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Preparado por: Msc. Carlos Ivn Gutirrez Guevara

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Ministro de Transporte: Andrs Uriel Gallego Viceministro de Transporte: David Villalba Escobar Coordinadora Transporte Masivo: Carolina Camacho Bolvar Unidad Coordinadora de Transporte Masivo: Guillermo Alberto Acevedo Edgar Jhon Jairo Carvajal Liliana Callamand Cesar Augusto Amortegui Rossana Piraban Lina Mara Sierra Andrs Felipe Oyola Agradecimiento especial: A los Viceministros de Transporte Juan Ricardo Noero Gabriel Ignacio Garca A los gerentes de los SITM, alcaldes y autoridades locales Comit Editorial: Msc. Carlos Ivn Gutirrez Guevara Ing. Juan Pablo Escobar Escobar Ing. Mara Fernanda Lucero CarvajalR E P B L I C A D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E T R A N S P O R T E U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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Carlos Ivn Gutierrez Guevara es uno de los consultoresen ingeniera de pavimentos y geotecnia ms reconocidos a nivel nacional. En el ao 1976, se grada como ingeniero civil de la Universidad Nacional de Colombia Sede Bogot. Posteriormente, en el ao de 1981 obtiene su grado de magister en geotecnia de la misma Universidad y en 1985 recibe el ttulo como Master of Science en Mecnica de Suelos e Ingeniera Sismolgica del Imperial College of Science and Technology, University of London en Londres, Inglaterra. Su experiencia cubre un amplio espectro de actividades dentro de la ingeniera civil desde el diseo de pavimentos hasta estudios de geotecnia para vas frreas, oleoductos e instalaciones petroleras. Ha participado en los estudios para la identificacin de la causa de las fallas precoces del pavimento de adoquines del Eje Ambiental y de los pavimentos de la Autopista Norte y de la Avenida Caracas (Bogot), durante los aos 2001 y 2002. Desde septiembre de 2004 hasta enero de 2006 ejerci como director del Instituto de Desarrollo Urbano (IDU). Como consultor ha participado en proyectos en Nigeria, Liberia, Guinea Ecuatorial, Per y Colombia. A partir de Marzo de 2006 se vincul a la Unidad Coordinadora de Transporte Masivo del Ministerio de Transporte como asesor externo para los temas relacionados con geotecnia y pavimentos de los Sistemas Integrados de Transporte Masivo (SITM).

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TABLA DE CONTENIDOTABLA DE CONTENIDO ................................................................................................................................................................ 4 LISTA DE IMGENES .................................................................................................................................................................... 6 LISTA DE TABLAS ......................................................................................................................................................................... 9 INTRODUCCIN .......................................................................................................................................................................... 10 1. DISEOS ................................................................................................................................................................................ 11 Clasificacin de los Pavimentos Empleados .......................................................................................................................... 13 Factores que se Consideran en el Diseo .............................................................................................................................. 14 Las Cargas de Trnsito ........................................................................................................................................................... 14 Las Subrasantes ..................................................................................................................................................................... 16 Bases y Subbases ................................................................................................................................................................... 18 Mdulo de Reaccin Combinado .......................................................................................................................................... 18 El Clima .................................................................................................................................................................................. 22 Los Materiales o Las Tcnicas Disponibles ............................................................................................................................ 23 Razones Sociales o Polticas .................................................................................................................................................. 23 Metodologas de Diseo ....................................................................................................................................................... 23 Mtodo AASHTO ................................................................................................................................................................... 23 Mtodo PCA .......................................................................................................................................................................... 26 Otros Mtodos en Colombia ................................................................................................................................................. 28 Estructuras Empleadas en los SITM....................................................................................................................................... 28 Drenaje y Subdrenaje ............................................................................................................................................................ 35 Diferencia entre Pavimentos Rgidos y Flexibles ................................................................................................................... 35 Conclusin ............................................................................................................................................................................. 35 Modulacin de losas y refuerzos ........................................................................................................................................... 36 2. CONSTRUCCIN .................................................................................................................................................................... 37 Materiales ............................................................................................................................................................................. 39 Pavimentos Rgidos ............................................................................................................................................................... 39 Pavimentos Flexibles ............................................................................................................................................................. 41R E P B L I C A D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E T R A N S P O R T E U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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Pavimentos Articulados ......................................................................................................................................................... 43 Construccin de Pavimentos Rgidos..................................................................................................................................... 43 Procedimientos constructivos ............................................................................................................................................... 44 Actividades previas a la colocacin del concreto .................................................................................................................. 44 Equipos para la colocacin y compactacin del hormign en pavimentos ........................................................................... 45 Equipos para la fabricacin de hormign .............................................................................................................................. 45 Equipos y herramientas para la colocacin y acabado del concreto ..................................................................................... 45 Herramientas para el acabado superficial ............................................................................................................................. 53 Modulacin de juntas en sitios especiales ............................................................................................................................ 71 Proteccin de las juntas construidas ..................................................................................................................................... 74 Sellado de las juntas .............................................................................................................................................................. 74 Armaduras ............................................................................................................................................................................. 78 Aseguramiento de la calidad ................................................................................................................................................. 82 3. PRESERVACIN ..................................................................................................................................................................... 83 Gestin de Pavimentos en Servicio ....................................................................................................................................... 85 Inventario .............................................................................................................................................................................. 86 Definicion de los parmetros de estado ................................................................................................................................ 87 Auscultacion sistematica de los parametros de estado ........................................................................................................ 87 Obtencion de los modelos de deterioro................................................................................................................................ 88 Adopcin de decisiones ........................................................................................................................................................ 89 Condicin del pavimento ...................................................................................................................................................... 90 Patologa de Pavimentos Flexibles ........................................................................................................................................ 90 Deformaciones ...................................................................................................................................................................... 90 Fisuras ................................................................................................................................................................................... 94 Bache o parcheo.................................................................................................................................................................... 99 Otros daos ........................................................................................................................................................................... 100 Patologa de Pavimentos Rgidos ........................................................................................................................................... 103 Deformaciones ...................................................................................................................................................................... 103 Fisuras ................................................................................................................................................................................... 104 Desprendimientos ................................................................................................................................................................. 107 Otras fallas............................................................................................................................................................................. 109 Mantenimiento de Pavimentos Rgidos ................................................................................................................................ 110 Reparacin de Sellos ............................................................................................................................................................. 112 Fisuras ................................................................................................................................................................................... 114R E P B L I C A D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E T R A N S P O R T E U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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Reparacin de fisuras en Pavimentos Rgidos por sellado y llenado ..................................................................................... 114 Reparaciones de Profundidad Parcial .................................................................................................................................... 115 Reparaciones de Profundidad Total....................................................................................................................................... 116 Restauracin de transferencia de carga en juntas ................................................................................................................. 119 Fresado .................................................................................................................................................................................. 119 Bibliografa ............................................................................................................................................................................ 120 LISTA DE IMGENES Imagen 1. Imagen 2. Imagen 3. Imagen 4. Imagen 5. Imagen 6. Imagen 7. Imagen 8. Imagen 9. Imagen 10. Imagen 11. Imagen 12. Imagen 13. Imagen 14. Imagen 15. Imagen 16. Imagen 17. Imagen 18. Imagen 19. Imagen 20. Imagen 21. Imagen 22. Imagen 23. Imagen 24. Imagen 25. Imagen 26. Distribucin de esfuerzos bajo la capa de rodadura del pavimento flexible .......................................................... 13 Distribucin de esfuerzos bajo la rodadura del pavimento rgido .......................................................................... 13 Bus Alimentador Tpico ........................................................................................................................................... 14 Bus Padrn Tpico Sistema MetroCali ..................................................................................................................... 15 Bus Articulado......................................................................................................................................................... 15 Bus Biarticulado ...................................................................................................................................................... 16 Relacin entre modulo de Reaccin de subrasante con Clasificacin del suelo y CBR. .......................................... 16 Correlacin Mdulo de subrasante vs. CBR ............................................................................................................ 17 Ensayo de Placa (Metroplus Medelln) ................................................................................................................ 17 Mdulo combinado de subrasante (Base de concreto asfltico de mdulo 600,000psi). ...................................... 19 Mdulo combinado de subrasante para base tratada con asfalto preparada en planta (250,000psi). .................. 19 Mdulo combinado de subrasante para base tratada con cemento y concreto pobre (Mdulo 800,000psi). ...... 19 Mdulo combinado de subrasante para bases granulares. .................................................................................... 20 Mdulo combinado de subrasante para base tratada con cal................................................................................ 20 Mdulo combinado de subrasante para granulares y concreto asfltico subyacente a losa de concreto rgido (Tomado de: American Concrete Pavement Association. Whitetopping. State of Practice. Engineering Bulletin 210. S.F.) ..21 Valores de deflexin correlacionados con Mdulo de subrasante. (Tomada de CT359. DOT California) ............... 21 Pavimento Rgido Troncal NQS. TransMilenio (Bogot) .......................................................................................... 39 Estructura Tpica de Pavimento Rgido ................................................................................................................... 40 Estructura de Pavimento Rgido con Base Estabilizada o concreto asfltico .......................................................... 40 Definicin Estructura Tpica de Pavimento Flexible ................................................................................................ 41 Estructura de Pavimento Flexible. Tendencia Moderna. ........................................................................................ 42 Estructura de Pavimento Articulado ....................................................................................................................... 43 Primer pavimento rgido de la Autopista Norte en Bogot. ................................................................................... 44 Sntesis de los procesos de colocacin del hormign en el pavimento rgido. (Tomado de ASOCRETO, 2004)...... 46 Futuras juntas sealadas en la base, en este caso de concreto asfltico. .............................................................. 47 Descarga lateral. Las canastillas con pasadores estn colocadas en los sitios previstos para el corte de las juntas.... 48D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E T R A N S P O R T E U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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Imagen 27. Imagen 28. Imagen 29. Imagen 30. Imagen 31. Imagen 32. Imagen 33. Imagen 34. Imagen 35. Imagen 36. Imagen 37. Imagen 38. Imagen 39. Imagen 40. Imagen 41. Imagen 42. Imagen 43. Imagen 44. Imagen 45. Imagen 46. Imagen 47. Imagen 48. Imagen 49. Imagen 50. Imagen 51. Imagen 52. Imagen 53. Imagen 54. Imagen 55. Imagen 56. Imagen 57. Imagen 58. Imagen 59. Imagen 60. Imagen 61.

