Análisis del Diseño Estructural del Pavimento Propuesto en la

UNIVERSIDAD DE COSTA RICA
LABORATORIO NACIONAL DE MATERIALES Y MODELOS
ESTRUCTURALES
INFORME DE ASESORÍA
UI‐PE‐03‐09
Análisis del Diseño Estructural del Pavimento
Propuesto en la Concesión de la Carretera San
José‐Caldera
Diciembre 2009
Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales (LanammeUCR)
Análisis del diseño de pavimentos propuesto en la Concesión de la Carretera San José‐Caldera
Diseño de pavimentos propuesto en la Concesión de la
Carretera San José‐Caldera
1. INTRODUCCIÓN
Como parte del apoyo que ha estado brindando el Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos
Estructurales de la Universidad de Costa Rica, LanammeUCR, para la fiscalización de las obras del
Contrato de Concesión de la carretera San José‐Caldera, el Consejo Nacional de Concesiones, mediante
el Oficio N° SJC 1818/09‐09, ha solicitado la asesoría a fin de emitir un dictamen final con respecto al
diseño de la estructura del Pavimento del proyecto San José‐Caldera, presentada por la Sociedad
Concesionaria Autopistas del Sol para aprobación.
Lo anterior por cuanto se tienen diferencias de criterio entre la Sociedad Concesionaria y la Supervisora
del Proyecto IMNSA‐Euroestudios, en relación con el diseño presentado por el Concesionario desde el
mes de agosto del 2008.
Para realizar los análisis correspondientes, el Consejo Nacional de Concesiones le suministró al
LanammeUCR la siguiente documentación:
•
•
•
•
•
Diseño de la estructura de pavimento propuesta por la Sociedad Concesionaria Autopistas del
Sol.
Oficio PSJC‐335‐09 DIR en el que la Supervisora (IMNSA‐EUROESTUDIOS) presenta las
observaciones relacionadas con el diseño de pavimentos.
Oficio SJ‐C/DT 04‐015/09 en el que el Concesionario aporta copia del oficio C‐09‐274‐DP de la
Constructora San José – Caldera, donde se responden observaciones realizadas por la
Supervisora en relación al diseño del pavimento.
Oficio PSJC‐449‐09 DIR en el que la Supervisora presenta su informe definitivo sobre el diseño de
la estructura de pavimento presentada por el Concesionario.
Oficio DAC‐OF‐940/04‐09 en el que la Gerencia del Proyecto le presenta al Lic. Guillermo
Matamoros Carvajal, Secretario Técnico del CNC, resume de la situación que se tiene en relación
al proyecto.
Con la finalidad de brindar un aporte que contribuya en el dictamen final del Consejo Nacional de
Concesiones, el LanammeUCR analizó esta información, y a la luz de los conceptos definidos por la Guía
de Diseño AASHTO 93, evalúa los resultados y diseños propuestos por la Sociedad Concesionaria en los
documentos:
• Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera. Volumen I. Sector San José –
Escazú. Elaborado por Gauss S.A. Servicios Especializados de Ingeniería Vial S.A.
• Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera. Volumen II. Sector Escazú ‐
Caldera. Elaborado por Gauss S.A. Servicios Especializados de Ingeniería Vial S.A.
En el siguiente documento se discuten algunos conceptos básicos de diseño estructural de pavimentos,
luego se realiza una revisión de la capacidad estructural existente y se analiza los diseños estructurales
propuestos en los volúmenes I y II, finalmente, se propone un diseño estructural de pavimentos para una
vida útil de 30 años, el cual es comparado con los diseños propuestos por el Concesionario, a fin de
evaluar la propuesta realizada por el Concesionario.
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Debe hacerse hincapié en que los análisis realizados por el LanammeUCR emplea los resultados y datos
suministrados por el Concesionario, y se enmarcan en una verificación de la aplicación de los principios y
procedimientos de diseño de la Guía de Diseño de la AASHTO 1993, sin convertirse de ninguna manera
en una aprobación o no, de los diseños propuestos por el Concesionario, a quien recae la responsabilidad
de los mismos.
2. ANTECEDENTES
Referencias al diseño de pavimentos en los oficios entregados:
Oficio PSJC‐335‐09 DIR – 23 de Marzo de 2009
1. Este consorcio Supervisor no aprueba los diseños de pavimentos presentados por la empresa
Concesionaria ya que no se cumple con la aplicación en forma adecuada de la Guía AASHTO‐
1993 en lo relativo a utilización del número de ejes equivalentes para el periodo de Diseño
Contractual (30 años) omitiendo que el número de ejes equivalentes debe ser acumulativo en las
diferentes etapas de intervención, con el fin de tener en cuenta el deterioro por fatiga que
experimenta el pavimento al finalizar cada etapa de mantenimiento periódico (lo cual se
determina mediante el número estructural del pavimento existente si hay pavimento asfáltico
antiguo o al final de cada etapa de intervención si se ha instalado al inicio de la Concesión) y no
como la simple resta de tránsito a los 30 años menos el tránsito dado por las proyecciones del
cartel para cada etapa de diseño.
2. Adicional a lo anterior, como es de su conocimiento, las proyecciones de tránsito utilizadas se
encuentran desactualizadas en 10 años y se han aplicado por así determinarlo los pliegos de
licitación y el Contrato de Concesión sin consideración del comportamiento y funcionalidad real
del pavimento.
3. Los diseños de pavimentos no se encuentran aprobados por este Consorcio Supervisor y en obra
siguen aplicándose sin tomar los correctivos a las anomalías de campo informadas. Como apoyo
a las actividades de aprobación de diseños de pavimentos y seguimiento al control de calidad en
esta área, se ha solicitado la aprobación a la administración para la incorporación de un
especialista en Pavimento en el equipo de Supervisión sin que hasta la fecha se tenga una
respuesta favorable.
Oficio C‐09‐274‐DP – 27 de marzo de 2009
•
Respuesta a la observación 1: Tal como se señaló en la carta N° C‐09‐185 DP de fecha 3 de marzo
de 2009, el diseño presentado ocupa íntegramente la metodología definida en la Guía de Diseño
AASHTO 1993 tal como se indica en el documento presentado a la Administración, el que fue
avalado por la por la propia Supervisora hasta el 23 de Enero del presente año (durante más de 2
años), la que inclusive mediante oficio SLC 07‐87 de fecha 6 de Junio de 2007 recomienda la
aprobación del diseño de Pavimentos del Sector III a la administración, el que se basa en la
misma metodología de diseño.
Como antecedente adicional se señala que la misma metodología de cálculo por etapas fue
avalada por la Supervisora Cano – Cacisa cuando revisó el diseño del Sector I‐A, a través de su
especialista de reconocido prestigio nacional Sr. Orlando Dobles.
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Considerando estos antecedentes se realizó una reunión en las dependencias del CNC con la
presencia de la Administración, de la Supervisora y de la Sociedad Concesionaria, donde el
propio Director de Supervisión de la Supervisora, Sr. Edgar Hernández, se comprometió, previo a
realizar una reunión privada con sus colaboradores, a aprobar la primera fase del proyecto y a
revisar nuevamente la segunda fase, razón por la cual, no se comprende el accionar de la
Supervisora.
Finalmente y habiendo sido revisada la metodología durante más de dos años por cuatro
empresas diferentes, Imnsa – Euroestudios, Cano – Cacisa, DEHC y Gauss, en donde se incluye la
propia Supervisora, y además, considerando el renombrado prestigio nacional e internacional de
los especialistas involucrados como son los señores Jorge Solano, Orlando Dobles y Claudio
Fuentes, no es admisible el comentario realizado por la Supervisora a menos de 2 meses de
entrega de dos tramos, en el que inclusive uno ya está aprobado por ella misma.
Sin perjuicio de lo anteriormente señalado y de modo de aclarar a la Supervisora la metodología,
se le solicita revisar la Guía de Diseño AASHTO sección 3.1.2 en donde habla de la construcción
por etapas. En dicha sección, se señala claramente de la confiabilidad a emplear y que la
evaluación de la segunda etapa se debe hacer de acuerdo a la sección III de la guía.
Además y si esto aún no fuese suficiente para aclarar el tema, la propia Guía AASHTO menciona
un ejemplo de cálculo por etapas en el apéndice H, para un período de análisis de 20 años
solicitado con 27 millones de ejes equivalentes (27 MEE). Una primera etapa hasta los 15 años
con un tránsito de 18,6 MEE, ver Figura H.1 de la guía (el ejemplo considerado soporta solo
hasta el año 13). Si bien en el ejemplo solo hacen el cálculo directo de la primera etapa, en la
parte final de la sección H.2 dice:
“Using the step – by – step procedure described in Part II, Section 3.1.3, the service life that can
actually be expected is about 13 years (see Table H.2). Thus, the overlay that must be designed
will need to carry the remaining 18 – kip ESAL traffic the last 7 years of the analysis period”
Lo que se traduce de la forma siguiente:
“Usando el procedimiento paso a paso descrito en la Parte II, sección 3.1.3, la vida de servicio que
realmente puede esperarse es de alrededor de 13 años (ver Tabla H.2). Por tanto, el re‐capado
que se debe diseñar necesitará soportar el tráfico de EE que quedan en los últimos 7 años del
periodo de análisis”.
•
Respuesta a la observación 2: Se insiste que considerando las afirmaciones hechas por la
Supervisión es conveniente que el primer diseño presentado por la Sociedad Concesionaria al
MOPT contemplaba proyecciones de tránsito, dicho diseño fue rechazado por la Administración
en el año 2006 exigiendo a la Sociedad Concesionaria que los ejes equivalentes a ocupar fuesen
los definidos en el Contrato de Concesión. Es más, con posterioridad a esta instrucción y una vez
re‐calculado el proyecto, la Supervisora mediante Oficio 06‐221 de fecha 31 de Octubre de 2006
instruye que el tránsito indicado en el Contrato de Concesión acápite 2.13.4.5 tabla N°1 debe
ocuparse directamente sobre el carril de diseño sin factores que lo modifiquen, lo que se traduce
en re‐calcular por segunda vez el proyecto completo. Por los motivos citados, se considera
inaceptable que ahora a dos meses de entregar dos sectores de la autopista la Supervisora no
sólo cuestión el tránsito empleado y exigido por ella misma, sino que además, indique
explícitamente que es un error ocupar estos valores.
