DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS
1. Evolución de la metodología del diseño racional de pavimentos La evolución de la metodología racional esta ligada li gada principalmente por los siguientes factores: – La evolución de los materiales – El desarrollo de nuevos métodos constructivos – Evolución de los Vehículos y cargas rodantes 1927
1930
Westergard CBR
1943
1949
1961
1980
Burmister
Pistas EEUU
AASTHO
Depav
Se introduce la mecánica de materiales al diseño de pavimento
Alize III
2.- Generalidades • La metodología racional considera la
propiedades de los materiales y la calidad de la subrasante. • Considera una carga Standard más alta (13 ton) • La metodología racional combina la mecánica de los pavimentos y elementos experimentales.
3.-Modelo probabilístico la • El modelo probabilístico adoptado en la
metodología racional tiene por objetivo evaluar la probabilidad de ruptura acumulada en el tiempo y no el calculo de la vida útil. Probabilidad de falla
Riesgo de Cálculo
Periódo de tiempo
Vida Útil de Cálculo
Selección de la probabilidad de falla El valor de probabilidad de falla en los años de vida útil de servicio especificada está íntimamente ligada al riesgo de aparición de daños en el pavimento. Por tal motivo su selección afecta principalmente el aspecto económico de la vía. Las probabilidad de falla esta relacionada con el tipo de material escogido y la clase de tráfico presente en la Vía.
Estas probabilidades probabilidades corresponden a un fractil de la ley normal centrada
Selección de la probabilidad de falla La desviación estándar, δ, relacionada con los ensayos de
laboratorio y con los espesores de capa puede determinarse mediante la siguiente ecuación:
σ
es la desviación estándar de la ley de fatiga expresada en logaritmo decimal del número de ciclos.
σH es la desviación estándar de los espesores de material colocado in situ
c es un coeficiente dimensional que depende del material considerado y varía entre 0.015 y 0.04. A falta de mejor información puede tomarse en los cálculos un valor de c = 0.02
4.- Factores considerados en el diseño • tráfico • Clima • La subrasante • Capas de Pavimento • Calidad de la Construcción
4.1- Estimación tráfico •Para la evaluación del
tráfico se deben tener en cuenta los ejes superiores a 3.5 ton (35 kN) La determinación del tráfico se realiza a partir de los vehículos pesados por sentido de la vía mas pesada para vía tenga dos carriles con un ancho inferior a hay que tener el primer año de diseño, Cuando la superposición de trayectorias
Si es menor a 5 m
Si el Ancho varia entre 5 y 6 m
Se aplicará a todo el pavimento el 100% del tráfico total en ambos sentidos Se aplicará el 75% del tráfico total en ambos sentidos
Clasificación del tráfico Clase de tráfico
Número acumulado Número de de vehículos pesados vehículos pesados por día N< 5X105
VP/Dia< 50
5X105 ≤ N < 1.5X106
50 ≤ VP/Dia< 150
1.5X106 ≤ N < 4.0X106
150 ≤ VP/Dia< 300
4.0X106 ≤ N < 1.0X107
300 ≤ VP/Dia< 750
1.0X10 ≤ N < 2.0X107
750 ≤ VP/Dia< 2000
Cálculo de la clase de tránsito La clase de tráfico correspondiente a una vía en particular se determina calculando el número de vehículos pesados ( ) de carga útil superior a 35 kN (3.5 Ton) que pasan por la vía durante la vida útil de servicio de acuerdo con la siguiente ecuación:
N 365 VP N a F c VP = Vehículos pesados con una carga útil superior o igual 3.5Ton x día Na =Vida útil de servicio, en años Fc = Factor de crecimiento del tráfico
El factor
depende del crecimiento del tráfico y está dado por:
– Crecimiento lineal:
– Crecimiento exponencial:
donde i representa el porcentaje de crecimiento anual del tráfico.
Se debe tener en cuenta que las vías urbanas que se encuentren próximas a la saturación tendrán un porcentaje de crecimiento muy bajo o nulo.
Estimación del C.A.M y el N equivalente El cálculo del coeficiente de agresividad media se realiza mediante dos procedimientos diferentes dependiendo de las exigencias del proyecto: 1. Cálculo del coeficiente de agresividad media ( las cargas reales que transitan sobre la vía.
) cuando se dispone de
= coeficiente de agresividad media = vehículos pesados con una c arga útil superior o igual a 35 kN (3.5Ton) para un período de conteo de tráfico = carga de cada uno de los ejes de los vehículos pesados, VP, que transitan por la vía = carga del eje de referencia 130 kN (13 Ton).
El coeficiente K j corresponde al tipo de eje ( j=1 para eje simple, j=2 para eje tandem y j=3 para eje tridem)
Estimación del C.A.M (MÉTODO 1)
Ejemplo
•
Durante 5 días de conteo un estación de pesaje determinó que pasaron 805 vehículos pesados, los cuales tenían la siguiente distribución: Calcular el CAM para un pavimento Rígido?
10
30
210.00
107.00
48.00
30
40
160.00
78.00
34.00
40
50
100.00
66.00
28.00
50
60
290.00
60.00
22.00
60
70
280.00
50.00
16.00
70
80
216.00
28.00
14.00
80
90
210.00
24.00
4.00
90
100
180.00
8.00
2.00
100
110
68.00
6.00
0.00
110
120
50.00
5.00
120
130
40.00
2.00
130
140
25.00
1.00
140
150
9.00
1.00
150
160
7.00
0.00
160
170
5.00
170
180
2.00
180
190
1.00
190
200
1.00
200
210
0.00
Estimación del C.A.M (MÉTODO 1) Tipo de Pavimento
Pavimentos semi-rígidos
Clase de Peso (kN)
Eje Simple Mitad de clase (kN)
K2=
12
K3=
12
Eje Simple
113
Eje Simple
Agresividad del centro de clase
Numero de Ejes (N1)
AxN1
Agresividad del centro de clase
Numero de Ejes (N2)
AxN2
Agresividad del centro de clase
Numero de Ejes (N3)
AxN3
20
1.76.E-10
210
0
2.11.E-09
107
0
1.99.E-08
48
0
35
1.45.E-07
160
0
1.74.E-06
78
0
1.64.E-05
34
0
50
45
2.96.E-06
100
0
3.55.E-05
66
0
3.34.E-04
28
0
50
60
55
3.29.E-05
290
0
3.95.E-04
60
0
3.72.E-03
22
0
60
70
65
2.44.E-04
280
0
2.93.E-03
50
0
2.76.E-02
16
0
70
80
75
1.36.E-03
216
0
1.63.E-02
28
0
1.54.E-01
14
2
80
90
85
6.11.E-03
210
1
7.33.E-02
24
2
6.90.E-01
4
3
90
100
95
2.32.E-02
180
4
2.78.E-01
8
2
2.62.E+00
2
5
100
110
105
7.71.E-02
68
5
9.25.E-01
6
6
8.71.E+00
0
110
120
115
2.30.E-01
50
11
2.76.E+00
5
14
2.59.E+01
120
130
125
6.25.E-01
40
25
7.50.E+00
2
15
7.06.E+01
0
130
140
135
1.57.E+00
25
39
1.89.E+01
1
19
1.78.E+02
0
140
150
145
3.71.E+00
9
33
4.45.E+01
1
44
4.19.E+02
0
150
160
155
8.25.E+00
7
58
9.90.E+01
0
0
9.33.E+02
0
160
170
165
1.75.E+01
5
87
2.10.E+02
0
1.97.E+03
0
170
180
175
3.54.E+01
2
71
4.25.E+02
0
4.00.E+03
0
180
190
185
6.90.E+01
1
69
8.28.E+02
0
7.80.E+03
0
190
200
195
1.30.E+02
1
130
1.56.E+03
0
1.47.E+04
0
200
210
205
2.36.E+02
0
0
2.84.E+03
0
2.67.E+04
0
Desde
Hasta
10
30
30
40
40
C.A.M= (535+102+11)/ 805= 0.84
0 0
Estimación del C.A.M (MÉTODO 2) Se usa cuando no se dispone de las cargas reales que transitan sobre la vía pero se conoce la distribución del tráfico de acuerdo a su clasificación. De acuerdo a lo anterior el CAM se calcula mediante la siguiente ecuación
Donde es el tráfico en ejes equivalentes dado para el mismo periódo determinado para y se determina mediante la ecuación:
EJEMPLO DE CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE AGRESIVIDAD MEDIA (CAM). Método 2 AÑO
AUTOS
BUSES
C2P
C2G
C3-C4
C5
>C5
2003
6333
771
750
750
450
0
0
2004
6334
772
751
751
451
0
0
2005
6334
772
751
751
451
0
0
2006
6335
773
752
752
452
0
0
2007
6335
773
752
752
452
0
0
2008
6336
774
753
753
453
0
0
2009
6336
774
753
753
453
0
0
2010
6337
775
754
754
454
0
0
2011
6337
775
754
754
454
0
0
2012
6338
776
755
755
455
0
0
2013
6338
776
755
755
455
0
0
2014
6339
777
756
756
456
0
0
2015
6339
777
756
756
456
0
0
2016
6340
778
757
757
457
0
0
2017
6340
778
757
757
457
0
0
2018
6341
779
758
758
458
0
0
2019
6341
779
758
758
458
0
0
2020
6342
780
759
759
459
0
0
2021
6342
780
759
759
459
0
0
2022
6343
781
760
760
460
0
0
La siguiente tabla muestra la estimación de tráfico para una vía cualquiera estimar el CAM para un pavimento flexible ?
EJEMPLO DE CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE AGRESIVIDAD MEDIA (CAM). Método 2 Aci
AÑO
AUTOS
BUSES
C2P
C2G
C3-C4
C5
>C5
2004
6333
771
750
750
450
0
0
BUSES
0.674
C2P
0.644
C2G
0.674
C3-C4
1.256
C5
1.899
VPe=0.674x771+0.644x750+0.674x750+1.256x450
>C5
1.584
VPe=7160.154
CAM=2073.354/2721 CAM=0.762
Familias de pavimentos Pavimento Flexible
Familias de pavimentos Pavimento Rígido
Admisibilidades •Admisibilidad de la subrasante Para conocer la admisibilidad de la subrasante es necesario conocer el módulo elástico y a ley de fatiga
z
ANe
b
z = Deformación admisible de la subrasante
A = Constante en función del tráfico Ne = Tráfico equivalente B = Pendiente de la ley de fatiga (-0.222)
Medio y elevado Bajo
0.012 0.016
Admisibilidades •Admisibilidad para Material bituminoso •La deformación unitaria admisible de un material asfáltico debe
determinarse mediante la siguiente expresión: b
E (10º C ) NE t ,ad 6 (10º C ;25 Hz ) k c k r k s 6 E (q eq ) 10 t = Deformación unitaria admisible t = Deformación unitaria a 1´000.000 de ejes
Ne = Tráfico equivalente E(10°C)= módulo dinámico a 10°C E (qeq) = Módulo dinámico a la temperatura ambiente Kc = Coeficiente de calibración laboratorio Vs carrusel de fatiga de pavimentos. Kr = Coeficiente de ajuste del esfuerzo admisible a la probabilidad de falla Ks = coeficiente de reducción para tener en cuenta la heterogeneidad del suelo de subrasante.
Valores usados para los coeficientes Ks Coeficiente de reducción de la subrasante
Kr Coeficiente de ajuste del esfuerzo admisible a la probabilidad de falla
Kc es el coeficiente de calibración entre las medidas de laboratorio y los resultados en el sitio y para los materiales asfálticos
Pavimentos
Flexibles
Criterios de Diseño para Pavimentos de Bajo Tráfico.
Este caso corresponde a los pavimentos cuyo tráfico es del orden de 250.000 vehículos pesados. Estos pavimentos están constituidos por una capa de rodadura delgada colocada sobre una capa de material no tratado. TSD Carpeta asfáltica
Ne ≤ 150.000 150.000< Ne ≤ 250.000
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRÁFICO Diseñar el pavimento de una vía local la cual tiene el siguiente TPD 113, la distribución del tráfico promedio diario es la siguiente: 60% livianos 40% pesados (Buses 26% C-2P 65%, C-3 9%)
Adicional a los conteos se realizaron ensayos de módulo resiliente ala subrasante arrojando un módulo promedio de 20 MPa Estimar el tráfico de diseño, y la estructura necesaria para un periódo de 10 años y un crecimiento de 4%? 1.Estimar el CAM y el tráfico Equivalente
Aci BUSES 0.674 C2P 0.644 C3 1.256
= 12x0.674+30x0.644+4x1.256=32.432
32.432 = 0.72 45
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRÁFICO 1.Estimar el CAM y el tráfico Equivalente (continuación)
Ne 365 VP N a F c CAM (1+0.04)10-1
= 1.20
(10 x 0.04)
Ne 365 4510 1.20 0.72 142.124 Por ser un tráfico catalogado como T0 es posible construir un TSD
2.- Calculo de la Admisibilidad de la subrasante z , ad
A ( NE ) 0.22 2
z , ad
0.016(142.124) 0.22 2 1148 106
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRÁFICO
Para la estructura de pavimento se usaran los siguientes materiales granulares: Para la capa de base se utilizará una grava no tratada de Categoría 1 cuyas características son: – E = 600 MPa n = 0.35 Para la capa de sub base se utiliza un material granular no tratado (sin cementante) de tipo 2
Uso del Programa DEPAV
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRÁFICO
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRÁFICO
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRÁFICO
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRÁFICO Deformación en la Superficie del Suelo de Subrasante
Espesor de la Sub-base cm. z
54
56
1190E-6
1110E-6
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS Se desea diseñar una vía que tiene 210 Vehículos pesados por día con una tasa de crecimiento, geométrica de 7% anual, Vida útil de servicio 20 años Coeficiente de Agresividad Media CAM = 1 (1+0.07)20-1
= 2.049
(20 x 0.07)
Ne 365 VP N a F c CAM
Ne 365 210 20 2.049 1 3´141.117 Probabilidad de falla asociada al riesgo
•
Pf = 12% u= - 1.175
Módulo subrasante
•
Esr=120 MPa
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS (continuación) Propiedades de los materiales que se usarán
Calculo de la admisibilidad de la rodadura b
E (10º C ) NE k c k r k s t ,ad 6 (10º C ;25 Hz ) 6 E (q eq ) 10 2
2
c 0.02 1 n2 h 0.252 0.269 b 0 . 2
Kr=10-(-1.175 x -0.2 x 0.269) =0.864 Kc = 1.1 Ks = 1 (ver tablas)
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS (continuación) NE
t ,ad 6 (10º C ;25 Hz )
b
10 6
E (10º C ) E (q eq )
k c k r k s
0.2
3.14 10 7200 150 106 1.1 0.864 1 6 3000 10 6 t ,ad 150 10 0.795 1.549 1.1 0.864 1 6
t ,ad
t ,ad
175 106
Calculo de la admisibilidad de la Base asfáltica 2
2
c 0.02 2.5 n2 h 0.302 0.391 b 0 . 2
Kr=10-(-1.175 x -0.2 x 0.391) =0.810 Kc = 1.3 Ks = 1 (ver tablas)
(ver tablas)
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS (continuación) b
E (10º C ) NE t , ad 6 (10º C ;25 Hz ) k c k r k s 6 E (q eq ) 10 0.2
3.14 10 12200 t , ad 90 10 106 3500 1.3 0.810 1 6 t , ad 90 10 0.795 1.87 1.3 0.810 1 6
t , ad
6
141106
Calculo de la admisibilidad de la sub rasante z , ad
A ( NE ) 0.22 2
z , ad
0.016(3.14 106 ) 0.22 2 433106
EJEMPLO DE DISEÑO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFÁLTICAS GRUESAS (continuación)
Modelación en depav
Pavimentos
con capas tratadas con ligantes hidráulicos Material Asfáltico 4 ≤ h ≤ 14 cm
Capa tratado con ligante hidráulico 20 ≤ h ≤ 50 cm
Subrasante
o Este tipo de estructura es afectada por la fisuración debida a la retracción de fraguado. Las capas de base y sub-base tratadas deben considerarse para efectos de cálculo como una capa continúa .
b)
Pavimentos con capas tratadas con ligantes hidráulicos •
Para las condiciones de liga entre las capas se debe tener en cuenta lo siguiente: – La interfase entre la capa de rodadura y la capa de base debe
ser ligada (continuidad de desplazamientos en las interfaces) – En la interfase entre la capa de base y la capa de sub-base, la condición a mantener depende de la naturaleza del ligante. – Con una grava - cenizas volantes - cal, las capas se deben considerar sistemáticamente como no ligada – Con una grava escoria granulada las capas serán asumidas como ligadas (continuidad de desplazamientos y de esfuerzos).
Pavimentos con capas tratadas con ligantes hidráulicos Los parámetros a verificar en pavimentos construidos con capas tratadas con ligantes hidráulicos son los siguientes : – La rotura por fatiga en la base de las capas tratadas t – La deformación de la sub-rasante z
t z
MODELOS NUMERICOS z tyx txz
tyz
txz txy
x
Y
TEORIA BOUSSINESQ 3
z
z
q 1 2
b
2
z
3/ 2
TEORIA BOUSSINESQ
03/06/2004
ENSAYO DE LABORATORIO
ENSAYO DE LABORATORIO
ENSAYO DE LABORATORIO
LEY DE FATIGA LEYES DE FATIGA DESPERDICIO TEMPERATURA 10ºC Y FRECUENCIA 10 Hz 1000.E-06
N O I C A M 100.E-06 R O F E D 0.5% DESPERDICIO
0.4% DESPERDICIO
0.3% DESPERDICIO
0.2% DESPERDICIO
0.1% DESPERDICIO
0.0% DESPERDICIO
10.E-06 100,000
1,000,000
NUMERO DE CICLOS
10,000,000
LEYES DE FATIGA
ºT desciende N1 < N2
-6 10
N1
N2
Número de ciclos
CARRUSEL DE FATIGA
03/06/2004
03/06/2004