Descarga desde camin en el mismo carril que se est fundiendo ........................................................................ 49 Modo de colocacin de la formaleta para instalacin de Concreto Rgido ............................................................ 50 Formaletas laterales (Megabus Pereira) .............................................................................................................. 50 Regla vibratoria....................................................................................................................................................... 50 Rodillo vibratorio .................................................................................................................................................... 51 Equipo de compactacin de concreto con cilindro vibrador transversal ................................................................ 51 Pavimentadora o terminadora de formaleta deslizante ......................................................................................... 51 Vibrador convencional de inmersin ...................................................................................................................... 53 Acabado de pavimento rgido................................................................................................................................. 53 Llana ....................................................................................................................................................................... 53 Esquema de utilizacin de costal de fique para micro-texturizado del pavimento ................................................ 54 Costal de Geotextil adosado a la pavimentadora y allanado intermedio manual .................................................. 54 Cepillo para ranuracin superficial (macro-texturizado) del hormign fresco ....................................................... 54 Modo correcto de incrustacin de los dientes del cepillo en el hormign fresco .................................................. 55 Texturizador mecanizado ........................................................................................................................................ 55 Texturizado con cepillo ........................................................................................................................................... 55 Mtodos de curado de Concreto por aspersin ..................................................................................................... 56 Curado con elementos de retencin de humedad (costales, arena, aserrn o similares, hmedos) ...................... 58 Toldos de proteccin contra el viento, y el sol, para reducir la tasa de evaporacin ............................................. 59 Sierra cortadora manual de concreto ..................................................................................................................... 60 Corte de juntas con sierra diamantada. Fisuracin de la losa bajo el corte ........................................................... 60 Grfica Ventana de Corte........................................................................................................................................ 62 Dimensionamiento tpico de Junta Longitudinal de Dilatacin / Contraccin ........................................................ 62 Junta transversal de contraccin (Tomado de Manual de ASOCRETO) ................................................................... 63 Comportamiento esperado para junta de contraccin/dilatacin ......................................................................... 64 Disposicin de losas en planta................................................................................................................................ 64 Junta longitudinal de contraccin (Tomado de Manual de ASOCRETO) ................................................................. 65 Junta transversal de construccin programada ...................................................................................................... 66 Junta transversal de construccin programada coincidiendo con la posicin de junta de contraccin (tomada de Manual de ASOCRETO) ................................................................................ 66 Junta longitudinal con barras de anclaje colocadas a travs de la formaleta ......................................................... 67 Detalle de Juntas de Expansin con dovelas .......................................................................................................... 68 Detalle de junta de expansin para losa de 25cm (Tomado de Manual de ASOCRETO). ....................................... 68 Disposicin en planta de Juntas de Expansin ....................................................................................................... 69 Disposicin en planta de Junta de expansin para sumideros ............................................................................... 69 Desplazamiento de juntas en zonas de pozos y losas reforzadas en zonas de varios pozos................................... 69D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E T R A N S P O R T E U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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Imagen 62. Imagen 63. Imagen 64. Imagen 65. Imagen 66. Imagen 67. Imagen 68. Imagen 69. Imagen 70. Imagen 71. Imagen 72. Imagen 73. Imagen 74. Imagen 75. Imagen 76. Imagen 77. Imagen 78. Imagen 79. Imagen 80. Imagen 81. Imagen 82. Imagen 83. Imagen 84. Imagen 85. Imagen 86. Imagen 87. Imagen 88. Imagen 89. Imagen 90. Imagen 91. Imagen 92. Imagen 93. Imagen 94. Imagen 95. Imagen 96. Imagen 97.

