herramienta de cálculo para retrocálculo de módulos y...

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

•

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

iii

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.

v

Dedicatoria

A Dios y mi familia.

vii

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.

ix

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

x

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

xi

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

xii

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

xiii

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

xv

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 2-13 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 2-22 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

xvi

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

xvii

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

xviii

Figura B-3 Módulo superficial y deflexiones estación 0.100 ............................................... B-5







Figura B-10 Módulo superficial y deflexiones estación 0.450 ............................................. B-8



Figura B-13 Módulo superficial y deflexiones estación 0.600 ........................................... B-10

















xix

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

xx

Cuadro 3-17 Respuestas Caso 1 ..................................................................................... 152




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

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

23

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).

24

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

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

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

27

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”

28

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)


WESDEF (Van Cauwelaert et

al.1989


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).

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.

30

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

31

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.

32

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,

33

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

34

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.

35

Figura 1-1 Diagrama de la metodología

37

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

38

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

39

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).

40

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:

41

“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).

42

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

43

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

herramienta de cálculo para retrocálculo de módulos y...

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