MÉTODOS DE DISEÑO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
Se basan en los resultados de experimentos o en la experiencia
Requieren un elevado número de observaciones para establecer relaciones aceptables entre las variables y los resultados de las pruebas.
No es necesario establecer una base científica firme de las relaciones, en la medida en que se reconocen sus limitaciones
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
Se basan en los resultados de experimentos o en la experiencia
Requieren un elevado número de observaciones para establecer relaciones aceptables entre las variables y los resultados de las pruebas.
No es necesario establecer una base científica firme de las relaciones, en la medida en que se reconocen sus limitaciones
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
En muchos casos resulta más conveniente confiar en la experiencia que tratar de cuantificar la causa exacta y el efecto de ciertos fenómenos.
Ejemplos de métodos de diseño de concepción empírica son el de California (Hveem y Carmany), el AASHTO-93 y el INVIAS-98
PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
Incorporan elementos planteamientos.
de
ambos
La componente mecánica determina las reacciones del pavimento, tales como esfuerzos, deformaciones y deflexiones, mediante el uso de modelos matemáticos.
La porción empírica relaciona estas reacciones con el comportamiento de la estructura del pavimento (por ejemplo, relaciona una deflexión calculada matemáticamente, con la vida real del pavimento)
PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
Aunque existen técnicas mecanísticas complejas de cálculo, los modelos elásticos lineales sujetos a carga estática son los más empleados en la solución de problemas rutinarios de ingeniería de pavimentos
Ejemplos de métodos de diseño de pavimentos que usan estos procesos son el del Instituto del Asfalto, el de Shell y el AASHTO 2002
MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
MÉTODO AASHTO - 93
Método de amplia aceptación para diseño de pavimentos flexibles y se presenta en la guía AASHTO, publicada por American Association of State Highway and Transportation Officials, al primera publicación se realizo en 1972, con revisiones hasta 1993, en la actualidad se comienza a distribuir la versión 2002. El método 93 no ha sido convertido a unidades de sistema internacional.
MÉTODO AASHTO - 93
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO
Se basa en los resultados AASHTO Road Test
En la revisión realizada en 1986 se introdujeron factores de confiabilidad, drenaje y aspectos climáticos.
Su criterio de falla es el índice de servicio final (pt)
MÉTODO AASHTO - 93
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO
El tránsito que lleva a la falla del pavimento es función del número estructural, de la resistencia de la subrasante, de la pérdida deseada de índice de servicio y de la confiabilidad elegida
Incluye la posibilidad de que se reduzca el periodo de diseño por la presencia de suelos de subrasante expansivos
DEFINICIONES Serviciabilidad Capacidad de un pavimento de servir al tránsito que hace uso de él en un instante determinado, desde el punto de vista del usuario Comportamiento del pavimento (performance) Tendencia de la serviciabilidad con el incremento en el número de aplicaciones de carga por eje Periodo de comportamiento (periodo de diseño) Lapso que transcurre desde que un pavimento es construido o rehabilitado, hasta que alcanza su serviciabilidad terminal
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Concepto de serviciabilidad – comportamiento La serviciabilidad de un pavimento se expresa en términos de su Índice de Servicio Presente (ISP)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO Concepto de serviciabilidad – comportamiento Fórmula del Índice de Servicio Presente (ISP) para pavimentos asfálticos
sv = Varianza de la pendiente del perfil longitudinal (c + p) = Área con grietas clases 2 y 3 más área parchada por cada 1000 pies2 RD = Ahuellamiento medido con una regla de 1.20 metros
ECUACIÓN BÁSICA DE DISEÑO
Significado de los términos de la ecuación
W18 = número de aplicaciones de ejes simples equivalentes de 18 kip (80 kN) hasta el tiempo t en el cual se alcanza ISP = pt. SN = Número estructural ∆ISP =
pi – pt = diferencia entre los índices de servicio inicial y terminal
MR= módulo resiliente de la subrasante ( libras/pg2) So = desviación estándar total de la distribución normal de los errores asociados con las predicciones de tránsito y de comportamiento del pavimento (0.44-0.49) zR= parámetro estadístico asociado con distribuciones normales de datos, que considera la probabilidad de que el índice de servicio del pavimento sea superior a pt durante el periodo de diseño.