Juntas alrededor de una cmara de inspeccin...................................................................................................... 69 Tapa no coincidente con junta longitudinal ............................................................................................................ 70 Ajuste de modulacin de losas en sumideros ........................................................................................................ 70 Modulacin de losas en intersecciones perpendiculares (ASOCRETO) .................................................................. 71 Modulacin de losas en intersecciones oblicuas (ASOCRETO) ............................................................................... 72 Modulacin de losas en zonas de curvas (ASOCRETO) ........................................................................................... 73 Sello preformado para la proteccin temporal de juntas utilizado en el proyecto Metrolnea - Bucaramanga ..... 74 Labor de sellado de las juntas con Silicona............................................................................................................. 75 Colocacin de tirilla de respaldo ............................................................................................................................ 76 Detalles tpicos del sello ......................................................................................................................................... 77 Localizacin de anclajes y pasadores...................................................................................................................... 78 Canastilla con las barras de transferencia montadas.............................................................................................. 78 Pasador engrasado para evitar la adherencia del concreto.................................................................................... 79 Corte y planta de canastillas para las barras de transferencia (ASOCRETO) ........................................................... 80 Canastas de dovelas almacenadas ......................................................................................................................... 80 Barras de transferencia de carga (dovelas o pasajuntas)........................................................................................ 80 Instalacin de Flejes para bordillos ........................................................................................................................ 81 Flejes al borde de la losa para fundir posteriormente el bordillo........................................................................... 82 Asentamiento longitudinal o ahuellamiento. ......................................................................................................... 91 Asentamiento transversal ....................................................................................................................................... 91 Deslizamiento de borde. ......................................................................................................................................... 92 Depresin (Bache). ................................................................................................................................................. 93 Media Luna. ............................................................................................................................................................ 93 Fisura Longitudinal ................................................................................................................................................. 94 Fisura Transversal ................................................................................................................................................... 95 Fisura en bloque ..................................................................................................................................................... 96 Piel de cocodrilo ..................................................................................................................................................... 97 Piel de cocodrilo severa .......................................................................................................................................... 97 Ojo de Pescado ....................................................................................................................................................... 98 Descascaramiento .................................................................................................................................................. 98 Parcheo ................................................................................................................................................................... 100 Prdida de Ligante .................................................................................................................................................. 100 Prdida de Agregado .............................................................................................................................................. 101 Cabezas Duras......................................................................................................................................................... 101 Surcos ..................................................................................................................................................................... 102 Pulimento y Fallas secuentes .................................................................................................................................. 102D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E T R A N S P O R T E U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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Imagen 98. Exhudacin ............................................................................................................................................................. 103 Imagen 99. Fisura Longitudinal ................................................................................................................................................. 104 Imagen 100. Fisura Transversal ................................................................................................................................................... 104 Imagen 101. Fisura de Esquina.................................................................................................................................................... 105 Imagen 102. Fisura de Esquina.................................................................................................................................................... 105 Imagen 103. Losa Subdividida. .................................................................................................................................................... 105 Imagen 104. Losa Subdividida. .................................................................................................................................................... 106 Imagen 105. Fisura de Junta........................................................................................................................................................ 106 Imagen 106. Fisura de Junta........................................................................................................................................................ 106 Imagen 107. Desprendimiento.................................................................................................................................................... 107 Imagen 108. Descascaramiento. ................................................................................................................................................. 107 Imagen 109. Parcheo e Surco. ..................................................................................................................................................... 108 Imagen 110. Parcheo de Fallas Transversales ............................................................................................................................. 108 Imagen 111. Parcheo o reparacin de profundidad parcial de Falla de Junta. ........................................................................... 109 Imagen 112. Sello de Surcos. ...................................................................................................................................................... 109 Imagen 113. Surcos ..................................................................................................................................................................... 109 Imagen 114. Pulimento ............................................................................................................................................................... 110 Imagen 115. Afloramiento de Llenante ....................................................................................................................................... 110 Imagen 116. Curva de Condicin contra Vida del Pavimento (Costos) ....................................................................................... 111 Imagen 117. Colocacin de concreto en un rea sometida a reparacin de profundidad total ................................................. 118 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Tabla 2. Tabla 3. Tabla 4. Tabla 5. Tabla 6. Tabla 7. Tabla 8. Tabla 9. Tabla 10. Tabla 11. Tabla 12. Distribucin de cargas por eje Bus Alimentador ..................................................................................................... 14 Distribucin de cargas por eje Bus Padrn MetroCali ............................................................................................ 15 Distribucin de cargas por eje Bus Articulado ........................................................................................................ 16 Distribucin de cargas por eje, Bus Biarticulado .................................................................................................... 16 Variables de Diseo de pavimentos Mtodo AASHTO/93 ...................................................................................... 24 Niveles sugeridos de Confiabilidad ......................................................................................................................... 24 Porcentaje de tiempo de exposicin de la estructura de pavimento a humedades cercanas a la saturacin y Coeficiente de Drenaje........................................................................... 25 Valores recomendados de J .................................................................................................................................... 25 Tipos de Juntas ....................................................................................................................................................... 61 Dimensiones de los pasadores ............................................................................................................................... 79 Frecuencia sugerida de auscultacin de pavimentos por actividades .................................................................... 88 Nivel de Dao por dimensionamiento de ojo de pascado...................................................................................... 98D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E T R A N S P O R T E U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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INTRODUCCIN

El inmenso impulso que, durante los ltimos diez aos, se ha aplicado a los Sistemas de Transporte Masivo en las ciudades colombianas ha sido tambin un generador importante de infraestructura y transformacin urbanstica general en ellas. Cientos de nuevos kilmetros carril de vas urbanas, Espacio Pblico y parques han requerido grandes esfuerzos de inversin y construccin de georevestimientos y pavimentos. La tecnologa de la Ingeniera de Pavimentos en Colombia ha experimentado, con tales obras, un cambio radical, con generacin de experiencias y nuevas tecnologas de diseo, construccin y mantenimiento, que colocan al pas en la vanguardia a nivel internacional. En tal sentido, la creatividad del ingeniero colombiano ha aportado ingredientes nuevos que han permitido desarrollar soluciones prcticas y econmicas para casos especficos, con la creacin de modificaciones a las estructuras tpicas tradicionales sobre las cuales se han venido introduciendo variantes que forman el punto

de partida de todas las soluciones de pavimentos que se aplican hoy en da en las pavimentaciones colombianas y en diversos pases vecinos. Por tanto, tambin la tcnica colombiana de disear o construir pavimentos ha sido impulsada con estas obras, lo cual ha llevado la ingeniera nacional a muy diversos pases del mundo. En este documento se presentan los lineamientos y consideraciones tomadas en cuenta para el diseo, construccin, gestin y preservacin de pavimentos que hacen parte de los Sistemas integrados de Transporte Masivo adoptados y por instaurar en diferentes ciudades de Colombia. Est dirigido a las entidades gestoras y a los ingenieros encargados del desarrollo de los sistemas. Sin embargo, de acuerdo con la orientacin del autor, tiene un fuerte componente didctico, para la formacin de los nuevos profesionales que el pas requiere para su futuro desarrollo. El documento se ha dividido en tres partes; Diseo, Construccin y Preservacin de pavimentos.

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En este captulo se presentan los factores considerados en el diseo de los pavimentos de los Sistemas Integrados de Transporte Masivo (SITM) en Colombia y las principales tcnicas de diseo usadas.CLASIFICACIN DE LOS PAVIMENTOS EMPLEADOSTradicionalmente, los pavimentos se han clasificado como Flexibles y Rgidos, por sus comportamientos mecnicos extremos, si bien se admite que ocurren funcionamientos fsicos intermedios. Adems, se suele aceptar un tercer tipo de pavimento, conocido como Articulado. La diferencia fundamental de funcionamiento entre pavimentos flexibles y rgidos radica en la gradualidad de rigidez que los primeros presentan, creciente en las capas hacia la superficie, en tanto que en los pavimentos rgidos el contraste de mdulos de rigidez es muy marcado, de manera que la capa superficial presenta mdulo de deformacin varios rdenes de magnitud superior al de las capas inferiores y el de la subrasante. En otras palabras, en los pavimentos flexibles la aplicacin de las cargas del trnsito provoca deflexiones, generalmente de orden inferior a 1 mm y reduce los esfuerzos gradualmente por la superposicin de capas igualmente flexibles hasta aplicarlos a la sub-rasante en magnitudes aceptables para mantenerla en el rango elstico aproximadamente. En contraste, en el pavimento rgido, la capa superficial presenta muy baja deformabilidad, con lo cual las deflexiones son muy pequeas y la carga aplicada por el trnsito se distribuye de manera casi homognea en toda el rea de la losa rgida, trasladando pequeos esfuerzos a la subrasante. En el pavimento articulado, la capa de rodadura est constituida por segmentos de material rgido que interactan entre s para transmitir los esfuerzos a las capas intermedias. En las Imgenes 1 y 2 se muestra esquemticamente la forma como se desarrolla el incremento de esfuerzo vertical bajo la capa superficial de un pavimento flexible y rgido, respectivamente. Imagen 1. Distribucin de esfuerzos bajo la capa de rodadura del pavimento flexible

Imagen 2. Distribucin de esfuerzos bajo la rodadura del pavimento rgido Los carriles exclusivos para los sistemas de Transporte Masivo han sido preferentemente construidos en pavimentos rgidos de concreto, atendiendo a la magnitud

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de las cargas que deben soportar y la necesidad de generar menor mantenimiento para evitar interferencias con el transporte pblico de las ciudades. Sin embargo, todos los sistemas conocidos de pavimentacin han sido probados en la transformacin que se ha dado en las ciudades colombianas.

