Diseño de Pavimento Flexible
-
Upload
adbel-sierra -
Category
Documents
-
view
29 -
download
8
description
Transcript of Diseño de Pavimento Flexible
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
Contenido RESUMEN ........................................................................................................................................................................................................................................ 2
INTRODUCCIN ............................................................................................................................................................................................................................ 3
1. OBJETIVOS .......................................................................................................................................................................................................................... 4
1.1. OBJETIVOS GENERALES ......................................................................................................................................................................................... 4
1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS ....................................................................................................................................................................................... 4
2. METODOLOGAS DE DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES: ............................................................................................................................................. 4
2.1. MTODOS DE DISEO EMPRICOS: ....................................................................................................................................................................... 4
2.2. MTODOS DE DISEO ANALTICOS, MECANICISTAS O RACIONALES: ............................................................................................................. 5
3. PAVIMENTOS DE CONCRETO ASFLTICO MTODO AASHTO-93: ................................................................................................................................. 8
3.1. CALCULO DE EJES EQUIVALENTES PARA PERIODO DE DISEO (ESALS): .......................................................................................................... 8
3.1.1. ESTUDIO DE TRFICO: ................................................................................................................................................................................. 8
3.1.2. CALCULO DEL IMDA EN EJES MIXTOS PARA CADA CLASE DE VEHICULO POR AO: ....................................................................... 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 CAMIN:............................................................................................................................................................................... 16
3.1.8. ESALS PARA PERIODOS DE DISEO: ........................................................................................................................................................ 16
3.2. PERIODO DE DISEO ............................................................................................................................................................................................ 17
3.3. CONFIABILIDAD DE DISEO: ............................................................................................................................................................................... 17
3.3.1. CONFIABILIDAD DE CADA ETAPA: .......................................................................................................................................................... 19
3.4. MDULO DE RESILIENCIA .................................................................................................................................................................................... 19
3.4.1. FACTORES QUE AFECTAN EL MDULO RESILIENTE EN PAVIMENTOS ASFALTICOS ............................................................................. 19
3.4.2. VARIACION DEL MODULO DURANTE UN AO: ...................................................................................................................................... 21
3.4.3. RELACIN C.B.R. MDULO DE RESILIENCIA ........................................................................................................................................ 22
3.5. NDICE DE SERVICIABILIDAD ............................................................................................................................................................................... 22
3.5.1. PRDIDA O DISMINUCIN DEL NDICE DE SERVICIABILIDAD ............................................................................................................... 23
3.6. COEFICIENTES DE DRENAJE: ................................................................................................................................................................................ 24
3.7. EL NUMERO ESTRUCTURAL (SN): .......................................................................................................................................................................... 25
CONCLUSIONES .......................................................................................................................................................................................................................... 29
RECOMENDACIONES .................................................................................................................................................................................................................. 30
BIBLIOGRAFA .............................................................................................................................................................................................................................. 31
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
RESUMEN
El mtodo de diseo AASHTO, originalmente conocido como AASHO, fue desarrollado
en los Estados Unidos en la dcada de los 60, basndose en un ensayo a escala real
realizado durante 2 aos en el estado de Illinois, con el fin de desarrollar tablas, grficos
y frmulas que representen las relaciones deterioro-solicitacin de las distintas secciones
ensayadas.
A partir de la versin del ao 1986, y su correspondiente versin mejorada de 1993, el
mtodo AASHTO comenz a introducir conceptos mecanicistas para adecuar algunos
parmetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar del ensayo original.
Se ha elegido el mtodo AASHTO, porque a diferencia de otros mtodos, ste mtodo
introduce el concepto de serviciabilidad en el diseo de pavimentos como una medida
de su capacidad para brindar una superficie lisa y suave al usuario.
En este captulo se desarrollar en forma concisa los conceptos bsicos sobre
pavimentos flexibles, para tener una idea general sobre el diseo de pavimentos.
Asimismo, se describir brevemente cada uno de los factores o parmetros necesarios
para el diseo de pavimentos flexibles segn el mtodo AASHTO 93.
