diseño de pavimento flexible

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

ContenidoRESUMEN ........................................................................................................................................................................................................................................2

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................................................................................................................ 3

1.

OBJETIVOS.......................................................................................................................................................................................................................... 4

1.1. OBJETIVOS GENERALES ......................................................................................................................................................................................... 4

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS ....................................................................................................................................................................................... 4

2. METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES: ............................................................................................................................................. 4

2.1. MÉTODOS DE DISEÑO EMPÍRICOS: .......................................................................................................................................................................4

2.2. MÉTODOS DE DISEÑO ANALÍTICOS, MECANICISTAS O RACIONALES: ............................................................................................................. 5

3. PAVIMENTOS DE CONCRETO ASFÁLTICO MÉTODO AASHTO-93: .................................................................................................................................8

3.1. CALCULO DE EJES EQUIVALENTES PARA PERIODO DE DISEÑO (ESALS): ..........................................................................................................8

3.1.1. ESTUDIO DE TRÁFICO: ................................................................................................................................................................................. 8

3.1.2. CALCULO DEL IMDA EN EJES MIXTOS PARA CADA CLASE DE VEHICULO POR AÑO: .......................................................................10

3.1.3. TABLA DE DIMENSIONES Y CARGA: ........................................................................................................................................................12

3.1.4. CALCULO DEL FACTOR EQUIVALENTE DE CARGAS (LEF) PARA CADA TIPO DE EJE EN PAVIMENTO FLEXIBLE: ...............................14

3.1.5. NUMERO ESTRUCTURAL (SN) INICIAL: .....................................................................................................................................................14

3.1.6. CALCULO DE ESALS PARA CADA TIPO DE VEHICULO EN PAVIMENTO FLEXIBLE: ...............................................................................15

3.1.7. FACTOR DE CAMIÓN:...............................................................................................................................................................................16

3.1.8. ESALS PARA PERIODOS DE DISEÑO: ........................................................................................................................................................16

3.2. PERIODO DE DISEÑO ............................................................................................................................................................................................17

3.3. CONFIABILIDAD DE DISEÑO: ...............................................................................................................................................................................17

3.3.1. CONFIABILIDAD DE CADA ETAPA: ..........................................................................................................................................................19

3.4. MÓDULO DE RESILIENCIA ....................................................................................................................................................................................19

3.4.1. FACTORES QUE AFECTAN EL MÓDULO RESILIENTE EN PAVIMENTOS ASFALTICOS .............................................................................19

3.4.2. VARIACION DEL MODULO DURANTE UN AÑO:......................................................................................................................................21

3.4.3. RELACIÓN C.B.R. – MÓDULO DE RESILIENCIA........................................................................................................................................22

3.5. ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD ...............................................................................................................................................................................22

3.5.1. PÉRDIDA O DISMINUCIÓN DEL ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD ...............................................................................................................23

3.6. COEFICIENTES DE DRENAJE:................................................................................................................................................................................24

3.7. EL NUMERO ESTRUCTURAL (SN): ..........................................................................................................................................................................25

CONCLUSIONES ..........................................................................................................................................................................................................................29

RECOMENDACIONES..................................................................................................................................................................................................................30

BIBLIOGRAFÍA ..............................................................................................................................................................................................................................31

INGENIERIA DE PAVIMENTOS

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL

PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

RESUMEN

El método de diseño AASHTO, originalmente conocido como AASHO, fue

desarrollado en los Estados Unidos en la década de los 60, basándose en un

ensayo a escala real realizado durante 2 años en el estado de Illinois, con el fin de

desarrollar tablas, gráficos y fórmulas que representen las relaciones deterioro-

solicitación de las distintas secciones ensayadas.

A partir de la versión del año 1986, y su correspondiente versión mejorada de 1993,

el método AASHTO comenzó a introducir conceptos mecanicistas para adecuar

algunos parámetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar del

ensayo original.

Se ha elegido el método AASHTO, porque a diferencia de otros métodos, éste método

introduce el concepto de serviciabilidad en el diseño de pavimentos como una

medida de su capacidad para brindar una superficie lisa y suave al usuario.

En este capítulo se desarrollará en forma concisa los conceptos básicos sobre

pavimentos flexibles, para tener una idea general sobre el diseño de pavimentos.

Asimismo, se describirá brevemente cada uno de los factores o parámetros

necesarios

para el diseño de pavimentos flexibles según el método AASHTO 93.



INTRODUCCIÓN

Un pavimento debe ser diseñado de tal manera que las cargas impuestas por el

tránsito no generen deformaciones permanentes excesivas. En el caso de los

pavimentos flexibles estas deformaciones se producen en cada una de las capas. Los

métodos de diseño de pavimentos descritos suponen que las deformaciones

permanentes ocurren solamente en la subrasante. Sin embargo, en vías donde se

construyen capas asfálticas delgadas o de baja rigidez (p.e. vías de bajo tráfico) las

capas granulares soportan el esfuerzo aplicado casi en su totalidad y la magnitud de

dichos esfuerzos puede llegar a generar valores altos de deformación permanente.

