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DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS
Ing. Diego H. Calo Dpto. Técnico de Pavimentos
Ciudad Autónoma de Buenos Aires 16- 17 de Octubre de 2013
JORNADA DE ACTUALIZACIÓN TÉCNICA DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE PAVIMENTOS URBANOS DE HORMIGÓN
INSTITUTO DEL CEMENTO PORTLAND ARGENTINO
MÉTODOS DE DISEÑO
• En función del tipo de análisis que realizan, las metodologías de
diseño estructural se dividen en:
• Empíricas: se basa en la performance evidenciada en
experiencias y/o experimentos de pavimentos. Este tipo de
aproximaciones son comunes, desde las muy simples (empleo
de soluciones conocidas) a las muy complejas (AASHTO´93).
• Mecanicistas: Es una aproximación puramente científica,
basada a partir del mecanismo de respuesta estructural del
pavimento cuando es solicitado por cargas. Dado lo complejo
que resulta el comportamiento de los pavimentos, no existen
metodologías netamente empíricas.
• Empírico- mecanicistas: Combinan aspectos de ambas
metodologías (ej. Método PCA 1984, ACPA StreetPave).
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CATÁLOGOS (ej: Alemania)
Categoría de Ruta
Cantidad de Ejes Equivalentes de 10 T
previstos (30 años)
Tipo de Base
1.1, 1.2 y 1.3 : Base Tratada con cemento.
2 : Base asfáltica.
3 : Base granular.
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METODO AASHTO 1993
AASHO Road Test (1958-1960)
• Tercer ensayo a gran escala en pavimentos.
• Se evaluaron secciones de pavimento rígido y flexible.
• Se evaluaron distintas configuraciones de carga, espesores de calzada y base.
• Se estudiaron secciones de pavimentos de hormigón simple y reforzado.
• Objetivo central: desarrollar relaciones entre cargas de tránsito pesado aplicadas, estructura del pavimento y pérdida de Serviciabilidad.
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• Serviciabilidad Inicial (po).
• Serviciabilidad final (pt).
• Período de diseño
• Tránsito en ejes equivalentes (W18)
• Factor de transferencia de carga (J)
• Módulo de rotura del Hormigón (MR)
• Módulo de elasticidad del Hormigón ( Ec)
• Módulo de reacción de la subrasante (k, LOS)
• Coeficiente de drenaje (Cd)
• Confiabilidad (R, ZR).
• Desvío Global (so).
METODO AASHTO 1993
Factores involucrados en el diseño
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PORTLAND CEMENT ASSOCIATION 1984
• Procedimiento Empírico- Mecanicista basado en
respuestas de pavimentos matemáticamente
calculadas. Calibrado con Ensayos de campo y
rutas en servicio.
• Lanzado originalmente en 1966 y revisado en 1984.
• Se basa en un análisis de las tensiones y
deflexiones generadas en las juntas, esquinas y
bordes del Pavimento.
• Considera a las losas con dimensiones Finitas y ubicación variable de las
cargas.
• Recientemente fue actualizado para vías de bajo tránsito pesado
(Pavimentos Urbanos y rutas locales) y relanzado como el Método ACPA
StreetPave).
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Factores involucrados en el diseño
• Capacidad soporte de la subrasante (k subrasante).
• Tipo y espesor de base (k combinado).
• Propiedades mecánicas del hormigón.
• Período de diseño.
• Tránsito. Configuración de cargas por eje.
• Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores /
trabazón entre agregados).
• Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina /
sobreanchos de calzada).
• Factor de seguridad de cargas. Siempre incorporar
el valor medio o más
probable
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CALZADA DE HORMIGÓN
• El espesor de calzada es la
principal variable en estudio
durante la etapa de proyecto, dado
que es la que en mayor medida
incide en la capacidad estructural
del pavimento y en el costo global
de la estructura.
• Un criterio sano de ingeniería
implica la elección de espesores de
diseño que equilibren
adecuadamente los costos iniciales
y los de mantenimiento.
