herramienta de cálculo para retrocálculo de módulos y...
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Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil
Herramienta de cálculo para retrocálculo de módulos y diseño de sobrecapas
asfálticas de pavimentos flexibles en Costa Rica
Proyecto de Graduación
Que para obtener el grado de Licenciatura en Ingeniería Civil
Presenta:
Piero Laurent Matamoros
Director de Proyecto de Graduación:
Ing. Luis Guillermo Loría Salazar, Ph.D.
Ciudad Universitaria Rodrigo Facio
Costa Rica Marzo, 2017
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UNIYERSIDADDE COSTARlCA
··-
Señor: Piero Laurent Matamoros A42890
Estimado estudiante:
ingenie~í~ l CIVI~
03 de marzo de 2017 IC-213-2017
Según el artículo 39 del reglamento de Trabajos Finales de Graduación, la Escuela de Ingeniería Civil se complace en otorgarle la aprobación con distinción de su Trabajo Final de Graduación denominado "Herramienta de cálculo para retrocálculo de módulos y diseño de sobrecapas asfálticas de pavimentos flexibles en Costa Rica."
Por este motivo le manifestamos nuestras más sinceras felicitaciones por su dedicación y empeño.
Atentamente,
Ce: archivo GAA
O/ir -~Y Ing. Antonio Sánchez Fernández
Director Escuela Ingeniería Civil ·
Universidad de C · . osta Ric rngenre!ía l a
CIVi~ Facultad de Ingeniería
Esc11ela de Ingeniería Civil: 2511-551012224-2408 ·Fax: 2511-5813 ·Sitio web: tt·ww.eic.ucr.ac.cr Programa susta11cialmente equivalente acreditado desde 1999 por el Canadian Engineering Accreditation Board
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Nota: De acuerdo con la Ley de Derechos de Autor y Derechos Conexos N° 6683, Artículo 7
(versión actualizada el 02 de julio de 2001); “no podrá suprimirse el nombre del autor en las
publicaciones o reproducciones, ni haber en ellas interpolaciones, sin una conveniente
distinción entre el texto original y las modificaciones o adiciones editoriales”. Además, el autor
conserva el derecho moral sobre la obra, Artículo 13 de esta ley, por lo que es obligatorio citar
la fuente de origen cuando se utilice información contenida en esta obra
Derechos de propiedad intelectual
Fecha: marzo 2017
Quien suscribe, Piero Laurent Matamoros, cédula 6-0359-0640, estudiante de la carrera de
Licenciatura en Ingeniería Civil de la Universidad de Costa Rica, con número de carné A42890,
manifiesta que es autor del Proyecto Final de Graduación Herramienta de cálculo para
retrocálculo de módulos y diseño de sobrecapas asfálticas de pavimentos flexibles
en Costa Rica, bajo la dirección de Ing. Luis Guillermo Loría Salazar, Ph.D., quien en
consecuencia tiene derechos compartidos sobre los resultados de esta investigación. Así
mismo, hago traspaso de los derechos de utilización del presente trabajo a la Universidad de
Costa Rica, para fines académicos: docencia, investigación, acción social y divulgación.
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Dedicatoria
A Dios y mi familia.
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Agradecimientos
A mis Padres por sus oraciones, a mis hermanos por su compañía, a mi novia por su apoyo
incondicional.
A los amigos que hice durante mi tiempo en la universidad que me impulsaron para que siguiera
adelante.
A todos los compañeros del LanammeUCR que pusieron su confianza en mí y sus conocimientos
a mi disposición para realizar este proyecto.
A mi comité de proyecto de graduación quienes me brindaron todo el apoyo para desarrollar
el proyecto, en especial por su guía y consejos, por la confianza que me proporcionaron.
A todos los que han estado conmigo y quienes han ayudado de una u otra manera les
agradezco sinceramente. Esto no hubiera sido posible sin todos ustedes.
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ÍNDICE
Capítulo 1. Introducción .................................................................................................. 23
1.1. Justificación .......................................................................................................... 23
1.1.1. Problema específico ........................................................................................ 23
1.1.2. Importancia .................................................................................................... 25
1.1.3. Antecedentes teóricos y prácticos del problema ................................................ 26
1.2. Objetivos .............................................................................................................. 29
1.2.1. Objetivo general ............................................................................................. 29
1.2.2. Objetivos específicos ....................................................................................... 29
1.3. Delimitación del problema ...................................................................................... 29
1.3.1. Alcance .......................................................................................................... 29
1.3.2. Limitaciones ................................................................................................... 30
1.4. Descripción de la metodología ................................................................................ 32
1.4.1. Fase investigación teórica ................................................................................ 32
1.4.2. Fase análisis ................................................................................................... 33
1.4.3. Fase de programación y generación de la herramienta de diseño ....................... 34
Capítulo 2. Marco teórico ................................................................................................. 37
2.1. Sistemas de administración de pavimentos ............................................................. 37
2.1.1. Descripción de sistemas de administración de pavimentos ................................. 37
2.1.2. Sistemas de administración de pavimentos en Costa Rica .................................. 40
2.1.3. Curva de deterioro .......................................................................................... 45
2.2. Pavimentos ........................................................................................................... 48
2.2.1. Descripción ..................................................................................................... 48
2.2.2. Pavimento flexible ........................................................................................... 49
2.3. Cálculo de respuestas del pavimento ...................................................................... 51
2.3.1. Cálculo de esfuerzos debido a una carga puntual .............................................. 52
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2.3.2. Ley de Hooke ................................................................................................. 53
2.3.3. Respuestas en el eje de simetría para una carga circular .................................. 54
2.3.4. Método espesor equivalente ............................................................................ 55
2.3.5. Método de multicapa elástica .......................................................................... 58
2.4. Retrocálculo de módulos ....................................................................................... 60
2.4.1. Metodología de retrocálculo ............................................................................ 60
2.4.2. Métodos de solución ....................................................................................... 61
2.4.3. Módulo superficial .......................................................................................... 64
2.4.4. Medición de deflexiones .................................................................................. 69
2.4.5. Estructura ...................................................................................................... 69
2.4.6. Determinación de respuestas .......................................................................... 71
2.4.7. Corrección de módulos ................................................................................... 75
2.4.8. No linealidad de la subrasante para MET .......................................................... 79
2.4.9. Estadística de los módulos .............................................................................. 82
2.5. Metodologías para diseño de pavimentos ............................................................... 83
2.5.1. Descripción .................................................................................................... 83
2.5.2. Metodología de diseño empírica (AASHTO 93) .................................................. 84
2.5.3. Metodología de diseño mecanístico-empírico .................................................... 85
2.5.4. Funciones de transferencia ............................................................................. 85
2.5.5. Modelo de estimación del desempeño por fatiga .............................................. 86
2.5.6. Modelo de estimación de la deformación permanente ....................................... 90
2.5.7. Puntos de análisis ........................................................................................... 94
2.6. Descripción de sobrecapas .................................................................................... 95
2.6.1. Descripción .................................................................................................... 95
2.6.2. Clasificación de sobrecapas ............................................................................. 95
2.6.3. Generalidades de diseño de sobrecapas ........................................................... 96
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2.6.4. Sobrecapas asfálticas sobre pavimentos flexibles .............................................. 97
2.6.5. Datos de entrada para el diseño de la sobrecapa .............................................. 98
Capítulo 3. Resultados ................................................................................................... 105
3.1. Programación y diseño de la herramienta ............................................................. 105
3.1.1. Descripción del proceso de programación ....................................................... 105
3.1.2. Descripción de las partes de la herramienta PITRA-BACK ................................. 107
3.1.3. Acerca de la herramienta ............................................................................... 118
3.2. Ejemplo de retrocálculo y diseño de sobrecapa ..................................................... 120
3.2.1. Ubicación ..................................................................................................... 120
3.2.2. Estructura y modelación ................................................................................ 120
3.2.3. Deflectometría (base de datos) ...................................................................... 122
3.2.4. Resultados de retrocálculo ............................................................................. 125
3.2.5. Tránsito ........................................................................................................ 149
3.2.6. Propiedades de la carga ................................................................................ 151
3.2.7. Propiedades de los materiales de la sobrecapa ................................................ 151
3.2.8. Respuestas calculadas para la nueva estructura .............................................. 152
3.2.9. Desempeño por fatiga ................................................................................... 155
3.2.10. Deformación permanente ............................................................................ 156