REPRESENTACIÓN GRAFICA DE LA ECUACIÓN
CONFIABILIDAD SUGERIDA PARA VARIAS CLASIFICACIONES FUNCIONALES CLASIFICACIÓN FUNCIONAL Interestatal y otras autopistas Arterias principales Colectoras Locales
CONFIABILIDAD RECOMENDADA (R ) URBANO RURAL 85 – 99.9
80 – 99.9
80 – 99
75 – 95
80 – 95 50 - 80
75 – 95 50 – 80
VALORES DE Zr CORRESPONDIENTE A VARIOS NIVELES DE CONFIABILIDAD
Módulo resiliente efectivo (MR)
Es el módulo resiliente promedio que se traduce en un daño del pavimento (Uf) igual al que se alcanzaría si se usaran valores modulares estacionales:
Se divide el año en periodos con diferente MR con base en la humedad del suelo o en la variación de las deflexiones medidas en pavimentos construidos sobre el mismo suelo
Número estructural (SN) La resistencia del pavimento se representa por SN, el cual es función del espesor de las capas, de los coeficientes estructurales de ellas y del coeficiente de drenaje El número estructural total del pavimento está dado por : SN = ∑ai *Di *mi
Número estructural (SN)
SN = aiD1 + aiD2mi + aiD3mi D1,2,3 = espesores de capas asfálticas, base y subbase respectivamente (pulgadas). ai = coeficiente estructural de capa i, dependiente de su módulo mi= coeficientes de drenaje para capas no estabilizadas, dependiente del tiempo requerido para drenar y del tiempo en que la humedad se encuentre en niveles cercanos a la saturación
Coeficientes estructurales de capa (ai) Miden
la capacidad relativa de una unidad de espesor de una determinada capa para funcionar como componente estructural del pavimento
Los coeficientes estructurales dependen de: Resistencia
del material (CBR, módulo,
etc) Calidad de la construcción Estado de esfuerzos
Coeficientes estructurales de capa (ai) Valores
promedio de coeficientes estructurales Mezcla
asfáltica densa en caliente: 0.44/pulgada
Base
de grava y piedra partida: 0.14/pulgada
Subbase
granular: 0.11/pulgada
Coeficientes de drenaje (mi) Se establecen a partir de la calidad del drenaje y del tiempo que se considera que el pavimento puede encontrarse con una cantidad de agua cercana a la saturación
Determinación de los espesores de las capas individuales (Di) •
•
Se requiere determinar el número estructural (SN) requerido para proteger cada capa inferior Para ello, se debe aplicar el algoritmo AASHTO usando el módulo resiliente de cada capa por proteger
Determinación de los espesores de las capas individuales (Di)
(1) a, D, m y SN se han definido previamente y son valores mínimos requeridos. (2) Un asterisco en los valores de D o SN indica que son los valores realmente usados y que deben ser mayores o iguales que los valores requeridos.
ESPESORES MÍNIMOS ADMISIBLES PARA LAS CAPAS ASFÁLTICAS Y LA BASE GRANULAR
EJEMPLO DE DISEÑO Vía rural local Confiabilidad deseada = 75 % (z R= 0.674) Tránsito esperado = 1,300,000 ejes equivalentes Pérdida total de serviciabilidad = 4.2 – 2.0 =2.2 Desviación estándar total = 0.49 Características de drenaje = Aceptables Condición cercana a la saturación durante 4 meses/año mi= 0.80 • • • • • • •
•
Características de los materiales de construcción
TRÁNSITO. Los pavimentos se proyectan para que resistan determinado numero
de cargas durante su
vida util, el transito esta compuesto por vehículos de diferente peso y numero de ejes, para efectos de calculo estos se deben transformar en un numero equivalente sencillos de 80 Kn, 10 Kips 18,000 lb (8.2 ton) cumulados durante el período de diseño. Y se denominaran ESAL “equivalen Simple axial load”
Una vez calculados los ejes equivalentes acumulados en el primer año, se deberá estimar
con
base
en
la
tasa
de
crecimiento anual y el período de diseño en años, el total de ejes equivalentes acumulados
y
así
contar
con
un
parámetro de entrada para la ecuación general o para el nomograma.
