Date post: | 30-Oct-2015 |
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ING. JOS R. HARRIS Q. 1
DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE -
AASHTO
El mtodo de diseo AASHTO, originalmente conocido como AASHO, fue desarrollado en los Estados Unidos en la dcada de los 60, basndose en un ensayo a escala real realizado durante 2 aos en el Estado de Illinois. A partir de los deterioros que experimentan representar las relaciones deterioro -
solicitacin para todas las condiciones ensayadas.
A partir de la versin del ao 1986, el mtodo AASHTO comenz
a introducir conceptos mecanicistas para adecuar algunos parmetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar del ensayo original.
Los modelos matemticos respectivos tambinrequieren de una calibracin para las condicioneslocales del rea donde se pretenden aplicar.
Referencia: Gua AASHTO para el Diseo de Estructuras de Pavimentos 1993
http://www.trb.org/mepdg/
ING. JOS R. HARRIS Q. 2
DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE -
AASHTO
CARPETA ASFLTICA
CAPA BASE
D1
D2
SUBGRADO
CAPA SUB-BASE D3
SELLOS
CAPA BASE D2
SUBGRADO
CAPA SUB-BASE D3
ADOQUINES
CAPA BASE D2
SUBGRADO
CAPA SUB-BASE D3
D1
ING. JOS R. HARRIS Q. 3
1. ECUACIN DE DISEO PARA PAVIMENTO FLEXIBLE 1986-93
( )07,8log32,2
1109440,0
5,12,4log
20,0)1(log36,9)(log
10
19,5
10
1010
+++
+++=
R
oR
MSN
PSI
SNSZESAL
Desviacin estndar normal Desviacin estndar global Nmero estructural
Cambio en la Servicialidad
Mdulo de resilencia
Ejes equivalentes
El modelo de ecuacin de diseo est basado en la prdida del ndice de servicialidad (PSI) durante la vida de servicio del pavimento; siendo ste un parmetro que representa las bondades de la superficie de rodadura para circular sobre ella.
ING. JOS R. HARRIS Q. 4
El modelo de ecuacin de diseo est basado en la prdida del ndice de servicialidad (PSI) durante la vida de servicio del pavimento; siendo ste un parmetro que representa las bondades de la superficie de rodadura para circular sobre ella.
Curva de comportam
Curva de diseo
Log (ESAL)
S
E
R
V
I
C
I
A
L
I
D
A
D
po
pt
ING. JOS R. HARRIS Q. 5
1.1 ZR
= DESVIACIN ESTNDAR NORMAL (vase Tabla 4.1 y Tabla 2.2
)
Tabla 4.1 Valores de la desviacin estndar normal, ZR , correspondientes a los niveles de confiabilidad, RConfiabilidad, R, en porcentaje Desviacin estndar normal, ZR
50 -0,000 60 -0,253 70 -0,524 75 -0,674 80 -0,841 85 -1,037 90 -1,282 91 -1,340 92 -1,405 93 -1,476 94 -1,555 95 -1,645 96 -1,751 97 -1,881 98 -2,054 99 -2,327
99,9 -3,090 99,99 -3,750
ING. JOS R. HARRIS Q. 6
ZR
= DESVIACIN ESTNDAR NORMAL (vase Tabla 4.1 y Tabla 2.2
)
Tabla 2.2 Niveles sugeridos de confiabilidad de acuerdo a la clasificacin funcional del camino.
Nivel de confiabilidad, R, recomendado Clasificacin funcional
Urbana Rural Interestatales y vas rpidas 85 99,9 80 99,9
Arterias principales 80 99 75 95 Colectoras 80 95 75 95
Locales 50 80 50 80
La confiabilidad en el diseo (R) puede ser definida como la probabilidad de que la estructura tenga un comportamiento real igual o mejor que el previsto durante la vida de diseo adoptada.
Cada valor de R est asociado estadsticamente a un valor del coeficiente de STUDENT (ZR ). A su vez, ZR determina, en conjunto con el factor "So", un factor de confiabilidad.