Capítulo 4. Conclusiones y Recomendaciones .................................................................. 159
4.1. Conclusiones ....................................................................................................... 159
4.2. Recomendaciones ............................................................................................... 161
Bibliografía ................................................................................................................... 163
Apéndices ..................................................................................................................... A-1
Apéndice A. Guía de uso de la herramienta ..................................................................... A-1
A.1 Introducción ........................................................................................................ A-1
A.2 Proyecto Nuevo ................................................................................................... A-2
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A.3 Información General ............................................................................................. A-3
A.4 Cargar una Base de Datos .................................................................................... A-5
A.5 Definir la Estructura de pavimento ......................................................................... A-7
A.6 Configuración para el Retrocálculo ......................................................................... A-8
A.7 Verificación de Resultados Obtenidos ................................................................... A-11
A.8 Diseño de Sobrecapas ........................................................................................ A-14
A.9 Abrir Proyecto .................................................................................................... A-16
A.10 Guardar Proyecto ............................................................................................. A-16
A.11 Ayuda e Información de la Herramienta ............................................................. A-17
A.11.1 Derechos de autor ...................................................................................... A-17
A.11.2 Descargo de responsabilidad ....................................................................... A-18
Apéndice B. Datos Ejemplo de Cálculo ............................................................................ B-1
B.1 Base de datos Fw1a ............................................................................................. B-1
B.2 Módulos superficiales y deflexiones por estación para Fw1a Caída #2 ...................... B-4
B.3 Información obtenida de la Herramienta .............................................................. B-19
B.4 Temperaturas internas del asfalto ....................................................................... B-29
B.5 Cálculo de ejes equivalentes ............................................................................... B-30
Apéndice C. Ejemplo de Reporte de retrocálculo generado por la Herramienta .................. C-1
Apéndice D. Ejemplo de Reporte de diseño de Sobrecapas generado por la Herramienta ... D-1
Anexos ......................................................................................................................... a-1
Anexo A. Guía para la importación de archivos FWD ........................................................ a-1
Anexo B. Guía para la importación de archivos F25 .......................................................... b-1
Anexo C. Ejemplo de Archivo FWD.................................................................................. c-1
Anexo D. Ejemplo de archivo F25 ................................................................................... d-1
Anexo E. Guía rápida de programación en Java con NetBeans .......................................... e-1
E.1. Setting Up the Project .......................................................................................... e-1
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E.2. Adding Code to the Generated Source File ............................................................. e-3
E.3. Compiling and Running the Program ..................................................................... e-4
E.4. Building and Deploying the Application .................................................................. e-4
Anexo F. Licencia de uso Apache Commons ..................................................................... f-1
Anexo G. Licencia de Uso JFreeChart .............................................................................. g-1
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Índice de Figuras
Figura 1-1 Diagrama de la metodología ............................................................................ 35
Figura 2-1 Ilustración conceptual de la condición de un pavimento durante su vida útil ....... 45
Figura 2-2 Ilustración conceptual de la condición de un pavimento durante su vida útil ....... 46
Figura 2-3 Condición proyectada con y sin tratamiento ...................................................... 47
Figura 2-4 Ejemplos de inversiones en curva de deterioro .................................................. 47
Figura 2-5 Sección típica de un pavimento flexible ............................................................. 50
Figura 2-6 Estado de esfuerzos debido a una carga puntual ............................................... 52
Figura 2-7 Diferencia entre un plato flexible y un plato rígido ............................................. 54
Figura 2-8. Esquema de espesor equivalente .................................................................... 55
Figura 2-9. Estructura de pavimento de cuatro capas ........................................................ 56
Figura 2-10. Capa 1 convertida a una capa con espesor equivalente................................... 57
Figura 2-11. Capa 2 convertida a una capa con espesor equivalente................................... 57
Figura 2-12. Capa 3 convertida a una capa con espesor equivalente................................... 58
Figura 2-13 Sistema de multicapa elástica ........................................................................ 59
Figura 2-14 Ejemplo de deflexiones medidas y calculadas .................................................. 64
Figura 2-15 Ejemplo de módulo superficial de deflexiones medidas y calculadas ................. 65
Figura 2-16 Ejemplos de gráficos de módulo superficial ..................................................... 66
Figura 2-17 Ejemplo Ex.1 módulo superficial ..................................................................... 66
Figura 2-18 Ejemplo Ex.2 módulo superficial ..................................................................... 67
Figura 2-19 Ejemplo Ex.3 módulo superficial ..................................................................... 67
Figura 2-20 Ejemplo Ex.4 módulo superficial ..................................................................... 68
Figura 2-21 Ejemplo Ex.5 módulo superficial ..................................................................... 68
Figura 2-22 Equipo para deflectometría: a) FWD, b) HWD y c) LWD ................................... 69
Figura 2-23 Curva teórica de deformación permanente a lo largo de la vida útil .................. 90
Figura 2-24 Puntos de cálculo de respuesta ...................................................................... 94
Figura 3-1 Pestaña inicial ............................................................................................... 108
Figura 3-2 Menú Archivo y Ayuda ................................................................................... 109
Figura 3-3 Proyecto nuevo ............................................................................................. 109
Figura 3-4 Información del proyecto ............................................................................... 110
Figura 3-5 Pestaña de Base de Datos ............................................................................. 111
Figura 3-6 Pestaña de Estructura ................................................................................... 112
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Figura 3-7 Pestaña de Retrocálculo y opciones ................................................................ 113
Figura 3-8 Opciones para la temperatura del pavimento y para la corrección del módulo ... 114
Figura 3-9 Configuración fórmula Taiwán ........................................................................ 115
Figura 3-10 Configuración Fórmula BELLS ....................................................................... 115
Figura 3-11 Configuración opciones del iterador parámetros para BOBYQA ....................... 116
Figura 3-12 Pestaña de Resultados ................................................................................. 117
Figura 3-13 Pestaña de Diseño de Sobrecapa .................................................................. 118
Figura 3-14 Ventana Acerca de la Herramienta ................................................................ 119
Figura 3-15 Ubicación de pruebas de Deflectometría ........................................................ 120
Figura 3-16 Estructura de pavimento diseñada para el proyecto Sifón - La Abundancia ...... 121
Figura 3-17 Perfil de deflexiones Fw1a para la caída #1 ................................................... 123
Figura 3-18 Perfil de deflexiones Fw1a para la caída #2 ................................................... 123
Figura 3-19 Perfil de módulos superficiales Fw1a para la caída #1 .................................... 124
Figura 3-20 Perfil de módulos superficiales Fw1a para la caída #2 .................................... 124
Figura 3-21 a) Módulos superficiales y b) deflexiones estaciones, con RMS > 5% - MLET .. 126
Figura 3-22 Diferencial de deflexiones para MLET ............................................................ 127
Figura 3-23 Módulos elásticos para MLET ........................................................................ 127
Figura 3-24 a) Módulos superficiales y b) deflexiones estaciones, con RMS > 5% - MET .... 129
Figura 3-25 Diferencial de deflexiones para MET ............................................................. 130
Figura 3-26 Módulos elásticos para MET ......................................................................... 130
Figura 3-27 a) Módulos superficiales y b) deflexiones estaciones, con RMS > 5% - MLET .. 133
Figura 3-28 Diferencial de deflexiones para MET NL ......................................................... 133
Figura 3-29 Módulos elásticos para MET NL ..................................................................... 134
Figura 3-30 Módulo C y parámetro n para MET NL ........................................................... 135
Figura 3-31 Diferencial de deflexiones para ELMOD6 n=0 ................................................ 136
Figura 3-32 Módulos elásticos para ELMOD6 n=0 ............................................................ 137
Figura 3-33 Diferencial de deflexiones ELMOD6 ............................................................... 138
Figura 3-34 Módulos elásticos ELMOD6 ........................................................................... 139
Figura 3-35 Módulo C y parámetro n ELMOD6 ................................................................. 139
Figura 3-36 Comparación de módulos obtenidos con PITRA-BACK y ELMOD6 n=0 ............. 141
Figura 3-37 Comparación de módulos obtenidos con PITRA-BACK y ELMOD6 .................... 143
Figura 3-38 Comparación de módulo C y constante n con PITRA-BACK y ELMOD6 ............. 144
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Figura 3-39 Temperatura del pavimento según modelo ................................................... 145