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Finalmente y habiéndose contestado las únicas observaciones al diseño de pavimentos que se
citan en el oficio PSJC‐335‐09 DIR de fecha 23 de marzo de 2009, en la que notoriamente existe
un cambio radical de criterio con respecto a lo realizado por más de dos años con la Supervisora,
las que contradicen y pretenden anular los propios oficios entregados por la Supervisora con
anterioridad, sin considerar los cambios que manifiesta el propio Director de Supervisión de la
Supervisora al aprobar en un comité en presencia de la Gerente del Contrato por parte de la
Administración y del Director de Proyecto de la Sociedad Concesionaria la primera fase del
diseño de pavimento, para luego manifestar en forma escrita que no aprueba los diseños, se
considera que el proceso de revisión del pavimento se encuentra en una etapa que no
corresponde a los requerimientos necesarios para cumplir con el Contrato de Concesión, por lo
que no existiendo más observaciones se solicita su aprobación por parte de la Administración.
PSJC‐449‐09 DIR – 21 de Abril de 2009
•
El diseño se ha realizado según la Guía de Diseño AASHTO 1993.
•
El número de ejes equivalentes que deben ser empleados para el diseño de pavimentos es el
indicado en el pliego de condiciones y en el Contrato de Concesión según se indica en la tabla
No. 1. Aunque se encuentran desactualizados, ya que datan de junio de 1999 para ser aplicados
en un diseño con fecha de inicio de operación en mayo de 2009 (10 años de desactualización).
Tabla No. 1. Ejes Equivalentes
•
Tramo
12 años
25 años
30 años
San José – Escazú
19,0
50,5
61,8
Escazú – Ciudad Colón
10,2
49,1
68,0
Ciudad Colón ‐ Orotina
13,4
39,7
51,8
Orotina ‐ Caldera
11,6
36,1
47,8
Vida útil del Pavimento: 30 años según lo indicado en el Contrato de Concesión (No tiene igual
significado que Período de diseño empleado en el informe de diseño presentado por el
Concesionario)
Según se indica en el informe de diseño, el pavimento fue diseñado para ser intervenido en dos
(2) etapas:
1. Etapa 1: Del año cero (0) al año 12. (Periodo de diseño 12 años).
2. Etapa 2: Del año 13 al año 30 (Periodo de diseño 18 años).
Para la primera etapa o primer periodo de diseño de 0 a 12 años:
No se presentan observaciones diferentes a considerar que no se determinó en el diseño para
esta primera etapa, la vida útil del pavimento (primera vida útil del pavimento que podría ser
igual a los 12 años de la primera etapa, sin embargo, no se hace verificación) por consiguiente la
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segunda etapa de diseño o refuerzo no será considerar los 18 años restantes si no, estos 18 años
más los faltantes de la primera etapa.
Oficio DAC‐OF‐940/04‐09 ‐ 26 de abril de 2009
Asunto: “Situación sobre el Diseño de Pavimentos propuesto por Autopistas del Sol”
Estimado Licenciado:
Tal como se lo ha indicado esta Gerencia a esa Secretaría Técnica se tienen diferencias de criterio
importantes entre la Sociedad Concesionaria y la Supervisora de Proyecto, en relación con el diseño de la
estructura de pavimento del proyecto San José – Caldera, presentado por el Concesionario desde el mes
de agosto del 2008, lo que ha provocado que a la fecha no haya sido posible la aprobación de estos
diseños.
Al respecto se presenta el siguiente detalle sobre la situación que se tiene en relación a este tema:
1. Conforme lo establecido en la clausula 2.13.4.5 “Diseño de Pavimentos”, del contrato de
concesión, la estructura de pavimentos propuesta por el Concesionario será ejecutada en dos
etapas:
a. Primera Etapa: De inicio de operación al año 12 (periodo de diseño de 12 años)
b. Segunda Etapa: Del año 13 al año 30 (periodo de diseño de 18 años)
2. Mediante Oficio PSJC‐335‐09 DIR la Supervisora presenta observaciones relacionadas con el
diseño de pavimentos propuesto por el Concesionario, en el que indica que el diseño no cumple
adecuadamente con la Guía AASHTO‐1993, en lo relativo a la utilización del número de ejes
equivalentes para el período de diseño contractual (30 años).
1. En la reunión del Comité Técnico del Proyecto, efectuada el 30 de marzo de 2009, se analiza en
forma conjunta (Gerencia‐Supervisora‐Concesionario) las observaciones efectuadas por la
Supervisora y se le aclara a ésta, en primera instancia, que el Concesionario está obligado a
cumplir con los ejes equivalentes indicados en la Tabla No 1 “Ejes Equivalentes para distintos
períodos de diseño”, incluida en la cláusula 2.13.4.5 “Diseño de Pavimentos”, del contrato de
concesión. Aunque estos valores se encuentren desactualizados, éstos corresponden a las
condiciones que debe cumplir el Concesionario, la que fueron establecidas por la Administración
en el cartel de licitación y el contrato de concesión. De haberse efectuado su actualización la
Administración deberá compensar los costos adicionales que pudieran darse producto de esta
actualización, conforme el mecanismo establecido en la cláusula 3.14 “Consideraciones de
Nuevas Inversiones” del contrato. Condición que no fue contemplada en el Convenio
Complementario No. 1, razón por la cual el Concesionario deberá apegarse a las disposiciones
actuales del citado contrato. Por lo que en dicho comité el Director de Supervisión manifestó
estar de acuerdo con el diseño de la primera etapa y para la revisión del diseño de la segunda
etapa solicitó una reunión con el especialista a cargo del diseño, el señor Claudio Fuentes.
2. La reunión con el señor Claudio Fuentes se efectuó el día 1 de abril, vía videoconferencia, ya que
se encontraba en Chile en esos momentos. Durante dicha reunión el Ing. Edgar Hernández,
Director de Supervisión le expuso al Ing. Fuentes sus observaciones, indicando que consideraba
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un error de procedimiento, según lo establecido en la Guía de Diseño de la AASHTO 1993, el
tomar los ejes equivalentes indicados en la Tabla No. 1 para los 30 años y restarle los valores de
ejes equivalentes de los 12 años. Es así como el Ing. Fuentes procede a explicar las
consideraciones que fueron tomadas para el diseño de la estructura de pavimento por etapas y
la razón por la cual se tomó esa medida de restar los ejes equivalentes (los del año 30 menos los
del año 12) para el diseño de la segunda etapa. En resumen, se indicó que para la segunda etapa
se determinó el número estructural remanente, el que toma en cuenta el deterioro existente en
el momento en que se efectuará dicha intervención, y por lo tanto se consideran en el cálculo
únicamente los ejes equivalentes que van a pasar. Aclara además que según el diseño propuesto,
en el año 12 se castiga la capacidad estructural del pavimento en un 30% menos, para tomar en
cuenta el deterioro ocasionado durante esos primeros 12 años. No obstante, se aclara en la
reunión que, para el momento en que se deba efectuar la segunda intervención será necesario
determinar cuál será la capacidad real residual del pavimento.
3. Posterior a esa reunión, mediante Oficio SJ‐C/DT 04‐015/09 el Concesionario aporta copia del
Oficio C‐09‐274‐DP de la Constructora San José‐Caldera, en el que se responden las
observaciones realizadas por la Supervisora en el Oficio PSJC‐335‐09 DIR. Dicha información fue
trasladada a la Supervisora para su análisis y recomendaciones mediante Oficio No. 1007 (DAC‐
OF‐0847/04‐09).
4. Mediante Oficio PSJC‐449‐09 DIR la Supervisora presenta su informe definitivo sobre el diseño de
la estructura de pavimento presentada por el Concesionario, en el que en resumen se indica lo
siguiente:
a. La supervisora ha venido requiriendo a la Administración la aprobación de un especialista
en pavimentos, sin que a la fecha se hubiera recibido una respuesta favorable al
respecto.
b. El número de ejes equivalentes que debe ser considerados para el diseño de pavimentos
es el indicado en el contrato de concesión, según indica la tabla No. 1, aunque se
encuentren desactualizados.
c. La aprobación del diseño estructural del pavimento efectuado para la primera etapa de
intervención es potestativo de la Administración y para la segunda etapa no es aceptable
según las observaciones presentadas en el oficio.
5. En conclusión, la Supervisora no recomienda, en forma concreta, la aprobación de la estructura
de pavimento propuesta por el Concesionario, para ninguna de las dos etapas.
Considerando la diferencia de criterios y conceptos que se tiene entre la Sociedad Concesionaria y la
Supervisora de Proyecto y que esta última no cuenta con un especialista en el área de pavimentos; se
recomienda a esa Secretaría Técnica buscar un especialista externo que apoye a la Administración
Concedente en la valoración de los distintos aspectos expuestos por ambas partes en los distintos
documentos que han dado origen a esta situación. Esto con el fin de que la Administración pueda emitir
un dictamen final en relación con el diseño de la estructura de pavimentos propuesta por el
Concesionario para las distintas secciones del proyecto.
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Los anteriores oficios fueron remitidos al LanammeUCR mediante Oficio SJC 1818/09‐09, con fecha de 02
de Septiembre de 2009.
3. CONCEPTOS BÁSICOS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS (GUÍA DE
DISEÑO AASHTO 1993)
Desde que los pavimentos, nuevos o rehabilitados, han sido diseñados para periodos desde los 10, 20 o
más años, ha sido necesario predecir la cantidad de ejes equivalentes de diseño ESALs dentro del
diseño. El periodo de vida útil, a menudo referido como periodo de diseño, es definido como el periodo
de tiempo entre la construcción o rehabilitación del pavimento y el momento en que este alcanza un
grado de serviciabilidad mínimo.
La Guía de Diseño AASHTO 93 estimula el uso de períodos de análisis grandes, incluyendo al menos un
periodo de rehabilitación. Se debe distinguir dos conceptos que habitualmente se confunden: Periodo de
desempeño o vida útil, y el periodo de análisis. Se dice además que el periodo de análisis debe ser mayor
o igual al periodo de desempeño.
3.1. PERIODO DE DESEMPEÑO O VIDA ÚTIL (PERFORMANCE PERIOD):
Con la edad del pavimento, su condición gradualmente se deteriora hasta un punto donde es necesario
algún tipo de tratamiento de rehabilitación. Así, el periodo de desempeño es aquel periodo que se
encuentra entre la construcción o rehabilitación del pavimento y el momento en que este alcanza un
grado de serviciabilidad mínimo. El periodo de desempeño también puede denominarse como periodo
de diseño. La selección del periodo dependerá de la clasificación funcional del pavimento, el tipo y nivel
de mantenimiento aplicado, los fondos disponibles para la construcción inicial, ciclos de costo de vida, y
otras consideraciones ingenieriles. Para el periodo de desempeño, el diseñador debe seleccionar los
límites mínimos y máximos, los cuales vienen dados por la experiencia de la Agencia de transportes y sus
políticas. Debe tenerse claro que el periodo de desempeño máximo, es una cantidad práctica máxima del
tiempo que el usuario puede esperar de una etapa dada. Es decir, si la experiencia indica que las áreas de
pavimentos originalmente diseñados para al menos 20 años, requerirán algún tipo de rehabilitación
dentro los primeros 15 años posteriores a la construcción, será este periodo de 15 años el que
corresponderá al periodo de desempeño máximo para ese pavimento.
El periodo de desempeño no debe ser confundido con la vida del pavimento. Puesto que la vida del
pavimento puede ser extendida por la rehabilitación periódica de la superficie o estructura del
pavimento.
Finalmente, debe tenerse en cuenta que la selección de periodos de tiempo muy extensos puede
conllevar a obtener diseños poco realistas en el campo. Por ello, si se considera un análisis de costos por
ciclos de vida, es necesario tener en cuenta periodos máximos de desempeño que sean prácticos
conforme al tipo de pavimento.
3.2. PERIODO DE ANÁLISIS (ANALYSIS PERIOD)
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Es el tiempo total que cada estrategia de diseño debe cubrir. Es por tanto el tiempo total para el cual se
diseña un pavimento en función de la proyección del tránsito y el tiempo que se considere apropiado
para que las condiciones del entorno se comiencen a alterar desproporcionadamente. Puede ser igual
que la vida útil, pero en casos en donde se prevén reconstrucciones o rehabilitaciones a lo largo del
tiempo, el periodo de análisis comprende varios periodos de vida útil que son: el del pavimento
original y el de las distintas rehabilitaciones. La figura siguiente ilustra los conceptos expuestos de
Periodo de Análisis y Periodos de Desempeño:
Figura 1. Representación gráfica del concepto de periodo de análisis y periodo de desempeño.
Fuente: Pavement Type Selection Protocol. Washington State Department. 2005
Los periodos de análisis recomendados en la AASHTO Guide for Design of Pavement Structures 1993 son
los siguientes:
Tipo de Carretera
Urbana con altos volúmenes de tránsito
Interurbana con altos volúmenes de tránsito
Pavimentada con bajos volúmenes de tránsito
Revestidas con bajos volúmenes de tránsito
Periodo de análisis
30 – 50 años
20 – 50 años
15 – 25 años
10 – 20 años
Otros valores de periodos de análisis recomendados se presentan a continuación:
Tipo de carretera
Periodo de análisis
Autopista Regional
20 – 40 años
Troncales suburbanas
15 – 30 años
Troncales Rurales
Colectoras Suburbanas
10 – 20 años
Colectoras Rurales
Fuente: Manual Centroamericano de Normas para el Diseño
Geométrico de las Carreteras Regionales, SIECA 2001
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Es recomendable la consideración de periodos largos, con la finalidad de evaluar y seleccionar
alternativas de estrategias a largo plazo basado en análisis de costos por ciclos de vida. Por ejemplo, si la
alternativa de un diseño de un pavimento requiere rehabilitación en el año 15 y la otra alternativa
requiere una rehabilitación en el año 25, un periodo de análisis de 20 años no proveerá una comparación
adecuada entre ambas alternativas, puesto que una de las alternativas incluirá los costos de
rehabilitación mientras que la segunda no lo hará. En general, el periodo de análisis seleccionado deberá
incluir al menos una actividad de rehabilitación para cada alternativa. En el ejemplo un periodo
apropiado de análisis podría ser 30 años o incluso 50 años dependiendo de la programación de las
actividades de rehabilitación.
3.3. PERIODOS DE VIDA ÚTIL RECOMENDADOS PARA PERÍODOS DE ANÁLISIS EXTENSOS
Para el periodo de vida útil, el diseñador debe seleccionar los límites mínimos y máximos, los cuales
vienen dados por la experiencia de la Agencia de transportes y sus políticas. Debe tenerse claro que el
periodo de desempeño máximo, es una cantidad práctica máxima del tiempo que el usuario puede
esperar de una etapa dada.
Finalmente, debe tenerse en cuenta que la selección de periodos de desempeño o vida útil muy extensas
puede conllevar a obtener diseños poco realistas en el campo. Por ello, si se considera un análisis de
costos por ciclos de vida, es necesario tener en cuenta periodos máximos de desempeño que sean
prácticos conforme al tipo de pavimento.
Es necesario tener claro que existe una diferencia importante entre el concepto de periodo de análisis y
el periodo de desempeño o vida útil para una estructura de pavimento. El uso de periodos de análisis
extensos es recomendable cuando se realizan análisis de Costos por Ciclos de Vida para la selección de la
mejor alternativa. Por otro lado, dentro de un mismo periodo de análisis es posible que hayan uno o más
periodos de desempeño de pavimentos cuando se consideran diferentes etapas de construcción
(periodo de desempeño es equivalente a decir periodo de diseño, o vida útil de un pavimento). Sin
embargo, debe tenerse en cuenta que considerar una vida útil muy extensa puede conllevar a obtener
diseños poco realistas en desempeño en campo al largo plazo. Así por ejemplo, el Florida Department
of Transportation Pavement Management Office, en su “Flexible Pavement Design Manual” (Marzo
2008) sugiere los siguientes periodos de diseño para pavimentos flexibles:
Construcción nueva o reconstrucción
Sobrecapas sin escarificado o fresado
Sobrecapa con fresado
Acceso Limitado
Acceso Ilimitado
Sobrecapa de Pavimentos rígidos
20 años
8 – 20 años
12 – 20 años
14 – 20 años
8 – 12 años
Fuente: Florida Department of Transportation Pavement Management Office
“Flexible Pavement Design Manual” (Marzo 2008)
Teniendo en consideración la tabla anterior, y en vista de las diferencias existentes en los conceptos
presentados. Es recomendable emplear periodos de análisis extensos, sin embargo cuando se considera
el periodo de desempeño o vida útil es recomendable emplear periodos menores que sean prácticos
conforme al tipo de pavimento y la experiencia en campo de proyectos de anteriores.
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4. IMPORTANCIA DEL RETROCÁLCULO DE MÓDULOS PARA LA DETERMINACIÓN DE
LA CAPACIDAD ESTRUCTURAL EXISTENTE
Uno de los métodos más confiables para determinar la condición estructural de un pavimento en servicio
es el uso de ensayos de deflexión no destructivos (NDT, por sus siglas en inglés). Entre las mayores
ventajas que ofrecen los ensayos de deflexión no destructivos se mencionan que: son ensayos que se
realizan in situ, donde se evalúa el pavimento sin ninguna modificación o alteración de las condiciones, y
la segunda ventaja es que los ensayos son relativamente rápidos y baratos.
Los equipos de deflexión no destructivos, NDT, aplican una carga al pavimento y miden la deflexión
máxima resultante de la superficie o depresión dejada por la deflexión de la superficie. La deflexión de
un pavimento en respuesta a una carga aplicada representa un sistema global de respuesta. El
deflectómetro de impacto (FWD, por sus siglas en inglés) es el dispositivo de deflexión utilizado más
comúnmente. Durante el ensayo FWD se deja caer un peso (W) desde una altura conocida (H), las
deflexiones en la superficie se miden a través de una serie de sensores geófonos en distancias fijas desde
la carga. Con la carga conocida, las deflexiones y el grosor de la capa del pavimento, se puede calcular el
módulo por medio de modelos matemáticos y/o empíricos, lo que se conoce como Retrocálculo de
Módulos.
El retrocálculo de módulos es esencialmente una evaluación mecanística, usualmente es un análisis
elástico del pavimento. Es un procedimiento iterativo mediante el cual se busca encontrar una deflexión
similar a la obtenida por los equipos de medición y como consecuencia se obtiene el valor de módulo de
las diferentes capas de la estructura del pavimento.
En general, un sistema más débil se deflectará más que un sistema más fuerte bajo la misma carga; sin
embargo, la forma exacta de la depresión está relacionada con la resistencia de los componentes
individuales de las capas.
De esta manera determinar la condición estructural del pavimento es importante para procesar los
requerimientos de carga, seleccionar estrategias de rehabilitación y otras actividades de la
administración de los pavimentos.
El método AASHTO 93 emplea el concepto de Número Estructural (SN) que representa la capacidad del
pavimento para soportar las solicitaciones de tráfico. Y en el caso de sobrecapas, el método se basa en el
siguiente supuesto general: El espesor de refuerzo se define como: Diferencia entre la capacidad
estructural necesaria para soportar el tráfico previsto durante el periodo de proyecto de refuerzo y la
capacidad estructural actual de pavimento.
El procedimiento se basa en: 1) determinar el Número Estructural (SN) necesario para soportar el tráfico
previsto y 2) calcular el Número Estructural efectivo del pavimento existente. La diferencia define el
refuerzo necesario expresado como número estructural.