ING. JOS R. HARRIS Q. 7
1.2 SO
= Desviacin normal del error estndar combinado en la estimacin de los parmetros de diseo y el comportamiento del pavimento (modelo de deterioro)
Para pavimentos flexibles:0,40 < So < 0,50
Se recomienda usar 0,45
ING. JOS R. HARRIS Q. 8
1.3 SN = Nmero estructural indicativo del espesor total requerido de pavimento
SN = a1
D1
+ a2
D2
m2
+ a3
D3
m3donde ai = coeficiente estructural de la capa iDi = espesor, en pulgadas, de la capa imi = coeficiente de drenaje de la capa i
CARPETA ASFLTICA
CAPA BASE
D1
D2
SUBGRADO
CAPA SUB-BASE D3
ING. JOS R. HARRIS Q. 9
Coeficientes estructurales
Los materiales usados en cada una de las capas de la estructura de un pavimento flexible, de acuerdo a sus caractersticas ingenieriles, tienen un coeficiente estructural "ai ". Este coeficiente representa la capacidad estructural del material para resistir las cargas solicitantes.
Estos coeficientes estn basados en correlaciones obtenidas a partir de la prueba AASHO de 1958-60 y ensayos posteriores que se han extendido a otros materiales y otras condiciones para generalizar la aplicacin del mtodo.
Espesores mnimos (in)
Trfico, ESAL Concreto asfltico, D1 Capa Base, D250 000-
50 001 a 150 000150 001 a 500 000
500 001 a 2 000 0002 000 001 a 7 000 000
7 000 000+
1,0 (o tratam. Superficial)2,02,53,03,54,0
444666
ING. JOS R. HARRIS Q. 10
a1
= coeficiente estructural de la carpeta asfltica(Figura 2.5, si se conoce el Mdulo de Elasticidad de la mezcla asfltica en psi o la Figura 00, si se conoce la Estabilidad Marshall en libras)
Figura 2.5Figura 00
ING. JOS R. HARRIS Q. 11
AASHTO ESPECIFICACIONES Standard Method
of
test
for
Resistance
to
Plastic
Flow
of
Bituminous
Mixtures Using
Marshall
Apparatus
ING. JOS R. HARRIS Q. 12
ING. JOS R. HARRIS Q. 13
a2
= coeficiente estructural para la capa base
Figura 2.6, si se utiliza capa base granular
Figura 2.6
ING. JOS R. HARRIS Q. 14
a3
= coeficiente estructural para la capa sub-base
Figura 2.7, si se utiliza capa sub- base granular
Figura 2.7
ING. JOS R. HARRIS Q. 15
mi
= coeficientes de drenaje
Calidad del drenaje Porcentaje del tiempo en que la estructura de pavimento esta expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturacin
Menos de 1% 1 5% 5 25% Ms del 25%
Excelente 1,40 1,35 1,35 1,30 1,30 1,20 1,20
Buena 1,35 1,25 1,25 1,15 1,15 1,00 1,00
Regular 1,25 1,15 1,15 1,05 1,00 0,80 0,80
Pobre 1,15 1,05 1,05 0,80 0,80 0,60 0,60
Deficiente 1,05 0,95 0,95 0,75 0,75 0,40 0,40
Tabla 2.4 Coeficiente de drenaje mi , recomendado
ING. JOS R. HARRIS Q. 16
mi
= coeficientes de drenaje
La calidad del drenaje se define en trminos del tiempo en que el agua tarda en ser eliminada de las capas granulares (capa base y sub-base):
Calidad del drenaje Agua eliminada en
Excelente 2 horas
Buena 1 da
Regular 1 semana
Pobre 1 mes
Deficiente Agua no drena
Para calcular el tiempo en que el agua es eliminada ser
necesario conocer la permeabilidad, k, pendientes, espesores D2
y D3
de los materiales a utilizar como capa base y sub-base, respectivamente.
ING. JOS R. HARRIS Q. 17
1.4 PSI = diferencia entre el ndice de servicialidad inicial, po, y el ndice de servicialidad
terminal
de
diseo, ptPSI = po pt
Servicialidad
es la condicin de un pavimento para proveer un manejo seguro y confortable a los usuarios en un determinado momento. Inicialmente se cuantific
la servicialidad
de una carretera pidiendo la opinin de los conductores, estableciendo el ndice de servicialidad
p de acuerdo a la siguiente calificacin:
ndice de Servicialidad, p Calificacin
0 - 1 Muy mala
1 2 Mala
2 3 Regular
3 4 Buena
4 - 5 Muy buena
ING. JOS R. HARRIS Q. 18
Posteriormente se estableci
una combinacin matemtica de mediciones fsicas en los pavimentos, siendo una forma ms objetiva de evaluar este ndice.
[ ] [ ] 221 38,101,01log91,103,5 RDPcSp fv ++=Sv
: Varianza de las inclinaciones de la rasante existente en sentido longitudinal respecto de la rasante inicial. Mide la rugosidad en sentido longitudinal.
cf
: Suma de las reas fisuradas
en ft2
y las grietas longitudinales y transversales en pie, por cada 1000 ft2
de pavimento.
P : rea bacheada en ft2
por cada 1000 ft2
de pavimento.
RD: Profundidad media del ahuellamiento
en pulgadas. Mide la rugosidad transversal.
po
= 4,2-
(4,2 es la mxima calificacin lograda en la AASHO Road
Test
para pavimento flexible).
pt
= ndice ms bajo que puede tolerarse antes de realizar una medida de rehabilitacin = 2,5+ para carreteras con un volumen de trfico alto
2,0+ para carreteras con un volumen menor.
ING. JOS R. HARRIS Q. 19
ING. JOS R. HARRIS Q. 20
1.5 MR
= mdulo de Resilencia, en psi, del material de terracera (subrasante).
La capacidad del suelo se mide mediante las pruebas de CBR y Mdulo de Resilencia, dependiendo de los equipos disponibles.
Relaciones CBR -
Mdulo de Resiliencia:En nuestro pas no existe experiencia ni equipos para determinar el Mdulo de Resilencia. Ante esta carencia se recurre a correlaciones con el CBR.
Se puede utilizar la siguiente correlacin entre el CBR de la terracera y el mdulo de resilencia:
MR (psi) = 1500 CBR
ING. JOS R. HARRIS Q. 21
p2
h Capa base o selecto 2
2a
P1
1
p1
Subgrado 2a
22
18.1 FEpa=
Prueba de placa para determinar el modulo de elasticidad
ING. JOS R. HARRIS Q. 22
1.6 ESAL = W18
= Equivalent
Single Axle
Load =
Cantidad pronosticada de repeticiones del eje de carga equivalente de 18 kips
(8,16 t = 80 kN) para el periodo
analizado.
Informacin bsica requerida:
SN = asumir un valor inicial del nmero estructural, considere 1 (uno) como mnimo.
t = periodo de anlisis en aos
Tipo de carretera Periodo de anlisis (aos), t
Urbana de alto volumen 30 a 50
Rural de alto volumen 20 a 50
Pavimentada de bajo volumen 15 a 25
Tratada superficialmente de bajo volumen
10 a 20
ING. JOS R. HARRIS Q. 23
ADT = trnsito promedio diario anual (Average Dairy Traffic) en vpd, representa el promedio aritmtico de los volmenes diarios de trnsito durante un ao, previsibles o existentes en una seccin dada de la va. Se determina por razones prcticas en forma diferenciada para cada tipo de vehculo.
Clasificacin de los vehculos (vehculos de pasajeros, buses, camiones, etc.) y Composicin del trfico (tipos de ejes de carga y su respectivo porcentaje de distribucin en el ADT)
ING. JOS R. HARRIS Q. 24
ING. JOS R. HARRIS Q. 25
g = tasa de crecimiento; representa el incremento promedio anual del ADT. En general, las tasas de crecimiento son distintas para cada vehculo.
n = nmero de carriles
DD = distribucin direccional crtica (a menos que existan consideraciones especiales, la distribucin direccional asigna un 50% del trnsito a cada direccin)
DL = factor de distribucin por carril
Nmero de carriles en una direccin Porcentaje del ESAL en el carril de diseo, DL
1 100
2 80 a 100
3 60 a 80
4 50 a 75
ING. JOS R. HARRIS Q. 26
El trnsito solicitante es un factor fundamental en todos los mtodos de diseo estructural de pavimentos. Las cargas de los vehculos son transmitidas al pavimento mediante dispositivos de apoyo multiruedas
para distribuir la carga total solicitante sobre una superficie mayor, siendo posible reducir los esfuerzos
y deformaciones que se producen al interior de la superestructura. El nmero y composicin de los ejes pesados que solicitarn al pavimento durante su vida de diseo se determinan a partir de la informacin bsica suministrada.
ING. JOS R. HARRIS Q. 27
Procedimiento:
Asuma un valor del nmero estructural = SN (asumido)
Determine los factores de equivalencia, F; usando las Tablas D.1 a D.9 segn sean las condiciones o la siguiente ecuacin:
( ) ( ) 218
218
log33,4log79,4118log79,4log LGGLLww t
x
tx
t
tx ++++=
donde
=
5,12,42,4log10 tt
pG( )
( ) 23,3219,523,3
2
1081,040,0
LSNLLx
x +++=
( ) 19,518 1109440,0 ++= SN
=
18
1
t
tx
ww
FsiendoL2 = 1, 2, 3 para ejes sencillos, tandem
y triple, respectivamente.Lx = carga del eje en kips.
ING. JOS R. HARRIS Q. 28
ING. JOS R. HARRIS Q. 29
Los resultados de la Prueba de Carreteras AASHTO mostraron que el dao que produce un eje con una carga determinada puede representarse por
el nmero de pasadas de un eje sencillo de 18 kips
(8,16 t = 80 kN) de rueda doble, considerado como eje patrn, que produce un dao similar. Distintas configuraciones de ejes y cargas inducen daos diferentes en el pavimento, pudiendo asociarse dicho deterioro al producido por un determinado nmero de ejes convencionales de 18 kips
de carga por eje sencillo de rueda doble.
Calcular las repeticiones diarias para cada eje = ADT % Composicin
Calcular los ejes equivalentes de 18 kips esperados el primer da de apertura del pavimento, ESALo.
Tipo de vehculo
Ap B T2-S2 TOTAL
Cantidad ADT
% Composicin 100%
ING. JOS R. HARRIS Q. 30
SN (asumido) = ______
Tipo de vehculo
Ejes de carga (kips)
% Composicin
Factor de equivalencia
Repeticiones diarias
Ejes equivalentes
(1) (2) (3) (4) (5)=ADT(3) (6)=(5)(4) 2S
Ap 2S 8S
B 16S 8S 18S T2-S2 24T
ESALo =
Calcular los ejes equivalentes esperados el primer ao de uso del pavimento18
= ESALo
365
Realizar los ajustes a causa del nmero de carriles y la distribucin direccional:w18
= DD
DL
18
ING. JOS R. HARRIS Q. 31
Pronosticar la cantidad de repeticiones del eje equivalente de 18 kips esperados al final del periodo de diseo, W18 = ESAL:
( )
+==ggwWESAL
t 111818
2. Resolver la ecuacin de diseopara SN. Esto nos proporcionarel SN calculado.
( ) ( )( )
07,8log32,2
1109440,0
5,12,4log
20,01log36,9log 1019,5
10
1010 +++
+++= RoR M
SN
PSI
SNSZESAL
ING. JOS R. HARRIS Q. 32
3. Comparar el SN (asumido), el que utiliz
para
determinar los factores de equivalencia, con el SN (calculado):
Si la diferencia es menor a 1, entonces pase al punto 4.
Si la diferencia es mayor a 1, entonces proceda iterativamente hasta lograr que SN (calculado) = SN (asumido).
ING. JOS R. HARRIS Q. 33
4. Utilice el procedimiento de la Figura 3.2 para determinar los espesores requeridos de acuerdo al SN encontrado.
ING. JOS R. HARRIS Q. 34
4.1 Para determinar el espesor de la carpeta asfltica D1
se asume que toda la resistencia, para soportar las repeticiones pronosticadas, la brinda la carpeta asfltica.