FACTORES QUE SE CONSIDERAN EN EL DISEO LAS CARGAS DE TRNSITOLos carriles exclusivos del sistema estn destinados al uso de los buses, de caractersticas especiales, homologados especficamente para ser usados en sistemas de transporte masivo. Por tanto, las cargas con las cuales se disean los pavimentos, en general corresponden a las envolventes de los diferentes tipos de vehculos disponibles en el mercado. Por supuesto, las cargas son funcin del tamao y capacidad de pasajeros de los vehculos. De manera general, los diseos se han venido efectuando para vehculos con su capacidad completa (carga mxima), en los pavimentos de los carriles exclusivos, y para las cargas correspondientes a los vehculos vacos en los patios y zonas de estacionamiento. El uso de la carga mxima para todos los trnsitos de vehculos en el anlisis de esfuerzos del pavimento constituye probablemente un Factor de seguridad de magnitud variable dependiendo del grado de ocupacin promedio. Adicionalmente, para considerar probables sobrecupos ocasionales y efectos dinmicos, ha sido exigencia casi generalizada de diseo, apropiar un Factor de Seguridad de Carga de 1,2 e incluso, en contadas ocasiones, magnificar el trnsito de anlisis por un Factor de 1,1. Esta ltima exigencia de algunos pliegos de condiciones, que no pertenece a las tcnicas de diseo, se considera irrelevante. Dependiendo del mtodo de diseo elegido, las pasadas de los vehculos se representan por su espectro de cargas esperado (Mtodo PCA), o por el Nmero de ejes equivalentes calculados a partir de la relacin entre la carga de cada eje del vehculo y el eje de referencia elevado a una potencia n (mtodo abreviado de eva-

luar Factor de Dao). A pesar que el mtodo AASHTO propone sus propios factores de dao en funcin del espesor de losa y el ndice de serviciabilidad terminal, el estudio de los informes de diseo muestra que la mayor parte de los diseadores evalan el Factor de Dao de los vehculos con la tcnica abreviada. A continuacin se presentan los diferentes tipos de vehculos utilizados para el diseo en los sistemas colombianos, con las respectivas cargas.

Imagen 3. Bus Alimentador Tpico

Eje Trasero (t) 12,5

Eje Delantero (t) 7,5

Tabla 1. Distribucin de cargas por eje Bus Alimentador

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Imagen 4. Bus Padrn Tpico Sistema MetroCali

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Tabla 2. Distribucin de cargas por eje Bus Padrn MetroCali Sin embargo, las recomendaciones para diseo consideran utilizar como envolvente de cargas para todas las probables marcas de vehculos las mismas dispuestas para los buses alimentadores presentados en la Imagen 3. El bus ms utilizado en los corredores troncales de la mayor parte de las ciudades es el articulado que aparece en la Imagen 5.

Imagen 5. Bus Articulado

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LAS SUBRASANTESLas condiciones de subrasante se representan, para el diseo de los pavimentos rgidos, por el mdulo de reaccin de la subrasante. Este parmetro se evala con el ensayo de placa. En la Imagen 7 se presenta grficamente una correlacin entre el CBR (Capacidad Relativa de Soporte de California) y el valor de Mdulo de Reaccin de la subrasante. En la misma imagen se superponen valores tpicos en funcin de la clasificacin unificada de los suelos. En general, el mejor procedimiento para estimar el mdulo de reaccin de la subrasante es su medicin directa.

Tabla 3. Distribucin de cargas por eje Bus Articulado Finalmente, en la ciudad de Bogot se ha empezado a introducir el vehculo biarticulado que se presenta en la Imagen 6.

Imagen 6. Bus Biarticulado

Eje Trasero (t) 10,5

Eje Intermedio 2 (t) 10,5

Eje intermedio (t) 12,5

Eje Delantero (t) 7,5

Imagen 7. Relacin entre modulo de Reaccin de subrasante con Clasificacin del suelo y CBR. Dado que la ejecucin de la prueba es costosa por la necesidad de un sistema pesado de reaccin (camin o volqueta) y de un grupo de al menos tres operarios,

Tabla 4. Distribucin de cargas por eje, Bus Biarticulado

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con frecuencia se utilizan correlaciones con otras pruebas para establecer un valor de diseo. Por ejemplo, con el CBR. En la imagen 8 se presenta otra correlacin con el CBR.

estructura, o como Coeficiente de balasto por su uso en el diseo de estructuras para vas frreas. No se trata de un parmetro intrnseco del suelo y, por tanto, su magnitud est en buena medida influenciada por la metodologa de medicin. Por fortuna, en el diseo de pavimento rgido influye ms el orden de magnitud lo cual permite cierta libertad en la precisin. A partir de este ensayo se pueden obtener numerosos datos entre los que se destacan: obtencin de la capacidad portante del suelo para un asentamiento determinado, determinacin del mdulo de reaccin de la subrasante coeficiente de Balasto (K), determinacin de las caractersticas de la curva carga contra deformacin del suelo, obtencin del mdulo de elasticidad del suelo (E) realizacin de estudios sobre la estabilidad de pavimentos o bases de vas ya existentes. evaluacin de la eficacia de un sistema de mejoramiento de subrasante. La informacin proporcionada se puede usar en la evaluacin y diseo de pavimentos rgidos y aplicarse tanto a suelos en estado natural como compactados.

Imagen 8. Correlacin Mdulo de subrasante vs. CBR Los ensayos de placa de carga permiten determinar las caractersticas esfuerzo-deformacin de un terreno y, particularmente, de una subrasante para efectos de diseo del pavimento rgido. Consisten en colocar una placa sobre el suelo natural, aplicar una serie de cargas y medir las deformaciones. El resultado del ensayo se representa en un diagrama esfuerzo deformacin. Sus resultados tambin se utilizan en Ingeniera de Fundaciones con el propsito de establecer el coeficiente de resorte para anlisis de placas de fundacin o para el estudio de problemas de interaccin suelo-estructura en los cuales se utilice la teora de Winkler. El mdulo de reaccin de la subrasante tambin suele conocerse como Coeficiente de resorte en sus aplicaciones de anlisis de interaccin sueloR E P B L I C A D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E T R A N S P O R T E U N I D A D

Imagen 9. Ensayo de Placa (Metroplus Medelln)D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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BASES Y SUBBASESEn el comportamiento de cualquier tipo de estructura, y por supuesto el pavimento no es una excepcin, hay una fuerte influencia del comportamiento mecnico de su fundacin. En los primeros pavimentos de concreto, solamente se realizaba una conformacin y densificacin de la subrasante, colocando directamente sobre ella la losa, de manera que todo el comportamiento estructural se confiaba a ella, dado que se consideraba que su alta rigidez provocara una buena distribucin de presin sobre toda el rea, perfectamente soportable por cualquier suelo. Sin embargo, los pavimentos rgidos estudiados cuidadosamente mostraron que eran frecuentes las fallas debidas a bombeo de los materiales de fundacin, y el escalonamiento de losas asociado a diferencias de rigidez en el apoyo, o movimiento de materiales en el mismo. Entonces, se empezaron a usar sub-bases, as llamadas inicialmente en la tecnologa de pavimentos rgidos, para indicar que sera suficiente, para controlar los fenmenos observados, usar materiales granulares de la menor calidad que se pudiesen requerir en estructuras de pavimentos de otros tipos. Sin embargo, la necesidad de que los pavimentos alojasen cargas mayores en la medida que pasa el tiempo y se sofistican los sistemas de transporte, ha venido exigiendo usar materiales ms elaborados, con lo cual existe hoy en los pavimentos rgidos tambin la tendencia a usar sub-bases o/y bases, y materiales de calidad ms controlada cuanto ms exigidas resulten las estructuras de pavimento.