Por lo tanto, las metodologías de diseño deben comenzar a tener en cuenta las

deformaciones que se producen en estas capas, y los modelos para predecir dichas

deformaciones, deben ser capaces de reproducir el comportamiento de estos

materiales bajo diversas trayectorias de carga

cíclica y condiciones del medio ambiente.




1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVOS GENERALES

• Conocer la metodología empleada para el diseño de pavimentos

flexibles según AASTHO 93

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Cuáles son los parámetros que toma en cuenta el Diseño de Pavimentos

Flexibles según la AASTHO 93

• Cuáles son los espesores mínimos que presenta el Diseño de Pavimentos

Flexibles la AASTHO 93

2. METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES:

2.1. MÉTODOS DE DISEÑO EMPÍRICOS:

Las metodologías de diseño de pavimentos flexibles son generalmente

de carácter empírico o mecánico empíricas. En el caso de los métodos

empíricos se correlaciona el comportamiento de los pavimentos in situ, a través

de observaciones y mediciones de campo, con los factores que causan los

mecanismos de degradación en estas estructuras. Los factores más

importantes son las cargas impuestas por el tránsito, las condiciones

ambientales (principalmente temperatura y precipitación) a las cuales se

encuentra sometida la estructura, el tipo de suelo o terreno de fundación

(subrasante), la calidad de los materiales empleados y deficiencias durante el

proceso constructivo. Todos estos factores son controlados y medidos durante

las fases de estudio para correlacionarlos con los mecanismos de degradación y

crear así el método de diseño.

Dos son los mecanismos principales de degradación que se intentan controlar

en las metodologías empíricas (y también en las mecanicistas): fatiga y exceso

de deformación permanente. La fatiga ocurre en las capas ligadas, y para el

caso de estructuras flexibles, se presenta cuando se generan valores altos de

deformación a tracción en la zona inferior de la capa asfáltica. Este tipo de

deformación es asociado a la respuesta resiliente que presenta la

estructura

cuando se mueven las cargas vehiculares. La deformación permanente es la




deformación vertical residual que se va acumulando debido al paso de

los vehículos la cual puede generar fallas estructurales o funcionales en el

pavimento.

En el caso de las estructuras flexibles, la deformación permanente total es la

suma de la deformación producida en cada una de las capas del pavimento,

pero actualmente los métodos empíricos suponen que tal deformación se

genera solo en la capa subrasante y esto crea una de sus principales

limitaciones. La anterior suposición se basa en que la subrasante es la capa

más susceptible a la deformación debido a su más baja rigidez (en comparación

con las otras capas del pavimento) y a una mayor probabilidad de presentar

altos contenidos de agua (lo cual disminuiría su capacidad portante). Es decir,

las metodologías empíricas no tienen en cuenta que:

En las capas de rodadura y base asfáltica (compuestas por mezclas

asfálticas de comportamiento viscoso) un incremento de

temperatura genera disminución de la rigidez y por lo tanto un incremento

en la deformación del pavimento.

Las capas granulares juegan un papel importante en la generación de la

deformación permanente cuando se dimensionan estructuras flexibles

para vías de bajo tráfico. En este tipo de pavimentos las capas asfálticas no

tienen una función estructural (por lo general se construyen capas asfálticas

delgadas o de baja rigidez) y las capas granulares (base y subbase) soportan

casi en su totalidad las cargas rodantes. Con base en lo anterior, las

metodologías de diseño de pavimento en Colombia para bajos volúmenes de

tránsito deberían tener en cuenta el anterior criterio (a la fecha no lo tiene

en cuenta como se expondrá más adelante).

2.2. MÉTODOS DE DISEÑO ANALÍTICOS, MECANICISTAS O RACIONALES:

A diferencia de los métodos empíricos, los analíticos tienen en cuenta como el estado de esfuerzo y deformación que experimentan las capas que conforman la estructura del pavimento influyen en el comportamiento del mismo. Para el cálculo de esfuerzos y deformaciones, emplean programas de computador disponibles desde décadas anteriores. En estos programas se introducen la carga, la presiónde contacto, las propiedades mecánicas de los materiales (por lo general el



módulo elástico y la relación de Poisson) y el espesor de las capas del pavimento con el fin de obtener los estados de esfuerzo y deformación. Una vez calculados estos estados, se comparan con aquellos que admite el pavimento para la vida útil proyectada, y en un procedimiento de ensayo y error (aumentando o disminuyendo por lo general los espesores de capas) se dimensionan las capasque conformarán la estructura de pavimento.

Algunos de los programas son: ALIZE (LCPC, Laboratoire Central des Ponts et Chaus- sées), ELSYM5 (Chevron Oil), BISAR (SHELL), KENLAYER (University of Kentucky) y DE- PAV (Universidad del Cauca). Los valores admisibles dedeformación a tracción y vertical en la base de la capa asfáltica y en la superficiede la subrasante respectivamente, se obtienen por medio de diversas ecuaciones desarrolladas en instituciones de investigación como TRL (Transportation Research Laboratory), AASHTO (American Asociation of State Highway and Transportation Officials) y TAI (The Asphalt Institute).

