado:

DIFERENTES TIPOS DE VEHÍCULOS
Vehículo pesado ¿Vehículo liviano?
CARACTERIZACIÓN DE

CARACTERIZACIÓN DE
CLASIFICACIÓN DE LOS VEHÍCULOS EN COLOMBIA

DIFERENTES MAGNITUDES DE CARGA POR EJE
CARACTERIZACIÓN DE
P1 P2
P3 P4

CONFIGURACIONES USUALES DE LOS EJES Y DE LAS
RUEDAS DE LOS VEHÍCULOS AUTOMOTORES
CARACTERIZACIÓN DE

DIFERENTES CONFIGURACIONES DE EJES
Eje simple -
rueda doble
Eje tándem –
rueda doble
Eje triple –
rueda doble
CARACTERIZACIÓN DE

CARACTERIZACIÓN DE
DIFERENTES CONFIGURACIONES DE EJES
Eje simple - rueda simple Eje simple - rueda ¿….?

DIFERENTES PRESIONES DE CONTACTO
CARACTERIZACIÓN DE
En los pavimentos asfálticos, el efecto de la
presión de contacto es particularmente importante en
la parte superior de la estructura, aunque no afecta el
espesor total requerido de pavimento. Cuando las
presiones de inflado y de contacto son altas, se
requieren materiales de mejor calidad en las capas
asfálticas
En los pavimentos rígidos, mayores presiones de
inflado y de contacto generan mayores esfuerzos y
exigen espesores de pavimento superiores

CARACTERIZACIÓN DE
EFECTO DE LA CARGA POR RUEDA Y DE LA PRESIÓN DE CONTACTO SOBRE
LOS ESFUERZOS VERTICALES EN UN PAVIMENTO ASFÁLTICO

CARACTERIZACIÓN DE
EFECTO DE LA CARGA POR RUEDA Y DE LA PRESIÓN DE CONTACTO SOBRE
LOS ESPESORES REQUERIDOS EN UN PAVIMENTO RÍGIDO

DIFERENTE VELOCIDAD VEHICULAR
CARACTERIZACIÓN DE
La velocidad vehicular es inversamente
proporcional al tiempo de aplicación de la carga
sobre la superficie del pavimento
Los materiales de las diferentes capas de un
pavimento presentan un mayor módulo de elasticidad
a menor tiempo de aplicación de la carga
Por lo tanto, las magnitudes de las deformaciones
en el pavimento se reducen al incrementarse la
velocidad

DIFERENTE VELOCIDAD VEHICULAR
CARACTERIZACIÓN DE
EFECTO DE LA VELOCIDAD SOBRE LAS DEFORMACIONES EN UN PAVIMENTO
ASFÁLTICO PARA DIVERSAS MAGNITUDES DE CARGAS POR EJE

CARACTERIZACIÓN DE
El número de ejes por carril y su distribución en
diferentes grupos de carga durante el periodo de
diseño del pavimento
El efecto destructivo de los vehículos circulantes y
la incidencia estructural de unos ejes con respecto de
otros de diferente magnitud y configuración
INFORMACIÓN DE TRÁNSITO REQUERIDA
PARA EL DISEÑO DE UN PAVIMENTO

Emplear cargas equivalentes por eje, convirtiendo las cargas
reales esperadas a un número equivalente de aplicaciones de
un eje normalizado, generalmente el eje simple de 80 kN. Este
es el procedimiento utilizado en Colombia para el diseño de
pavimentos asfálticos
Emplear el espectro de carga real de ejes simples, tándem,
triples y cuádruples. Este espectro incluye el número de ejes
en una serie de grupos de carga, durante intervalos de tiempo
prolongados. Este es el procedimiento corriente para el diseño
de pavimentos rígidos
CARACTERIZACIÓN DE
MANERAS DE CARACTERIZAR EL TRÁNSITO