En el caso de los pavimentos rgidos, las principales funciones de las capas de infraestructura del pavimento (bases y subbases) tienen que ver con la importancia de tener comportamiento mecnico lo ms homogneo posible para el apoyo de la losa cargada, y que garantice una buena resistencia la erosin. Aqu la importancia de la resistencia de la infraestructura ingresa en un segundo plano, comparada con las dos exigencias anteriores. De hecho, la influencia de un mejoramiento de la resistencia del apoyo sobre el espesor de la losa no es de mayor importancia, y no resulta econmico buscar reducciones en espesor de losa con mayores espesores o mayores resistencias de las bases y subbases. En contraste, infraestructuras muy rgidas pueden provocar mayores esfuerzos de flexin en las losas, obligando a reducir sus dimensiones, lo cual repercute en costos adicionales. En la construccin de los pavimentos modernos para cargas especiales, como resultan ser los de los Sistemas Integrados de Transporte Masivo (SITM), en la mayor parte de los casos, y los de los aeropuertos con los cuales pueden tener muchas similitudes, aparte de los materiales granulares para bases y subbases, ha sido frecuente el uso de materiales estabilizados. En los pavimentos de los SITM colombianos que frecuentemente usan corredores viales muy establecidos, se ha recurrido con frecuencia al reciclaje de las estructuras de pavimento existentes para ser usadas como sub-bases, recurriendo a procedimientos de estabilizacin con cemento, emulsiones asflticas y asfalto espumado. En otros casos se han usado bases y sub-base granulares o estabilizadas con cemento, con resistencias moderadas a bajas especificadas por la Norma INV. Como capa de control de erosin, casi de manera generalizada en todas las ciudades, se han usado capas de concreto asfltico, muy frecuentemente enriquecido con ligante adicional, para aumentar su resistencia a la erosin y reducir convenientemente su rigidez. En pavimentos similares de otras latitudes se incluyen hoy en da otros materiales, aparte de los mencionados, como bases tratadas con cemento, econocreto o concreto pobre, bases tratadas con asfalto y bases porosas de concreto hidrulico o de concreto asfltico. Las caractersticas, ventajas y propiedades de tales materiales se encuentran extensamente descritas en la literatura tcnica moderna. Se invita al lector a estudiar en detalle las ventajas y usos apropiados de tales materiales, abandonando prcticas inconvenientes de uso de materiales marginales de tcnicas hoy revaluadas debido a la observacin de resultados, a pesar que a veces estn asociadas con mtodos de diseo an vigentes.

MDULO DE REACCIN COMBINADOPara evaluar el mdulo combinado de la subrasante con una o varias capas de base o de sub-base de diferente naturaleza, se puede utilizar grficos como el indicado en las Imgenes 10, 11, 12, 13 y 14, tomadas del Manual de diseo de Pavimentos del estado de Colorado para hallar el mdulo combinado (todos en unidades imperiales).

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Imagen 10. Mdulo combinado de subrasante (Base de concreto asfltico de mdulo 600,000psi).

Imagen 11. Mdulo combinado de subrasante para base tratada con asfalto preparada en planta (250,000psi).

Imagen 12. Mdulo combinado de subrasante para base tratada con cemento y concreto pobre (Mdulo 800,000psi).

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Imagen 13. Mdulo combinado de subrasante para bases granulares.

Imagen 14. Mdulo combinado de subrasante para base tratada con cal

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Para los casos frecuentes en los cuales se desea colocar losas de concreto sobre un paquete de pavimento flexible, frecuentes en Colombia cuando se trata de una estructura de pavimento para trnsito de vehculos muy pesados (Sistemas Integrados de Transporte Masivo (SITM)), o cuando se desea rehabilitar una estructura de pavimento flexible colocando losas de concreto sobre ella (Whitetopping), se puede emplear una grfica como la siguiente:

Algunos ingenieros diseadores de los pavimentos del sistema han preferido la ejecucin de pruebas de viga Benkelman o deflectmetro de impacto (FWD) sobre el paquete estructural de pavimento flexible existente, determinando la deflexin caracterstica con el criterio del 87.5% o, en el caso de tratarse de una estructura nueva que an no ha sido construida, modelarla con algn programa de anlisis de sistemas elsticos de capa mltiple (BISAR, DEPAV, etc,) y, hallando la deflexin en la superficie, utilizar correlaciones como la propuesta por el Estado de California (CT359) entre el valor de deflexin y el Mdulo de reaccin de la subrasante.

Imagen 16. Valores de deflexin correlacionados con Mdulo de subrasante. (Tomada de CT359. DOT California) Tambin se puede utilizar la correlacin propuesta por Dujisin (1992), segn la cual k = 22e-0.8D. Siendo D la deflexin. De otra parte, el programa de diseo SREETPAVE de la ACPA, una versin del cual est disponible para trabajo en red (www.acpa.org/StreetPave/Default.aspx), per U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

Imagen 15. Mdulo combinado de subrasante para granulares y concreto asfltico subyacente a losa de concreto rgido (Tomado de: American Concrete Pavement Association. Whitetopping. State of Practice. Engineering Bulletin 210. S.F.)R E P B L I C A D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E

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mite tambin estimar un mdulo de reaccin combinado para un sistema de varias capas. Cualquiera que sea la metodologa, conviene revisar los resultados en las capas finalmente construidas utilizando pruebas de deflexin. La placa en general tiende a dar valores altos de k al ser medida sobre concretos asflticos. Los criterios anteriores realmente solo deben ser utilizados como una forma de evaluar de manera aproximada los valores que podra tomar el mdulo combinado. De cualquier manera, el ingeniero debe ser consciente de que el mdulo de reaccin de subrasante es realmente un artificio matemtico que permite la utilizacin del modelo de Winkler, muy limitado en la descripcin del comportamiento mecnico de las subrasantes pero muy til en la simplificacin del anlisis de los problemas. Por tanto, se recomienda hallar los probables valores lmites entre los cuales podra encontrarse el valor del mdulo de reaccin para un caso en particular y adelantar anlisis de sensibilidad del espesor y caractersticas del pavimento en funcin de la variabilidad del mdulo de reaccin. Tales anlisis sern de utilidad para que el ingeniero tome la decisin final de diseo en funcin de su propia experiencia y grado de conservadurismo. Es importante resaltar que, desde el punto de vista de diseo de espesor de losa resulta conservador utilizar los menores valores del rango probable de mdulo de reaccin. En contraste, para el anlisis de la modulacin de losas, debern usarse los valores ms altos.

exposicin a los rayos ultravioleta e infra-rojos, la velocidad del viento, la condicin de acidez de las aguas lluvias y de escorrenta, el uso especial del pavimento por factores de deterioro (presencia de residuos orgnicos sobre la va, paso de animales, etc.) controlan en gran medida la velocidad de envejecimiento del ligante asfltico en los pavimentos flexibles y la velocidad de meteorizacin de los agregados y del concreto en los pavimentos rgidos. Algunos de esos factores tambin aceleran la meteorizacin de las partculas de las capas granulares. Las lluvias, por su accin directa en la elevacin del nivel fretico y la reduccin de la succin en el suelo, influyen en la resistencia, la compresibilidad y los cambios volumtricos de los suelos de subrasante especialmente. Este factor tambin influye en el rendimiento y efectividad de algunas actividades de construccin tales como el movimiento de tierras y la colocacin y compactacin de capas granulares, asflticas y losas de concreto. Adems, en las capas asflticas, la presencia de agua altera la durabilidad de las mezclas generando problemas de adherencia. De otra parte, en todos los tipos de pavimento, las lminas superficiales de agua generan problemas de hidroplaneo que exigen la previsin de detalles que mejoren la permeabilidad del contacto llanta/pavimento. Estos detalles cobran mayor importancia en los pavimentos de concreto, exigiendo que se doten de una textura superficial especial para reducir el fenmeno. Los cambios de temperatura en las losas de pavimentos rgidos ocasionan en stas esfuerzos importantes, que en algunos casos pueden ser superiores a los generados por las cargas de los vehculos que circulan sobre ellas. En los pavimentos flexibles y dado que el asfalto tiene una alta susceptibilidad trmica, el aumento o la disminucin de temperatura puede ocasionar una modiD E T R A N S P O R T E U N I D A D