A pesar de ser una metodología diferente a las empíricas, presentan connotaciones similares. Por ejemplo, el criterio de diseño en los métodos analíticos es el mismo: el pavimento falla por acumulación de deformación a tracción en la zona inferior de la capa asfáltica debido a ciclos de carga (fatiga) y por excesode deformación vertical en la superficie de la capa de subrasante (es decir, no tienen en cuenta el efecto que puede tener la acumulación de la deformación en las capas de base y sub-base granulares no tratadas).

Pero la principal desventaja de esta metodología radica en que el cálculo de los estados de esfuerzo y deformación se realiza por lo general suponiendo que el pavimento flexible es un sistema multicapa elástico lineal (compuesto por tres capas: la subrasante, la capa granular no tratada y la capa asfáltica, Figura 1). Este comportamiento elástico se supone de manera simplista justificando que bajo algún ciclo individual de carga la deformación permanente es muy baja comparada con la deformación resiliente. Los parámetros elásticos pueden ser calculados por medio de ensayos de laboratorio o por medio de retrocálculos de ensayos in situ (empleando por ejemplo Falling Weight Deflectometers – FWD). Por un lado las ecuaciones elásticas lineales no tienen en cuenta que elcomportamiento de las mezclas asfálticas es viscoso (dependiente de la velocidad de aplicación de carga y de la temperatura) y en el caso de los materiales granulares no tratados de base y sub-base su comportamiento es inelástico (deformaciones resilientes y permanentes) no lineal (rigidez dependiente del nivel de esfuerzo aplicado) para los niveles de esfuerzos a los cuales se encuentran sometidos en un pavimento flexible. Además, dependiendo del tipo de materialde subrasante, el comportamiento del suelo puede ser dependiente de lavelocidad de carga (viscoso) como en el caso de muchas arcillas.



Figura 1. Sistema multicapa elástico para el análisis de pavimentos.

Otras desventajas de las metodologías analíticas son:

Suponen que los materiales que componen cada una de las capas del pavimento son isotrópicos y homogéneos.

Los programas analíticos no tienen en cuenta las diferentes geometrías que pueden presentar las estructuras de pavimento (p. e., suponen extensión infinita de las capas en sentido horizontal) y la carga es estática.

En la mayoría de los casos los programas de computador no tienen en cuenta el efecto del medio ambiente sobre las propiedades mecánicas de los materiales utilizados.

Cuando se emplean ecuaciones elásticas se generan valores no reales de esfuerzos de tensión en las capas granulares (estáticamente no posibles) (Figura 2). Lo anterior especialmente en pavimentos con capas asfálticas delgadas.

Figura 2. Campo de esfuerzos (p,q) en la capa de base de un pavimento flexible con espesor de capa asfáltica de 6 cm [8].




3. PAVIMENTOS DE CONCRETO ASFÁLTICO MÉTODO AASHTO-93:

El diseño para el pavimento flexible según la AASHTO está basado en la

determinación del Número Estructural “SN” que debe soportar el nivel de

carga exigido por el proyecto. A continuación se describe las variables

que se consideran en el método AASHTO:

3.1. CALCULO DE EJES EQUIVALENTES PARA PERIODO DE DISEÑO (ESALS):

El establecimiento de los espesores de pavimento mediante el Método AASHTO

'93, se fundamenta en la determinación de las "Cargas Equivalentes

Acumuladas en el Período de Diseño (Wt18)", calculadas de acuerdo al

procedimiento establecido para el Método AASHTO '72, y al cual se hace

referencia en el Primer Volumen de estos "Apuntes de Pavimentos", y que en

esa oportunidad fueron definidas con el término Wt18. Cuando se emplea el

método AASHTO '93 deben aplicarse los "factores de equivalencia de cargas”.

3.1.1. ESTUDIO DE TRÁFICO:

Para conocer los datos del IMD se tomaron los resultados obtenidos en el

conteo de tráfico realizado en el curso de caminos I.




Los resultados obtenidos fueron:

3.1.2. CALCULO DEL IMDA EN EJES MIXTOS PARA CADA CLASE

DE VEHICULO POR AÑO:

El AASHTO 93 clasifica a los vehículos de la siguiente manera:

CALSIFICACION DE 1 AUTOMOVILES Y CAMIONETAS

2 BUSES

3 CAMION 2 EJES

4 CAMION MAS 2 EJES

5 REMOLQUES

6 SEMIREMOLQUES

Para calcular el IMDA utilizamos el porcentaje vehicular, el periodo de

diseño y la tasa de crecimiento vehicular, obteniendo los resultados

siguientes:




TPDA (IMDA) EN EJES MIXTOS PARA CADA CLASE DE VEHICULO POR AÑO

AÑO IMD MIXTO

CLASES DE VEHICULOS1 2 3 4 5 6

% IMD % IMD % IMD % IMD % IMD % IMD

2015 4198 80.85 3394 3.26 137 5.98 251 3.88 163 0.02 1 6.00 2522016 4492 80.85 3632 3.26 147 5.98 269 3.88 174 0.02 1.07 6.00 2702017 4806 80.85 3886 3.26 157 5.98 287 3.88 187 0.02 1.14 6.00 2892018 5143 80.85 4158 3.26 168 5.98 307 3.88 200 0.02 1.22 6.00 3092019 5503 80.85 4449 3.26 180 5.98 329 3.88 214 0.02 1.31 6.00 3302020 5888 80.85 4760 3.26 192 5.98 352 3.88 229 0.02 1.40 6.00 3532021 6300 80.85 5093 3.26 206 5.98 377 3.88 245 0.02 1.50 6.00 3782022 6741 80.85 5450 3.26 220 5.98 403 3.88 262 0.02 1.60 6.00 4052023 7213 80.85 5832 3.26 235 5.98 431 3.88 280 0.02 1.71 6.00 4332024 7718 80.85 6240 3.26 252 5.98 461 3.88 300 0.02 1.83 6.00 4632025 8258 80.85 6677 3.26 269 5.98 494 3.88 321 0.02 1.96 6.00 4962026 8836 80.85 7144 3.26 288 5.98 528 3.88 343 0.02 2.10 6.00 5302027 9455 80.85 7644 3.26 309 5.98 565 3.88 367 0.02 2.25 6.00 5682028 10117 80.85 8179 3.26 330 5.98 605 3.88 393 0.02 2.40 6.00 6072029 10825 80.85 8752 3.26 353 5.98 647 3.88 420 0.02 2.57 6.00 6502030 11582 80.85 9364 3.26 378 5.98 693 3.88 450 0.02 2.75 6.00 6952031 12393 80.85 10020 3.26 404 5.98 741 3.88 481 0.02 2.95 6.00 7442032 13261 80.85 10721 3.26 433 5.98 793 3.88 515 0.02 3.15 6.00 7962033 14189 80.85 11471 3.26 463 5.98 848 3.88 551 0.02 3.37 6.00 8522034 15182 80.85 12274 3.26 495 5.98 908 3.88 589 0.02 3.61 6.00 9112035 16245 80.85 13134 3.26 530 5.98 971 3.88 631 0.02 3.86 6.00 975

TOTAL 188344

152272

6147 11261

7313

45 11306

P 9417 7614 307 563 366 2 565




3.1.3. TABLA DE DIMENSIONES Y CARGA:

Para calcular la carga en cada eje tomamos en cuentas la tabla de dimensiones y carga.




TIPO DE EJECARGA (TON) L2x

SIMPLE 1 1

SIMPLE 2 1

SIMPLE 4 1

SIMPLE 7 1

SIMPLE 11 1

TANDEM 18 2

TRIDEM 25 3




3.1.4. CALCULO DEL FACTOR EQUIVALENTE DE CARGAS (LEF) PARA CADA TIPO DE EJE EN PAVIMENTO FLEXIBLE:

La conversión del tráfico a un número de ESAL’s de 18 kips (Equivalent Single Axis Loads) se realiza utilizando factores equivalentes de carga LEFs (Load Equivalent Factor). Estos factores fueron determinados por la AASHTO en sus tramos de prueba, donde pavimentos similares se sometieron a diferentes configuraciones de ejes y cargas, para analizar el daño producido y la relación existente entre estas configuraciones y cargas a través del daño que producen. El factor equivalente de carga LEF es un valor numérico que expresa la relación entre la pérdida de serviciabilidad ocasionada por una determinada carga de un tipo de eje y la producida por el eje patrón de 18 kips.

Por ejemplo, para producir en un pavimento flexible con un SN = 4”, unadisminución de serviciabilidad de 4,2 a 2,5 se requieren la repetición de100000 ejes simples de 18kips, o la repetición de 14706 ejes simples de 30kips. Por tanto, para este caso:

LEF = 100000/14706 = 6.8

3.1.5. NUMERO ESTRUCTURAL (SN) INICIAL:

El procedimiento idealizado de diseño es iterativo: debe asumirse un valor de SN, sin conocerse los espesores finales, para poder estimar las cargas de diseño, ya que los factores de equivalencia de cargas son, tal como se ha comentado, función, entre otras variables, de “SN”. Una vez estimadas las cargas, a partir de este SN asumido, y concluido el diseño real del paquete estructural, se compara el SN obtenido con el SN asumido. Si la diferencia entre el SN asumido y el SN obtenido es mayor de 0,5, debe reiniciarse la estimación de las cargas de diseño partiendo de los factores de equivalencia de este “SN obtenido”, repitiéndose el proceso hasta que la diferencia entre ambos SN sea menor a 0.5.