EQUIVALENCIA DE
CARGAS POR EJE

EQUIVALENCIA DE CARGAS POR EJE
Factor numérico que relaciona el número de
aplicaciones de las carga por eje de referencia que
produce en el pavimento un determinado deterioro y el
número requerido de aplicaciones de otra carga por eje
para producir el mismo deterioro
El deterioro se mide en términos de la pérdida de
índice de servicio presente
FACTOR DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE

Ejemplo
Establecer el factor de equivalencia de carga por eje
(FECE) para la siguiente situación:
—La acción de 100,000 aplicaciones de un eje de
80 kN produjo en un pavimento una caída del
índice de servicio presente de 4.2 a 2.5, en tanto
que otro pavimento idéntico soportó 10,000
aplicaciones de un eje de 142 kN para sufrir la
misma caída en serviciabilidad

Solución
FECE = 100,000/10,000 = 10
—Es decir, que una pasada de un eje simple de 142
kN produce en un pavimento la misma pérdida de
índice de servicio que 10 pasadas de un eje simple
de 80 kN

Los factores de equivalencia de carga por eje (FECE)
dependen de:
—Tipo de pavimento
—Condición estructural del pavimento
—Sistema de eje vehicular
—Índice de servicio final de la estructura
 Tablas con valores de los factores de equivalencia de
carga por eje para diversas combinaciones de estas
variables, aparecen en el manual de diseño AASHTO-93

Carga por eje
(kip)
Pavimento asfáltico SN=5, pt =3.0
Factores de equivalencia de carga por eje
Simple Tándem
0.0000
Triple
2 0.0002 0.0000 0.0000
10 0.101 0.008 0.002
18 1.0 0.090
0.702
0.020
0.16730 5.1
40 13.1 1.98 0.536
50 30.0 4.05 1.26
FACTORES DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR EJE SEGÚN AASHTO
(SN = 5 y pt = 3)

Los FECE se pueden expresar en términos de la
magnitud de las cargas involucradas, las cuales deben
corresponder a una misma configuración de ejes y
número de llantas.
FECE = (Pi/Pr)n
Pi= Carga por eje considerada
Pr = Carga por eje de referencia
n = Coeficiente empírico

Ejemplo
Establecer el coeficiente exponencial empírico para
las cargas por eje simple de 80 kN y de 142 kN,
tomando como referencia la primera
10 = (142/80)n
n = 4.01

Según se determinó en el ensayo AASHTO, el valor
―n‖ en pavimentos asfálticos oscila en un entorno mas o
menos restringido (3.8 - 4.2), lo que ha llevado a los
diseñadores a adoptar un valor igual a 4.0 en la solución
de los problemas rutinarios con estos pavimentos
Por ese motivo, la relación
FECE = (Pi/Pr)4
se conoce como “Ley de la Cuarta Potencia”

En el mismo ensayo AASHTO se determinó que en
pavimentos rígidos, la agresividad de una carga por eje
respecto de la de referencia seguía una ley similar,
pero el coeficiente ―n‖ era mayor que en el caso de los
pavimentos asfálticos, entre 4.0 y 4.4

En el AASHO ROAD TEST se adoptó como carga
de referencia por eje simple con sistema de rueda doble
una de magnitud igual a 80 kN (18 kip) y se supuso
que ella producía en el pavimento un daño unitario
Las magnitudes de carga aplicadas con otros sistemas
de ejes y/o de rueda, que produzcan en un pavimento el
mismo deterioro que el eje simple de rueda doble de 80
kN, se consideran también como cargas de referencia
CARGAS POR EJE DE REFERENCIA

CARGAS DE REFERENCIAADOPTADAS POR INVIAS PARA EL
DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
Tipo de eje Configuración
de ruedas
Carga de referencia
kN kip t
Simple Simple 65 14.5 6.6
Simple Doble 80 18.0 8.2
Tándem Doble 146 33.0 15.0
Triple Doble 225* 50.7* 23.0*
* La carga de referencia adoptada por la AASHTO es de aproximadamente 48 kip
CARGAS POR EJE DE REFERENCIA

