El diseño estructural de un pavimento rígido tiene como propósito definir una sección capaz de soportar las cargas del tránsito durante el periodo previsto de servicio, manteniendo deformaciones y deterioros dentro de límites aceptables. Un pavimento debe ser diseñado de tal manera que las cargas impuestas por el tránsito no generen deformaciones permanentes excesivas.
La presente sección aborda el diseño estructural de pavimentos rígidos mediante el método AASHTO 93, considerando los principales componentes de la estructura: la subrasante, la subbase y la losa de concreto. El procedimiento requiere definir las condiciones del terreno, las características de los materiales, la geometría de la sección y las solicitaciones producidas por el tránsito.
Fundamentos del diseño estructural
El diseño estructural de pavimentos rígidos se relaciona con la determinación de los espesores y las propiedades de las capas que integran la estructura del pavimento. La sección debe distribuir las cargas de los vehículos hacia la subrasante, limitar los esfuerzos y deformaciones y proporcionar condiciones adecuadas de servicio.
Desde hace aproximadamente tres décadas, en México contamos con un método de diseño para pavimentos desarrollado por el Instituto de Ingeniería de la UNAM.
Este método partió del análisis de datos experimentales en tramos de prueba, en carreteras en servicio, de investigación teórica y de experimentación en laboratorio en la pista circular de pruebas, que influyó más recientemente en sucesivos perfeccionamientos.
El extinto Ministerio de Obras Públicas de España (MOPU) instruyó en 1989 a utilizar el “Catálogo de Secciones de Pavimentos Flexibles y Rígidos”.
Toma en cuenta la intensidad media diaria de vehículos pesados que se prevea en el carril de proyecto y en el año de la puesta en servicio.
Se utilizan para el diseño tres categorías de subrasante, definidas por su mínimo valor relativo de soporte (VRS).
En base a las variables anteriores, el Catálogo proporciona 13 alternativas de solución para 5 diferentes tránsitos, 3 categorías de subrasantes y 8 clases de materiales diferentes, para usarse en las capas de la sección estructural de los pavimentos.
Enfoque del método AASHTO 93
A partir de la versión del año 1986, y su correspondiente versión mejorada de 1993, el método AASHTO comenzó a introducir conceptos mecanicistas para adecuar algunos parámetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar del ensayo original.
El método se basa principalmente en la aplicación de la teoría elástica en multicapas, que utiliza resultados de investigaciones recientes por parte de ese organismo.
Aplica una metodología empírico-mecanicista, la cual pone énfasis en el concepto de espectro de carga para relacionarlo con el de daño; lo anterior mediante un análisis de esfuerzos y deformaciones en la estructura del pavimento y su correlación con los principales tipos de deterioros que presenta.
El manual presenta un procedimiento de diseño para obtener los espesores de la sección estructural de pavimentos, donde se utilizan el cemento asfáltico y las emulsiones asfálticas en toda la sección o en parte de ella.
En el caso de los pavimentos rígidos, el procedimiento se orienta principalmente a determinar el espesor de la losa de concreto y a establecer las condiciones de apoyo necesarias para que la estructura responda adecuadamente ante las cargas repetidas del tránsito y las condiciones ambientales.
Etapas generales del procedimiento de diseño
El procedimiento de diseño comienza con la recopilación y selección de las variables que describen el proyecto. Estas variables incluyen las características del tránsito, las condiciones de la subrasante, las propiedades de la subbase, las características del concreto y la geometría de la estructura.
Lo primero será hacer una selección del diseño inicial, consistente en una estimación de valores para los componentes de entrada, mismos que se refieren a la geometría de la estructura.
Después, se procede al cálculo de las respuestas estructurales en la sección estructural del pavimento.
La evaluación de estas respuestas permite relacionar las cargas aplicadas con los esfuerzos, las deformaciones y los posibles mecanismos de deterioro del pavimento. A partir de esta relación se comprueba si la sección propuesta cumple con las condiciones de diseño.
Componentes de entrada
- Intensidad media diaria de vehículos pesados.
- Tránsito previsto en el carril de proyecto.