ficacin sustancial en la rigidez de las capas asflticas, ocasionando en ellas y bajo condiciones especiales, deformaciones o agrietamientos que influiran en el nivel de servicio de la va. La temperatura acta adems como catalizador de reacciones de alteracin o meteorizacin de los materiales. Situaciones especiales se dan en algunas ciudades colombianas en las cuales los pavimentos estn permanentemente sujetos a la accin abrasiva de arenas. Tal es el caso especial de la ciudad de Barranquilla con limitaciones en los servicios de alcantarillado de aguas lluvias y permanencia de arenas en la superficie. En tales condiciones, todos los pavimentos estn sujetos a fuerte accin abrasiva que produce su desgaste acelerado en la superficie. De otra parte, algunos de los pavimentos del sistema se ven peridicamente sometidos a trabajar como canales lo cual exigen garantizar su impermeabilidad. Estas dos situaciones obligan a usar materiales muy resistentes a la abrasin en la superficie, ya a mantener frecuentemente los sellos de pavimentos rgidos. En el caso de la variacin de propiedades mecnicas en los pavimentos asflticos con la temperatura, el diseador puede recurrir a correlaciones bien conocidas entre el Mdulo dinmico del concreto asfltico y la temperatura. Algunas de ellas estn contenidas en el Mtodo Shell, por haber sido desarrolladas por los investigadores Heukelom y Klomp para la casa citada. Tal tcnica est contenida en el programa BANDS distribuido por la casa Shell. Los efectos de la temperatura en losas de concreto pueden tambin ser fcilmente introducidos usando los coeficientes de gradiente trmico del concreto para establecer cambios volumtricos o alabeo de las losas. Los restantes efectos de las variaciones de temperatura resultan ms difciles de considerar de manera explcita y, en consecuencia, deben ser considerados de manera conceptual por el diseador.D E T R A N S P O R T E M A S I V O

EL CLIMALos factores que en Colombia ms afectan el funcionamiento de un pavimento son las lluvias y los cambios de temperatura. Son adems los ms conocidos en trminos de los modelos disponibles para el estudio durante el diseo. No obstante, factores como laR E P B L I C A D E C O L O M B I A

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LOS MATERIALES O LAS TCNICAS DISPONIBLESLos materiales disponibles son determinantes para la seleccin de la estructura de pavimento ms adecuada tcnica y econmicamente. Por una parte, se consideran los agregados disponibles en canteras y depsitos aluviales del rea en donde se construye el pavimento. Adems de la calidad requerida, en la que se incluye la deseada homogeneidad, hay que atender al volumen disponible aprovechable, a las facilidades de explotacin y al presupuesto disponible, condicionado en buena medida por la distancia de acarreo. Por otra parte, se deben considerar los materiales bsicos de mayor costo: ligantes y conglomerantes, especialmente. Con frecuencia, la escasa disponibilidad de materiales puede conducir a la necesidad de utilizar sistemas de mejoramiento o estabilizacin de materiales para la construccin, en las capas de la infraestructura del pavimento. Problemas especiales se pueden encontrar en la preparacin de concretos hidrulicos y asflticos cuando los agregados ofrecen problemas especiales de adherencia o susceptibilidad de reaccin qumica en el caso de concretos hidrulicos. La disponibilidad de tecnologas para construccin tambin puede determinar el tipo de estructura o materiales que se utilicen para la estructura de pavimento. Por ejemplo, en algunas zonas del pas, no existen plantas de concreto asfltico disponibles y, en caso de tratarse de obras de pavimentacin pequeas no justificara su montaje. Por esta razn, en tales regiones se ha optado en Colombia por el uso de mezclas en fro o la pavimentacin en concreto hidrulico, usando mtodos artesanales.

RAZONES SOCIALES O POLTICASEn los pases en desarrollo, las decisiones sobre construccin vial, tipo de pavimento, oportunidad de la inversin, construccin por etapas, en muchas ocasiones estn gobernadas por decisiones polticas o presiones sociales. De cualquier manera, debe tenerse en mente que la construccin y pavimentacin vial son de suma importancia en el desarrollo social y econmico de las regiones. Esta aseveracin es vlida para todos los pases del mundo. En los Estados Unidos, en sus pocas de candidato, John F. Kennedy bas su campaa poltica en una gran zona de los Estados Unidos en la cual se encuentran las Montaas Rocosas sobre la promesa de la pavimentacin de la red vial de la zona, entonces muy deprimida. Despus de su ascenso al poder produjo un vertiginoso desarrollo de esa gran rea norteamericana, lo cual impuls de manera definitiva el fin de la depresin econmica norteamericana. En Colombia, el reciente plan 2500 permiti la pavimentacin de numerosas carreteras de red secundaria que conectan localidades pequeas para las cuales una nueva etapa de desarrollo ha llegado. De igual manera, la ejecucin de los pavimentos para los sistemas de Transporte masivo en las ciudades ms importantes del pas ha generado en ellas una nueva vida y desarrollo econmico y social.

Mtodo AASHTOEl mtodo de diseo AASHTO, originalmente conocido como de AASHO por el antiguo nombre de la agencia, fue desarrollado en los Estados Unidos en la dcada de los 60 del siglo inmediatamente anterior, basndose en un ensayo a escala real realizado durante 2 aos en el Estado de Illinois, en un proceso controlado de aplicacin de mltiples cargas de vehculos. A partir de los deterioros que experimentaron los pavimentos observados, se construyeron curvas modelo de deterioro que pretenden representar las relaciones deterioro solicitacin para todas las condiciones ensayadas. Tales curvas, resultado de anlisis estadstico de los parmetros observados se utilizan como modelo para diseo. A partir de la versin del ao 1986, el mtodo AASHTO comenz a introducir conceptos mecanicistas para adecuar algunos parmetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar del ensayo original. En 1993 se public una gua que introdujo algunos parmetros mecanicistas. La ltima variante del mtodo se produjo en un suplemento de 1998 el cual, sin embargo, no ha sido usado en los diseos colombianos. Este suplemento, que contiene recomendaciones sobre el espaciamiento de juntas, se bas en la base de datos LTTP, del proyecto NCHRP 1-30. Los modelos matemticos respectivos de AASHTO-93 y su variante de 1998 requieren de una calibracin para las condiciones locales del rea donde se pretenden aplicar. La frmula general de diseo, relaciona el nmero de ejes equivalentes de 8,2 Ton con el espesor de la losa de hormign, para diferentes valores de los parmetros de clculo. Fue obtenida a partir de la evaluacin del deterioro de los pavimentos en las pistas de prueba AASHTO ya mencionadas.

METODOLOGAS DE DISEOLos mtodos ms populares para el diseo de las estructuras de pavimento rgido de los carriles exclusivos en los Sistemas de Transporte Masivo han sido el de la Portland Cement Association (PCA/85) y el de la American Association of Highway and Transport Officials (AASHTO/92).

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La Ecuacin de diseo que constituye una expresin de la curva de deterioro se expresa como:

o adoptada. Puede verse como un Factor de Seguridad de manera que valores mayores representan estructuras con menor probabilidad de falla. Se recomienda utilizar mayores valores a medida que la falla de la estructura represente mayores impactos sociales y econmicos. A medida que se incrementa el valor de la confiabilidad resultan mayores espesores de losa. Se asume, de otra parte, que mayores confiabilidades implicarn menor esfuerzo de mantenimiento, lo cual se refleja en menores interrupciones al trnsito. En consecuencia, para diseos en vas en las cuales las demoras del trnsito pueden generar impactos complicados, como los del sistema, se recomienda adoptar valores altos de confiabilidad. Ha sido usual adoptar valores de 95%.

La Tabla 5 describe las variables utilizadas en esta ecuacin.

Smbolo W18 ZR S0 D PSI pt Sc Ec J Cd

Descripcin Nmero previsto de ejes equivalentes de 18-kip (8.2t)(ESAL) Desviacin estndar normal Desviacin estndar global Espesor de losa Diferencia entre ndices de serviciabilidad inicial y final (p0 - pt) ndice de serviciabilidad final Mdulo de rotura del concreto Mdulo de elasticidad del concreto Coeficiente de Transferencia de carga Coeficiente de drenaje

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Nivel Recomendado de Confiabilidad Urbana Rural Avenida interdepartamental nacional 85-99.9 % 80- 99.9 % Arteria Principal 80-99 % 75-95% Vas Colectoras 80-95 % 75-95% Vas Locales o calles de barrios 50-80 % 50-80% Tipo de VaNOTA: Resultados basados en encuestas de los grupos de tarea de la AASHTO Tabla 6. Niveles sugeridos de Confiabilidad Cada valor de R est asociado estadsticamente a un valor del coeficiente de Student (Zr). A su vez, Zr determina, en conjunto con el factor So, un factor de confiabilidad (Fc).

psi psi

Tabla 5. Variables de Diseo de pavimentos Mtodo AASHTO/93 Teniendo en cuenta que los pavimentos rgidos requieren una inversin inicial mayor que los flexibles se requiere disear para vidas tiles o perodos de diseo mayores. En los sistemas de transporte masivo ha sido usual disearlos para perodos mnimos de 20 aos y hasta de 35 aos en algunas ciudades. Su diseo, sin embargo, debera ejecutarse para perodos mnimos de 30 o hasta 40 aos. El perodo de diseo, no se introduce directamente en la expresin, pero se refleja en la magnitud del trnsito de ejes equivalentes, los cuales deben calcularse con los factores de dao adecuados para pavimentos rgidos. La confiabilidad (R) puede ser definida como la probabilidad de que la estructura tenga un comportamiento real igual o mejor que el previsto durante la vida de diseR E P B L I C A D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E

Donde: Zr: Coeficiente de Student para el nivel de confiabilidad (R%) adoptado. So: Desviacin normal del error combinado en la estimacin de los parmetros de diseo y modelo de deterioro. El Trnsito de diseo se expresa por el nmero de ejes equivalentes de 18kips (8.2T), en el periodo de diseo y en el carril de anlisis. Las caractersticas mecnicas de la subrasante se introducen en el Mdulo de Reaccin combinado de los materiales bajo la losa. U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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Se recomienda adoptar ndice de serviciabilidad inicial (po) del orden de 4.5, siguiendo los valores tpicos iniciales determinados en las pistas de prueba AASHTO. ste valor, sin embargo, debe ser coherente con la calidad de construccin. En los pavimentos de los sistemas colombianos se ha exigido altos valores iniciales, teniendo en cuenta que se esperan las mejores calidades de construccin. El valor de ndice de serviciabilidad final (pf) debe ser coherente con el estado al cual se puede llegar al final de la vida til del pavimento, el cual depende de la importancia de la va y las polticas de la entidad propietaria del pavimento. En pavimentos rgidos del sistema se ha venido adoptando valores de 2,2 a 2,5. El valor de la desviacin estndar global representa la variabilidad de los parmetros ingresados. Se recomiendan valores de 0.3 a 0.4, teniendo en cuenta que en las pistas de prueba AASHTO el valor obtenido en pavimentos rgidos fue de 0.35. Un valor de 0.39 es frecuente en los diseos. Un valor alto representa mayor variabilidad y, en consecuencia, se refleja en mayores espesores. Las propiedades del concreto, como ya se ha mencionado, corresponden a mdulos de rotura de 4,5 y 5,0 MPa. En los ltimos pavimentos de sistemas de Transporte Masivo en las ciudades colombianas se ha considerado suficiente trabajar concretos con mdulo de rotura de 4,5 MPa a 28 das. El valor de mdulo de elasticidad del concreto depende principalmente de la resistencia del concreto y del tipo de agregado utilizado. A pesar que puedan existir diferencias significativas entre el valor seleccionado y el real del concreto, la influencia de este parmetro sobre el espesor final de la losa calculado con la expresin no es muy significativa. AASHTO recomienda, como gua, los siguientes valores:R E P B L I C A D E C O L O M B I A

4,000,000 psi para concreto con agregados de caliza triturada 5000,000 psi para concreto con grava aluvial silcea. Las caractersticas de drenabilidad se expresan a travs de un coeficiente de drenaje de la base (Cd), cuyo valor depende del tiempo en que sta se encuentra expuesta a niveles de humedad cercana a la saturacin y del tiempo en que drena el agua. El primer factor indicado depende, a su vez, del nivel de precipitaciones de la zona, altura de la rasante, bombeo o inclinacin transversal, sistema de drenaje superficial, etc. El segundo factor depende de la calidad de los materiales de sub-base, existencia de drenaje y propiedades de permeabilidad de la subrasante. Cd se puede evaluar de la Tabla 7.

Calidad de Drenaje Excelente (2horas) Buena (1 da) Regular (1 semana) Pobre (1 mes) Muy pobre (no drena)

Menos del 1% 1.25-1.20 1.20-1.15 1.15-1.10 1.10-1.00 1.00-0.90

1-5% 1.20-1.15 1.15-1.10 1.10-1.00 1.00-0.90 0.90-0.80

5-25% 1.15-1.10 1.10-1.00 1.00-0.90 0.90-0.80 0.80-0.70

Ms del 25% 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70

Tabla 7. Porcentaje de tiempo de exposicin de la estructura de pavimento a humedades cercanas a la saturacin y Coeficiente de Drenaje. En bases resistentes a la erosin como los concretos asflticos tambin se ha adoptado el valor de 1,3. El efecto de transferencia de cargas entre losas se considera en conjunto con el del sistema de berma, a travs de un coeficiente J, cuyos valores se indican en la Tabla 8.

Berma Elementos de Transferencia Tipo de Pavimento De concreto simple con juntas (JPCP) De concreto, con refuerzo continuo (CRCP)

En concreto asfltico S 3.2 2.9-3.2 No 3.8-4.4 N/A

En concreto con barras de anclaje S 2.5-3.1 2.3-2.9 No 3.6-4.2 N/A

Tabla 8. Valores recomendados de JD E T R A N S P O R T E U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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La capacidad de carga representa la capacidad de un pavimento de hormign de transferir parte de las cargas solicitantes a travs de las juntas transversales. La eficiencia de la transferencia de carga depende de mltiples factores y tiende a disminuir durante la edad, con las repeticiones de carga. Dentro de los factores ms importantes de eficiencia se pueden mencionar los siguientes: Existencia de dispositivos especiales de transferencia de cargas, esto es, barras de transferencia o dovelas. Interaccin de las caras de la junta transversal. Para el caso de no existir dispositivos especiales puede existir transferencia por friccin entre los agregados de las caras de la junta. Su eficiencia depende bsicamente de la abertura de la junta y de la angularidad de los agregados. En general, en los pavimentos rgidos modernos se prefiere la transferencia de carga con barras de transferencia y ha sido tambin el esquema preferido en los pavimentos de los Sistemas Integrados de Transporte Masivo (SITM). La abertura de la junta transversal depende principalmente de la longitud de las losas, la temperatura ambiente en el momento de construccin del pavimento y las variaciones peridicas de la misma. Con los parmetros mencionados, el espesor de losa se puede evaluar a partir de la expresin AASHTO presentada al inicio de este inciso. Tal evaluacin se puede adelantar con la ayuda del programa WinPAS o similares disponibles en la red. Se dispone tambin en la red de una hoja de clculo para el manejo del mtodo segn el suplemento de 1998. Conviene indicar que, a pesar que el mtodo AASHTO ha sido de frecuente uso en los sistemas de transporte masivo del pas, podra no ser adecuado para ello, dado que se trata de un mtodo emprico desarrollado para condiciones climticas muy diferentes a las colombianas y para magnitudes de carga muy inferiores. Sin embargo, teniendo en cuenta que tiende a arrojar espesores de losa superiores a los de otras tcnicas en esta aplicacin, ha sido recomendado por diferentes entes administradores locales con argumentos conservadores generados por los problemas iniciales de fallas precoces que se presentaron en algunos pavimentos de la ciudad de Bogot construidos para el Sistema Transmilenio. A partir del ao 2002 AASHTO se involucr con otras entidades norteamericanas en un programa de investigacin que produjo, finalmente hacia el ao 2006 unaR E P B L I C A D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E

nueva metodologa de diseo desarrollada en el marco del proyecto NCHRP 1-37A, disponible en el sitio: www.trb.org/mpedg/guide.htm. Este mtodo an no se ha adoptado en Colombia para los pavimentos de los Sistemas de Transporte Masivo y est implementndose actualmente en los Estados Unidos.

