MTODO AASHTO PARA DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES (VERSIN 1986) 5.6.1 Introduccin A partir de los resultados del AASHTO ROAD TEST, el comit de diseo de la AASHTO produjo en 1972 la "Gua provisional AASHTO para el diseo de pavimentos rgidos y flexibles", la cual se bas, adems, en los procedimientos de diseo existentes. Despus de haber sido utilizado por algunos aos, ste fue ajustado dando origen a la versin de 1986, a la cual se incorpor nuevas consideraciones entre las que cabe mencionar la confiabilidad del diseo, los mdulos de elasticidad de la subrasante y las capas del pavimento, los factores ambientales de temperatura y humedad, el drenaje, aspectos econmicos, procedimientos de diseo para construccin por etapas y el conocimiento de los diseos de tipo emprico.

5.6.2 Variables para el diseo a) Restricciones de tiempo: En este aparte se incluye la escogencia de los datos de entrada para los perodos de anlisis (perodo de diseo = perodo de anlisis) que afectarn o restringirn el diseo del pavimento desde el punto de vista del tiempo. Es decir, permiten seleccionar diversas estrategias de diseo, desde estructuras construidas para que dure todo el perodo de anlisis hasta construccin por etapas con una estructura inicial y colocacin de sobre capas programadas. Perodo de diseo: Es el tiempo que dura una estructura inicial de pavimento antes de que requiera rehabilitacin. Tambin se refiere al lapso entre dos rehabilitaciones sucesivas. Perodo de anlisis: Se refiere al perodo para el cual se va a adelantar el anlisis, es decir, el transcurso de tiempo que cualquier estrategia de diseo debe cubrir. El perodo de anlisis es anlogo al trmino "perodo de diseo".b) El trnsito: El mtodo de diseo se basa en el nmero de ejes equivalentes de 18 Kips en el carril de diseo (W18) valor que es conocido en nuestros mtodos de diseo como N. c) Confiabilidad: Se entiende por confiabilidad de un proceso diseo- comportamiento de un pavimento a la probabilidad de que una seccin diseada usando dicho proceso, se comportara satisfactoriamente bajo las condiciones de trnsito y ambientales durante el periodo diseo.La confiabilidad pretende incorporar algn grado de certidumbre al procedimiento de diseo, para asegurar que las diferentes alternativas de ste se mantengan para el perodo de anlisis. El factor de confiabilidad de diseo tiene en cuenta variaciones al azar tanto en la prediccin del trnsito como en la prediccin del comportamiento y por lo tanto proporciona un nivel predeterminado de confianza (R) en que los tramos del pavimento sobrevivirn al perodo para el cual fueron diseados. En general, a medida que crece el volumen del trnsito, la dificultad de que presente trnsito divergente y la expectativa pblica de disponibilidad, aumentan el riesgo de no cumplir con dichas expectativas, debe ser minimizada. Esto se logra escogiendo mayores niveles de confiabilidad. La Tabla 5.44 presenta niveles de confiabilidad recomendables, para clasificaciones funcionales diferentes. Obsrvese que los niveles ms elevados corresponden a las vas que reciben el mayor uso, mientras que los de nivel ms bajo, el 50% corresponden a las carreteras locales.Los valores de So desarrollados en el AASHTO ROAD TEST no incluyeron error por el trnsito. Sin embargo, el error en la prediccin del comportamiento desarrollado en el tramo de ensayo fue de 0.35 para los pavimentos flexibles, lo cual corresponde a una desviacin estndar total de 0.45.