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SUBRASANTE
Cualquier fundación de pavimentos rígidos deberá verificar el cumplimiento
de los siguientes requisitos:
• Uniformidad: No deberá existir cambios abruptos en las características
de los materiales (zonas débiles o de elevada rigidez)
• Control de subrasantes expansivas para asegurar un soporte uniforme
tanto en temporadas o estaciones húmedas como secas.
• Control de hinchamientos por congelamiento en zonas expuestas a
esta condición.
CUALQUIER PAVIMENTO DE HORMIGÓN EXPERIMENTARÁ
PROBLEMAS CON SUBRASANTES Y BASES NO
APROPIADAMENTE DISEÑADAS Y CONSTRUIDAS
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¿CUÁNDO ES NECESARIO UNA BASE?
Existe riesgo de erosión por bombeo
cuando se presentan en forma
simultánea las siguientes condiciones:
– Repeticiones reiteradas de cargas pesadas (camiones) capaces de generar deflexiones importantes en juntas y bordes de la calzada de hormigón.
– Disponibilidad de agua en la interfase losa – base – banquina.
– Una subrasante compuesta por suelos finos o capaces de entrar en suspensión.
Cuando en un pavimento determinado se prevea la eventual coexistencia de estos
factores el EMPLEO DE UNA BASE NO EROSIONABLE ES DE CARÁCTER
OBLIGATORIO.
Material Fino
ó Erosionable
Tránsito
Pesado
Agua
Disponible
E
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BASES GRANULARES Este tipo de bases suelen estar constituidas por una mezcla bien
graduada de diferentes tipos de suelos y agregados. El criterio
principal para emplear una base granular en un pavimento de
hormigón es el de limitar el contenido de finos para evitar:
• que la capa acumule agua y
• que estos sean erosionados por el fenómeno de bombeo.
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Requisitos generales
• Espesor mínimo: 10 cm.
• Tamaño máximo < 1/3 del
espesor.
• P200 < 15%.
• Desgaste Los Angeles < 50%.
Recomendaciones:
No emplear espesores
mayores de 15 cm.
Deberá especificarse una
densidad mínima del 98% del T-
180.
BASES GRANULARES
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BASES TRATADAS CON CEMENTO
Corresponde a la mezcla de suelo (en el mas
amplio sentido de su definición) con cemento,
la cual es compactada por medios mecánicos.
Ej: suelo – cemento, suelo – arena- cemento,
grava - cemento, ripio- cemento, estabilizado
granular con cemento, etc.).
Ventajas:
• Aprovechamiento de los materiales locales.
• Incremento de la resistencia a la erosión.
• Evita la consolidación por cargas.
• Menores deflexiones.
• Mejor transferencia de carga.
• Incremento de la rigidez de apoyo.
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Características (ACPA):
• Espesor mínimo: 10 cm.
• Tipo de suelo recomendado para tránsito
pesado: A1, A2-4, A2-5 y A3 (ACPA).
• Tamaño máximo: 75 mm.
• Durabilidad por congelamiento – deshielo y
humedecimiento – secado.
• Contenidos de Cemento: de 2% a 5%.
• Resistencia a compresión: de 2,1 a 5,5 MPa.
• Resistencia a Flexión: de 0,7 MPa a 1,4 MPa.
• Módulo de elasticidad: 600.000 a 1.000.000
psi (de 4100 a 6900 MPa).
• Romper la adherencia con emulsión asfáltica,
film de polietileno o dos capas de membrana
en base a parafina.
BASES TRATADAS CON CEMENTO
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BASES DE HORMIGÓN POBRE
• Este tipo de bases se han popularizado
en los últimos años, en especial para
vías donde existe tránsito pesado.
• Se diferencian de las anteriores en que
no requieren compactación mecánica,
lo que en ámbitos urbanos permite
reducir las molestias a los vecinos.
• Suelen ejecutarse de forma similar y
con el mismo equipamiento que se
emplea en los pavimentos de hormigón.