Figura 3-40 Comparación de módulos corregidos con PITRA-BACK y ELMOD6 ................... 148
Figura 3-41 Deformación unitaria vertical para los puntos de análisis ................................ 154
Figura 3-42 Deformación unitaria horizontal para la fibra ultima de la carpeta ................... 155
Figura 3-43 Desempeño por fatiga para los casos de análisis ........................................... 156
Figura 3-44 Deformación permanente para los casos de análisis ...................................... 158
Figura A-1 Pantalla de presentación ............................................................................... A-1
Figura A-2 Página Inicial ................................................................................................ A-2
Figura A-3 Menú Archivo ................................................................................................ A-2
Figura A-4 Información General ..................................................................................... A-3
Figura A-5 Ejemplo de Información General .................................................................... A-3
Figura A-6 Seleccionador de Carpetas ............................................................................. A-4
Figura A-7 Editar información General ............................................................................ A-5
Figura A-8 Pestaña de Base de Datos ............................................................................. A-6
Figura A-9 Seleccionador de Archivos ............................................................................. A-6
Figura A-10 Ejemplo Base de Datos ................................................................................ A-7
Figura A-11 Ejemplo en Pestaña de Estructura ................................................................ A-8
Figura A-12 Pestaña de Retrocálculo .............................................................................. A-9
Figura A-13 Ventana de Configuración para Corrección por Temperatura .......................... A-9
Figura A-14 Ventana de configuración Fórmula Taiwán .................................................. A-10
Figura A-15 Ventana de configuración Fórmula BELLS ................................................... A-11
Figura A-16 Configuración opciones del iterador parámetros para BOBYQA ..................... A-11
Figura A-17 Pestaña de Resultados Módulo Elástico ....................................................... A-12
Figura A-18 Pestaña de Resultados No Linealidad .......................................................... A-13
Figura A-19 Pestaña de Resultados Diferencial de Deflexiones ....................................... A-13
Figura A-20 Grafico maximizado ................................................................................... A-14
Figura A-21 Pestaña de Diseño .................................................................................... A-15
Figura A-22 Ejemplo de Diseño .................................................................................... A-16
Figura A-23 Menú de Ayuda ......................................................................................... A-17
Figura A-24 Ventana Acerca de la Herramienta ............................................................. A-17
Figura B-1 Módulo superficial y deflexiones estación 0.000 .............................................. B-4
Figura B-2 Módulo superficial y deflexiones estación 0.050 .............................................. B-4
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Figura B-3 Módulo superficial y deflexiones estación 0.100 ............................................... B-5
Figura B-4 Módulo superficial y deflexiones estación 0.150 ............................................... B-5
Figura B-5 Módulo superficial y deflexiones estación 0.200 ............................................... B-6
Figura B-6 Módulo superficial y deflexiones estación 0.250 ............................................... B-6
Figura B-7 Módulo superficial y deflexiones estación 0.300 ............................................... B-7
Figura B-8 Módulo superficial y deflexiones estación 0.350 ............................................... B-7
Figura B-9 Módulo superficial y deflexiones estación 0.400 ............................................... B-8
Figura B-10 Módulo superficial y deflexiones estación 0.450 ............................................. B-8
Figura B-11 Módulo superficial y deflexiones estación 0.500 ............................................. B-9
Figura B-12 Módulo superficial y deflexiones estación 0.550 ............................................. B-9
Figura B-13 Módulo superficial y deflexiones estación 0.600 ........................................... B-10
Figura B-14 Módulo superficial y deflexiones estación 0.650 ........................................... B-10
Figura B-15 Módulo superficial y deflexiones estación 0.700 ........................................... B-11
Figura B-16 Módulo superficial y deflexiones estación 0.750 ........................................... B-11
Figura B-17 Módulo superficial y deflexiones estación 0.800 ........................................... B-12
Figura B-18 Módulo superficial y deflexiones estación 0.850 ........................................... B-12
Figura B-19 Módulo superficial y deflexiones estación 0.900 ........................................... B-13
Figura B-20 Módulo superficial y deflexiones estación 0.950 ........................................... B-13
Figura B-21 Módulo superficial y deflexiones estación 1.000 ........................................... B-14
Figura B-22 Módulo superficial y deflexiones estación 1.050 ........................................... B-14
Figura B-23 Módulo superficial y deflexiones estación 1.150 ........................................... B-15
Figura B-24 Módulo superficial y deflexiones estación 1.200 ........................................... B-15
Figura B-25 Módulo superficial y deflexiones estación 1.250 ........................................... B-16
Figura B-26 Módulo superficial y deflexiones estación 1.300 ........................................... B-16
Figura B-27 Módulo superficial y deflexiones estación 1.350 ........................................... B-17
Figura B-28 Módulo superficial y deflexiones estación 1.400 ........................................... B-17
Figura B-29 Módulo superficial y deflexiones estación 1.450 ........................................... B-18
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Índice de cuadros
Cuadro 1-1 Programas de software para retrocálculo de módulos ....................................... 28
Cuadro 2-1 Módulos comunes de materiales costarricenses .............................................. 70
Cuadro 2-2 Valores de razón de Poisson comunes de materiales costarricenses ................. 70
Cuadro 2-3 Comparación de módulos obtenidos con FEM, MLET y MET .............................. 72
Cuadro 2-4 Comparación de módulos obtenidos con FEM, MLET y MET .............................. 72
Cuadro 2-5 Coeficientes calibrados para modelo de Taiwán ............................................... 76
Cuadro 2-6 Coeficientes de calibraciones BELLS2 y BELLS3 ................................................ 77
Cuadro 2-7 Coeficientes calibrados para formula de BELLS ................................................ 77
Cuadro 2-8 Resumen de fórmulas para la corrección del módulo por temperatura. .............. 78
Cuadro 2-9 Umbrales de falla para porcentaje de área agrietada ........................................ 87
Cuadro 2-10 Umbrales de falla para deformación permanente ........................................... 91
Cuadro 2-11 Factores camión para las distintas rutas del país ......................................... 101
Cuadro 2-12 Comparación de factores camión típicos años 2007 y 2009 .......................... 101
Cuadro 2-13 Factores de distribución de carril ................................................................ 102
Cuadro 2-14 Valores típicos de módulo resiliente para la base y subbase .......................... 103
Cuadro 3-1 Modelación de la estructura .......................................................................... 121
Cuadro 3-2 Distancia de los geófonos ............................................................................. 122
Cuadro 3-3 Módulos retro calculados mediante multicapa elástica .................................... 125
Cuadro 3-4 Módulos retro calculados mediante método de espesor equivalente ................ 128
Cuadro 3-5 Módulos retro calculados MET con rangos más amplios .................................. 131
Cuadro 3-6 Módulos retro calculados mediante MET considerando la no linealidad ............ 132
Cuadro 3-7 Módulos retro calculados mediante ELMOD6 forzando linealidad ..................... 135
Cuadro 3-8 Módulos retro calculados mediante ELMOD6 considerando la no linealidad ...... 137
Cuadro 3-9 Comparación de módulos obtenidos con PITRA-BACK y ELMOD6 n=0 ............. 140
Cuadro 3-10 Porcentaje de error de los módulos obtenidos respecto a ELMOD6 con n=0 .. 140
Cuadro 3-11 Comparación de módulos PITRA-BACK y ELMOD6 –n
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Cuadro 3-17 Respuestas Caso 1 ..................................................................................... 152
Cuadro 3-18 Respuestas Caso 2 ..................................................................................... 152
Cuadro 3-19 Respuestas Caso 3 ..................................................................................... 153
Cuadro 3-20 Respuestas Caso 4 ..................................................................................... 153
Cuadro 3-21 Desempeño por fatiga para los casos de análisis .......................................... 155
Cuadro 3-22 Resultados de deformación permanente para los casos de análisis ................ 157
Cuadro B-1 Deformaciones medidas Base de datos Fw1a ................................................. B-1
Cuadro B-2 Datos complementarios medidas Base de datos Fw1a .................................... B-2
Cuadro B-3 Diferencia porcentual de Deflexiones y RMS por estación Método MLET. ....... B-19
Cuadro B-4 Módulo Calculado por capa y estación Método MLET. ................................... B-20
Cuadro B-5 Diferencia porcentual de Deflexiones y RMS por estación Método MET. ......... B-21
Cuadro B-6 Módulo Calculado por capa y estación Método MET. ..................................... B-22
Cuadro B-7 Diferencia porcentual de Deflexiones y RMS por estación Método MET NL. .... B-23
Cuadro B-8 Módulo Calculado por capa y estación Método MET NL. ................................ B-24
Cuadro B-9 Diferencia porcentual de Deflexiones y RMS por estación ELMOD6 n=0. ........ B-25
Cuadro B-10 Módulo Calculado por capa y estación ELMOD6 n=0................................... B-26
Cuadro B-11 Diferencia porcentual de Deflexiones y RMS por estación ELMOD6. ............. B-27
Cuadro B-12 Módulo Calculado por capa y estación ELMOD6. ......................................... B-28
Cuadro B-13 Temperaturas internas del asfalto calculadas por la herramienta y ELMOD6 . B-29
Cuadro B-14 Cálculo de eje equivalentes RN141 Est.686 ................................................ B-30
Cuadro B-15 Cálculo de eje equivalentes RN702 Est.267 ................................................ B-30
Cuadro B-16 Cálculo de eje equivalentes RN704 Est.S/N ................................................ B-31
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Laurent Matamoros, Piero
Herramienta de cálculo para retrocálculo de módulos y diseño de sobrecapas asfálticas de
pavimentos flexibles en Costa Rica
Proyecto de Graduación – Ingeniería Civil – San José. C.R.:
P. Laurent M., 2017
xxi, 146, [92]h; ils. col. – 65 refs.