d) Efectos ambientales: la actual gua de diseo de la AASHTO tiene en cuenta los efectos que sobre el comportamiento de un pavimento tienen los factores ambientales. Los cambios de temperatura y humedad, por ejemplo, pueden tener efecto sobre la resistencia, la durabilidad y la capacidad de resistir cargas de los materiales, del pavimento y de la subrasante. Otro impacto ambiental importante, es el efecto directo que la expansin de la subrasante, puede tener sobre la prdida de la calidad de la rodadura y la serviciabilidad.5.6.3 Criterios de comportamiento a) Serviciabilidad: La serviciabilidad de un pavimento se define como la idoneidad que tiene el mismo para servir a la clase de trnsito que lo va a utilizar. La mejor forma de evaluarla es a travs del ndice de servicio presente (PSI), el cual vara de O (carretera imposible) hasta 5 (carretera perfecta). La filosofa bsica del diseo es el concepto del comportamiento y capacidad de servicio, el cual proporciona un medio para disear un pavimento con base en un volumen especfico de trnsito total, y con un nivel mnimo de serviciabilidad deseado, al final del perodo de diseo. La escogencia de un ndice ms bajo que puede tolerarse antes de que sea necesario un refuerzo o una rehabilitacin, la AASHTO sugiere un valor de 2.5 para las autopistas y vas principales y 2.0 para las dems carreteras.Teniendo en cuenta que la serviciabilidad final de un pavimento (Pt) depende del trnsito y del ndice de servicio inicial (Po), es necesario hacer una determinacin de este ltimo. En el ensayo AASHTO, se obtuvo un valor de 4.2 para los pavimentos flexibles, pero cada entidad podr elegir un valor apropiado para sus condiciones y caractersticas constructivas. Una vez establecido Po Y Pt, se aplica la siguiente ecuacin para definir el cambio total en el ndice de servicio:

5.6.4 Propiedades de los materiales a) Mdulo resiliente de la subrasante: La base para la caracterizacin de los materiales de subrasante en este mtodo, es el mdulo resiliente o elstico. Este mdulo se determina con un equipo especial que no es de fcil adquisicin y por tal motivo se han establecido correlaciones para determinarlo a partir de otros ensayos. Heukelom y Klomp, han encontrado una relacin entre el Mr medido en el campo y el CBR de laboratorio para la misma densidad. Mr (psi) = 1500 CBRExpresin que se considera razonablemente aproximada para suelos finos con un CBR sumergido no mayor de 10. Para la utilizacin del mtodo en Venezuela, por ejemplo, se ha considerado la utilizacin de las siguientes ecuaciones de correlacin: Para suelos finos: Mr = 1500 x CBR; para CBR < 7.2% Mr = 3000 x CBR; 065 para CBR de 7.2 a 20%La primera ecuacin es la sugerida en la gua AASHTO, mientras que la segunda fue desarrollada en Sudfrica. Para suelos granulares, la siguiente ecuacin desarrollada con base en la propia gua ofrece una buena correlacin: Mr = 4326 x In CBR + 241Por otra parte, la gua establece un nuevo procedimiento para determinar el valor soporte efectivo de la subrasante, en funcin de las variaciones climticas. De acuerdo con el valor Mr estacional se determina un valor de dao relativo (uf) que permite extrapolar y ponderar las caractersticas de los suelos a las condiciones climticas particulares de cada proyecto. Como se indic, el mtodo requiere determinar el valor Mr en las distintas condiciones en que el suelo se encuentre durante el ao (saturado, hmedo y seco) trabajos realizados en Venezuela sugieren el siguiente procedimiento para suelos finos: determinar el CBR - hmedo y CBR _ saturado con una misma probeta de ensayo, y estimar el CBR - seco mejorando en 1.6 veces el CBR - hmedo. Luego se completa el procedimiento con las ecuaciones de correlacin indicadas.b) Caractersticas de los materiales del pavimento: la caracterizacin de las diversas capas del pavimento se efecta a travs de sus mdulos de elasticidad, obtenidos por ensayos normalizados de laboratorio.El mtodo no presenta requisitos especficos respecto de la calidad de los materiales de subbase, resultando aceptable cualquier material convencional. El uso de la subbase en este mtodo requiere del empleo de un coeficiente de capa (a3) para convertir su espesor en un nmero estructural (SN), que es el indicativo del espesor total requerido de pavimento. En relacin con la base, esta podr ser granular o estabilizada y los requisitos de calidad deben ser, superiores a los de subbase. El material estar representado por un coeficiente (a2) que permite convertir su espesor real a su nmero estructural. " . Respecto a la capa de rodadura, consistir en una mezcla de agregados ptreos y un producto bituminoso. La mezcla se deber disear y construir de modo que no solo preste una funcin estructural, sino que adems, resista la fuerza abrasiva del trnsito, proporcione una superficie antideslizante y uniforme y prevenga la penetracin del agua superficial.c) Coeficiente de capas: el mtodo asigna a cada capa del pavimento un coeficiente (Di), los cuales son requeridos para el diseo estructural normal de los pavimentos flexibles. Estos coeficientes permiten convertir los espesores reales a nmeros estructurales (SN), siendo cada coeficiente una medida de la capacidad relativa de cada material para funcionar como parte de la estructura del pavimento. El mtodo presenta cinco categoras de estos coeficientes, de acuerdo con el tipo y funcin de la capa considerada: concreto asfltico, base granular, subbase granular, base tratada con cemento y base asfltica. Concreto asfltico: la Figura 5.28 proporciona un grfico que puede emplearse para estimar el coeficiente (a1) de la capa estructural de una rodadura de concreto asfltico de gradacin densa, con base en su mdulo elstico (resiliente) a 20C (68F). Bases granulares: La Figura 5.29 muestra un grfico que puede emplearse para estimar el coeficiente estructural a2, a partir de uno de cuatro resultados de ensayos diferentes de laboratorio sobre un material granular de base, incluyendo el mdulo resiliente de la base. Bases estabilizadas: La Figura 5.30 muestra el grfico que puede ser empleado para hallar el coeficiente a2 de una base de suelo cemento, a partir de su mdulo elstico o de su resistencia a compresin a 7 das y la Figura 5.31 presenta el baco para hallar el coeficiente correspondiente a las bases asflticas, en funcin de su mdulo o su estabilidad Marshall.

Subbases granulares: En la Figura 5.32 es posible determinar el coeficiente (a3) para una subbase granular, en funcin de los mismos ensayos considerados para las bases granulares.5.6.5 Caractersticas estructurales del pavimento a) Drenaje: A pesar de la importancia que se concede al drenaje en el diseo de carreteras, los mtodos corrientes de dimensionamiento de pavimentos incluyen con frecuencia capas de base de baja permeabilidad y consecuentemente de difcil drenaje. El mtodo deja en libertad al Ingeniero de Diseo para identificar cual nivelo calidad de drenaje se logra bajo una serie especifica de condiciones de drenaje. Se dan a continuacin las definiciones generales correspondientes, para diferentes niveles de drenaje de la estructura del pavimento.

El tratamiento para el nivel esperado de drenaje de un pavimento flexible se logra a travs del empleo de coeficientes de capas modificadas; esto es, se podra usar un coeficiente de capa efectivo ms alto para mejorar las condiciones de drenaje. El factor El de modificacin del coeficiente de capa se denomina mi y ha sido integrado dentro de la ecuacin del numero estructural (SN) a partir del coeficiente de capa (ai) y el espesor (di).La Tabla 5.45 muestra los valores que recomienda la AASHTO para mi de acuerdo con la calidad del drenaje y el tiempo en el ao durante el cual se espera que el pavimento est normalmente expuesto a niveles de humedad cercanos a la saturacin. Los factores que muestra dicha tabla son aplicables solamente a capas granulares.

5.6.6 Diseo estructural del pavimento Este mtodo de diseo es aplicable para vas con trnsito superior a 0.05 x 10^6 ejes equivalentes de 8.2 toneladas y la ecuacin utilizada para el diseo de pavimentos flexibles, derivada de la informacin obtenida empricamente por la AASHTO ROAD TEST es:

Siendo:a Coeficiente estructural de la capa i, el cual depende de la caracterstica del material con que ella se construya. di Espesor de la capa i en pulgadas. mi Coeficiente de drenaje de la capa i.El SN es un nmero abstracto, que expresa la resistencia estructural de un pavimento requerido, para una combinacin dad de soporte del suelo (MR), del trnsito total de la serviciabilidad terminal, y de las condiciones ambiental.Determinacin del nmero estructural La grfica de diseo recomendada por la AASHTO (Figura 5.33) permite la obtencin del nmero estructural, a partir de los siguientes parmetros: 1. Trnsito estimado durante el perodo de diseo (W18). 2. El nivel de confiabilidad (R). Debe recordarse que la aplicacin de este nivel implica la utilizacin de promedios en los datos de entrada. 3. La desviacin estndar total (So).4. El mdulo resiliente de la subrasante (MR). 5. La prdida de nivel de servicio durante el perodo de diseo, PSI = Po - Pt Con estos datos, el SN se determina siguiendo los pasos sealados en la clave.

Seleccin de los espesores de las capas Determinado el nmero estructural, el paso siguiente consiste en identificar un conjunto de capas cuyos espesores, convenientemente combinados, proporcionen la capacidad portante correspondiente a dicho SN. La frmula a utilizar, como se indic en el comienzo del texto, es:

Esta expresin no conduce a una solucin nica, sino que presenta muchas combinaciones tcnicamente vlidas. Al elegir los espesores de las diferentes capas, debe tenerse presente que desde el punto de vista de costos, si la relacin de costo entre las capas 1 y 2 es menor que la relacin correspondiente de los productos am, el diseo ptimo econmico es aqul que considera un espesor mnimo de base. Debido a que generalmente es imprctica y antieconmica la colocacin de capas de pavimento muy delgadas, el mtodo recomienda los siguientes mnimos.

La AASHTO advierte, no obstante, que estos mnimos pueden ser variados de acuerdo a las condiciones locales y la experiencia de cada entidad. Anlisis del diseo por capas Siendo el pavimento un sistema multicapa, la distribucin de los espesores debe hacerse de acuerdo con los principios que muestra la Figura 5.34. Primero, se calcula el SN requerido sobre la subrasante. Del mismo modo, se hallan los SN necesarios sobre las capas de subbase y base, usando los valores aplicables de resistencia en cada caso. Trabajando con las diferencias entre los SN calculados como necesarios sobre cada capa, se determina el espesor mximo permisible de cada uno. Por ejemplo el SN mximo admisible para el material de subbase, debe ser igual a la diferencia entre el SN total y el que se requiere sobre dicha capa. Del mismo modo, se procede con las dems y se calculan los espesores como lo muestra la Figura 5.34.Este procedimiento no debe aplicarse en la determinacin del SN requerido sobre materiales de base o subbase con mdulo elstico superior a 40.000 psi. En estos casos, los espesores de las capas superiores se establecen en base a consideraciones prcticas sobre espesores mnimos y costos.

Ejemplo: Disear un pavimento flexible para un perodo de diseo de 15 aos y en el cual se espera un trnsito promedio diario inicial de vehculos comerciales de 388 en dos carriles, con un crecimiento de trnsito de 3% anual y un factor camin de 1.5. Teniendo en cuenta que se trata de una va rural troncal, se asume un coeficiente de confiabilidad de 90% y una desviacin estndar de 0.45. Segn el estudio de suelos, no existirn materiales expansivos, pero la pluviosidad de la zona exigir la construccin de dispositivos de drenaje que evacuen los excesos de agua en el trmino de un da. Se espera que la calidad de la construccin sea tal que el ndice de servicio inicial (po) sea 4.3 y se ha seleccionado un ndice final (pt) de 2.0, lo que implica una prdida total PSI = 4.3 - 2.0 = 2.3. El suelo de subrasante presenta, bajo las condiciones de humedad y densidad esperadas, un CBR = 5% (MR = 1500 x 5 = 7500 psi). Los materiales disponibles para la construccin de las capas de subbase y base granular tienen CBR de 25 y 80% a los niveles de construccin exigidos por las especificaciones, a los cuales corresponden coeficientes estructurales de 0.10 Y 0.13 respectivamente. Para la temperatura media de la zona del proyecto (15C), se estima que el mdulo elstico del concreto asfltico sea 25000 Kg/cm2 (350000 psi). En relacin con el drenaje, y considerando lo ya expuesto, se puede tomar un valor mi = 1.15 (ver Tabla 5.45).Solucin: 1.-Determinacin del trnsito de diseo aplicando el procedimiento normal de clculo de ejes equivalentes de la siguiente forma:

2. Determinacin del mdulo resiliente de la subrasante, mediante la expresinMR (Kg/cm2 ) = 100 CBR MR (lb/pulg2 ) = 1.500 CBR MR 1.500 x 5 = 7.500 Ib/pulg23. Determinacin de los mdulos resilientes de las capas de subbase y base granular (Figuras 5.32 y 5.29 respectivamente). El CBR de la subbase (25%) corresponde a un mdulo de elasticidad (Esa) de 13.800 psi y un coeficiente estructural a3 = 0.1 (ver Figura 5.32). El CBR de la base (80%) corresponde a un mdulo de elasticidad (Ea) de 28.000 psi y un coeficiente estructural a2 = 0.13 4. Determinacin del SN o volumen estructural del pavimento a partir del Mdulo Resiliente de la subrasante y de los datos bsicos del problema; mediante el uso de la grfica de diseo que presenta la Figura 5.33. El resultado que se lee en la grfica es SN = 3.85. Determinar el espesor necesario de concreto asfltico a partir del Mdulo Resiliente de la base y mediante el uso de la Figura 5.33, procediendo lo mismo que el ya calculado, pero entrando en la grfica con el Mdulo resiliente de la base. De esta forma se obtiene que SN 1 (nmero estructural sobre la base) = 2.3. Teniendo en cuenta que SN1 = ai 01 y que el valor de al se obtiene de la Figura 5.28 entrando en las abscisas con el valor del mdulo de elasticidad del concreto asfltico y leyendo el valor de al en las ordenadas el cual resulta ser al = 0.39.

Recomienda la AASHTO redondear 01 a 6 pulgadas, por esta razn es necesario recalcular el nmero estructural correspondiente al concreto asfltico, de la siguiente forma: SN1 = a1 D1 corregido = 0.39 x 6 = 2.346. Determinar el espesor que debe tener la base granular, a partir del Mdulo Resiliente de la capa de subbase (Esa = 13800 psi), mediante el empleo de la Figura 5.33 pero, entrando en ella con el MR de la subbase. El valor que se obtiene es de SN2 = 3.2 Y corresponde al volumen estructural que aportan la base granular y el concreto asfltico.Teniendo en cuenta que es conocido el valor de SN 1 * (2.34), entonces, el valor del coeficiente estructural de la base se obtiene as: SN (Base Granular) = 3.2 - 2.34 = 0.86 SN (Base Granular) = a2D2m2, entonces

Atendiendo la recomendacin de la AASHTO se redondea el valor obtenido de 02 a 6 pulg. y se recalcula el nmero estructural de la base as: SN' (base granular) = a2 D2 (elegido) x m2 = 0.1 3 x 6 x 1.1 5 = 0.97. Determinacin del espesor de la subbase a partir del nmero estructural del total del pavimento, del concreto asfltico y de la base granular; de la siguiente forma:

Diseo del pavimento La estructura del pavimento quedara de la siguiente forma: