PAVIMENTOS

INGENIERÍA CIVIL

UNIDAD DIDÁCTICA I
CAPÍTULO III

PAVIMENTOS FLEXIBLES

• Diseño de Afirmados.
• Método Aashto 93
• Método del Instituto del Asfalto

M.Sc. Ing. Héctor Cuadros Rojas | Junio del 2024 | Semana 4

 DISEÑO DE PAVIMENTOS

MÉTODOS EMPÍRICOS
1. Método USACE (U.S. Army Corps of Engineers)
2. Método del Road Research Laboratory
3. Método de la HRB (Highway Research Board)
4. Método NAASRA (National Association of Australian State Road Authorities
– AUSTROROADS)
Cuadros (2024) | Pavimentos
 DISEÑO DE PAVIMENTOS

MÉTODO USACE (Cuerpo de Ingenieros de Estados Unidos)

Cuadros (2024) | Pavimentos

 MÉTODO DE LA USACE (U.S. ARMY CORPS OF ENGINEERS)

• Método utilizado para el cálculo de espesor de la estructura del pavimento a nivel de

afirmado a lo largo del tramo en estudio.
• Factores a considerar por la USACE para determinar el espesor de la capa de rodadura:

El valor soporte de
California o CBR
de la subrasante Número de ESALs

• Con los valores establecidos para el tráfico (Ejes Equivalentes), la capacidad de soporte
de la subrasante CBR y el Gráfico N° 01 se determina el espesor del pavimento.
• Se verifica el CBR que debe tener la capa del pavimento en función del tráfico, CBR de la
subrasante y el espesor requerido según el Cuadro Nº 01.
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GRÁFICO Nº 1 – CURVAS PARA EL
DISEÑO DE ESPESORES DE PAVIMENTOS
CON SUPERFICIE DE RODADURA
GRANULAR (MÉTODO USACE)
 Ejes equivalentes a CBR de la Espesor de afirmado (pulgadas)
18,000 libras subrasante 6 9 12 15 18 21 24 27 30
2 96 62 48 40 34 31 28 26 24
4 78 50 38 32 28 25 23 21 20
6 69 44 34 28 25 22 20 19 17
10,000 8 63 41 31 26 23 20 18 17 16
10 59 38 29 24 21 19 17 16 15
15 52 33 26 21 19 17 15 14 13
20 48 31 24 20 17 15 14 13 12
2 147 95 73 61 53 47 43 40 37
4 119 77 59 49 43 38 35 32 30
PARA EL MATERIAL DE AFIRMADO
(US ARMY CORPS OF ENGINEERS)

6 105 68 52 43 38 34 31 28 27
CUADRO Nº 1 – CBR REQUERIDO

50,000 8 96 62 48 40 35 31 28 26 24
10 90 58 45 37 32 29 26 24 23
15 79 51 39 33 28 25 23 21 20
20 73 47 36 30 26 23 21 20 18
2 178 114 87 73 63 57 52 48 45
4 143 92 71 59 51 46 42 39 36
6 126 82 63 52 45 41 37 34 32
100,000 8 116 75 57 48 41 37 34 31 29
10 108 70 54 46 39 35 32 29 27
15 95 62 47 39 34 31 28 26 24
20 87 56 43 36 31 28 26 24 22
2 270 175 134 110 97 87 79 73 68
4 219 141 108 90 78 70 64 59 55
6 194 125 96 80 69 62 57 52 49
500,000 8 177 115 88 73 64 57 52 48 45
10 166 107 82 68 59 53 48 45 42
15 146 94 72 60 52 47 43 40 37
20 134 86 66 55 48 43 39 36 34
2 325 210 161 134 116 104 95 88 82
4 263 170 130 108 91 84 77 71 67
6 233 150 115 96 83 75 68 63 59
1,000,000
8 213 138 106 88 76 68 62 58 54
10 199 129 99 82 71 64 58 54 50
15 176 114 87 72 63 56 51 48 44
 DISEÑO DE PAVIMENTOS

MÉTODO DEL ROAD RESEARCH LABORATORY

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 MÉTODO DEL ROAD RESEARCH LABORATORY

• Método basado en la relación establecida por la Road Research Laboratory entre

el valor del CBR de la subrasante y el Índice Medio Diario (IMD) de los vehículos de
más de 3 tn.
• Del gráfico Nº 2, se obtiene el espesor del afirmado a partir del CBR promedio los
ESALs.

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GRÁFICO Nº 2 – CURVAS PARA EL
DISEÑO DE ESPESORES DE
PAVIMENTOS CON SUPERFICIE DE
RODADURA GRANULAR (MÉTODO
ROAD RESEARCH LABORATORY
 DISEÑO DE PAVIMENTOS

MÉTODO HIGHWAY RESEARCH BOARD - HRB

(Junta de Investigación de Carreteras)

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 MÉTODO DEL ÍNDICE DE GRUPO - HRB

• Los factores de diseño son el Índice de Grupo del terreno de fundación y la

clasificación del tipo de tránsito según jerarquización.
• La carga por rueda considerada para el diseño es de 9000 lb.
• Condiciones de diseño:
• El terreno de fundación debe estar compactado a humedad óptima y
densidad de campo mínimo de 95% de la densidad máxima obtenida
según método estándar.
• El material de subbase y base deben estar compactados al 100% de su
densidad máxima como mínimo.
• Buenos sistemas de drenaje subterráneo y superficial.
• El nivel de la napa freática se encuentra a una profundidad > 2 m. No es
perjudicial a la estabilidad del terreno de fundación.

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1. CLASIFICACIÓN DEL SUELO DE LA

Condición Índice “IG”

Muy malo Entre 9 y 20
Malo Entre 4 y 9
Regular Entre 2 y 4
Bueno Entre 1 y 2
SUBRASANTE

Excelente Entre 0 y 1
 Condición del Índice “IG”
tránsito comercial
Liviano < 50 camiones x día
2. CLASIFICACIÓN DEL TRÁNSITO

Mediano Entre 50 y 300 camiones x

día
Pesado > 300 camiones x día

• Siendo el tránsito comercial aquél que está formado por

camiones y autobuses, con exclusión de los vehículos de
turismo.
• Se sugiere que un máximo de 15% de los vehículos tiene
carga por rueda de 9,000 lb (4,086 kg).
 DESCRIPCION DEL
TRÁNSITO
TERRENO DE CAPAS DEL PAVIMENTO TRÁNSITO MEDIANO TRÁNSITO PESADO
LIVIANO
FUNDACIÓN
Base y C. Rodadura 15 cm (6”) 22 cm (9”) 30 cm (12”)
IG > 9
Subbase 30 cm (12”) 30 cm (12”) 30 cm (12”)
Muy malo
3. ESPESORES DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

Espesor total 45 cm (18”) 52 cm (21”) 60 cm (24”)

PARA DIFERENTES ÍNDICES DE GRUPO

Base y C. Rodadura 15 cm (6”) 22 cm (9”) 30 cm (12”)

IG de 4 a 9
Subbase 20 cm (8”) 20 cm (8”) 20 cm (8”)
Malo
Espesor total 35 cm (14”) 42 cm (17”) 50 cm (20”)
Base y C. Rodadura 15 cm (6”) 22 cm (9”) 30 cm (12”)
IG de 2 a 4
Subbase 10 cm (4”) 10 cm (4”) 10 cm (4”)
Regular
Espesor total 25 cm (10”) 32 cm (13”) 40 cm (16”)
Base y C. Rodadura 15 cm (6”) 22 cm (9”) 30 cm (12”)
IG de 1 a 2
Subbase 5 cm (2”) 5 cm (2”) 5 cm (2”)
Bueno
Espesor total 20 cm (8”) 27 cm (11”) 35 cm (14”)
Base y C. Rodadura 15 cm (6”) 22 cm (9”) 30 cm (12”)
IG de 0 a 1
Subbase No necesita No necesita No necesita
Excelente
Espesor total 15 cm (6”) 22 cm (9”) 30 cm (12”)

El espesor combinado de base + capa de rodadura puede ser distribuido de varias formas,
considerando la mezcla asfáltica a utilizarse:
• Tratamientos superficiales generalmente son < 1” de espesor.
• Mezclas en frío e ≤ 2”. Mezclas en caliente 2” ≤ e ≤ 4”
 DISEÑO DE PAVIMENTOS

Método NAASRA (National Association of Australian State

Road Authorities – AUSTROROADS)

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 MÉTODO NAASRA (adecuado por el MTC - MC-05-14)

• Metodología de diseño adecuada por el MTC (Manual de Suelos y Pavimentos)

para diseñar estructuras de pavimentos cuya capa de rodadura está compuesta
por material de afirmado en su totalidad.
• Parámetros de diseño incluyen las características de la subrasante y el nivel de
tránsito.

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MÉTODO NAASRA (adecuado por el
MTC - MC-05-14, pg. 90)
ESPESOR DE CAOA DE REVESTIMIENTO
GRANULAR
MÉTODO NAASRA (adecuado por el MTC
- MC-05-14, pg. 91)
CATÁLOGO DE CAPAS DE AFIRMADO
(REVESTIMIENTO GRANULAR)
PERIODO DE DISEÑO 10 AÑOS (adecuado
por el MTC - MC-05-14, pg. 92)
GRADACIÓN DEL MATERIAL DE
AFIRMADO (adecuado por el MTC - MC-
05-14, pg. 93-94)
 Diseño de Pavimentos Flexibles

MÉTODO AASHTO

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 ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1993

∆𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃
log10
4.2 − 1.5
log10 𝑊𝑊18 = 𝑍𝑍𝑅𝑅 𝑆𝑆0 + 9.36 log10 𝑆𝑆𝑆𝑆 + 1 − 0.20 + + 2.32 log10 𝑀𝑀𝑅𝑅 − 8.07
1094
0.40 +
𝑆𝑆𝑆𝑆 + 1 5.19

𝑊𝑊18 : Número de aplicaciones de carga de 18 kips.

𝑍𝑍𝑅𝑅 : área bajo la curva de distribución estandarizada para una confiabilidad R.
𝑆𝑆0 : desviación estándar de las variables.
𝑆𝑆𝑆𝑆 : número estructural.
∆𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃: pérdida de la serviciabilidad prevista en el diseño.
𝑀𝑀𝑅𝑅 : módulo resiliente de la subrasante.
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 VARIABLES DE DISEÑO

• Medio ambiente (Tiempo).

• Tránsito.
• Serviciabilidad.
• Propiedades de los materiales.
• Drenaje.
• Confiabilidad.
• Suelo de soporte.

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 VARIABLES DE TIEMPO

• Periodo de diseño o de vida útil.

• Tiempo entre la construcción del pavimento y el
momento en que éste alcanza la serviciabilidad mínima.
• BID: 15 años con superficie asfáltica y 25 años para
concreto.

• Periodo de análisis.
• Tiempo total que cada estrategia de diseño debe cubrir.
Puede comprender varios periodos de vida útil.

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 Periodos de análisis recomendados (AASHTO)

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 TRÁNSITO

• Estudios de Capacidad vial y Nivel de Servicio:

• Análisis operacional.
• Análisis de proyecto.
• Indispensable para definir características geométricas.
• Crecimiento del tránsito futuro.

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 TRÁNSITO

• Definición de carril de diseño.

• Estudio de tránsito para evaluar la posibilidad que camiones
cargados viajen en una dirección y descargados en la otra.
• En ausencia de datos:

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 TRÁNSITO

FACTOR DE CRECIMIENTO ACUMULADO DEL TRÁNSITO

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 TRÁNSITO

• Número de repeticiones de ejes equivalente

• Configuración de ejes de la Norma Peruana:

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 Desviacion Estándar Normal (ZR)

Desviación Estándar Normal (ZR) Correspondientes a Niveles

seleccionados de Confiabilidad

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 Desviacion Estándar Normal (ZR)

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 Desviación Estándar Combinada (So)

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 SERVICIABILIDAD

• El Índice de Serviciabilidad Presente (PSI) es la comodidad de

circulación ofrecida al usuario. Su valor varía de 0 a 5. Un valor de 5
refleja la mejor comodidad teórica (difícil de alcanzar) y por el
contrario un valor de 0 refleja el peor. Cuando la condición de la vía
decrece por deterioro, el PSI también decrece.
• Elegir serviciabilidad inicial (ρo) y final (ρt).
• ρo está en función del diseño del pavimento y de la calidad de la
construcción.
• ρt es función de la categoría del camino y adoptada con criterio por
el proyectista.
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 SERVICIABILIDAD

• Valores recomendados por AASHTO:

• Serviciabilidad inicial:
ρo = 4.5 para pavimentos rígidos
ρo = 4.2 para pavimentos flexibles

• Serviciabilidad final:
ρt = 2.5 para caminos muy importantes
ρt = 2.0 para caminos de menor tránsito

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 SERVICIABILIDAD

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 Variación de Serviciabilidad (ΔPSI)

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 CONFIABILIDAD (%R)

• Definir nivel de confiabilidad.

• Si la construcción es por etapas:
vida útil < periodo de análisis
Descomponer confiabilidad de cada etapa para tener la confiabilidad en todo el
periodo de diseño.
1� n : número de etapas previstas
𝑅𝑅𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 = 𝑅𝑅𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑛𝑛
**(en la fórmula, R en decimales)
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 NIVELES DE CONFIABILIDAD RECOMENDADOS POR AASHTO

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 NIVELES DE CONFIABILIDAD – ETAPA ÚNICA

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 NIVELES DE CONFIABILIDAD – DISEÑO POR ETAPAS

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 PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

• MR del suelo de subrasante y materiales de base para obtener

coeficientes estructurales.
• Se utilizan ensayos individuales.
• Según MTC: Se selecciona el valor promedio como CBR de diseño.
Evaluar selección de tramos.
• Propiedades de base, subbase y mezcla asfáltica para seleccionar
coeficientes de capa, ai.

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 MÓDULO DE RESILIENCIA

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 NÚMERO ESTRUCTURAL PROPUESTO (SNR)

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CARTA PARA ESTIMAR EL
COEFICIENTE ESTRUCTURAL a1
DEL CONCRETO ASFÁLTICO DE
GRADO DENSO BASADO EN EL
MÓDULO ELÁSTICO (RESILIENTE)
VARIACIÓN DE a2 PARA BASES
TRATADAS BITUMINOSAS CON UN
PARÁMETRO DE RESISTENCIA DE
BASE.
VARIACIÓN DEL COEFICIENTE DE
LA BASE GRANULAR (a2) CON
VARIOS PARÁMETROS DE
RESISTENCIA BASE.
VARIACIÓN DEL COEFICIENTE DE
LA SUBBASE GRANULAR (a3)
CON VARIOS PARÁMETROS DE
RESISTENCIA BASE.
VARIACIÓN DE a PARA BASES
CEMENTADAS CON PARÁMETRO
RESISTENCIA BASE.
 DRENAJE

• El diseño considera un contenido de humedad igual a la condición

más húmeda que pueda ocurrir en la subrasante, luego que la vía se
abra al tráfico

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 Cálculo del Coeficiente de Drenaje (mi)

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 PORCENTAJE DE TIEMPO EXPUESTO A NIVELES PROXIMOS A LA
SATURACIÓN

• Debe excluirse el periodo de tiempo en el año en el cual el

pavimento esté congelado.
• También se excluye el tiempo durante la estación seca
• Se consideran los días de deshielo en primavera, S
• Se incluyen los días de lluvia, de datos meteorológicos, R
• El porcentaje de tiempo en que el pavimento está próximo a la
saturación es:

P = ( S + R ) . 100 / 365

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 TIEMPO PARA DRENAR

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 DRENAJE

EJEMPLO DE APLICACIÓN
• Se ha supuesto 43 días de lluvia al año y un tiempo de drenaje de 5
días. Determinar, el coeficiente de drenaje mi.

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 DETERMINACIÓN DE ESPESORES

• Usando ábacos
• Usando Software
• Primero se obtiene el número estructural requerido, SNreq
• SN ≥ SNreq

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f
 Espesores mínimos en función del SN:

1. Criterio de protección de capas:

• Se basa en el concepto de que las capas granulares no tratadas deben
estar protegidas de tensiones verticales excesivas.
• Exceso de tensiones = deformaciones permanentes.
• Se selecciona el material para cada capa.
• Se estudia el material para conocer el MR de cada capa.
• Se determinan los números estructurales requeridos para proteger cada
capa, reemplazando el MR de la subrasante por el MR de la capa que
está inmediatamente bajo.

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 PASOS DE PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

1. Calculo del W (18).

2. Determinar el Nivel de Confiabilidad (R). Tabla 2.38. Cuadro 12.6 y 12.7
3. Definir el valor de Desviación Estándar normal (ZR) correspondientes al Nivel de
Confiabilidad Seleccionada. Tabla 2.39. Cuadro 12.8 y 12.9
4. Determinar el Valor de la Desviación Estándar Total. (So).
5. Determinar el Índice Serviciabilidad Inicial y Final para el proyecto, encontrando
así la Pérdida de Serviciabilidad, ∆ (PSI).
6. Hallar el Módulo Resilente (Mr) y/o Elástico (E). Ecuación y Cuadro 12.5
7. Determinación de los Coeficientes Estructurales ai.
8. Determinar el coeficiente de drenaje mi.
9. Determinar el Número Estructural (SN), mediante el NOMOGRAMA.
10. Cálculo del espesor de la capa de Subbase de la estructura del pavimento. Aquí se
debe definir los Coeficientes de Capa (ai) Tabla 2.47, los Coeficientes de Drenaje
(mi) Tabla 2.45 y el espesor de la Capa de Rodadura y Base Granular, Tabla 2.46
Cuadros (2024) | Pavimentos
 EJEMPLO DE DISEÑO

• Calcular el paquete estructural en base al criterio de espesores

mínimos, siendo:
1. E18 = 10 x 106 EAL
2. R = 90 %
3. ZR = -1.282
4. So = 0.45
5. Δ PSI = 2.0
6. MR

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 EJEMPLO DE DISEÑO

7. CÁLCULO DEL ai utilizando el

cuadro 12.13:

Cuadros (2024) | Pavimentos

 EJEMPLO DE DISEÑO

8. CÁLCULO DEL mi utilizando el cuadro 12.14 y 12.15:

Base piedra chancada: 0.8

Subbase granular: 0.7

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 9. Determinar el Número Estructural (SN)

SN3 = 5.4
SN2 = 3.8 (Para proteger la subbase)
SN1 = 3.0 (Para proteger la base)
 EJEMPLO DE DISEÑO

10. Cálculo de los espesores de la estructura del pavimento:

• Carpeta Asfáltica
𝑆𝑆𝑆𝑆1 3.0
𝐷𝐷1 ≥ → 𝐷𝐷1 ≥ = 6.98
𝑎𝑎1 0.43

Adoptando 𝑫𝑫𝟏𝟏 ∗ = 𝟕𝟕. 𝟎𝟎𝟎 𝑆𝑆𝑆𝑆1 ∗ = 𝑎𝑎1 𝐷𝐷1 ∗ = 0.43 × 7.0 = 3.01 ≥ 𝑆𝑆𝑆𝑆1

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 EJEMPLO DE DISEÑO

10. Cálculo de los espesores de la estructura del pavimento:

• Base
𝑆𝑆𝑆𝑆2 − 𝑆𝑆𝑆𝑆1 ∗ 3.8 − 3.01
𝐷𝐷2 ∗ ≥ → 𝐷𝐷2 ≥ = 7.05"
𝑎𝑎2 𝑚𝑚2 0.14 × 0.8

Adoptando 𝑫𝑫𝟐𝟐 ∗ = 𝟕𝟕. 𝟓𝟓𝟓 𝑆𝑆𝑆𝑆2 ∗ = 𝑎𝑎2 𝑚𝑚2 𝐷𝐷2 = 0.14 × 0.8 × 7.5 = 0.84

Cuadros (2024) | Pavimentos

 EJEMPLO DE DISEÑO

10. Cálculo de los espesores de la estructura del pavimento:

• Subbase

𝑆𝑆𝑆𝑆3 − 𝑆𝑆𝑆𝑆1 ∗ + 𝑆𝑆𝑆𝑆2 ∗ 5.4 − 3.01 + 0.84

𝐷𝐷3 ∗ ≥ → 𝐷𝐷3 ≥ = 18.45"
𝑎𝑎3 𝑚𝑚3 0.12 × 0.7

Adoptando 𝑫𝑫𝟑𝟑 ∗ = 𝟏𝟏𝟏𝟏. 𝟓𝟓𝟓 𝑆𝑆𝑆𝑆3 ∗ = 𝑎𝑎3 𝑚𝑚3 𝐷𝐷3 = 0.12 × 0.7 × 18.5 = 1.55

Cuadros (2024) | Pavimentos

 EJEMPLO DE DISEÑO

10. Cálculo de los espesores de la estructura del pavimento:

7”
7.5”

18.5”

Cuadros (2024) | Pavimentos

 Diseño de Pavimentos Flexibles

ESTABILIDAD Y FACTIBILIDAD DE CONSTRUCCIÓN

Cuadros (2024) | Pavimentos

 Estabilidad y factibilidad de construcción

• No es práctico ni económico colocar capas de un espesor menor

que un mínimo requerido.
• Espesores por encima de valor mínimo son más estables.
• Espesor de capas de tratamientos superficiales es despreciable en lo
que se refiere a SN absorbido, pero tienen un gran efecto sobre las
bases.

Cuadros (2024) | Pavimentos

 Estabilidad y factibilidad de construcción

• Espesores mínimos sugeridos por AASHTO** en función del

tránsito:

Cuadros (2024) | Pavimentos

 En el ejemplo anterior:

𝑆𝑆𝑆𝑆1 ∗ + 𝑆𝑆𝑆𝑆2 ∗ + 𝑆𝑆𝑆𝑆3 ∗ = 3.01 + 0.84 + 1.55 = 5.4 ≥ SN3 = 5.4

• Espesores establecidos con el criterio de protección de capas.

• Sin embargo, se debe evaluar espesores mínimos recomendados.
• Asimismo, la relación costo – eficiencia desde el punto de vista constructivo.
• (Costo $ / SN)
• Se maximizará el espesor del material que provea la mayor contribución
estructural por dólar gastado.
• Se minimizará el espesor de menor contribución por dólar gastado.

Cuadros (2024) | Pavimentos

 Cálculo del Número Estructural requerido

Cuadros (2024) | Pavimentos

 DISEÑO PROPUESTO

Cuadros (2024) | Pavimentos

 COSTO DEL CICLO DE VIDA

En esta etapa, el diseñador debe considerar diferentes periodos de

diseño a fin de analizar el costo de cada una de las alternativas y buscar
aquellas que tenga el menor costo del ciclo de vida.

Cuadros (2024) | Pavimentos

 COSTO DEL CICLO DE VIDA

SECCIÓN ÓPTIMA DE UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO

Determinar cuál de las alternativas de estructuración de pavimentos es la más
económica, considerando que todas ellas tienen un número estructural igual o
mayor a 4.0. Este valor es el requerido para el tráfico de diseño de 2x106 y se debe
tener en consideración que el costo del m3 de carpeta es de US$300; de la base
granular, US$95 y de la subbase granular, US$65.

Alternativas
Capa ai mi Costo US$
1 2 3 4 5 6
Carpeta asfáltica 0.42 300 4 8 6 3 2 5
Base granular 0.14 1 95 8 5 4 14 12 6
Subbase 0.12 1 65 10 0 8 7 13 9
Cuadros (2024) | Pavimentos
Universidad
Nacional de
Cajamarca
“Norte de la Universidad Peruana”