FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL
Tema:
DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES MÉTODO AASHTO 93 Curso:
PAVIMENTO Docente:
Ing. France Cerna Gonzalo Eduardo
Autor:
Dávila Delgado Brigitte
Chimbote – 2018
PAVIMENTOS PAVIMENTOS
INTRODUCCIÓN En el presente proyecto se describe el procedimiento para calcular el dimensionamiento de las secciones del pavimento, optando por el método AASHTO Guide for Desing of Pavement Structures 1993. Los procedimientos involucrados en el actual método de diseño, versión 1993, están basados en las ecuaciones originales de la AASHO que datan de 1961, producto de las pruebas en Ottawa, Illinois, con tramos a escala natural y para todo tipo de pavimentos. La versión de 1986 y la actual de 1993 se han modificado para incluir factores o parámetros de diseño que no habían sido considerados y que son producto de la experiencia adquirida. A partir de los resultados obtenidos, se produjo en 1972 la “Guía provisional AASHTO para el diseño de pavimentos rígidos y flexibles”.
Luego de algunos años, se incorporó nuevas consideraciones ente las que cabe mencionar la confiabilidad del diseño, los módulos de elasticidad de la sub-rasante y capas del pavimento, los factores ambientales de temperatura y humedad, el drenaje, procedimiento de construcción por etapas y el conocimiento de los diseños de tipo empírico. En el diseño de pavimentos de pavimentos es mayormente influenciado por dos parámetros básicos:
Las cargas de tráfico vehicular impuestas al pavimento.
Las características de la sub rasante sobre la que se asienta el pavimento.
OBJETIVOS
Comprender las diversas variables que se involucran en el diseño de pavimentos flexibles.
Aprender a calcular los espesores para las diferentes capas que componen un pavimento flexible por el método AASHTO.
Comparar los diversos gráficos brindados por el método AASHTO 93 y adaptarlas al
presente
reglamento
del
MINISTERIO
DE
TRANPORTE
Y
TELECOMUNICACIONES. Trabajo Colaborativo
2
PAVIMENTOS PAVIMENTOS
MARCO TEÓRICO Ubicación:
Región Ayacucho
Tipo de vía:
Autopista de primera clase
Período de diseño:
20 años.
El diseño para el pavimento flexible según la AASHTO está basado en la determinación del Número Estructural “SN ” que debe soportar el nivel de carga exigido por el proyecto.
A continuación, se describe los procedimientos para calcular las variables que se consideran en el método AASHTO: 1.
El primer parámetro a calcular son las cargas vehiculares impuestas al pavimento, están expresadas en ESAL´s, también denominado en el manual como EE, las sumatoria de estos es denominado Número de Repeticiones de EE de 8.2tn. Para el cálculo de las cargas vehiculares se debe tener en cuenta el tráfico vial. Para ello se tomó como muestra los siguientes resultados:
TIPO DE VEHICULO
IMDS
Autos
2465
Camionetas
1535
Combi´s
586
Buses B-2
345
Buses B-3
268
TOTAL
5199
Se procede a determinar el IMDA (Índice Medio Diario Anual) por tipo de vehículo, optando por un factor de corrección del 10%. IMDS
Fc
IMDA
Autos
2465
10%
2711.5
veh/día
Camionetas
1535
10%
1688.5
veh/día
Combis
586
10%
644.6
veh/día
Buses B-2
345
10%
379.5
veh/día
Buses B-3
268
10%
294.8
veh/día
5718.9
veh/día
TIPO DE VEHICULO
TOTAL
Trabajo Colaborativo
3
PAVIMENTOS PAVIMENTOS
CÁLCULO DE TASAS DE CRECIMIENTO Y PROYECCIÓN Se procede a calcular el crecimiento del tránsito en el período de diseño según el tipo de vehículo utilizando la siguiente fórmula: = (1 + )−1
Donde: Tn = Tránsito proyectado al año “n”
To = Tránsito actual n = Numero de años del periodo de diseño r = tasa anual de crecimiento del transito. Según el Manual de Carreteras, las tasa de crecimiento varian entre 2% y 6%. Optando por el 5%. Obteniendo resultados por tipo de vehículo. To
R = 5%
N = 20años
Tn
Autos
2711.5
5%
20
6851.825
veh/día
Camionetas
1688.5
5%
20
4266.755
veh/día
Combis
644.6
5%
20
1628.872
veh/día
Buses B-2
379.5
5%
20
958.978
veh/día
Buses B-3
294.8
5%
20
744.945
veh/día
14451.375
veh/día
TIPO DE VEHICULO
TOTAL
RELACION DE CARGAS POR EJE Ahora procedemos a calcular las cargas por eje por tipo de vehículo, empleando el siguiente cuadro del Manual de Carreteras del MTC, que corresponde para pavimento flexibles.
Trabajo Colaborativo
4
PAVIMENTOS PAVIMENTOS Las cargas por eje se consideraron los siguientes: CARGAS
Und.
EJE SIMPLE (veh. Menores)
1
Tn
EJE SIMPLE
7
Tn
EJE SIMPLE RUEDA DOBLE
10
Tn
EJE TANDEM RUEDA DOBLE
16
Tn
Aplicando las relaciones de carga según el cuadro indicado se obtuvo el factor EE, consecuentemente se calculó el factor de vehículo pesado (Fvp), obteniendo los siguientes resultados por tipo de vehículo: TIPO DE VEHICULO
TOTAL DE VEHICULOS
Autos Camionetas
12748
Combis Buses B-2
959
Buses B-3
745
CARGAS POR UN EJE (Tn)
EJE EQUIVALE NTE (EE a
1T
0.000527017
1T
0.000527017
7T 10 T 7T 16 T
1.265366749 2.211793566 1.265366749 1.260585019
8.2Tn)
Factor vehículo pesado (Fvp) 0.001054033 3.477160315 2.525951767
FACTOR DIRECCIONAL Y FACTOR CARRIL Estos factores de distribución se expresan en relación al número de vehículos que circulan en una dirección o sentido de tráfico. Sus valores según el cuadro en el Manual de Carreteras del MTC, dependen del número de calzada, numero de sentido, numero de carriles por sentido.
Trabajo Colaborativo
5
PAVIMENTOS PAVIMENTOS En nuestro diseño al ser una Autopista de primera clase, se eligió la opción de dos calzadas con separador central, con dos sentidos y dos carriles por sentido. Obteniendo: Factor direccional (Fd) = 0.50 Factor carril (Fc)
= 0.80
FACTOR DE CRECIMIENTO ACUMULADO Para determinar este factor que se utiliza para calcular el ESALD, se emplea la siguiente fórmula: (1 + ) − 1
=
Donde: r = Tasa anual de crecimiento. Optando 5% n = Periodo de diseño. En nuestro diseño 20 años. (1 + 0.05 )20 − 1 =
0.05
= 33.06
NÚMERO DE REPETICIONES DE EJES EQUIVALENTES Para determinar del número de repeticiones de Ejes Equivalentes de 8.2 Tn, en el periodo de diseño, empleado por cada tipo de vehículo, el resultado final será la sumatoria. = ∑[− ∗ ∗ 365]
Donde: − = ∗ ∗ ∗
El cálculo del eje equivalente por día por carril de diseño, aplicando la expresión presentada para cada tipo de vehículo, obteniendo los siguientes resultados:
TIPO DE VEHICULO: Autos-Camionetas-Combis: − = 12748 ∗ 0.50 ∗ 0.80 ∗ 0.001054
−
= 5.375
Buses (B-2): − = 959 ∗ 0.50 ∗ 0.80 ∗ 3.47716 −=1333.839
Trabajo Colaborativo
6
PAVIMENTOS PAVIMENTOS Buses (B-3): − = 745 ∗ 0.50 ∗ 0.80 ∗ 2.52595
− =5752.7336
Luego se procede a calcular los ESALD, empleando la fórmula expresada anteriormente: = ∑[− ∗ ∗ 365] = [5.375 ∗ 33.06 ∗ 365] + [1333.839 ∗ 33.06 ∗ 365] + [752.734 ∗ 33.06 ∗ 365]
= 64856.768 + 16095298.2 + 9083161.4
= 25243316
EE
Luego de calculado el número de repeticiones de Ejes Equivalentes, se procede a clasificarlo, según el cuadro del Manual de Carreteras del MTC caminos pavimentados, identificando el tipo de tráfico según el rango de tráfico de EE.
Resultando en el Tipo de tráfico T P14.
Trabajo Colaborativo
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PAVIMENTOS PAVIMENTOS 2.
Procedemos a obtener las características de la Sub rasante y materiales de colocación. Sub rasante: CBR = 15% Sub base : CBR = 40% Base
: CBR = 90%
Aplicando el Método AASHTO – 93. I.
PERIODO DE DISEÑO El periodo de diseño de pavimentos flexible en una etapa es de 20 años.
II.
VARIABLES El método AASHTO aplica la siguiente ecuación para el diseño de la estructura de un pavimento.
(W18) = Es el numero acumulado de Ejes Equivalentes de 8.2Tn. En nuestro diseño resultando. (W18) = 25243316
Módulo de Resiliencia (M R ): Es la medida de la rigidez del suelo, para su cálculo práctico se aplica la siguiente fórmula según el Guía AASHTO -93. () = 2555 ∗ 0.64
Calculando el módulo de resiliencia de la sub rasante, material de la base y sub base. Sub rasante: CBR = 15% Sub base : CBR = 40% Base
: CBR = 90%
M R = 14457 PSI M R = 27084 PSI M R = 45510 PSI
Confiabilidad (%R): representa la probabilidad de que una estructura se comporte, durante su periodo de diseño. El Manual de Carreteras del MTC en base de datos de la guía AASHTO 93, ofrece valores recomendados de nivel de confiabilidad según el rango de tráfico. Trabajo Colaborativo
8
PAVIMENTOS PAVIMENTOS
Clasificando según el tipo de tráfico TP14, con un nivel de confiabilidad de 95%.
Coeficiente E stadístico de Desviación Estándar Normal (Zr): representa el valor de la Confiabilidad seleccionada, para un conjunto de datos en una distribución normal. El Manual de Carreteras del MTC en base de datos de la guía AASHTO 93, ofrece valores recomendados de Desviación Estándar Normal (Zr) según el rango de tráfico.
Clasificando según el tipo de tráfico TP14, con un valor de Desviación Estándar Normal (Zr) de -1.645. Trabajo Colaborativo
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PAVIMENTOS PAVIMENTOS
Desviación E stándar Combinada (So): Valor que toma en cuenta la variabilidad esperada de la predicción del tránsito y de los otros factores que afectan el comportamiento del pavimento. La Guía AASHTO recomienda adoptar para los pavimentos flexibles, valores So comprendidos entre 0.40 y 0.50, en el Manual de Carreteras del MTC se adopta para los diseños recomendados el valor de 0.45.
Í ndice de Serviciabilidad Presente (PSI ): Es la comodidad de circulación ofrecida al usuario. Su valor varía de 0 a 5.
Serviciabilidad Inicial (Pi): Es la condición de una vía recientemente construida. Su valor se representa según el rango de tráfico. Clasificando según el tipo de tráfico TP14, con un valor de Índice de Serviciabilidad Inicial (Pi) de 4.20.
Trabajo Colaborativo
10
PAVIMENTOS PAVIMENTOS
Serviciabilidad Terminal (Pt): Es la condición de una vía que ha alcanzado la necesidad de algún tipo de rehabilitación o reconstrucción. Clasificando según el tipo de tráfico TP14, con un valor de Índice de Serviciabilidad Final (Pt) de 3.00.
Variación de Serviciabilidad (ΔPSI):
Es la diferencia entre la
Serviciabilidad Inicial y Terminal asumida para el proyecto en desarrollo. Clasificando según el tipo de tráfico TP14, con un valor de Índice de Serviciabilidad Final (Pt) de 1.20.
Trabajo Colaborativo
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PAVIMENTOS PAVIMENTOS
Número E structural Propuesto (SNR): Los datos obtenidos se aplican a la ecuación de diseño AASHTO y se obtiene el número estructural, que representa el espesor total del pavimento a colocar. Aplicando la ecuación del Método AASHTO para hallar el SN.
Trabajo Colaborativo
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PAVIMENTOS PAVIMENTOS Valores obtenidos para reemplazar en la ecuación:
W18 = 25243316 Zr =-0.645 So = 0.45
ΔPSI =
1.2
M R = 14457
Obteniendo como resultado el valor SN = 5.328 Para determinar los espesores se aplica la siguiente ecuación:
Donde los coeficientes estructurales de las capas, el Manual de Carreteras del MTC nos ofrece valores recomendados.
El Manual de Carreteras del MTC también ofrece valores mínimos de los espesores de la capa superficial y la base según el rango del tipo de tráfico.
Trabajo Colaborativo
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PAVIMENTOS PAVIMENTOS
a1 = 0.170 /cm
m2 = 0.80
a2 = 0.080 /cm
m3 = 0.80
a3 = 0.047 /cm
Reemplazando los valores en la ecuación. Se obtiene d 1 = 15cm, d 2 = 30cm, d 3 = 23cm CAPA SUPERFICIAL BASE SUB BASE
=
15 cm
=
30 cm
=
23 cm
Otra solución: el Manual de Carreteras ofrece un catálogo con valores recomendados de los espesores según el tipo de tráfico y el CBR de la sub rasante.
Resultando para nuestro diseño, espesores de:
Capa superficial = 17 cm
Trabajo Colaborativo
Base
= 20 cm
Sub base
= 21 cm 14
PAVIMENTOS PAVIMENTOS
Otra solución: Otra forma de calcular los espesores es utilizando el ábaco de AASHTO para pavimento flexibles.
Dónde con los valores determinados se hace los trazos en ábaco, dando como resultado los valores SN para cada capa estructural y así determinar los espesores del pavimento flexible.
W18 = 25243316 R% = 95% So = 0.45 ΔPSI =
M R (sub rasante) = 14457 PSI M R (sub base) = 45510 PSI M R (base) = 27084 PSI
1.2 SUB RASANTE = SN 3 = 5.20 SUB BASE
= SN2 = 4.11
BASE
= SN1 = 3.35 Ábaco
0 7
Trabajo Colaborativo
1 7
2 7
3 7
4 7
5 7
6 7
7 7
8 7
9 7
0 8
1 8
2 8
3 8
4 8
5 8
6 8
7 8
8 8
9 8
0 9
1 9
15
PAVIMENTOS PAVIMENTOS
0 7
1 7
2 7
3 7
4 7
5 7
6 7
7 7
8 7
9 7
0 8
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4 8
5 8
6 8
7 8
8 8
9 8
0 9
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7 7
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2 8
3 8
4 8
5 8
6 8
7 8
8 8
9 8
0 9
1 9
Ábaco para la sub base
Ábaco para la BASE
ENTONCES: Calculamos los valores de los espesores, utilizando los coeficientes estructurales obtenidas del Manual de Carreteras del MTC convertidos a /pulg. Obteniendo: a1 = 0.43 /pulg a2 = 0.20 /pulg a3 = 0.12 /pulg Aplicando las siguientes relaciones, se tiene:
Trabajo Colaborativo
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PAVIMENTOS PAVIMENTOS
ESPESOR PARA LA CARPETA ASFÁLTICA:
ESPESOR PARA BASE:
ESPESOR PARA LA SUB BASE:
Comprobando: ∗ = 1 + 2 + 3
∗ = 3.44 + 0.80 + 0.96 ∗ = 5.20
SN₁
SN₂ SN₃
CAPA SUPERFICIAL
=
D
=
8 pulg
=
5 pulg
=
10 pulg
₁
BASE
=
D ₂
SUB BASE
=
D ₃
CONCLUSIONES:
Las variables que intervienen en el diseño de pavimentos flexibles pueden ser calculados diversas formas a través de tablas y gráficos, escoger el modelo es criterio propio, ya que los resultados que se obtienen son similares.
Las Tablas encontradas en el Manual de Carreteras del MTC están en función del tipo de tránsito y los Ejes Equivalentes, en cambio La guía AASHTO 93 está en función de
Trabajo Colaborativo
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PAVIMENTOS PAVIMENTOS diversas variables como la desviación estándar, confiabilidad, entre otros.
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