InstitutoVenezolanodelAsfalto

Diseodenuevospavimentosporel MtododelaAASHTO93 Experimento Vial de la AASHO (1958-1962)

Base de la Gua de Diseo AASHTO

Captulo2:MtodoAASHTO93paraeldiseode nuevospavimentosflexibles

Ing.GustavoCorredorM.(MsCE) SanJuandelosMorros 28y29defebrerode2008

Mtodo AASHTO-93

Mtodo AASHTO-86(93) en el diseo de pavimentos flexibles A. Alcance La aplicacin del Mtodo AASHTO-72 se mantuvo hasta mediados del ao 1983, cuando se determin que, an cuando el procedimiento que se aplicaba alcanzaba sus objetivos bsicos, podan incorporrsele algunos de los adelantos logrados en los anlisis y el diseo de pavimentos que se haban conocido y estudiado desde ese ao 1972. Por esta razn, en el perodo 1984-1985 el Sub-Comit de Diseo de Pavimentos junto con un grupo de Ingenieros Consultores comenz a revisar el "Procedimiento Provisional para el Diseo de Pavimentos AASHTO-72", y a finales del ao 1986 concluye su trabajo con la publicacin del nuevo "Manual de Diseo de Estructuras de Pavimentos AASHTO '86", y sigue una nueva revisin en el ao 1993, por lo cual, hoy en da, el mtodo se conoce como Mtodo AASHTO-93. Este Manual mantiene las ecuaciones de comportamiento de los pavimentos que se establecieron en el Experimento Vial de la AASHO en 1961, como los modelos bsicos que deben ser empleados en el diseo de pavimentos; introduciendo, sin embargo, los cambios ms importantes sucedidos en diferentes reas del diseo, incluyendo las siguientes: 1. Incorporacin de un "Factor de Confiabilidad" -fundamentado en un posible cambio del trfico a lo largo del perodo de diseo, que permite al Ingeniero Proyectista utilizar el concepto de anlisis de riesgo para los diversos tipos de facilidades viales a proyectar. 2. Sustitucin del Valor Soporte del Suelo (Si), por el Mdulo Resiliente (Mtodo de Ensayo AASHTO T274), el cual proporciona un procedimiento de laboratorio racional, o mejor an de carcter cientfico que se corresponde con los principios fundamentales de la teora elstica para la determinacin de los propiedades de resistencia de los materiales. 3. Empleo de los mdulos resilientes para la determinacin de los coeficientes estructurales, tanto de los materiales naturales o procesados, como de los estabilizados. 4. Establecimiento de guas para la construccin de sistemas de subdrenajes, y modificacin de las ecuaciones de diseo, que permiten tomar en cuenta las ventajas que resultan, sobre el comportamiento de los pavimentos, como consecuencia de un buen drenaje. . 5. Sustitucin del "Factor Regional" -valor indudablemente bastante subjetivo- por un enfoque ms racional que toma en consideracin los efectos de las caractersticas ambientales -tales como humedad y temperatura- sobre las propiedades de los materiales.

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Mtodo AASHTO-93

Ecuacin de diseo: La ecuacin AASHTO-93 toma la siguiente forma:

PSI log10 4.2 1.5 + 2.32 * log M 8.07 log10 Wt18 = Z R * So + 9.36 * log10 ( SN + 1) 0.20 + 10 R 1094 0.40 + (SN + 1)5.19

Variables independientes: Wt18 : Nmero de aplicaciones de cargas equivalentes de 80 kN acumuladas en el periodo de diseo (n) ZR : Valor del desviador en una curva de distribucin normal, funcin de la Confiabilidad del diseo (R) o grado confianza en que las cargas de diseo no sern superadas por las cargas reales aplicadas sobre el pavimento. So: Desviacin estndar del sistema, funcin de posibles variaciones en las estimaciones de trnsito (cargas y volmenes) y comportamiento del pavimento a lo largo de su vida de servicio. PSI: Prdida de Serviciabilidad (Condicin de Servicio) prevista en el diseo, y medida como la diferencia entre la planitud (calidad de acabado) del pavimento al concluirse su construccin (Serviceabilidad Inicial (po) y su planitud al final del periodo de diseo (Servicapacidad Final (pt). MR: Mdulo Resiliente de la sub-rasante y de las capas de bases y sub-bases granulares, obtenido a travs de ecuaciones de correlacin con la capacidad portante (CBR) de los materiales (suelos y granulares). Variable dependiente: SN: Nmero Estructural, o capacidad de la estructura para soportar las cargas bajo las condiciones (variables independientes) de diseo.

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Mtodo AASHTO-93

Solucin de la ecuacin ASSHTO-93 La ecuacin AASHTO-93 solo puede ser solucionada a travs de iteraciones sucesivas, ya sea manualmente, u hoy en da por medio de programas de computadora personal, o manual. La Asociacin de Pavimentadores de Concreto ofrece un Programa denominado Pavement Analysis System, el cual resuelve dicha ecuacin de una manera sencilla y amigable:

Programadediseodepavimentosdesarrolladoporla AsociacinAmericanadePavimentosdeConcreto (ACPA),versinWinPas,aplicacinparapavimentos flexibles(1993).

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Mtodo AASHTO-93

B. Procedimiento AASHTO '93 para diseo de nuevos pavimentos. B.1 Variables Generales de Diseo Se consideran como "Variables Generales de Diseo" aquellas que deben ser consideradas en el diseo y construccin de cualquier estructura de pavimentos. Dentro de esta categora se incluyen: limitaciones de tiempo (tales como comportamiento y perodo de anlisis), trfico, confiabilidad y efectos ambientales. B.1.1 Limitaciones relacionadas con el tiempo (aos) de diseo La seleccin de varios perodos de diseo y de niveles de servicapacidad tambin denominada serviceabilidad o idoneidad obligan al Proyectista a considerar estrategias de diseo que vayan desde una estructura que requerir bajo nivel de mantenimiento, y que prcticamente durar todo el perodo seleccionado sin mayores acciones sobre l, hasta alternativas de construccin por etapas, que requerirn una estructura inicial ms dbil y un programa, previamente establecido, de mantenimiento y repavimentacin. Se denomina "perodo de comportamiento" al lapso que se requiere para que una estructura de pavimento nueva -o rehabilitada- se deteriore de su "nivel inicial de servicapacidad", hasta su nivel establecido de "servicapacidad final", momento en el cual exige de una accin de rehabilitacin. El Proyectista debe, en consecuencia, seleccionar los extremos mximo y mnimo de servicapacidad. El establecimiento de estos extremos, a su vez, se ve afectado por factores tales como: clasificacin funcional del estado de un pavimento, percepcin del pblico usuario de "cunto debe durar una estructura nueva", fondos disponibles para la construccin inicial, costos asociados con el ciclo de vida de la estructura, y otras consideraciones de ingeniera. Se define como "perodo de anlisis" al lapso que debe ser cubierto por cualquier estrategia de diseo. Normalmente coincide con el "perodo de comportamiento"; sin embargo limitaciones prcticas y realsticas en el comportamiento de ciertos casos de diseo de pavimentos, pueden hacer necesario que se consideren varias etapas de construccin, o una rehabilitacin programada, que permita el alcanzar el perodo de anlisis deseado. En los mtodos AASHTO de 1961 y de 1972 era frecuente disear los pavimentos para un perodo mximo de 20 aos; hoy en da, en el Mtodo AASHTO '93, se recomienda que se estudien los pavimentos para un perodo de comportamiento mayor, ya que ellos pueden dar lugar a una mejor evaluacin de las alternativas a largo plazo basadas en anlisis de costo-tiempo. En cualquier caso, sin embargo, se recomienda que el _________________________________________________________________________ 4

Mtodo AASHTO-93

perodo de anlisis incluya al menos una rehabilitacin de la estructura recomendada. Los lapsos de diseo sugeridos son: Perodo de (en aos) anlisis diseo _______________________________________________________ Urbana de alto volumen 30 50 15-20 (30) Interurbana de alto volumen 20 50 15-20 (30) De bajo volumen pavimentada con asfalto 15 25 8-12 con rodamiento sin tratamiento 10 20 5-8 _______________________________________________________ La Figura "A" permite visualizar grficamente el concepto de perodo de anlisis en un diseo de pavimentos.(Base granular sin capa asfltica)

