DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CALLES Y CARRETERAS

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1 DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CALLES Y CARRETERAS

2 CONTENIDO Introducción Métodos empíricos de diseño Método AASHTO - 93 Modelos INVÍAS - 98 Métodos empírico-mecanísticos de diseño Método SHELL 98 (SPDM 3.0) Diseño de pavimentos sobre suelos blandos

3 DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CALLES Y CARRETERAS INTRODUCCIÓN

4 INTRODUCCIÓN Generalidades La mayoría de los métodos de diseño de pavimentos tienen un alto grado de empirismo, propio de las agencias que los han desarrollado Es corriente obtener diferentes espesores al aplicar distintos métodos de diseño, empleando los mismos datos de entrada

5 INTRODUCCIÓN Generalidades (cont.) Gran parte de estas diferencias se debe a la falta de una descripción precisa y cuantitativa de lo que constituye la falla de un pavimento de calle o carretera, así como a los niveles de confiabilidad que consideran los diferentes métodos Los procesos de diseño de pavimentos se pueden dividir en dos grupos: Empíricos Empírico - mecanísticos

6 INTRODUCCIÓN PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO Se basan en los resultados de experimentos o en la experiencia Requieren un elevado número de observaciones para establecer relaciones aceptables entre las variables y los resultados de las pruebas No es necesario establecer una base científica firme de las relaciones, en la medida en que se reconocen sus limitaciones

7 INTRODUCCIÓN PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO En muchos casos resulta más conveniente confiar en la experiencia que tratar de cuantificar la causa exacta y el efecto de ciertos fenómenos Ejemplos de métodos de diseño de concepción empírica son el de California (Hveem y Carmany), el AASHTO-93 y el INVIAS-98

8 INTRODUCCIÓN PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO Incorporan elementos de ambos planteamientos La componente mecánica determina las reacciones del pavimento, tales como esfuerzos, deformaciones y deflexiones, mediante el uso de modelos matemáticos La porción empírica relaciona estas reacciones con el comportamiento de la estructura del pavimento (por ejemplo, relaciona una deflexión calculada matemáticamente, con la vida real del pavimento)

9 INTRODUCCIÓN PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO Aunque existen técnicas mecanísticas complejas de cálculo, los modelos elásticos lineales sujetos a carga estática son los más empleados en la solución de problemas rutinarios de ingeniería de pavimentos Ejemplos de métodos de diseño de pavimentos que usan estos procesos son el del Instituto del Asfalto, el de Shell y el AASHTO 2002

10 DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO

11 MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO MÉTODO AASHTO - 93

12 MÉTODO AASHTO - 93 FUNDAMENTOS DEL MÉTODO Se basa en los resultados AASHO Road Test En la revisión realizada en 1986 se introdujeron factores de confiabilidad, drenaje y aspectos climáticos Su criterio de falla es el índice de servicio final (p t )

13 MÉTODO AASHTO - 93 FUNDAMENTOS DEL MÉTODO El tránsito que lleva a la falla del pavimento es función del número estructural, de la resistencia de la subrasante, de la pérdida deseada de índice de servicio y de la confiabilidad elegida Incluye la posibilidad de que se reduzca el periodo de diseño por la presencia de suelos de subrasante expansivos

14 DEFINICIONES MÉTODO AASHTO - 93 Serviciabilidad Capacidad de un pavimento de servir al tránsito que hace uso de él en un instante determinado, desde el punto de vista del usuario Comportamiento del pavimento (performance) Tendencia de la serviciabilidad con el incremento en el número de aplicaciones de carga por eje Periodo de comportamiento (periodo de diseño) Lapso que transcurre desde que un pavimento es construido o rehabilitado, hasta que alcanza su serviciabilidad terminal

15 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Concepto de serviciabilidad comportamiento La serviciabilidad de un pavimento se expresa en términos de su Índice de Servicio Presente (ISP)

