i ii PRÓLOGO Según la Ley de Simplificación y Eficiencia Tributarias N°. 8114 del 4 de julio del 2001 y su Reglamento al artículo 6 de la Ley de Simplificación y Eficiencia Tributaria N°. 8114, Decreto Ejecutivo N°. 37016-MOPT, del 13 de febrero del 2012, le asignaron recursos y tareas a la Universidad de Costa Rica, a través del Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales (LanammeUCR). En el Capítulo III del reglamento se establece la actualización del Manual de Especificaciones del MOPT en materia vial para Costa Rica, conformado por un total de nueve volúmenes, para ser aplicados en todos los trabajos de construcción, mejoramiento, rehabilitación, mantenimiento y ampliación de vías públicas y sus obras complementarias, ya sea aquellos realizados por Ministerio de Obras Públicas y Transportes (MOPT) y sus consejos adscritos, así como por las municipalidades (Art. 25). En lo que respecta al proceso de elaboración y revisión del TOMO I Guía mecanística empírica para el diseño de pavimentos flexibles y semirrígidos, correspondiente al Volumen 4 Guía de diseño estructural de pavimentos para Costa Rica (GDP-2024) del Manual de Especificaciones, se realizó de conformidad con lo establecido en el Capítulo III, Sección III, artículo N°.25, 29 y 38 del Decreto Ejecutivo N°. 37016-MOPT. Este Tomo I pretende ser una guía para los diferentes diseñadores de pavimentos del país, cuyo objetivo principal es estandarizar los procedimientos realizados a nivel nacional y brindar conceptos modernos, acordes a las prácticas y nivel técnico que existe en el país en cuanto a ensayos de laboratorio y análisis de materiales. Es de importancia recalcar que, esta guía está sujeta a cambios de requerirse por parte de los profesionales en el área, con el fin de realizar mejoras en concordancia con su quehacer y experiencia en el ámbito. Ing. Mauricio Batalla Otárola. Ministro de Obras Públicas y Transporte iii TOMO I GUÍA MECANÍSTICA EMPÍRICA PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES Y SEMIRRÍGIDOS GDP-2024 La Ley de Simplificación y Eficiencia Tributarias N°. 8114 del 4 de julio del 2001 y su reglamento al artículo 6 del 13 de febrero del 2012, le asignaron recursos y tareas a la Universidad de Costa Rica, a través del Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales (LanammeUCR). En el Capítulo III del reglamento al artículo 6 de la Ley N°. 8114 se establece la actualización del Manual de Especificaciones en materia vial para Costa Rica, conformado por un total de nueve volúmenes, para ser aplicados en todos los trabajos de construcción, mejoramiento, rehabilitación, mantenimiento y ampliación de vías públicas y sus obras complementarias, ya sea aquellos realizados por Ministerio de Obras Públicas y Transportes (MOPT) y sus consejos adscritos, así como por las municipalidades (Art. 25). Esta legislación persigue el máximo aprovechamiento de los dineros dispuestos por el Estado costarricense para la conservación y construcción de las vías públicas, asignándole al LanammeUCR las labores de investigación, normativa, capacitación, asistencia técnica, evaluación y auditoria técnica del sector vial, en procura de que las funciones que ejecuta el Ministerio de Obras Públicas y Transportes (MOPT), sus consejos y otras dependencias públicas alcancen mayor eficiencia y eficacia en la tarea de reconstruir, rehabilitar y conservar el patrimonio vial nacional. El proceso de elaboración y revisión del TOMO I Guía mecanística empírica para el diseño de pavimentos flexibles y semirrígidos, correspondiente al Volumen 4 Guía de diseño estructural de pavimentos para Costa Rica (GDP-2024) del Manual de Especificaciones, se realizó de conformidad con el Capítulo III, Sección III, artículo N°. 38 del Reglamento al artículo 6 de la Ley de Simplificación y Eficiencia Tributaria N°. 8114, Decreto Ejecutivo N°. 37016-MOPT. iv Equipo de coordinación: Ing. Eliécer Arias Barrantes Unidad de Normativa y Actualización Técnica – PITRA, LanammeUCR Equipo de elaboración: Ing. Eliécer Arias Barrantes Equipo de edición: Ing. Eliécer Arias Barrantes Unidad de Normativa y Actualización Técnica – PITRA, LanammeUCR Equipo de colaboración: Asistentes de la Escuela de Ingeniería Civil - UCR La revisión y aprobación de la guía GDP-2024 para su oficialización, en sus tres tomos que la componen, se realizó de conformidad con la Sección III Procedimiento para la oficialización del Manual de Especificaciones, del DE-37016-MOPT, a través de: Equipo de revisión y aprobación: Comisión Revisora de Proyectos de Actualización del Manual de Especificaciones del MOPT (CRPAME) v INTRODUCCIÓN El Volumen 4 del Manual de Especificaciones, denominado Guía de diseño estructural de pavimentos para Costa Rica, GDP-2024, está compuesto por tres tomos: • Tomo I: Guía mecanística empírica para el diseño de pavimentos flexibles y semirrígidos. • Tomo II: Guía simplificada para el diseño de pavimentos de bajo volumen de tránsito. • Tomo III: Guía mecanística empírica para el diseño de pavimentos rígidos. El presente Tomo I pretende ser una guía para los diferentes diseñadores de pavimentos del país, cuyo objetivo principal es estandarizar los procedimientos realizados a nivel nacional y brindar conceptos modernos, acordes a las prácticas y nivel técnico que existe en el país en cuanto a ensayos de laboratorio y análisis de materiales. El Tomo I de la Guía de diseño estructural de pavimentos para Costa Rica, se encuentra enfocado en los conceptos modernos aplicables a Costa Rica, los cuales permiten realizar un diseño de pavimentos utilizando componentes mecánicos de la ingeniería de materiales y aplicando modelos de deterioro tendientes a predecir con cierto grado de confiabilidad, los deterioros finales en una estructura de pavimento. Es por este motivo que el concepto expuesto en el presente documento realiza un análisis mixto, de ahí su componente mecanístico y empírico. Adicionalmente, se debe aclarar que este documento pretende aprovechar la experiencia adquirida nacionalmente en la metodología AASHTO de 1993, para crear estructuras preliminares que puedan ser revisadas y validadas, con conceptos más modernos que incorporan componentes calibrados para Costa Rica. Este tomo, que forma parte del Volumen 4, responde al cumplimiento del artículo N°. 25, 29 y 38 del Reglamento al artículo 6 de la Ley de Simplificación y Eficiencia Tributaria N°. 8114, N°. 37016-MOPT. Como toda ciencia, la ingeniería vial está en permanente cambio y renovación, lo que promueve a innovar, mejorar, ampliar o sustituir las disposiciones contenidas en esta guía. Es por ello, que la preocupación de mantenerla al día, debe ser una constante en las labores que desarrollen todos los profesionales y técnicos ligados, de una u otra forma, al quehacer de las carreteras y obras conexas. Sin embargo, como cuestión de procedimiento y vi ordenamiento general, toda modificación remitida a el LanammeUCR ya sea de su propia iniciativa o de terceros interesados, será tramitada según lo dispone el Capítulo III del Reglamento al artículo 6 de la Ley de Simplificación y Eficiencia Tributaria N°. 8114, Decreto Ejecutivo N°. 37016-MOPT. vii ÍNDICE GENERAL PRÓLOGO ii TOMO I GUÍA MECANÍSTICA EMPÍRICA PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES Y SEMIRRÍGIDOS iii INTRODUCCIÓN v ÍNDICE GENERAL vii ÍNDICE DE TABLAS xi ÍNDICE DE FIGURAS xiii División 100: Características generales de la GDP-2024 3 Sección 101 Generalidades 3 101.01 Abreviaturas 3 101.02 Definiciones 4 Sección 102 Enfoque general de diseño 10 102.01 Alcances y objetivos de la guía de diseño 12 102.02 Visión general 12 102.03 Niveles jerárquicos 16 102.04 Criterios de desempeño y niveles de confiabilidad 17 División 200: Estimación preliminar de espesores 21 Sección 201 Periodos de diseño 21 Sección 202 Ejes equivalentes (ESAL’s) 22 202.01 Tránsito promedio diario anual (TPDA) 23 202.02 Factor camión (FC) 27 202.03 Factor de distribución por carril (DL) 28 202.04 Factor de distribución direccional (LDF) 29 202.05 Factor de crecimiento (GF) 29 Sección 203 Índice de serviciabilidad 31 viii Sección 204 Confiabilidad 31 Sección 205 Módulo resiliente de los materiales para el diseño preliminar 34 Sección 206 Condiciones de drenaje 34 Sección 207 Coeficientes estructurales 36 Sección 208 Cálculo de espesores preliminares 41 División 300: Diseño de pavimentos Mencanístico Empírico 46 Sección 301 Frecuencia de carga 46 Sección 302 factor de reducción ambiental (FU) 48 302.01 Evapotranspiración 50 302.02 Balance de humedad 55 302.03 Caso 1: Subrasante fina (Suelos) 56 302.04 Caso 2: Subrasante granular (Arenas) 59 Sección 303 Propiedades mecánicas para el diseño mecanístico empírico 60 303.01 Ajuste por temperatura del módulo de la mezcla asfáltica 62 303.02 Módulo resiliente o dinámico para la mezcla asfáltica en caliente (MAC) 64 303.02.01 Categoría de análisis 3 ..................................................................... 64 303.02.02 Categoría de análisis 1 y 2 ............................................................... 64 303.03 Módulo resiliente para los materiales granulares y suelos 66 303.03.01 Categoría de análisis 3 ..................................................................... 66 303.03.02 Categoría de análisis 2 ..................................................................... 69 303.03.03 Categoría de análisis 1 ..................................................................... 70 303.04 Notas adicionales para la subrasante 72 División 400: Análisis estructural 78 Sección 401 Determinación de los puntos de análisis estructural 79 Sección 402 Daño acumulado y desviación lateral 81 División 500: Modelos de predicción de desempeño 89 Sección 501 Ahuellamiento 89 ix 501.01 Ahuellamiento en la mezcla asfáltica 90 501.02 Ahuellamiento en materiales granulares 90 501.03 Ahuellamiento en la subrasante 92 Sección 502 Fatiga en mezcla asfáltica 93 502.01 Área agrietada 95 502.02 Grietas longitudinales 95 Sección 503 Fatiga en bases estabilizadas con cemento 96 SECción 504 Confiabilidad en modelos de desempeño 97 504.01 Ahuellamiento 97 504.02 Área agrietada 97 504.03 Grieta longitudinal 98 Sección 505 Notas sobre la verificación del diseño 99 505.01 Verificación inicial 99 505.02 Iteraciones posteriores 100 Referencias 102 Anexos 106 Anexo A Modelos constitutivos 106 Anexo A.1 Modelos de módulo resiliente para suelos 106 Anexo A.2 Modelos de módulo resiliente para materiales granulares 117 Anexo B Cálculo del TMI y factor de reducción ambiental 119 Anexo B.1 Información para el cálculo del TMI 119 Anexo B.2 Subrasante fina (suelos plásticos) 121 Anexo B.3 Subrasante gruesa (suelos no plásticos) 122 Anexo C: Ejemplos de diseño 124 Anexo C.1 Ejemplo de diseño categoría 3 124 Anexo C.2 Ejemplo de diseño categoría 1 152 Anexo D Evaluación de modelos y Análisis de sensibilidad 237 x Anexo D.1 Análisis de sensibilidad modelos de la GDP-2024 237 Anexo D.2 Comparación de predicciones de modelos de ahuellamiento de materiales nacionales vs el modelo de la AASHTOWare ME 256 Anexo E Recomendaciones generales 264 Anexos E.1 Problemas en suelos 264 Anexos E.2 Recomendaciones para el diseño ME 265 xi ÍNDICE DE TABLAS Tabla 102-01 Niveles jerárquicos de diseño según la cantidad de ESAL’s ...................... 16 Tabla 102-02 Confiabilidad recomendada en función del nivel jerárquico ....................... 17 Tabla 102-03 Criterios de desempeño para porcentaje de área agrietada (a la confiabilidad asociada) ......................................................................................................................... 18 Tabla 102-04 Criterios de desempeño para grietas longitudinales en el carril de diseño (a la confiabilidad asociada) .................................................................................................... 18 Tabla 102-05 Criterios de desempeño ahuellamiento total acumulado (a la confiabilidad asociada) ......................................................................................................................... 18 Tabla 201-01 Recomendaciones del periodo de análisis según tipo de ruta .................... 21 Tabla 202-01 Categorías de análisis para la variable tráfico ............................................ 23 Tabla 202-02 Tipos de vehículos y configuración de ejes ................................................ 23 Tabla 202-03 Factor camión para Costa Rica .................................................................. 28 Tabla 202-04 Recomendaciones para determinar el factor DL según la cantidad de carriles ........................................................................................................................................ 28 Tabla 202-05 Ejemplo de factores de crecimiento vehicular para distintas rutas del país 30 Tabla 202-06 Determinación de la tasa de crecimiento con base al tipo de análisis ........ 30 Tabla 204-01 Niveles de confiabilidad sugeridos para varias clasificaciones funcionales 32 Tabla 204-02 Valores de desviación normal estándar (ZR) correspondientes a los niveles de confianza seleccionados ............................................................................................. 32 Tabla 204-03 Niveles de confianza e Índice de Serviciabilidad utilizados en Costa Rica . 33 Tabla 206-01 Definiciones generales de los diferentes niveles de drenaje de la estructura del pavimento .................................................................................................................. 35 Tabla 206-02 Valores recomendados de m para modificar el coeficiente estructural de la capa de base y subbase en pavimentos flexibles ............................................................ 35 Tabla 208-01 Espesores mínimos recomendados ........................................................... 42 Tabla 302-01 Escala de clasificación de zonas por TMI ................................................... 49 Tabla 302-02 Factor de corrección de longitud del día para la latitud norte ..................... 52 Tabla 302-03 Factor de corrección de longitud del día para la latitud sur ......................... 54 Tabla 302-04 Constantes de regresión para el Modelo TM1-P200/wPI ........................... 57 Tabla 302-05 Constantes de regresión para el Modelo TM1-P200 .................................. 59 Tabla 303-01 Valores de CBR mínimos especificados por el CR-2020 ............................ 60 Tabla 303-02 Diseños de mezcla recomendados según categoría de análisis................. 61 xii Tabla 303-03 Obtención de los módulos de los materiales según el nivel de análisis ...... 62 Tabla 303-04 Ecuaciones de correlación entre el CBR y el módulo resiliente .................. 66 Tabla 303-05 Valores típicos de módulo resiliente para materiales granulares y subrasantes (módulo al contenido óptimo de humedad) ...................................................................... 67 Tabla 303-06 Cantidad de ensayos requeridos para caracterizar la subrasante .............. 73 Tabla 402-01 Ejemplo de cálculo para el punto 1 (Ecuación 401-01) de daño tomando en cuenta desviación lateral ................................................................................................. 86 xiii ÍNDICE DE FIGURAS Figura 102-01 Diferencias entre el diseño empírico vs el ME ........................................... 11 Figura 102-02 Esquema metodológico ............................................................................ 15 Figura 207-01 Gráfico para estimar el coeficiente estructural de la capa de un concreto asfáltico con graduación densa, basado en el módulo elástico (resiliente) ....................... 37 Figura 207-02 Variación del coeficiente de la base granular (a2) con varios parámetros de esfuerzo de la base ......................................................................................................... 38 Figura 207-03 Variación del coeficiente de la subbase granular (a3) con varios parámetros de esfuerzo de la subbase ............................................................................................... 39 Figura 207-04 Diagrama de números estructurales requeridos ........................................ 40 Figura 301-01 Tiempo de pulsación equivalente del esfuerzo vertical según la velocidad del vehículo y la profundidad (Gráfico de Barksdale) ............................................................. 47 Figura 301-02 Diagrama de flujo del balance de humedad ............................................. 65 Figura 401-01 Eje de referencia de puntos críticos .......................................................... 79 Figura 402-01 Esquema del desplazamiento lateral de la carga ...................................... 83 Figura 402-02 Esquema del desplazamiento lateral de la carga, Posición C ................... 84 Figura 402-03 Esquema del desplazamiento lateral de la carga, Posición A ................... 85 Figura 501-01 Diagrama para determinar el ahuellamiento en materiales granulares y suelos .............................................................................................................................. 93 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 1 C ar ac te rí st ic as ge ne ra le s de la G D P -2 02 4 División 100 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 2 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 3 D iv is ió n 1 00 DIVISIÓN 100: CARACTERÍSTICAS GENERALES DE LA GDP-2024 SECCIÓN 101 GENERALIDADES El Tomo I de la Guía de Diseño Estructural de Pavimentos para Costa Rica (GDP-2024), presentas los requerimientos y criterios de diseño para estructuras de pavimentos flexibles y semirrígidos. Los procedimientos y criterios de diseño que se desarrollan en esta Guía permiten obtener estructuras de pavimento flexible o semirrígido que se desempeñen correctamente de acuerdo con las condiciones contempladas. Para diseñar un pavimento utilizando esta guía, es necesario contar con los insumos apropiados para obtener un resultado idóneo de acuerdo con los análisis y resultados obtenidos en este documento. Para ello, se presentan a continuación los diferentes requerimientos, así como las especificaciones mínimas que deben cumplir los materiales de las distintas capas del pavimento. El objetivo de estos requisitos es contar con la información mínima necesaria para obtener estructuras de pavimento adecuadas, que cumplan con las condiciones especificadas, umbrales de desempeño y lineamientos explicados en este Tomo I Guía Mecanística Empírica para el Diseño de Pavimentos Flexibles y Semirrígidos. Es de suma importancia tener presente que contar con sistemas de drenaje eficientes y un oportuno mantenimiento, son factores fundamentales para garantizar la durabilidad, seguridad y buen funcionamiento de la estructura de pavimento diseñada, por lo que la Administración deberá velar por que estos elementos sean debidamente considerados a lo largo del ciclo de vida del proyecto. 101.01 Abreviaturas Cuando se usen abreviaturas en las especificaciones, estas representan lo siguiente: AASHTO American Association of State Highways and Transportation Officials ASTM American Society for Testing and Materials CBR California Bearing Ratio Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 4 D iv is ió n 1 00 ESAL Equivalent Simple Axial Load FC Factor Camión FED Factor de Expansión Diario FEH Factor de Expansión Horario FEM Factor de Expansión Mensual FHWA Federal Highway Administration LanammeUCR Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales de la Universidad de Costa Rica ME Designa el enfoque mecanístico empírico del diseño estructural de pavimentos. MOPT Ministerio de Obras Públicas y Transportes. MR Módulo Resiliente. NAASRA National Association of Australian State Road Authorities NCHRP National Cooperative Highway Research Program PMS Project Management System qu Resistencia a la compresión inconfinada. SN Structural Number SUCS Sistema Unificado de Clasificación de Suelos. TPD Tránsito Promedio Diario. TPDA Tránsito Promedio Diario Anual. VMA Voids in the mineral aggregate VFA Voids filled with asphalt 101.02 Definiciones Agregado - Material granular con composición mineralógica que puede ser arena, grava, escoria o roca triturada, con graduación variable. Se define como “fino” a aquel cuyo tamaño máximo pasa por el tamiz de 4,75 mm (N° 4), y como “grueso” a aquel que queda retenido en el tamiz de 4,75 mm (N° 4). Autobús - Vehículo automotor con la capacidad de realizar transporte de personas, con capacidad superior a 44 plazas, incluyendo al conductor. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 5 D iv is ió n 1 00 Base - Material constituido por partículas duras y durables que se encuentran inmediatamente debajo de la capa superficial o de una capa intermedia. Puede estar compuesta de escoria triturada, roca triturada, grava y arena triturada o cualquier combinación de estos materiales, que cumple con la normativa vigente. Puede ser tratada con ligantes bituminosos, cemento hidráulico o aditivos químicos. Calzada - Sección del derecho de vía destinada a la circulación vehicular, la cual puede incluir uno o más carriles de circulación (no incluye el espaldón). Capa - Riego continuo de un material específico, con un mismo esfuerzo de compactación en toda su extensión. Carretera o camino - Toda vía pública abierta a la circulación de vehículos, peatones y demás usuarios, que permite el tránsito. Carril de circulación - Parte de la calzada destinada al tránsito vehicular en una sola dirección. Cemento asfáltico - Material cementante con color predominantemente oscuro, cuyos constituyentes principales corresponden a bitúmenes de carácter natural, u obtenidos mediante diversos procesos del asfalto. Compactación - Proceso mecánico con el fin de comprimir un volumen dado de material en otro más pequeño, que se logra usando rodillos o compactadoras especiales según sea el tipo de obra y la etapa del proceso constructivo. Derecho de vía - Aquella área o superficie de terreno, propiedad del Estado, destinada al uso de una vía pública, con zonas adyacentes utilizadas para todas las instalaciones y obras complementarias, áreas previstas para futuras obras de ensanche o mejoramiento, así como zonas de seguridad para el usuario. Esta área está delimitada a ambos lados por los linderos de las propiedades colindantes. Diseño de mezcla - Procedimientos de laboratorio que tienen como propósito determinar (dentro de los límites de las especificaciones de Proyecto) una graduación de agregado mineral y un contenido de ligante o de cemento, que produzcan una mezcla que logre un balance entre todas las propiedades deseadas. Drenaje - Dispositivos para captar, dirigir y evacuar el agua de la carretera. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 6 D iv is ió n 1 00 Eje sencillo - Conocido también como eje simple, corresponde a aquel que no forma parte de un conjunto de ejes, se encuentra compuesto por una o dos llantas en cada extremo. Eje tándem - Conocido también como eje doble, corresponde a aquel conjunto de dos ejes consecutivos del mismo vehículo, unidos mediante algún dispositivo mecánico o neumático, que permitan una distribución de carga no menor a 40 % por eje, y una separación entre centros de ejes mayor a 1,20 m y menor a 2,40 m, se encuentra compuesto por dos o cuatro llantas en cada extremo. Eje trídem - Corresponde a aquel conjunto de tres ejes consecutivos del mismo vehículo, unidos mediante algún dispositivo mecánico o neumático, que permitan una distribución de carga no menor a 28 % por eje, y una separación entre centros de ejes mayor a 1,20 m y menor a 2,40 m, se encuentra compuesto por tres o seis llantas en cada extremo. Emulsión asfáltica - Es una dispersión de ligante asfáltico y agua que contiene una pequeña cantidad de agente emulsionante. La emulsión de asfalto puede ser de tipo aniónica (glóbulos cargados negativamente) o catiónica (glóbulos cargados positivamente), dependiendo del agente emulsionante. Especificaciones - Término utilizado para referirse a las disposiciones, normativas y diversos requisitos técnicos y de ley que rigen la ejecución de una obra específica. Estabilidad - Capacidad de un cuerpo de resistir la deformación ante la imposición de cargas, esta es función de las características de cohesión y fricción del material en cuestión. Estabilización de materiales - Proceso que modifica las propiedades fisicoquímicas de un material (suelo o granular), con el fin primordial de aumentar su resistencia mecánica, otorgándole cierto grado de rigidez. Este proceso se logra con la incorporación de un estabilizador (cal, cemento o emulsión asfáltica), en la cantidad que establezca el diseño de mezcla realizado para tales efectos. Estructura del pavimento - Estructura constituida por un conjunto de capas superpuestas, de diferentes materiales, adecuadamente compactados, que se construyen sobre la subrasante de la vía con el objeto de soportar y distribuir las cargas del tránsito proyectadas para un periodo de varios años, según lo dicte el diseño elaborado por un profesional en el área; brindando una superficie de rodamiento uniforme, cómoda y segura. Puede estar compuesta por capa de rodamiento, base y subbase. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 7 D iv is ió n 1 00 Lastre - Material granular clasificado, que se coloca sobre una subrasante para protegerla, o bien sobre una capa granular terminada de una carretera para que funcione como una superficie de ruedo expuesta; puede ser material de tajo, río o préstamo. Material - Materia prima, con características específicas, utilizada para conformar las diferentes estructuras requeridas. Material insatisfactorio - Material con características que no cumplen con las especificaciones mínimas de la estructura requerida. Material satisfactorio - Material con características que si cumplen con las especificaciones mínimas de la estructura requerida. Mejoramiento de propiedades físicas - Proceso que modifica las propiedades físicas de un material (suelo o granular), con el fin primordial de mejorar sus condiciones de plasticidad o granulometría. Con este proceso no se pretende aumentar la resistencia mecánica del material, tal y como efectivamente sucede con el proceso de estabilización. Este procedimiento, según sea el propósito, se puede realizar de dos formas: (a) Mecánico. Por medio de la adición de cierta cantidad de material (suelo o granular), determinado por el diseño realizado para este fin, a otro material que presenta incumplimiento en la granulometría o un índice de plasticidad por debajo del rango de las especificaciones técnicas requeridas. (b) Fisicoquímico. Por medio de la adición de cierta cantidad de material estabilizante (cal, cemento, emulsión, entre otros), determinada por el diseño realizado para este fin, a otro material que presenta índices de plasticidad por encima del rango de las especificaciones requeridas. Se puede utilizar cuando la capacidad de soporte (CBR) es levemente inferior al requerido por las especificaciones técnicas requeridas, con la incorporación de muy pequeñas cantidades de estabilizador (cal, cemento o emulsión asfáltica). Mezcla asfáltica en caliente - Mezcla en caliente, muy bien controlada, de ligante asfáltico (de alta calidad) y agregado bien graduado (también de alta calidad), compactada para formar un capa densa y uniforme todo según especificaciones vigentes. Rasante - Línea que representa, en proyección vertical, la superficie de carreteras, puentes u otras obras en general y que normalmente coincide con el eje longitudinal de la misma. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 8 D iv is ió n 1 00 Remolque - Vehículo sin auto tracción, cuyo fin es el transporte de productos mediante el impulso de otro vehículo. Remolque liviano - Vehículo sin auto tracción, cuyo fin es el transporte de productos, con un peso máximo de 750 kg, mediante el impulso de otro vehículo. Remolque pesado - Vehículo sin auto tracción, cuyo fin es el transporte de productos, con un peso mayor a 750 kg, mediante el impulso de otro vehículo. Semirremolque - Vehículo sin auto tracción, cuyo fin es el transporte de productos, mediante el acople a un tractocamión o cabezal, de manera que el peso y carga se distribuyen parcialmente sobre este. Subbase - Capa secundaria de distribución de carga, se encuentra ubicada bajo la capa de base o la superficie de pavimento, y sobre la subrasante o el material seleccionado como soporte de la base. Es de una calidad superior al de la subrasante, que se especifica en términos de granulometría, condiciones de plasticidad y resistencia. Subrasante - Superficie del terreno, ya sea en corte o relleno, sobre la que se colocan las diferentes capas de material que constituyen el pavimento de una carretera o camino. Superficie de rodamiento - Capa superior de la estructura del pavimento, su función es proporcionar una superficie uniforme y segura al rodamiento de los vehículos. Debe soportar el intemperismo, tener suficiente resistencia tanto al desgaste como a la fractura para soportar las cargas del tránsito consideradas en el diseño de la estructura del pavimento. Debe ser antiderrapante y no deformable. Valor relativo de soporte (CBR) (California Bearing Ratio) - Método de laboratorio utilizado para determinar un valor relativo de soporte de carga de los materiales. Corresponde a una cuantificación de la resistencia del suelo a la penetración, tomando como referencia a la piedra triturada. El valor de CBR se encuentra en función del contenido de agua, la densidad compactada y la textura del suelo en estudio. Vehículo - Cualquier medio utilizado para el transporte de personas o bienes. Vehículo articulado - Vehículo compuesto por un vehículo automotor y uno o dos remolques unidos mediante una articulación que permite la transmisión de la carga. Vehículo automotor - Cualquier tipo de vehículo que posea algún dispositivo mecánico que genere tracción. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 9 D iv is ió n 1 00 Vehículo de carga - Vehículo automotor con la capacidad de realizar el transporte de bienes y personas. Vehículo de carga liviana - Vehículo automotor con la capacidad de realizar el transporte de bienes y personas con un peso máximo de 8 t (toneladas). Vehículo de carga pesada - Vehículo automotor con la capacidad de realizar el transporte de bienes y personas con un peso de más de 8 t (toneladas). Vehículo tipo C2 - Vehículo automotor de tipo camión, compuesto por un eje delantero simple de una llanta en cada extremo, con un peso máximo de 6 t (toneladas), y un eje trasero simple de dos llantas en cada extremo con un peso máximo de 10 t (toneladas). Vehículo tipo C2+ - Vehículo automotor de tipo camión, compuesto por un eje delantero simple de una llanta en cada extremo y un eje trasero simple de una llanta en cada extremo, con un peso máximo de 6 t (toneladas), distribuidos entre los dos ejes según fabricación. Vehículo tipo C3 - Vehículo automotor de tipo camión, compuesto por un eje delantero simple de una llanta en cada extremo, con un peso máximo de 6 t (toneladas) y un eje trasero tándem de dos llantas en cada extremo, con un peso máximo de 16,5 t (toneladas), o un eje trasero combinado, compuesto por un eje simple de dos llantas y un eje simple de una llanta, con un peso máximo de 15 t (toneladas). Vehículo tipo C4 - Vehículo automotor de tipo camión, compuesto por un eje delantero simple de una llanta en cada extremo, con un peso máximo de 6 t (toneladas) y un eje trasero trídem de dos llantas en cada extremo, con un peso máximo de 23 t (toneladas), o un eje trasero combinado, compuesto por un eje tándem de dos llantas y un eje simple de una llanta, con un peso máximo de 20 t (toneladas). Vehículo tipo T3 - Vehículo automotor de tipo tractocamión, compuesto por un eje delantero simple de una llanta en cada extremo, con un peso máximo de 6 t (toneladas) y un eje trasero tándem de dos llantas, con un peso máximo de 16,5 t (toneladas). Vehículo tipo S2 - Remolque de un eje trasero tándem de dos llantas en cada extremo, con un peso máximo de 16,5 t (toneladas). Vida útil - Tiempo estimado para que la estructura construida trabaje sin presentar daños estructurales que comprometan su integridad funcional, en el caso de una carretera, este daño se cuantifica en la superficie de rodamiento, mientras que, en el caso de puentes, Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 10 D iv is ió n 1 00 pasos elevados, túneles y alcantarillas, se realiza sobre la subestructura y la superestructura. SECCIÓN 102 ENFOQUE GENERAL DE DISEÑO En el presente documento se detalla una opción de diseño y análisis de pavimentos que permite realizar el procedimiento de diseño empírico de la AASHTO de 1993, con los factores más adecuados para Costa Rica y que este sea el punto de partida para realizar una revisión del diseño utilizando propiedades mecánicas de los materiales, como: módulo resiliente, módulo dinámico y variables climáticas; con el fin de utilizar modelos para fatiga y deformación permanente que permitan predecir el desempeño del pavimento a lo largo del periodo de diseño y de ser necesario, realizar un proceso iterativo hasta que la estructura de pavimento, cumpla con los parámetros estipulados de forma optimizada. Además, se brinda una recopilación de modelos constitutivos para diferentes materiales granulares y finos que se han realizado mediante Trabajos Finales de Graduación (TFG) en la Universidad de Costa Rica, lo que permite contar con una amplia gama de modelos para diferentes condiciones del material. Se recopilan además, los últimos avances realizados por el Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales de la Universidad de Costa Rica (LanammeUCR), en mecánica de materiales como: software para la generación de curvas maestras, modelos de predicción de módulo dinámico a partir de propiedades de la mezcla asfáltica, modelos de predicción de desempeño para el daño por fatiga en mezclas asfálticas con factores de calibración local para Costa Rica (Arias, 2020); que han sido desarrollados mediante proyectos de investigación del área. Para poder comprender mejor los aportes de utilizar una guía de diseño que utilice conceptos mecanístico empíricos (ME) se muestra el diagrama de la Figura 102-01 Diferencias entre el diseño empírico vs el ME, en donde se muestran la diferencias entre un método empírico como el de la AASHTO de 1993 y una guía de diseño ME. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 11 D iv is ió n 1 00 Figura 102-01 Diferencias entre el diseño empírico vs el ME Adaptado de AASHTOWare, 2015. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 12 D iv is ió n 1 00 102.01 Alcances y objetivos de la guía de diseño El objetivo de la presente guía es mostrar una propuesta para el diseño de pavimentos flexibles considerando las metodologías de diseño AASHTO 1993, MEPDG-2004, AASHTOWare Pavement ME y los avances realizados en Costa Rica sobre la mecánica de materiales para pavimentos y calibración de modelos de desempeño. El contenido de este Tomo I contempla específicamente el diseño de pavimentos flexibles y semirrígidos; sin embargo, en el Tomo II y Tomo III se abarcan otros tipos de pavimentos, como pavimentos de bajo volumen y pavimentos rígidos. Los conceptos expuestos son aplicables tanto para pavimentos nuevos como para rehabilitación, y en ambos casos, el criterio y conocimiento del diseñador son aspectos muy importantes para el correcto uso de la guía. Por lo tanto, este documento pretende ser una guía para los profesionales costarricenses, lo cual no lo exime de la necesidad de contar con criterio ingenieril, principalmente en proyectos que, por sus características particulares, ya sea de carga, clasificación de la ruta, tipo de intervención propuesta, ubicación o geotecnia asociada, entre otras, requieran de soluciones específicas y/o diferentes en concordancia con lo que requiere la Administración. Los conceptos y criterios expuestos se consideran aplicables al diseño de estructuras de pavimentos para caminos o carreteras; sin embargo, en caso de proyectos que se salgan de esta categorización, y puedan definirse como proyectos especiales, queda a criterio de la Administración definir los lineamientos de análisis y requisitos de diseño por cumplir por parte de los profesionales diseñadores o analistas. Es importante destacar que las normas técnicas citadas en esta Guía se basan en estándares internacionales. No obstante, es fundamental tener en cuenta las normas INTE en los casos en que exista una homologación oficial correspondiente. 102.02 Visión general En la Figura 102-02 Esquema metodológico, se presenta el esquema conceptual implementado para realizar diseños de pavimentos, bajo esta propuesta de análisis para pavimentos flexibles y semirrígidos. La metodología planteada consiste en establecer tres categorías diferentes de análisis, con el propósito de mantener una gradualidad en la rigurosidad técnica, a medida que los Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 13 D iv is ió n 1 00 proyectos sean de mayor impacto y cuenten con mayor presupuesto. De igual manera, se brindan recomendaciones sobre la metodología de diseño a utilizar. La metodología se enfoca en guiar al diseñador hacia la obtención de un diseño inicial, que será la base iterativa para optimizar el diseño con base en criterios mecánicos y propiedades de los materiales. Posteriormente, se recomiendan ensayos y procedimientos para obtener las propiedades mecánicas de los materiales utilizados en la estructura del pavimento, manteniendo de igual manera una rigurosidad técnica gradual; utilizando ensayos de mayor precisión en proyectos que económicamente lo ameriten. A partir de este momento se inicia un proceso iterativo, en el cual se recomienda iniciar con la verificación de los modelos de fatiga, para este proceso y en caso de las Categorías 1 y 2, es necesario realizar una calibración previa de los módulos resilientes de los materiales granulares y de la subrasante, en función del estado de esfuerzos en los materiales a utilizar. Para esto se puede utilizar un software de multicapa elástica o de elemento finito. Cuando se ha verificado que los módulos de los materiales modelados coinciden con los modelos constitutivos asociados, se pueden obtener los esfuerzos, deflexiones y deformaciones unitarias en los puntos de interés. Obtenidas las respuestas del paquete estructural es posible utilizar los modelos de fatiga para obtener el daño en la estructura y las funciones de transferencia para estimar el porcentaje de área agrietada y grietas longitudinales en un determinado periodo, se deberá cumplir, como mínimo, con los parámetros que se muestran en la Tabla 102-03 Criterios de desempeño para porcentaje de área agrietada (a la confiabilidad asociada) y Tabla 102-04 Criterios de desempeño para grietas longitudinales en el carril de diseño (a la confiabilidad asociada), en función de la cantidad de ESAL, que a la vez se encuentra relacionada con la magnitud del Proyecto. De igual forma debe verificarse la deformación permanente acumulada durante el periodo de diseño, esta deformación plástica debe ser calculada en cada una de las diferentes capas del pavimento y la deformación total deberá ser menor a los valores que se muestran en la Tabla 102-05 Criterios de desempeño ahuellamiento total acumulado (a la confiabilidad asociada), con el propósito de mantener la integridad estructural de la vía, brindar un nivel de confort adecuado a los usuarios y minimizar el riesgo de hidroplaneo en vías de mayor tránsito. En los tres casos anteriores, se deberá incorporar los niveles de Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 14 D iv is ió n 1 00 confiabilidad que se muestran en la Tabla 102-02 Confiabilidad recomendada en función del nivel jerárquico. Si la estructura inicial no cumple con los parámetros establecidos para fatiga y deformación permanente deberá mejorarse la capacidad estructural de la misma, ya sea para corregir problemas de resistencia a la fatiga o deformaciones muy altas. En este caso, se recomienda realizar un proceso iterativo en el que el espesor de los materiales puede aumentar para mejorar la capacidad estructural o de ser necesario mejorar las propiedades mecánicas de los materiales utilizados, ya sea por estabilización o por sustitución de estos. El diseño se dará por concluido cuando la estructura y materiales seleccionados cumplan con el criterio a fatiga y por deformación permanente, asegurándose de esta forma que la estructura planteada, cumple con especificaciones mínimas requeridas para el nivel de tráfico estimado y que se han considerado en dicho diseño como, variables climáticas, mecánica de materiales y verificaciones de desempeño acordes con la magnitud del Proyecto. En casos donde exista más de un diseño válido, la selección final deberá justificarse por medio de un análisis de costos y experiencia del diseñador. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 15 D iv is ió n 1 00 Figura 102-02 Esquema metodológico -Modelo Witczak-Lanamme Witczak-Lanamme Verificación propiedades mecánicas multicapa elástica (< 10 % error) Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 16 D iv is ió n 1 00 102.03 Niveles jerárquicos Los niveles jerárquicos de diseño permiten identificar los proyectos que deberán contar con un nivel de análisis más profundo, utilizando datos de mayor complejidad técnica. En la siguiente tabla se muestran las jerarquías propuestas, así como la cantidad de ejes equivalentes (ESAL’s) de diseño asociados. Tabla 102-01 Niveles jerárquicos de diseño según la cantidad de ESAL’s Nivel jerárquico Ejes equivalentes de diseño (ESAL’s) Categoría 3 Menor a 3 millones Categoría 2 Entre 3 y 25 millones Categoría 1 Mayor a 25 millones (a) Categoría de análisis 3. Esta categoría de análisis permite utilizar valores de referencia, acorde a clasificaciones recomendadas por la AASHTO, SIECA o estudios a nivel nacional, para ponderar las propiedades mecánicas de los materiales, por tipos de suelo, CBR o módulo resiliente. Este nivel de análisis posee los menores costos asociados a ensayos y recolección de datos. (b) Categoría de análisis 2. En esta categoría se permite el uso de datos de entrada obtenidos a través de correlaciones, modelaciones o modelos de regresión a partir de datos nacionales, lo cuales podrían ser similares a otras regiones. A modo de ejemplo se tiene, curvas maestras características y modelos constitutivos nacionales. (Anexo A Modelos Constitutivos y Anexo B Cálculo del TMI y Factor de Reducción Ambiental) (c) Categoría de análisis 1. Se recomienda en este nivel de análisis que se utilicen datos de entrada locales para el Proyecto, obtenidos a través de ensayos y mediciones directas en el sitio del Proyecto. Se recomienda que se evalúen todos los materiales a ser utilizados en el Proyecto. Es por este motivo que esta categoría de análisis requiere el mayor nivel de conocimiento posible sobre los parámetros de entrada. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 17 D iv is ió n 1 00 102.04 Criterios de desempeño y niveles de confiabilidad La presente guía de diseño contempla varios criterios de desempeño a tomar en cuenta, los cuales son explicados en las divisiones posteriores. Adicionalmente, se incorpora un análisis por confiabilidad para disminuir el grado de error asociado a los modelos de deterioro y funciones de transferencia. En la Tabla 102-02 Confiabilidad recomendada en función del nivel jerárquico, se muestra la confiabilidad recomendada asociada a cada categoría de tráfico vehicular del Proyecto. Tabla 102-02 Confiabilidad recomendada en función del nivel jerárquico Ejes equivalentes periodo de diseño Confiabilidad típica Intervalo < 3 millones 75 % 50 % - 85 % 3 - 25 millones 85 % 85 % - 95 % > 25 millones 95 % 85 % - 99,9 % Como se mencionó en líneas anteriores, la presente guía de diseño contempla una revisión de diferentes deterioros (predichos) al final del periodo de diseño; esto con el objetivo de garantizar que el Proyecto cumple con requisitos mínimos de calidad y condiciones adecuadas para mantener la integridad de la estructura de pavimento diseñada. Los criterios de desempeño son los siguientes. • Porcentaje de área agrietada en el carril de diseño. • Longitud de grietas longitudinales. • Ahuellamiento total acumulado. Cada uno de estos deterioros se encuentran asociados a un tipo de daño, que aumenta en el tiempo, conforme los vehículos pasan por la carretera; por lo tanto, cada diseñador podrá hacer las respectivas modelaciones para hallar en qué año se llega a un nivel de deterioro dado y así tomar las medidas del caso. En las tablas siguientes se muestra el valor máximo permitido recomendado, para garantizar condiciones mínimas de calidad y nivel de servicio. Es importante aclarar que estos valores son máximos recomendados, esto quiere decir, que el diseño deberá arrojar valores inferiores para los tres deterioros y cumplir con el nivel de confiabilidad de la Tabla 102-02 Confiabilidad recomendada en función del nivel jerárquico. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 18 D iv is ió n 1 00 Es obligación de cada diseñador mostrar el cumplimiento de dichos umbrales y demostrar que incorporó la confiabilidad mínima requerida. Tabla 102-03 Criterios de desempeño para porcentaje de área agrietada (a la confiabilidad asociada) Ejes equivalentes periodo de diseño Porcentaje de área agrietada antes de la falla (FCB-U-P) < 3 millones 35 % 3 - 25 millones 20 % > 25 millones 10 % Tabla 102-04 Criterios de desempeño para grietas longitudinales en el carril de diseño (a la confiabilidad asociada) Ejes equivalentes periodo de diseño Longitud de grietas antes de la falla (m/km) (FCTop-D-P) Longitud de grietas antes de la falla (ft/milla) (FCTop-D-P) < 3 millones 380 2000 3 - 25 millones 380 2000 > 25 millones 284 1500 Tabla 102-05 Criterios de desempeño ahuellamiento total acumulado (a la confiabilidad asociada) Ejes equivalentes periodo de diseño Ahuellamiento total permisible máximo < 3 millones 16 mm (0,65 in) 3 - 25 millones 12 mm (0,5 in) > 25 millones 10 mm (0,4 in) E st im ac ió n pr el im in ar d e es pe so re s División 200 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 21 D iv is ió n 2 00 DIVISIÓN 200: ESTIMACIÓN PRELIMINAR DE ESPESORES La estimación inicial de la estructura del pavimento se realiza por medio de la metodología de diseño AASHTO-93, la cual se considera válida para determinar el flujo vehicular, módulos y espesores “semilla” o iniciales. La estructura resultante de este diseño se utiliza para verificar los niveles de deterioro admisibles, tanto para fatiga como para deformación permanente. Si no se cumplen las especificaciones requeridas, se deben realizar ajustes de espesores y/o materiales. Los componentes y procedimiento de diseño de pavimentos AASHTO-93 se describen en las siguientes secciones. SECCIÓN 201 PERIODOS DE DISEÑO Se refiere al periodo de tiempo en que se va a desarrollar el análisis del pavimento o vida útil del mismo. La AASHTO recomienda periodos de análisis según el tipo de ruta que se está diseñando, las recomendaciones se muestran en la Tabla 202-01 Recomendaciones del