Mtodo PCALa Portland Cement Association (P.C.A) public, en 1966, un procedimiento para el diseo de espesores de pavimento, basado en el concepto de consumo de resistencia a la fatiga, que constituy el primer mtodo racional de diseo de pavimentos rgidos. En este mtodo se calculan los esfuerzos de flexin que produce el trnsito en cada rango de carga, comparndolos con la resistencia de diseo adoptada (en trminos del mdulo de rotura del concreto), denominando la relacin de ellas como relacin de esfuerzos. En funcin del valor obtenido, se establece el nmero de repeticiones admisibles por la losa de concreto en cada rango de carga, en funcin de la ley de Fatiga de Miner que comparado con el nmero de repeticiones esperadas, permite establecer un porcentaje de consumo de resistencia a la fatiga por cada rango de carga. La suma de los consumos de fatiga de todos los rangos de carga no debe exceder del 100%. Despus de muchos aos de aplicacin y revisin se public, en 1984, una nueva versin del mtodo, cuyo autor es Robert G. Packard. Este procedimiento permite, adems de las revisiones de fatiga del mtodo anterior, cuantificar la influencia de la colocacin de una berma con hormign adyacente al pavimento, y tener en cuenta el efecto de probable erosin de la base, a diferencia de otros mtodos que solo sealan estos efectos desde el punto de vista cualitativo. Este mtodo es tal vez el de mayor aplicacin en el diseo de pavimentos rgidos en Colombia y el de mayor uso en los diseos de los pavimentos de los Sistemas de Transporte Masivo. El mtodo P.C.A. (1984), en su porcin emprica. Utiliza dos criterios de falla del pavimento de concreto: CRITERIO DE FATIGA, para mantener el esfuerzo del hormign, debido a las repeticiones de carga dentro del lmite aceptable y para prevenir el agrietamiento por fatiga. CRITERIO DE EROSIN, para limitar los efectos de la deflexin del pavimento en los bordes y esquinas, y con ello controlar la erosin o bombeo del material de fundacin. U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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Los parmetros requeridos para el diseo en este mtodo son: Trnsito de diseo en la vida til del pavimento, en trminos del espectro completo por rangos de carga en cada tipo de eje. Resistencia de diseo de la losa de hormign en funcin de su mdulo de rotura. Mdulo de reaccin de la subrasante. Tipo de berma y transmisin de esfuerzos en la junta transversal. El trnsito de diseo se expresa como nmero de ejes que pasan, en el carril de diseo, en cada rango de carga y recibe el nombre de repeticiones esperadas en cada intervalo de carga. Este es el factor ms importante en el clculo del espesor del pavimento. Su determinacin se hace basndose en los siguientes antecedentes: (a) Distribucin del nmero de ejes solicitantes por cada 1000 vehculos. (b) Tasas de crecimiento de cada tipo de vehculos. (c) Factor carril de Diseo, factor de distribucin del trnsito pesado en el carril de diseo. Con esta informacin se determina el trnsito solicitante, para la vida de diseo elegida y para el carril de diseo. El factor de seguridad se aplica al valor mayor del rango de carga considerado, segn el siguiente criterio: Para carreteras y calles con trnsitos muy pesados y muy especiales (FS=1.3) Para carreteras y calles con alto volumen de trnsito, sin interrupcin. (F.S.=1.2). Para carreteras y calles arterias con moderado volumen de trnsito pesado. (F.S =1,1) Para carreteras secundarias, calles residenciales y otros, con escaso volumen de trnsito pesado (F.S.=1,0) En general, el factor de seguridad usado en el diseo de los pavimentos en los Sistemas Integrados de Transporte Masivo (SITM) es de 1.2. Este factor considera principalmente el efecto de incrementos de carga que suelen producirse en la marcha del vehculo, como resultado de pulsos dinmicos debidos principalmente a los sistemas de amortiguamiento y suspensin. En el mtodo PCA, la resistencia de diseo a utilizarse es la resistencia media a la flexotraccin, menos una vez la desviacin estndar, a 28 das, determinada a travs del ensayo de flexin sobre viguetas de concreto. Existe la tendencia a utilizar correlaciones con la resistencia a compresin en cilindros o ncleos, la cual noR E P B L I C A D E C O L O M B I A M I N I S T E R I O D E

debe nunca reemplazar a la prueba de viguetas y solo debe utilizarse como prueba complementaria. Al respecto, conviene recordar que las correlaciones no son universales y, en consecuencia, deben validarse para las condiciones especficas de materiales, construccin y ensayos de la obra. Para los pavimentos del sistema, como se indic, se han utilizado Mdulos de Rotura de 5MPa y 4,5MPa. En los ltimos aos, se ha considerado suficiente la resistencia de 4,5MPa. Un factor de relativa importancia en el diseo de espesores de un pavimento de hormign es la calidad del suelo que conforma la subrasante. Esta, usualmente se refiere al mdulo de reaccin de la subrasante K, que representa la presin de una placa circular rgida de 76 cm. de dimetro dividida por la deformacin que dicha presin genera. Su unidad de medida es el Kg/cm2/cm (Kg/cm3), como se ha descrito antes. Debido a que el ensayo correspondiente es lento y costoso de realizar, habitualmente se calcula correlacionndolo con otro tipo de ensayos ms rpidos de ejecutar, tales como la clasificacin de suelos o el ensayo CBR. Se presentan 4 alternativas de acuerdo a si la berma es pavimentada y si se colocan pasadores en las juntas transversales. Con berma y pasadores Sin berma ni pasadores Con berma pero sin pasadores Sin berma pero con pasadores. Los pasos a seguir para el clculo de espesores son los siguientes: 1. Definicin de los datos bsicos de entrada: Tipo de berma y pasadores. Resistencia de diseo, en trminos del mdulo de rotura (a 28 das). Valor del mdulo de reaccin de diseo Factor de seguridad adoptado. Nmero de ejes esperados en cada rango de carga para la vida de diseo adoptada. 2. Adoptar tentativamente un espesor de pavimento. 3. Con la informacin contenida en (a) y (b) determinar los valores de Esfuerzo Equivalente y Factor de Erosin usando las tablas o expresiones propuestas en el mtodo (d) Calcular el Factor de Relacin de Esfuerzo, dividiendo el va U N I D A D C O O R D I N A D O R A D E T R A N S P O R T E M A S I V O

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lor del esfuerzo equivalente por la resistencia de diseo (Mdulo de rotura). Con el Factor de Erosin y Relacin de Esfuerzo, se determinan las repeticiones permitidas utilizando bacos correspondientes para tal efecto. Las repeticiones permitidas se expresan finalmente como porcentaje de las repeticiones esperadas. La suma de la columna consumo de fatiga, permite establecer si el espesor tentativo cumple los requerimientos. Estos son tales que, cada uno por separado no debe exceder de 100%. En caso contrario debe incrementarse el espesor tentativo y recalcular. En pavimentos de trnsito liviano e intermedio, normalmente el factor limitante en el diseo suele ser ste. De igual manera debe procederse con el consumo de erosin sumando de manera que no resulte mayor del 100%. Este suele ser el factor limitante en pavimentos de trnsito pesado y muy pesado. Para el diseo prctico de los pavimentos rgidos en general, y los del sistema, en particular, se ha