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Trabajo 1 Semana 3
Trabajo 1 Semana 3
Trabajo 1 Semana 3
ARQUITECTURA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Diseño de pavimentos flexibles - Método del Instituto de Asfalto,
parámetros de diseño y Métodos de diseño mecanístico -empírico
de pavimentos flexibles.
AUTORES:
ASESOR:
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN:
Construcción Sostenible
CHICLAYO – PERÚ
2023
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RESUMEN: en el presente trabajo se presenta un análisis, desde un punto de vista global, de las distintas
estructuraciones que existen para el diseño de los pavimentos flexibles. Se analiza la influencia de sus
parámetros solicitantes, tránsito y clima, y sus parámetros resistentes. Se indican las tendencias que han
seguido, con el tiempo, los distintos métodos de diseño y como ellos han ido variando a medida que se
integran nuevos elementos de juicio, posibles de cuantificar con el avance tecnológico actual. Finalmente, se
recomienda analizar con mayor detalle el tipo de estructuración más conveniente para utilización en nuestro
país, cuando la solución de diseño sea un pavimento flexible.
I. INTRODUCCION
Se denomina pavimento a la estructura que recibe a las solicitaciones de tránsito y clima y las traspasa a la
sub-rasante, repartidas de manera que éste pueda soportar tales solicitaciones sin sufrir deformaciones,
durante un período determinado de tiempo (vida útil). En la Figura N°1 se indica esquemáticamente esta
definición. La estructura del pavimento está compuesta de diferentes capas, dispuestas en forma tal, que
pueda realizar las funciones para lo cual fue diseñada de manera eficiente y económica. Por esta razón los
pavimentos se definen como estructuraciones multicapas.
1 . 1 Pavimentos rígidos
- losa de hormigón de cemento hidráulico de un espesor importante, que absorbe la carga del
tránsito traspasándola a la sub-base y al terreno natural. Su repartición es aproximadamente uniforme en la
parte inferior de ella,
- junturas con o sin traspaso de carga y
- sub-base sobre la cual se apoya la losa (1).
1 . 2 Pavimentos flexibles
Son aquellos en que sus capas constitutivas tienen bajos valores de resistencia a la flexo-tracción,
absorbiendo las solicitaciones mediante su resistencia al esfuerzo de corte, dependiendo del espesor y
calidad de estas
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capas, la distribución de la carga superficial hacia el terreno natural. En general la calidad resistente de las
capas disminuye a medida que aumenta su distancia (profundidad) de la rasante (plano que recibe las
solicitaciones de tránsito). En los pavimentos flexibles se distinguen tres tipos generales de estructuración:
- pavimentos flexibles con capas estructurales de mezclas asfálticas que aportan capacidad de soporte al
total de la estructura.
- pavimentos flexibles cuyas capas asfálticas (tratamientos asfálticos) no aportan capacidad de soporte a la
estructura.
- pavimentos flexibles compuesto sólo por capas granulares.
Por lo general, estos pavimentos están formados por una carpeta de rodado, base, sub-base y material sub-
rasante.
El presente trabajo abordará en una forma general los conceptos que rigen la estructuración de un pavimento
flexible, sin entrar a profundizar la descripción de los distintos métodos de cálculo que actualmente se
encuentran disponibles para los Ingenieros especialistas en este tipo de diseño.
De las tres modalidades de pavimentos flexible, las dos modalidades de estructuración con pavimento
asfáltico son de igual calidad técnica para resolver la problemática de un pavimento flexible y la tercera
modalidad es sólo para caminos de bajo tránsito. Si las ordenamos según su costo para nosotros, tenemos:
Esta estructuración, es básicamente utilizada en caminos de bajo tránsito y representa la estructuración más
económica. Su vida útil termina cuando su costo de mantención excede al costo de elevar su estándar a la
estructura siguiente (2). Básicamente queda representada por el esquema indicado en la Figura N°2.