- Año de la puesta en servicio.
- Capacidad portante de la subrasante.
- Características de la subbase.
- Resistencia del concreto.
- Espesor de la losa.
- Geometría de la estructura.
Cálculo de respuestas estructurales
El cálculo de las respuestas estructurales permite estudiar el comportamiento de la sección ante las solicitaciones previstas. Estas respuestas se expresan mediante esfuerzos y deformaciones producidos en las diferentes capas del pavimento.
El análisis de esfuerzos y deformaciones en la estructura del pavimento se correlaciona con los principales tipos de deterioros que presenta.
La selección inicial debe verificarse mediante el comportamiento estructural calculado. Si las respuestas obtenidas no son compatibles con los criterios de diseño, deben ajustarse los espesores, las propiedades de los materiales o los componentes de entrada.
Caracterización de la subrasante
La subrasante constituye el terreno de apoyo de la estructura del pavimento. Su capacidad portante influye en la distribución de las cargas y en la respuesta global de la sección.
Para el diseño se utilizan categorías de subrasante definidas por su mínimo valor relativo de soporte (VRS).
En la investigación desarrollada en la Av. Crespo y Castillo se evaluó la capacidad portante mediante tres ensayos CBR. Los valores obtenidos fueron 19.34%, 16.00% y 18.33%.
| Ensayo | Valor CBR |
|---|---|
| Ensayo 1 | 19.34% |
| Ensayo 2 | 16.00% |
| Ensayo 3 | 18.33% |
Estos resultados permiten valorar la capacidad portante de la subrasante y seleccionar las condiciones de apoyo que deben considerarse en el diseño estructural. La clasificación final debe realizarse de acuerdo con el valor mínimo relativo de soporte utilizado por el procedimiento de diseño.
Función de la subbase
La subbase forma parte de la sección estructural situada entre la subrasante y la losa de concreto. Su función se relaciona con el apoyo uniforme de la losa, la distribución de las cargas y la mejora de las condiciones de soporte de la estructura.
En el caso estudiado, se obtuvo una subbase con un espesor de 15 cm y un CBR de 44.22%.
| Elemento | Característica |
|---|---|
| Subbase | Espesor de 15 cm |
| Subbase | CBR de 44.22% |
El espesor y la capacidad portante de la subbase deben incorporarse al análisis de la sección estructural, ya que sus propiedades modifican las condiciones de apoyo de la losa de concreto.
Diseño de la losa de concreto
La losa de concreto es el elemento principal de un pavimento rígido. Su rigidez permite distribuir las cargas del tránsito sobre un área mayor de apoyo y reducir la concentración de esfuerzos en la subrasante.
La investigación determinó una losa de concreto de f’c= 280 kg/cm2, con espesor de 18 cm.
| Elemento | Valor de diseño |
|---|---|
| Losa de concreto | f’c= 280 kg/cm2 |
| Losa de concreto | Espesor de 18 cm |
El espesor de la losa debe comprobarse frente a las cargas previstas y a las respuestas estructurales calculadas mediante el procedimiento AASHTO 93. La resistencia del concreto constituye uno de los componentes de entrada utilizados para valorar la capacidad de la losa.
Aplicación a la Av. Crespo y Castillo
La presente tesis titulada: Diseño estructural de pavimento rígido usando el método AASHTO 93, en la Av. Crespo y Castillo, en Ambo, Huánuco 2021; tuvo como objetivo determinar el diseño estructural de pavimento rígido usando el método AASHTO 93, en la Av. Crespo y Castillo, en Ambo, Huánuco 2021.
La metodología conllevó a una investigación de tipo aplicada, cuyo diseño fue no experimental, transversal, descriptivo simple.
Se trabajó con una población conformada por la Av. Crespo y Castillo con 1513 metros lineales; y, siendo la muestra la misma.