16 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Concepto de serviciabilidad comportamiento Fórmula del Índice de Servicio Presente (ISP) para pavimentos asfálticos sv = Varianza de la pendiente del perfil longitudinal (c + p) = Área con grietas clases 2 y 3 más área parchada por cada 1000 pies 2 RD = Ahuellamiento medido con una regla de 1.20 metros

17 Ecuación de comportamiento MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO ISP log ( )( ) (9.36)(log( 1)) 0.20 LogW z So SN (2.32)(log M ) R R ( SN 1)

18 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Significado de los términos de la ecuación W 18 = número de aplicaciones de ejes simples equivalentes de 18 kip (80 kn) hasta el tiempo t en el cual se alcanza ISP = p t SN = número estructural ISP = p i - p t = diferencia entre los índices de servicio inicial y terminal M R = módulo resiliente de la subrasante ( libras/pg 2 ) MÉTODO AASHTO - 93 So = desviación estándar total de la distribución normal de los errores asociados con las predicciones de tránsito y de comportamiento del pavimento ( ) z R = parámetro estadístico asociado con distribuciones normales de datos, que considera la probabilidad de que el índice de servicio del pavimento sea superior a p t durante el periodo de diseño

19 MÉTODO AASHTO - 93 REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ECUACIÓN

20 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO NIVELES DE CONFIABILIDAD RECOMENDADOS POR AASHTO Clasificación funcional de Nivel recomendado de confiabilidad (%) la vía Urbana Rural Autopistas Arterias principales Colectoras Locales

21 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO RELACIONES ENTRE CONFIABILIDAD Y Z R EN UNA DISTRIBUCIÓN NORMAL Confiabilidad (%) zr

22 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Módulo resiliente efectivo (M R ) Es el módulo resiliente promedio que se traduce en un daño del pavimento (U f ) igual al que se alcanzaría si se usaran valores modulares estacionales: Se divide el año en periodos con diferente M R con base en la humedad del suelo o en la variación de las deflexiones medidas en pavimentos construidos sobre el mismo suelo

23 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Módulo resiliente efectivo (M R ) Se determina el daño relativo por periodo U f = 1.8 x 10 6 * M R Se calcula el daño relativo promedio Se halla el módulo resiliente efectivo a partir del daño relativo promedio, usando la misma ecuación

24 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO

25 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO

26 MÉTODO AASHTO - 93 AJUSTE DEL M R DE LA SUBRASANTE POR LAS VARIACIONES ESTACIONALES

27 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Número estructural (SN) La resistencia del pavimento se representa por SN, el cual es función del espesor de las capas, de los coeficientes estructurales de ellas y del coeficiente de drenaje El número estructural total del pavimento está dado por : SN = MÉTODO AASHTO - 93 Sa i *D i *m i

28 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Número estructural (SN) MÉTODO AASHTO - 93 SN = a 1 *D 1 + a 2 *D 2 *m 2 + a 3 *D 3 *m 3 D 1,2,3 = espesores de capas asfálticas, base y subbase respectivamente (pulgadas) a i = coeficiente estructural de capa i, dependiente de su módulo m i = coeficientes de drenaje para capas no estabilizadas, dependiente del tiempo requerido para drenar y del tiempo en que la humedad se encuentre en niveles cercanos a la saturación

29 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Coeficientes estructurales de capa (a i ) Miden la capacidad relativa de una unidad de espesor de una determinada capa para funcionar como componente estructural del pavimento Los coeficientes estructurales dependen de: Resistencia del material (CBR, módulo, etc) Calidad de la construcción Estado de esfuerzos

30 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Coeficientes estructurales de capa (a i ) Valores promedio de coeficientes estructurales Mezcla asfáltica densa en caliente: 0.44/pulgada Base de grava y piedra partida: 0.14/pulgada Subbase granular: 0.11/pulgada

31 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA (a i ) CAPA Coeficiente estructural Asfáltica Figura GG.7, volumen II, manual AASHTO ( ) Base granular a2 = (log EB) estabilizada con cemento Figura GG.9, volumen II, manual AASHTO ( ) estabilizada con asfalto Figura GG.10, volumen II, manual AASHTO ( ) Subbase granular a3 = (log ESB)