El número estructural para el tráfico futuro se determina con el mismo procedimiento que para un
pavimento nuevo, es decir, calculando el número de ejes de 80KN estimado para la vida del proyecto y
estableciendo los niveles de servicio inicial y final del pavimento que se desea reforzar. El cálculo se
asocia a una probabilidad mediante la asignación de un nivel de confianza del diseño y de un coeficiente
de desviación típica como una medida de la variabilidad de los datos de entrada. Finalmente es necesario
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determinar un módulo resilente para la subrasante. Lo que se puede realizar mediante ensayos de
laboratorio. Otro procedimiento más habitual es determinarlo mediante un retrocálculo de módulos a
partir de las deflexiones obtenidas con el deflectómetro de impacto.
El número estructural efectivo (SNeff) es una medida de la capacidad estructural actual (en el momento
de la medición) del pavimento. Se definen tres métodos alternativos para establecerlo. Es recomendable
que el ingeniero emplee los tres y que seleccione el valor más adecuado de SNeff atendiendo a
experiencias anteriores en la zona y a su propio criterio. Lo tres métodos se mencionan a continuación:
1. Método del análisis de los componentes: se determina la capacidad estructural efectiva (SNeff) del
pavimento asignando coeficientes estructurales, ai, a cada una de las capas “i” y sumando todos
ellos. Normalmente, los valores que se asignan a las capas son inferiores a los correspondientes
a ese mismo tipo de material recién construido. El método AASHTO proporciona orientaciones y
criterios para asignar valores en función de los daños observados o de los ensayos realizados.
2. Método de la vida remanente: este método se basa en la determinación de la reducción de la
capacidad estructural del pavimento debido a la fatiga acumulada en los materiales. En el
apartado siguiente se explicará con más detalle este método.
3. Método utilizando ensayos con deflectómetro de impacto FWD (retrocálculo): cuando se dispone
de ensayos de deflexión realizados con deflectómetro de impacto, los datos sirven para
determinar las propiedades (módulos) de los materiales necesarios para determinar la capacidad
estructural efectiva, actual y futura.
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Análisis del diseño de pavimentos propuesto en la Concesión de la Carretera San José‐Caldera
5. COMPROBACIÓN DE DISEÑOS ESTRUCTURALES PROPUESTOS EN DOS ETAPAS
El método AASHTO (Guide for Design of Pavement Structures 1993) de dimensionamiento de pavimento
permite diversas opciones de refuerzo, siendo la que más interesa para los propósitos de este
documento la denominada: AC Overlay of AC Pavement, es decir, refuerzo de un pavimento asfáltico
con sobrecapa asfáltica.
Con base en lo expresado en el contrato de Concesión de Obra con Servicio Público Carretera San José –
Caldera, el cual dice:
“En el diseño de Pavimentos se aplicarán los métodos desarrollados en los estudios conocidos
como AASHTO – Road Test con sus ampliaciones posteriores, principalmente Road AASHTO
1993…
Los diseños deben ser proyectados para una vida útil de 30 años, como mínimo”
En este sentido el diseño estructural propuesto por Concesionario, para el Proyecto: Diseño, Provisión y
Construcción de la Carretera San José ‐ Caldera, en los documentos de Diseño Estructural del Pavimento
en los Volúmenes I y II indica que el diseño del pavimento fue hecho para que éste sea intervenido en
dos etapas, tal y como se constata en el oficio DAC‐OF‐940/04‐09:
1. Etapa 1: Del año cero (0) al año 12 (Periodo de diseño 12 años)
2. Etapa 2: Del año 13 al año 30 (Periodo de diseño 18 años)
De esta manera, la Vida Útil de la obra será de 12 años para la Etapa 1 más los 18 años de la Etapa 2, que
en conjunto representan una Vida Útil de 30 años.
Además el Concesionario en el oficio C‐09‐274‐DP menciona el ejemplo de cálculo por etapas del
apéndice H de la AASHTO Guide for Design of Pavement Structures 1993, para un periodo de análisis de
20 años. Para este diseño, el mismo considera una primera etapa con un periodo de desempeño o vida
útil de 15 años, para estructura de pavimento flexible inicial.
De las definiciones presentadas anteriormente, es necesario tener claro que existe una diferencia
importante entre el concepto de periodo de análisis y el periodo de desempeño o vida útil para una
estructura de pavimento. El uso de periodos de análisis extensos es recomendable cuando se realizan
análisis de Costos por Ciclos de Vida para la selección de la mejor alternativa. Por otro lado, dentro de un
mismo periodo de análisis es posible que hayan uno o más periodos de desempeño de pavimentos
cuando se consideran diferentes etapas de construcción (periodo de desempeño es equivalente a decir
periodo de diseño, o vida útil de un pavimento). Sin embargo, debe tenerse en cuenta que considerar
una vida útil muy extensa puede conllevar a obtener diseños poco realistas en desempeño en campo al
largo plazo.
Teniendo en consideración lo anterior y en vista de las diferencias existentes en los conceptos
presentados, es recomendable emplear periodos de análisis extensos, sin embargo cuando se considera
el periodo de desempeño o vida útil es recomendable emplear periodos menores que sean prácticos
conforme al tipo de pavimento.
En el Anexo 1, se presentan los diseños propuestos por el Concesionario, los cuales corresponden a los
que se presentan en los informes:
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Análisis del diseño de pavimentos propuesto en la Concesión de la Carretera San José‐Caldera
•
•
Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera. Volumen I. Sector San José –
Escazú. Elaborado por Gauss S.A. Servicios Especializados de Ingeniería Vial S.A.
Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera. Volumen II. Sector Escazú ‐
Caldera. Elaborado por Gauss S.A. Servicios Especializados de Ingeniería Vial S.A.
Como se mencionó anteriormente, el diseño de las sobrecapas esta basado en la determinación del
número estructural existente, SNeff, del pavimento. Con la finalidad de revisar los diseños en dos etapas,
se utilizaron los valores de los números estructurales suministrados por el Concesionario, los cuales
fueron obtenidos para la Etapa 1: Del año cero (0) al año 12, los cuales son valores que se obtienen de
ensayos con el deflectómetro de impacto.
Por otro lado, según como se expresa en la página 3 del Oficio No. DAC‐OF‐940/04‐09, respecto a una
video conferencia realizada el día 1 de abril 2009, se detalla que en el caso de la Etapa 2: Del año 13 al
año 30, lo siguiente: “… según el diseño propuesto, en el año 12 se castiga la capacidad estructural del
pavimento en un 30% menos, para tomar en cuenta el deterioro ocasionado durante esos primeros 12
años. No obstante, se aclara en la reunión que, para el momento en que se deba efectuar la segunda
intervención será necesario determinar cuál será la capacidad real residual del pavimento”.
De esta manera, y como verificación adicional de lo anterior se empleó el método de Vida Remanente tal
y como se presenta en el Anexo 2 y comprobar así la validez del criterio expuesto anteriormente.
En lo relacionado con la consideración de las solicitaciones de carga (ejes equivalentes) para el diseño
estructural de pavimentos, debe tenerse en cuenta que éstas corresponden a las que se darán dentro del
periodo de desempeño que se esté considerando. Así pues, cuando se esté tratando con diseños
estructurales en los cuales, el periodo de desempeño es igual que el periodo de análisis, los ejes
equivalentes a utilizar serán los mismos.
Cuando se realizan diseños estructurales en los que el periodo de desempeño es menor que el periodo
de análisis (situación típica de la construcción por etapas), los ejes equivalentes a usar en cada una de las
etapas (del periodo desempeño) corresponderán a las solicitaciones de carga que se darán dentro de ese
mismo periodo; de esta manera, la sumatoria total de los ejes correspondientes de todas las etapas
consideradas, corresponderá a las solicitaciones de carga del periodo de análisis. Para ilustrar esto, la
figura 1 presentada anteriormente, muestra los conceptos expuestos. En este caso el eje horizontal
corresponde a la variable tiempo (la cual representa la cantidad de ejes equivalentes considerada en el
diseño) y el eje vertical representa la condición del pavimento. De esta manera, el periodo de análisis
representará la cantidad total de ejes equivalentes que se solicitarán a la estructura; y para cada de las
etapas consideradas, los ejes equivalentes a usar corresponden a los ejes equivalentes que se presenten
dentro del periodo de desempeño considerado. Así, el deterioro que sufre el pavimento al final de cada
periodo de desempeño, representa una reducción de la condición del pavimento; esta reducción a su
vez, se convierte en la condición inicial del siguiente periodo de desempeño. Cuando se aplica una
rehabilitación o reconstrucción se tendrá un mejoramiento de la condición del pavimento, que
gráficamente se representa por los saltos verticales mostrados en la figura 1.
Así pues, la consideración del deterioro por fatiga que experimenta el pavimento (producto del paso las
solicitaciones de carga) al final de cada una de las etapas viene representado por el número estructural
del pavimento al concluir el periodo de desempeño. Y por lo tanto no es válido, que para la etapa
sucesiva del diseño, se considere que las solicitaciones de carga para el nuevo periodo corresponderá a
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la suma de las solicitaciones del periodo anterior más las solicitaciones esperadas de la nueva etapa de
diseño.
Teniendo en consideración los puntos anteriores y los valores presentado en el Anexo 1, se comprobó
que los valores utilizados como parámetros de entrada en la Metodología de Diseño AASHTO 1993,
además de los módulos resilientes de las capas de soporte para cada una de las estructuras presentadas
anteriormente, corresponden a valores típicos para los materiales existentes. El resumen de los diseños
se presenta en la Tabla1.