• A diferencia del pavimento, no
requieren la ejecución de juntas
intermedias, y es recomendable
interponer un ruptor de adherencia con
la calzada.
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BASES DE HORMIGÓN POBRE
Requisitos:
• Espesor mínimo: 10 cm.
• Resistencia a compresión de 5 MPa a 8 MPa.
• Contenido de cemento de 120 a 200 kg/m3.
• Contenido de aire de 6 a 8%.
• Tamaño máximo hasta de 25 a 50 mm.
• Tolerancias: ± 6 mm en la regla de 3 m.
• Pueden ser densas o drenantes (Hº poroso).
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SUBRASANTE / BASE
CALIFICACIÓN DEL SOPORTE POR MEDIO
DEL VALOR K EFECTIVO
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SUBRASANTE / BASE
Valor k combinado subrasante / base [MPa/m]
Valor k de
Subrasante
[MPa/m]
Espesor de base
100 mm 150 mm 230 mm 300 mm
NT TA TC NT TA TC NT TA TC NT TA TC
13.5 17.6 23.0 27.8 20.3 30.2 40.0 23.0 41.9 59.9 29.7 54.0 82.1
27.0 35.1 41.0 50.0 37.8 52.4 69.4 43.2 69.9 100 51.3 87.8 134
40.5 47.3 58.6 71.0 50.0 73.2 96.4 58.1 95.3 137 68.9 118 179
54.0 59.4 75.6 94.0 62.1 93.2 123 72.9 119 171 86.4 146 222
Valores típicos de Módulo de reacción combinado Subrasante - base
para distintos tipos de bases
NT: base No Tratada.
TA: base Tratada con asfalto.
TC: base Tratada con cemento.
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PERÍODO DE DISEÑO
• Es la vida útil teórica del pavimento antes de que éste
requiera una rehabilitación importante o reconstrucción.
• Esta no representa necesariamente la vida útil, la cuál
podrá ser mayor a la supuesta en el diseño, o más corta
debido a un incremento inesperado del tránsito.
• Los períodos de diseño en pavimentos rígidos
comúnmente se definen entre 20 y 40 años.
• Las nuevas tendencias en diseño hacia el empleo de
períodos de diseño superiores (> 40 años?).
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Tránsito. Configuración de Cargas por
Eje • La información requerida incluye la cantidad
de vehículos pesados y su composición.
• Para el diseño estructural solamente se
considerarán aquellos vehículos con una
configuración mínima de 2 ejes y eje trasero
con duales.
• El método requiere contar con la distribución
de cargas por eje para cada tipo de Eje
(Simples, Dobles y Triples).
• El método cuenta con un procedimiento
“Simplificado” el cuál incorpora valores
estadísticos de censos de carga en
pavimentos de los Estados Unidos.
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Tránsito
Clase Tipo de Pavimento TMDA TPMDA Carga Máx (KN)
Simple Tándem
1 Calles residenciales 200-800 < 25 100 160
2 Calles colectoras 700-5000 40-1000 115 200
3 Arterias menores
3000-12000 (2 carriles)
3000-5000 (4 carriles)
500-5000 130 230
4 Arterias Principales
3000-2000 (2carriles)
3000-150000 (4carriles)
1500-8000 150 270
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Habil
PD
n
n
Habil
Medio
TMDAPD
TMDA
TMDA
TMDAFP
1
Tránsito – Factor de Proyección
• Cuantifica el crecimiento de tránsito esperado durante el período de
diseño.
• Es la relación entre el TMDA medio (para el Período de Servicio
considerado) y el TMDA de habilitación
i
iFP
PD11
Para Tasa de crecimiento (i)
uniforme en todo el período
de diseño (PD)
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• Factor de Distribución Direccional (por Sentido) suele ser igual a 0,5
(50% del tránsito en cada dirección), aunque existen casos en que
esto no se cumple y en los que se deberá conocer el FDD
correspondiente.