32 MÉTODO AASHTO - 93 NOMOGRAMA AASHTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE UNA BASE GRANULAR

33 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Coeficientes de drenaje (m i ) MÉTODO AASHTO - 93 Se establecen a partir de la calidad del drenaje y del tiempo que se considera que el pavimento puede encontrarse con una cantidad de agua cercana a la saturación

34 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO COEFICIENTES DE DRENAJE m i RECOMENDADOS PARA BASES Y SUBBASES GRANULARES Ejemplo: Pavimento diseñado con drenaje normal (la humedad drena en una semana) y durante dos meses del año (2/12=0.17=17%) está sometido a condiciones cercanas a la saturación. m i =

35 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación de los espesores de las capas individuales (D i ) Se requiere determinar el número estructural (SN) requerido para proteger cada capa inferior Para ello, se debe aplicar el algoritmo AASHTO usando el módulo resiliente de cada capa por proteger

36 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación de los espesores de las capas individuales (D i ) D * 1 SN D * 2 SN D * 3 SN a * 1 * ( SN a D 2 SN * 2 * 1 SN SN * 1 SN 2 1 ) / a m * * SN ( SN SN ) / a m * Indica el valor realmente usado, el cual debe ser igual o mayor que el valor requerido según el algoritmo 2 2

37 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación gráfica del SN MÉTODO AASHTO - 93

38 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO Determinación del SN con un programa de cómputo

39 MÉTODO AASHTO - 93 CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESPESORES MÍNIMOS ADMISIBLES PARA LAS CAPAS ASFÁLTICAS Y LA BASE GRANULAR N Espesores mínimos (pulgadas) (10 6 ) Capas asfálticas Base granular < 0.05 TSD >

40 MÉTODO AASHTO - 93 EJEMPLO DE DISEÑO Vía rural local Confiabilidad deseada = 75 % (z R = 0.674) Tránsito esperado = 1,300,000 ejes equivalentes Pérdida total de serviciabilidad = =2.2 Desviación estándar total = 0.49 Características de drenaje = Aceptables Condición cercana a la saturación durante 4 meses/año m i = 0.80

41 MÉTODO AASHTO - 93 EJEMPLO DE DISEÑO Características de los materiales de construcción

42 MÉTODO AASHTO - 93 SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO Determinación de SN 1

43 MÉTODO AASHTO - 93 Cálculo de D 1 SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO D SN a pulgadas (tomar 4.5 pulgadas) Verificación de D pulgadas > 3.0 pulgadas O.K. Cálculo de SN 1 * SN 1* = a 1 * D 1* = 0.44 * 4.5 = 1.98

44 MÉTODO AASHTO - 93 SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO Determinación de SN 2

45 MÉTODO AASHTO - 93 Cálculo de D 2 SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO D SN SN *0.8 * a 2m2 5.4 pulgadas Verificación de D pulgadas < 6.0 pulgadas tomar 6.0 pulgadas Cálculo de SN 2 * SN 2* = a 2 D 2* m 2 = 0.13 * 6.0 * 0.8 = 0.624

46 MÉTODO AASHTO - 93 SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO Determinación de SN 3

47 MÉTODO AASHTO - 93 Cálculo de D 3 D SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO SN (SN SN Resumen del diseño ) ( ) 0.102*0.8 * * a 3m pulgadas

48 MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO MÉTODO INVÍAS - 98

49 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO Generalidades Contiene un catálogo de estructuras definido con base en el método AASHTO-93 El catálogo de diseño cubre los tipos de pavimentos y materiales usados actualmente en la práctica local e incluye nuevas tipologías de eficiencia demostrada en otros países con características similares a las colombianas El método considera factores ambientales, de suelos, de tránsito y de disponibilidad de materiales, acordes con la realidad colombiana

50 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO REGIONES CLIMÁTICAS El país se dividió en seis regiones climáticas, con base en la temperatura y la precipitación media anual

51 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE Se debe considerar el valor promedio de resistencia del suelo predominante en cada unidad homogénea y, a partir de él, se establece una categoría de subrasante