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
INTRODUCCIN
Un pavimento debe ser diseado de tal manera que las cargas impuestas por el trnsito
no generen deformaciones permanentes excesivas. En el caso de los pavimentos
flexibles estas deformaciones se producen en cada una de las capas. Los mtodos de
diseo de pavimentos descritos suponen que las deformaciones permanentes ocurren
solamente en la subrasante. Sin embargo, en vas donde se construyen capas asflticas
delgadas o de baja rigidez (p.e. vas de bajo trfico) las capas granulares soportan el
esfuerzo aplicado casi en su totalidad y la magnitud de dichos esfuerzos puede llegar a
generar valores altos de deformacin permanente. Por lo tanto, las metodologas de
diseo 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
cclica y condiciones del medio ambiente.
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
1. OBJETIVOS
1.1. OBJETIVOS GENERALES
Conocer la metodologa empleada para el diseo de pavimentos flexibles
segn AASTHO 93
1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Cules son los parmetros que toma en cuenta el Diseo de Pavimentos
Flexibles segn la AASTHO 93
Cules son los espesores mnimos que presenta el Diseo de Pavimentos
Flexibles la AASTHO 93
2. METODOLOGAS DE DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES:
2.1. MTODOS DE DISEO EMPRICOS:
Las metodologas de diseo de pavimentos flexibles son generalmente de
carcter emprico o mecnico empricas. En el caso de los mtodos empricos se
correlaciona el comportamiento de los pavimentos in situ, a travs de
observaciones y mediciones de campo, con los factores que causan los
mecanismos de degradacin en estas estructuras. Los factores ms importantes
son las cargas impuestas por el trnsito, las condiciones ambientales
(principalmente temperatura y precipitacin) a las cuales se encuentra sometida
la estructura, el tipo de suelo o terreno de fundacin (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 degradacin y crear as el mtodo de
diseo.
Dos son los mecanismos principales de degradacin que se intentan controlar en
las metodologas empricas (y tambin en las mecanicistas): fatiga y exceso de
deformacin permanente. La fatiga ocurre en las capas ligadas, y para el caso
de estructuras flexibles, se presenta cuando se generan valores altos de
deformacin a traccin en la zona inferior de la capa asfltica. Este tipo de
deformacin es asociado a la respuesta resiliente que presenta la estructura
cuando se mueven las cargas vehiculares. La deformacin permanente es la
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
deformacin vertical residual que se va acumulando debido al paso de los
vehculos la cual puede generar fallas estructurales o funcionales en el pavimento.
En el caso de las estructuras flexibles, la deformacin permanente total es la suma
de la deformacin producida en cada una de las capas del pavimento, pero
actualmente los mtodos empricos suponen que tal deformacin se genera solo
en la capa subrasante y esto crea una de sus principales limitaciones. La anterior
suposicin se basa en que la subrasante es la capa ms susceptible a la
deformacin debido a su ms baja rigidez (en comparacin con las otras capas
del pavimento) y a una mayor probabilidad de presentar altos contenidos de
agua (lo cual disminuira su capacidad portante). Es decir, las metodologas
empricas no tienen en cuenta que:
En las capas de rodadura y base asfltica (compuestas por mezclas asflticas
de comportamiento viscoso) un incremento de temperatura genera
disminucin de la rigidez y por lo tanto un incremento en la deformacin del
pavimento.
Las capas granulares juegan un papel importante en la generacin de la
deformacin permanente cuando se dimensionan estructuras flexibles para
vas de bajo trfico. En este tipo de pavimentos las capas asflticas no tienen
una funcin estructural (por lo general se construyen capas asflticas 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 metodologas de
diseo de pavimento en Colombia para bajos volmenes de trnsito deberan
tener en cuenta el anterior criterio (a la fecha no lo tiene en cuenta como se
expondr ms adelante).
2.2. MTODOS DE DISEO ANALTICOS, MECANICISTAS O RACIONALES:
A diferencia de los mtodos empricos, los analticos tienen en cuenta como el
estado de esfuerzo y deformacin que experimentan las capas que conforman la
estructura del pavimento influyen en el comportamiento del mismo. Para el clculo
de esfuerzos y deformaciones, emplean programas de computador disponibles
desde dcadas anteriores. En estos programas se introducen la carga, la presin
de contacto, las propiedades mecnicas de los materiales (por lo general el
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
mdulo elstico y la relacin de Poisson) y el espesor de las capas del pavimento
con el fin de obtener los estados de esfuerzo y deformacin. Una vez calculados
estos estados, se comparan con aquellos que admite el pavimento para la vida til
proyectada, y en un procedimiento de ensayo y error (aumentando o
disminuyendo por lo general los espesores de capas) se dimensionan las capas
que conformarn la estructura de pavimento.