RESUMEN
Las sobrecapas asfálticas son un tipo de rehabilitación de pavimentos. Comúnmente su diseño
se realiza con la metodología empírica. Esta investigación busca implementar la metodología
mecanístico-empírica y a partir del retrocálculo de módulos determinar la condición estructural
del pavimento. El diseño moderno de pavimentos con enfoque mecánico empírico sugiere que
estos diseños sean verificados con modelos de fatiga y deformación permanente.
En Costa Rica, el PITRA-LanammeUCR desde el 2010 ha venido desarrollando toda una línea
de investigaciones para definir una metodología propia con estas características. Es por esto
que, para la presente investigación, enfocada en la sección de diseño de rehabilitaciones, se
desarrolló una herramienta de diseño de sobrecapas, que se basa en el retrocálculo de los
módulos que generan una deflectometría similar a la medida en campo para un proyecto.
La herramienta determina las respuestas estructurales (deflexiones) con base en la
metodología de multicapa elástica (con base en el software PITRA-PAVE), espesor equivalente
y la consideración de la no linealidad de la subrasante para el método de espesor equivalente.
Además, permite realizar la corrección por temperatura del módulo de la capa asfáltica.
La optimización del RMS entre las deflexiones medidas y calculadas, se realizó mediante el
algoritmo de optimización de funciones de Powell denominado BOBYQA.
Finalmente, la verificación del desempeño se realiza considerando los modelos de fatiga para
las grietas de abajo-arriba de la capa asfáltica y la deformación permanente. La herramienta
fue probada para el ejemplo del proyecto Sifón-La Abundancia, con resultados aceptables de
ajuste.
CARRETERAS - MANTENIMIENTO Y REPARACIÓN; ASFALTO; CALLES; PAVIMENTOS DE
ASFALTO; PAVIMENTOS; SOBRECAPAS ASFÁLTICAS – DISEÑO; RETROCÁLCULO DE
MÓDULOS
Ing. Luis Guillermo Loría Salazar, Ph.D.
Escuela de Ingeniería Civil
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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
Como parte del esfuerzo para el desarrollo de la nueva guía de diseño de pavimentos de Costa
Rica, surge la necesidad de investigar y desarrollar una herramienta para el retrocálculo de
módulos y de diseño de sobrecapas asfálticas en pavimentos flexibles.
1.1. Justificación
Debido a que es necesario actualizar las metodologías de diseño de pavimentos, siguiendo el
proceso de diseño hacia una implementación mecanicista, que actualmente aún conserva en
ciertas secciones el carácter empírico.
1.1.1. Problema específico
La metodología más difundida actualmente en Costa Rica se basa en la guía para diseño de
pavimentos de la Asociación Americana de Oficiales de Autopistas Estatales y Transportes
(AASHTO por sus siglas en inglés The American Association of State Highway and
Transportation Officials) del año 1993. El uso de esta metodología conlleva muchas
limitaciones, empezando porque se trata de un método basado en las pruebas empíricas
desarrolladas en la década de 1960 por la Asociación Americana de Oficiales de Autopistas
Estatales (AASHO por sus siglas en inglés American Association of State Highway Officials) en
Illinois Estados Unidos de Norte América.
Según el Programa Nacional de Investigación Cooperativa de Autopistas de los Estados Unidos
(NCHRP por sus siglas en inglés National Cooperative Highway Research Program), se tienen
deficiencias en la carga vehicular debido a camiones más pesados y un volumen mayor, esto
resulta en un número de repeticiones de carga mucho mayor, y la metodología AASHTO 1993
no es confiable para el diseño en estos rangos. Además, se considera que la metodología es
deficiente en el diseño de rehabilitaciones ya que en el AASHO Road Test originalmente no se
consideraron, y los procedimientos provistos en la Guía AASHTO 1993 son empíricos y muy
limitados (National Cooperative Highway Research Program, 2004).
De acuerdo con Finn y Monismith, tradicionalmente antes de la década de los años 60, no se
realizaba diseño de las sobrecapas, y el espesor de la capa era determinado por la experiencia
ingenieril del diseñador (Finn & Monismith, 1984).
Según la NCHRP realizar el diseño de las rehabilitaciones de manera apropiada y en los tiempos
ideales, resultaría que sean más duraderas y rentables (National Cooperative Highway
Research Program, 2004).
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NCHRP considera que existen también deficiencias en cómo son considerados los efectos
climáticos en el desempeño del pavimento, ya que se generalizan resultados empíricos
obtenidos bajo condiciones climáticas específicas. Lo mismo ocurre en la forma en que se
consideran: los materiales utilizados como superficie de ruedo, como base y subbase, los
drenajes, caracterización de camiones, entre otros. Para todos estos factores se extrapolaron
conclusiones generalizadas para resultados bajo condiciones específicas de las pruebas
empíricas. Estas deficiencias se deben a lo puntual del estudio original, ya que se llevó a cabo
en una región limitada por condiciones de clima y características de suelos definidas por la
zona; además, sólo se consideraron pocos materiales de base y de superficie de ruedo,
limitados por la tecnología de pavimentos del momento. La conclusión general de la NCHRP es
que las metodologías empíricas son muy limitadas y no se ajustan bien a las condiciones
actuales de materiales disponibles para la estructura de pavimento, niveles de carga a los que
se ven expuestos los pavimentos, entre otros (National Cooperative Highway Research
Program, 2004).
Las metodologías empíricas se basan en resultados estadísticos, de observaciones de campo
subjetivas. Por lo que se busca la transición del empirismo a la mecánica, la cual es fundamento
de la ingeniería. Actualmente a nivel mundial, se dispone de la metodología mecanístico-
empírica; aun así, no es la metodología más utilizada; sin embargo, se hacen esfuerzos en
muchos países para implementarlo. De acuerdo con Loría, en Costa Rica se está haciendo un
esfuerzo por realizar esta transición, para esto se está trabajando en la generación de una guía
de diseño propia, que contemple las tendencias mecanístico-empíricas que son el estado de la
práctica (Loría, 2013).
Para la sección de rehabilitación de carreteras considerando la metodología mecanístico-
empírica en el diseño de sobrecapas, es necesario determinar la condición estructural del
pavimento para determinar el tipo y el espesor de la sobrecapa. Según Tutumluer y Sarker la
evaluación de un pavimento existente, que se encuentra en servicio, depende en gran medida
de determinar de manera precisa las propiedades de las capas. Es por esto que es tan
importante determinar las propiedades de la estructura existente para realizar el diseño de las
sobrecapas (Tutumluer & Sarker, 2015).
Para lograr determinar las propiedades de las capas se utiliza el retrocálculo de módulos; sin
embargo, como se expondrá en esta investigación para realizar el retrocálculo es necesario
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25
obtener información adicional sobre la estructura -espesor de capas, modelación de capas,
deflectometría-.
1.1.2. Importancia
La buena gestión de pavimentos empieza con la planificación, para esto se requiere generar
curvas de deterioro de la red de carreteras, herramienta que sirve para la toma de decisiones.
Es de suma importancia saber cuándo y qué tipo de rehabilitación es requerida, esto maximiza
los recursos, ya que se incrementa la vida útil, buscando minimizar la inversión. Se debe
considerar como un proceso de evolución y planificación continua.
De acuerdo con el manual MS-17 (Manual Series N°17, Asphalt Overlays for Highway and Street
Rehabilitation) del Instituto del Asfalto, la clave para una buena gestión de pavimentos es la
planificación y programación cuidadosa del trabajo a realizar, evaluar la condición de las
carreteras, tanto geométrica como estructuralmente, es el primer paso para una mejor
planificación. Si las carreteras se encuentran en buen estado para el servicio presente, se debe
evaluar su condición constantemente para determinar los factores que afectan su desempeño
a futuro. Este tipo de programación provee una generación de datos continua que puede ser
útil para detectar problemas y aplicar acciones correctivas efectivas, implementadas
correctamente (Asphalt Institute, 2000).
Se sabe que resulta más rentable realizar rehabilitaciones que reconstrucciones; sin embargo,
si la rehabilitación no es diseñada apropiadamente, o no se realiza en el tiempo adecuado, es
probable que no resulte efectiva ni rentable. Si hay una buena gestión de pavimentos utilizando
la metodología apropiada, pueden tenerse rehabilitaciones más duraderas y rentables, lo cual
representaría carreteras en buen estado durante tiempos más prolongados, y una mejora de
la productividad y economía del país.
En Costa Rica se ha vuelto muy común la aplicación de sobrecapas asfálticas sobre carreteras;
sin embargo, la experiencia muestra que estas sobrecapas se dañan rápidamente y no
representan una solución real. Esto se debe principalmente a que las rehabilitaciones se aplican
sobre carreteras que requieren una reconstrucción, ya que no hubo planificación y no se realizó
la rehabilitación a tiempo; considerando que, las metodologías aplicadas no se ajustan a las
condiciones de nuestro país.
En Costa Rica actualmente no se cuenta con una directriz de diseño de sobrecapas, esto influye
en que el diseño no se realice apropiadamente; además, se requiere contemplar las
características de desempeño de las tendencias mecanístico-empíricas. Las metodologías
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26
empíricas fueron desarrolladas para ciertas regiones y condiciones de Estados Unidos, lo que
hace que sea necesario ajustarlas y calibrarlas a la realidad costarricense.
Se espera que esta herramienta sea útil no sólo para nuestro país; sino, que todos los países
de la región puedan verse beneficiados. Y podría ser utilizada como herramienta regional, o
como una base para la adaptación de la metodología a realidad de cada país.
1.1.3. Antecedentes teóricos y prácticos del problema
Actualmente Pablo Vargas (2013) y Christopher Trejos (2015), en sus tesis de licenciatura, se
enfocaron en la generación de una herramienta de diseño de pavimentos flexibles, el presente
trabajo sería un complemento de dichas herramientas, y está enfocada en la sección de
mantenimiento y rehabilitación. En la sección de mantenimiento y rehabilitación también se
deberán desarrollar otros proyectos de investigación para el diseño de sobrecapas asfálticas
sobre pavimentos rígidos y compuestos.
En Costa Rica no existe ningún antecedente teórico o práctico sobre el tema del diseño de
sobrecapas, la metodología más difundida se basa en las conclusiones empíricas determinadas
a partir de pruebas de campo, realizadas por AASHO en una carretera de pruebas en Illinois
en la década de los 60, de acuerdo con Huang (2004) antes de esto los ingenieros aplicaban
su criterio y experiencia para determinar el espesor requerido de sobrecapa.
AASHO realizó pruebas en una serie de circuitos, con la idea de generar información sobre el
desempeño de los pavimentos flexibles y rígidos, para determinar correlaciones entre el
desempeño y los principales factores de diseño: espesores y resistencia de la estructura de
pavimento (superficie de ruedo, base, subbase), carga vehicular (cantidad y configuración de
ejes, nivel de carga) y clima. Sin embargo, en esta investigación no se incluyó el estudio la
rehabilitación de los pavimentos (Huang, 2004).
En 1980, la Administración Federal de Autopistas de los Estados Unidos (FHWA por sus siglas
en inglés Federal Highway Administration) y el Departamento de Transporte y Desarrollo de
Luisiana, realizaron una investigación para evaluar el efecto del espesor de las sobrecapas de
concreto asfáltico en la rehabilitación de 53 secciones de prueba. En este estudio se consideró
que la estructura existente, subrasante, condiciones climáticas y la calidad de la mezcla de la
sobrecapa, eran variables secundarias en el desempeño de la rehabilitación. Se utilizó la
metodología de deflexiones para realizar el estudio (Federal Highway Administration, 1980).
En 1983, Kingham y Jester presentaron la metodología de deflexiones para el diseño de
sobrecapas para pavimentos asfálticos basados en la metodología del MS-17 de 1983 del
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Instituto del Asfalto, este método consistía en la determinación de la deflexión de rebote
representativa y la carga vehicular de diseño, con esta información se determinaban los
espesores mediante tablas y gráficos (Kingham & Jester, 1983).
Para 1984, Finn y Monismith publicaron los métodos disponibles a la fecha para el diseño de
sobrecapas, los cuales se basaban en las deflexiones obtenidas mediante los equipos de la
época, como: la viga Benkelman, el “Dynaflect”, el “Road Rater” y el deflectómetro de impacto.
Los métodos disponibles para el diseño de sobrecapas en 1984 fueron: Método del Instituto
del asfalto, Método del Departamento de Transporte de California, Método del Laboratorio de
investigación en Transporte y Carreteras, Método de La Asociación de Carreteras y Transporte
de Canadá, y la de la estación experimental de vías del cuerpo de ingenieros del ejército de los
Estados Unidos. Cada método determina la deflexión con su propia metodología, se establecían
secciones de análisis y se determina la condición promedio de la estructura, cada método
establece la deflexión de diseño, y de acuerdo a esta se determina el espesor de la sobrecapa
(Finn & Monismith, 1984).
En la guía de diseño de AASHTO de 1986, se describía un procedimiento para el diseño de
sobrecapas; sin embargo, según Huang el procedimiento era complejo y arrojaba resultados
conflictivos. AASHTO realizo una revisión a la metodología, la cual se publicó en la guía AASHTO
1993 (Huang, 2004).
Además de la propuesta que se presenta en la guía AASHTO 93, es importante mencionar que
existen dos metodologías adicionales de diseño de sobrecapas: la propuesta por el Instituto
del Asfalto en el 83, también para pavimentos flexibles, y la propuesta por la Asociación del
Cemento Portland (PCA, por sus siglas en inglés), para el diseño de sobrecapas en pavimentos
rígidos.
En la actualidad se tiene la metodología de La Guía de Diseño Mecanístico-empírica de
pavimentos (MEPDG por sus siglas en inglés Guide for Mechanistic-Empirical Design of New
and Rehabilitated Pavement Structures) de la NCHRP de la cual se tomará la información para
la revisión del diseño de sobrecapas (National Cooperative Highway Research Program, 2004).
Actualmente existen diferentes programas de software para el retrocálculo de módulos,
algunos de los programas disponibles y sus las características principales se presentan en el
Cuadro 1-1.
De acuerdo con Tutumluer y Sarker (2015), los más conocidos son MODULUS, EVERCALC y
ELMOD. MODULUS y EVERCALC fueron desarrollados por la “Texas Transportation Institution”
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y el “Washintong State Department of Transportaton”, respectivamente. El software ELMOD
utiliza el enfoque de espesor equivalente de Odemark (Tutumluer & Sarker, 2015).
Cuadro 1-1 Programas de software para retrocálculo de módulos
Programa de Software
Rutina de Cálculo directo
Regla de Convergencia
Enfoque de Retrocálculo
MODULUS (Scullion et al.
1990)
Enfoque Lineal elástico, WESLEA
RMS
Minimiza la diferencia entre las deflexiones predichas y medidas, ajustando los módulos y buscando en una base de datos.
MICHBACK (Harichandran et
al. 1993)
Enfoque Lineal elástico,
CHEVRON
RMS
Minimiza la diferencia entre las deflexiones calculadas y medidas, ajustando los módulos de las capas y recalculando deflexiones a través de una serie de iteraciones definidas.
MODCOMP (Irwin 2001)
Enfoque Lineal elástico,
CHEVRON
ELMOD Enfoque Espesor Equivalente de
Odemark
EVERCALC (Sivaneswaran et
al. 1991)
Enfoque Lineal elástico, WESLEA
WESDEF (Van Cauwelaert et
al.1989
Enfoque Lineal elástico, WESLEA
Fuente: (Tutumluer & Sarker, 2015).
Según Tutumluer y Sarker (2015), el MODULUS utiliza una base de datos desarrollada
mediante la plataforma de solución para multicapa elástica WESLEA, desarrollada por el cuerpo
de ingenieros del ejército de los Estados Unidos, esta base de datos se utiliza para buscar los
módulos de las capas utilizando una rutina de búsqueda dentro de la base de datos para igualar
las deflexiones medidas. El software EVERCALC es similar al MODULUS, de acuerdo a
Tutumluer y Sarker (2015), el EVERCALC también utiliza WESLEA para el cálculo del cuenco de
deflexiones basado en los módulos dados. Las deflexiones calculadas y medidas son
comparadas y se iteran los valores de módulos hasta alcanzar el rango de error dado. Este
software utiliza la optimización conocida como algoritmo Gauss-Newton. Según Tutumluer y
Sarker (2015), la mayoría de programas de software tradicional para el retrocálculo utiliza
soluciones lineales elásticas para determinar el módulo de cada capa, sin tomar en cuenta la
no linealidad de los agregados (Tutumluer & Sarker, 2015).
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29
En esta investigación se desarrolló la herramienta de software PITRA-BACK, que está basado
en la metodología de espesor equivalente de Odemark y en la metodología de multicapa
elástica del PITRA-PAVE. El PITRA-BACK está enfocado a las condiciones de Costa Rica, se
espera que continúe su adaptación mediante modelos y metodologías desarrolladas para el
país.
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo general
Desarrollar una herramienta de cálculo para el retrocálculo de módulos y diseño de sobrecapas
asfálticas en pavimentos flexibles.
1.2.2. Objetivos específicos
a) Recopilar información bibliográfica en el tema de retrocálculo de módulos y diseño de
sobrecapas asfálticas basadas en las tendencias mecanístico-empíricas.
b) Desarrollar una herramienta de cálculo con la ayuda del lenguaje JAVA, que permita
de manera sencilla y completa, realizar el retrocálculo de módulos de la estructura
existente y el diseño de sobrecapas asfálticas sobre pavimentos flexibles en Costa
Rica.
c) Realizar un ejemplo de retrocálculo de módulos y diseño de sobrecapa utilizando la
herramienta desarrollada.
d) Generar un manual para el usuario que permita comprender la forma en que funciona
la interfaz, para llevar a cabo el desarrollo de los diseños.