• Factor de Distribución por trocha: se aplica en los casos en que
existan más de una trocha para la misma dirección
Número de trochas
en cada dirección
Porcentaje de ESAL de18-kips
en el carril de Diseño
1 100
2 80-100
3 60-80
4 50-75
Tránsito – Factores de Distribución
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Tránsito – Factores de Distribución
1
10
100
50 60 70 80 90 100
TM
DA
(una d
irecci
ón),
en m
iles
Camiones en carril derecho (%)
2 carriles en
una dirección
3 carriles en una
dirección
• Si se emplea el método de la PCA, el método recomienda emplear la
siguiente distribución:
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Propiedades físicas y mecánicas del
Hormigón
• Debe determinarse la resistencia media a
flexión a 28 días (in situ).
• Se recomienda evaluar en laboratorio la
relación flexión – compresión del hormigón
con los agregados a emplear.
• Comúnmente se emplean MR a 28 días entre
4,0 MPa y 5,0 MPa.
• Evitar el empleo de hormigones de elevada
resistencia. Se recomienda diseñar con una
resistencia media a flexión a 28 días del
orden de 4,5 MPa.
• Al menos una de las fracciones de agregados gruesos debe encontrarse triturada.
• Evitar el empleo de agregados de elevado coeficiente de expansión térmica.
• Evitar el empleo de agregados de elevado módulo de elasticidad.
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Módulo de rotura
Correlaciones de Resistencia
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
25 30 35 40 45
Resistencia a Compresión, MPa
Resis
tencia
a F
lexió
n,
MP
a
MR = 0.7 x f'c (̂0.5) MR = 0.75 x f'c (̂0.5) MR = 0.8 x f'c (̂0.5)
C σ K MR ×
K = 0,7 Para agregados Redondeados
K = 0,8 Para agregados Triturados
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TRANSFERENCIA DE CARGA
Posición crítica de la carga para
las Tensiones de Flexión
Banquina de Hormigón (si existe)
Carril
Junta transversal
Eje
Tándem
Posición crítica de la carga para
las Deformaciones
Banquina de Hormigón (si existe)
Carril
Junta transversal
Eje
Tándem
CRITERIO DE VERIFICACIÓN
POR EROSIÓN
CRITERIO DE VERIFICACIÓN
POR FATIGA
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Transferencia de Cargas
Juntas Transversales (Pasadores)
• Permiten reducir significativamente las tensiones generadas a lo largo
de las juntas transversales y las deflexiones desarrolladas en la
esquina de las losas.
• Su inclusión o no depende principalmente del volumen de vehículos
pesados previsto.
Bordes de calzada (Banquina de hormigón o Sobreancho)
• Permiten reducir significativamente las tensiones desarrolladas en los
bordes y las deflexiones generadas en los bordes y esquina de losas.
• Desde el punto de vista estructural, la banquina rígida de hormigón
vinculada, el sobreancho de calzada o la presencia de cordones –
cuneta, tienen un efecto similar.
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Transferencia de Cargas
Deflexiones en pavimentos de hormigón
Borde Externo del Pavimento (Borde Libre)
Carril 3,65 m.
Junta longitudinal Central
(actúa como banq. de Hº)
Junta Transv. sin pasadores
2 Di
~2.5 Di 5 Di
~3.5 Di
Di Di
Junta Transv. con pasadores
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Factor de Seguridad de Cargas
Se aplica con el fin de resguardar al pavimento de las imprevistas
sobrecargas de vehículos pesados al mayorar las cargas de tránsito
previstas.
Los valores recomendados por la PCA son:
– Autopistas y rutas de alto volumen de tránsito pesado, donde sea
requerido un flujo ininterrumpido del tránsito, FSC=1,2.
– Rutas y arterias importantes con moderado volumen de tránsito
pesado, FSC=1,1.
– Rutas y otras vías de bajo volumen de tránsito pesado y calles
residenciales, FSC=1,0.
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SECCIONES TÍPICAS
PARTICULARIDADES DEL ANÁLISIS:
• Método PCA 1984.