Algunos de los programas son: ALIZE (LCPC, Laboratoire Central des Ponts et
Chaus- ses), ELSYM5 (Chevron Oil), BISAR (SHELL), KENLAYER (University of
Kentucky) y DE- PAV (Universidad del Cauca). Los valores admisibles de
deformacin a traccin y vertical en la base de la capa asfltica y en la superficie
de la subrasante respectivamente, se obtienen por medio de diversas ecuaciones
desarrolladas en instituciones de investigacin como TRL (Transportation Research
Laboratory), AASHTO (American Asociation of State Highway and Transportation
Officials) y TAI (The Asphalt Institute).
A pesar de ser una metodologa diferente a las empricas, presentan
connotaciones similares. Por ejemplo, el criterio de diseo en los mtodos analticos
es el mismo: el pavimento falla por acumulacin de deformacin a traccin en la
zona inferior de la capa asfltica debido a ciclos de carga (fatiga) y por exceso
de deformacin vertical en la superficie de la capa de subrasante (es decir, no
tienen en cuenta el efecto que puede tener la acumulacin de la deformacin en
las capas de base y sub-base granulares no tratadas).
Pero la principal desventaja de esta metodologa radica en que el clculo de los
estados de esfuerzo y deformacin se realiza por lo general suponiendo que el
pavimento flexible es un sistema multicapa elstico lineal (compuesto por tres
capas: la subrasante, la capa granular no tratada y la capa asfltica, Figura 1).
Este comportamiento elstico se supone de manera simplista justificando que bajo
algn ciclo individual de carga la deformacin permanente es muy baja
comparada con la deformacin resiliente. Los parmetros elsticos pueden ser
calculados por medio de ensayos de laboratorio o por medio de retroclculos de
ensayos in situ (empleando por ejemplo Falling Weight Deflectometers FWD). Por
un lado las ecuaciones elsticas lineales no tienen en cuenta que el
comportamiento de las mezclas asflticas es viscoso (dependiente de la velocidad
de aplicacin de carga y de la temperatura) y en el caso de los materiales
granulares no tratados de base y sub-base su comportamiento es inelstico
(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. Adems, dependiendo del tipo de material
de subrasante, el comportamiento del suelo puede ser dependiente de la
velocidad de carga (viscoso) como en el caso de muchas arcillas.
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
Figura 1. Sistema multicapa elstico para el anlisis de pavimentos.
Otras desventajas de las metodologas analticas son:
Suponen que los materiales que componen cada una de las capas del
pavimento son isotrpicos y homogneos.
Los programas analticos no tienen en cuenta las diferentes geometras que
pueden presentar las estructuras de pavimento (p. e., suponen extensin
infinita de las capas en sentido horizontal) y la carga es esttica.
En la mayora de los casos los programas de computador no tienen en
cuenta el efecto del medio ambiente sobre las propiedades mecnicas de
los materiales utilizados.
Cuando se emplean ecuaciones elsticas se generan valores no reales de
esfuerzos de tensin en las capas granulares (estticamente no posibles)
(Figura 2). Lo anterior especialmente en pavimentos con capas asflticas
delgadas.
Figura 2. Campo de esfuerzos (p,q) en la capa de base de un pavimento flexible
con espesor de capa asfltica de 6 cm [8].
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
3. PAVIMENTOS DE CONCRETO ASFLTICO MTODO AASHTO-93:
El diseo para el pavimento flexible segn la AASHTO est basado en la
determinacin del Nmero Estructural SN que debe soportar el nivel de carga
exigido por el proyecto. A continuacin se describe las variables que se
consideran en el mtodo AASHTO:
3.1. CALCULO DE EJES EQUIVALENTES PARA PERIODO DE DISEO (ESALS):
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.
3.1.1. ESTUDIO DE TRFICO:
Para conocer los datos del IMD se tomaron los resultados obtenidos en el conteo
de trfico realizado en el curso de caminos I.