1.3. Delimitación del problema
1.3.1. Alcance
Este proyecto comprende el retrocálculo de módulos y el diseño de sobrecapas de concreto
asfáltico sobre pavimentos flexibles. Para el diseño de sobrecapas se utilizó la de la
metodología del MEPDG como base, tratando de adaptar para la realidad costarricense,
condiciones: ambientales, de materiales utilizados en la estructura de pavimento, de suelos,
de condiciones de carga vehicular.
El trabajo consistió en la recopilación de datos, que fueron obtenidos por: mediciones de campo
realizadas por el LanammeUCR, datos de laboratorio y relaciones empíricas de proyectos
realizados nacional e internacionalmente. Con esta información se probó la herramienta de
cálculo desarrollada.
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Se incluyó dentro del alcance del proyecto la programación del retrocálculo de módulos de la
estructura existente, que se utilizará como base para el diseño de la sobrecapa.
Para investigaciones futuras, se pretende realizar una calibración de la herramienta de cálculo
producida con esta investigación, utilizando datos adicionales de ensayos. Producto de estas
calibraciones, se deberá estar actualizando el software, lo cual es usual en proyectos de
investigación que incluyen herramientas computacionales. Además, realizar la programación
del módulo de clima para la predicción del daño.
Se establecieron los lineamientos básicos correspondientes a la guía para el diseño de
sobrecapas asfálticas y se programó a través de interfaces gráficas de usuario, una herramienta
que sirve de apoyo en el proceso de diseño. Cuenta con un manual de usuario que permite
comprender su funcionamiento básico; sin embargo, todos los aspectos teóricos deben ser
conocidos por el usuario antes de utilizar la herramienta.
El alcance de la investigación no incluyó la verificación extensiva o la validez de las fórmulas
utilizadas, se limitó a la programación del método utilizando las relaciones y fórmulas
determinadas en investigaciones anteriores.
Este trabajo es el primer recurso para el retrocálculo de módulos y el diseño de sobrecapas, se
pretende que sirva al LanammeUCR como un insumo para su desarrollo.
Quedó fuera del alcance de este proyecto el determinar el tipo de rehabilitación recomendada
o determinar la necesidad de una reconstrucción del pavimento, así como el diseño de
sobrecapas de concreto hidráulico, el diseño de sobrecapas asfálticas sobre pavimentos rígidos
y compuestos, y realizar pruebas de campo para verificar el diseño.
1.3.2. Limitaciones
Guía de diseño
La información requerida para el diseño es muy específica y es difícil que en condiciones típicas
de diseño sean medidas, por lo que se utilizan métodos aproximados para determinar ciertos
parámetros (métodos empíricos). Por ejemplo, en Costa Rica no se cuenta con un modelo
climático definitivo, ya que aún se encuentra en investigación. El método sigue teniendo un
aspecto empírico y el modelado de la estructura generalmente es muy simplificado.
No se cuenta con estudios realizados en Costa Rica para la adaptación de los métodos
mecanístico-empíricos al diseño de sobrecapas con concreto asfáltico; sin embargo, todavía se
encuentran en desarrollo y falta más investigación para calibrar los modelos de laboratorio para
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su uso generalizado. No se incluyó la consideración de las condiciones climáticas dentro de
esta investigación.
La teoría detrás del método de multicapa elástica y espesor equivalente, tiene los siguientes
supuestos con respecto a las capas:
• se consideran un espacio semi-infinito (Horizontalmente infinito),
• se suponen de un espesor constante en toda su extensión,
• tienen propiedades isotrópicas en toda su extensión.
Según Felev Khazanovich (1998) se considera que para el retrocálculo de módulos se tiene
limitaciones ya que la mayoría de supuestos de los modelos teóricos no se satisfacen, además
de los mencionados anteriormente se debe considerar que: los de pavimentos son partículas,
no sólidos, las deformaciones no son lineales, son visco-elásticas y plásticas, y podrían ser
dependientes del estado de esfuerzos. A pesar de estas limitaciones considera que, de manera
general y teniendo el criterio ingenieril, es posible obtener a partir del retrocálculo de módulos,
razonables y racionales (Felev Khazanovich, 1998).
Herramienta de diseño
El lenguaje de programación a utilizar tiene ciertas limitaciones propias, ya que el software
desarrollado en este lenguaje se ejecuta en la máquina virtual de JAVA. A pesar de ser
multiplataforma lo que representa una ventaja, se sacrifica el rendimiento de procesamiento y
asignación de memoria para este fin.
Las ecuaciones utilizadas no han sido necesariamente calibradas o desarrolladas para las
condiciones de Costa Rica.
Para la solución del retrocálculo se implementó una librería que utiliza el optimizador BOBYQA
de Powell, el cual tiene sus limitaciones como que la convergencia del método puede ser lenta,
inclusive puede no alcanzar una solución, o alcanzar una solución que no satisface los criterios
de aceptación.
La librería para el método de multicapa elástica provista por el LanammeUCR, la cual es el
motor de cálculo del PITRA-PAVE, también tiene sus limitantes a la hora de implementarla para
el retrocálculo, ya que la obtención de módulos utilizando esta librería puede ser muy lenta.
La herramienta desarrollada con esta investigación está limitada a solamente una sección
homogénea, y a cinco capas para la estructura de cada sección homogénea.
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1.4. Descripción de la metodología
La metodología utilizada en la elaboración del proyecto constó de tres fases principales. La
primera fue una fase de investigación teórica del tema, la segunda una fase de análisis y
generación de la metodología para el retrocálculo de módulos y el diseño de sobrecapas, y por
último una fase de programación y desarrollo de la herramienta de diseño. En la 1-1 se muestra
el diagrama de la metodología para la investigación.
1.4.1. Fase investigación teórica
Para lograr el desarrollo de este proyecto de graduación primero se realizó una revisión
bibliográfica a nivel nacional e internacional para determinar la información disponible del tema.
Durante esta fase se determinó la importancia del retrocálculo de módulos para el diseño de
las sobrecapas, por lo cual se decidió realizar la programación del retrocálculo de módulos en
la herramienta.
En esta fase se investigó sobre los sistemas de administración de pavimentos y curva de
deterioro y su importancia en la conservación de la red vial nacional. También se investigó
sobre el cálculo de respuestas del pavimento y se decidió utilizar el método de espesor
equivalente; además, gracias al LanammeUCR se tuvo acceso a la librería de multicapa elástica
del PITRA-PAVE.
Se profundizó en el retrocálculo de módulos para pavimentos flexibles, sobre la metodología
de retrocálculo, métodos de solución, datos de entrada, corrección de los módulos, y sobre la
no linealidad de la subrasante.
Se condujo la investigación sobre el diseño de pavimentos, sobre el diseño mediante la
metodología empírica de la guía AASHTO 93, y sobre el diseño mecánico-empírico sobre las
funciones de transferencia, y los modelos de desempeño por fatiga y deformación permanente.
Para la caracterización de los materiales se tuvo acceso a los recursos del LanammeUCR, para
las características de carga vehicular se utilizaron los recursos del LanammeUCR y el MOPT,
para las características del pavimento existente se programó el retrocálculo de módulos a partir
de la información de deflectometría y geometría de la estructura. Con esta información fue
posible probar que el software funcionaba y brindaba solución. Además, se investigó el tema
de sobrecapas de concreto asfáltico sobre pavimentos flexibles y la metodología para su diseño.
Lo que se buscó con esta fase fue la obtención de datos de entrada para diseño, datos
clasificación de la subrasante, clasificación del material de base, características ambientales,
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características de tránsito y metodología mecanístico-empírica. Una vez que la información
obtenida durante esta fase fue suficiente, se procedió a la siguiente fase.
Es importante señalar que la fase de investigación teórica y la fase de análisis se
retroalimentan, por lo que en algún punto se traslaparon y se realizaron de manera simultánea.
1.4.2. Fase análisis
En esta fase se utilizó la información recopilada para determinar cómo aplicar la teoría para el
desarrollo de la herramienta y utilizar el método MEPDG del NCHRP para el diseño de
sobrecapas. Esta adaptación sirve como guía de diseño para sobrecapas de pavimento flexible
en Costa Rica. Sin embargo, como se presentó anteriormente, será necesario realizar mayor
investigación para validar las fórmulas, factores, relaciones y métodos.
En la metodología mecánico-empírico se deben considerar los siguientes lineamientos: se
requiere de un modelo de análisis (Librería del PITRA-PAVE y metodología de espesor
equivalente), el uso de funciones de transferencia (para proyectar el desempeño del pavimento
a lo largo del tiempo, en función de las respuestas del pavimento), y un algoritmo para la toma
de decisiones, con el cual se establecerá si se cumple con los requisitos de diseño a lo largo de
la vida útil esperada.
