EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE P AVIMENTO AASTHO 93
DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO ______________ _____________________ _______________ _______________ _______________ ______________ _____________ ________________ _________ 4. METODOLOGIA DE DISEÑO (MÉTODO AASHTO 93) El método AASHTO es un método de regresión basado en resultados empíricos de la carretera de prueba AASHO construida en los años 50. El procedimiento de diseño se realiza suponiendo un número estructural del pavimento efectuando tanteos analíticamente hasta equilibrar la expresión de diseño o a través de nomogramas. nomogramas. El número estructural de un pavimento se obtiene del producto de ciertos coeficientes de Resistencia Relativa de cada una de sus capas constituyentes, de acuerdo al tipo de material. La ecuación básica de diseño propuesta por AASHTO 93, es la siguiente: PSI Log10 4.2 1.5 2.32 Log (M r ) 8.07 Log10 (W 18 ) Z R S O 9.36 Log (SN 1) 0.20 1094 0.4 5.19 ( SN 1)
La ecuación básica de diseño propuesta por AASHTO 93, es la siguiente: Donde: = Z = S = PSI = W 18 R
O
M r SN
= =
Tráfico Desviación Estándar Normal Error Estándar Combinando de la predicción del tráfico Diferencia entre la serviciabilidad inicial P y final Pt Módulo Resilente de la sub – rasante (Psi) Número estructural indicativo espesor total del pavimento o
SN a1 D1 a 2 D2 m2 a3 D3 m3 ai
=
Coeficiente estructural de la capa i
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE P AVIMENTO AASTHO 93
Di
=
mi
=
Espesor de la capa i Coeficiente de drenaje de la capa granular i
4.1 Parámetros de Diseño 4.1.1 Período de Diseño TIPO DE CARRETERA
AÑOS
Autopistas urbanas Carretera de alto tránsito Carretera de bajo tránsito
30-50 20-50 15-25
4.1.2 Tránsito El diseño considera el número de ejes equivalentes (ESAL) para el período de análisis
W en el carril de diseño. A partir de conteos vehiculares y conversión a ejes 18
equivalentes, el diseñador debe afectar el ESAL en ambas direcciones por factores direccionales y de carril (si son más de dos), aplicando la siguiente ecuación:
Donde: : Tránsito acumulado en el primer año, en ejes equivalentes sencillos de 8.2 ton, en el carril de diseño. : Factor de distribución direccional; se recomienda 50% para la mayoría de las carreteras, pudiendo variar de 0.3 a 0.7, dependiendo de en qué dirección va el tránsito con mayor porcentaje de vehículos pesados. : Ejes equivalentes acumulados en ambas direcciones. : Factor de distribución por carril, cuando se tengan dos o más carriles por sentido. Se recomiendan los siguientes valores:
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Factor de distribución por carril.
Nº DE CARRILES EN PORCENTAJE DE W 18 EN EL CADA SENTIDO CARRIL DE DISEÑO 1 2 3 4
100 80-100 60-80 50-75
Cálculo del Tráfico durante el primer año de servicio DESCRIPCIÓN
Nº Nº VEH/AÑO VEH/DÍA
FACTOR CAMIÓN
ESAL
VEHICULOS LIGEROS
55829
20373935
0.0202
411553.49
C2 B3 C3 B4
1505 150 268 144
549325 54750 97820 52560
2.2838 1.7238 1.7238 3.64501
1254548.44 94378.05 168622.116 191581.726
T2S3 T3S2 T3S3 C4R2
124 106 129 15
45260 38690 47085 5475
2.94256 2.94256 2.81198 2.81198
133180.266 113847.646 132402.078 15395.5905
TOTALES
58260
2515509.39
ESAL (1VIA) 18 Kips = 2.52 10 para el primer año 6
Factor Direccional = D D = 50% (Vía de dos direcciones)
Factor de Distribución de Carril =
D L
= 100% (se considera un carril en cada
dirección)
Cálculo del Tráfico durante el primer año en el Carril de Diseño ESAL = 2.52 10 X 0.5 X1 6
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE P AVIMENTO AASTHO 93
ESAL =
1.26 10
6
Cálculo del Tráfico para el Período de Diseño de 20 años Tasa de crecimiento (r) = 3% Este factor se estima en base a las proyecciones de crecimiento poblacional y económico en el área de influencia el del tramo de carretera que se reflejaran en incremento del tráfico y también en la modificación del tipo de vehículos que circulan por el tramo. Período de diseño (n) = 20 años ESAL para el primer año
ESAL DISEÑO
= 1.26 10
6
1 r n 1 ESAL r
ESAL DISEÑO 5.03 10 6 4.1.3
Factor de confiabilidad R
Con el parámetro de Confiabilidad “R”, se trata de llegar a cierto grado de certeza en el
método de diseño, para asegurar que las diversas alternativas de la sección estructural que se obtengan, durarán como mínimo el período de diseño. Se consideran posibles variaciones en las predicciones del tránsito en ejes acumulados y en el comportamiento de la sección diseñada. Niveles Sugeridos de Confiabilidad (R) para varias Clasificaciones Funcionales
Clasificación Funcional Interestatal y otras vías Arterías principales Colectores Local
Nivel recomendado de confiabilidad Urbano Rural 85 – 99.9 80 – 99.9 80 – 99 75 – 95 80 – 95 75 – 95 50 – 80 50 – 80
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE P AVIMENTO AASTHO 93
A continuación se presenta algunos valores de confiabilidad propuestos para nuestra zona.
Niveles Sugeridos de Confiabilidad Tipo de Pavimento Autopistas Carreteras Rurales Zonas Industriales Urbanas Principales Urbanas Secundarias 4.1.4
Confiabilidad (R) 90% 75% 65% 60% 55% 50%
Desviación Estándar Normal Z R
La desviación estándar normal está en función de la confiabilidad del proyecto, R.
Valores de Desviación Estándar Normal Confiabilidad R (%)
Desviación Estándar Normal Z 0.000 -0.524 -0.674 -0.841 -1.282 -1.340 -1.405 -1.476 -3.090 -3.750 R
50 70 75 80 90 91 92 93 99.9 99.99
4.1.5
Error estándar por efecto del tráfico y comportamiento S O
Los valores de “So” en los tramos de prueba de AASHTO no incluyeron errores en la
estimación del tránsito; sin embargo, el error en la predicción del comportamiento de las secciones en tales tramos, fue de 0.35 para pavimentos flexibles y 0.25 para los rígidos, lo que corresponde a valores de la desviación estándar total debidos al tránsito de 0.35 y 0.45 para pavimentos rígidos y flexibles respectivamente
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE P AVIMENTO AASTHO 93
4.1.6
Índice de Serviciabilidad
El cambio o pérdida en la calidad de servicio que la carretera proporciona al usuario, se define en el método con la siguiente ecuación: PSI = Índice de Servicio Presente ΔPSI =
Po-Pt
Donde: ΔPSI = Diferencia entre los índices de servicio inicial u original y el final o Terminal deseado.
Po
=
Índice de servicio inicial (4.5 para pavimentos rígidos y 4.2 para flexibles).
Pt
=
Índice de servicio terminal, para el cual AASHTO maneja en su versión 1993
valores de 3.0, 2.5 y 2.0, recomendando 2.5 ó 3.0 para caminos principales y 2.0 para secundarios. Se hace notar que aún en la versión actual, AASHTO no ha modificado la escala del índice de servicio original de 0 a 5 para caminos intransitables hasta carreteras perfectas, respectivamente. Sin embargo, se sugiere que el criterio para definir el índice de servicio terminal o mínimo de rechazo (menor índice tolerado antes de realizar alguna operación de rehabilitación, reencarpetado o reconstrucción) esté en función de la aceptación de los usuarios de la carretera. Para el caso de diseños de pavimentos en climas muy extremosos, en especial los fríos, la guía de diseño del método actual recomienda evaluar adicionalmente la pérdida del índice de servicio original y terminal debida a factores ambientales por congelamiento y deshielo, que producen cambios volumétricos notables en la capa subrasante y capas superiores de la estructura del pavimento.
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE P AVIMENTO AASTHO 93
Serviciabilidad Índice de Servicio 5 4 3 2 1 0
Calificación Excelente Muy Bueno Bueno Regular Malo Intransitable
La selección del PSI más bajo permisible o Índice de Serviciabilidad Terminal Pt , está basado en el Índice mas bajo que será tolerado antes que se haga necesaria una rehabilitación, refuerzo superficial o reconstrucción. Se sugiere un índice de 2.5 ó mayor para el diseño de carreteras principales y de 2.0 para las carreteras con menores volúmenes de tráfico.
4.1.7
Se selecciona una serviciabilidad terminal de
Pt
Se selecciona una serviciabilidad inicial de
= 4.2
Po
= 2.5
Módulo de Resiliencia, CBR de la Sub-base granular, CBR de la Base y Módulo Elástico del Concreto Asfáltico
Modúlo de Resilente del suelo de la subrasante
La correlación se da en la siguiente relación: Mr 1500 CBR
(psi)
Mr 10.3 CBR
(Mpa)
. ASSHTO propone las siguientes:
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE P AVIMENTO AASTHO 93
Mr 17.6 CBR
1< CBR < 12
(Mpa)
12 < CBR < 80
(Mpa)
0.64
0.55
Mr
22.1 CBR
Determinación de las características de los materiales de las capas del pavimento
Módulo resilente efectivo de la Sub – Rasante Tramo Av. Circunvalación – jr. San Isidro M r 22.1 CBR 0.55 M r 22 .1 30 0.55
M r 143 .49 Mpa 145.631Psi M r 143.49 Mpa Mpa 1
M r 20896 Psi
Módulo resilente efectivo de la Sub – Rasante TRAMO III M r 22.1 CBR 0.55 M r 22.1 30.55
M r 40 .44 Mpa 145.631Psi M r 40.44 Mpa 1 Mpa
M r 5889 .3Psi
CBR de la sub-base CBRsubbase 60 %
CBR de la base CBRbase 74%
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE P AVIMENTO AASTHO 93
Módulo Elástico del Concreto Asfáltico E 400000 psi
4.1.8
Coeficientes de Capa
Es un valor numérico asignado a cada capa de material que conforma la estructura del pavimento, en función de su módulo de elasticidad ó CBR respectivo.
DESCRIPCION E a1
Coef. Capa
CBR
400000
-
-
de
0.42
a2
----
74
0.137
a3
----
60
0.13
0.118 4.1.9
Coeficiente de Drenaje
Capacidad del drenaje para remover la humedad. CALIDAD DEL DRENAJE Excelente Bueno Regular Pobre Malo
Valores
mi
AGUA REMOVIDA EN: 2 horas 1 día 1 semana 1 mes agua no drena
recomendados para modificar los
Coeficientes estructurales de capa de bases y sub-bases sin tratamiento, en pavimentos flexibles.
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE P AVIMENTO AASTHO 93
Calidad Drenaje Excelente Bueno Regular Pobre Muy Pobre
del Porcentaje de Tiempo al cual está Expuesta la Estructura del Pavimento a Niveles de Humedad Próxima a la Saturación Menor del 1% 1 - 5% 5 – 25% Mayor del 25% 1.40 – 1.35 1.35 – 1.30 1.30 – 1.20 1.20 1.35 – 1.25 1.25 – 1.15 1.15 – 1.00 1.00 1.25 – 1.15 1.15 – 1.05 1.00 – 0.80 0.80 1.15 – 1.05 1.05 – 0.80 0.80 – 0.60 0.60 1.05 – 0.95 0.95 – 0.75 0.75 – 0.40 0.40 m2 m1 1.0
4.2
Diseño Estructural del Pavimento 4.2.3. Cálculo de Número Estructural :TRAMO AVENIDA CIRCUNVALACION – JR SAN ISIDRO M r Efectivo del suelo de fundación
Confiabilidad Desviación Standard Total Pérdida de Serviciabilidad Tráfico Acumulado
:
5889.3 : : : :
Psi 75% 0.45 1.7 5.03 106
EJEMPLO DE APLICACIÓN DE DISEÑO DE P AVIMENTO AASTHO 93
Número estructural = 4.44
4.2.3
Cálculo de Espesores
TRAMO AVENIDA CIRCUNVALACION – J4R SAN ISIDRO DESCRIPCION Coef. de Capa Coef. De Drenaje Carpeta asfáltica 0.42 Base 0.118 1 Sub-base 0.13 1 Capa Anticontaminante 0.12 Mejoramiento de sub 0.11 1 rasante
ESPESOR (pulg) 3 8 8 4 12
SN ASUMIDO
4.604
Finalmente el diseño de la estructura del pavimento propuesto quedará de la siguiente manera.
CAPA PAVIMENTO FLEXIBLE Carpeta Asfáltica Base Sub-base Capa Anticontaminante Mej. De Sub Rasante
TRAMO: AV. CIRCUNV. – JR. S. I. 3" 20 cm 25 cm 10 cm 30 cm