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2.2 Pavimento estructurado en base a capas asfálticas que no aportan estructuras
Esta estructuración considera, de arriba hacia abajo, un tratamiento superficial asfáltico, base estabilizada,
sub-base granular y material de sub-rasante. En la Figura N°3 se indica esquemáticamente esta estructuración
(3). El total del aporte estructural está dado por las capas granulares. El tratamiento superficial permite un
buen comportamiento de ellas, evitando su erosión debido al tránsito e impermeabilizándolas de las aguas
superficiales. Evitar que las capas granulares sean influenciadas por la humedad, permite mantener en mejor
forma su estabilidad (módulo resiliente). En definitiva, esta estructuración se puede considerar la más estable
a los efectos climáticos.
Este tipo de estructuración ha sido divulgado ampliamente en todo el mundo y su uso está generalizado en
nuestro país. Tuvo un gran avance tecnológico después de los estudios obtenidos en la pista de prueba de la
AASHTO en Illinois U.S.A. (4). En la Figura N°4 se indican las capas que forma esta estructuración.
Se menciona en este grupo una estructuración que ha sido propuesta y patentada por el Instituto de Asfalto
Norteamericano, llamada "Full Depth". En ella se contempla sólo capas asfálticas sobre el terreno natural,
considerando un concreto asfáltico para rodado y mezclas de base asfálticas directamente sobre el suelo de
fundación (5). En Figura N°5 se esquematiza esta estructuración.
Todos los métodos de diseño consideran estas dos solicitaciones, razón por la cual se hará una breve reseña
de su influencia en el diseño de un pavimento flexible.
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3 . 1 Solicitación clima
Para los efectos de diseño de un pavimento flexible debemos considerar todos los aspectos que inciden en
forma prioritaria en su estructuración, éstos son:
a) Régimen de agua caída: como es de conocimiento general no puede existir un buen diseño, cualquiera que
éste sea, si no se tiene un correcto drenaje y evacuación de aguas lluvias. Como regla general podemos
indicar que una vez resuelto, el escurrimiento superficial, debe mantenerse la napa freática a una distancia
mínima de 1,5 m de la superficie del pavimento.
De acuerdo a esta condicionante, se debe proceder a evaluar cuidadosamente los datos estadísticos
entregados por las diversas instituciones nacionales que se han especializado en las mediciones
pluviométricas para las distintas zonas del país. Se deberá analizar los antecedentes en forma apropiada para
los distintos usos que estos cálculos sean necesarios. Por ejemplo se necesita conocer el total de agua caída
máxima por hora, día o mes, según se trate de diseñar cunetas, fosos, obras de arte, sub-drenes, etc.
Antecedentes, que pueden estudiarse en el Manual de Carreteras de uso obligatorio por la Dirección de
Vialidad (2).
Otro punto que debe estudiarse en relación al agua caída, es la calidad de los terrenos naturales y capas
estructurales, ya que el efecto de capilaridad puede hace variar la humedad de las capas (material de
sub-rasante, base y sub-base), más allá de sus límites de humedad óptima, pudiendo ésta aumentar (zonas
lluviosas) hasta la saturación o disminuir (zonas desérticas) hasta perder la totalidad de ella. Como puede
fácilmente comprenderse, la pérdida o aumento de la estabilidad en un pavimento flexible, estará
directamente ligado al régimen de agua caída. Debe tenerse en mente al proyectar un pavimento asfáltico
que la carpeta asfáltica impide la evaporación superficial, aumentando con ello la posibilidad de saturación
por capilaridad. Por último debemos mencionar la caída de nieve y posteriores heladas. Este tipo de
precipitaciones lo tenemos en ciertas zonas del país como las regiones XI y XII y zonas cordilleranas.
Las precipitaciones a baja temperatura afecta a los pavimentos superficialmente (pavimentos resbalosos) y
en su resistencia estructural por la penetración de heladas en las distintas capas componentes del
pavimento. El efecto destructor se manifiesta durante el período de deshielo (4).
b) Efectos producidos por la temperatura : la temperatura es el segundo factor climático que afecta en
forma relevante a un pavimento flexible con capas asfálticas.
Los cambios de temperatura afectan al comportamiento de las capas asfálicas ya que éstas varían su
estabilidad de acuerdo a las variaciones que producen los cambios de temperatura en la viscosidad del
asfalto. Por esta razón las capas asfálticas se denominan termoplásticas y viscoelásticas.
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Así tenemos que el Módulo de Elasticidad de una capas asfáltica de rodado puede variar entre 10.000 kg/cm2 a
150.000 kg/cm2 de verano a invierno y la capa asfáltica de base de 20.000 kg/cm 2 a 100.000 kg/cm2 para las
mismas condiciones (8).
Los efectos de temperatura obligan a una buena elección del material asfáltico, para que éste pueda tener un
comportamiento adecuado bajo las condiciones imperantes. En general podemos afirmar que el uso de
cementos asfálticos de baja penetración se tornan quebradizos con temperaturas muy bajas y que la
utilización de cementos asfálticos de alta penetración pierden estabilidad (cohesión) con altas temperaturas.
De lo dicho anteriormente, se puede apreciar la enorme dificultad que significa el estudio del
comportamiento de un pavimento de modalidad 3 ya que en su estructuración inciden en forma importante
las estabilidades que presentan las mezclas asfálticas debido a su comportamiento termoplástico y
viscoelástico.
1. efecto del agua en el rodado: la lluvia, al escurrir sobre una superficie asfáltica, forma una delgada
película de agua. Esta película de agua tiende a producir resbalamiento en la superficie de la carretera, razón
por la cual se deberá considerar el tipo de textura superficial para evitar este fenómeno (aqua planning).
Especial cuidado se deberá tener para evitar exudaciones de asfalto hacia la superficie del camino, por cuanto
este defecto tiende a aumentar el resbalamiento por lisura superficial y que en la presencia de agua hace poco
seguro el tránsito en la carretera, llegándose a límites de peligro, si las velocidades de éste son altas (3).
2. efectos del clima en la construcción de un pavimento flexible: existen dos aspectos que deben
considerarse con relación al clima que inciden en la construcción de un pavimento asfáltico. El primero de
ellos es el referente a la imposibilidad de efectuar mezclas asfálticas por limitantes de temperatura y
humedad. Estas limitantes están indicadas en todas las especificaciones, de manera que no se hace necesario
volverlas a repetir. En todo caso, es conveniente cumplirlas fielmente, si se quiere obtener un resultado
satisfactorio (2). El segundo aspecto se refiere al tiempo de duración de las limitantes mencionadas. Al
diseñar un pavimento
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asfáltico se deberá conocer previamente las posibilidades de su construcción, evitando con ésto los errores
tan comunes, de tener que efectuar un pavimento asfáltico bajo condiciones adversas sólo para cumplir con
el plazo indicado para un determinado contrato.
Citaremos como ejemplo, si en una determinada época del año se quiere construir un tratamiento asfáltico
simple, se deberá contar con por lo menos 20 días de buen tiempo (seco y caluroso) en que este tratamiento
simple deberá estar en servicio para obtener un buen resultado. Si no se dispone de este lapso de tiempo,
deberá cambiarse el tratamiento simple a uno doble. Este último sólo requiere de 8 días de buen tiempo, dado
que el primer riego de gravilla (capa base) tiene un doble recubrimiento lo que le da una mayor sujeción a la
piedra en la base estabilizada (6).
De acuerdo a este criterio de tiempo útil trabajable, se ve la conveniencia económica que representa el
construir pavimentos de alto rendimiento (tratamientos superficiales, mezlcas en frío o capas delgadas de
mezclas en caliente) a efectuar diseños tradicionales como el descrito en el punto 2.2, cuando el tiempo
apropiado para la ejecución de un pavimento asfáltico es relativamente corto (ej: zona sur de Chile). Desde
este punto de vista se hace recomendable hacer un mapa de tiempo disponible para trabajar en mezcla
asfáltica para las distintas regiones del país, de esta manera se podrá programar en forma más eficiente el
plazo de ejecución de un contrato determinado para una zona en particular.
Las solicitaciones del tránsito que recibe el pavimento dependen fundamentalmente de dos factores que
afectan a la fatiga del terreno natural y a la fatiga producida en las distintas capas componentes del
pavimento. Estas son:
Los dos primeros factores, que son tratados en detalle en el Volumen 3 del Manual de Carreteras (2), deberán
ser considerados en todos los métodos de diseño de pavimento, para conocer la respuesta de la capacidad
estructural del pavimento y del suelo de fundación con relación al número de pasadas y peso vehicular.