Como modelo para el análisis esta investigación contó con la librería del software PITRA-PAVE
desarrollado por el LanammeUCR, la cual incluye la metodología MLET para el cálculo de las
respuestas del pavimento. Haciendo uso de esta librería se programó el retrocálculo de módulos
y se obtuvieron las respuestas (deflexiones, esfuerzos y deformaciones unitarias) de la nueva
estructura de pavimento, la cual incluye la sobrecapa. Además, se realizó la programación del
método de espesor equivalente con el propósito de realizar el retrocálculo de módulos.
Se analizaron los archivos de deflectometría para la extracción de la información para realizar
el retrocálculo, ya que la información de esas bases de datos es necesaria para el retrocálculo
de módulos.
Para realizar el diseño se recurrió a las tesis de Christopher Trejos, José Pablo Vargas, y Ariana
Perera. Es importante señalar que este trabajo no se enfoca en desarrollar la metodología sino
más bien en recopilar lo necesario de las investigaciones previas e información disponible del
tema. Al analizar los datos disponibles y determinar el uso probable que tendría la herramienta
se limitó al nivel de información 3 el cual se describe en la sección 2.6.5. , se dejó para futuras
investigaciones los otros niveles de información. Sin embargo, es un proceso de
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retroalimentación y de continua actualización, ya que la información disponible y los métodos
utilizados para la medición son cambiantes y propensos a mejoras.
Cabe destacar que la fase de análisis y la fase de programación también se retroalimentaron
una con la otra, por lo que en algún punto se traslaparon y se realizaron de manera simultánea.
1.4.3. Fase de programación y generación de la herramienta de diseño
Esta Fase se dividió en dos partes, en la primera parte se realizó la programación de una
herramienta para el retrocálculo de módulos, y la segunda en la programación del módulo para
el cálculo de sobrecapas. Para la primera parte de la programación se procedió a extraer la
información de los archivos de base de datos del FWD, luego se desarrolló una interfaz gráfica
para introducir la información general del proyecto. Se decidió excluir la distinción de secciones
homogéneas en las estaciones. También se limitó la estructura y se determinó un máximo de
cinco capas, esto se debe a limitaciones propias de la metodología de espesor equivalente
(MET: por sus siglas en inglés).
Una vez con todos los insumos requeridos para el retrocálculo, se analizó cómo hacer las
iteraciones de los módulos para aproximar la solución. Se optó por el uso de un optimizador
BOBYQA de Powell, traducido a Java por Apache Commons, disponible en su la página del
repositorio gratuito. (Apache Commons, 09)
Como se mencionó anteriormente para que la herramienta de Java sea funcional debe
someterse a un proceso de retroalimentación y calibración constante, por lo que la herramienta
lograda se considera en desarrollo y no como un software definitivo. Se considera que el
producto desarrollado se encuentra en fase alfa (término de programación), es decir, el
software se comparte con “testers” seleccionados por el desarrollador para que ayuden a
encontrar errores y hagan sugerencias.
Como parte de la herramienta también se desarrolló un manual de uso, para que los usuarios
de la herramienta cuenten con una guía para utilizar el software. Este manual únicamente sirve
de guía básica de uso y no detalla la base teórica del programa.
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35
Figura 1-1 Diagrama de la metodología
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CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO
2.1. Sistemas de administración de pavimentos
Los sistemas de administración de pavimentos son una serie de herramientas necesarias para
mantener y desarrollar la red vial de cualquier agencia de tránsito en el mundo.
2.1.1. Descripción de sistemas de administración de pavimentos
Según el Comité de Investigaciones en Transporte (TRB por sus siglas en inglés) (1979) los
sistemas en ingeniería son procedimientos codificados para resolver problemas complejos de
forma organizada. Los sistemas de ingeniería en su sentido más amplio son procedimientos
codificados para atacar problemas complejos, en una forma sistemática. Esto permite que se
tomen decisiones realistas y justificadas, basadas en un criterio de decisión específico.
Aplicando esto a los pavimentos, ha sido reconocido como un sistema de administración de
pavimentos o PMS por sus siglas en inglés (“Pavement Management System”) (Hudson, Haas,
& Pedigo, 1979).
El TBR (1979) considera que un PMS debería ser capaz de considerar todos los factores
importantes y seleccionar las estrategias con el menor costo para el diseño del pavimento, el
tipo de mantenimiento y el tipo de rehabilitación, para un periodo de análisis de vida útil.
Elementos como el costo de construcción inicial, mantenimiento de rutina, rehabilitaciones
programadas, intereses de la inversión, valor de retorno, y el costo para el usuario, deben
tomarse en consideración (Hudson, Haas, & Pedigo, 1979).
El uso de sistemas ayuda a tomar decisiones justificadas con base en los criterios establecidos,
aplicando esta metodología a la gestión de pavimentos, se obtienen métodos que consideran
todos los factores relevantes, para realizar estrategias de diseño, rehabilitación y
mantenimiento, minimizando costos para la vida útil requerida. De acuerdo a Shahin (2005) en
el pasado los pavimentos eran mantenidos, pero no administrados (Shahin, 2005).
Osorio, Chamorro, Tighe, y Videla (2014) consideran que el objetivo principal de los sistemas
de administración de pavimentos es la toma de decisiones sobre las secciones y carreteras de
una red que deben se preservadas, mantenidas o rehabilitadas. Además, que utilizar
indicadores de desempeño que representen la condición actual es una buena opción para
administrar las redes viales (Osorio, Chamorro, Tighe, & Videla, 2014).
Se debe tener en cuenta que en la gestión de pavimentos se deben considerar muchos
aspectos. Dentro de los más importantes se considera la seguridad del conductor, la comodidad
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de manejo, la capacidad de la estructura, la funcionalidad en la vida útil esperada, buscando
siempre minimizar la inversión.
“Se considera un sistema de gestión de infraestructura al conjunto de operaciones que
tiene como objetivo conservar y programar el desarrollo a largo plazo de las condiciones
de seguridad, comodidad y el adecuado funcionamiento de cada uno de los componentes
de la misma, para mantener la demanda actual y futura de los servicios. Todo lo anterior
minimizando costos monetario, social y ecológico” (Alfaro, 2002).
Se puede ver que el costo monetario no es el único que se debe considerar a la hora de tomar
decisiones, existen costos sociales y ecológicos asociados, este es un proceso multidisciplinario
y dinámico, no es una solución única y estática. Las soluciones y el momento en que se apliquen
estarán limitadas por el presupuesto para mantenimiento, y otras limitantes tanto económicas,
físicas, sociales y ecológicas.
Según el TBR los PMS son una herramienta que provee las estrategias óptimas a los encargados
de cualquier nivel de administración. Estas estrategias han sido derivadas de procedimientos
racionales. El PMS evalúa estrategias alternativas en un periodo de análisis, basado en los
valores predichos de atributos cuantificables del pavimento, los cuales son sujetos a los criterios
y limitantes (Hudson, Haas, & Pedigo, 1979).
Como lo establece el TBR un PMS es una herramienta para la toma de decisiones, involucra
todos los aspectos y limitantes para aplicar las obras de rehabilitación y mantenimiento. Al
momento que minimice la inversión y mejore las condiciones de los usuarios. Es un proceso
que incorpora la retroalimentación con respecto a los atributos, criterios, y limitantes del
proceso de optimización (Hudson, Haas, & Pedigo, 1979).
Según Alfaro (2002) un sistema de gestión de pavimentos “… tiene por objetivo fundamental,
utilizar información segura y consistente para desarrollar criterios de decisión, otorgar
alternativas realistas y contribuir a la eficiencia en la toma de decisiones, para así conseguir un
programa de acción económicamente óptimo y el cual provea una retroalimentación de las
consecuencias de las decisiones tomadas, como medio de asegurar su actividad” (Alfaro, 2002).
Por su naturaleza, los sistemas de administración o gestión de pavimentos deben
retroalimentarse, las decisiones no pueden ser aisladas, se debe analizar y documentar los
resultados de las intervenciones realizadas, es una labor constante que debe tomar en cuenta
las consecuencias de las soluciones que han sido aplicadas. Además, este proceso debe
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manejar distintos escenarios, ya que las soluciones tampoco pueden ser limitadas
temporalmente. En otras palabras, se deben tomar en cuenta las consecuencias a corto,
mediano y largo plazo de cada intervención y como se interrelaciona con otras.
Se debe tener una mentalidad de red, no existen carreteras independientes, las rutas
nacionales no son independientes de las municipales, y las rutas nacionales no son
independientes entre sí. Además, un sistema de administración de pavimentos bajo los criterios
adecuados ayudará a decidir cuál intervención tiene prioridad de manera adecuada y realista.