Tipo de facilidad vial

Figura "A": Representacin grfica del perodo de anlisis

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Mtodo AASHTO-93

B.1.2 Trfico El establecimiento de los espesores de pavimento mediante el Mtodo AASHTO '93, se fundamenta en la determinacin de las "Cargas Equivalentes Acumuladas en el Perodo de Diseo (Wt18)", calculadas de acuerdo al procedimiento establecido para el Mtodo 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 trmino Wt18. Cuando se emplea el mtodo AASHTO '93 deben aplicarse los "factores de equivalencia de cargas "FEi"de acuerdo al procedimiento seguido en Venezuela para la estimacin de cargas. B.1.3 Confiabilidad La "Confiabilidad del Diseo (R)" se refiere al grado de certidumbre (seguridad) de que una determinada alternativa de diseo alcance a durar, en la realidad, el tiempo establecido en el perodo seleccionado. La confiabilidad tambin puede ser definida como la probabilidad de que el nmero de repeticiones de cargas (Nt) que un pavimento pueda soportar para alcanzar un determinado nivel de servicapacidad de servicio, no sea excedida por el nmero de cargas que realmente estn siendo aplicadas (WT)sobre ese pavimento".

Figura "B": Criterio de confiabilidad estadstica

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Mtodo AASHTO-93

La Figura "B" presenta en forma grfica el concepto de la probabilidad de la distribucin normal del error en la estimacin del trfico y comportamiento de la estructura, y es la base para las definiciones de la confiabilidad que caracterizan este mtodo de diseo. Si se ha definido a "Wt18" como las cargas equivalentes de diseo y a "WT" como las cargas actuantes reales, se tendr en la Figura "B", que el rea en blanco representa la probabilidad de xito del diseo, es decir que Nt NT cuando p pt. Esta probabilidad se define como el "Nivel de Confiabilidad (R)" del proceso de diseo-comportamiento, y se expresa: R = 100 * Probabilidad (Nt NT) = 100 * Prob. (d 0) Para un nivel determinado de Confiabilidad, (R), habr un Factor de Confiabilidad -(FR)- que es funcin de la desviacin estandar (So), y la cual, a su vez, toma en consideracin la variacin esperada en los materiales y el proceso constructivo que predominarn en el pavimento que se disea, la posibilidad de variacin en la prediccin del trfico a lo largo del perodo de diseo, y la variabilidad normal en el comportamiento del pavimento para un valor de Wt18. Este valor de "FR", a su vez, multiplica a las cargas equivalentes totales (Wt18 N't) -obtenidas segn se indic en el Aparte B.1.2, y se logra, en consecuencia, el verdadero valor de Cargas Equivalentes Totales (Wt18), el cual ser introducido en la Ecuacin de Diseo. La confiabilidad (R), en el Mtodo AASHTO '93, se establece mediante la correcta seleccin de este "Factor de Confiabilidad en el Diseo (FR)", y para cuya determinacin es necesario transformar la curva del proceso de diseo a una "curva normalizada", mediante la relacin Z = ( 0 - 0 ) / S0 = ( 0 - log FR ) / S0 En esta curva normalizada, en el punto donde 0 = o, el valor de Z = ZR es decir: ZR = (- log FR) /S0 Para un nivel determinado de confiabilidad, por ejemplo R = 75%, el valor de ZR puede ser obtenido de las curvas de distribucin normal (Curvas de Gauss), y corresponde al rea en el sector que va desde (- ) hasta (100R / 100). En una curva de Gauss se tiene que para R = 75%, el valor de ZR = (-0,674). La ecuacin anterior tambin puede ser escrita como: _________________________________________________________________________ 7

Mtodo AASHTO-93

tambin como:

log FR = - ZR * S0 FR = 10-ZR * S0

Ambas ecuaciones pueden ser consideradas como una definicin algebraica del Factor de Confiabilidad de Diseo. La "Tabla I" permite obtener los niveles adecuados de Confiabilidad (R) para diferentes tipos de vas, clasificadas por la AASHTO, segn su grado de servicio. TABLA I Niveles Recomendados de Confiabilidad (R) _________________________________________________________ Clasificacin de la va Urbana Rural _________________________________________________________ Autopistas 85-99,9 80-99,9 Troncales 80-99 75-95 Locales 80-95 75-95 Ramales y Vas Agrcolas 50-80 50-80 _________________________________________________________

NOTA IMPORTANTE PARA EFECTOS DE DISEO DEBE QUEDAR CLARO QUE A MEDIDA QUE EL VALOR DE LA CONFIABILIDAD SE HACE MAS GRANDE, SERAN NECESARIO UNOS MAYORES ESPESORES DE PAVIMENTO

Una vez seleccionado el valor de R que el Proyectista considere adecuado, se busca el valor de ZR de la Tabla I-I. S el Proyectista carece de experiencia en el diseo, evidentemente, ya que mientras mayor sea el valor de R mayor ser la confianza en el diseo, tratar de seleccionar los valores en el rango alto de la Tabla I. El valor que representa a la Confiabilidad y que es llevado a la ecuacin de diseo ASSHTO-93 es, finalmente, el valor ZR.

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Mtodo AASHTO-93

TABLA I-I Valores de ZR en la curva normal para diversos grados de ConfiabilidadConfiabilidad (R) 50 60 70 75 80 85 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 99,9 99,99 Valor de ZR - 0,000 - 0,253 - 0,524 - 0,674 - 0,841 - 1,037 - 1,282 - 1,340 - 1,405 - 1,476 - 1,555 - 1,645 - 1,751 - 1,881 - 2,054 - 2,327 - 3,090 - 3,750

Desviacin estndar del sistema (so) El valor de la desviacin estndar (So) que se seleccione debe, por otra parte, ser representativo de las condiciones locales. La "Tabla II" se recomiendan para uso general, pero estos valores pueden ser ajustados en funcin de la experiencia para uso local. TABLA II Valores Recomendados para la Desviacin Estndar (So) _______________________________________________________ Condicin de Diseo Desviacin Estandar _______________________________________________________ Variacin de la prediccin en el comportamiento del pavimento (sin error de trfico) 0,25 Variacin total en la prediccin del comportamiento del pavimento y en la estimacin del trfico

0,35 0.50 (0.45 valor recomendado) _______________________________________________________

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Mtodo AASHTO-93

Efecto del nivel de confiabilidad El efecto combinado de la confiabilidad y de la desviacin estndar del sistema (ZR * so) es el de un factor de seguridad, ya que, siendo siempre ZR un valor numrico de signo negativo, pasa al otro lado de la ecuacin AASHTO-93, en donde est expresado el logaritmo de la carga (logWt18), como un sumado positivo; es decir incrementa la carga de diseo. Por ejemplo, si la carga de diseo es de 50 millones de repeticiones, el logaritmo de este nmero (7.699) es introducido en la ecuacin, y si el diseo del pavimento fuese para una va interurbana (rural) de mucho trnsito, como es comn en Venezuela, R sera seleccionado, de acuerdo a la Tabla I, como un valor mximo de 99.9%, para lo cual corresponde, de acuerdo a la Tabla I-I, un valor de ZR de 3.090. S, por otra parte, el valor de la desviacin estndar del sistema (Tabla II), tambin como el Mtodo lo sugiere, es seleccionado cmo 0.45, el trmino ZR*So resulta en: 3.090 * 0.45 = 1.391. S, el valor (1.391) es pasado al otro lado de la ecuacin, pasa son signo ahora positivo (+), y por lo tanto se suma al valor de logwt18; En nuestro clculo sera: 7.699 = (3.090 * 0.45) + 9.36 log(SN+1) + . , es decir: 7.699 + 1.391 = 9.36 log (SN+1) + ., que es lo mismo que: 9.090 = 9.36 log (SN+1) + . Y por lo tanto, el antilogaritmo de 9.090 es igual a: 1.230.269 ejes equivalentes, es decir que se estara diseando para unas cargas 24.6 veces mayores a las que han resultado como producto de la estimacin de cargas. En resumen, el trmino ZR*So acta en la ecuacin como un Factor de seguridad, que en este ejemplo resulta realmente muy alto (24.6), para una estructura que no colapsa, sino que se va deteriorando progresivamente, y sobre la cual hay tiempo de actuar para recuperar su estado o condicin de servicio. Anlisis como los anteriores, que para nuestra informacin fueron por primera vez sealados a la comunidad de Ingenieros de Pavimentos por el Ingeniero venezolano Augusto Jugo durante la celebracin del IX Congreso Iberolatinoamericano del Asfalto (IX CILA), celebrado en Per en el ao 1994, ha llevado a la proposicin de nuevos criterios para la _________________________________________________________________________ 10

Mtodo AASHTO-93

seleccin del valor de Confiabilidad, y los que se muestran en las dos tablas siguientes: (a) Criterio desarrollado en Chile: Tabla I-A Niveles recomendados de Confiabilidad (R) Cargas de diseo (millones de repeticiones) Pavimentos flexibles Pavimentos rgidos