diseño racional de pavimentos

DISEO RACIONAL DE

PAVIMENTOS

1. Evolucin de la metodologa del

diseo racional de pavimentos

La evolucin de la metodologa racional esta ligada

principalmente por los siguientes factores:

La evolucin de los materiales

El desarrollo de nuevos mtodos constructivos

Evolucin de los Vehculos y cargas rodantes

CBR

1930 1927

Westergard

1943

Burmister

Se introduce la

mecnica de

materiales al diseo de

pavimento

Pistas

EEUU

1949

AASTHO

1961

Alize III

Depav

1980

2.- Generalidades

La metodologa racional considera la propiedades de los materiales y la calidad de la subrasante.

Considera una carga Standard ms alta (13 ton)

La metodologa racional combina la mecnica de los pavimentos y elementos experimentales.

Probabilidad de falla Riesgo de Clculo

Perido de tiempo Vida til de Clculo

3.-Modelo probabilstico

El modelo probabilstico adoptado en la metodologa racional tiene por objetivo evaluar la probabilidad de ruptura acumulada en el tiempo y no el calculo de la vida til.

Seleccin de la probabilidad de falla

El valor de probabilidad de falla P en los aos de vida til de servicio especificada est ntimamente ligada al riesgo de aparicin de daos en el pavimento. Por tal motivo su seleccin afecta principalmente el aspecto econmico de la va. Las probabilidad de falla esta relacionada con el tipo de material escogido y la clase de trfico presente en la Va.

Estas probabilidades corresponden a un fractil de la ley normal centrada

Seleccin de la probabilidad de falla

La desviacin estndar, , relacionada con los ensayos de laboratorio y con los espesores de capa puede determinarse mediante la siguiente ecuacin:

N es la desviacin estndar de la ley de fatiga expresada en logaritmo decimal del nmero de ciclos.

H es la desviacin estndar de los espesores de material colocado in situ

c es un coeficiente dimensional que depende del material considerado y vara entre 0.015 y 0.04. A falta de mejor informacin puede tomarse en los clculos un valor de c = 0.02

4.- Factores considerados en el

diseo

trfico (Eje 13 ton, C.A.M ,Ne)

Clima (Temperatura)

La subrasante (Mdulo resiliente)

Capas de Pavimento (RSV, Mdulo Dinmico, ley de fatiga)

Calidad de la Construccin (Dispersin de la colocacin)

4.1- Estimacin trfico

Para la evaluacin del trfico se deben tener en

cuenta los ejes superiores

a 3.5 ton (35 kN)

La determinacin del

trfico se realiza a partir de

los vehculos pesados por

sentido de la va mas

pesada para va tenga dos

carriles con un ancho

inferior a 6m hay que tener

el primer ao de diseo,

Cuando la superposicin

de trayectorias

Ancho del Carril Criterio

Si es menor a 5 m

Se aplicar a todo el

pavimento el 100%

del trfico total en

ambos sentidos

Si el Ancho varia

entre 5 y 6 m

Se aplicar el 75%

del trfico total en

ambos sentidos

Clasificacin del trfico

Clase de trfico Nmero acumulado

de vehculos pesados

Nmero de

vehculos pesados

por da

T1 N< 5X105 VP/Dia< 50

T2 5X105 N < 1.5X106 50 VP/Dia< 150

T3 1.5X106 N < 4.0X106 150 VP/Dia< 300

T4 4.0X106 N < 1.0X107 300 VP/Dia< 750

T5 1.0X10 N < 2.0X107 750 VP/Dia< 2000

Clculo de la clase de trnsito

La clase de trfico correspondiente a una va en

particular se determina calculando el nmero de

vehculos pesados (VP) de carga til superior a 35 kN

(3.5 Ton) que pasan por la va durante la vida til de

servicio de acuerdo con la siguiente ecuacin:

ca FNVPN 365

VP = Vehculos pesados con una carga til superior o igual 3.5Ton x da

Na =Vida til de servicio, en aos

Fc = Factor de crecimiento del trfico

Factor de crecimiento

El factor Fc depende del crecimiento del trfico y est dado por:

Crecimiento lineal:

Crecimiento exponencial:

donde i representa el porcentaje de crecimiento anual del trfico.

Se debe tener en cuenta que las vas urbanas que se encuentren prximas a la saturacin tendrn un porcentaje de crecimiento muy bajo o nulo.

Estimacin del C.A.M y el N

equivalente El clculo del coeficiente de agresividad media se realiza mediante dos procedimientos diferentes dependiendo de las exigencias del proyecto:

1. Clculo del coeficiente de agresividad media (CAM) cuando se dispone de las cargas reales que transitan sobre la va.

CAM = coeficiente de agresividad media

VPPC = vehculos pesados con una carga til superior o igual a 35 kN (3.5Ton) para un perodo de conteo de trfico

Pi = carga de cada uno de los ejes de los vehculos pesados, VP, que transitan por la va

Pref = carga del eje de referencia 130 kN (13 Ton).