52 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO TRÁNSITO DE DISEÑO REQUISITOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS EN LA GUÍA DE DISEÑO Categoría T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 N* *z R Si la confiabilidad es 90%,z N* 1.159* N Ejes equivalentes de 80kN en el carril de diseño durante el periodo de diseño del pavimento N* (10 6 ) * N R 1.282, y

53 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO Se empleó la ecuación básica del método AASHTO-93 Se adoptó S 0 =0.44, que corresponde a considerar la variación de la predicción del comportamiento del pavimento, sin errores en la estimación del tránsito La posibilidad de errores en la predicción del tránsito se incorpora con la expresión ( *Z R * N) Se consideró una pérdida de serviciabilidad de 2.2 durante el periodo de diseño del pavimento

54 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO Se adoptaron coeficientes estructurales de capa ajustados a los resultados de experiencias realizadas en el país Se adoptaron 3 coeficientes de drenaje para las capas granulares (m i =1.0 si la precipitación < 2,000 mm/año, m i =0.90 si la precipitación está entre 2,000 y 4,000 mm/año y m i =0.80 para precipitaciones mayores) Las estructuras obtenidas se verificaron con módulos teóricos y curvas de fatiga SHELL

55 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO VALORES ADOPTADOS PARA LOS COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA Material Condición a i Mezcla densa en caliente T < 13 C 0,44 13 C T < 20 C 0,37 20 C T < 30 C 0,30 Mezcla densa en frio T < 13 C 0,35 13 C T < 20 C 0,30 20 C T < 30 C 0,24 Base granular 0,14 Base estabilizada con cemento suelos A-1 0,16 suelos A-2-4, A-2-5 y A-3 0,14 demás suelos 0,13 Base estabilizada con emulsión asfáltica agregado grueso (BEE1) 0,20 agregado fino (BEE2) 0,20 suelo (BEE3) 0,14 Subbase granular 0,11

56 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO CATÁLOGO DE DISEÑO Comprende seis cartas de diseño, contemplando los siguientes aspectos: Carta No. Región climática Categorías de subrasante Categorías de tránsito Materiales de construcción 1 R1 S1-S5 T1-T9 variables 2 R2 S1-S5 T1-T9 variables 3 R3 S1-S5 T1-T9 variables 4 R4 S1-S5 T1-T9 variables 5 R5 S1-S5 T1-T9 variables 6 R6 S1-S5 T1-T9 variables

57 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO ESTRUCTURAS RECOMENDADAS EN LA CARTA No. 3 PARA CATEGORÍA DE TRÁNSITO T5 Capa de pavimento S1 S2 S3 S4 S5 espesores de capa (cm) Mezcla densa en caliente Base granular Base estabilizada (BEE1) Base estabilizada (BEE2) Base estabilizada con cemento Subbase granular

58 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO Ejemplo de diseño Clima Temperatura media anual = 24º C Precipitación media anual = 1,850 mm Subrasante Suelo predominante = Arena arcillosa CBR promedio = 8.5 % Tránsito de diseño N* = 5.7*10 6 ejes equivalentes Materiales disponibles En la zona abundan materiales granulares de buena calidad para la elaboración de subbases, bases y concretos asfálticos

59 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO Solución al ejemplo de diseño Establecimiento de región climática Para los datos de temperatura y precipitación corresponde la Región R 3 Establecimiento de categoría de subrasante Para los datos de CBR promedio corresponde la categoría S 3 Establecimiento de categoría de tránsito N = N = x 5.7*10 6 = 6.6*10 6 ejes equivalentes Para este valor de N* corresponde la categoría T 5

60 MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO Solución al ejemplo de diseño Elección de Carta de Diseño Para Región R 3, usar Carta de Diseño No 3 Espesores de diseño para la combinación S 3 T 5 Mezcla densa en caliente = 10 centímetros Base granular = 30 centímetros Subbase granular = 30 centímetros

61 DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS MÉTODOS EMPÍRICO- MECANÍSTICOS DE DISEÑO

62 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO VENTAJAS SOBRE LOS MