13. metodos de diseÑo pavimentos flex . aashto e invias

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