• Subrasante (4 Categorías)
• Tipo de Base: No Tratada / Tratada con Cemento
• Período de diseño : 25 años.
• Resistencia a Flexión del H°: 45 kg/cm2
Designación CBR Módulo de reacción
[kg/cm3] Observaciones
I 3% - 5% 2,8 Mala Calidad
II 5% - 10% 3,9 Calidad Regular
III 10% - 15% 5,4 Buena Calidad
IV > 15% 6,3 Muy Buena calidad
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SECCIONES TÍPICAS
PARTICULARIDADES DEL ANÁLISIS (continuación):
• Tránsito
• Transferencia de Carga: Pasadores en Categoría D y E.
• FSC: 1,10.
• No se considera aporte del Cordón, o Cordón Cuneta.
Categoría TPMDA
[VP/día]
A Inferior a 5
B De 5 a 10
C De 10 a 50
D De 50 a 100
E De 100 a 500
Tipo de Camión Config.
de ejes Prop.
Ómnibus 1-1 10%
Camión sin acoplado 1-1 25%
1-2 25%
Camión c/acoplado 11-12 20%
Semirremolque 111 20%
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SECCIONES TÍPICAS
Ejes simples Ejes Dobles Ejes Triples
Cargas
(tn)
Cantidad
de Ejes
Cargas
(tn)
Cantidad
de Ejes
Cargas
(tn)
Cantidad
de Ejes
10 650 18 21
9 400 16 450 18
8 100 14 15
7 12 12
6 1000 10 9
5 8 6
Total ejes: 2150 Total ejes: 450 Total ejes: 0
DISTRIBUCIÓN DE CARGAS POR EJE
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SECCIONES TÍPICAS
Tránsito Categoría A (Hasta 5 Vehículos Pesados/día) Categoría B (De 5 a 10 Vehículos Pesados/día)
Subrasante
Subbase de S.S. ó Suelo Cal / Sin Subbase
Subbase Cementada Subbase de S.S. ó Suelo
Cal / Sin Subbase Subbase Cementada
TIPO I CBR 3-5%
(Mala Calidad)
Calzada 19 cm Calzada 16 cm Calzada 19 cm Calzada 17 cm
S.S. ó S.Cal 15 cm S. Cemento 15 cm S.S. ó S.Cal 15 cm S. Cemento 15 cm
TIPO II CBR 5-10%
(Calidad Regular)
Calzada 18 cm Calzada 16 cm Calzada 19 cm Calzada 16 cm
S.S. ó S.Cal 15 cm S. Cemento 15 cm S.S. ó S.Cal 15 cm S. Cemento 15 cm
TIPO III CBR 10-
15% (Buena Calidad)
Calzada 18 cm Calzada 15 cm Calzada 18 cm Calzada 16 cm
Subrasante S. Cemento 15 cm Subrasante 15 cm S. Cemento 15 cm
TIPO IV CBR > 15% (Muy Buena
Calidad)
Calzada 18 cm Calzada 15 cm Calzada 18 cm Calzada 16 cm
Subrasante S. Cemento 15 cm Subrasante 15 cm S. Cemento 15 cm
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SECCIONES TÍPICAS
Tránsito Categoría C (De 10 a 50 Vehículos Pesados/día) Categoría D (De 50 a 100 Vehículos Pesados/día)
Subrasante Subbase Granular Subbase Cementada Subbase Granular Subbase Cementada
TIPO I CBR 3-5%
(Mala Calidad)
Calzada 21 cm Calzada 18 cm Calzada 21 cm Calzada 19 cm
Granular 15 cm S. Cemento 15 cm Granular 15 cm S. Cemento 15 cm
TIPO II CBR 5-10%
(Calidad Regular)
Calzada 20 cm Calzada 17 cm Calzada 21 cm Calzada 18 cm
Granular 15 cm S. Cemento 15 cm Granular 15 cm S. Cemento 15 cm
TIPO III CBR 10-15%
(Buena Calidad)
Calzada 19 cm Calzada 17 cm Calzada 20 cm Calzada 17 cm
Granular 15 cm S. Cemento 15 cm Granular 15 cm S. Cemento 15 cm
TIPO IV CBR > 15% (Muy Buena
Calidad)
Calzada 19 cm Calzada 17 cm Calzada 20 cm Calzada 17 cm
