13. metodos de diseÑo pavimentos flex . aashto e invias
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MÉTODOS DE
DISEÑO PARA
PAVIMENTOS
FLEXIBLES
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
Se basan en los resultados de experimentos o
en la experiencia
Requieren un elevado número de
observaciones para establecer relaciones
aceptables entre las variables y los resultados
de las pruebas.
No es necesario establecer una base
científica firme de las relaciones, en la
medida en que se reconocen sus limitaciones
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
En muchos casos resulta más
conveniente confiar en la experiencia
que tratar de cuantificar la causa
exacta y el efecto de ciertos
fenómenos.
Ejemplos de métodos de diseño de
concepción empírica son el de
California (Hveem y Carmany), el
AASHTO-93 y el INVIAS-98
PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE
DISEÑO Incorporan elementos de ambos
planteamientos.
La componente mecánica determina las
reacciones del pavimento, tales como
esfuerzos, deformaciones y deflexiones,
mediante el uso de modelos matemáticos.
La porción empírica relaciona estas reacciones
con el comportamiento de la estructura del
pavimento (por ejemplo, relaciona una
deflexión calculada matemáticamente, con la
vida real del pavimento)
PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE
DISEÑO
Aunque existen técnicas mecanísticas
complejas de cálculo, los modelos elásticos
lineales sujetos a carga estática son los más
empleados en la solución de problemas
rutinarios de ingeniería de pavimentos
Ejemplos de métodos de diseño de
pavimentos que usan estos procesos son el
del Instituto del Asfalto, el de Shell y el
AASHTO 2002
MÉTODOS EMPÍRICOS
DE DISEÑO
MÉTODO
AASHTO - 93
MÉTODO AASHTO - 93
Método de amplia aceptación para
diseño de pavimentos flexibles y se
presenta en la guía AASHTO, publicada
por American Association of State
Highway and Transportation Officials, al
primera publicación se realizo en 1972,
con revisiones hasta 1993, en la
actualidad se comienza a distribuir la
versión 2002.
El método 93 no ha sido convertido a
unidades de sistema internacional.
MÉTODO AASHTO - 93
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO Se basa en los resultados AASHTO
Road Test
En la revisión realizada en 1986 se
introdujeron factores de
confiabilidad, drenaje y aspectos
climáticos.
Su criterio de falla es el índice de
servicio final (pt)
MÉTODO AASHTO - 93
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO
El tránsito que lleva a la falla del
pavimento es función del número
estructural, de la resistencia de la
subrasante, de la pérdida deseada de
índice de servicio y de la confiabilidad
elegida
Incluye la posibilidad de que se reduzca el
periodo de diseño por la presencia de
suelos de subrasante expansivos
DEFINICIONES Serviciabilidad Capacidad de un pavimento de servir al
tránsito que hace uso de él en un instante
determinado, desde el punto de vista del
usuario
Comportamiento del pavimento (performance) Tendencia de la serviciabilidad con el
incremento en el número de aplicaciones de
carga por eje
Periodo de comportamiento (periodo de
diseño)
Lapso que transcurre desde que un pavimento
es construido o rehabilitado, hasta que alcanza
su serviciabilidad terminal
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Concepto de serviciabilidad – comportamiento La serviciabilidad de un pavimento se expresa
en términos de su Índice de Servicio Presente
(ISP)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Concepto de serviciabilidad – comportamiento Fórmula del Índice de Servicio Presente (ISP)
para pavimentos asfálticos
sv = Varianza de la pendiente del perfil
longitudinal
(c + p) = Área con grietas clases 2 y 3 más área
parchada por cada 1000 pies2
RD = Ahuellamiento medido con una regla de
1.20 metros
Significado de los términos de la ecuación W18 = número de aplicaciones de ejes simples equivalentes de 18 kip
(80 kN) hasta el tiempo t en el cual se alcanza ISP = pt.
SN = Número estructural
∆ISP = pi – pt = diferencia entre los índices de servicio inicial y terminal
MR= módulo resiliente de la subrasante ( libras/pg2)
So = desviación estándar total de la distribución normal de los errores
asociados con las predicciones de tránsito y de comportamiento
del pavimento (0.44-0.49)
zR= parámetro estadístico asociado con distribuciones normales de datos,
que considera la probabilidad de que el índice de servicio del pavimento
sea superior a pt durante el periodo de diseño.
ECUACIÓN BÁSICA DE DISEÑO
REPRESENTACIÓN GRAFICA DE LA ECUACIÓN
CLASIFICACIÓN
FUNCIONAL
CONFIABILIDAD RECOMENDADA (R )
URBANO RURAL
Interestatal y
otras autopistas
85 – 99.9 80 – 99.9
Arterias
principales
80 – 99 75 – 95
Colectoras 80 – 95 75 – 95
Locales 50 - 80 50 – 80
CONFIABILIDAD SUGERIDA PARA VARIAS CLASIFICACIONES FUNCIONALES
VALORES DE Zr CORRESPONDIENTE A VARIOS NIVELES DE CONFIABILIDAD
Módulo resiliente efectivo (MR) Es el módulo resiliente promedio que se
traduce en un daño del pavimento (Uf)
igual al que se alcanzaría si se usaran
valores modulares estacionales:
Se divide el año en periodos con
diferente MR con base en la
humedad del suelo o en la variación
de las deflexiones medidas en
pavimentos construidos sobre el
mismo suelo
Número estructural (SN) La resistencia del pavimento se representa por
SN, el cual es función del espesor de las capas,
de los coeficientes estructurales de ellas y del
coeficiente de drenaje
El número estructural total del pavimento está
dado por : SN = ∑ai *Di *mi
Número estructural (SN)
SN = aiD1 + aiD2mi + aiD3mi
D1,2,3 = espesores de capas asfálticas, base y
subbase
respectivamente (pulgadas).
ai = coeficiente estructural de capa i, dependiente
de su módulo
mi= coeficientes de drenaje para capas no
estabilizadas, dependiente del tiempo requerido para drenar y del tiempo en que la humedad se
encuentre en niveles cercanos a la saturación
Coeficientes estructurales de capa (ai)
Miden la capacidad relativa de una unidad
de espesor de una determinada capa para
funcionar como componente estructural del
pavimento
Los coeficientes estructurales dependen de:
Resistencia del material (CBR, módulo,
etc)
Calidad de la construcción
Estado de esfuerzos
Coeficientes estructurales de capa (ai)
Valores promedio de coeficientes
estructurales
Mezcla asfáltica densa en caliente:
0.44/pulgada
Base de grava y piedra partida:
0.14/pulgada
Subbase granular: 0.11/pulgada
Coeficientes de drenaje (mi)
Se establecen a partir de la calidad del drenaje
y del tiempo que se considera que el pavimento
puede encontrarse con una cantidad de agua
cercana a la saturación
Determinación de los espesores de las
capas individuales (Di)
• Se requiere determinar el número
estructural (SN) requerido para proteger
cada capa inferior
• Para ello, se debe aplicar el algoritmo
AASHTO usando el módulo resiliente de
cada capa por proteger
Determinación de los espesores de las capas
individuales (Di)
(1) a, D, m y SN se han definido previamente y son valores mínimos requeridos.
(2) Un asterisco en los valores de D o SN indica que son los valores realmente usados
y que deben ser mayores o iguales que los valores requeridos.
ESPESORES MÍNIMOS ADMISIBLES PARA LAS
CAPAS ASFÁLTICAS Y LA BASE GRANULAR
EJEMPLO DE DISEÑO
• Vía rural local
• Confiabilidad deseada = 75 % (zR= 0.674)
• Tránsito esperado = 1,300,000 ejes equivalentes
• Pérdida total de serviciabilidad = 4.2 – 2.0 =2.2
• Desviación estándar total = 0.49
• Características de drenaje = Aceptables
• Condición cercana a la saturación durante 4
meses/año
• mi= 0.80
Características de los materiales de construcción
TRÁNSITO.
Los pavimentos se proyectan para que resistan
determinado numero de cargas durante su
vida util, el transito esta compuesto por
vehículos de diferente peso y numero de ejes,
para efectos de calculo estos se deben
transformar en un numero equivalente sencillos
de 80 Kn, 10 Kips 18,000 lb (8.2 ton) cumulados
durante el período de diseño. Y se denominaran
ESAL “equivalen Simple axial load”
Una vez calculados los ejes equivalentes
acumulados en el primer año, se deberá
estimar con base en la tasa de
crecimiento anual y el período de diseño
en años, el total de ejes equivalentes
acumulados y así contar con un
parámetro de entrada para la ecuación
general o para el nomograma.
LA DISTRIBUCIÓN DIRECCIÓN SE CONSIDERA DEL
50% SALVO QUE LA INFORMACIÓN DEL PROYECTO
DETERMINE OTRO COMPORTAMIENTO.
Valores del coeficiente estructural (a1) para mezclas asfálticas
densamente gradadas empleadas como capa de rodamiento y/o
intermedia,, a partir de la estabiilidad Marshall
Valores del coeficiente estructural (ab) para bases granulares no-tratadas
Valores del coeficiente estructural (a3) para subbases granulares no-tratadas
MÉTODO
INVIAS 98
Generalidades Contiene un catálogo de estructuras
definido con base en el método AASHTO-93.
El catálogo de diseño cubre los tipos de
pavimentos y materiales usados actualmente
en la práctica local e incluye nuevas
tipologías de eficiencia demostrada en otros
países con características similares a las
Colombianas.
El método considera factores ambientales,
de suelos, de tránsito y de disponibilidad de
materiales, acordes con la realidad
colombiana
REGIONES CLIMÁTICAS
El país se dividió en seis regiones climáticas,
con base en la temperatura y la precipitación
media anual
RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE
Se debe considerar el valor promedio de
resistencia del suelo predominante en cada
unidad homogénea y, a partir de él, se
establece una categoría de subrasante
TRÁNSITO DE DISEÑO
REQUISITOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS
EN LA GUÍA DE DISEÑO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
Se empleó la ecuación básica del método
AASHTO-93.
Se adoptó So =0.44, que corresponde a considerar
la variación de la predicción del comportamiento del pavimento, sin errores en la estimación del
tránsito
La posibilidad de errores en la predicción del
tránsito se incorpora con la expresión (100.05*ZR * N).
Se consideró una pérdida de serviciabilidad de 2.2 durante el periodo de diseño del pavimento
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
Se adoptaron coeficientes estructurales de
capa ajustados a los resultados de experiencias
realizadas en el País
Se adoptaron 3 coeficientes de drenaje para
las capas granulares (mi=1.0 si la precipitación
< 2,000 mm/año, mi=0.90 si la precipitación
está entre 2,000 y 4,000 mm/año y mi =0.80
para precipitaciones mayores)
Las estructuras obtenidas se verificaron con
módulos teóricos y curvas de fatiga SHELL
VALORES ADOPTADOS PARA LOS COEFICIENTES
ESTRUCTURALES DE CAPA
CATÁLOGO DE DISEÑO
Comprende seis cartas de diseño,
contemplando los siguientes aspectos:
ESTRUCTURAS RECOMENDADAS EN LA CARTA
No. 3 PARA CATEGORÍA DE TRÁNSITO T5
Ejemplo de diseño
Clima
Temperatura media anual = 24º C
Precipitación media anual = 1,850 mm
Subrasante
Suelo predominante = Arena arcillosa
CBR promedio = 8.5 %
Tránsito de diseño
N* = 5.7*106 ejes equivalentes
Materiales disponibles
En la zona abundan materiales granulares de buena
calidad para la elaboración de subbases, bases y
concretos asfálticos
Solución al ejemplo de diseño
Establecimiento de región climática
• Para los datos de temperatura y precipitación
corresponde la Región R 3
Establecimiento de categoría de subrasante
• Para los datos de CBR promedio corresponde la
categoría S 3
Establecimiento de categoría de tránsito
N’ = 1.159 N = 1.159 x 5.7*106 = 6.6*106 ejes
equivalentes
Para este valor de N* corresponde la categoría T 5
Solución al ejemplo de diseño
Elección de Carta de Diseño
• Para Región R 3, usar Carta de Diseño No 3.
Espesores de diseño para la combinación S 3 – T 5.
• Mezcla densa en caliente = 10 centímetros
• Base granular = 30 centímetros
• Subbase granular = 30 centímetros