Tabla 1. Comprobación de diseños propuestos
Tramo: San José ‐ Escazú
Etapa 1
Etapa 2
(0‐12 años)
(12‐30 años)
Tramo: Escazu ‐ Ciudad Colon
Etapa 1
Etapa 2
(0‐12 años)
(12‐30 años)
19,000,000
30
89.4
‐1.250
0.49
4.10
4.2
2.6
42,800,000
30
89.4
‐1.250
0.49
4.10
4.2
2.5
19,200,000
66
89.4
‐1.250
0.49
4.10
4.2
2.6
48,800,000
66
89.4
‐1.250
0.49
4.10
4.2
2.5
13,400,000
55
86.6
‐1.108
0.45
3.15
4.2
2.6
38,400,000
55
86.6
‐1.108
0.45
3.15
4.2
2.5
11,600,000
55
86.6
‐1.108
0.45
3.15
4.2
2.6
36,200,000
55
86.6
‐1.108
0.45
3.15
4.2
2.5
8.37
14.22
10.70
12.50
13.80
11.40
17.00
14.90
16.50
18.00
12.90
14.40
12.60
14.30
12.30
14.20
8.13
3.78
2.20
1.90
‐1.20
2.90
‐4.70
‐0.70
Espesor de sobrecarpeta, cm **
19.5
9.5
6
5
0
7.5
0
5
Coeficiente estructural
sobrecapa, ai
0.44
0.44
0.44
0.44
0.44
0.44
0.44
0.44
Número estructural aportado
por sobrecapa colocada, cm
8.58
4.18
2.64
2.2
0
3.3
0
2.2
EE carril diseño (MEE)
MR (MPA)
Confiabilidad
ZR
S0
Factor de seguridad
Serviciabilidad Inicial
Serviciabilidad Final
Numero estructural efectivo
existente, cm *
Numero estructural requerido
sobre subrasante, cm
Num. estructural requerido para
la sobrecapa, cm
Numero estructural total
Resultado diseño
Tramo: Ciudad Colon ‐Orotina BEC Tramo: Orotina ‐ Caldera Sector B
Etapa 1
Etapa 2
Etapa 1
Etapa 2
(0‐12 años)
(12‐30 años)
(0‐12 años)
(12‐30 años)
17.00
18.40
13.30
14.70
13.80
14.70
17.00
17.10
17 > 16.5 OK!
18.4 > 18 OK!
13.3 > 12.9 OK!
14.7 > 14.4 OK!
13.8 > 12.6 OK!
14.7 > 14.3 OK!
17 > 12.3 OK!
17.1 > 14.2 OK!
* Número estructural efectivo obtenido Volumen I y Volumen II, Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera
** Espesor de sobrecapa a colocar según los diseños aportados por el Concesionario
Como se puede observar en la tabla anterior, para los parámetros de entrada suministrados por Diseño
Estructural del Pavimento en los Volúmenes I y II, se cumplen con los requisitos estructurales obtenidos
con la Guía de Diseño AASHTO 1993.
Una observación importante que debe realizarse respecto a las estructuras en el Tramo: Orotina –
Caldera, en el cual se hace una sobrecapa de asfalto sobre base reciclada y estabilizada, se puede notar
que la estructura inicial en el año 0, correspondiente a la base reciclada y estabilizada y la colocación de
sobrecarpeta se encuentran por encima de lo requerimientos obtenidos por la aplicación de la
Metodología de la AASHTO 93, puesto que los resultados indican que el número estructural inicial son
mayores a los números estructurales requeridos.
Según se constata en el Volumen II, Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera, en
el Tramo: Orotina – Caldera, las razones de este sobredimensionamiento de las estructuras responde a:
“Se debe señalar que se ha considerado que la falla de la base tratada con cemento
transformaría a la capa en un granular con la consecuente fatiga de la mezcla asfáltica, esto nos
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lleva a fijar un mínimo de 10cm de mezcla asfáltica sobre la base estabilizada de 25cm” Para el
tramo Orotina – Caldera, Sector A
“Se debe señalar que se ha considerado que la falla de la base tratada con cemento
transformaría a la capa en un granular con la consecuente fatiga de la mezcla asfáltica, esto nos
lleva a fijar un mínimo de 11cm de mezcla asfáltica sobre la base estabilizada de 30cm ” Para el
tramo Orotina – Caldera, Sector B
“El fijar espesores de base estabilizada y mínimos de asfalto provoca el sobredimensionamiento
al diseñar en etapas, y como consecuencia no se requiere refuerzo según la evaluación estructural
o cálculo de recapado, sin embargo dado que el agrietamiento de la base estabilizada es
inevitable se recomienda un espesor mínimo 5cm de asfalto para la segunda etapa (en año 12)”
Aplica para los sectores A y B del Tramo Orotina – Caldera.
6. CAPACIDAD ESTRUCTURAL BASADA EN LA VIDA REMANENTE
Este método se basa en la determinación de la reducción de la capacidad estructural del pavimento
debido a la fatiga acumulada en los materiales. Solo se puede utilizar si se conocen las cargas aplicadas al
pavimento desde la construcción hasta un momento determinado. Estas cargas se comparan con las
previstas en proyecto hasta el nivel de servicio final. En el Anexo 2 se presentan los detalles relacionados
con la aplicación de esta metodología.
De esta manera, con los parámetros usados en los informes:
•
•
Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera. Volumen I. Sector San José –
Escazú. Elaborado por Gauss S.A. Servicios Especializados de Ingeniería Vial S.A.
Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera. Volumen II. Sector Escazú ‐
Caldera. Elaborado por Gauss S.A. Servicios Especializados de Ingeniería Vial S.A.
Se procedió a calcular el N1.5 para una serviciabilidad final (PSI) de 1.5 una confiabilidad del 50% para los
números estructurales totales obtenidos en la Etapa 1: Del año cero (0) al año 12, se pretende de esta
manera poder calcular la Vida Remanente aproximada al final de la Etapa 1, la cual debería corresponder
a la capacidad estructural en el momento de la intervención o construcción de la Etapa 2: Del año 13 al
año 30.
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Tabla 2. Aplicación del Método de Vida Remanente a las etapas de diseño propuestas
EE carril diseño (MEE)
MR (MPA)
Confiabilidad
ZR
S0
Factor de seguridad
Serviciabilidad Inicial
Serviciabilidad Final
Numero estructural total
N1.5
RL
CF
Sneff al final de vida
útil
Tramo: San José ‐ Escazú
Etapa 1
Etapa 2
(0‐12 años)
(12‐30 años)
Tramo: Escazu ‐ Ciudad Colon
Etapa 1
Etapa 2
(0‐12 años)
(12‐30 años)
19,000,000
30
89.4
‐1.250
0.50
4.10
4.2
1.5
19,200,000
66
89.4
‐1.250
0.50
4.10
4.2
1.5
42,800,000
30
89.4
‐1.250
0.50
4.10
4.2
1.5
48,800,000
66
89.4
‐1.250
0.50
4.10
4.2
1.5
Tramo: Ciudad Colon ‐Orotina BEC Tramo: Orotina ‐ Caldera Sector B
Etapa 1
Etapa 2
Etapa 1
Etapa 2
(0‐12 años)
(12‐30 años)
(0‐12 años)
(12‐30 años)
13,400,000
55
86.6
‐1.108
0.50
3.15
4.2
1.5
38,400,000
55
86.6
‐1.108
0.50
3.15
4.2
1.5
11,600,000
55
86.6
‐1.108
0.50
3.15
4.2
1.5
36,200,000
55
86.6
‐1.108
0.50
3.15
4.2
1.5
17.00
18.40
13.30
14.70
13.80
14.70
17.00
17.10
62,538,785
69.62
0.94
125,164,684
65.81
0.93
54,680,979
64.89
0.93
131,546,662
62.90
0.92
33,722,339
60.26
0.92
93,227,566
58.81
0.91
28,634,006
59.49
0.92
87,475,888
58.62
0.91
15.98*
17.13**
12.34*
13.59**
12.66*
13.43**
15.59*
15.62**
* Número estructural efectivo al final del año 12 (correspondería al SNeff a usarse en el diseño de la Etapa 2, en el año13)
** Número estructural efectivo al final de la Etapa 2, año 30
Como se puede notar, cuando se comparan los resultados del Número Estructural efectivo al final del
año 12, al aplicar el Método de Vida Remanente presentado, respecto al castigo del 30% en la capacidad
estructural que se menciona en el Oficio No. DAC‐OF‐940/04‐09, es muy similar y en general se puede
notar que tienden a ser un poco más conservadores los datos empleados en el Volumen I y II del Diseño
Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera, propuesto por Gauss S.A. Servicios
Especializados de Ingeniería Vial S.A.
6.1. DISEÑO ESTRUCTURAL PROPUESTO PARA UNA VIDA ÚTIL DE 30 AÑOS
Nuevamente, se emplean los resultados de la capacidad estructural existente en el año cero (0) definidos
en los informes:
• Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera. Volumen I. Sector San José –
Escazú. Elaborado por Gauss S.A. Servicios Especializados de Ingeniería Vial S.A.
• Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José – Caldera. Volumen II. Sector Escazú ‐
Caldera. Elaborado por Gauss S.A. Servicios Especializados de Ingeniería Vial S.A.
Pero esta vez, se considera una vida útil de 30 años para la construcción en una sola etapa, en el Anexo 3
se presentan los parámetros usados en el diseño. En la Tabla 3 se presentan los resultados obtenidos,
nuevamente se realiza un análisis de la Vida Remanente al final de los 30 años de vida útil.
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Tabla 3. Diseño estructural propuesto para una vida útil de 30 años
Tramo: San José ‐ Escazú
Tramo: Escazu ‐ Ciudad
Colon
1 ETAPA (0‐30 años)
61,800,000
30
80
‐0.842
0.49
4.10
4.2
2.5
1 ETAPA (0‐30 años)
68,000,000
66
80
‐0.842
0.49
4.10
4.2
2.5
1 ETAPA (0‐30 años)
51,800,000
55
75
‐0.674
0.45
4.10
4.2
2.5
1 ETAPA (0‐30 años)
47,800,000
55
75
‐0.674
0.45
4.10
4.2
2.5
8.37
10.7
13.8
17
17.78
14.19
14.00
13.85
9.41
3.49
0.20
‐3.15
22
8
3
0
Coeficiente estructural sobrecapa, ai
0.44
0.44
0.44
0.44
Número estructural aportado por
sobrecapa colocada, cm
9.68
3.52
1.32
0
EE carril diseño (MEE)
MR (MPA)
Confiabilidad
ZR
S0
Factor de seguridad
Serviciabilidad Inicial
Serviciabilidad Final
Numero estructural efectivo existente,
cm *
Numero estructural requerido sobre
subrasante, cm
Num. estructural requerido para la
sobrecapa, cm
Espesor de sobrecarpeta, cm **
18.05
14.22
15.12
17.00
18.05 > 17.78 OK!
181,910,546
66.03
0.93
16.86
14.22 > 14.19 OK!
183,039,952
62.85
0.92
13.15
15.12 > 14 OK!
130,646,241
60.35
0.92
13.87
17 > 13.85 OK!
119,786,651
60.10
0.92
15.59
Numero estructural total
Resultado diseño
N1.5
RL
CF
Sneff al final de vida útil
Tramo: Ciudad Colon ‐ Tramo: Orotina ‐ Caldera
Orotina BEC
Sector B
* Número estructural efectivo suministrado por el Concesionario, requiere ser comprobado con los datos
** Espesor de sobrecapa a colocar según los diseños aportados por el Concesionario
En la tabla 4 se presenta la comparación de los espesores de sobrecarpeta colocada para las alternativas
de diseños estructurales propuestos en dos etapas versus el diseño estructural propuesto para una vida
útil de 30 años.
Tabla 4. Comparación de diseños estructurales propuestos en dos etapas
versus el diseño estructural propuesto para una vida útil de 30 años
TRAMO
Espesor total de carpeta asfáltica colocada (cm)
Propuesta en Dos Etapas
Vida útil 30 años
Etapa 1
Etapa 2
Espesor total
Espesor total
San José ‐ Escazú
19.5
9.5
29.0
22.0
Escazu ‐ Ciudad Colon
6.0
5.0
11.0
8.0
‐
7.5
7.5
3.0
‐
5.0
5.0
‐
Ciudad Colon ‐Orotina
BEC
Orotina ‐ Caldera
Sector B
Como se puede observar en la tabla 4, para las condiciones y datos suministrados, los espesores de
sobrecarpetas colocados al final de los 30 años, en el caso de la construcción en etapas, serían mayores a
los espesores colocados para un diseño de una sola etapa que contemple todo el diseño, así por ejemplo
en el tramo San José –Escazú, para un diseño en una sola etapa se propone un espesor de 22 cm,
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mientras que en el caso de la construcción en etapas se proyecta colocar una primera capa de 19.5 cm y
posteriormente se colocaría una sobrecarpeta de 9.5, para un total de 29 cm.
7. CONCLUSIONES
Entre las principales conclusiones se resaltan las siguientes:
•
El retrocálculo de módulos es una herramienta que permite determinar la condición estructural
de un pavimento, lo que permite procesar los requerimientos de carga, seleccionar estrategias
de rehabilitación y otras actividades de la administración de los pavimentos.
•
La Guía de Diseño AASHTO 93 estimula el uso de períodos de análisis grandes, incluyendo al
menos un periodo de rehabilitación, con la finalidad de realizar análisis comparativos de
diferentes estrategias de intervención.
•
La selección de periodos de desempeño o vida útil muy extensos puede conllevar a obtener
diseños poco realistas en el campo. Por ello, si se considera un análisis de costos por ciclos de
vida, es necesario tener en cuenta periodos máximos de desempeño que sean prácticos
conforme al tipo de pavimento y la experiencia obtenida con pavimentos diseñados de igual
manera y con condiciones similares.
•
Existen una serie de criterios de orden práctico y funcional que exigen la colocación o
rehabilitación de estructura dentro de periodo de análisis extensos. De esta manera, el
cumplimiento de periodos de análisis extensos, se logra con la selección de periodos de
desempeño menores, mediante la construcción por etapas.
•
Para las condiciones y datos suministrados, los espesores de sobrecarpetas colocados al final de
los 30 años, en el caso de la construcción en etapas, serían mayores a los espesores colocados
para un diseño de una sola etapa que contemple todo el diseño, por lo que la estructura
propuesta en el caso de la construcción por etapas, tiende a ser más conservadora.
•
Cuando se esté tratando con diseños estructurales en los cuales, el periodo de desempeño es
igual que el periodo de análisis, las solicitaciones de carga (ejes equivalentes) a utilizar serán los
mismos en ambos periodos. Por su parte, cuando se realizan diseños estructurales en los que el
periodo de desempeño es menor que el periodo de análisis (situación típica de la construcción
por etapas), los ejes equivalentes a usar en cada una de las etapas (del periodo desempeño)
corresponderá a las solicitaciones de carga que se darán dentro de ese mismo periodo; y por lo
tanto, la sumatoria total de las solicitaciones de carga de cada una de las etapas consideradas,
corresponderá a las solicitaciones de carga del periodo de análisis. Así, el deterioro que sufre el
pavimento al final de cada periodo de desempeño, representa una reducción de la condición del
pavimento, que a su vez se convierte en la condición inicial del siguiente periodo de desempeño.
Cuando se aplica una rehabilitación o reconstrucción se tendrá un mejoramiento de la condición
del pavimento, lo que le permite extender la vida útil del pavimento.
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Laboratorio Nacional de Materiales y Modelos Estructurales (LanammeUCR)
Análisis del diseño de pavimentos propuesto en la Concesión de la Carretera San José‐Caldera
8. RECOMENDACIONES
•
Es necesario en el momento en que se deba efectuar la segunda intervención determinar cuál es
la capacidad real residual del pavimento al final del periodo de los 12 años. Sin embargo, a
manera de recomendación, se sugiere que los espesores de sobrecarpeta a colocar a partir del
año 12 deberán ser como mínimo los propuestos en el diseño, insistiendo siempre en la
necesidad de evaluar la capacidad estructural del pavimento.
•
La Administración debe garantizar que se lleve a cabo un control de la capacidad estructural del
pavimento y que se realicen las rehabilitaciones y actividades de mantenimiento adecuadas
durante la vida útil del pavimento. Bajo ninguna circunstancia estos diseños o lo analizado está
por encima del resto de parámetros que deben cumplirse en el contrato relacionado con el
desempeño funcional de la obra.
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Anexo 1. Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista
San José – Caldera. Gauss S.A. Servicios Especializados
de Ingeniería Vial S.A.
Ubicación de los diferentes diseños estructurales
Según el estacionamiento del proyecto
Los valores utilizados en el diseño tales como:
CONFIABILIDAD, R
Diseño Una Etapa
R=80% (Urbano)
R=75% (Rural)
Diseño en dos etapas: Retapa = R
1
n
1
= R 2 , n: etapas
= 89,4% (Urbano)
= 87.0% (Rural)
ERROR ESTANDAR, So
Recapados
0,49
1. Tramo San José - Escazú (0+000 a 3+605)
Pavimento Recapado A/H pulverizado (Rubblizing) etapa 1
Si consideramos el diseño en dos etapas (1 2 y 18 años).
Se adopta la metodología de pavimento fracturado (5.4 Guía AASHTO). Bajo este
criterio se considera que el pavimento de hormigón ha sido sometido al procedimiento
de pulverizado (Rubblized PCC).
Tramo
Diseño
Ejes equivalentes en el carril de diseño (MEE)
19
MR (MPa)
30
Confiabilidad, R
89,4%
ZR
‐1,25
S0
0,49
Factor de seguridad
4,1
Serviciabilidad inicial
4,2
Serviciabilidad final
2,6
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm 16,8
Capa
Hormigón existente
Base asfáltica
Base estabilizada
Base granular
Subbase granular
Total
Carpeta de rodado
D
(cm)
22
17
ai
m
0,28
0,33
0,20
0,14
0,13
1
1
1
1
1
Etapa 2
9.5 cm
Etapa 1
19.5 cm
Hormigón
pulverizado
22.0 cm
Sub Base
Granular
17.0 cm
SN
(cm)
6,16
SNacumulado
(cm)
2,2
8,37
19,5
0,44
1
8,58
Total
17,0
Pavimento Recapado Etapa 2
Tramo
Ejes equivalentes en el carril de diseño (MEE)
MR (MPa)
Confiabilidad, R
ZR
S0
Diseño
42,8
30
89,4%
‐1,248
0,49
Factor de seguridad
Serviciabilidad inicial
Serviciabilidad final
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm
Capa
Mezcla asfáltica
Hormigón
Base granular
Subbase granular
Total
Recapado
Carpeta de rodado
4,10
4,2
2,5
18,3
D
(cm)
19,5
22
9,5
ai
m
SN
(cm)
5,85
6,16
0,30
0,28
0,14
0,13
1
1
1
1
Total
2,21
14,22
0,44
1
Total
4,18
18,40
2. Tramo Escazú ‐ Ciudad Colón (3+605 a 14+025)
Esta solución considera que el pavimento existente tiene un aporte estructural importante
dado su estado (IRI 2,4 m/km) y las reparaciones previas consideradas (ver anexo reparaciones
previas tramo Escazú Ciudad Colón) .
La estructura propuesta contempla un recapado de 6cm más otro refuerzo de 9,Scm para la
segunda etapa.
Recapado Etapa 1
Tramo
Diseño
Ejes equivalentes 12 años (MEE)
19,2
MR (MPa)
66
Confiabilidad, R
89,4%
ZR
‐1,248
S0
0,49
Factor de seguridad
4,09
Serviciabilidad inicial
4,2
Serviciabilidad final
2,6
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm 16,8
Número estructural efectivo existente, cm
10,7
Número estructural recapado, cm
2,4
Etapa 2
5.0 cm
Etapa 1
6.0 cm
Asfalto
15.0 cm
Base
Estabilizada
25.0 cm
Base
Granular
15.0 cm
Estructuración
Capas existentes
NE efectivo (FWD)
Recapado
Capa de rodadura
Total
D
(cm)
ai
m
SN
(cm)
10,7
6
0,44
1
2,6
13,3 > 12,9
Recapado Etapa 2
Tramo
Ejes equivalentes 18 años (MEE)
MR (MPa)
Confiabilidad, R
ZR
S0
Diseño
48,8
66
89,4%
‐1,248
0,49
Factor de seguridad
Serviciabilidad inicial
Serviciabilidad final
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm
Número estructural efectivo existente, cm
Número estructural recapado, cm
Capa
Rodadura etapa 1
NE efectivo (FWD)
Total
Recapado
Carpeta de rodado
4,09
4,2
2,5
14,7
12,5
2,2
D
(cm)
6
ai
m
0,30
1
5
0,44
SN
(cm)
1,8
10,7
12,5
2,2
14,7 = 14,7
3. Tramo Escazú ‐ Ciudad Colón (3+605 a 14+025) (ampliaciones)
Pavimento Nuevo Ampliación Etapa 1
Tramo
Diseño
Ejes equivalentes en el carril de diseño (MEE)
19,2
MR (MPa)
66
Confiabilidad, R
89,4%
ZR
‐1,248
S0
0,45
Factor de seguridad
4,29
Serviciabilidad inicial
4,2
Serviciabilidad final
2,6
Número estructural requerido sobre BG, cm
(*)
Número estructural requerido sobre SBG, cm
(*)
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm 12,9
5 cm
Etapa 2
Asfalto
11.0 cm
Base Estabilizada
Cemento
30.0 cm
Base
Granular
18.0 cm
Estructuración
Capas existentes
Rodadura
Base Estabilizada
Base Granular
Total
D
(cm)
11
30
18
ai
m
0,44
0,20
0,14
1
1
1
SN
(cm)
4,8
6,0
2,3
SNacumulado
(cm)
13,1>12,9
No se aplica verificación por capa dado que la base estabilizada posee un módulo superior a
los 276MPa.
Se debe señalar que se ha considerado que la falla de la base tratada con cemento
transformaría a la capa en un granular con la consecuente fatiga de la mezcla asfáltica, esto
nos lleva a fijar un mínimo de 11cm de mezcla asfáltica sobre la base estabilizada de 30cm.
Etapa 2
Tramo
Ejes equivalentes carril de diseño (MEE)
MR (MPa)
Confiabilidad, R
ZR
S0
Diseño
48,8
66
89,4%
‐1,248
0,49
Factor de seguridad
Serviciabilidad inicial
Serviciabilidad final
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm
Número estructural efectivo existente, cm
Número estructural recapado, cm
3,64
4,2
2,5
14,7
11,3
3,5
Estructuración
Capa
Rodadura
Base tratada con cemento
Base granular
Total
Recapado
Carpeta de rodado
D
(cm)
11
30
18
ai
m
0,25
0,20
0,14
1
1
1
5
0,44
SN
(cm)
2,8
6,0
2,5
11,3
3,5
14,8 > 14,7
4. Tramo Ciudad Colón ‐ Orotina (12+500 a 51+720)
Pavimento Nuevo con BEC, Etapa 1
Si consideramos el diseño en dos etapas (1 2 y 18 años).
Tramo
Diseño
Ejes equivalentes en el carril de diseño (MEE)
13,4
MR (MPa)
55
Confiabilidad, R
87%
ZR
‐1,108
S0
0,45
Factor de seguridad
3,15
Serviciabilidad inicial
4,2
Serviciabilidad final
2,6
Número estructural requerido sobre BG, cm
(*)
Número estructural requerido sobre SBG, cm
(*)
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm 12,8
Etapa 2
7.5 cm
Asfalto
13.0 cm
Base Estabilizada
Cemento
30.0 cm
Base
Granular
15.0 cm
Estructuración
Capas existentes
Rodadura
Base Estabilizada
Base Granular
Total
D
(cm)
13
30
15
ai
m
0,44
0,20
0,14
1
1
1
SN
(cm)
5,7
6,0
2,1
13,8
SNacumulado
(cm)
13,8>12,8
Pavimento Nuevo con BEC, Etapa 2
Tramo
Ejes equivalentes carril de diseño (MEE)
MR (MPa)
Confiabilidad, R
ZR
S0
Factor de seguridad
Diseño
38,4
55
87%
‐1,108
0,49
3,64
Serviciabilidad inicial
Serviciabilidad final
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm
Número estructural efectivo existente, cm
Número estructural recapado, cm
4,2
2,5
14,7
Estructuración
Capa
Rodadura
Base tratada con cemento
Base granular
Total
Recapado
Carpeta de rodado
D
(cm)
13
30
15
ai
m
0,25
0,20
0,14
1
1
1
7,5
0,44
1
SN
(cm)
3,3
6,0
2,1
11,4
3,3
14,7 = 14,7
Opción sin base estabilizada
Pavimento Nuevo Etapa 1
Si consideramos el diseño en dos etapas (12 y 18 años)
Tramo
Diseño
Ejes equivalentes en el carril de diseño (MEE)
13,4
MR (MPa)
55
Confiabilidad, R
87%
ZR
‐1,108
S0
0,45
Factor de seguridad
3,15
Serviciabilidad inicial
4,2
Serviciabilidad final
2,6
Número estructural requerido sobre BG, cm
7,2
Número estructural requerido sobre SBG, cm
8,8
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm 12,8
Carpeta
Base
Granular
Subbase
granular
13 cm
15.0 cm
27.0 cm
Estructuración
Capas existentes
Rodadura
Base Granular
Subbase granular
Total
D
(cm)
ai
m
0,44
0,14
0,13
1
1
1
SN
(cm)
7,3
2,1
3,5
SNacumulado
(cm)
7,3 >7,2
9,4 >8,8
12,9 > 12,8
Pavimento Nuevo Etapa 2
Tramo
Ejes equivalentes en el carril de diseño (MEE)
MR (MPa)
Confiabilidad, R
ZR
S0
Factor de seguridad
Serviciabilidad inicial
Serviciabilidad final
Diseño
38,4
55
87%
‐1,108
0,49
3,64
4,2
2,5
Número estructural requerido sobre BG, cm
Número estructural requerido sobre SBG, cm
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm
14,6
Estructuración
Capas existentes
Rodadura
Base Granular
Subbase granular
Total
Recapado (año 12)
Total
D
(cm)
13
15
27
ai
m
0,25
0,14
0,13
1
1
1
11,5
0,44
1
SN
(cm)
4,1
2,1
3,5
9,7
5,1
14,8 > 14,6
5. Tramo Orotina – Caldera (51+720 a 76+310) A
Etapa 1
SECTOR A: Mr = 102 MPa
Se reciclan los primeros 25 cm de pavimento, y se utilizan solo las capas de 12cm y 40
cm restantes de las capas granulares existente s.
Tramo
Diseño
Ejes equivalentes 12 años (MEE)
11,6
MR (MPa)
102
Confiabilidad, R
87%
ZR
‐1,108
S0
0,45
Factor de seguridad
3,15
Serviciabilidad inicial
4,2
Serviciabilidad final
2,6
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm 10,0
Etapa 2
5.0 cm
Etapa 1
10.0 cm
Base Estabilizado
Cemento
25.0 cm
BEC
Antigua
12.0 cm
Base
Granular
40.0 cm
Estructuración
Capas existentes
Rodadura
Base Estabilizada
Base Granular
Subbase
Total
D
(cm)
10
25
12
40
ai
m
0,44
0,20
0,14
0,13
1
1
1
1
SN
(cm)
4,4
5,0
1,68
5,20
16,3 > 10
No se aplica verificación por capa dado que la base estabilizada tiene un módulo mayor que
276MPa.
Se debe señalar que se ha considerado que la falla de la base tratada con cemento
transformaría a la capa en un granular con la consecuente fatiga de la mezcla asfáltica, esto
nos lleva a fijar un mínimo de 10cm de mezcla asfáltica sobre la base estabilizada de 25cm.
Etapa 2
Tramo
Ejes equivalentes carril de diseño (MEE)
MR (MPa)
Confiabilidad, R
ZR
S0
Factor de seguridad
Serviciabilidad inicial
Diseño
36,2
102
87%
‐1,108
0,49
3,49
4,2
Serviciabilidad final
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm
2,5
11,9
Estructuración
Capa
Rodadura
Base Estabilizada
Base granular
Subbase
Total
Recapado
Carpeta de rodado
D
(cm)
10
25
12
40
ai
m
0,25
0,20
0,14
0,13
1
1
1
1
‐
0,44
SN
(cm)
3,3
6,0
2,1
5,2
14,4 > 11,9
‐
No Requiere refuerzo, para prevenir problemas de agrietamiento de re flexión debido a la base
estabilizada, se recomienda un refuerzo de 5cm el año 12.
6. Tramo Orotina – Caldera (51+720 a 76+310) B
SECTOR B: Mr=55 MPa
Etapa 1
Se reciclan los primeros 30 cm de pavimento, y se utilizan solo las capas de 7cm y 40 cm
restantes de las capas granulares existentes.
Tramo
Diseño
Ejes equivalentes 12 años (MEE)
11,6
MR (MPa)
55
Confiabilidad, R
87%
ZR
‐1,108
S0
0,45
Factor de seguridad
3,15
Serviciabilidad inicial
4,2
Serviciabilidad final
2,6
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm 12,5
Etapa 2
5.0 cm
Etapa 1
11.0 cm
Base Estabilizado
Cemento
30.0 cm
BEC
Antigua
7.0 cm
Base
Granular
40.0 cm
Estructuración
Capas existentes
Rodadura
Base Estabilizada
Base Granular
Subbase
Total
D
(cm)
11
30
7
40
ai
m
0,44
0,20
0,14
0,13
1
1
1
1
SN
(cm)
4,84
6,00
0,98
5,20
17,0 > 12,5
No se aplica verificación por capa dado que la base estabilizada tiene un módulo mayor que
276MPa.
Se debe señalar que se ha considerado que la falla de la base tratada con cemento
transformaría a la capa en un granular con la consecuente fatiga de la mezcla asfáltica, esto
nos lleva a fijar un mínimo de 11cm de mezcla asfáltica sobre la base estabilizada de 30cm.
Etapa 2
Tramo
Ejes equivalentes 18 años (MEE)
MR (MPa)
Confiabilidad, R
ZR
S0
Factor de seguridad
Serviciabilidad inicial
Serviciabilidad final
Número estructural requerido sobre Subrasante, cm
Número estructural efectivo existente, cm
Número estructural recapado, cm
Diseño
36,2
102
87%
‐1,108
0,49
3,49
4,2
2,5
14,6
14,9
0
Estructuración
Capa
Rodadura
MAC antigua
Base granular
Subbase
Total
Recapado
Carpeta de rodado
D
(cm)
11
30
7
40
ai
m
0,25
0,20
0,14
0,13
1
1
1
1
‐
0,44
SN
(cm)
2,75
6,0
0,98
5,2
14,9 =14,9
‐
El fijar espesores de base estabilizada y mínimos de asfalto provoca el sobre
dimensionamiento al diseñar en etapas, y como consecuencia no se requiere refuerzo según la
evaluación estructural o cálculo de recapado, sin embargo dado que el agrietamiento de la
base estabilizada es in evitable se recomienda un espesor mínimo 5cm de asfalto para la
segunda etapa .
Anexo 2. Aplicación del Método de Vida Remanente
para estimar la capacidad estructural
Como se mencionó anteriormente, este método se basa en la determinación de la reducción
de la capacidad estructural del pavimento debido a la fatiga acumulada en los materiales. Solo
se puede utilizar si se conocen las cargas aplicadas al pavimento desde la construcción hasta el
momento actual. Estas cargas se comparan con las previstas en proyecto hasta el nivel de
servicio final.
El método de “Vida Remanente” sigue el concepto de daño por fatiga. Esto es, que las cargas
repetidas dañan gradualmente el pavimento y reducen el número de cargas adicionales que
puede soportar y que lo llevan a la falla. En este caso, se supone que la reducción en la
capacidad estructural del pavimento, no presentará daños observables pero si una reducción
en términos de la cantidad de cargas futuras que puede soportar.
Para determinar la “Vida Remanente”, el diseñador debe determinar la cantidad de tráfico que
el pavimento ha soportado hasta ese momento y la cantidad total de tráfico que se espera,
pueda soportar hasta la “falla”. Ambas cantidades de tráfico deben expresarse en términos de
Ejes Equivalentes de Diseño de 9000 Kg (18000 lbs). La diferencia entre estos valores,
expresado como un porcentaje del tráfico total para la “falla” se define como “Vida
Remanente”, y se denota por la Ecuación 1:
  N p 
RL = 100 ⋅ 1 − 

  N1.5  
Ecuación 1
donde:
RL: Vida Remanente, %
Np: cantidad de Ejes Equivalentes de Diseño en un momento determinado, ESAL`s 18000 lbs
N1.5: cantidad de Ejes Equivalentes de Diseño para la falla del pavimento (PSI=1.5), ESAL`s 1800
lbs
Una vez determinada la “Vida Remanente”, el diseñador puede obtener el Factor de
Condición, CF, de la figura 5.2 de la sección III de la Guia AASHTO. El Factor de Condición, CF,
se define como:
CF =
SCn
SC 0
Ecuación 2
donde:
SCn: capacidad estructural del pavimento después de Np ESAL`s
SC0: capacidad estructural original del pavimento
Factor de Condición, CF
“Vida Remanente”, RL (Porcentaje %)
Figura 5.2: Relación entre Factor de Condición y “Vida Remanente”
(figura 5.2 de la sección III de la Guia AASHTO)
La capacidad estructural existente puede ser estimada multiplicando la capacidad estructural
original del pavimento por el Factor de Condición, CF, como se muestra a continuación:
SN eff = CF ⋅ SN 0
Ecuación 3
Para la determinación de la vida remanente, el N1.5 puede ser estimado de una manera
conservadora utilizando la ecuación del diseño del pavimento nuevo de la Guía AASHTO 93.
Para ser consistentes con la Pista de Ensayo de AASHO y el desarrollo de esta ecuación, es
recomendable un PSI final de 1.5 y una confiabilidad del 50%.
Para el cálculo del número estructural (SN) se utiliza la fórmula de la AASHTO‐93:
 ∆PSI 
log10 

4 .2 − 1 .5 

log10 (W18 ) = Z R * S o + 9.36 * log10 ( SN + 1) − 0.2 +
+ 2.32 * log10 ( M R ) − 8.07
1094
0 .4 +
(SN + 1)5.19
Ecuación 4
De esta manera, con los parámetro suministrados por el Volumen I y II del Diseño Estructural
de Pavimentos. Autopista San José – Caldera, propuesto por Gauss S.A. Servicios Especializados
de Ingeniería Vial S.A. y los parámetro de diseño usados, se procedió a calcular el N1.5 para una
serviciabilidad final (PSI) de 1.5 una confiabilidad del 50% para los números estructurales
totales obtenidos en la Etapa 1: Del año cero (0) al año 12 , se pretende de esta manera poder
calcular la Vida Remanente aproximada al final de la Etapa 1, la cual debería corresponder a la
capacidad estructural en el momento de la intervención o construcción de la Etapa 2: Del año
13 al año 30.
Tabla 2. Aplicación del Método de Vida Remanente a las etapas de diseño propuestas
EE carril diseño (MEE)
MR (MPA)
Confiabilidad
ZR
S0
Factor de seguridad
Serviciabilidad Inicial
Serviciabilidad Final
Numero estructural total
N1.5
RL
CF
Sneff al final de vida
útil
Tramo: San José ‐ Escazú
Etapa 1
Etapa 2
(0‐12 años)
(12‐30 años)
Tramo: Escazu ‐ Ciudad Colon
Etapa 1
Etapa 2
(0‐12 años)
(12‐30 años)
Tramo: Ciudad Colon ‐Orotina BEC Tramo: Orotina ‐ Caldera Sector B
Etapa 1
Etapa 2
Etapa 1
Etapa 2
(0‐12 años)
(12‐30 años)
(0‐12 años)
(12‐30 años)
19,000,000
30
89.4
‐1.250
0.50
4.10
4.2
1.5
42,800,000
30
89.4
‐1.250
0.50
4.10
4.2
1.5
19,200,000
66
89.4
‐1.250
0.50
4.10
4.2
1.5
48,800,000
66
89.4
‐1.250
0.50
4.10
4.2
1.5
13,400,000
55
86.6
‐1.108
0.50
3.15
4.2
1.5
38,400,000
55
86.6
‐1.108
0.50
3.15
4.2
1.5
11,600,000
55
86.6
‐1.108
0.50
3.15
4.2
1.5
36,200,000
55
86.6
‐1.108
0.50
3.15
4.2
1.5
17.00
18.40
13.30
14.70
13.80
14.70
17.00
17.10
62,538,785
69.62
0.94
125,164,684
65.81
0.93
54,680,979
64.89
0.93
131,546,662
62.90
0.92
33,722,339
60.26
0.92
93,227,566
58.81
0.91
28,634,006
59.49
0.92
87,475,888
58.62
0.91
15.98*
17.13**
12.34*
13.59**
12.66*
13.43**
15.59*
15.62**
* Número estructural efectivo al final del año 12 (correspondería al SNeff a usarse en el diseño de la Etapa 2, en el
año13)
** Número estructural efectivo al final de la Etapa 2, año 30
Como se puede notar, cuando se comparan los resultados del Número estructural efectivo al
final del año 12, al aplicar el Método de Vida Remanente presentado, respecto al castigo del
30% en la capacidad estructural que se menciona en el Oficio No. DAC‐OF‐940/04‐09, es muy
similar y en general se puede notar que tienden a ser un poco más conservadores los datos
empleados en el Volumen I y II del Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José –
Caldera, propuesto por Gauss S.A. Servicios Especializados de Ingeniería Vial S.A.
Anexo 3. Propuesta de Diseño Estructural de Pavimentos
para una Vida Útil de 30 años
Nuevamente, se emplean los resultados de la capacidad estructural existente en el año cero
(0) determinada en el Volumen I y II del Diseño Estructural de Pavimentos. Autopista San José
– Caldera, propuesto por Gauss S.A. Servicios Especializados de Ingeniería Vial S.A. y los
parámetro de diseño para una obra con una vida útil de 30 años para la construcción en una
sola etapa:
CONFIABILIDAD, R
Diseño Una Etapa
ERROR ESTANDAR, So
Recapados
R=80% (Urbano)
R=75% (Rural)
0,49
Además de los módulos resilientes de las capas de soporte de las estructuras presentadas
anteriormente que corresponden a valores típicos para los materiales existentes. Nuevamente,
también se realiza un análisis de la Vida Remanente al final de los 30 años de vida útil.
Tabla 3. Diseño estructural propuesto para una vida útil de 30 años
Tramo: San José ‐ Escazú
Tramo: Escazu ‐ Ciudad
Colon
1 ETAPA (0‐30 años)
61,800,000
30
80
‐0.842
0.49
4.10
4.2
2.5
1 ETAPA (0‐30 años)
68,000,000
66
80
‐0.842
0.49
4.10
4.2
2.5
1 ETAPA (0‐30 años)
51,800,000
55
75
‐0.674
0.45
4.10
4.2
2.5
1 ETAPA (0‐30 años)
47,800,000
55
75
‐0.674
0.45
4.10
4.2
2.5
8.37
10.7
13.8
17
17.78
14.19
14.00
13.85
9.41
3.49
0.20
‐3.15
22
8
3
0
Coeficiente estructural sobrecapa, ai
0.44
0.44
0.44
0.44
Número estructural aportado por
sobrecapa colocada, cm
9.68
3.52
1.32
0
EE carril diseño (MEE)
MR (MPA)
Confiabilidad
ZR
S0
Factor de seguridad
Serviciabilidad Inicial
Serviciabilidad Final
Numero estructural efectivo existente,
cm *
Numero estructural requerido sobre
subrasante, cm
Num. estructural requerido para la
sobrecapa, cm
Espesor de sobrecarpeta, cm **
Numero estructural total
Resultado diseño
N1.5
RL
CF
Sneff al final de vida útil
Tramo: Ciudad Colon ‐ Tramo: Orotina ‐ Caldera
Orotina BEC
Sector B
18.05
14.22
15.12
17.00
18.05 > 17.78 OK!
181,910,546
66.03
0.93
16.86
14.22 > 14.19 OK!
183,039,952
62.85
0.92
13.15
15.12 > 14 OK!
130,646,241
60.35
0.92
13.87
17 > 13.85 OK!
119,786,651
60.10
0.92
15.59
* Número estructural efectivo suministrado por el Concesionario, requiere ser comprobado con los datos
** Espesor de sobrecapa a colocar según los diseños aportados por el Concesionario