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DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CALLES Y CARRETERAS

CONTENIDO

Introducción Métodos empíricos de diseño

Método AASHTO - 93 Modelos INVÍAS - 98 Métodos empírico-mecanísticos de diseño

Método SHELL – 98 (SPDM 3.0) Diseño de pavimentos sobre suelos blandos


INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

Generalidades  La mayoría de los métodos de diseño de pavimentos tienen un alto grado de empirismo, propio de las agencias que los han desarrollado Es corriente obtener diferentes espesores al aplicar distintos métodos de diseño, empleando los mismos datos de entrada

INTRODUCCIÓN Generalidades (cont.) Gran parte de estas diferencias se debe a la falta de una descripción precisa y cuantitativa de lo que constituye la falla de un pavimento de calle o carretera, así como a los niveles de confiabilidad que consideran los diferentes métodos Los procesos de diseño de pavimentos se pueden dividir en dos grupos: — Empíricos —Empírico - mecanísticos

INTRODUCCIÓN

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

INTRODUCCIÓN

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

INTRODUCCIÓN

PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO

 Incorporan elementos de ambos planteamientos 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)

INTRODUCCIÓN

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

DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO


MÉTODO AASHTO - 93

MÉTODO AASHTO - 93

FUNDAMENTOS DEL MÉTODO  Se basa en los resultados AASHO 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

MÉTODO AASHTO - 93 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

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO Concepto de serviciabilidad – comportamiento La serviciabilidad de un pavimento se expresa en términos de su Índice de Servicio Presente (ISP)

MÉTODO AASHTO - 93

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

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO Ecuación de comportamiento  ISP  log   4.2  1.5   (2.32)(log M )  8.07 LogW18  ( z R )( So)  (9.36)(log( SN  1))  0.20  R 1094 0.4  ( SN  1) 5.19

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES 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

MÉTODO AASHTO - 93 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ECUACIÓN

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

NIVELES DE CONFIABILIDAD RECOMENDADOS POR AASHTO

Clasificación funcional de Nivel recomendado de confiabilidad (%) la vía Urbana Rural Autopistas 85 - 99.9 80 - 99.9 Arterias principales 80 - 99 75 - 95 Colectoras 80 - 95 75 - 95 Locales 50 - 80 50 - 80

MÉTODO AASHTO - 93


RELACIONES ENTRE CONFIABILIDAD Y ZR EN UNA DISTRIBUCIÓN NORMAL

Confiabilidad (%) zR

50 0

75 80 85 95 99 0.674 0.842 1.037 1.645 2.327

99.9 3.08

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO

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


Módulo resiliente efectivo (MR) —Se determina el daño relativo por periodo Uf = 1.8 x 106 * MR -2.32 —Se calcula el daño relativo promedio —Se halla el módulo resiliente efectivo a partir del daño relativo promedio, usando la misma ecuación

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO

MÉTODO AASHTO - 93 AJUSTE DEL MR DE LA SUBRASANTE POR LAS VARIACIONES ESTACIONALES

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 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 =

Sai*Di*mi

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Número estructural (SN) SN = a1*D1+ a2*D2*m2+ a3*D3*m3 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

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 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 ESTRUCTURALES DE CAPA (ai) CAPA

Coeficiente estructural Asfáltica Figura GG.7, volumen II, manual AASHTO ( 0.20-0.50) Base granular a2 = 0.249 (log E B ) - 0.977 estabilizada con cemento Figura GG.9, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.28) estabilizada con asfalto Figura GG.10, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.35) Subbase granular a3 = 0.227 (log E SB ) - 0.839

MÉTODO AASHTO - 93 NOMOGRAMA AASHTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE UNA BASE GRANULAR

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 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

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO COEFICIENTES DE DRENAJE mi RECOMENDADOS PARA BASES Y SUBBASES GRANULARES

Ejemplo: Pavimento diseñado con drenaje normal (la humedad drena en una semana) y durante dos meses del año (2/12=0.17=17%) está sometido a condiciones cercanas a la saturación. mi = 1.00 - 0.80

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO 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

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación de individuales (Di)

los

espesores D1* 

de

las

capas

SN1 a1

SN1*  a1 D1*  SN1 D2*  ( SN 2  SN1* ) / a2 m2 SN1*  SN 2*  SN 2

D3*  SN3  ( SN1*  SN 2* ) / a3 m3

* Indica el valor realmente usado, el cual debe ser igual o mayor que el valor requerido según el algoritmo

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación gráfica del SN

MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación del SN con un programa de cómputo

MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESPESORES MÍNIMOS ADMISIBLES PARA LAS CAPAS ASFÁLTICAS Y LA BASE GRANULAR N (10 ) < 0.05 0.05-0.15 0.15-0.50 0.50-2.00 2.00-7.00 >7.00 6

Espesores mínimos (pulgadas) Capas asfálticas Base granular TSD 4.0 2.0 4.0 2.5 4.0 3.0 6.0 3.5 6.0 4.0 6.0

MÉTODO AASHTO - 93 EJEMPLO DE DISEÑO

Vía rural local Confiabilidad deseada = 75 % (zR = 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

MÉTODO AASHTO - 93 EJEMPLO DE DISEÑO Características de los materiales de construcción

MÉTODO AASHTO - 93 SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO

Determinación de SN1


Cálculo de D1 D1 

SN 1 1.97   4.47 pulgadas (tomar 4.5 pulgadas) a1 0.44

Verificación de D1 4.5 pulgadas > 3.0 pulgadas

Cálculo de SN1* SN1* = a1 * D1* = 0.44 * 4.5 = 1.98

O.K.




Cálculo de D2 SN 2  SN 1* 2.54 - 1.98 D2    5.4 pulgadas a 2m2 0.14 * 0.8

Verificación de D2 5.4 pulgadas < 6.0 pulgadas

tomar 6.0 pulgadas

Cálculo de SN2* SN2* = a2 D2* m2 = 0.13 * 6.0 * 0.8 = 0.624




Cálculo de D3 SN 3  (SN *2  SN 1* ) 3.43 - ( 1.98  0.624) D3    10.1 pulgadas a 3m3 0.102 * 0.8

Resumen del diseño


MÉTODO INVÍAS - 98

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO

Generalidades  Contiene un catálogo de estructuras 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

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO 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

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO TRÁNSITO DE DISEÑO REQUISITOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS EN LA GUÍA DE DISEÑO Categoría

T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9

Ejes equivalentes de 80kN en el carril de diseño durante el periodo de diseño del pavimento N* (106) 0.5 - 1.0 1.0 - 2.0 2.0 - 4.0 4.0 - 6.0 6.0 - 10.0 10.0 - 15.0 15.0 - 20.0 20.0 - 30.0 30.0 - 40.0

N*  10 0.05*z R * N Si la confiabili dad es 90%, z R  1.282, y N*  1.159 * N


CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO

Se empleó la ecuación básica del método AASHTO-93 Se adoptó S0=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 (10 0.05*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


CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO VALORES ADOPTADOS PARA LOS COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA Material Mezcla densa en caliente

Mezcla densa en frio

Base granular Base estabilizada con cemento

Base estabilizada con emulsión asfáltica

Subbase granular

Condición T < 13°C 13°C £ T < 20°C 20°C £ T < 30°C T < 13°C 13°C £ T < 20°C 20°C £ T < 30°C suelos A-1 suelos A-2-4, A-2-5 y A-3 demás suelos agregado grueso (BEE1) agregado fino (BEE2) suelo (BEE3)

ai 0,44 0,37 0,30 0,35 0,30 0,24 0,14 0,16 0,14 0,13 0,20 0,20 0,14 0,11


CATÁLOGO DE DISEÑO Comprende seis cartas de diseño, contemplando los siguientes aspectos: Carta No. Región climática

Categorías de subrasante

Categorías de Materiales de tránsito construcción

1

R1

S1-S5

T1-T9

variables

2

R2

S1-S5

T1-T9

variables

3

R3

S1-S5

T1-T9

variables

4

R4

S1-S5

T1-T9

variables

5

R5

S1-S5

T1-T9

variables

6

R6

S1-S5

T1-T9

variables


ESTRUCTURAS RECOMENDADAS EN LA CARTA No. 3 PARA CATEGORÍA DE TRÁNSITO T5 S1

S2

S3 S4 espesores de capa (cm)

Capa de pavimento

S5

Mezcla densa en caliente

15

12

12

10

12

10

7.5

10

10

7.5

10

10

7.5

10

Base granular

30

-

30

-

25

30

-

25

25

-

25

20

-

15

Base estabilizada (BEE1)

-

15

-

15

-

-

15

-

-

15

-

-

15

-

Base estabilizada (BEE2)

-

10

-

10

-

-

10

-

-

-

-

-

-

-

Base estabilizada con cemento

-

-

-

-

30

-

-

30

-

-

25

-

-

20

45

45

35

35

-

30

30

-

25

35

-

20

25

-

Subbase granular


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


Solución al ejemplo de diseño Elección de Carta de Diseño Para Región R 3, usar Carta de Diseño No 3 Espesores de diseño para la combinación S 3 – T 5 Mezcla densa en caliente = 10 centímetros

Base granular = 30 centímetros Subbase granular = 30 centímetros

DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

MÉTODOS EMPÍRICOMECANÍSTICOS DE DISEÑO

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO

VENTAJAS SOBRE LOS MÉTODOS EMPÍRICOS  Adaptabilidad a tipos de cargas cambiantes

 Mejor utilización de los materiales disponibles Capacidad de incorporar nuevos materiales en los diseños Mejoramiento en la confiabilidad en las predicciones de comportamiento Se mejora la definición de las propiedades de las capas de un pavimento existente Es posible acomodar los efectos ambientales y de edad sobre los materiales del pavimento


INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA

 Propiedades del material de cada capa —Módulo de elasticidad —Relación de Poisson  Condiciones de adherencia entre capas adyacentes


INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA

 Espesor de cada una de las capas  Condiciones de carga —Magnitud de la carga —Geometría de la carga —Número de cargas actuantes

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO SALIDAS DE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

 El programa calcula los esfuerzos, deformaciones y deflexiones en cualquier punto de la estructura del pavimento  Hay unos pocos sitios en los que generalmente se interesa el diseñador para el cálculo de respuestas críticas Ubicación Superficie del pavimento Fondo de capas asfálticas ó bases estabilizadas Parte superior de las capas intermedias granulares Superficie de la subrasante

Respuesta Deflexión Deformación horizontal de tensión Deformación vertical de compresión Deformación vertical de compresión


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO El diseño de un pavimento usando el planteamiento empírico - mecanístico es un proceso iterativo que requiere varios pasos:

1. Estimar el tránsito durante el periodo de diseño del pavimento (N) 2. Fijar las condiciones de carga

3. Establecer unos espesores iniciales de las capas del pavimento


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

4. Fijar los módulos y las relaciones de Poisson para las capas, así como las condiciones de adherencia entre ellas 5. Calcular los esfuerzos y deformaciones en los puntos críticos de la estructura del pavimento mediante el programa de análisis elástico


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO 6. Adoptar ecuaciones de comportamiento de los diferentes materiales

7. Determinar las repeticiones de carga admisibles (ni) para las magnitudes de los esfuerzos y deformaciones obtenidas en los puntos críticos del modelo


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO 8. Computar las relaciones Di = N/ni en todos los puntos críticos 9. Aumentar o disminuir espesores, variar calidad de materiales, o ambas cosas simultáneamente, si Di no es próximo a 1.0 10. Iterar hasta obtener el diseño definitivo



EJEMPLO DE INFORMACIÓN SOBRE CARGAS Y CAPAS DEL PAVIMENTO EN UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO EJEMPLO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES CALCULADOS POR UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO


CRITERIOS DE FALLA  La parte empírica fundamental de estos métodos la constituyen las ecuaciones utilizadas para calcular el número requerido de ciclos de carga para alcanzar la falla del pavimento  Estas ecuaciones se han obtenido observando el comportamiento de pavimentos y relacionando el tipo y la extensión de la falla observada, con una deformación inicial bajo diferentes cargas


CRITERIOS DE FALLA

Generalmente, se reconocen dos tipos de criterios de falla de los pavimentos asfálticos: uno relacionado con el agrietamiento por fatiga y el otro con el inicio del ahuellamiento en la subrasante  Un tercer criterio aplicaciones específicas

(deflexión)

se

usa

en


CRITERIOS DE FALLA


CRITERIOS DE FALLA  El agrietamiento por fatiga se desarrolla bajo

cargas repetidas si el esfuerzo horizontal en el fondo de la capa asfáltica inferior es excesivo  El ahuellamiento o deformación permanente ocurre en la superficie del pavimento debido a la sobrecarga de la subrasante, si el esfuerzo vertical de compresión sobre dicha capa es excesivo


CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL CONCRETO ASFÁLTICO

 Se han desarrollado muchas ecuaciones para estimar el número de repeticiones a la falla en el modo de fatiga para el concreto asfáltico Todas ellas dependen de la deformación horizontal de tensión en la fibra inferior de las capas asfálticas


CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL CONCRETO ASFÁLTICO

Fórmula de Finn et al Log Nf = 15.947 - 3.291 log (et/10-6) - 0.854 log (EAC/103)

Nf = número de aplicaciones de carga que dan lugar al agrietamiento del 10% del área sometida a carga

et = deformación horizontal de tensión en el fondo de la capa asfáltica EAC = módulo de la capa asfáltica (psi)


CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO

 Aunque el ahuellamiento se puede generar en cualquier capa del pavimento, el criterio corriente es atribuirlo principalmente al sobreesfuerzo de la subrasante  Este criterio se suele expresar en términos de la deformación vertical de compresión en la superficie de la capa subrasante (εz)


CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO

 Fórmula de CHEVRON Nf = 1.05x10-2 * ez-0.223

Nf = número admisible de aplicaciones de carga para que el ahuellamiento no exceda de 13 mm ez = deformación vertical de compresión en la superficie de la subrasante


CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN

 Fue el criterio de fatiga más utilizado durante mucho tiempo, pero hoy se emplea únicamente en algunas aplicaciones especiales  Su información, aunque valiosa, no da una medida tan apropiada del funcionamiento estructural como las deformaciones específicas horizontales y verticales


CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN

Fórmula del Instituto del Asfalto DB = 25.64*N-0.2383

N = número admisible de aplicaciones de carga hasta la falla, para una determinada deflexión Benkelman característica (DB) en milímetros

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO SENSIBILIDAD DEL DISEÑO A LOS CRITERIOS DE FALLA

 El criterio que controla el diseño es aquel que exija un mayor espesor de pavimento para un determinado nivel de tránsito


MÉTODO SHELL – 98 (SPDM 3.0)

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)

Generalidades  El método considera el pavimento como un

sistema de capas homogéneas, isotrópicas y de comportamiento linealmente elástico  Los materiales de las diversas capas están caracterizados por E y m


Generalidades (cont.) Los criterios de diseño incluyen: —Tensión horizontal en el fondo de las capas asfálticas o en las capas de base cementadas, cuando la estructura las incluya —Deformación vertical de compresión al nivel de la subrasante

—Deformación asfálticas

permanente

de

las

mezclas


Generalidades (cont.) El método permite considerar fricción variable en las interfaces de las capas del pavimento Los cálculos de los esfuerzos y deformaciones se realizan con el programa BISAR La determinación de espesores se realiza a través de un módulo del programa Windows SPDM 3.0

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO

 Clima

 Tránsito y periodo de diseño del pavimento

 Características de las capas granulares y la subrasante  Composición de la mezcla características de fatiga de ella

asfáltica

 Rigidez de la capa asfáltica y espesores

y

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Clima


Clima  Se emplea la temperatura promedio anual ponderada del sitio del proyecto (w-MAAT), la cual se puede obtener de 3 maneras:

—Introduciendo los 12 valores de temperatura promedio mensual —Seleccionando de la base de datos, a través del botón Retrieve, los valores de las temperaturas promedio mensuales —Introduciendo directamente el valor de la MAAT

w-


Tránsito y período de diseño


Tránsito y período de diseño  Se emplea el número de ejes simples equivalentes de 80 kN en el carril de diseño durante el período de diseño, el cual se puede obtener de dos maneras:

—Introduciendo el espectro de cargas, junto con información sobre el número de días del año con tránsito, la tasa de crecimiento anual del tránsito y el período de diseño del pavimento —Introduciendo directamente el número de ejes simples equivalentes


Tránsito y período de diseño La pantalla da la oportunidad de efectuar correcciones por movimiento lateral del tránsito sobre la calzada y por el efecto de reposo entre aplicaciones sucesivas de carga por eje  Los valores incluidos por defecto son 5 y 2 respectivamente


Características de las capas granulares y de la subrasante



 Se debe ingresar obligatoriamente el módulo de la subrasante (E3) y el espesor de las capas granulares (h2) Se puede incluir un valor promedio del módulo de las capas granulares (E2) o permitir que el programa lo calcule con 50% de confiabilidad mediante la expresión: (E2 = 0.2* h2 0.45 *E3)



Se permite aumentar la confiabilidad a 85% o 95% Se asigna por defecto una relación de Poisson de 0.35, pero puede ser modificada Se puede ingresar una fórmula propia sobre el criterio de deformación de la subrasante o emplear las fórmulas SHELL para 50%, 85% o 95% de confiabilidad


Composición de la mezcla asfáltica y fatiga


Composición de la mezcla asfáltica y fatiga

 Se debe ingresar la información correspondiente a los volúmenes de agregados, asfalto y vacíos de la mezcla compactada (es suficiente ingresar 2 de los 3 datos)  Se debe incluir la ecuación de fatiga de la mezcla compactada, la cual puede ser propia o la que suministra el método por defecto El valor Nfat es el número de ciclos para el cual el stiffness decrece un 50% de su valor original


Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas



 El módulo de la mezcla se puede alimentar de 3 maneras: —Ingresando su valor para las condiciones reales de temperatura y de tiempo de aplicación de carga —Incorporando el stiffness del asfalto (Sbit) para las mismas condiciones

—Incorporando los datos básicos de comportamiento del asfalto envejecido (punto de ablandamiento y penetración)



La relación de Poisson de la mezcla es de 0.35 por defecto, pero puede ser modificada

 El espesor adoptado de capas asfálticas para el primer tanteo de diseño es, por defecto, 0.2 m


Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas

 Se marcan las opciones ―Results” y ―Calculate”  Aparece un mensaje ofreciendo la posibilidad de salvar la información  El programa realiza los cálculos de esfuerzos y deformaciones para el modelo de pavimento creado para el primer tanteo y compara los resultados con los criterios de falla introducidos  Si no hay coincidencia, efectúa las iteraciones necesarias hasta obtener el espesor apropiado de capas asfálticas



Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) INFORME DE DISEÑO DE ESPESORES


DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS


Los suelos blandos de subrasante suelen presentar problemas, tanto para la construcción como para el comportamiento del pavimento, razón por la cual se suele recomendar (i) su remoción y su reemplazo por materiales seleccionados de relleno o (ii) emplear algún tratamiento de estabilización

Si el retiro total de la capa blanda es posible, el material seleccionado de reemplazo constituye la nueva subrasante y el pavimento se diseña por algún método convencional, a partir de la respuesta del nuevo material


Cuando el reemplazo total de la capa blanda no resulta práctico, se acostumbra mejorar las condiciones del suelo mediante diferentes alternativas, entre ellas: —la colocación de una capa de material granular grueso de tamaños surtidos (rajón), hasta lograr un soporte consistente

—la instalación de un elemento que ayude a distribuir mejor los esfuerzos sobre el suelo previniendo fallas locales por corte (geomalla), acompañado o no de otro elemento que separe el suelo blando de las capas granulares del pavimento (geotextil)

DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL GRANULAR GRUESO (RAJÓN)

DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL GRANULAR GRUESO (RAJÓN)

Cuando se emplea la capa de rajón, el diseñador escoge un espesor efectivo de éste (generalmente entre 200 y 300 mm) A continuación, partiendo del módulo resiliente de la subrasante y del espesor efectivo del rajón, se calcula el valor del módulo del sistema bicapa constituido por el rajón y la subrasante Tomando como base el módulo del bicapa, se diseña el pavimento empleando algún método convencional

DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS USO DE GEOMALLAS

Cuando se emplean geomallas, se aplican criterios empíricos de diseño sugeridos por sus fabricantes, basados en la consideración de que ellas distribuyen mejor los esfuerzos del tránsito sobre el suelo, permitiendo disminuciones del espesor del pavimento, respecto del requerido sobre el suelo sin reforzar

DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS USO DE GEOMALLAS EJEMPLO DE SOFWARE PARA DISEÑO DE PAVIMENTO, ELABORADO POR UN FABRICANTE DE GEOMALLAS

Diseño de pavimentos para carrteras y calles.pdf

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