El coeficiente Kj corresponde al tipo de eje ( j=1 para eje simple, j=2 para eje tandem y j=3 para eje tridem)

Estimacin del C.A.M (MTODO 1)

Ejemplo

EJEMPLO DE CLCULO DEL

COEFICIENTE DE

AGRESIVIDAD MEDIA

(CAM). Mtodo 1 Durante 5 das de conteo un

estacin de pesaje determin

que pasaron 805 vehculos

pesados, los cuales tenan la

siguiente distribucin:

Calcular el CAM para un

pavimento Rgido?

Eje Simple Eje Simple Eje Simple

Desde Hasta

Numero de

Ejes

(N1)

Numero de

Ejes

(N2)

Numero de

Ejes

(N3)

10 30 210.00 107.00 48.00

30 40 160.00 78.00 34.00

40 50 100.00 66.00 28.00

50 60 290.00 60.00 22.00

60 70 280.00 50.00 16.00

70 80 216.00 28.00 14.00

80 90 210.00 24.00 4.00

90 100 180.00 8.00 2.00

100 110 68.00 6.00 0.00

110 120 50.00 5.00

120 130 40.00 2.00

130 140 25.00 1.00

140 150 9.00 1.00

150 160 7.00 0.00

160 170 5.00

170 180 2.00

180 190 1.00

190 200 1.00

200 210 0.00

TOTAL 1854.00 436.00 168.00


a 12 K2= 12 K3= 113

Desde Hasta

Agresividad

del centro

de clase

Numero de

Ejes (N1)AxN1

Agresividad

del centro

de clase

Numero de

Ejes (N2)AxN2

Agresividad

del centro

de clase

Numero de

Ejes (N3)AxN3

10 30 20 1.76.E-10 210 0 2.11.E-09 107 0 1.99.E-08 48 0

30 40 35 1.45.E-07 160 0 1.74.E-06 78 0 1.64.E-05 34 0

40 50 45 2.96.E-06 100 0 3.55.E-05 66 0 3.34.E-04 28 0

50 60 55 3.29.E-05 290 0 3.95.E-04 60 0 3.72.E-03 22 0

60 70 65 2.44.E-04 280 0 2.93.E-03 50 0 2.76.E-02 16 0

70 80 75 1.36.E-03 216 0 1.63.E-02 28 0 1.54.E-01 14 2

80 90 85 6.11.E-03 210 1 7.33.E-02 24 2 6.90.E-01 4 3

90 100 95 2.32.E-02 180 4 2.78.E-01 8 2 2.62.E+00 2 5

100 110 105 7.71.E-02 68 5 9.25.E-01 6 6 8.71.E+00 0 0

110 120 115 2.30.E-01 50 11 2.76.E+00 5 14 2.59.E+01 0

120 130 125 6.25.E-01 40 25 7.50.E+00 2 15 7.06.E+01 0

130 140 135 1.57.E+00 25 39 1.89.E+01 1 19 1.78.E+02 0

140 150 145 3.71.E+00 9 33 4.45.E+01 1 44 4.19.E+02 0

150 160 155 8.25.E+00 7 58 9.90.E+01 0 0 9.33.E+02 0

160 170 165 1.75.E+01 5 87 2.10.E+02 0 1.97.E+03 0

170 180 175 3.54.E+01 2 71 4.25.E+02 0 4.00.E+03 0

180 190 185 6.90.E+01 1 69 8.28.E+02 0 7.80.E+03 0

190 200 195 1.30.E+02 1 130 1.56.E+03 0 1.47.E+04 0

200 210 205 2.36.E+02 0 0 2.84.E+03 0 2.67.E+04 0

Clase de Peso (kN) Eje Simple Eje Simple Eje Simple

Mitad de

clase (kN)

Tipo de Pavimento Pavimentos semi-rgidos

C.A.M= (535+102+11)/ 805= 0.84


Se usa cuando no se dispone de las cargas reales que transitan sobre

la va pero se conoce la distribucin del trfico de acuerdo a su

clasificacin.