FACTORES DE EQUIVALENCIA DE CARGA POR
EJE SEGÚN LA LEY DE LA CUARTA POTENCIA

EQUIVALENCIAS DE
CARGA POR
VEHÍCULO

El método más utilizado para estimar el tránsito con
fines de diseño de pavimentos consiste en convertir las
repeticiones esperadas del tránsito real a un número de
aplicaciones del eje de referencia normalizado (80 kN)
que produciría el mismo deterioro en el pavimento
Debido a la reducida magnitud de las cargas por eje
de los vehículos livianos, éstas se suelen ignorar en los
cómputos de tránsito con fines de diseño de pavimentos
CONCEPTO DE LA EQUIVALENCIA DE CARGA
EQUIVALENCIAS DE CARGA POR VEHÍCULO

CONCEPTO DE LA EQUIVALENCIA DE CARGA

EJES EQUIVALENTES GENERADOS POR
DIFERENTES TIPOS DE VEHÍCULOS
(datos U.S.A.)

Es el parámetro empírico que permite convertir el
tránsito real en aplicaciones equivalentes del eje de
referencia para diseño de pavimentos asfálticos
El factor camión es el número de ejes simples
equivalentes de referencia (80 kN) que producirían en
el pavimento un daño equivalente al de una pasada de
un vehículo comercial promedio
El factor camión se puede determinar de manera
individual para cada tipo de vehículo comercial o
como promedio de todo el flujo de tránsito pesado
FACTOR CAMIÓN

Se pesan los ejes de los vehículos comerciales que
circulen por la vía durante cierto lapso
Se tabulan por grupos los valores de carga por eje
obtenidos para los diversos sistemas de ejes (espectro
de carga)
Los valores tabulados son afectados por los factores
de equivalencia de carga por eje (FECE), aplicando los
factores de AASHTO o empleando la ley de la cuarta
potencia, si no se dispone de ellos
DETERMINACIÓN DEL FACTOR CAMIÓN

EJEMPLO DE CÁLCULO

EJEMPLO DE CÁLCULO (cont.)

VALORES DE FACTOR CAMIÓN POR TIPO VEHÍCULO

COMENTARIOS SOBRE EL FACTOR CAMIÓN
El factor camión es un valor cuya magnitud cambia con
el tiempo en una determinada carretera, debido a diversos
factores:
—Desarrollo de la industria de fabricación de buses y
camiones
—Modificaciones en los límites de carga legal
—Cambios en la distribución del parque de vehículos
pesados
El valor numérico del factor camión está relacionado
directamente con la intensidad de la sobrecarga vehicular

EFECTOS DE LA SOBRECARGA VEHICULAR

SOBRE EL USUARIO

SOBRE EL PAVIMENTO

CONVERSIÓN DEL TRÁNSITO
REAL EN APLICACIONES
EQUIVALENTES DEL EJE DE
REFERENCIA

CÁLCULO DEL NÚMERO DE EJES SIMPLES
EQUIVALENTES EN UN AÑO i
NESEiNú Número de aplicaciones de carga del eje de referencia en el carril de
diseño en el año “i”
TPDi Tránsito promedio diario en ambas direcciones, durante el año “i”
VC Proporción del TPD que está constituida por vehículos comerciales (en
cifras decimales)
DD Distribución direccional del tránsito de vehículos comerciales (en cifras
decimales)
DC Proporción de los vehículos comerciales circulantes en una dirección,
que utilizan el carril de diseño (en cifras decimales)
FC Factor camión
365 Número de días de un año
Este procedimiento se aplica en evaluaciones de
tránsito para el diseño de pavimentos asfálticos

DISTRIBUCIÓN DIRECCIONAL DEL TRÁNSITO
DE VEHÍCULOS COMERCIALES (DD)
Generalmente se supone que DD = 0.50
La guía de rehabilitación de pavimentos asfálticos del
INVÍAS recomienda emplear DD = 0.55