periodo de análisis según tipo de ruta. Tabla 201-01 Recomendaciones del periodo de análisis según tipo de ruta Condiciones de la ruta Periodo de análisis (años) Autopistas 20 - 40 Arterias 15 - 30 Colectoras 10 - 20 Pavimentada de bajo volumen 8 - 15 Superficie de agregados de bajo volumen 5 -8 Modificado de AASHTO 93, SIECA y LM-PI-GM-INF-22-2014 Los periodos de diseño comunes para el análisis de pavimentos flexibles en Costa Rica son de entre 10 años a 20 años; por lo tanto, para este parámetro se pueden seguir las recomendaciones de la Tabla 201-01 Recomendaciones del periodo de análisis según tipo de ruta, u otro periodo de diseño, siempre y cuando esté debidamente justificado por el diseñador y acorde a lineamientos aprobados por la Administración. Se considera que al Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 22 D iv is ió n 2 00 final de este periodo la estructura del pavimento alcanza un nivel de serviciabilidad inaceptable para el usuario. SECCIÓN 202 EJES EQUIVALENTES (ESAL’S) Los ejes equivalentes de diseño son una ponderación de la cantidad de vehículos totales que pasarán por una determinada carretera, transformando los diferentes tipos de vehículo a una carga y eje estándar, el cual es un eje simple dual de 80 kN; esto permite estandarizar los análisis y poder comparar diferentes rutas y diseño. Se recomienda que en la presente guía el valor estandarizado de ESAL, sea utilizado tanto para el diseño preliminar por AASHTO-93, como para la verificación Mecanística Empírica. Actualmente, es posible utilizar otros conceptos como “Espectro de carga” y “Espectro de daño para el diseño Mecanístico”; sin embargo, se considera que aún es necesario recopilar más información a nivel nacional, para que ambos conceptos puedan ser llevados a la práctica de forma estandarizada. Por lo tanto, para esta edición se recomienda trabajar con el concepto de ESAL, manteniendo la gradualidad asociada a la categoría para los datos utilizados en las estimaciones. Para estimar la cantidad de ejes equivalentes de diseño se utilizan las siguientes ecuaciones: 𝐸𝑆𝐴𝐿𝑑í𝑎 = % 𝑝𝑒𝑠𝑎𝑑𝑜𝑠 ∗ 𝑇𝑃𝐷𝐴 ∗ 𝐹𝐶 Ec. 202-01 𝐸𝑆𝐴𝐿𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 = 𝐸𝑆𝐴𝐿𝑑í𝑎 ∗ 365 ∗ 𝐺𝐹 ∗ 𝐷𝐿 ∗ 𝐿𝐷𝐹 Ec. 202-02 Donde, TPDA = Tránsito promedio diario anual. FC = Factor camión. GF = Factor de crecimiento para un determinado periodo de años. DL = Factor de distribución por carril. LDF = Factor de distribución direccional. En la Tabla 202-01 Categorías de análisis para la variable tráfico, se muestran recomendaciones sobre el tipo de valores a utilizar en función de la categoría del Proyecto para las principales variables requeridas. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 23 D iv is ió n 2 00 Tabla 202-01 Categorías de análisis para la variable tráfico Categoría TPDA FC GF Categoría 3 Conteos vehiculares Característicos locales Característicos locales Categoría 2 Conteos vehiculares Característicos locales Característicos locales Categoría 1 Estudio de tráfico propio del Proyecto Estudio de tráfico propio del Proyecto Estudio de tráfico propio del Proyecto En las siguientes secciones se explican los diferentes componentes asociados a la determinación de los ejes equivalentes. 202.01 Tránsito promedio diario anual (TPDA) El tránsito promedio diario anual o TPDA permite estimar las cargas vehiculares a las que estará expuesta la estructura de pavimento durante el periodo de diseño. El TPDA es la cantidad promedio anual de vehículos que transitan por una vía (en ambos sentidos) y se obtiene por medio de conteos vehiculares. El TPDA debe especificarse por tipo de vehículo (clasificado), para aplicar el factor camión (FC) correspondiente y así estimar los ejes equivalentes de diseño. Los tipos de vehículo que se consideran en la clasificación del TPDA se presentan en la Tabla 202-02 Tipos de vehículo y configuración de ejes, estos tipos de vehículos están asociados a los FC medidos en Costa Rica. Tabla 202-02 Tipos de vehículos y configuración de ejes Tipo Configuración del vehículo Configuración de ejes Pickup Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 24 D iv is ió n 2 00 Tipo Configuración del vehículo Configuración de ejes C2+ C2 Bus C2 C3 T3-S2 T3-S3 De una forma más general, el TPDA puede estimarse de acuerdo con la Ecuación 202-03, en donde se parte de un valor de TPD (tránsito promedio diario) y utiliza factores de expansión adecuados. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 25 D iv is ió n 2 00 𝑇𝑃𝐷𝐴 = 𝑇𝑃𝐷 𝑑í𝑎 𝑖,𝑚𝑒𝑠 𝑘 𝐹𝐸𝐷𝑖 ∗ 𝐹𝐸𝑀𝑘 Ec. 202-03 Donde, TPDA = Tránsito promedio diario anual. TPD día i, mes k = Tránsito promedio diario completo o modificado por Factor de expansión horaria FEH, en caso de conteos de unas cuantas horas (según requisitos de la administración), de un día “i” y un mes “k”. FEDi = Factor de expansión diario para un día “i”. FEMk = Factor de expansión mensual para un mes “k”. Cada uno de los componentes requeridos para el cálculo del TPDA se explican a continuación: (a) Transito Promedio Diario (TPD). La cantidad de vehículos en un periodo de 24 horas que circula por una carretera es lo que se conoce como Tránsito Promedio Diario, dicho valor constituye el principal insumo para calcular el TPDA. Para obtener una cuantificación de este dato, se deben realizar conteos vehiculares en carretera, sobre los cuales es necesario considerar previamente ciertos aspectos que buscan que los datos obtenidos sean adecuados y correctos, estos aspectos son: • Realizar los conteos durante periodos de tránsito normal, evitar realizar los conteos en vacaciones o días feriados • Realizar los conteos entre lunes y viernes, preferiblemente martes, miércoles y jueves, esto para evitar el efecto de fin de semana o realizar conteos que abarquen la semana completa. • Realizar conteos de 25 horas o más, es decir, procurar mínimo 24 horas completas de conteos, con horas extras incompletas para contemplar el lapso transcurrido entre el inicio y el final de los conteos, esto para facilitar el cálculo del tránsito promedio anual (TPDA). • Seleccionar los sitios más representativos con base en la jerarquía de las rutas por analizar. • Realizar conteos semanales en las carreteras más importantes de la zona en estudio, para obtener datos del comportamiento del tránsito y que las estimaciones de TPDA mediante el uso de FED sean más precisas. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 26 D iv is ió n 2 00 Debido a la alta tasa de cambio que poseen el tipo y el volumen de tránsito vehicular, se recomienda realizar los conteos de manera periódica, aproximadamente cada año o máximo cada dos años. Esto es importante debido a que, al realizar los conteos de manera constante, se logra identificar y cuantificar la tasa de crecimiento del tránsito vehicular de la zona en estudio. (b) Factor de expansión horario (FEH). Los factores de expansión horaria sirven para extrapolar conteos de TPD incompletos a periodos de 24 horas. Para esto se multiplica el volumen horario durante el periodo de conteo, por el FEH para esa hora, y se encuentra el promedio de los productos obtenidos (Garber & Hoel, 2006). Los valores de FEH se calculan con base en los comportamientos típicos identificables de los conteos completos obtenidos, que se separan por grupos, sobre los cuales se calcula un FEH mediante la Ecuación 202-04. 𝐹𝐸𝐻 = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑝𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒 24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛𝑎 ℎ𝑜𝑟𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑎 Ec. 202-04 (c) Factor de expansión diario (FED). Con los FED es posible estimar el valor del promedio semanal de los datos de TPD obtenidos mediante conteos diarios. Para esto se utilizan los conteos semanales que se hayan realizado, en otras zonas o en las que se tenga de referencia. Poseer conteos de carácter semanal es imperativo para poder obtener los valores de FED y, por consiguiente, de TPDA. Los diferentes FED se calculan según la siguiente ecuación: 𝐹𝐸𝐷"𝑖" = 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑑í𝑎 "𝑖" 𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑒𝑚𝑎𝑛𝑎 Ec. 202-05 (d) Factor de expansión mensual (FEM). El volumen de tránsito presenta una variabilidad mensual importante que puede ser cuantificada por medio del FEM. Para obtener estos factores se debe contar con valores medidos en puntos específicos de la red vial nacional, que se obtienen mediante cálculos de conteos anuales completos. Para calcular el FEM se utiliza la siguiente expresión: 𝐹𝐸𝑀𝑘 = 𝑇𝑃𝐷𝑚𝑒𝑠 "𝑘" 𝑇𝑃𝐷𝐴 Ec. 202-06 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 27 D iv is ió n 2 00 202.02 Factor camión (FC) El factor camión se utiliza en conjunto con el tránsito promedio diario anual (TPDA) de la ruta. Los factores camión (FC) permiten conocer el daño que los ejes de cada vehículo le generan al pavimento, y corresponden a la suma de los factores de equivalencia de carga LEF (Load Equivalency Factors) de cada vehículo. 𝐹𝐶 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = [∑(𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑗𝑒𝑠 ∗ 𝐿𝐸𝐹) ] 𝑁ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑒ℎí𝑐𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑛𝑐𝑢𝑒𝑠𝑡𝑎𝑑𝑜𝑠 Ec. 202-07 Donde, LEF = Factores equivalentes de carga (definidos en la guía de diseño AASHTO-93). De tal manera, se puede determinar la cantidad de ejes equivalentes de carga de 80 kN que deberá soportar en total una determinada estructura de pavimento, para todos sus años de servicio. Actualmente, se cuenta con información de factores camión para diferentes periodos (2007, 2009, 2008-2017); en la Tabla 202-03 Factor camión para Costa Rica, se pueden observar factores camión que han sido calculados por medio de distintos proyectos de investigación para diferentes niveles de confiabilidad, cada uno de ellos posee un esquema de análisis y el detalle puede ser consultado en cada proyecto individual. En resumen, la Tabla 202-03 Factor camión para Costa Rica, incluye, factores camión calculados en el 2007 por medio de una encuesta de carga realizada por el LanammeUCR (Allen, Ulloa, Sibaja, & Badilla, 2007); también, se brinda una recopilación de factores camión de las bases de datos de la Dirección de Planificación Sectorial del MOPT (Vargas & Allen, 2014) y de un proyecto final de graduación realizado en conjunto con el LanammeUCR (Espinoza, 2013) sobre los factores camión de los buses urbanos e interurbanos. Los factores camión que se presentan se encuentran calculados con los LEF de pavimentos flexibles, por lo tanto, el cálculo de ejes equivalentes de diseño utilizando dichos LEF, sólo aplica para proyectos con pavimentos flexibles o semirrígidos. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 28 D iv is ió n 2 00 Tabla 202-03 Factor camión para Costa Rica Factores camión histórico 2007 - 2017 para diferentes niveles de confiabilidad Vehículo 80 % 85 % 90 % 95 % 99 % Pickup 0,0131 0,0133 0,0137 0,0142 0,0151 C2 0,360 0,400 0,451 0,527 0,670 Bus C2 2,559 2,730 2,954 3,281 3,893 C2+ 0,093 0,107 0,126 0,154 0,205 C3 1,250 1,414 1,621 1,928 2,504 C4 1,123 1,193 1,282 1,413 1,659 T3-S2 1,920 2,098 2,321 2,652 3,273 T3-S3 2,142 2,230 2,341 2,506 2,815 Adaptado de Allen, Arias, & Vargas, 2020. 202.03 Factor de distribución por carril (DL) Este factor es expresado como porcentaje y se utiliza cuando dos o más carriles están habilitados en una dirección. Para el caso de un carril por sentido el factor de distribución por carril tiene un valor de 1. En la Tabla 202-04 Recomendaciones para determinar el factor DL según la cantidad de carriles, se presenta el valor recomendado del factor de distribución según el número de carriles de la carretera; sin embargo, para la categoría 1 de análisis este valor deberá ser justificado con un estudio de tráfico. Tabla 202-04 Recomendaciones para determinar el factor DL según la cantidad de carriles Número de carriles en cada dirección Porcentaje de ESAL’s en cada carril 1 100 2 80 – 100 3 60 – 80 4 50 - 75 Adaptado de AASHTO, 1993. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 29 D iv is ió n 2 00 202.04 Factor de distribución direccional (LDF) Este factor es expresado como porcentaje y se utiliza para distribuir los ESAL’s por dirección. El valor más común para vías de dos carriles es 0,5, bajo el supuesto de que la misma cantidad de vehículos transitan en ambas direcciones; sin embargo, dicho dato debe verificarse siempre en campo a través de conteos vehiculares o con otra metodología que permita estimar la atracción y generación de viajes en cada dirección. Se recomienda que en las tres categorías de análisis este valor sea justificado con datos de conteos vehiculares. En los casos que no sea viable realizar conteos vehiculares por las características del proyecto, se puede tomar como referencia lo establecido en las Tabla 3.21 Factor de distribución por dirección y Tabla 3.22 Factor de distribución por carril, de los apartados 3.4 Factor de distribución por dirección y 3.5 Factor de distribución por carril, respectivamente del Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos (SIECA, 2002) o su versión vigente. 202.05 Factor de crecimiento (GF) El factor de crecimiento depende del periodo de diseño determinado y de la tasa de crecimiento del tránsito de cada Proyecto, de forma general se puede estimar a partir de la siguiente ecuación: 𝐺𝐹 = |(1 + 𝑟)𝑛 − 1| 𝑟 Ec. 202-08 Donde, GF = Factor de crecimiento. r = Porcentaje de crecimiento anual, decimal. n = Cantidad de años (periodo de diseño). Se sugiere seguir las recomendaciones de la Tabla 202-01 Categorías de análisis para la variable tráfico, en cuanto al origen de los datos; además, se recomienda que en el caso de las categorías 3 y 2 se utilice un histórico de al menos 10 años. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 30 D iv is ió n 2 00 La curva de crecimiento del tránsito presenta una forma de curva logística, donde en los primeros años el tránsito crece lentamente, luego presenta un crecimiento más notorio y a medida que se acerca a la capacidad máxima de la carretera el crecimiento es asintótico. La metodología AASHTO-93 simplifica el crecimiento vehicular asumiendo una tasa de crecimiento constante durante el periodo de diseño. En la Tabla 202-05 Ejemplo de factores de crecimiento vehicular para distintas rutas de Costa Rica, se presentan porcentajes de crecimiento observados para distintas rutas del país en diferentes periodos; estos valores se muestran con fines informativos, ya que para cada Proyecto debe utilizarse el factor de crecimiento acorde a las características propias de cada sitio. Tabla 202-05 Ejemplo de factores de crecimiento vehicular para distintas rutas de Costa Rica Ruta Años de análisis Periodo Porcentaje de Crecimiento Bernardo Soto, Ruta 1 9 1996 - 2010 6,4 % Florencio del Castillo, Ruta 2 16 1994 - 2010 5,9 % Próspero Fernández, Ruta 27 12 1996 - 2007 10,9 % Braulio Carrillo, Ruta 32 12 1999 - 2010 5,9 % Para determinar los factores de crecimiento se recomienda realizar estudios específicos de tránsito para el Proyecto, en función de la importancia de este. Para dichos estudios puede revisarse el historial de conteos vehiculares de los lugares cercanos o en rutas con un comportamiento similar a la nueva carretera, así como incorporar variables socioeconómicas de la zona. En función de la importancia del Proyecto se sugiere seguir las recomendaciones de la siguiente tabla. Tabla 202-06 Determinación de la tasa de crecimiento con base al tipo de análisis Categoría Tipo de análisis Categoría 3 Porcentaje de crecimiento típicos Categoría 2 Porcentaje de crecimiento típicos con base en históricos de la ruta Categoría 1 Porcentaje de crecimiento con base en un estudio de tráfico formal Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 31 D iv is ió n 2 00 SECCIÓN 203 ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD La serviciabilidad de un pavimento se define como la condición necesaria para proveer a los usuarios un manejo seguro y confortable. Este índice permite considerar el confort de los usuarios al transitar la carretera durante su vida útil. Varía de 0, cuando la carretera es intransitable, hasta un valor de 5 que representa una carretera en perfecto estado, (condición hipotética). El Índice de Serviciabilidad inicial (Po) depende del diseño y la construcción de la carretera, el valor común para pavimentos flexibles es de 4,2. El Índice de Serviciabilidad final (Pt) se basa en el menor índice tolerable por los usuarios; normalmente se considera de 2,5 o mayor para altos volúmenes de tráfico y de 2 para tránsito bajo. Este factor es representativo de la condición de falla según el criterio de la AASHTO-93; y es el índice aceptable antes de que se tenga que intervenir la estructura; ya sea con una rehabilitación, recarpeteo o reconstrucción (en la Tabla 204-03 Niveles de confianza e Índice de Serviciabilidad utilizados en Costa Rica, se detallan más valores). La siguiente ecuación se aplica para definir el cambio total en el Índice de Serviciabilidad (ΔPSI): ∆𝑃𝑆𝐼 = 𝑃𝑂−𝑃𝑡 Ec. 203-01 SECCIÓN 204 CONFIABILIDAD Es la probabilidad de que el pavimento soporte el periodo de diseño con una serviciabilidad mayor o igual a la final. El nivel de confianza (del diseño preliminar) asegura que el pavimento se desempeñará según se diseñó, dada la variabilidad de la construcción, del tránsito, de los materiales y del clima que inciden en el desempeño de la estructura. En la Tabla 204-01 Niveles de confiabilidad sugeridos para varias clasificaciones funcionales y Tabla 204-02 Valores de desviación normal estándar (ZR), correspondientes a los niveles de confianza seleccionados se muestran los valores recomendados por la AASHTO. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 32 D iv is ió n 2 00 Tabla 204-01 Niveles de confiabilidad sugeridos para varias clasificaciones funcionales Clasificación funcional Nivel de confianza recomendado Urbano Rural Autopistas 85 – 99,9 80 – 99,9 Arterias 80 - 99 75 - 95 Colectoras 80 - 95 75 - 95 Pavimentada de bajo volumen o Superficie de agregados de bajo volumen 50 - 80 50 - 80 Adaptado de AASHTO, 1993. El nivel de confianza está compuesto por dos variables, la desviación normal estándar (ZR) y la desviación estándar global (So). En la Tabla 204-02 Valores de desviación normal estándar (ZR) correspondientes a los niveles de confianza seleccionados, se presentan valores de desviación estándar normal según los niveles de confianza mostrados en la Tabla 204-01 Niveles de confiabilidad sugeridos para varias clasificaciones funcionales y/o Tabla 204-03 Niveles de confianza e Índice de Serviciabilidad utilizados en Costa Rica. Tabla 204-02 Valores de desviación normal estándar (ZR) correspondientes a los niveles de confianza seleccionados Confiabilidad, R (%) Desviación normal estándar, ZR 50 -0,00 60 -0,253 70 -0,524 75 -0,674 80 -0,841 85 -1,037 90 -1,282 91 -1,340 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 33 D iv is ió n 2 00 Confiabilidad, R (%) Desviación normal estándar, ZR 92 -1,405 93 -1,476 94 -1,555 95 -1,645 96 -1,751 97 -1,881 98 -2,054 99 -2,327 99,9 -3,090 99,99 -3,750 Adaptado de AASHTO, 1993. La desviación estándar So, es la desviación debido al error de proyecciones de tránsito y al desempeño del pavimento. Entre mayor sean las desviaciones de las estimaciones mayor debe ser el valor de So. Para pavimentos flexibles se recomienda valores de So entre 0,4 y 0,5. Con un valor recomendado de 0,45 se considera que no existirá mucha variación en las estimaciones de tráfico realizadas, o sea, que las estimaciones de demanda de tráfico poseen poco margen de error. Debe considerarse que, si se espera una variación muy alta en el tránsito futuro, el So podría ser de hasta 0,49. En la siguiente tabla se muestran algunos lineamientos utilizados en Costa Rica por parte del Ministerio de Obras Públicas y Transportes para el nivel de confianza y el Índice de Serviciabilidad. Tabla 204-03 Niveles de confianza e Índice de Serviciabilidad utilizados en Costa Rica Zona TPDA Nivel de confianza (%) Índice de Serviciabilidad Ruta Primaria Menor a 500 75 2,0 Entre 500 y 2000 85 2,5 Mayor a 2000 90 2,5 Ruta Menor a 500 70 2,0 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 34 D iv is ió n 2 00 Zona TPDA Nivel de confianza (%) Índice de Serviciabilidad Secundaria Entre 500 a 2000 80 2,0 Mayor a 2000 85 2,5 Ruta Terciaria Menor a 500 70 2,0 Entre 500 y 2000 75 2,0 Mayor a 2000 80 2,0 Adaptado de DVOP-5170-07, 2007. SECCIÓN 205 MÓDULO RESILIENTE DE LOS MATERIALES PARA EL DISEÑO PRELIMINAR Las propiedades mecánicas de los materiales granulares se representan con el módulo resiliente. Para el diseño preliminar de AASHTO-93 se utiliza una correlación del módulo resiliente con el valor de capacidad de soporte CBR para cada material, este dato puede obtenerse a través de ensayos de laboratorio y deben cumplir con el mínimo establecido por el Manual de Especificaciones Generales para la Construcción de Carreteras, Caminos y Puentes, CR-2020 en su versión vigente. Nota: En esta etapa de diseño inicial se asumirá como válido un coeficiente estructural de capa a1 para la mezcla asfáltica de 0,45 (como máximo), para todos los diseños de pavimento, dado que esta metodología AASHTO-93 no considera cómo varía este módulo con la frecuencia de carga y aumento de temperatura. En posteriores análisis se observará cómo varía este módulo considerando frecuencia de carga y temperatura del pavimento, y que incluso para condiciones de velocidad media (< 60 km/h) y temperaturas intermedias del pavimento para Costa Rica (35 °C – 40 °C) se observará cómo el valor de módulo resiliente varía considerablemente. SECCIÓN 206 CONDICIONES DE DRENAJE Este apartado considera los efectos del drenaje en la predicción del desempeño de la estructura del pavimento. El efecto se considera en la variación del coeficiente estructural de los materiales granulares que componen la estructura, bases sin tratar y subbases. En la ecuación del Número Estructural, Ecuación 208-01, se utiliza un factor de drenaje “m”, el cual modifica los coeficientes estructurales. El factor de drenaje depende de la calidad del drenaje y la exposición de la estructura a condiciones de humedad. La calidad del drenaje depende del periodo de tiempo en que el pavimento permanece en condiciones saturadas y se determina según los valores de la Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 35 D iv is ió n 2 00 Tabla 206-01 Definiciones generales de los diferentes niveles de drenaje de la estructura del pavimento. Tabla 206-01 Definiciones generales de los diferentes niveles de drenaje de la estructura del pavimento Calidad del drenaje Tiempo que tarda el agua en drenar Excelente 2 horas Bueno 1 día Regular 1 semana Pobre 1 mes Muy Pobre Agua no es drenada Adaptado de AASHTO, 1993. Establecida la calidad de drenaje, el diseñador debe estimar el porcentaje de tiempo en el año que el pavimento estará expuesto a condiciones de saturación, según las condiciones climáticas de la región del Proyecto. En la Tabla 206-02 Valores recomendados de m para modificar el coeficiente estructural de la capa de base y subbase en pavimentos flexibles, se presentan valores recomendados del coeficiente de drenaje para distintas condiciones. Tabla 206-02 Valores recomendados de m para modificar el coeficiente estructural de la capa de base y subbase en pavimentos flexibles Calidad del drenaje Porcentaje de tiempo en que la estructura del pavimento se encuentra expuesta a niveles de humedad de saturación Menos de 1 % 1 – 5 % 5 – 25 % Más del 25 % Excelente 1,40 – 1,35 1,35 – 1,30 1,30 – 1,20 1,20 Bueno 1,35 – 1,25 1,25 – 1,15 1,15 – 1,00 1,00 Regular 1,25 – 1,15 1,15 – 1,05 1,00 – 0,80 0,80 Pobre 1,15 – 1,05 1,05 – 0,80 0,80 – 0,60 0,60 Muy Pobre 1,05 – 0,95 0,95 – 0,75 0,75 – 0,40 0,40 Adaptado de AASHTO, 1993. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 36 D iv is ió n 2 00 SECCIÓN 207 COEFICIENTES ESTRUCTURALES El coeficiente estructural expresa la relación empírica entre el Número Estructural (SN) y los espesores de las capas, es una medida de la capacidad del material como componente estructural en el pavimento. El valor de SN es un valor adimensional que expresa la capacidad requerida en una ruta, es decir, un valor de SN mayor implicará un paquete estructural de mayor espesor respecto a un SN menor. Por su parte el valor de coeficiente estructural corresponde al aporte de cada material por cada pulgada al SN requerido. Es por este motivo que debe asignarse un coeficiente estructural a cada capa de la estructura del pavimento, para trasformar los espesores en un SN. La ecuación general del SN es la siguiente: 𝑆𝑁 = ∑𝑎𝑖𝐷𝑖 𝑖=1 Ec. 207-01 Donde, Di = Espesor en pulgadas de la capa i. ai = Coeficiente estructural para el material de la capa i. El coeficiente estructural de la capa asfáltica depende de su módulo resiliente. La Figura 207-01 Gráfico para estimar el coeficiente estructural de la capa de un concreto asfáltico con graduación densa, basado en el módulo elástico (resiliente), muestra la relación entre el módulo resiliente y el coeficiente estructural de la mezcla asfáltica. Como se explicó en la Sección 205 Módulo resiliente de los materiales para el diseño preliminar, para esta etapa se recomienda considerar un módulo estándar de 3100 MPa a 20 °C (450000 psi) para todas las mezclas asfálticas, ya que este diseño AASHTO-93 es preliminar y permite encontrar los espesores iniciales a revisar. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 37 D iv is ió n 2 00 Figura 207-01 Gráfico para estimar el coeficiente estructural de la capa de un concreto asfáltico con graduación densa, basado en el módulo elástico (resiliente) Adaptado de AASHTO, 1993. Para los materiales granulares la estimación del coeficiente estructural se realiza con el valor de CBR de laboratorio. El nomograma que correlaciona estas variables se muestra en la Figura 207-02 Variación del coeficiente de la base granular (a2) con varios parámetros de esfuerzo de la base, para bases y en la Figura 207-03 Variación del coeficiente de la subbase granular (a3) con varios parámetros de esfuerzo de la subbase, para subbases. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 38 D iv is ió n 2 00 Figura 207-02 Variación del coeficiente de la base granular (a2) con varios parámetros de esfuerzo de la base Adaptado de AASHTO, 1993. Notas: (1) Escala derivada de correlaciones obtenidas por Illinois. (2) Escala derivada de correlaciones obtenidas por California, Nuevo México y Wyorning. (3) Escala derivada de correlaciones obtenidas por Texas. (4) Escala derivada en proyectos de NCHRP. Adicional al nomograma de la Figura anterior el valor de a2, puede ser estimado con la siguiente fórmula: 𝑎2 = 0,249 (𝑙𝑜𝑔10𝐸𝐵𝑆) − 0,977 Ec. 207-02 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 39 D iv is ió n 2 00 Figura 207-03 Variación del coeficiente de la subbase granular (a3) con varios parámetros de esfuerzo de la subbase. Adaptado de AASHTO, 1993. Notas: (1) Escala derivada de correlaciones obtenidas por Illinois. (2) Escala derivada de correlaciones obtenidas por California, Nuevo México y Wyorning. (3) Escala derivada de correlaciones obtenidas por Texas. (4) Escala derivada en proyectos de NCHRP. Adicional al nomograma de la Figura 207-03 Variación del coeficiente de la subbase granular (a3) con varios parámetros de esfuerzo de la subbase, el módulo de la base granular, a3, puede ser estimado con la siguiente fórmula. 𝑎3 = 0,227 (𝑙𝑜𝑔10𝐸𝑆𝐵) − 0,839 Ec. 207-03 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 40 D iv is ió n 2 00 Para determinar el SN requerido sobre cada capa del pavimento, se utiliza la relación de la Ecuación 207-04. Este modelo relaciona de forma empírica el tráfico vehicular, el cambio en la serviciabilidad, el módulo resiliente del material a proteger (base, subbase, subrasante) y el nivel de confianza asociado según el tipo de ruta y variabilidad esperada en el tráfico. 𝐿𝑜𝑔10𝑊18 = 𝑍𝑟 ∗ 𝑆𝑜 + 9.36 ∗ 𝐿𝑜𝑔10(𝑆𝑁 + 1) − 0.20 + 𝐿𝑜𝑔10 ( ∆𝑃𝑆𝐼 4.2 − 1.5 ) 0.40 + 1094 (𝑆𝑁 + 1)5.19 + 2.32 ∗ 𝐿𝑜𝑔10 ∗ 𝑀𝑟 − 8.07 Ec. 207-04 Donde, W18 = Cantidad de ejes equivalentes de 8,2 t (80kN). ZR = Desviación normal estándar para un nivel de confianza dado. So = Desviación estándar promedio. SN = Número estructural. ΔPSI = Diferencia entre el PSI inicial y final. Mr = Módulo resiliente (psi). El modelo anterior calcula el SN o número estructural requerido sobre la subrasante, sobre la subbase y sobre la base, SN3, SN2 y SN1 respectivamente como lo muestra la siguiente figura. Este cálculo se puede realizar de forma manual o con ayuda de un software, de los cuales se pueden encontrar muchos en la web. Figura 207-04 Diagrama de números estructurales requeridos El proceso consiste en determinar un SN3 total, que es necesario para proteger la subrasante, el cual se logra con el aporte de las diferentes capas que se colocan en la parte superior de la misma. Pero a su vez, es necesario determinar los SN2 y SN1, que son los que indican el espesor de la BG para proteger la subbase y el espesor de la carpeta para proteger a la base granular respectivamente. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 41 D iv is ió n 2 00 SECCIÓN 208 CÁLCULO DE ESPESORES PRELIMINARES Luego de determinar los SN requeridos sobre cada capa del pavimento, se debe estimar los espesores de las capas de pavimento, que combinados, proveen la capacidad de carga total requerida para el diseño (SN3): 𝑆𝑁 = 𝑎1𝐷1 + 𝑎2𝐷2𝑚2 + 𝑎3𝐷3𝑚3 Ec. 208-01 Donde, 𝑎1, 𝑎2, 𝑎3 = Coeficientes de la carpeta asfáltica (MAC), base (BG) y subbase (SB) respectivamente. 𝐷1, 𝐷2, 𝐷3 = Espesor de la carpeta asfáltica, base granular y subbase respectivamente. 𝑚2,𝑚3 = Coeficientes de drenaje para las capas de base y subbase granular respectivamente. La ecuación anterior no tiene una única solución, ya que varias combinaciones pueden satisfacer la demanda de capacidad. La manera recomendada de resolver este conjunto de ecuaciones es iniciar con la carpeta asfáltica y terminar con la subbase, como se presenta a continuación: 𝐷1 ∗ ≥ 𝑆𝑁1 𝑎1 Ec. 208-02 𝑆𝑁∗ 1 = 𝑎1𝐷1 ∗ ≥ 𝑆𝑁1 Ec. 208-03 𝐷2 ≥ 𝑆𝑁2 − 𝑆𝑁∗ 1 𝑎2𝑚2 Ec. 208-04 𝑆𝑁∗ 2 = 𝑎2𝐷2 ∗ > (𝑆𝑁2 − 𝑆𝑁∗ 1) Ec. 208-05 𝑆𝑁∗ 1 + 𝑆𝑁∗ 2 ≥ 𝑆𝑁2 Ec. 208-06 𝐷3 ∗ ≥ 𝑆𝑁3 − (𝑆𝑁∗ 1 + 𝑆𝑁∗ 2) 𝑎3𝑚3 Ec. 208-07 Donde, D1* = Espesor de la MAC redondeado. a1 = Coeficiente estructural de la capa 1 (MAC). SN1 = SN requerido para proteger la BG. SN1 * = SN requerido para proteger la BG, utilizando el espesor D1 *. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 42 D iv is ió n 2 00 SN2 = SN requerido para proteger la SB. a2 = Coeficiente estructural de la capa 2 (BG). m2 = Coeficiente de drenaje para la capa 2 (BG). D2 = Espesor de BG requerido. D2* = Espesor de BG redondeado. SN2 * = SN aportado por la BG, considerando el espesor de D2*. SN3 = SN total requerido para proteger la SR. a3 = Coeficiente estructural de la capa 3 (SB). m3 = Coeficiente de drenaje para la capa 3 (SB). D3* = Espesor de la SB redondeado. Se recomienda que los espesores estimados se redondeen a la media pulgada superior en caso de utilizar unidades inglesas o al centímetro superior en caso de utilizar unidades SI. En la Tabla 208-01 Espesores mínimos recomendados, se presentan los espesores mínimos sugeridos, su uso aplicado a capas asfálticas sobre bases granulares sin tratar. Tabla 208-01 Espesores mínimos recomendados Tráfico, ESAL’s Carpeta asfáltica en cm Base granular en cm Menos de 50 000 2,5 (1,0 in) o tratamiento superficial 10,0 (4 in) 50 001 – 150 000 5,0 (2,0 in) 10,0 (4 in) 150 001 – 500 000 6,5 (2,5 in) 10,0 (4 in) 500 001 – 2 000 000 7,5 (3,0 in) 15 (6 in) 2 000 001 – 7 000 000 9,0 (3,5 in) 15 (6 in) Mayor que 7 000 000 10 (4,0 in) 15 (6 in) Adaptado de AASHTO, 1993. Para seleccionar los espesores adecuados debe considerarse, además, los métodos constructivos y el proceso de compactación. Por razones de compactación el espesor mínimo de la capa asfáltica debe ser de al menos tres veces el tamaño máximo del agregado. Hasta este apartado se han abordado los diferentes criterios que pueden utilizarse para generar una estructura de pavimento preliminar, que servirá de base para las posteriores revisiones mecanísticas empíricas. En apartados siguientes, se abordarán conceptos Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 43 D iv is ió n 2 00 necesarios para determinar las propiedades mecánicas de los materiales dentro del método de diseño mecanístico empírico. D is eñ o de p av im en to s m ec an ís tic o em pí ric o División 300 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 46 D iv is ió n 3 00 DIVISIÓN 300: DISEÑO DE PAVIMENTOS MENCANÍSTICO EMPÍRICO El diseño de pavimentos mecanístico empírico es una combinación de conceptos en donde se pretende aplicar conocimientos de la mecánica de materiales acordes a cada material, ya que cada uno de ellos poseen comportamientos que los caracterizan. Algunas variables por considerar son: • Velocidad de operación y frecuencia de carga. • Temperatura promedio máxima de la mezcla asfáltica. • Estado de esfuerzos de los materiales granulares y suelos. • Reducción de capacidad de soporte por factores climáticos como precipitación y temperatura. Con las propiedades mecánicas estimadas a partir de ensayos de laboratorio, es posible conocer con bastante precisión el módulo resiliente de los materiales. Si los módulos estimados son válidos es posible realizar un análisis de pavimentos, considerando la carga del pavimento. Aplicando, conceptos de acumulación de daño como la Ley de Miner, que se explicará más adelante, es posible estimar cómo se consume la vida útil del Proyecto, año a año, realizando las estimaciones de los deterioros que se comentaron al inicio de la guía. Posteriormente, se incorpora la variable de confiabilidad para obtener los valores finales de cada deterioro y se verifican los umbrales que se indicaron en la Tabla 102-03 Criterios de desempeño para porcentaje de área agrietada (a la confiabilidad asociada), Tabla 102-04 Criterios de desempeño para grietas longitudinales en el carril de diseño (a la confiabilidad asociada) y Tabla 102-05 Criterios de desempeño ahuellamiento total acumulado (a la confiabilidad asociada). SECCIÓN 301 FRECUENCIA DE CARGA La mezcla asfáltica es un material que para simplificar su comportamiento se modela como un material viscoelástico, esto quiere decir que sus propiedades se encuentran definidas por una componente viscosa y otra elástica. Esto hace que el material varíe su comportamiento en función de dos variables principalmente. La velocidad de operación en el Proyecto (asociado al pulso de carga) y la temperatura de la mezcla. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 47 D iv is ió n 3 00 La duración del pulso de carga depende del tipo de carga que se asuma (sinusoidal o triangular), de la velocidad del tránsito esperado y la profundidad de la carpeta asfáltica. En la Figura 301-01 Tiempo de pulsación equivalente del esfuerzo vertical según la velocidad del vehículo y la profundidad (Gráfico de Barksdale), se presenta el gráfico que correlaciona el tipo de carga, la profundidad, la velocidad del vehículo y la duración del pulso de carga. La frecuencia (f) de carga se obtiene como el inverso del tiempo de carga, en unidades de hertz (Hz). Figura 301-01 Tiempo de pulsación equivalente del esfuerzo vertical según la velocidad del vehículo y la profundidad (Gráfico de Barksdale). Adaptado de National Cooperative Highway Research Program, 2004. De forma alternativa al grafico de la Figura 301-01 Tiempo de pulsación equivalente del esfuerzo vertical según la velocidad del vehículo y la profundidad (Gráfico de Barksdale), se tiene la Ecuación 301-01, de igual forma propuesta por Richard Barksdale en 1971 para correlacionar la velocidad de tránsito con la frecuencia de carga. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 48 D iv is ió n 3 00 𝑙𝑜𝑔 (𝑡) = −0,95 ∗𝑙𝑜𝑔 𝑙𝑜𝑔 (𝑣) + 0,0207 ∗ ℎ − 0,087 Ec. 301-01 Donde, t = duración del pulso de carga en segundos. v = velocidad de operación en el Proyecto en millas por hora. h = profundidad de interés, pulgadas. A partir de la ecuación anterior, se determina la frecuencia de carga con la relación: 𝑓 = 1 𝑡 Ec. 301-02 Donde, f = frecuencia de carga en Hz. t = duración del pulso de carga en segundos. La frecuencia de carga permitirá estimar de forma precisa el módulo de la mezcla asfáltica, a partir del ensayo AASHTO T342, Módulo dinámico en mezclas asfálticas. SECCIÓN 302 FACTOR DE REDUCCIÓN AMBIENTAL (FU) Los materiales finos asociados a la subrasante pueden presentar una alta susceptibilidad a variar su comportamiento mecánico en función del contenido de agua presente. Es por este motivo que variables como la precipitación y temperatura de la zona del Proyecto condicionarán el comportamiento específico de este material. El factor de reducción ambiental es un valor que relaciona el valor de módulo resiliente de la subrasante a humedad óptima, respecto al valor esperado en el Proyecto para un mes o periodo predeterminado. Para estimarlo es necesario contar con los siguientes valores: • Precipitación mensual histórica en la zona del Proyecto, se recomienda un histórico de al menos 10 años. • Temperatura promedio mensual en la zona del Proyecto, se recomienda un histórico de al menos 10 años. En caso de ser necesario, la información de estaciones cercanas al proyecto puede ser utilizadas como referencia. La cantidad de estaciones a considerar debe ser definida por el diseñador tomando en cuenta las características propias de cada proyecto, cercanía a las estaciones y topografía. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 49 D iv is ió n 3 00 Con estos datos es posible estimar el índice de Thornthwaite (TMI), el cual brinda una escala para poder clasificar cada zona con base en qué tan propenso es a retener humedad (ver Tabla 302-01 Escala de clasificación de zonas por TMI). Tabla 302-01 Escala de clasificación de zonas por TMI Tipo de clima Índice TMI Perhúmedo > 100 Húmedo 80 - 100 Húmedo 60 - 80 Húmedo 40 - 60 Húmedo 20 - 40 Sub-húmedo a húmedo 0 - 20 Seco a sub-húmedo -20 - 0 Semiárido -40 - -20 Árido -60 - -40 En las siguientes líneas se brinda el procedimiento para estimar el TMI (ver Anexo B Cálculo del TMI y Factor de Reducción Ambiental) con la precipitación y temperatura, y la forma de utilizar este indicador, para estimar la saturación en función del tipo de suelo utilizando las curvas características suelo-agua SWCC (soil water characteristic curves); las cuales brindan información sobre cómo varía el módulo de resiliencia del suelo con la humedad estimada. En la Ecuación 303-01 se muestra la relación entre el factor de reducción ambiental y el módulo a humedad óptima, 𝐹𝑈 = 𝑀𝑟𝑖 𝑀𝑟𝑜𝑝𝑡 Ec. 302-01 Donde, Mri = Módulo afectado por humedad para el i-ésimo mes. Mropt = Módulo resiliente bajo condiciones de humedad óptima. FU = Factor de reducción ambiental. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 50 D iv is ió n 3 00 302.01 Evapotranspiración Para la evapotranspiración se debe contar con datos de precipitación por mes (mm) y de temperatura mensual (°C). Con estos datos se calcula el índice de calor mensual utilizando la Ecuación 302-02. ℎ𝑖 = (0,2𝑡𝑖) 1.514 Ec. 302-02 Donde, ℎ𝑖 = Índice de calor para el i-ésimo mes. 𝑡𝑖 = Temperatura mensual promedio en ºC. El índice de calor anual para el año “y” (Hy) se calcula a partir de la Ecuación 302-03: 𝐻𝑦 = ∑ℎ𝑖 12 𝑖=1 Ec. 302-03 Además, con el índice de calor anual y la Ecuación 302-04 se calcula la constante “a”. 𝑎 = 6.75𝑥10−7(𝐻𝑦 3) + 7.71𝑥10−5(𝐻𝑦 2) + 0.017921(𝐻𝑦) + 0.49239 Ec. 302-04 La evapotranspiración potencial no ajustada para el i-ésimo mes (PEi) se calcula a partir de la Ecuación 302-05. 𝑃𝐸𝑖 = 16( 10𝑡𝑖 𝐻𝑦 ) 𝑎 Ec. 302-05 Donde, Hy = Índice de calor anual. 𝑡𝑖 = Temperatura mensual promedio en ºC. El valor de PEi obtenido de la Ecuación 302-05 representa la evapotranspiración potencial en mm de agua por mes durante un mes de 30 días, con días de 12 horas por día. El PEi se ajusta según la latitud y el mes del año con la Ecuación 302-06. 𝑃𝐸𝑖 ′ = 𝑃𝐸𝑖 𝐷𝑖𝑁𝑖 30 Ec. 302-06 Donde, 𝑃𝐸𝑖 ′ = Potencial de evaporación ajustado. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 51 D iv is ió n 3 00 Di = Corrección de longitud del día basado en la latitud (ver Tabla 302-02 Factor de corrección de longitud del día para la latitud norte y Tabla 302- 03 Factor de corrección de longitud del día para la latitud sur). Ni = Número de días en el mes. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 52 D iv is ió n 3 00 Tabla 302-02 Factor de corrección de longitud del día para la latitud norte Latitud Norte L a ti tu d E n e ro F e b re ro M a rz o A b ri l M a y o J u n io J u li o A g o s to S e ti e m b re O c tu b re N o v ie m b re D ic ie m b re 0 1,04 0,94 1,04 1,01 1,04 1,01 1,04 1,04 1,01 1,04 1,01 1,04 5 1,02 0,93 1,03 1,02 1,06 1,03 1,06 1,05 1,01 1,03 0,99 1,02 10 1,00 0,91 1,03 1,03 1,08 1,06 1,08 1,07 1,02 1,02 0,98 0,99 15 0,97 0,91 1,03 1,04 1,11 1,08 1,12 1,08 1,02 1,01 0,95 0,97 20 0,95 0,90 1,03 1,05 1,13 1,11 1,14 1,11 1,02 1,00 0,93 0,94 25 0,93 0,89 1,03 1,06 1,15 1,14 1,17 1,12 1,02 0,99 0,91 0,91 26 0,92 0,88 1,03 1,06 1,15 1,15 1,17 1,12 1,02 0,99 0,91 0,91 27 0,92 0,88 1,03 1,07 1,16 1,15 1,18 1,13 1,02 0,99 0,90 0,90 28 0,91 0,88 1,03 1,07 1,16 1,16 1,18 1,13 1,02 0,98 0,90 0,90 29 0,91 0,87 1,03 1,07 1,17 1,16 1,19 1,13 1,03 0,98 0,90 0,89 30 0,90 0,87 1,03 1,08 1,18 1,17 1,20 1,14 1,03 0,98 0,89 0,88 31 0,90 0,87 1,03 1,08 1,18 1,18 1,20 1,14 1,03 0,98 0,89 0,88 32 0,89 0,86 1,03 1,08 1,19 1,19 1,21 1,15 1,03 0,98 0,88 0,87 33 0,88 0,86 1,03 1,09 1,19 1,20 1,22 1,15 1,03 0,97 0,88 0,86 34 0,88 0,85 1,03 1,09 1,20 1,20 1,22 1,16 1,03 0,97 0,87 0,86 35 0,87 0,85 1,03 1,09 1,21 1,21 1,23 1,16 1,03 0,97 0,86 0,85 36 0,87 0,85 1,03 1,10 1,21 1,22 1,24 1,16 1,03 0,97 0,86 0,84 37 0,86 0,84 1,03 1,10 1,22 1,23 1,25 1,17 1,04 0,97 0,85 0,83 38 0,85 0,84 1,03 1,10 1,23 1,24 1,25 1,17 1,04 0,96 0,84 0,83 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 53 D iv is ió n 3 00 Tabla 302-02 (continuación) Factor de corrección de longitud del día para la latitud norte Latitud Norte L a ti tu d E n e ro F e b re ro M a rz o A b ri l M a y o J u n io J u li o A g o s to S e ti e m b re O c tu b re N o v ie m b re D ic ie m b re 39 0,85 0,84 1,03 1,11 1,23 1,24 1,26 1,18 1,04 0,96 0,84 0,82 40 0,84 0,83 1,03 1,11 1,24 1,25 1,27 1,18 1,04 0,96 0,83 0,81 41 0,83 0,83 1,03 1,11 1,25 1,26 1,27 1,19 1,04 0,96 0,82 0,80 42 0,82 0,83 1,03 1,12 1,26 1,27 1,28 1,19 1,04 0,95 0,82 0,79 43 0,81 0,82 1,02 1,12 1,26 1,28 1,29 1,20 1,04 0,95 0,81 0,77 44 0,81 0,82 1,02 1,13 1,27 1,29 1,30 1,20 1,04 0,95 0,80 0,76 45 0,80 0,81 1,02 1,13 1,28 1,29 1,31 1,21 1,04 0,94 0,79 0,75 46 0,79 0,81 1,02 1,13 1,29 1,31 1,32 1,22 1,04 0,94 0,79 0,74 47 0,77 0,80 1,02 1,14 1,30 1,32 1,33 1,22 1,04 0,93 0,78 0,73 48 0,76 0,80 1,02 1,14 1,31 1,33 1,34 1,23 1,05 0,93 0,77 0,72 49 0,75 0,79 1,02 1,14 1,32 1,34 1,35 1,24 1,05 0,93 0,76 0,71 50 0,74 0,78 1,02 1,15 1,33 1,36 1,37 1,25 1,06 0,92 0,73 0,70 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 54 D iv is ió n 3 00 Tabla 302-03 Factor de corrección de longitud del día para la latitud sur Latitud Sur L a ti tu d E n e ro F e b re ro M a rz o A b ri l M a y o J u n io J u li o A g o s to S e ti e m b re O c tu b re N o v ie m b re D ic ie m b re 5 1,06 0,95 1,04 1,00 1,02 0,99 1,02 1,03 1,00 1,05 1,03 1,06 10 1,08 0,97 1,05 0,99 1,01 0,96 1,00 1,01 1,00 1,06 1,05 1,10 15 1,12 0,98 1,05 0,98 0,98 0,94 0,97 1,00 1,00 1,07 1,07 1,12 20 1,14 1,00 1,05 0,97 0,96 0,91 0,95 0,99 1,00 1,08 1,09 1,15 25 1,17 1,01 1,05 0,96 0,94 0,88 0,93 0,98 1,00 1,10 1,11 1,18 30 1,20 1,03 1,06 0,95 0,92 0,85 0,90 0,96 1,00 1,12 1,14 1,21 35 1,23 1,04 1,06 0,94 0,89 0,82 0,87 0,94 1,00 1,13 1,17 1,25 40 1,27 1,06 1,07 0,93 0,86 0,78 0,84 0,92 1,00 1,15 1,20 1,29 42 1,28 1,07 1,07 0,92 0,85 0,76 0,82 0,92 1,00 1,16 1,22 1,31 44 1,30 1,08 1,07 0,92 0,83 0,74 0,81 0,91 0,99 1,17 1,23 1,33 46 1,32 1,10 1,07 0,91 0,82 0,72 0,79 0,90 0,99 1,17 1,25 1,35 48 1,34 1,11 1,08 0,90 0,80 0,70 0,76 0,89 0,99 1,18 1,27 1,37 50 1,37 1,12 1,08 0,89 0,77 0,67 0,74 0,88 0,99 1,19 1,29 1,41 Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 55 D iv is ió n 3 00 Con la evapotranspiración corregida se procede a calcular el balance de humedad. 302.02 Balance de humedad Los siguientes pasos se usan para calcular el balance de humedad usando valores de “PE” mensuales. • Extraer la precipitación mensual (Pi) de los registros climáticos. • Estimar el almacenamiento de agua inicial y máximo correspondiente al perfil de suelo en la región. El almacenamiento es la capacidad de retención del perfil del suelo en mm de agua. El almacenamiento inicial (So) depende de la condición previa de humedad y el almacenamiento máximo (Smax) depende del tipo de suelo. • Para cada mes, realizar un balance de humedad mensual para obtener R y DF, usando el diagrama de flujo en la Figura 302-01 Diagrama de flujo del balance de humedad. Figura 302-01 Diagrama de flujo del balance de humedad Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 56 D iv is ió n 3 00 Con el balance de humedad completo y con la Ecuación 302-07 se procede a calcular TMIi. 𝑇𝑀𝐼𝑖 = 100(𝑅𝑖) − 60(𝐷𝐹𝑖) 𝑃𝐸𝑖 Ec. 302-07 Donde, Ri = Escorrentía en mm de agua para el mesi. DFi = Déficit en mm de agua para el mesi. PEi = Potencial de evapotranspiración en mm de agua para el mesi. Para estandarizar mediciones considerar un almacenamiento máximo Smax= 200 mm (Arias, 2020). 302.03 Caso 1: Subrasante fina (Suelos) Para iniciar las estimaciones se debe introducir el valor del porcentaje pasando la malla N°. 200 en el análisis granulométrico (P200) y el índice plástico (PI). Con estos valores y con la Ecuación 302-08 se calcula el wPI. 𝑤𝑃𝐼 = 𝑃200 ∗ 𝑃𝐼 100 Ec. 302-08 Para calcular la succión mensual, se necesita encontrar los factores α, β, γ y δ que provienen de la Tabla 302-04 Constantes de regresión para el Modelo TM1-P200/wPI. Si el valor de P200 o wPI de un suelo se encuentra entre dos de las curvas definidas, el valor de succión debe obtenerse interpolando entre las curvas superior e inferior al valor conocido. Para interpolar se sigue el siguiente algoritmo: (1) Si P200 < 10 se usan los valores de la fila 1. (2) Si wPI < 0,5 se interpola con P200=10 y P200=50 de las filas 1 y 2. (3) Si 0,5 < wPI < 5 se interpola con wPI entre las filas 2 y 3. (4) Si 5< wPI < 10 se interpola con wPI entre las filas 3 y 4. (5) Si 10 < wPI < 20 se interpola con wPI entre las filas 4 y 5. (6) Si 20 < wPI < 50 se interpola con wPI entre las filas 5 y 6. (7) Si wPI > 50 se usan los valores de la fila 6. Manual de Especificaciones Generales • GDP • Volumen 4 • Tomo I 57 D iv is ió n 3 00 Tabla 302-04 Constantes de regresión para el Modelo TM1-P200/wPI Fila P200 o wPI α β γ δ R2 1 P200 = 10 0,30 419,07 133,45 15,00 > 0,99 2 P200 = 50/wPI = 0,5 o menos 0,30 521,50 137,30 16,00 > 0,99 3 wPI = 5 0,30 663,50 142,50 17,50 > 0,99 4 wPI = 10 0,30 801,00 147,60 25,00 > 0,99 5 wPI = 20 0,30 975,00 152,50 32,00 > 0,99 6 wPI = 50 0,30 1171,20 157,50 27,80 > 0,99 Con los valores α, β, γ y δ y la Ecuación 302-09 se calcula la succión mensual. ℎ = 𝛼