De acuerdo a lo anterior el CAM se calcula mediante la siguiente

ecuacin

Donde VPE es el trfico en ejes equivalentes dado para el mismo

perido determinado para VPPC y se determina mediante la ecuacin:

EJEMPLO DE CLCULO DEL COEFICIENTE DE AGRESIVIDAD

MEDIA (CAM). Mtodo 2

AO AUTOS BUSES C2P C2G C3-C4 C5 >C5

2003 6333 771 750 750 450 0 0

2004 6334 772 751 751 451 0 0

2005 6334 772 751 751 451 0 0

2006 6335 773 752 752 452 0 0

2007 6335 773 752 752 452 0 0

2008 6336 774 753 753 453 0 0

2009 6336 774 753 753 453 0 0

2010 6337 775 754 754 454 0 0

2011 6337 775 754 754 454 0 0

2012 6338 776 755 755 455 0 0

2013 6338 776 755 755 455 0 0

2014 6339 777 756 756 456 0 0

2015 6339 777 756 756 456 0 0

2016 6340 778 757 757 457 0 0

2017 6340 778 757 757 457 0 0

2018 6341 779 758 758 458 0 0

2019 6341 779 758 758 458 0 0

2020 6342 780 759 759 459 0 0

2021 6342 780 759 759 459 0 0

2022 6343 781 760 760 460 0 0

La siguiente tabla

muestra la estimacin de

trfico para una va

cualquiera estimar el

CAM para un pavimento

flexible ?

EJEMPLO DE CLCULO DEL COEFICIENTE DE AGRESIVIDAD

MEDIA (CAM). Mtodo 2

Aci

BUSES 0.674

C2P 0.644

C2G 0.674

C3-C4 1.256

C5 1.899

>C5 1.584

AO AUTOS BUSES C2P C2G C3-C4 C5 >C5

2004 6333 771 750 750 450 0 0

VPe=0.674x771+0.644x750+0.674x750+1.256x450

VPe=7160.154

CAM=2073.354/2721

CAM=0.762

Pavimento Flexible

Familias de pavimentos

Familias de pavimentos Pavimento Rgido

Admisibilidades

Admisibilidad de la subrasante Para conocer la admisibilidad de la subrasante es necesario conocer el

mdulo elstico y a ley de fatiga

bz NeAz = Deformacin admisible de la subrasante

A = Constante en funcin del trfico

Ne = Trfico equivalente

B = Pendiente de la ley de fatiga (-0.222)

Clase de trfico A

Medio y elevado 0.012

Bajo 0.016

Admisibilidades

Admisibilidad para Material bituminoso La deformacin unitaria admisible de un material asfltico debe determinarse mediante la siguiente expresin:

t = Deformacin unitaria admisible

t = Deformacin unitaria a 1000.000 de ejes

Ne = Trfico equivalente

E(10C)= mdulo dinmico a 10C

E (qeq) = Mdulo dinmico a la temperatura ambiente

Kc = Coeficiente de calibracin laboratorio Vs carrusel de fatiga de pavimentos.

Kr = Coeficiente de ajuste del esfuerzo admisible a la probabilidad de falla

Ks = coeficiente de reduccin para tener en cuenta la heterogeneidad del suelo de subrasante.

src

eq

b

adt kkkE

CENEHzC

)(

)10(

10)25;10(

66, q

Valores usados para los coeficientes Ks Coeficiente de reduccin de la subrasante

Kr Coeficiente de ajuste del esfuerzo admisible a la probabilidad de falla

Kc es el coeficiente de calibracin entre las medidas de laboratorio y los resultados

en el sitio y para los materiales asflticos

Pavimentos Flexibles Criterios de Diseo para Pavimentos de Bajo Trfico.

Este caso corresponde a los pavimentos cuyo trfico es

del orden de 250.000 vehculos pesados. Estos

pavimentos estn constituidos por una capa de rodadura

delgada colocada sobre una capa de material no tratado.

TSD Ne 150.000

Carpeta asfltica 150.000< Ne 250.000

EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRFICO

Disear el pavimento de una va local la cual tiene el siguiente TPD 113, la

distribucin del trfico promedio diario es la siguiente:

60% livianos

40% pesados (Buses 26% C-2P 65%, C-3 9%)

Adicional a los conteos se realizaron ensayos de mdulo resiliente ala subrasante

arrojando un mdulo promedio de 20 MPa

Estimar el trfico de diseo, y la estructura necesaria para un perido de 10 aos y

un crecimiento de 4%?

1.Estimar el CAM y el trfico Equivalente

Aci

BUSES 0.674

C2P 0.644

C3 1.256

= 12x0.674+30x0.644+4x1.256=32.432

32.432

45 = 0.72


1.Estimar el CAM y el trfico Equivalente (continuacin)

Por ser un trfico catalogado como T0 es posible construir un TSD

2.- Calculo de la Admisibilidad de la subrasante

124.14272.020.11045365 Ne

CAMFNVPNe ca 365

(1+0.04)10-1

(10 x 0.04)

= 1.20

6222.0

,

222.0

,

101148)124.142(016.0

)(

adz

adz NEA

Para la estructura de pavimento se usaran los siguientes

materiales granulares:

Para la capa de base se utilizar una grava no tratada de Categora 1 cuyas

caractersticas son:

E = 600 MPa n = 0.35


Para la capa de sub base se utiliza un material granular no tratado (sin

cementante) de tipo 2

Uso del Programa DEPAV


Deformacin en la Superficie del Suelo de Subrasante

Espesor de la Sub-base cm. 54 56

z 1190E-6 1110E-6

EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFLTICAS

GRUESAS

Se desea disear una va que tiene 210 Vehculos pesados por da con una

tasa de crecimiento, geomtrica de 7% anual, Vida til de servicio 20 aos

Coeficiente de Agresividad Media CAM = 1

(1+0.07)20-1

(20 x 0.07)

= 2.049

117.14131049.220210365 Ne

CAMFNVPNe ca 365

Probabilidad de falla asociada al riesgo

Pf = 12% u= - 1.175

Mdulo subrasante

Esr=120 MPa


GRUESAS (continuacin)

Propiedades de los materiales que se usarn

src

eq

b

adt kkkE

CENEHzC

)(

)10(

10)25;10(

66, q

Calculo de la admisibilidad de la rodadura

Kc = 1.1

Ks = 1 (ver tablas)

269.02.0

102.025.0

2

2

2

2

b

c hn

Kr=10-(-1.175 x -0.2 x 0.269)=0.864



6

,

6

,

2.0

6

66

,

66,

10175

1864.01.1549.1795.010150

1864.01.13000

7200

10

1014.310150

)(

)10(

10)25;10(

adt

adt

adt

src

eq

b

adt kkkE

CENEHzC

q

Calculo de la admisibilidad de la Base asfltica

Kc = 1.3

Ks = 1 (ver tablas)

391.02.0

5.202.030.0

2

2

2

2

b

c hn

Kr=10-(-1.175 x -0.2 x 0.391)=0.810

(ver tablas)



6

,

6

,

2.0

6

66

,

66,

10141

1810.03.187.1795.01090

1810.03.13500

12200

10

1014.31090

)(

)10(

10)25;10(

adt

adt

adt

src

eq

b

adt kkkE

CENEHzC

q

Calculo de la admisibilidad de la sub rasante

6222.06

,

222.0

,

10433)1014.3(016.0

)(

adz

adz NEA



Modelacin en depav

a) Caso de las Estructuras con Dos Capas Granulares

Este tipo de estructura es afectada por la fisuracin debida a la retraccin de fraguado. Las capas de base y sub-base tratadas deben considerarse para efectos

de clculo como una capa contina.

b) Caso de Estructuras que Tienen una Sola Capa en Material Tratado

con Ligantes Hidrulicos

Pavimentos con capas tratadas con ligantes hidrulicos

Material Asfltico 4 h 14 cm

Capa tratado con ligante hidrulico 20 h 50 cm

Subrasante



Subrasante

c) Condiciones de Liga

Para las condiciones de liga entre las capas se debe tener en cuenta lo siguiente: La interfase entre la capa de rodadura y la capa de base debe

ser ligada (continuidad de desplazamientos en las interfaces)

En la interfase entre la capa de base y la capa de sub-base, la condicin a mantener depende de la naturaleza del ligante.

Con una grava - cenizas volantes - cal, las capas se deben considerar sistemticamente como no ligada

Con una grava escoria granulada las capas sern asumidas como ligadas (continuidad de desplazamientos y de esfuerzos).

Pavimentos con capas tratadas con

ligantes hidrulicos

d) Criterios de Diseo

Los parmetros a verificar en pavimentos construidos con

capas tratadas con ligantes hidrulicos son los siguientes:

La rotura por fatiga en la base de las capas tratadas t La deformacin de la sub-rasante z



Subrasante



Subrasante

z

t

Pavimentos con capas tratadas con

ligantes hidrulicos

MODELOS NUMERICOS

Y

x

z

tyx

tyz

txy

txz txz

TEORIA BOUSSINESQ

2/322

3

1

zb

zqz

03/06/2004

TEORIA BOUSSINESQ

ENSAYO DE LABORATORIO

LEY DE FATIGA LEYES DE FATIGA DESPERDICIO

TEMPERATURA 10C Y FRECUENCIA 10 Hz

10.E-06

100.E-06

1000.E-06

100,000 1,000,000 10,000,000

NUMERO DE CICLOS

DE

FO

RM

AC

ION

0.5% DESPERDICIO 0.4% DESPERDICIO 0.3% DESPERDICIO

0.2% DESPERDICIO 0.1% DESPERDICIO 0.0% DESPERDICIO

LEYES DE FATIGA

Nmero de ciclos

10-6

T desciende

N1

N2

N1

N2

<

CARRUSEL DE FATIGA

03/06/2004

diseño racional de pavimentos

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