PROPORCIÓN DE LOS VEHÍCULOS COMERCIALES
QUE CIRCULAN EN UNA DIRECCIÓN, QUE UTILIZAN
EL CARRIL DE DISEÑO (DC)

Datos
Carretera de dos carriles
Tránsito promedio diario = 1200 vehículos
Livianos = 40%; Buses =15%; Camiones 45%
Factor camión = 2.40
Solución
VC = 15% + 45% = 60% = 0.60
DD = 0.5 (distribución direccional)
DC = 1.0 (un carril por dirección)
NESEi = 1200*0.6*0.5*1.0*2.40*365 = 315,360 ejes
EJEMPLO DE CÁLCULO

TENDENCIA HISTÓRICA
Y PROYECCIÓN DEL
TRÁNSITO

EVOLUCIÓN HISTÓRICA DEL TRÁNSITO
Si se dispone de información sobre la evolución del
tránsito, se calculan los NESE durante los últimos
años
Se establecen tendencias de crecimiento de tipo
matemático y se adopta aquella que presente mejor
coeficiente de correlación
 Las ecuaciones de tendencia más aplicadas para
estudiar el tránsito automotor son la exponencial y la
lineal recta
ECUACIONES DE TENDENCIA

ECUACIONES DE TENDENCIA

EJEMPLO DE CÁLCULO
Definir las tendencias de crecimiento exponencial y
lineal recta para los datos de NESE que presenta la tabla

EJEMPLO DE CÁLCULO
Solución
Aplicando los procedimientos de la estadística, se
obtienen las siguientes ecuaciones de tendencia:
Exponencial
NESEx = 276,239*(1.061)x (r=0.94)
Lineal recta
NESEx = 275,074+19,033x (r= 0.95)

PROYECCIÓN DEL TRÁNSITO
La proyección del tránsito para el diseño de un pavimento
requiere la siguiente información:
—Año inicial de servicio del pavimento (j)
—Período de diseño del pavimento
—Ecuación de crecimiento adoptada
A partir de dicha información se estima:
—NESEj, empleando la ecuación de tendencia con x = j
—El número acumulado de ejes simples equivalentes de
referencia (80 kN) en el carril de diseño durante el
período de diseño (N), a partir del año ―j‖

El tránsito acumulado de diseño (N) se determina
integrando la ecuación de tendencia de crecimiento del
tránsito
Si la tendencia elegida es exponencial:









)1ln(
1)1(
i
i
NESEN
n
j
Si la tendencia elegida es recta:
2
*
*
2
nm
nNESEN j 
CÁLCULO DEL TRÁNSITO DE DISEÑO (N)

Ejemplo 1
Ecuación de crecimiento exponencial
NESEx = 276,239*(1.061)x (x = 0 en 2001)
Si el pavimento se pone en servicio en 2008 (x = j = 7)
NESEj = 276,239*(1.061)7 = 418,112 ejes equivalentes
Periodo de diseño del pavimento = 10 años
EJEMPLO DE CÁLCULO DE “N”

Solución del ejemplo 1
Como la ecuación de crecimiento es exponencial
esequivalentejesN 210,704,5
)061.01(ln
1)061.01(
112,418
10


















)1ln(
1)1(
i
i
NESEN
n
j

Ejemplo 2
Ecuación de crecimiento lineal recta
NESEx = 275,074+19033x (x = 0 en 2001)
Si el pavimento se pone en servicio en 2008 (x = j = 7)
NESEj = 275,074+19,033*7 = 408,305 ejes equivalentes
Periodo de diseño del pavimento = 10 años

Solución del ejemplo 2
Como la ecuación de crecimiento es lineal recta
2
*
*
2
nm
nNESEN j 
kNdeesequivalentejesN 80700,034,5
2
10*033,19
10*305,408
2


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