La longitud de 1513 metros lineales corresponde al tramo considerado para la evaluación y para la aplicación del diseño estructural.
| Aspecto | Descripción |
|---|---|
| Ubicación | Av. Crespo y Castillo, en Ambo, Huánuco |
| Año del estudio | 2021 |
| Tipo de investigación | Aplicada |
| Diseño de investigación | No experimental, transversal, descriptivo simple |
| Población | Av. Crespo y Castillo |
| Longitud evaluada | 1513 metros lineales |
Sección estructural obtenida
La sección estructural obtenida para el tramo evaluado está constituida por una subrasante caracterizada mediante ensayos CBR, una subbase de 15 cm de espesor y una losa de concreto de 18 cm de espesor.
La subbase presenta un CBR de 44.22%, mientras que la losa está especificada con una resistencia de f’c= 280 kg/cm2.
- Subrasante: valores CBR de 19.34%, 16.00% y 18.33%.
- Subbase: espesor de 15 cm y CBR de 44.22%.
- Losa de concreto: f’c= 280 kg/cm2 y espesor de 18 cm.
Estos valores corresponden al resultado obtenido para las condiciones analizadas en la Av. Crespo y Castillo. La selección de una sección diferente requeriría considerar las condiciones específicas del tránsito, la subrasante, los materiales y la geometría de cada proyecto.
Relación entre tránsito, materiales y deterioro
El tránsito es una de las variables fundamentales del diseño, debido a que las cargas repetidas producen esfuerzos y deformaciones en la estructura del pavimento.
El procedimiento toma en cuenta la intensidad media diaria de vehículos pesados que se prevea en el carril de proyecto y en el año de la puesta en servicio.
El concepto de espectro de carga permite relacionar las diferentes magnitudes y repeticiones de las cargas con el daño acumulado en el pavimento.
Esta relación se establece mediante un análisis de esfuerzos y deformaciones en la estructura del pavimento y su correlación con los principales tipos de deterioros que presenta.
Por esta razón, el diseño no se limita a seleccionar un espesor nominal. También requiere valorar la interacción entre las cargas, la rigidez de la losa, la calidad de la subbase y la capacidad portante de la subrasante.
Consideraciones para la selección de alternativas
Los métodos de diseño pueden proporcionar distintas alternativas de solución según el tránsito, la categoría de la subrasante y la clase de materiales disponibles.
En base a las variables anteriores, el Catálogo proporciona 13 alternativas de solución para 5 diferentes tránsitos, 3 categorías de subrasantes y 8 clases de materiales diferentes, para usarse en las capas de la sección estructural de los pavimentos.
El método AASHTO 93, por su parte, permite adecuar algunos parámetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar del ensayo original mediante la introducción de conceptos mecanicistas.
La elección de la sección debe efectuarse después de definir las condiciones del proyecto y de comprobar las respuestas estructurales correspondientes.
Verificación del diseño
Una vez seleccionados los componentes de entrada y realizado el cálculo de las respuestas estructurales, debe verificarse que la sección propuesta sea compatible con las condiciones de servicio previstas.
La verificación considera la capacidad de la estructura para resistir las cargas impuestas por el tránsito sin generar deformaciones permanentes excesivas.
Cuando los resultados no satisfacen los criterios establecidos, el procedimiento requiere modificar la selección inicial y repetir el cálculo de las respuestas estructurales.
El proceso continúa hasta obtener una sección estructural que responda adecuadamente a las solicitaciones previstas y que utilice materiales con propiedades compatibles con el diseño.
DISEÑO DE PAVIMENTO RÍGIDO - Método AASHTO 93 (Paso a paso)
Datos principales del diseño
| Parámetro | Resultado |
|---|---|
| Método | AASHTO 93 |
| Tramo evaluado | 1513 metros lineales |
| CBR de la subrasante, ensayo 1 | 19.34% |
| CBR de la subrasante, ensayo 2 | 16.00% |
| CBR de la subrasante, ensayo 3 | 18.33% |
| Espesor de la subbase | 15 cm |
| CBR de la subbase | 44.22% |
| Resistencia del concreto | f’c= 280 kg/cm2 |
| Espesor de la losa | 18 cm |
La información contenida en este registro es de entera responsabilidad de la institución que gestiona el repositorio institucional donde esta contenido este documento o set de datos.
tags: #seccion #15 #diseno #estructural #de #pavimentos