CALCULO DEL FACTOR EQUIVALENTE DE CARGA (LEF) PARA CADA TIPO DE EJE EN PAVIMENTO FLEXIBE

Lx/ton

Lx/kips L18 L2x L2s Pt SN G Bx G/Bx B18 G/B18 Wx/W18 LEF

1 2.2 18 1 1 2.5 2 -0.20091484

0.41158404

-0.48815022

4.05258085

-0.04957701

1849.21811

0.000541

2 4.4 18 1 1 2.5 2 -0.20091484

0.46278524

-0.43414272

4.05258085

-0.04957701

170.803957

0.005855

4 8.8 18 1 1 2.5 2 -0.20091484

0.83041355

-0.24194553

4.05258085

-0.04957701

15.3069382

0.06533

7 15.4 18 1 1 2.5 2 -0.20091484

2.67076053

-0.07522758

4.05258085

-0.04957701

1.90755536

0.524231

11 24.2 18 1 1 2.5 2 -0.20091484

9.49388491

-0.02116255

4.05258085

-0.04957701

0.27601686

3.622967

18 39.6 18 2 1 2.5 2 -0.20091484

5.29294438

-0.03795899

4.05258085

-0.04957701

0.48400583

2.066091

25 55 18 3 1 2.5 2 -0.20091484

4.2636384 -0.04712286

4.05258085

-0.04957701

0.55821158

1.791435

DONDE:

Lx: Peso del eje en kips L18: 18 kips/ eje

L2s = 1

3.1.6. CALCULO DE ESALS PARA CADA TIPO DE VEHICULO EN PAVIMENTO FLEXIBLE:

LEF DE CADA TIPO DE EJE:

PAV FLEXIBLE/ EJE1 0.000540769

2 0.005854665

4 0.065329851

7 0.524231182

11 3.622967052

18 2.066090817

25 1.79143543




3.1.7. FACTOR DE CAMIÓN:

Para expresar el daño que produce el tráfico, en términos del deterioro que produce un vehículo en particular, hay que considerar la suma de los daños producidos por cada eje de ese tipo de vehículo. De este criterio nace el concepto de Factor de Camión, que se define como el número de ESAL’s por número de vehículo. Este factor puede ser calculado para cada tipo de camiones, o para todos los vehículos como un promedio de una determinada configuración de tráfico.

Factor de Camión = Fc = N° DE ESALs/ NUMERO de camiones

Se ha demostrado que el eje delantero tiene una mínima influencia en el daño producido en el pavimento, por ejemplo en el ahuellamiento, la fisuración y la pérdida de serviciabilidad su participación varía de 0,13 al 2,1%. Por esta razón el eje delantero no está incluido en los factores deequivalencia de carga, lo cual no afecta a la exactitud del cálculo.

ESALs PARA CADA CLASE DE VEHICULO EN PAVIMENTO FLEXIBLE

CLASE DE VEHÍCULO DEL AFORO SNCCONFIGURACIÓN DE EJES ESALs/VEHIC

PAV. FLEX FCEJEDELANTERO

EJETRASERO 1

EJETRASERO 2

EJETRASERO 3

1.- Automóviles, Jeep y Vagonetas 0.0010815382

2.- Camionetas ( Hasta 2 Ton.) 0.0063954344

3.- Minibuses 0.0063954344

4.- Microbuses ( 12 - 21 Asts.) 0.0658706205

5.- Bus Mediano ( 22 - 35 Asts.) 3.62882171706.- Bus Grande ( 36 Asts. o más ) 2.59032199907.- Camión Medino ( Hasta 6 Ton.) 0.53008584768.- Camión Grande ( Dos ejes.) 2.3156666119

9.- Camión Grande ( Tres ejes) 3.1145531813

10.- Camión semirremolque 4.3817574286

11.- Camión con remolque 8.0047244803

12.- Otros vehículo (No incluye motocicletas)

0.0658706205

3.1.8. ESALS PARA PERIODOS DE DISEÑO:

Se calcula para el carril de diseño:




TIPO DE PAVIMENTO FLEXIBLE

AÑO BASE 2015

PERIODO DE DISEÑO EN AÑOS (n) 20

% DE TRANSITO EN LA DIRECCIÓN DE DISEÑO (DD) 100

% DE TRANSITO EN EL CARRIL DE DISEÑO (LD) 70

ESALs PARA PERIODO DE DISEÑO 29,548,222.63

CLASE DE VEHICULOTPDA para n años

DD LDFACTOR DE

CAMIONFC (ESALs)

ESALS/VEHÍC.

1 152272 100 70 0.00639543 248,818.22

2 6147 100 70 2.590322 4,067,940.66

3 11261 100 70 2.31566661 6,662,696.69

4 7313 100 70 3.11455318 5,819,472.81

5 45 100 70 8.00472448 91,758.58

6 11306 100 70 4.38175743 12,657,535.68

3.2. PERIODO DE DISEÑO

Se define como el tiempo elegido al iniciar el diseño, para el cual se determinan las características del pavimento, evaluando su comportamiento para distintas alternativas a largo plazo, con el fin de satisfacer las exigencias del servicio durante el periodo de diseño elegido, a un costo razonable.

Generalmente el periodo de diseño será mayor al de la vida útil del pavimento, porque incluye en el análisis al menos una rehabilitación o recrecimiento, por lo tanto éste será superior a 20 años. Los periodos de diseño recomendados por la AASHTO se muestran en la tabla I.