Es de práctica generalizada en todos los países usar la equivalencia del tránsito a un sólo tipo de Eje
Estándar. El uso más común, es el propuesto por la AASHTO correspondiente a un eje de 18.000 libras de
peso (18 kip, equivalen a 8.193 kg) (4).
Algunos países han preferido usar su eje legal máximo estandarizado de 100 KN por eje simple y 160 a 200
KN para eje tándem, (9). Para, determinar el factor de equivalencia usan la expresión.
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N = (P/P0)4 [1]
donde:
n = factor de equivalencia
P = peso del eje cualquiera
P0 = peso del eje estándar
- la primera capa soporta perfectamente bien la carga directa, por ser ésta muy baja con relación a la
estabilidad de dicha capa (calidad de la capa).
- esta primera capa debe ser capaz de absorber las tensiones que se producen en su capa inferior sin
agrietarse (espesor mínimo de la capa).
Los criterios aquí planteados indican que cualquier tipo de capa estructural colocado en la parte superior
deberá tener un dimensionamiento mínimo que debe calcularse. La presión de inflado del neumático influye
directamente a la superficie de la primera capa, siendo su efecto rápidamente disipado en ella, de manera que
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las capas siguientes sólo son influenciadas por el peso total del eje cargado. En todo caso el fenómeno
descrito entre la primera y la segunda capa debería en teoría efectuarse en todas las interfases siguientes de
manera que pueda comprobar la efectividad del espesor de cada una de ellas.
Una vez estudiados y cuantificados los parámetros solicitantes se deberá estudiar el terreno de fundación
para determinar sus cualidades de estabilidad y poder así calcular la estructura del pavimento.
Para realizar este estudio se debe cumplir con dos condiciones. La primera de ellas es que debe ser muy
minucioso, dado que la formación del terreno natural es, por lo general, hetereogénea. La segunda condición
es que se debe reflejar en la forma más aproximada posible a la calidad estructural del terreno, con métodos
sencillos de ejecutar y de fácil comprensión. Como se puede apreciar ambas condiciones son opuestas y es en
este punto donde se producen las mayores disparidades de criterio y que a la postre hacen la diferencia de
tener un buen diseño a tener un diseño deficiente.
Actualmente, se ha generalizado el uso del Ensayo CBR, usado ampliamente en nuestro país desde 1956, y
que aunque muy discutido tiene las innegables ventajas de ser un ensayo simple y de fácil implementación.
En las recientes investigaciones para llegar a disponer de un método más racional de diseño (método
mecanicista) se está usando los módulos de elasticidad de las distintas capas. El C.B.R. se ha relacionado con
los Módulos de Elasticidad (resiliente) del suelo, aceptándose como bueno la relación E = 100 C.B.R., para
los rangos bajos de C.B.R entre 2% y 10% (11).
Históricamente se conocen tres diferentes enfoques para resolver el espesor y calidad que debe tener un
pavimento flexible.
a) solución matemática: la primera solución que apunta a resolver este problema fue planteada en forma
matemática por Boussinesq en 1885 y consideró al pavimento formado por una capa infinita compuesta por
un material suelo homogéneo e isotropo, supuesto muy alejado de la realidad.
En todo caso este análisis efectuado por Boussinesq indicó la variación del efecto de las cargas en
profundidad, indicando la poca relevancia que se tiene analizar terrenos de fundación más allá de 1 m de
profundidad. La comprobación de este primer intento de aproximarse en la solución del complejo problema
de un pavimento multicapa, se ha confirmado posteriormente con los métodos de análisis que se efectúan en
la actualidad.
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Posteriormente Burmister, estudió el problema como un sistema multicapa, planteando las ecuaciones
matemáticas que relacionen las diferentes capas de acuerdo a la teoría de la elasticidad. Dada la complejidad
de estas ecuaciones trató de resolver un pavimento, compuesto por dos capas (1945) y por tres capas (1947).
Las ecuaciones matemáticas resultantes para la solución de este tipo de estructuración, planteadas en 1943,
quedaron sin solución y Burmister resolvió su problema con una serie de simplificaciones también alejadas
de la realidad.
La solución matemática fue desechada por su poca representatividad dando origen a la solución empírica.
b) solución empírica: este tipo de solución estudia en una pista de prueba diversos tipos de
combinaciones de pavimentos bases y sub-bases y de estos estudios se obtienen métodos de diseño, que a lo
menos representan los resultados medidos en esa pista de prueba. Es así como primero se construyeron pistas
de prueba de Laboratorio para luego pasar a pistas de prueba a escala natural.
La primera pista de importancia fue construida por la WASHO en Idaho U.S.A. en 1954. De los estudios
realizados en esta pista se concluyó que era insuficiente por lo cual se programó por la AASHTO una pista
en gran escala en Illinois en 1958. De los resultados de esta pista y de consideraciones posteriores se
concluyó en un método de diseño que actualmente es usado en nuestro país y que está ampliamente descrito
en el Volumen 3 del Manual de Carreteras (2).
Los resultados obtenidos en forma empírica tienen la seria dificultad de la extrapolación, ya que no se
conocen las leyes que rigen en definitiva el comportamiento de los materiales. Otra dificultad que presentan
estos métodos se refiere a su posible utilización a otros lugares distintos del sitio en que se efectuó la prueba.
Diferencias de materiales y climas han dificultado el obtener una buena respuesta del diseño al ser puesto en
servicio
La AASHTO trató de solucionar esta dificultad afectando sus valores por un Factor Regional (4). Este Factor
Regional debía, en teoría, compatibilizar los resultados obtenidos con el método de diseño AASHTO al ser
usado en cualquier otra zona. En realidad el uso de un Factor que compatibilice los resultados obtenidos en
Illinois U.S.A. con los resultados que podamos nosotros obtener en Chile, lo convierten en un Factor de una
cuantificación muy difícil y es así como a juicio del autor, los resultados de aplicar este método en nuestro
medio nos induce a sobredimensionar los diseños. En la actual guía de diseño de la AASHTO (1986) se
reemplazó el Factor Regional por otros indicadores que configuran en mejor forma el lugar donde se usará el
método indicado en la guía de diseño (1986) (12).
Considerando los problemas involucrados con los métodos empíricos llegamos a un nuevo planteamiento, el
método mecanicista.
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Revista de Ingeniería de Construcción, N°4, Marzo 1988
método mecanicista: este método consiste en resolver la problemática planteada para la solución de una
estructuración multicapa de sólidos elásticos por métodos matemáticos y luego calibrar el modelo con
mediciones en terreno del comportamiento real del pavimento.
Este método, que actualmente, está siendo analizado a nivel mundial, ha sido posible de implementarse
debido a que las relaciones elásticas que rigen a un sistema multicapa ha sido solucionado adecuadamente de
dos maneras (10,13):
Para ambas soluciones existen diversos programas computacionales que hacen posible su utilización.
Debemos destacar, que debido a mayor facilidad de manejo (menor utilización de capacidad computacional)
es más factible utilizar (hay en mayor número de programas disponibles) los programas computacionales
basado en la solución de las ecuaciones matemáticas de Burmister. Antecedentes de su "modus operandis"
han sido planteadas en el seguimiento de pavimentos asfálticos (13).
Debemos dejar establecido que el método mecanicista, que entrega una mejor visión de las complejidades
resultantes del estudio de estratigrafías de pavimentos flexibles multicapas, se refiere en lo principal a una
comprobación de una estructuración propuesta. En la Figura N°6 se indica un marco conceptual que ilustra
los procedimientos que deben considerarse al plantear la solución de un pavimento flexible mediante este
método.
V I . COMENTARIOS FINALES
Del análisis de las estructuraciones descritas para distintos tipos de pavimentos flexibles podemos establecer
que:
3. deben estudiarse y cuantificarse las limitaciones constructivas en cada sistema, de manera que su elección
responda a los requisitos predominantes en un tiempo y lugar determinado.
Como una conclusión final podemos recomendar una revisión de los modelos de estructuración de pavimentos
flexibles usados en nuestro país, ya que disponemos de áridos abundantes y de buena calidad.
REFERENCIAS
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1975.
2. Ministerio de Obras Públicas, Manual de Carreteras, Volúmenes 3, 4 y 5, Ministerio de Obras
Públicas, Dirección General de Obras Públicas, Dirección de Vialidad, Santiago, Chile, 1975.
3. Pattillo, J., "Introducción a la Tecnología de los Pavimentos Asfálticos", Instituto Chileno del
Asfalto, Editorial Universitaria, Santiago, Chile, 1985.
4. American Association of State Highway and Transportation Offícials, AASHTO, Interim Guide
for design of Pavement Structures, EE.UU., 1972 .
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Series N 1 (MS-1), Tha Asphalt Institute, Maryland, EE.UU.,1981.
e
6. McLeod, N.W., "A General Method of Design for Seal Coats and Surface Treatments",
Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologist, Asphalt Paving Technology, Los Angeles,
1969, Vol. 38.
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South, Victoria, 1984.
8. Kraemer, C. y Martínez de Aragón, A. "Análisis de Tensiones y Deformaciones. Estudio de la
Fatiga de las Secciones Estructurales de fFrmes Flexibles de la Norma 6.1 I.C.", Ministerio de Obras
Públicas y Urbanismo, Madrid, 1977.
9. Economic Commision for Europa (E.C.E.), "Effects of heavy vehicles on Roads", Naciones
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Revista de Ingeniería de Construcción, N°4, Marzo 1988
10. Monismith, C.L. y Witczak, M.W., Moderator's report, paper in session I, Pavement Design,
Proceedings Fifth International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements, The University
of Michigan and the Delfth University of Technology, The Netherlands, August 1982, Vol. II, 2 - 58.
11. Heukelom, W. y Klomp, A.J.G., "Dynamic Testing as a Means of Controlling Pavements During
and After Construction". International Conference on the Structural Design of Asphalt Pevements,
University of Michigan, Ann Arbor, August 1962, 667-679.
12. American Association of State Highway and Transportation Offícials. AASHTO Guide for Design
of Pavements Structures, EE.UU., 1986.
13. Pontificia Universidad Católica de Chile, "Plan de Control y Seguimiento de Pavimentos
Asfálticos", Informe Anual, 1986, Ministerio de Obras Públicas. Dirección de Vialidad, Santiago, 1987.
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Revista de Ingeniería de Construcción, N°4, Marzo 1988
000016
METODO DEL INSTITUTO DEL
ASFALTO
CARRETERA RURAL
CARRETERAS INTERURBANAS
Se denomina tránsito:
Capacidad de servicio.
Drenaje y compactación.
1.- Suelos
2.- Tráfico
3.- Materiales
ESTUDIO DE SUELOS
- Exploración
- Caracterización
- Propiedades
- Capacidad de Soporte
Se deben efectuar :
1.50
➢ Textura
➢ Forma de los granos
➢ Granulometría
➢ Plasticidad.
PROPIEDADES FISICO-MECANICAS
PERFIL ESTATIGRÁFICO
ESTUDIO DE TRÁFICO
❖ Composición
❖ Estadística
❖ Proyección
La Norma establece: peso bruto máximo total por vehículo < 48,000Kg
ESTADÍSTICA DE TRÁFICO
➢ Tráfico Derivado
➢ El Tráfico Inducido
✓ Crecimiento poblacional
✓ Crecimiento Bruto Interno
✓ Producto Bruto Interno Per-Capital por habitante
ESTUDIO DE MATERIALES
IDENTIFICACIÓN DE LA CANTERA
DISEÑO DE PAVIMENTOS
1. Metodologías Clásicas
2. Metodologías Actuales
3. Nuevas Tendencias
METODOLOGÍAS
CLÁSICAS MÉTODO
DEL CBR
- CBR de la Subrasante
- Tráfico
MÉTODO DEL ÍNDICE DE GRUPO
METODOLOGÍAS ACTUALES
- Método de la AASHTO
- Método del Instituto del Asfalto
15.5°C(60?F) Posible
>24°C(75?C) No
CONCLUSIONES.
➢ Debido a la disponibilidad de nuevos productos, será necesario
verificar su durabilidad en aplicaciones específicas, para ello será
necesario desarrollar procedimientos de prueba que puedan
reflejar su comportamiento en campo.
➢ Desarrollar nuevos procedimientos constructivos de rehabilitación
y mejorar los existentes que permitan que los pavimentos
alcancen la vida útil para los cuales
➢ fueron diseñados.