LA DISTRIBUCIÓN DIRECCIÓN SE CONSIDERA DEL 50% SALVO QUE LA INFORMACIÓN DEL PROYECTO DETERMINE OTRO COMPORTAMIENTO.
Valores del coeficiente estructural (a1) para mezclas asfálticas densamente gradadas empleadas como capa de rodamiento y/o intermedia,, a partir de la estabiilidad Marshall
Valores del coeficiente estructural (ab) para bases granulares no-tratadas
Valores del coeficiente estructural (a3) para subbases granulares no-tratadas
MÉTODO INVIAS 98
Generalidades un catálogo de estructuras Contiene definido con base en el método AASHTO-93.
El catálogo de diseño cubre los tipos de pavimentos y materiales usados actualmente en la práctica local e incluye nuevas tipologías de eficiencia demostrada en otros países con características similares a las Colombianas.
El método considera factores ambientales, de suelos, de tránsito y de disponibilidad de materiales, acordes con la realidad colombiana
REGIONES CLIMÁTICAS El país se dividió en seis regiones climáticas, con base en la temperatura y la precipitación media anual
RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE Se debe considerar el valor promedio de resistencia del suelo predominante en cada unidad homogénea y, a partir de él, se establece una categoría de subrasante
TRÁNSITO DE DISEÑO REQUISITOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS EN LA GUÍA DE DISEÑO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
Se empleó la ecuación básica del método AASHTO-93.
Se adoptó So =0.44, que corresponde a considerar la variación de la predicción del comportamiento del pavimento, sin errores en la estimación del tránsito
La posibilidad de errores en la predicción del tránsito se incorpora con la expresión (100.05*ZR * N).
Se consideró una pérdida de serviciabilidad de 2.2 durante el periodo de diseño del pavimento
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO Se
adoptaron coeficientes estructurales de capa ajustados a los resultados de experiencias realizadas en el País
Se
adoptaron 3 coeficientes de drenaje para las capas granulares (mi=1.0 si la precipitación < 2,000 mm/año, mi=0.90 si la precipitación está entre 2,000 y 4,000 mm/año y mi =0.80 para precipitaciones mayores)
Las
estructuras obtenidas se verificaron con módulos teóricos y curvas de fatiga SHELL
VALORES ADOPTADOS PARA LOS COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA
CATÁLOGO DE DISEÑO
Comprende seis cartas de diseño, contemplando los siguientes aspectos:
ESTRUCTURAS RECOMENDADAS EN LA CARTA No. 3 PARA CATEGORÍA DE TRÁNSITO T5
Ejemplo de diseño Clima Temperatura media anual = 24º C Precipitación media anual = 1,850 mm Subrasante Suelo predominante = Arena arcillosa CBR promedio = 8.5 % Tránsito de diseño N* = 5.7*106 ejes equivalentes Materiales disponibles En la zona abundan materiales granulares de buena calidad para la elaboración de subbases, bases y concretos asfálticos
Solución al ejemplo de diseño Establecimiento de región climática Para los datos de temperatura y precipitación corresponde la Región R 3 •
Establecimiento de categoría de subrasante Para los datos de CBR promedio corresponde la categoría S 3 •
Establecimiento de categoría de tránsito N’ = 1.159 N = 1.159 x 5.7*106 = 6.6*106 ejes equivalentes Para este valor de N* corresponde la categoría T 5