Tabla I. Periodos de Diseño en Función del Tipo de Carretera

TIPO DE CARRETERAPeriodo de d

Urbana de transito elevado 30 50Interurbana de transito elevado 20 50Pavimentada de baja intensidad de transito 15 25De baja intensidad de tránsito, pavimentada con grava 10 20

3.3. CONFIABILIDAD DE DISEÑO:

La "Confiabilidad del Diseño (R)" se refiere al grado de certidumbre (seguridad) de que una determinada alternativa de diseño alcance a durar, en la realidad, el tiempo establecido en el período seleccionado. La confiabilidad también puede ser definida como la probabilidad de que el número de repeticiones de cargas

CONFIABILIDAD ( R

VALOR DE 50 0.000

60 -0.25370 -0.52475 -0.67480 -0.84185 -1.03790 -1.28291 -1.34092 -1.40593 -1.47694 -1.55595 -1.64596 -1.75197 -1.88198 -2.05499 -2.327

99.9 -3.090

99.99 -3.750




(Nt) que un pavimento pueda soportar para alcanzar un determinado nivel de capacidad de servicio, no sea excedida por el número de cargas que realmente estén siendo aplicadas (WT) sobre ese pavimento".

Para el cálculo utilizamos las tablas siguientes:

TABLA 1

NIEVELES RECMENDADOS DE CONFIABILIDAD ®CLASIFICACION DE LA VIA

URBANA RURALAUTOPISTA 85 99.9 80 99.9

TRONCALES 80 99 75 95LOCALES 80 95 75 95RAMALES Y VIA AGRICOLA

50 80 50 80

TABLA I-I

VALORES DE ZR EN LA CURVA NORMAL PARA DIVERSOS GRADOS DE CONFIABILIDAD




3.3.1. CONFIABILIDAD DE CADA ETAPA:

MODIFICAR SOLO LAS CELDAS DE COLOR AMARILLOnumero de etapas

n= 1

TIPO VIAC

LASIFIC R(GLOBAL)

R(ETAPA) ZR

RURAL AUTOPISTA 99.9 99.9 -3.09

URBANA LOCALES 95 95 -1.645

no tocar tipo de via!

3.4. MÓDULO DE RESILIENCIA

Para el diseño de pavimentos flexibles deben utilizarse valores medios resultantes de los ensayos de laboratorio, las diferencias que se puedan presentar están consideradas en el nivel de confiabilidad R.

Durante el año se presentan variaciones en el contenido de humedad de la subrasante, las cuales producen alteraciones en la resistencia del suelo, para evaluar esta situación es necesario establecer los cambios que produce la humedad en el módulo resiliente.

Con este fin se obtienen módulos resilientes para diferentes contenidos de humedad que simulen las condiciones que se presentan en el transcurso del año, en base a los resultados se divide el año en periodos en los cuales el MR es constante.

3.4.1. FACTORES QUE AFECTAN EL MÓDULO RESILIENTE EN PAVIMENTOS ASFALTICOS

Existen diversos factores que afectan al módulo resiliente del pavimento asfaltico. A continuación se muestra un resumen de estos factores:

Nivel de esfuerzos Frecuencia de carga Contenido de betún Tipo de agregado Contenido de vacíos Tipo y contenido de modificadores Tipo de prueba Temperatura.




Para cada valor de MR se determina el valor del daño relativo, utilizando elábaco de la Figura I.

MESMODULO

RESLIENTE DEL SUELO

MR(psi)

DAÑO RELATIVO Uf

ENERO 10000 0.0619272810001 0.061912916

FEBRERO 10002 0.06189855610003 0.0618842

MARZO 10004 0.0618698510005 0.061855504

ABRIL 10006 0.06184116310007 0.061826827

MAYO 10008 0.06181249610009 0.061798169

JUNIO 10010 0.06178384710011 0.06176953

JULIO 10012 0.06175521810013 0.06174091

AGOSTO 10014 0.06172660710015 0.061712309

SEPTIEMBRE

10016 0.06169801510017 0.061683727

OCTUBRE 10018 0.06166944310019 0.061655163

NOVIEMBRE 10020 0.06164088910021 0.061626619

DICIEMBRE10022 0.061612354

10023 0.061598094Sumatoria: Σ Uf=

1.482299686

PromedioUf= Σ Uf/n =

0.0618

Figura I. Ábaco para la determinación del Daño Relativo Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993




Con los resultados de los daños relativos se obtiene el valor promedio anual. El módulo de resiliencia que corresponda al Uf promedio es el valor que se debe utilizar para el diseño. Si no se tiene la posibilidad de obtener esta información se puede estimar el valor del MR en función del CBR.

3.4.2. VARIACION DEL MODULO DURANTE UN AÑO:




3.4.3. RELACIÓN C.B.R. – MÓDULO DE RESILIENCIA

Con los valores del CBR se pueden obtener los módulos resilientes utilizando las relaciones siguientes:

- SI CBR < 15% (Shell)

; K=Tiene una dispersion de valores de 4 a 25

; K=Tiene una dispersion de valores de 750 a

3000

- SI CBR ≥15%

El Instituto del Asfalto mediante ensayos de laboratorio realizados en 1982, obtuvo las relaciones siguientes:

TIPO DE %CBRMR en(psi)

Arena 31 46500Limo 20 30000Arena magra 25 37500Limo-arcilla 25 37500Arcilla limosa 8 11400Arcilla pesada 5 7800

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993

3.5. ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD

Se define el Índice de Serviciabilidad como la condición necesaria de un pavimento para proveer a los usuarios un manejo seguro y confortable en un determinado momento. Inicialmente esta condición se cuantificó a través de laopinión de los conductores, cuyas respuestas se tabulaban en la escala de 5 a 1:

Índice de s Calificación

5 4 Muy Buena4 3 Buena3 2 Regular2 1 Mala

Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993



Actualmente, una evaluación más objetiva de este índice se realiza mediante una ecuación matemática basada en la inventariación de fallas del pavimento:

Pavimento Flexible: p

SV: Variación de las cotas de la rasante en sentido longitudinal en relación a la rasante inicial (Rugosidad en sentido longitudinal).

Cf: Suma de las áreas fisuradas en pies2 y de las grietas longitudinales y transversales en pies lineales, por cada 1000 pies2 de pavimento.

P: Área bacheada en pies2 por cada 1000 pies2 de pavimento.

RD: Profundidad media de ahuellamiento en pulgadas. Mide la rugosidad transversal.

Antes de diseñar el pavimento se deben elegir los índices de servicio inicial y final. El índice de servicio inicial po depende del diseño y de la calidad de la construcción. En los pavimentos flexibles estudiados por la AASHTO, el pavimento nuevo alcanzó un valor medio de po = 4,2.

El índice de servicio final pt representa al índice más bajo capaz de ser tolerado por el pavimento, antes de que sea imprescindible su rehabilitación mediante un refuerzo o una reconstrucción. El valor asumido depende de la importancia de la carretera y del criterio del proyectista, se sugiere para carreteras de mayor tránsito un valor de pt ≥ 2,5 y para carreteras de menor tránsito pt = 2,0.

3.5.1. PÉRDIDA O DISMINUCIÓN DEL ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD Los valores anteriormente descritos nos permiten determinar la disminución del índice de servicio, que representa una pérdida gradual de la calidad de servicio de la carretera, originada por el deterioro del pavimento. Por tanto:

Donde:

PSI = Índice de Servicio Presente

∆PSI = Diferencia entre los índices de servicio inicial y el final

deseado po = Índice de servicio inicial

pt = Índice de servicio final

3.6. COEFICIENTES DE DRENAJE:El coeficiente de drenaje es la relación que existe entre el módulo resilente en una condición de humedad. El valor 1.0 representa que las condiciones de drenaje son similares a las de la pista de pruebas de AASHO, mientras que valores por encima de 1.0 se trata de condiciones mejores que las obtenidas durante la puesta de pruebas.

AASHTO DISEÑO PAVIMENTO

FLEXIBLE COEFICIENTE DE

DRENAJE

Capacidad de drenaje

Calidad de

drenaje

Tiempo que tarda el agua en ser

evacuada

excelente 2 horas

bueno 1 dia

regular 1 semana

Malo 1 mes

Muy maloAgua no drenada

Porcentaje de tiempo

Capacidad de Drenaje

% de tiempo en el que el pavimento está expuesto a nivel de humedad próximos a la saturación.

Menos del 1 % 1 a 5 % 5 a 25 % Más del 25 %Excelente 1,40 – 1,35 1,35 – 1,30 1,30 – 1,20 1,20Bueno 1,35 – 1,25 1,25 – 1,15 1,15 – 1,00 1,00Regular 1,25 – 1,15 1,15 – 1,05 1,00 – 0,80 0,80Malo 1,15 – 1,05 1,05 – 0,80 0,80 – 0,60 0,60

Muy malo 1,05 – 0,95 0,95 – 0,75 0,75 – 0,40 0,40






3.7. EL NUMERO ESTRUCTURAL (SN):

Es un valor índice que combina espesores de las capas, la capa de coeficientes estructurales, y los coeficientes de drenaje. El SN se calcula con la siguiente ecuación.

log PSI

logW18 Z R So 9.36 log SN 1 0.20

4.2 1.5

0.40 1094

2.32 log M R 8.07

SN 15.19

Donde:

W18 = Número estimado de ejes equivalentes de 8.2

toneladas. ZR = Desviación estándar normal

So = Error estándar combinado de la predicción del tránsito y de la predicción del comportamiento.

∆PSI = Diferencia entre el índice de servicio inicial (po) y la serviciavilidad final

(pt) MR = Modulo resilente

SN = numero estructural

Según AASTHO la ecuación SN no tiene solución única, es decir hay muchas combinaciones de espesores de cada capa que dan una solución satisfactoria. Se debe realizar un análisis de comportamiento de las alternativas de estructuras de pavimentos eleccionadas, de tal manera que permita decidir por la alternativa que presenta los mejores valores de niveles de servicio, funcionales y estructurales, menores a los admisibles, en relación al tránsito que debe soportar.

Luego de haber obtenido el valor total de SN es necesario calcular el espesor de cada una de las capas, para lo cual es necesario tomar en cuenta que el número estructural total esta dado por:

SN a1D1 a2m2 D2 a3m3 D3

Dónde: ai = Coeficientes de capa, mi = Coeficientes de drenaje, y Di = Espesores de capa

Para calcular cada capa se debe aplicar un procedimiento de tres pasos, el primero es suponer que el suelo de fundación es la base granular y se calcula el correspondiente numero estructural (SN1), por lo tanto el espesor de la carpeta puede ser calculado directamente al dividir SN1 entre el coeficiente de capa dela carpeta de rodadura, el siguiente paso es repetir el cálculo considerando esta




1

D SN SN

1 1 1 1

1 2 2

3

vez que la subrasante tiene las propiedades de la sub base y se obtiene SN2, se calcula el espesor de la base, y finalmente se calcula SN3 considerando el suelo de fundación. Siendo que los espesores de la sub base sera la diferencia. Las ecuaciones correspondientes se muestran a continuación.

a) capas de la estructura del pavimento y números estructurales

D ' SN1

a1

SN * a D * SN'

' 2 12 a2 m2

SN * SN * SN

SN (SN * SN * )D ' 3 1 2

a3m3

Dónde: a, D, m, SN, son los valores mínimos requeridos y un asterisco con D o SN indica que este representa el valor actualmente usado el cual debe ser igual o mayor que el valor requerido.



Para determinar las secciones de estructuras de pavimento flexible, la guía delMTC, recomienda los siguientes espesores:

El espesor mínimo constructivo para capas superficiales con carpeta asfáltica en caliente es de 40 mm y el espesor mínimo constructivo de las capa granulares (Base y Sub base) es de 150 mm.

AASHTO DISEÑO PAVIMENTO

FLEXIBLE Determinacion SN

Design Inputs

W18 = 6,100,000 Aplicaciones ESAL durante el Período de Diseño Tip. Rango 0.1 a 80 millones

R = 95 % confiabilidad Tip. Rango 80 a 95%

So = 0.45 Desviación Estándar Tip. Rango 0.3 a 0.5

MR = 3,000 psi Subrasante Módulo Resiliente Tip. Rango 3000 a 9000 psi

Pi = 4.5 Serviciabilidad Inicial Tip. Range 4.4 a 4.8

Pt = 2.5 Serviciabilidad Final Tip. Rango 2.0 a 3.0

DISEÑO SN = 6.20

AASHTO DISEÑO PAVIMENTO FLEXIBLEDeterminación de espesores de capas, Usando el análisis por capas Enfoque.

1. Ingrese la información aplicable en las celdas C13 a F20

2. Para la primera capa, usar el E de la siguiente capa inferior como el MR en lasInputs Box debajo de esta tabla y introducir en el SN capa resultante.

3. El espesor mínimo de la capa se calcula en la columna H. Introduzca el espesor "práctico" de la capa en la columna I.

4. Repita los pasos 2 y 3 para cada capa, usando siempre el E de la siguiente capa inferior como el MR en la hoja de cálculo Entradas Box debajo de esta tabla.

5. Compruebe si el resultado SN cumple o excede el SN requerido

6. Tenga en cuenta que este procedimiento no es válida si cualquier capa debajo de la capa 1 tiene una E mayor de 40.000 psi.



Inputs Box

W18 = 6,100,000 Aplicaciones ESAL durante el Período de Diseño

R = 95 % confiabilidad

So = 0.45 Desviación Estándar

MR = 20,000 psi Subrasante Módulo Resiliente

Pi = 4.5 Serviciabilidad Inicial

Pt = 2.5 Serviciabilidad Final

SN capa superior = 3.33




CONCLUSIONES

•La AASTHO 93 presenta una metodología donde la finalidad del diseño es calcular elNúmero Estructural (SN), que debe soportar el nivel de carga exigido por el proyecto

•Una vez calculado el Número Estructural (SN), de la sección estructural del pavimento se requiere determinar una sección multicapa

•Los parámetros que toma en cuenta la AASTHO 93 en lo referente a diseño de pavimentos flexibles son: ´Periodo de Diseño, ESALS para el periodo de diseño establecido, Módulo de Resiliencia de la Subrasante , Variación de Serviciabilidad, Nivel de Confianza y Desviación Estándar de todas las Variables, Coeficientes de Drenaje de la Subbase y Base

•Los espesores mínimos para la base según la AASTHO 93 está en función de los ejes equivalentes ESALS, por ejemplo para un ESALS menor a 50000 , el espesor mínimo para labase es de 4 pulgadas.



RECOMENDACIONES

•Los módulos resilentes se deben calcular con las variaciones de contenidos de humedad presentadas en todo el año

•La sección multicapa calculada a partir del Número Estructural de la sección (SN) debe brindar un capacidad de soporte igual o mayor a la del Número Estructural de diseño

•Una vez calculado los espesores de la carpeta asfáltica, subbase, base, se debe realizar un control de espesores mínimos con el fin de dar protección a las capas granulares no tratadas




BIBLIOGRAFÍA

•AASHTO “Guide For Design Of Pavement Structures”, American Association of StateHighway Officials, Washington, D.C., (1993)

•Corro, s y prado, g, "Diseño Estructural de Carreteras con Pavimento Flexible", Instituto deIngeniería, UNAM, informe 325, México, d. f. (ene 1974)


diseño de pavimento flexible

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