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
Los resultados obtenidos fueron:
3.1.2. CALCULO DEL IMDA EN EJES MIXTOS PARA CADA CLASE DE VEHICULO
POR AO:
El AASHTO 93 clasifica a los vehculos de la siguiente manera:
CALSIFICACION
DE VEHICULOS
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 diseo
y la tasa de crecimiento vehicular, obteniendo los resultados siguientes:
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
TPDA (IMDA) EN EJES MIXTOS PARA CADA CLASE DE VEHICULO POR AO
AO IMD
MIXTO
CLASES DE VEHICULOS
1 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 6.00 252
2016 4492 80.85 3632 3.26 147 5.98 269 3.88 174 0.02 1.07 6.00 270
2017 4806 80.85 3886 3.26 157 5.98 287 3.88 187 0.02 1.14 6.00 289
2018 5143 80.85 4158 3.26 168 5.98 307 3.88 200 0.02 1.22 6.00 309
2019 5503 80.85 4449 3.26 180 5.98 329 3.88 214 0.02 1.31 6.00 330
2020 5888 80.85 4760 3.26 192 5.98 352 3.88 229 0.02 1.40 6.00 353
2021 6300 80.85 5093 3.26 206 5.98 377 3.88 245 0.02 1.50 6.00 378
2022 6741 80.85 5450 3.26 220 5.98 403 3.88 262 0.02 1.60 6.00 405
2023 7213 80.85 5832 3.26 235 5.98 431 3.88 280 0.02 1.71 6.00 433
2024 7718 80.85 6240 3.26 252 5.98 461 3.88 300 0.02 1.83 6.00 463
2025 8258 80.85 6677 3.26 269 5.98 494 3.88 321 0.02 1.96 6.00 496
2026 8836 80.85 7144 3.26 288 5.98 528 3.88 343 0.02 2.10 6.00 530
2027 9455 80.85 7644 3.26 309 5.98 565 3.88 367 0.02 2.25 6.00 568
2028 10117 80.85 8179 3.26 330 5.98 605 3.88 393 0.02 2.40 6.00 607
2029 10825 80.85 8752 3.26 353 5.98 647 3.88 420 0.02 2.57 6.00 650
2030 11582 80.85 9364 3.26 378 5.98 693 3.88 450 0.02 2.75 6.00 695
2031 12393 80.85 10020 3.26 404 5.98 741 3.88 481 0.02 2.95 6.00 744
2032 13261 80.85 10721 3.26 433 5.98 793 3.88 515 0.02 3.15 6.00 796
2033 14189 80.85 11471 3.26 463 5.98 848 3.88 551 0.02 3.37 6.00 852
2034 15182 80.85 12274 3.26 495 5.98 908 3.88 589 0.02 3.61 6.00 911
2035 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
PROMEDIO 9417 7614 307 563 366 2 565
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
3.1.3. TABLA DE DIMENSIONES Y CARGA:
Para calcular la carga en cada eje tomamos en cuentas la tabla de
dimensiones y carga.
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
TIPO DE EJE CARGA (TON) L2x
SIMPLE 1 1
SIMPLE 2 1
SIMPLE 4 1
SIMPLE 7 1
SIMPLE 11 1
TANDEM 18 2
TRIDEM 25 3
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
3.1.4. CALCULO DEL FACTOR EQUIVALENTE DE CARGAS (LEF) PARA CADA
TIPO DE EJE EN PAVIMENTO FLEXIBLE:
La conversin del trfico a un nmero de ESALs 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 dao producido y la
relacin existente entre estas configuraciones y cargas a travs del dao
que producen. El factor equivalente de carga LEF es un valor numrico que
expresa la relacin entre la prdida de serviciabilidad ocasionada por una
determinada carga de un tipo de eje y la producida por el eje patrn de 18
kips.
Por ejemplo, para producir en un pavimento flexible con un SN = 4, una
disminucin de serviciabilidad de 4,2 a 2,5 se requieren la repeticin de
100000 ejes simples de 18kips, o la repeticin 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 diseo es iterativo: debe asumirse un valor
de SN, sin conocerse los espesores finales, para poder estimar las cargas de
diseo, ya que los factores de equivalencia de cargas son, tal como se ha
comentado, funcin, entre otras variables, de SN. Una vez estimadas las
cargas, a partir de este SN asumido, y concluido el diseo 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
estimacin de las cargas de diseo partiendo de los factores de
equivalencia de este SN obtenido, repitindose el proceso hasta que la
diferencia entre ambos SN sea menor a 0.5.
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
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:
3.1.6. CALCULO DE ESALS PARA CADA TIPO DE VEHICULO EN PAVIMENTO
FLEXIBLE:
LEF DE CADA TIPO DE EJE:
PAV FLEXIBLE/ EJE
1 0.000540769
2 0.005854665
4 0.065329851
7 0.524231182
11 3.622967052
18 2.066090817
25 1.79143543
Lx: Peso del eje en kips L18: 18 kips/ eje
L2s = 1
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
3.1.7. FACTOR DE CAMIN:
Para expresar el dao que produce el trfico, en trminos del deterioro que
produce un vehculo en particular, hay que considerar la suma de los daos
producidos por cada eje de ese tipo de vehculo. De este criterio nace el
concepto de Factor de Camin, que se define como el nmero de ESALs
por nmero de vehculo. Este factor puede ser calculado para cada tipo de
camiones, o para todos los vehculos como un promedio de una
determinada configuracin de trfico.
Factor de Camin = Fc = N DE ESALs/ NUMERO de camiones
Se ha demostrado que el eje delantero tiene una mnima influencia en el
dao producido en el pavimento, por ejemplo en el ahuellamiento, la
fisuracin y la prdida de serviciabilidad su participacin vara de 0,13 al 2,1
%. Por esta razn el eje delantero no est incluido en los factores de
equivalencia de carga, lo cual no afecta a la exactitud del clculo.
ESALs PARA CADA CLASE DE VEHICULO EN PAVIMENTO FLEXIBLE
CLASE DE VEHCULO DEL AFORO SNC
CONFIGURACIN DE EJES ESALs/VEHIC PAV. FLEX
FC EJE DELANTERO
EJE TRASERO 1
EJE TRASERO 2
EJE TRASERO 3
1.- Automviles, 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.) 3.6288217170
6.- Bus Grande ( 36 Asts. o ms ) 2.5903219990
7.- Camin Medino ( Hasta 6 Ton.) 0.5300858476
8.- Camin Grande ( Dos ejes.) 2.3156666119
9.- Camin Grande ( Tres ejes) 3.1145531813
10.- Camin semirremolque 4.3817574286
11.- Camin con remolque
8.0047244803
12.- Otros vehculo (No incluye motocicletas)
0.0658706205
3.1.8. ESALS PARA PERIODOS DE DISEO:
Se calcula para el carril de diseo:
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
TIPO DE PAVIMENTO FLEXIBLE
AO BASE 2015
PERIODO DE DISEO EN AOS (n) 20
% DE TRANSITO EN LA DIRECCIN DE DISEO (DD) 100
% DE TRANSITO EN EL CARRIL DE DISEO (LD) 70
ESALs PARA PERIODO DE DISEO 29,548,222.63
CLASE DE VEHICULO TPDA para n aos
DD LD FACTOR DE
CAMION FC (ESALs)
ESALS/VEHC.
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 DISEO
Se define como el tiempo elegido al iniciar el diseo, para el cual se
determinan las caractersticas del pavimento, evaluando su comportamiento
para distintas alternativas a largo plazo, con el fin de satisfacer las exigencias del
servicio durante el periodo de diseo elegido, a un costo razonable.
Generalmente el periodo de diseo ser mayor al de la vida til del pavimento,
porque incluye en el anlisis al menos una rehabilitacin o recrecimiento, por lo
tanto ste ser superior a 20 aos. Los periodos de diseo recomendados por la
AASHTO se muestran en la tabla I.
Tabla I. Periodos de Diseo en Funcin del Tipo de Carretera
TIPO DE CARRETERA
Periodo de
diseo(Aos)
Urbana de transito elevado 30 50
Interurbana de transito elevado 20 50
Pavimentada de baja intensidad de transito 15 25
De baja intensidad de trnsito, pavimentada
con grava 10 20
3.3. CONFIABILIDAD DE DISEO:
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
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
(Nt) que un pavimento pueda soportar para alcanzar un determinado nivel de
capacidad de servicio, no sea excedida por el nmero de cargas que realmente
estn siendo aplicadas (WT) sobre ese pavimento".
Para el clculo utilizamos las tablas siguientes:
TABLA 1
NIEVELES RECMENDADOS DE CONFIABILIDAD
CLASIFICACION DE LA VIA URBANA RURAL
AUTOPISTA 85 99.9 80 99.9
TRONCALES 80 99 75 95
LOCALES 80 95 75 95
RAMALES Y VIA AGRICOLA 50 80 50 80
TABLA I-I
VALORES DE ZR EN LA CURVA NORMAL PARA
DIVERSOS GRADOS DE CONFIABILIDAD
CONFIABILIDAD
( R )
VALOR
DE ZR
50 0.000
60 -0.253
70 -0.524
75 -0.674
80 -0.841
85 -1.037
90 -1.282
91 -1.340
92 -1.405
93 -1.476
94 -1.555
95 -1.645
96 -1.751
97 -1.881
98 -2.054
99 -2.327
99.9 -3.090
99.99 -3.750
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
3.3.1. CONFIABILIDAD DE CADA ETAPA:
MODIFICAR SOLO LAS CELDAS
DE COLOR AMARILLO
numero de
etapas
n= 1
TIPO VIA
CLASIFICACION
VIA 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. MDULO DE RESILIENCIA
Para el diseo de pavimentos flexibles deben utilizarse valores medios resultantes
de los ensayos de laboratorio, las diferencias que se puedan presentar estn
consideradas en el nivel de confiabilidad R.
Durante el ao se presentan variaciones en el contenido de humedad de la
subrasante, las cuales producen alteraciones en la resistencia del suelo, para
evaluar esta situacin es necesario establecer los cambios que produce la
humedad en el mdulo resiliente.
Con este fin se obtienen mdulos resilientes para diferentes contenidos de
humedad que simulen las condiciones que se presentan en el transcurso del ao,
en base a los resultados se divide el ao en periodos en los cuales el MR es
constante.
3.4.1. FACTORES QUE AFECTAN EL MDULO RESILIENTE EN PAVIMENTOS
ASFALTICOS
Existen diversos factores que afectan al mdulo resiliente del pavimento
asfaltico. A continuacin se muestra un resumen de estos factores:
Nivel de esfuerzos
Frecuencia de carga
Contenido de betn
Tipo de agregado
Contenido de vacos
Tipo y contenido de modificadores
Tipo de prueba
Temperatura.
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
Para cada valor de MR se determina el valor del dao relativo, utilizando el
baco de la Figura I.
Figura I. baco para la determinacin
del Dao Relativo Fuente: AASHTO, Guide
for Design of Pavement Structures 1993
MES
MODULO
RESLIENTE DEL
SUELO MR(psi)
DAO
RELATIVO Uf
ENERO 10000 0.06192728
10001 0.061912916
FEBRERO 10002 0.061898556
10003 0.0618842
MARZO 10004 0.06186985
10005 0.061855504
ABRIL 10006 0.061841163
10007 0.061826827
MAYO 10008 0.061812496
10009 0.061798169
JUNIO 10010 0.061783847
10011 0.06176953
JULIO 10012 0.061755218
10013 0.06174091
AGOSTO 10014 0.061726607
10015 0.061712309
SEPTIEMBRE 10016 0.061698015
10017 0.061683727
OCTUBRE 10018 0.061669443
10019 0.061655163
NOVIEMBRE 10020 0.061640889
10021 0.061626619
DICIEMBRE 10022 0.061612354
10023 0.061598094
Sumatoria: Uf= 1.482299686
Promedio
Uf= Uf/n = 0.0618
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
Con los resultados de los daos relativos se obtiene el valor promedio
anual. El mdulo de resiliencia que corresponda al Uf promedio es el valor
que se debe utilizar para el diseo. Si no se tiene la posibilidad de obtener
esta informacin se puede estimar el valor del MR en funcin del CBR.