Los sistemas de administración de pavimentos son un proceso que incluye todas las actividades
requeridas para proveer y mantener los pavimentos en la mejor condición posible. De acuerdo
con el TBR (1979), la administración de pavimentos involucra la identificación de las estrategias
óptimas a diferentes niveles, así como la implementación de estas estrategias. Se deben
contemplar las actividades desde la obtención de información inicial, el planeamiento y
programación de mantenimiento, rehabilitación y reconstrucción, hasta detalles individuales de
proyectos de diseño y construcción, y el monitoreo de pavimentos en servicio (Hudson, Haas,
& Pedigo, 1979).
En la administración de pavimentos se deben considerar no sólo las estrategias de
rehabilitación, sino también, se deben tener estrategias para la implementación. Es común que
se deba elegir entre la construcción de una carretera nueva o la rehabilitación de otra, esta
toma de decisiones se simplifica y se realiza de manera objetiva cuando se cuenta con un
sistema de administración de pavimentos.
“Una adecuada gestión de la red vial debe contener procedimientos técnicos idóneos
para la programación de las inversiones y sistemas de calidad que aseguren el uso
eficiente de los recursos que se utilizan en las obras que se ejecutan” (Muñoz, 2002).
De acuerdo con la guía de administración de pavimentos de AASHTO (2001) hay dos niveles
básicos en la administración de pavimentos, el nivel más general se denomina nivel de red y
el más específico nivel de proyecto. El nivel de red se encarga de proveer soporte al
planeamiento, programación, presupuesto y análisis de fases, lo que se busca es priorizar
cuáles proyectos y cuándo se realizarán. El nivel de proyecto busca el diseño que resulte en
mayor rentabilidad económica, para el mantenimiento, rehabilitación, reconstrucción o
construcción, de un proyecto específico (American Association of State Highway and
Transportation Officials, 2001).
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Según AASHTO dentro del nivel de red se pueden incluir todos los segmentos de pavimento
bajo la jurisdicción de la Agencia; sin embargo, normalmente por restricciones presupuestarias
se incluyen únicamente subconjuntos importantes de los segmentos. Y para el nivel de proyecto
normalmente se considera una sola sección de administración que corresponde a una sección
construida (American Association of State Highway and Transportation Officials, 2001).
Es del criterio de Huang (2004) que, los sistemas de gestión son de suma importancia para la
planificación y la buena administración de recursos. Reconoce que no es un concepto nuevo;
pero, su implementación se ha visto limitada (Huang, 2004).
Se interpreta que el diseño de los pavimentos es sólo una parte del proceso de gestión total.
Este proceso requiere de planificación, asignación de recursos, y una metodología correcta
para la toma de decisiones. Es por esto que contar con un sistema de gestión de pavimentos
y de infraestructura es de gran importancia.
2.1.2. Sistemas de administración de pavimentos en Costa Rica
Ya en la década de los 70 en toda la región centroamericana se discutía de la necesidad de
tener un sistema de manejo de carreteras. Por limitantes de la época, las inversiones en tema
de carreteras no fueron conservadas de la manera más apropiada.
Según la Secretaria de Integración Económica Centroamericana (SIECA por sus siglas) en el
Manual Centroamericano de mantenimineto de carreteras, alcantarillas y puentes del año 1974,
se considera que existieron diferentes factores involucrados en la conservacion deficiente de
infraestructura y que “Dichos factores están particularmente relacionados con aspectos
técnicos, económicos y de carácter administrativo, que limitan las acciones de los organismos
encargados de la ejecución y mantenimiento de las obras viales” (SIECA, 1974).
Se comprende que las entidades responsables se encontraban limitadas por aspectos
económicos, en Costa Rica se destacan problemas no sólo económicos si no de administración
de recursos. En la cultura costarricense pareciera que el mantenimiento no es un fuerte, y las
obras viales que alguna vez realzaron a Costa Rica en la región, se deterioraron por falta de
este. En 1998 se hacen intentos por establecer programas que ayuden a mejorar las técnicas
de conservación, el MOPT y la Sociedad Alemana de Cooperación Técnica GTZ realizaron un
proyecto denominado MOPT/GTZ, Conservación de caminos: un modelo participativo, en este
se exploró la problemática de conservacion vial en Costa Rica. MOPT/GTZ (1998) afirman:
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“En Costa Rica, los problemas de mantenimiento de carreteras, calles y caminos está
asociados a dificultades de muy diversa índole. Entre las principales destacan la
insuficiente cantidad de recursos que se destinan a este fin. Los problemas de tipo
organizativo en las instituciones encargadas, la necesidad de reforzar la capacidad
instalada de servicios de mantenimiento de carreteras, tanto en el sector público, como
privado y la inexistencia de una verdadera cultura de mantenimiento en cada uno de los
ciudadanos” (MOPT/GTZ, 1998).
El Proyecto MOPT/GTZ también debía proveer a Costa Rica con una herramienta para la
administración de pavimentos, como parte de esta herramienta era necesario tener un
inventario o “Análisis de Necesidades” que, identificaría las deficiencias de la red y las
actividades de mantenimiento necesarias para restaurar el nivel de servicio de la vía
(MOPT/GTZ, 1998).
Con la generación de este inventario se debía implementar un sistema de administración para
ejecutar tomar decisiones con respecto al orden, magnitud y extensión de las intervenciones
requeridas en la red. De acuerdo al proyecto MOPT/GTZ se denominó como “Sistema de
programación y ejecución del mantenimiento (SPEM)”, un sistema de administración el cual,
según MOPT/GTZ (1998):
“…permite procesar la información contenida en el inventario “resumen de actividades”
para cuantificar los recursos requeridos en la solución de los problemas detectados en
un camino dado. A su vez, este sistema facilita la programación de obras, el registro de
los aportes por participante, el seguimiento del avance de la obra física realizada y la
evaluación de la gestión desarrollada” (MOPT/GTZ, 1998).
Para 1998 mediante el Proyecto MOPT/GTZ se tenía la herramienta necesaria para dar un
apropiado mantenimiento a las vías; sin embargo, de acuerdo a Muñoz (2002), todavía en el
año 2002 el problema de administración de pavimentos era un tema vigente, ya que no existe
realmente una gestión vial apropiada y afirma que:
“Uno de los problemas que enfrenta Costa Rica es que los procedimientos de gestión vial
han demostrado ser ineficientes e insuficientes, por lo que no se ejercen los controles y
la autoridad necesarias para un adecuado funcionamiento institucional en lo concerniente
al mantenimiento de la red vial” (Muñoz, 2002).
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Se puede reconocer entonces que el problema de la administración de pavimentos en Costa
Rica no se propicia por la falta de herramientas, sino más bien a la poca voluntad o
desconocimiento para utilizar los recursos disponibles. De acuerdo con Alfaro, el problema se
extiende también a las municipalidades.
“Los municipios en su proceder de gobierno, en la mayoría de los casos, no consideran
aspectos tales como: visión de largo plazo en las obras de mantenimiento que se le
practican a los caminos para garantizar la durabilidad de las mismas y controlar el avance
del deterioro en dichas realizadas, la estimación de costos en forma precisa y exacta para
la futura planificación, la falta de controles ambientales que producen ahorros a corto
plazo, que posteriormente generan costos elevados a largo plazo, contar con bases de
datos confiables que respalden las decisiones y con parámetros de evaluación
debidamente en el manejo de los recursos con que dispone, en fin se manifiesta la
ausencia de un sistema de gestión apropiado, que opere los recursos municipales con el
fundamento técnico requerido que garantice un proceso eficiente y eficaz, con costos
mínimos” (Alfaro, 2002).
Según Alfaro (2002), actualmente en Costa Rica las carreteras viven un ciclo de vida, de gastos
elevados. Las intervenciones que se realizan no tienen la efectividad que deberían; ya que, por
falta de una buena gestión, no se realizan ni en el mejor momento, ni aplicando el criterio
técnico requerido (Alfaro, 2002).
“En el pasado la preocupación era el costo de la obra y su construcción, hoy en día, la
tendencia ha sido el deterioro progresivo y acelerado de las obras, las cuales, parecen
experimentar un costoso ciclo integrado por construcción – conservación insuficiente –
degradación – destrucción – reconstrucción y así sucesivamente” (Alfaro, 2002).
Otro de los problemas de la administración en general, es que las priorizaciones de los
proyectos responden más a intereses políticos, que a criterios técnicos y de inversión. Ya que
son utilizados como herramienta política en periodos de campaña. Según Céspedes (2010) “Se
da el clientelismo político, es decir, cada diputado regional busca favorecer a su comunidad,
con lo cual afecta la programación o terminación desviándose recursos” (Céspedes, 2010).
También la coordinación entre las instituciones del estado debe mejorar no sólo entre MOPT y
municipalidades, sino con otras instituciones que realizan trabajos en vías poco después de
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haber realizado mantenimiento. Según el artículo de Cabezas (2015), publicado pasado 6 de
mayo del año 2015, la municipalidad de Escazú denuncia a Acueductos y Alcantarillados (AYA