Diseño de Pavimentos: Métodos y Procedimientos para Cálculo de Carga y Resistencia

Diseño de Pavimentos

El diseño de pavimentos consiste en determinar el espesor total del pavimento necesario para soportar la carga acumulada por el volumen de tránsito durante un determinado período de vida útil.

Métodos para el Diseño de Pavimentos Flexibles o Rígidos

Se basan en dos parámetros fundamentales:

1. Aplicación de la carga: Se refiere a la cantidad de vehículos (volumen de tránsito o Tránsito Diario Promedio Anual, TDPA) para conocer el espesor requerido.
2. Resistencia de la carga: Implica conocer la resistencia o capacidad de los diferentes tipos de materiales en función de su capacidad de carga individual.

Método Basado en la Prueba de Placas

Prueba de Placas

La capacidad de carga, determinada mediante la prueba de placas, se define como la carga aplicada a una placa de 12 pulgadas de diámetro (Φ) y 1 pulgada de espesor que produce una deformación de 0.508 cm en la décima repetición.

Equipo para la Prueba de Placas

1. Sistema de reacción: Consiste en un lastre (peso). Se recomienda utilizar la defensa de un camión de carga que pese 12 toneladas.
2. Sistema de carga: Compuesto por un gato hidráulico provisto de un manómetro, un juego de placas de 12 y 6 pulgadas de diámetro (Φ) y 1 pulgada de espesor.
3. Sistema de medición: Incluye 2, 3 o 4 micrómetros y un cronómetro.

Ajuste del Equipo

1. Se aplica una carga P de manera rápida que produzca una deformación de 0.25 a 0.5 mm. La mitad de esta carga, P/2, se deja aplicada al equipo de forma constante (esta será la carga de reacción).
2. La carga P/2 se denomina carga de ajuste.

Procedimiento de la Prueba de Placas

1. Se aplica una carga que produzca una deformación de 1.0 mm y se observa que la velocidad de deformación y recuperación sea de 0.12 cm/min durante 3 minutos. Esta misma carga se repite 6 veces.

Carga A: deformación de 1.0 mm. Carga B: deformación de 5.08 mm. Carga C: deformación de 10.1 mm.

Carga corregida: Carga encontrada o aplicada para cada deformación (A, B y C) corregidas mediante una gráfica de calibración del equipo (gato hidráulico) + carga de ajuste P/2 corregida de igual manera + peso propio del equipo (juego de placas, gato hidráulico, micrómetros).

2. Se grafican las cargas corregidas con la quinta deformación de cada carga (A, B y C). Se unen los puntos de la gráfica mediante una recta hasta cortar la línea de las abscisas, y en ese punto se encuentra la corrección.
3. La corrección encontrada se le suma a la deformación de cada carga aplicada (A, B y C).
4. En una hoja o tabla semilogarítmica, se grafican las cargas (A, B y C) corregidas de acuerdo al número de repeticiones. Como solo se realizaron 6 repeticiones, se extrapola o prolonga la línea hasta alcanzar la décima repetición, encontrando la deformación en la décima repetición.
5. Se grafican las deformaciones de la décima repetición de manera que la recta entre ellas sea al final cóncava. De acuerdo a la carga en la escala, se encuentra la capacidad de carga o módulo de reacción del material, representada con la letra k.

Método Basado en el Valor Relativo de Soporte (VRS)

VRS = (Carga que produce una deformación de 0.25 mm en el material en estudio) / (Carga que produce la misma deformación en un material prototipo).

Se recomienda que el material prototipo sea una grava bien graduada, limpia, angulosa y que previamente se hayan encontrado las cargas que producen deformaciones de 0.25, 0.50, 0.75, 1.00 y 1.25 mm.

Procedimiento de la Prueba o Elaboración de la Muestra

1. Se elaboran 3 series de 5 especímenes con material previamente secado, de preferencia al sol. Si no es posible, se seca en un horno cuya temperatura no exceda los 60°C.
2. Se criba el material seco y se obtiene una porción que haya pasado la malla de 3/4 de pulgada. Se sustituye esta cantidad de material por otra cuya granulometría esté entre la malla número 4 y 3/4 de pulgada.
3. A cada uno de los especímenes de cada serie se le adiciona agua en una cantidad de ± 2% de la que se considere humedad óptima del material. Para determinar la humedad óptima, se empuña el material y, si este queda formado, se considera que su humedad es óptima. Una vez hecho esto, se hacen 3 series de 5 especímenes con la misma cantidad de agua. El peso del pisón es de 4 kg y la caída libre es de 46 cm.

• La primera serie se compacta con la energía de compactación I (Proctor estándar, 25 golpes).
• La segunda serie se compacta con la energía de compactación II (Proctor modificada, 55 golpes).
• La tercera serie se compacta con una energía de compactación intermedia.

4. Después de compactar los especímenes, se sacan del molde y se determina su peso volumétrico.
5. Cada uno de estos especímenes se lleva a la prensa para determinar las cargas que produzcan deformaciones de 0.25, 0.50, 0.75, 1.00 y 1.25 mm.
6. Para corregir, se grafican los esfuerzos y las deformaciones. Si la recta presenta dos concavidades en los extremos, se traza una línea tangente a ambas. Si al graficar se presenta una curva, se traza una recta de manera que queden dos áreas aproximadamente iguales. Si no se puede graficar, se realiza un promedio aritmético de todas las deformaciones, aunque esto no es muy recomendable.
7. Se grafican las cargas y las deformaciones para corregir.

Caso 1: Si la gráfica es ligeramente cóncava, se traza una línea tangente a las dos concavidades y sobre esta línea se coloca el punto y se lee la carga VRS.

Caso 2: Si la gráfica resulta ser muy cóncava en sus lados extremos, se traza una línea entre estas dos concavidades de manera que queden dos áreas aproximadamente iguales.

Caso 3: Si no hay manera de graficar, se corrige de manera aritmética: VRS = (VRS_0.25 + VRS_0.50 + VRS_0.75 + VRS_1.00 + VRS_1.25) / 5

El VRS está en función de la humedad óptima.

Condiciones en el proceso constructivo: equipo, operador, temperatura.

Este método es más utilizado porque toma en cuenta las características reales del medio ambiente de nuestro proyecto. Para el proceso constructivo, se recomienda que, si el operador o el equipo no están en buenas condiciones, no se exija el 100%, sino un rango. La humedad de la zona varía entre los valores. El VRS crítico o de diseño no es ni el máximo ni el mínimo, sino el más próximo al mínimo, dependiendo de los valores con los que se trabaje. Por ejemplo, si se tienen valores de 10 y 11, el VRS de diseño podría ser 10.1 u 11.1.