3.4.2. VARIACION DEL MODULO DURANTE UN AO:
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
3.4.3. RELACIN C.B.R. MDULO DE RESILIENCIA
Con los valores del CBR se pueden obtener los mdulos 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 SUELO %CBR
MR en
(psi)
Arena 31 46500
Limo 20 30000
Arena magra 25 37500
Limo-arcilla 25 37500
Arcilla limosa 8 11400
Arcilla pesada 5 7800 Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993
3.5. NDICE DE SERVICIABILIDAD
Se define el ndice de Serviciabilidad como la condicin necesaria de un
pavimento para proveer a los usuarios un manejo seguro y confortable en un
determinado momento. Inicialmente esta condicin se cuantific a travs de la
opinin de los conductores, cuyas respuestas se tabulaban en la escala de 5 a 1:
ndice de
serviciabilidad(PS) Calificacin
5 4 Muy Buena
4 3 Buena
3 2 Regular
2 1 Mala Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
Actualmente, una evaluacin ms objetiva de este ndice se realiza
mediante una ecuacin matemtica basada en la inventariacin de fallas del
pavimento:
Pavimento Flexible: p
SV: Variacin de las cotas de la rasante en sentido longitudinal en relacin a la
rasante inicial (Rugosidad en sentido longitudinal).
Cf: Suma de las reas fisuradas en pies2 y de las grietas longitudinales y
transversales en pies lineales, por cada 1000 pies2 de pavimento.
P: rea bacheada en pies2 por cada 1000 pies2 de pavimento.
RD: Profundidad media de ahuellamiento en pulgadas. Mide la rugosidad
transversal.
Antes de disear el pavimento se deben elegir los ndices de servicio inicial y final.
El ndice de servicio inicial po depende del diseo y de la calidad de la
construccin. En los pavimentos flexibles estudiados por la AASHTO, el pavimento
nuevo alcanz un valor medio de po = 4,2.
El ndice de servicio final pt representa al ndice ms bajo capaz de ser tolerado
por el pavimento, antes de que sea imprescindible su rehabilitacin mediante un
refuerzo o una reconstruccin. El valor asumido depende de la importancia de la
carretera y del criterio del proyectista, se sugiere para carreteras de mayor trnsito
un valor de pt 2,5 y para carreteras de menor trnsito pt = 2,0.
3.5.1. PRDIDA O DISMINUCIN DEL NDICE DE SERVICIABILIDAD
Los valores anteriormente descritos nos permiten determinar la
disminucin del ndice de servicio, que representa una prdida gradual de
la calidad de servicio de la carretera, originada por el deterioro del
pavimento. Por tanto:
Donde:
PSI = ndice de Servicio Presente
PSI = Diferencia entre los ndices de servicio inicial y el final deseado
po = ndice de servicio inicial
pt = ndice de servicio final
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
3.6. COEFICIENTES DE DRENAJE:
El coeficiente de drenaje es la relacin que existe entre el mdulo resilente en una
condicin 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 DISEO 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 malo
Agua no
drenada
Porcentaje de tiempo
Capacidad
de Drenaje
% de tiempo en el que el pavimento est expuesto a
nivel de humedad prximos a la saturacin.
Menos del 1 % 1 a 5 % 5 a 25 % Ms del 25 %
Excelente 1,40 1,35 1,35 1,30 1,30 1,20 1,20
Bueno 1,35 1,25 1,25 1,15 1,15 1,00 1,00
Regular 1,25 1,15 1,15 1,05 1,00 0,80 0,80
Malo 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
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
3.7. EL NUMERO ESTRUCTURAL (SN):
Es un valor ndice que combina espesores de las capas, la capa de coeficientes
estructurales, y los coeficientes de drenaje. El SN se calcula con la siguiente
ecuacin.
185.19
log4.2 1.5
logW 9.36log 1 0.20 2.32log 8.071094
0.401
R o R
PSI
Z S SN M
SN
Donde:
W18 = Nmero estimado de ejes equivalentes de 8.2 toneladas.
ZR = Desviacin estndar normal
So = Error estndar combinado de la prediccin del trnsito y de la prediccin del
comportamiento.
PSI = Diferencia entre el ndice de servicio inicial (po) y la serviciavilidad final (pt)
MR = Modulo resilente
SN = numero estructural
Segn AASTHO la ecuacin SN no tiene solucin nica, es decir hay muchas
combinaciones de espesores de cada capa que dan una solucin satisfactoria. Se
debe realizar un anlisis 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 relacin al trnsito 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 nmero
estructural total esta dado por:
1 1 2 2 2 3 3 3SN a D a m D a m D
Dnde: 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 fundacin 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 de
la carpeta de rodadura, el siguiente paso es repetir el clculo considerando esta
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
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 fundacin. Siendo que los espesores de la sub base sera la diferencia. Las
ecuaciones correspondientes se muestran a continuacin.
a) capas de la estructura del pavimento y nmeros estructurales
' 11
1
* *
1 1 1 1
'' 2 1
2
2 2
* *
1 2 2
* *' 3 1 2
3
3 3
( )
SND
a
SN a D SN
SN SND
a m
SN SN SN
SN SN SND
a m
Dnde: a, D, m, SN, son los valores mnimos 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.
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
Para determinar las secciones de estructuras de pavimento flexible, la gua del
MTC, recomienda los siguientes espesores:
El espesor mnimo constructivo para capas superficiales con carpeta asfltica en
caliente es de 40 mm y el espesor mnimo constructivo de las capa granulares
(Base y Sub base) es de 150 mm.
AASHTO DISEO PAVIMENTO FLEXIBLE
Determinacion SN
Design Inputs
W18 = 6,100,000 Aplicaciones ESAL durante el Perodo de Diseo Tip. Rango 0.1 a 80 millones
R = 95 %
confiabilidad
Tip. Rango 80 a 95%
So = 0.45
Desviacin Estndar
Tip. Rango 0.3 a 0.5
MR = 3,000 psi
Subrasante Mdulo 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
DISEO SN = 6.20
AASHTO DISEO PAVIMENTO FLEXIBLE Determinacin de espesores de capas, Usando el anlisis por capas Enfoque.
1. Ingrese la informacin aplicable en las celdas C13 a F20
2. Para la primera capa, usar el E de la siguiente capa inferior como el MR en las
Inputs Box debajo de esta tabla y introducir en el SN capa resultante.
3. El espesor mnimo de la capa se calcula en la columna H. Introduzca el
espesor "prctico" 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 clculo 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 vlida si cualquier capa
debajo de la capa 1 tiene una E mayor de 40.000 psi.
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
Inputs Box W18 = 6,100,000 Aplicaciones ESAL durante el Perodo de Diseo
R = 95 % confiabilidad
So = 0.45
Desviacin Estndar
MR = 20,000 psi Subrasante Mdulo Resiliente
Pi = 4.5
Serviciabilidad Inicial
Pt = 2.5 Serviciabilidad Final
SN capa superior = 3.33
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
CONCLUSIONES
La AASTHO 93 presenta una metodologa donde la finalidad del diseo es calcular el
Nmero Estructural (SN), que debe soportar el nivel de carga exigido por el proyecto
Una vez calculado el Nmero Estructural (SN), de la seccin estructural del pavimento se
requiere determinar una seccin multicapa
Los parmetros que toma en cuenta la AASTHO 93 en lo referente a diseo de
pavimentos flexibles son: Periodo de Diseo, ESALS para el periodo de diseo
establecido, Mdulo de Resiliencia de la Subrasante , Variacin de Serviciabilidad, Nivel
de Confianza y Desviacin Estndar de todas las Variables, Coeficientes de Drenaje de
la Subbase y Base
Los espesores mnimos para la base segn la AASTHO 93 est en funcin de los ejes
equivalentes ESALS, por ejemplo para un ESALS menor a 50000 , el espesor mnimo para la
base es de 4 pulgadas.
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
RECOMENDACIONES
Los mdulos resilentes se deben calcular con las variaciones de contenidos de
humedad presentadas en todo el ao
La seccin multicapa calculada a partir del Nmero Estructural de la seccin (SN) debe
brindar un capacidad de soporte igual o mayor a la del Nmero Estructural de diseo
Una vez calculado los espesores de la carpeta asfltica, subbase, base, se debe
realizar un control de espesores mnimos con el fin de dar proteccin a las capas
granulares no tratadas
-
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER
FACULTAD DE INGENIERA CIVIL
INGENIERIA DE PAVIMENTOS
BIBLIOGRAFA
AASHTO Guide For Design Of Pavement Structures, American Association of State
Highway Officials, Washington, D.C., (1993)
Corro, s y prado, g, "Diseo Estructural de Carreteras con Pavimento Flexible", Instituto de
Ingeniera, UNAM, informe 325, Mxico, d. f. (ene 1974)