Se resuelve la ecuacin de diseo colocando en lugar del MR
de la terracera, el valor del EBS
obtenido por ensayo directo o por correlacin con una prueba de resistencia como el CBR. Al resolver la ecuacin de diseo se obtiene un SN = SN1
SN1
= a1
D1
D1
*
SN1
/ a1
Se redondea el valor de D1
a un entero de pulgada o media pulgada. Este ser
el valor D1
*
( ) ( )( )
07,8log32,2
1109440,0
5,12,4log
20,01log36,9log 1019,5
1
10
11010 +++
+++= BSoR E
SN
PSI
SNSZESAL
ING. JOS R. HARRIS Q. 35
4.2 Para determinar el espesor de la capa base D2
se asume que toda la resistencia la brinda la carpeta asfltica y la capa base, de manera que
SN2
= SN1
+ a2
D2
m2
donde SN2
se determina con la ecuacin de diseo colocando en lugar del MR
el valor del mdulo de elasticidad de la capa sub-base ESB
obtenido por ensayo directo o por correlacin con una prueba de resistencia como el CBR.Con este valor de SN = SN2
D2
*
(SN2
SN1
*) / (a2
m2
)
SN1
* + SN2
*
SN2
( ) ( )( )
07,8log32,2
1109440,0
5,12,4log
20,01log36,9log 1019,5
2
10
21010 +++
+++= SBoR E
SN
PSI
SNSZESAL
ING. JOS R. HARRIS Q. 36
4.3 Para determinar el espesor de la capa sub-base se asume que toda la resistencia la brinda la carpeta asfltica+capa base+capa sub-base, pero esto ya se realiz
cuando usamos el Mdulo de resilencia
de la terracera MR
para calcular el SN que se convertir
en SN3
.
SN3
= SN1
+ SN2
+ a3
D3
m3
33
*2
*13
3)(
maSNSNSND +
( ) ( )( )
07,8log32,2
1109440,0
5,12,4log
20,01log36,9log 1019,5
3
10
31010 +++
+++= RoR M
SN
PSI
SNSZESAL
ING. JOS R. HARRIS Q. 37
EJEMPLOCarretera rural de bajo volumen de trnsito.Hombros de asfalto.Trfico promedio diario anual, ADT = 218 vpdTasa de crecimiento medio anual, g = 7%Periodo de diseo, t = 20 aos
Tipo de vehculo C2 C3 T3-S2 TOTAL
Cantidad 140 70 8 218
% Composicin 64% 32% 4% 100%
Estabilidad Marshall
(E.T.G.
MOP) = 1000 librasCBRBASE
= 60%
EBS
= 27000 psiCBRSUBBASE
= 25%
ESB
= 14000 psiCBRSUBRASANTE
= 2%
MR
= 3000 psi
ING. JOS R. HARRIS Q. 38
EJEMPLO
Determine el espesor de la carpeta asfltica, capa base y sub-base para un periodo de diseo de 20 aos:
ZR
= 0
para R = 50 (camino rural local)
So
= 0,45
recomendado para pavimento flexible
SN = a1
D1+a2
D2
m2
+a3
D3
m3
a1
= 0,3 (Figura 00, Estabilidad = 1000 lb)a2
= 0,125 (Figura 2.6, CBR = 60%)a3
= 0,103 (Figura 2.7, CBR = 25%)m2
= m3
= 0,80 (recomendado)
PSI = po
pt
= 4,2
2,0 = 2,2
ING. JOS R. HARRIS Q. 39
EJEMPLO
W18
= ESAL
SN (asumido) = 4,0
Tipo de vehculo
Ejes de carga (kips)
% Composicin
Factor de equivalencia
Repeticiones diarias
Ejes equivalentes
(1) (2) (3) (4) (5)=ADT(3) (6)=(5)(4) 6S 0,64 0,010 140 1,4
C2 15S 0,64 0,481 140 67,3 6S 0,32 0,010 70 0,7
C3 30S 0,32 8,6 70 602 9S 0,04 0,059 8 0,5 28T 0,04 0,481 8 3,8 T3-S2 28T 0,04 0,481 8 3,8
ESALo = 679,6
18
= ESALo
365 = 679,6
365 = 248 057w18
= DD
DL
18
= 0,50
1,00
248 057 = 124 029W18
= ESAL = 124 029 [ (1+0,07)20
-1 ] / 0,07 = 5 084 630
ING. JOS R. HARRIS Q. 40
EJEMPLO
Sustituyendo estos parmetros en la ecuacin de diseo:
( ) ( )( )
07,8log32,2
1109440,0
5,12,4log
20,01log36,9log 1019,5
10
1010 +++
+++= RoR M
SN
PSI
SNSZESAL
se obtiene un SN = 4,70 in comparado con el SN (supuesto) = 4,0 in
OK!
Primeramente, SN = SN1
BASE
CARPETA ASFLTICA SN1
D1
ING. JOS R. HARRIS Q. 41
EJEMPLO
( ) ( )( )
07,8log32,2
1109440,0
5,12,4log
20,01log36,9log 1019,5
1
10
11010 +++
+++= BSoR E
SN
PSI
SNSZESAL
Obtenemos SN1
= 2,2 = a1
D1
D1
*
SN1
/ a1
= 2,2 / 0,3 = 7,33
D1
* = 7,5 in
SN1
* = a1
D1
*
SN1
SN1
* = 0,3
7,5 = 2,25
Despus, SN = SN2
= SN1
+ a2
D2
m2 CARPETA ASFLTICA
SN1 D1
SN2 BASE
SUB-BASE
D2
ING. JOS R. HARRIS Q. 42
EJEMPLO
( ) ( )( )
07,8log32,2
1109440,0
5,12,4log
20,01log36,9log 1019,5
2
10
21010 +++
+++= SBoR E
SN
PSI
SNSZESAL
Se obtiene
SN2
= 2,8 = SN1
+ a2
D2
m2
D2
*
(SN2
SN1
*) / a2
m2
= (2,8
2,25) / 0,125 / 0,8D2
* = 5,5 in
SN1
* + SN2
*
SN2SN2
*
SN2
- SN1
*= 2,8
2,25SN2
* = 0,55
As, SN = SN3
= SN1
+ SN2
+ a3
D3
m3
= 4,7
ING. JOS R. HARRIS Q. 43
EJEMPLO CARPETA ASFLTICA
SN1 D1
SN2 BASE
SUB-BASE
D2
SN3 D3
33
*2
*13
3)(
maSNSNSND +
05,238,0103,0
)55,025,2(7,43 =
+D
D3 = 23 in
SN = a1
D1
+ a2
D2
m2
+ a3
D3
m3
= 4,69
4,7
CARPETA ASFLTICA
CAPA BASE
7,5 in (0,19 m)
5,5 in (0,14 m)
SUBGRADO
CAPA SUB-BASE 23 in (0,58 m)
ING. JOS R. HARRIS Q. 44
EJEMPLOOtra propuesta usando espesores mnimos:
D1
= 3,5 in = D1
* (Vase
Tabla
de espesores
mnimos)
SN1
* = a1
D1
* = 0,3
3,5 = 1,05
SN2
= 2,8 (no cambia)
D2
*
(SN2
SN1
*) / a2
m2
= (2,8
1,05) / 0,125 / 0,8D2
* = 17,5 in
SN1
* + SN2
*
SN2SN2
*
SN2
- SN1
*= 2,8
1,05SN2
* = 1,75
SN3
= 4,7
05,238,0103,0
)75,105,1(7,43 =
+D
D3 = 23 in
ING. JOS R. HARRIS Q. 45
EJEMPLO
SN = a1
D1 + a2
D2
m2
+ a3
D3
m3
= 4,69
4,7
CARPETA ASFLTICA
CAPA BASE
3,5 in (0,09 m)
17,5 in (0,44 m)
SUBGRADO
CAPA SUB-BASE 23 in (0,58 m)
DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE - AASHTODISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE - AASHTOSlide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 25Slide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Slide Number 34Slide Number 35Slide Number 36Slide Number 37Slide Number 38Slide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Slide Number 44Slide Number 45