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02/05/2015
TIPOLOGÍA DE PAVIMENTOS
(PAVIMENTOS FLEXIBLES)
CLASE No. 2
METODOLOGÍAS DE DISEÑO
ESCUELA DE ESTUDIOS DE POSTGRADO
MAESTRÍA EN INGENIERÍA VIAL
TIPOLOGÍA DE PAVIMENTOS
ING. Msc. CARLOS A. MORALES ROSALES
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METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
EMPÍRICAS:
Son teorías basadas en métodos de regresión de resultados en
tramos de prueba, el más conocido y utilizado en Guatemala
es el de AASHTO,
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METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
EMPÍRICAS:
Este método toma como base las ecuaciones originales de
AASHO, en base a investigaciones de 1956 a 1962, las
cuales son producto de las pruebas en Ottawa Illinois.
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EMPÍRICAS:
La construcción de las
pistas de prueba se llevó
a cabo entre 1956 a
1958, bajo un estricto
control de calidad.
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AASHTO:
Las variables para este estudio fueron:
Espesor del pavimento
Magnitud de carga
Efectos climatológicos
Las condiciones climáticas en donde se realizó el Road test de
AASHO son las siguientes:
Lluvia anual: 762 mm.
Diferencia entre precipitación y evaporación: 102 mm.
Índice de Thornthwaite: 30
Profundidad de penetración del hielo: 762 mm.
Ciclos de congelación y deshielo: 12 x año a nivel de sb.
Temperatura media en verano: 24°C.
Temperatura media de invierno: -3°C. 7
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EMPÍRICAS:
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EMPÍRICAS:
Las características de la sub rasante en donde se realizó el
Road test de AASHO son las siguientes:
Suelos tipo A-6.
C.B.R. = 2% a 4%.
Módulo de reacción k = 45 pci = 1.2 Kg/cm3.
Profundidad de roca (bed rock) = 3.0 A 9.1 m. de la
superficie, variando entre areniscas y calizas esquistosas.
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METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
EMPÍRICAS: La mayor limitación de la
metodología AASHTO,
es que es representativo
para los tipos de suelos
que se analizaron, las
cargas vehiculares que
se utilizaron y las
condiciones
climatológicas del lugar
donde se llevó a cabo.
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EMPÍRICAS - MECANICISTAS:
Estos métodos consideran leyes de fatiga de los
materiales para los cálculos de vida útil.
Método Shell
Método del Instituto de Asfalto
Este último se basa en la aplicación de la teoría elástica
en multicapas, utilizando resultados de investigaciones
recientes por parte de esa institución.
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MECANICISTAS:
Federal Highway
Research Program
(FHWA)
Deterioro
prematuro
carreteras
EEUU
Departamento de
Transporte de
EEUU Strategic Highway
Research Program
SHRP
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MECANICISTAS:
Su enfoque se basa en la ciencia, apoyado con un marco
teórico suficiente que permita el análisis completo, de la
mecánica del comportamiento de los materiales del
pavimento ante la acción del clima y tránsito.
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MECANICISTAS (SHRP):
Asfaltos
Aumentar el conocimiento de las propiedades físicas, químicas,
reológicas y mecánicas de cementos y concretos asfálticos.
Primera etapa: Análisis del asfalto virgen Transporte
Almacenamiento
Manejo
Segunda etapa: Análisis mezcla asfáltica Producción
Construcción
Prueba de
película delgada
Tercera etapa: Vida útil del pavimento Comportamiento Ensayos de
envejecimiento
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MECANICISTAS (SHRP):
Asfaltos:
PROPIEDAD EQUIPO PROPÓSITO
Deformación Permanente
y Fracturamiento por
fatiga
Horno para prueba de la película delgada; recipiente hermético de envejecimiento. Reómetro de corte dinámico.
Simula el envejecimiento del asfalto. Mide las propiedades a temperaturas intermedias y altas.
Flujo Viscosímetro Rotacional. Mide propiedades a altas temperaturas
Fracturamiento por bajas temperaturas
Reómetro para flexión en vigas. Equipo de tensión directa.
Miden las propiedades del asfalto a bajas temperaturas.
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MECANICISTAS (SHRP):
Concreto Hidráulico
El comportamiento del concreto hidráulico depende de:
Diseño de la estructura
Composición y calidad de los materiales
Sistema de descarga, colocación, consolidación y
curado
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MECANICISTAS (SHRP):
Mantenimiento de pavimentos
Técnicas de mantenimiento preventivo
Técnicas para evaluación de la condición superficial y
estructural del pavimento.
Dispositivos de seguridad para el control del tránsito
durante las actividades de mantenimiento.
Señalización de protección para los trabajadores.
Control y manejo de nieve y hielo.
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MECANICISTAS (SHRP):
Comportamiento del pavimento a largo plazo
Secciones estructurales diferentes.
Materiales de construcción.
Cargas de tránsito variables.
Influencias del medio ambiente.
Sub rasante del pavimento.
Practicas de conservación y mantenimiento.
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MECANICISTAS (SHRP):
Después de 5 años los pavimentos diseñados con SHRP.
Se han comportado de acuerdo a lo esperado.
Los niveles de deformación permanente y de
fracturamiento por fatiga han sido satisfactorios.
Retroalimentación de bases de datos
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
1. Asumir una configuración inicial del pavimento incluyendo:
El número de capas.
El espesor de cada capa.
Materiales a utilizar en cada capa.
2. Caracterización de los materiales: Módulo de Resilencia
(AASHTO T 274), para su determinación requiere de
equipos triaxiales cíclicos.
3. Modelos climáticos: Si la temperatura y los contenidos de
humedad varían considerablemente durante el año, es
necesario considerar los módulos de resilencia para tales
casos para cada una de las capas de la estructura de
pavimento.
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
3. Modelos climáticos:
Temperaturas diarias max y min del aire.
Velocidad del viento.
Porcentaje de insolación.
Conductividad térmica de los materiales.
Calos Específico.
Punto de Fusión.
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
3. Modelos climáticos:
Grado de saturación de los materiales en
época seca y lluviosa.
Infiltración de agua en el pavimento a través
de grietas y juntas.
Drenaje de la capa de base.
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
4. Tránsito:
Dividirse en grupos.
Distintas configuraciones de pesos y
número de repeticiones.
Separación entre ejes
Tipos de ejes
Radio y presión de contacto.
5. Modelos Estructurales:
La futura guía AASHTO (2002 …. 2012) usará modelos
estructurales de elementos finitos basados en sistemas
multicapas.
ELSYM5 (FHWA).
KENLAYER (UNIVERSIDAD KENTUCKY)
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
Indicadores del
comportamiento de
pavimentos flexibles:
Deflexión superficial.
Deformación a la tensión
(CA).
Esfuerzos y deformaciones
a compresión (SR). 25
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
6. Respuesta del pavimento:
Esfuerzos ().
Deformaciones ().
Deflexiones ().
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
Agrietamiento por fatiga
Deformaciones Permanentes
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
6. Respuesta del pavimento:
en puntos críticos
Esfuerzos ().
Deformaciones ().
Deflexiones ().
≤
6. Respuesta de los
materiales en laboratorio
y campo:
Esfuerzos ().
Deformaciones ().
Deflexiones ().
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
7. Análisis de confiabilidad:
Verificar que el diseño propuesto cumpla con las funciones
especificadas, durante el periodo de diseño.
Métodos Determinísticos
Métodos Probabilísticos
8. Modelos de Deterioro:
Agrietamiento por fatiga
Deformaciones permanentes
Si al momento de realizar la evaluación de la estructura
de pavimento estimada, el valor de confiabilidad para un
cierto deterioro es menor al nivel mínimo requerido, se
regresará al primer paso estimando una nueva estructura
de pavimento comenzando de nuevo el proceso. 29
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
8. Modelos de Deterioro:
Representan el mayor problema para las teorías
mecanicistas, requieren de un profunda y extensa
calibración
Hoy en día se cuenta con una extensa variedad de
modelos de deformación permanente en sub rasantes y
fracturamiento por fatiga de mezclas asfálticas, situación
distinta para deformaciones permanentes en materiales
granulares y mezclas asfálticas.
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
Fracturamiento por fatiga:
El reporte I-26 de la de la NCHRP (National Cooperative
Highway Research Program) de EEUU, recomienda el
modelo de fracturamiento térmico de Shanin – McCullough
para evaluar el potencial de fracturamiento.
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
Fracturamiento por fatiga:
MINER (1945) propuso el concepto de daño acumulado
utilizado para medir predecir el fracturamiento por fatiga.
Relacionar el número permisible de repeticiones de carga,
con el valor de la deformación por tensión en la parte inferior
de la mezcla asfáltica.
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
Fracturamiento por fatiga:
𝑵𝒇 = 𝟎. 𝟎𝟔𝟖𝟓𝒕−𝟓.𝟔𝟕𝟏 𝑬𝟏−𝟐.𝟑𝟔𝟑 Método Shell:
Instituto del Asfalto:
𝑵𝒇 = 𝒇𝟏𝒕−𝒇𝟐 𝑬𝟏−𝒇𝟑
𝑵𝒇 = 𝟎. 𝟎𝟕𝟗𝟔𝒕−𝟑.𝟐𝟗𝟏 𝑬𝟏−𝟎.𝟖𝟓𝟒
f1,f2 y f3 = constantes de ensayos de fatiga
t = deformación de tensión cara inferior MA.
E1 = Módulo de Elasticidad de MA.
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
Fracturamiento por fatiga:
El exponente f2 se determina usualmente por ensayos de
fatiga sobre especímenes de laboratorio, f1 es un factor de
ajuste para hacerlo equivalente con los valores en campo.
Existen un gran número de funciones de transferencia,
debido a la variabilidad de materiales, métodos de prueba,
condiciones de campo y modelos estructurales.
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
Deformación permanente
Deformación vertical de compresión en la fibra superior
de la capa sub rasante.
Deformación permanente acumulada total en la
superficie, tomando en cuenta todas las capas de la
estructura de pavimento.
Donde f4 y f5 con constantes que se determinan a partir de
ensayos de laboratorio, de tramos de prueba o del
comportamiento observado en campo. 36
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
Deformación permanente
Tanto Shell como el Instituto de asfalto relacionan el número
de repeticiones de carga Nd, con la deformación vertical de
compresión c en la fibra superior de la sub rasante.
𝑵𝒅 = 𝒇𝟒𝒄−𝒇𝟓
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
Deformación permanente
INSTITUCIÓN f4 f5 PROFUNDIDAD DE RODERA MÁXIMA
(mm).
Compañía SHELL 50% confiabilidad 85% confiabilidad 95% confiabilidad
6.15x10-7 1.94x10-7
1.05x10-7
4.00 4.00 4.00
Instituto de asfalto 1.365x10-9 4.477 12.7
TRRL, UK 85% confiabilidad
6.18x10-8
3.97
10.16
BRRC, Belgica 3.05x10-9 4.35
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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:
9. Diseño final:
Se obtiene cuando la estructura de pavimento estimada
(tipo de materiales y espesor), satisfacen los requisitos de
confiabilidad para cada tipo de deterioro.
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Tarea 1
1. Investigar parámetros de diseño metodología AASHTO.
2. Que ensayos se suelen realizar para determinar las constantes
f1,f2 y f3 en el fracturamiento por fatiga en las metodologías
mecanicistas.
Formato digital (no copy – paste) máximo 10 hojas, buena
presentación.
Fecha límite de entrega: 08 de mayo por correo electrónico.
Bibliografía
1. American Association of state Highway and transportation Officials
AASHTO. (1993): Guide for design of pavement structures .
2. Crespo Villalaz, C. (2005): Vías de Comunicación (3ª. Edición), 717
págs., Limusa (ISBN 968-18-4849-7).
3. Department of the army corps of engineers, Office of the chief og
engineers (1984): Engineering and design flexible pavement for
roads, streets, walks and open storage areas.
4. Garnica A, P. et al. (2002): Mecánica de materiales para pavimentos
Publicación Técnica 197, Secretaria de Comunicación y Transporte,
Instituto Mexicano del Transporte SCT, 211 págs., (ISSN 0188-
7297). 40
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Bibliografía
5. Garnica A, P. et al. (2004): Conceptos Mecanicistas de Pavimentos
Publicación Técnica 258, Secretaria de Comunicación y Transporte,
Instituto Mexicano del Transporte SCT, 49 págs., (ISSN 0188-7297).
6. Kraemer C. et al. (2004): Ingeniería de Carreteras vol II, 537 págs.,
Mc Graw Hill (ISBN 84-481-3998-4).
7. Orozco J. M. et al. (2004): Sistema de Evaluación de Pavimentos
Publicación Técnica 245, Secretaria de Comunicación y Transporte,
Instituto Mexicano del Transporte SCT, 63 págs., (ISSN 0188-7297).
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Bibliografía
8. Posso H. et al. (2008): Guía metodológica para el diseño de obras de
rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras (2ª. Edición),
485 págs., Ministerio de Transporte, Instituto Nacional de vías de
Colombia.
9. Yang H. Huang. (2004): Pavement Analysis and Design (2ª. Edición),
Prentice Hall, 767 págs., (ISBN 0-13-142473-4).
10. Tecnológico de Monterrey, Asoasfaltos, Diplomado en Pavimentos
Asfálticos, Módulo 8 y 9 impartido por el Dr. Carlos H. Fonseca
Rodríguez en la Universidad Rafael Landívar, Guatemala.
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