Granular 15 cm S. Cemento 15 cm Granular 15 cm S. Cemento 15 cm
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SECCIONES TÍPICAS Tránsito Categoría E (de 100 a 500 Vehículos Pesados/día)
Subrasante Subbase Granular Subbase Cementada
TIPO I CBR 3-5%
(Mala Calidad)
Calzada 22 cm Calzada 20 cm
Granular 15 cm S. Cemento 15 cm
TIPO II CBR 5-10%
(Calidad Regular)
Calzada 22 cm Calzada 19 cm
Granular 15 cm S. Cemento 15 cm
TIPO III CBR 10-15%
(Buena Calidad)
Calzada 21 cm Calzada 19 cm
Granular 15 cm S. Cemento 15 cm
TIPO IV CBR > 15% (Muy Buena
Calidad)
Calzada 21 cm Calzada 19 cm
Granular 15 cm S. Cemento 15 cm
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• Valor soporte de los suelos de subrasante.
• Tipos, espesores y Módulos de las distintas capas (kc).
• Propiedades mecánicas del hormigón (MR, E).
• Período de diseño.
• Tránsito. Configuración de cargas por eje. Crecimiento, Distribución, etc.
• Transferencia de cargas en juntas transversales (pasadores / trabazón
entre agregados).
• Transferencia de carga en bordes (Tipo de banquina / sobreanchos de
calzada).
• Confiabilidad.
• Porcentaje de Losas Fisuradas (aceptable al final del período de
servicio).
ACPA STREETPAVE
Factores involucrados en el diseño
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MODELO DE FATIGA (ACPA)
0
2
4
6
8
10
12
14
0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Relación de Tensiones
Nu
mero
de a
pli
cacio
nes a
dm
isib
les,
Lo
g N
PCA
S = 95%
S = 90%
S = 80%
S = 70%
S = 60%
S = 50%
217.0
24.10
0112.0
log)log(
SSRNf
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Confiabilidad
Clasificación Funcional del
Camino
Confiabilidad Recomendada
Urbano Rural
Interestatales, Autopistas 85 - 99 80 – 99
Arterias Principales 80 - 99 75 – 95
Calles Colectoras 80 - 95 75 – 95
Calles Residenciales y Rutas
locales 50 - 80 50 – 80
• Es simplemente un factor de seguridad.
• Se expresa generalmente en %.
• Es una medida de la probabilidad de que el pavimento falle por
Fatiga o Erosión.
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Porcentaje de losas Fisuradas
Nivel Recomendado de Losas Fisuradas para cada Tipo de
camino
Tipo de Camino Porcentaje recomendado de Losas
Fisuradas al Final de su Vida Útil
(Por defecto) 15%
Autopistas, Rutas 5%
Arterias Menores 10%
Calles Colectoras 15%
Calles Residenciales 25%
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LOSAS FISURADAS - CONFIABILIDAD
Clasificación Confiabilidad Losas Fisuradas Losas fisuradas
(valor probable)
Residencial Liviano 75 % 15 % 7,5 %
Residencial 80 % 15 % 6 %
Colectoras 85 % 10 % 3 %
Arteria Menor 90 % 10 % 2 %
Arteria Principal 95 % 5% 0,5 %
Efecto combinado del Porcentaje de losas fisuradas con la confiabilidad.
0.5
PR11S LF
50% / Fisuradas Losasdad)Confiabili(100%Probable Valor
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ING. DIEGO H. CALO
COORDINADOR
DEPARTAMENTO TÉCNICO DE
PAVIMENTOS
GRACIAS
57