Guía 2002 AASHTO Diseño de pavimentos nuevos y rehabilitados Ing. Civil Carlos Wahr Daniel Roberto Parker Soto 2002
OBJETIVOS è
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La elaboración de la Guía 2002 se desarrolla bajo el Proyecto NCHRP 1-37 A : Procedimientos basados en enfoque empírico- mecanicista, que incluye una metodología para calibración, ca libración, v alidac alidación ión y adaptación a co condiciones ndiciones locales. Software incorporado Planes y estrategias para capacitación e implementación de la Guía Prom oción ent re agencias espec especialistas ialistas
OBJETIVOS è
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La elaboración de la Guía 2002 se desarrolla bajo el Proyecto NCHRP 1-37 A : Procedimientos basados en enfoque empírico- mecanicista, que incluye una metodología para calibración, ca libración, v alidac alidación ión y adaptación a co condiciones ndiciones locales. Software incorporado Planes y estrategias para capacitación e implementación de la Guía Prom oción ent re agencias espec especialistas ialistas
ASPECTOS GENERALES ASPECTOS GENER ALES GENERALES è
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Entrega procedimientos de diseño para pavimentos flexibles, rígidos y compuestos, para caminos nuevos y rehabilitados Se utilizan parámetros de diseño comunes para tráfico, subrasante, m edio am am biente, para t odos los tipos de pavim pavim ento. Las recomendaciones proveerán para la estructura (materiales y espesor de las capas) de estructuras nuevas y rehabilitadas, incluyendo procedimientos para determinar el espesor de las capas, tr atam ientos de rehabili rehabilitació tación, n, dr enaje, estr estr ategia ategiass para las las mej oras de las fundaciones y ot ros aspect aspect os del diseño. Incluye un procedimiento optativo para el análisis de costos en el ciclo de vida. Esta edición edición está está definida, en su m ayor part e, por principios m ec ecanicis anicistt as, basándos basándosee en en m odelos de diseño diseño y bancos de datos Sentará las bases para el diseño em pírico-m ec ecanicis anicistt a para los próxim os 10 a 25 años
ASPECTOS GENERALES ASPECTOS GENER ALES GENERALES è
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Los modelos presentados en la Guía AASHTO 2002 permiten relacionar cada una de las variables que influyen en el desempeño del pavimento, eligiendo diferent es niveles de sofist sofist ic icac ación ión en la entrada ent rada de d e datos. Los procedim procedim ientos descrit descrit os pueden adopt arse com com o un m ode odelo lo estándar estándar para todo el m undo, adaptándose adaptándose a la realidad de cada lugar. La Guí Guíaa 2002 y del soft softwar waree adj adjunt unt o serán serán de fác fácil il m anejo para el usuario. usuario.
INNOVACIONES TEMÁTICAS ü
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Recolección y procesamiento de los datos de t ráns ránsitito o Requerimientos de ensayos para asfalto y m ateriale aterialess granulares granulares I nco ncorr porac poración ión de fac f actt ores clim clim át átic icos os del del lugar en que se des desarr arrolla olla el el proyec pr oyectt o Pr oc ocedim edim ient o de rec r ecapados apados y rehabilitación de pavimentos
INNOVACIONES TEMÁTICAS Alejamiento del enfoque empírico (resultados de prueba AASHO), enfocándose hacia principios de resistencia de materiales y modelos probados. è Se podrán r egistrar y predecir aspect os relacionados con el diseño, evaluación del desempeño est ructural y element os no est ructu rales del pavim ento. è Importancia en un desembolso adecuado de recursos. Se proponen m étodos de evaluación de m ateriales , para desarrollar adecuados planes de mantenimiento y administración. è
INNOVACIONES TEMÁTICAS La Guía 2002 entrega recomendaciones estructurales para pavimentos nuevos y rehabilitados: Espesor del pavim ento è Tratamientos de rehabilitación è Drenajes superficiales è Análisis de costos en el período de vida útil del paviment o è
¿POR QUÉ EDITAR UNA NUEVA GUÍA? ü
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Rehabilitación: no considerada en AASHO Road Test Datos de Pru eba AASHO no per m it en evaluar efectos climáticos en otras latitudes Sólo se ut ilizó un t ipo de subrasant e en Pru eba AASHO Modelos de suspensión, configur ación de ejes y neumáticos en el momento de la Prueba AASHO est án obsoletos act ualm ent e
¿POR QUÉ EDITAR UNA NUEVA GUÍA? ü
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Los diseños de pavim entos, m ateriales y construcción eran los representat ivos de la época de la prueba AASHO. No se incluyó el subdrenaj e en las pistas de esta prueba. Diferencias con las actuales cargas de tráfico Sólo se usaron bases granulares Corta duración de prueba AASHO (2 años) AASHTO en la actualidad plantea la relación entre espesor de pavimento y serviciabilidad Sin embargo, son otros los deterioros que determinan la rehabilitación de los pavimentos.
PROCEDIMIENTOS EMPÍRICO - MECANICISTAS Variabilidad en materiales (1986)
Comparación con suelo distinto al de Illinois
No se aplica variabilidad en procesos constructivos
Pe r f o r m a n ce r e a l n o co c oi n c i d e c o n e l d i s e ñ o
PROCEDIMIENTOS EMPÍRICO - MECANICISTAS SOLUCI ÓN: Guía AASHTO 2002 . è Enfoque empírico-mecanicista permite un m ejor r egistro de efectos relacionados con: ü Clima Reducir variaciones en ü Envejecimiento desempeño del pavimento ü Características de Materiales è
Concesionarias o agencias deciden con respecto a costos (análisis probabilístico en ciclo de vida) y fluj os de caja
PROCEDIMIENTOS EMPÍRICO - MECANICISTAS è
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Ahorro de US$ 1,4 billones anuales (USA) por concepto de rehabilitación 1986: no habían herram ientas computacionales suficientes para desarrollar análisis empírico- mecanicista
VENTAJAS DE PROCEDIMIENTOS EMPÍRICO - MECANICISTAS 1. Evaluación de aplicaciones de carga no-tradicionales (por ejemplo, pueden modelarse: aumento de cargas, presión de neumáticos, ejes múltiples) 2. Uso adecuado de m ater iales disponibles (m ater iales estabilizados) 3. Se desarrollan procedimientos mejorados para evaluar fallas prematuras y para analizar expectativas del diseño 4. Se incluyen los efectos del envej ecim ient o en la est im ación de la perform ance.
VENTAJAS DE PROCEDIMIENTOS EMPÍRICO - MECANICISTAS 5.
Se consideran efectos estacionales ( por ejemplo, debilitamiento por deshielos)
6.
Mejor estudio de erosión de la subase en pavim entos r ígidos
7.
Aplicación de fut ur os enfoques, m etodologías y tecnologías para una mejor evaluación de beneficios a largo plazo al entregar mejores soluciones de dr enaje
COMPLEJIDADES ELABORACIÓN GUÍA AASHTO 2002 è
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Primer manual que incluye rehabilitación de pavimentos I nvolucra diseño tot al de la estructura del pavimento Inclusión de futuros avances
SOFTWARE Ø
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Ø
A m b i e n t e Op e r a ci o n a l : La plataforma recomendada es Win32. Compatibilidad otros programas de diseño Herramientas de interfase Windows 95, 98, 2000, XP y NT. Procesador : Se recomienda procesador Pentium o equivalentes Le n g u a j e d e p r o g r a m a ci ó n : C+ + (según inform ación entregada previa a la salida del software)
Unidades: el software puede operar con unidades SI o inglesas. Ø
SOFTWARE Ø
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Co n e x i o n e s c o n b a s e s d e d a t o s : acceso a sistemas de administración de bases de datos abiertos con mayor capacidad Op c ió n d e a y u d a p a r a e l o p e r a d o r : en pantalla y/o en línea, a través de dos instancias: Aspectos sensibles en todas las entradas de datos Ayuda vía HTML accesible desde cada pantalla Sa l i d a d e d a t o s : puede obtenerse en forma impresa (hardcopy) o guardarse en archivos (electronic copy), con formato HTML y/o Excel.
METODOLOGÍA GUÍA 2002 Propiedades de los Materiales
Modelo Climático Integrado Cargas por eje
Análisis
Estructura del pavimento
Predicción del deterioro
NIVELES DE ENTRADA DE DATOS Aspecto no considerado en ediciones anteriores
è
Ent rega flexibilidad en la obt ención de datos conform e a la im port ancia del proyecto y de la disponibilidad de fuent es de inform ación. è
Se aplica en aspectos com o: tránsito, m ateriales y factores am bient ales è
NIVELES DE ENTRADA DE DATOS • alto nivel de exactit ud
• aplicado a pavimentos con altos niveles
Nivel 1
Nivel 2
de tráfico o que implica importantes consecuencias económicas • datos se obtienen de mediciones en el sitio específico del pr oyecto o cercano a él; • requiere m ayor cantidad de recursos • similar a los típicos procedimientos aplicados en ant erior es ediciones de la Guía AASHTO • se aplica en niveles intermedios de diseño • se recurre a correlaciones, ecuaciones de regresión, valores regionales, bancos de datos e agencias • se utiliza si no se tienen los recursos para los ensayos necesarios del n ivel 1 ; • entr ega el m enor grado de exactitu d
Nivel 3
• se utiliza en caminos con volúmenes
bajos de tránsito o que su colapso no im plique gr aves consecuencias • se asumen valores por defecto o
CARACTERIZACIÓN DE DE MATERIALES La Guía 2002 presenta una serie de nuevas aproximaciones para la caracterización de los materiales. è ü
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Asfaltos: Mejor caracterización de los m ateriales asfálticos, ya que son altamente sensibles a la temperatura y a la velocidad de las cargas No más un número estructural único para los cementos asfálticos Hormigón de Cemento Portland: modelación m ecanicista de las capas de pavim ento
CARACTERIZACIÓN DE DE MATERIALES è
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Los procedimientos mecanicistas permitirán la aplicación de conceptos de la Resistencia de Materiales en el análisis de pavimentos (relación cargas-deterioro en sistemas de varias capas, efectos térmicos, caracterizacíón m ecanicista de los m ateriales) Sistema de Ingreso Jerárquico (asociado a nivel de confiabilidad) implica al ingeniero efectuar mediciones para caracterizar los materiales V al o r e s i n s i t u
CARACTERIZACIÓN DE DE MATERIALES Aspectos a considerar en los requerim ientos de respuesta de los m ateriales (según enfoque E-M) è Propiedades de respuesta: predicción de estados de esfuerzo y deform ación ( de la estructura del pavimento) sujeta cargas externas (Importantes: E, µ ) è Principales Deterior os y Funciones de Transferencia: estas últim as son las relaciones responsables de los principales m odos de deterioro asociados a cada m aterial.
CARACTERIZACIÓN DE DE MATERIALES (MEZCLAS ASFÁLTICAS) A continuación, se presentan las propiedades, funciones de transferencia y tipos de deterioro a considerar en el asfalto por la Guía 2002 M A TERI AL
PROPI ED AD ES
Módulo Elástico (dependiente de la tem peratura y de la edad) ü
Asfalto
ü
Módulo d e Poisson
Resistencia (triaxial, tensión indirecta) ü
ü
Fractura t érm ica
P RI N CI P A LES D ET ER I O RO S / FUNCI ONES DE TRAN SFERENCI A
Agrietamiento temperatura ü
a
ü
Fatiga por cargas repetidas
ü
Deformación permanente
baja
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES Niveles de ent rada de dat os: è
Nivel 1: datos de materiales obtenidos de pruebas de laboratorio in-situ (p.ej : prueba de m ódulo dinám ico de mezclas asfálticas en caliente)
è
Nivel 2: bancos de datos, correlaciones, modelos de agencias (p.ej: estimación de módulo de elasticidad en HCP, por ensayos de resistencia a la compresión)
è
Nivel 3: valores por defect o, parám etr os o m odelos nacionales calibrados ( p.ej: valor del m ódulo de Poisson, µ )
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES Material
Nivel 1
Nivel 2
Nivel 3
M e z c l a A sf á l t i c a
Medición del m ó d u l o d i n á m i co
Es t i m a c i ó n d e l m ódulo dinámico
Valor por defecto del mód ulo dinámico
Hormigón de Ce m e n t o Po r t l a n d
Medición del módulo elástico
Es t i m a c i ó n d e l módulo elástico
Valor por defecto del mód ulo elástico
Material estabilizado
Medición del módu lo de elasticidad
Es t i m a c i ó n d e l módu lo de elasticidad
Valor por defecto del mód ulo de elasticidad
Material Granular
Medición del m ó d u l o r e s il i e n t e
Es t i m a c i ó n d e l m ó d u l o r e s il i e n t e
Valor por defecto del mód ulo resiliente
Subrasante
Medición del m ó d u l o r e s il i e n t e
Es t i m a c i ó n d e l m ó d u l o r e s il i e n t e
Valor por defecto del módulo resiliente
CARACTERIZACIÓN DE DE MATERIALES C ATEGOR ATEGORÍAS DE MATERIALES PARA PAVIMENTOS ü
Mezcla asf á l t i c a en c al i e n t e c o n g r a n u l o m e t r í a co n t i n u a
ü
M a t e r i a l e s t r a t a d o s co n a s f a l t o d e g r a d u a c ió ió n d i s co n t i n u a
ü
Mezcla asf á l t i c a e n f rí rí o
ü
H o r m i g ón d e cemento p o r t l a n d (HCP)
ü
M a t e r i a l e s e s t a b i l i z a d o s co n c e m e n t a n t e s
ü
B as es y s u b a s e s g r a n u l a r e s n o e st a b i l i z a d a s
ü
Su e l o s d e s u b r a s a n t e
ü
Roca b a s e
CARACTERIZACIÓN DE DE MATERIALES
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES ASFÁLTICOS) Respuesta y comportamiento f u n c i ó n
è
Temperatura
Tiempo de aplicación de carga è
Granulometría del agregado
Módulo de Elasticidad mezcla
f u
i n c
ó n
f u n c i ó n f u n
Cont enido y rigidez del ligante
c i ó n
Cont enido de aire
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES ASFÁLTICOS) T º s a A l t
Tiempo o prolongado de aplicaciones de carga
Módulo de Elasticidad
m aterial granular
1 0 Km / H
BAJA VELOCIDAD
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES ASFÁLTICOS) B a j a s T º
o
Tiempo reducido de aplicaciones de carga
1 0 0 Km / H
MÁXIMA VELOCIDAD
σ
Comportamiento Elástico Puro
E 1
ε
CARACTERIZACIÓN DE DE MATERIALES (HORMIGÓN -HCP) è
Losa I nt act a
Clasificación è
Losa Fracturada
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MAT. EN BASE CEMENTO PORTLAND -HCP) è
Losa Intacta Gran cantidad de información disponible de propiedades de materiales, funciones de deterioro y resistencia de placas
è
Losa Fracturada
•
Se aplica en rehabilitación de pavim entos ( involucra la disminución de la longitud efectiva de la placa o losa) I m portante conocer grado de fracturam iento de placa para valor es de E ( procedim ient o de capas elást icas) E de losa chancada se puede aprox im ar a E de rocas chancadas de alt a calidad Mét odo confiable: iteraciones basadas en dat os de FWD
• • •
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTANTES) è
Abarca una amplia gama de materiales puzolánicos quím icam ente react ivos Gran ganancia en rrigid igidez, encia y ez, rresist esistencia otr as propiedades, asemej ando el asem ejando com port am iento de de los los HCP HCP comportamiento Este amplio rango de variaciones mecánicas permite análisis M-E
Leve modificación de propiedades químicas
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTANTES)
ATENCI ÓN!!! ÓN! !! è
Dificultades en la recolección de dat os de diseño:
Aumento excesivo en propiedades claves de la Resistencia de Materiales con el paso del tiempo (m ódulo de rigidez y resistencia, por ej emplo) Nivel de incremento último y tiem po en que ocurre
Cantidad de agente estabilizante aplicado èMaterial (mezclado con el agent e estabilizante ) èEficiencia en proceso de mezcla en terreno è
f u n c i ó n
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES GRANULARES) è
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Material con un fuerte compor tam iento no- lineal. Módulo de elasticidad está altamente influido por el estado no lineal de esfuerzos y el contenido de humedad in-situ. Deformación permanente: importancia en capas débiles o mal protegidas. Actual estado del arte de los métodos iterativos de retrocálculo no perm ite una determ inación exacta de los coeficient es no-lineales in-situ com parado con los resultados obtenidos a partir de programas de ensayo en laboratorio. Cuidado extremo en ensayos no-destructivos, asegurando que las cargas utilizadas sean comparables con las utilizadas en los análisis E-M.
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES GRANULARES) MODELO K1-K3 (Modelo universal para suelos granulares). k 2 τoct k 3 θ M R = k 1 * p a * p a * p a + 1
è
[ ] [
•
M R : módulo resiliente (en Pa)
•
p a : presión atmosférica (en Pa)
•
•
•
•
•
]
k 1 , k 2 , k 3 : constantes de regresión, las cuales son funciones del tipo específico y propiedades físicas (densidad-humedad) del material. s
: esfuerzo de deform ación, representado por la suma de todas las com ponentes norm ales ortogonales que actúan en un punt o dado. τoct : esfuerzo octaédrico de corte actuando en el material. ,
s
θ
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES GRANULARES) è
σ confinamiento
è
σ confinamiento
Granulometría Gruesa
Se a s o c i a
RI GI D EZ
Granulometría Fina
Se a s o c i a
RI GI D EZ
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (ROCA MADRE) è
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Su pr esencia cerca del pavim ento puede influir altam ente en la rigidez de las capas superiores Aunque es rara la obt ención de v alores del módulo de rigidez para este tipo de m ateriales, cualquier capa rígida inferior (roca) cercana a la estructura del pavim ento, debe ser incorporada al análisis (al menos de una forma aproximada)
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (OBSERVACIONES) è
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Materiales ligados (cem ent o asfáltico, HCP, bases estabilizadas de alta resistencia) pueden presentar relaciones σ – ε , generalmente, lineales. Materiales no ligados (materiales granulares o suelos de granulom etría fina) desarrollan propiedades conform e con el estado de esfuerzos Expresiones que relacionan E y σ para suelos granular es y finos Se requier e el valor del coeficient e de dilatación lineal ( α ) para los HCP. Los valores asum idos para el Módulo de Poisson ( µ ) son aceptables para rutinas e diseño E-M, en base a modelos elásticos e isotr ópicos del análisis estructu ral.
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (RIGIDEZ EN MEZCLAS ASFÁLTICAS) Propiedades de f u n c i ó n rigidez de m ezclas asfálticas è
• • • è
Temperatura èCarga Impuesta èEdad è Características de la mezcla è
En esta Guía 2002 se desarrolla una relación entre: Rigidez del cem ento asfáltico ( Módulo Dinám ico) Nivel de carga impuesta Temperatura de la mezcla La curva m aestr a junt o con un m odelo de envejecimiento del ligante asfáltico, sirven para determ inar valores para el módulo de la mezcla en puntos incrementales del período de diseño.
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (CURVA MAESTRA) log( E *) = δ
+
α 1+ e β
γ (log t r )
+
1.0E+07
1.0E+06
U L U D O M C I M A N Y D
12 F 40 F 70 F 100 F 130 F
1.0E+05
1.0E+04 1.E-07
1.E-05
1.E-03
1.E-01 TIME
1.E+01
1.E+03
1.E+05
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (CURVA MAESTRA) è
SUPERPOSICIÓN TIEMPO, TEMPERATURA, EDAD 1.0E+07
1.0E+06
S U L U D O M C I M A N Y D
1.0E+05
12 F 40 F 70 F 100 F 130 F
Aging
log(t r )
=
log(t )
−
c
log(η )
−
log(ηT ) r
Temperature
1.0E+04 1.E-07
1.E-05
1.E-03
1.E-01 TIME
1.E+01
1.E+03
1.E+05
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (CURVA MAESTRA)
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (SUPERPOSICIÓN TIEMPO-TEMPERATURA)
CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (SHIFT FACTOR)
DISEÑO DE PAVIMENTOS NUEVOS MEZCLAS ASFÁLTICAS è
•
•
NIVEL 1 Para t razar la curv a maestra se utilizarán datos de ensayos en laboratorio: rastr eo de frecuencias del m ódulo dinám ico en testigos (para cinco Tº y cuatr o niveles de carga) pruebas en el ligante
NIVEL 2 y 3 è
è
• • •
Para t razar la curv a m aestra se utilizarán v alores del módulo dinámico obtenidos de la ecuación de Witczak. Esta ecuación prevee el valor del m ódulo dinámico en base a: Viscosidad y contenido efectivo del bitumen contenido de aire granulometría del agregado
REHABILITACIÓN DE PAVIMENTOS DISEÑO EN MEZCLAS ASFÁLTICAS è
è
NIVEL 1 Métodos iterat ivos de retrocálculo para obtener el módulo de elasticidad in- situ. La m ezcla asfáltica a utilizar es envejecida para el período de diseño, dependiendo del daño en el mom ento de efectuar el análisis.
è
NIVEL 2 Cálculo del módulo dinámico utilizando la ecuación predictiva de Witczak, aplicando propiedades apreciadas en testigos.
è
NIVEL 3 Uso de propiedades típicas de mezcla en la ecuación de Witczak, con ajustes en el módulo de elasticidad por daño, en base en inspecciones a pavimentos deteriorados.
ECUACIÓN DE WITCZAK
MÓDULO DE ELASTICIDAD MEZCLAS ASFÁLTICAS (ENSAYOS REQUERIDOS) NIVEL 1 è
è
Se requer irá la ejecución de ensayos par a determ inar la m agnitud del m ódulo dinám ico Ensayos de laborat orio para el desarr ollo de la curv a m aest ra
è
è
NIVEL 2 No se requieren ensayos especiales Caracterización de la mezcla y de las características del ligante (basta con un laboratorio típico bien equipado)
NIVEL 3 è
No se requieren ensayos especiales
NIVELES DE ENTRADA DE DATOS (ASPECTOS GENERALES) TI PO DE DI SEÑO
NI VEL
PROCEDI MI ENTO üensayo
1
Nuevo
de laboratorio del comportam iento de E* (m ódulo dinám ico); üconducta de bases granulares en el ligante; üenvejecimiento simulado de la mezcla üdesarrollo de la curva m aestr a üuso
2
3
de la ecuación predictiva del E* ; üejecución de ensayos del módulo G en el asfalto; üdesarrollo de la curva m aestr a üuso
de la ecuación pr edictiv a del E* ; üdesarrollo de la curva m aestra de la m ezcla asfáltica
NIVELES DE ENTRADA DE DATOS (ASPECTOS GENERALES) TI PO DE DI SEÑO
NI VEL
PROCEDI MI ENTO ü Métodos
1
Rehabilitación
2
3
iterativos FWD (deflectómetro de impacto) ; ü Desarrollo de la curva maestra de mezcla con el envejecimiento; ü Ensayos de laboratorio con testigos üPropiedades
de mezcla a partir de
testigos; üDesarrollo de la curva maestra de mezcla. üDesarrollo
de la curva maestra de mezcla sin daño a partir de propiedades típicas de mezcla; üAjuste para bases dañadas a partir
REHABILITACIÓN DE PAVIMENTOS è
è
• • • • •
Es un aspecto integral y de gran importancia en esta edición 200 2. Recapados en pavim entos flexibles: Cem ent o asfáltico sobre cem ent o asfáltico HCP sobre cemento asfáltico (método convencional) HCP sobre cemento asfáltico (ultra-delgado; método ACPA) Materiales no ligados (m ateriales granulares o suelos de granulom etr ía fina) Otros métodos mejorados (con respecto a la edición 1986)
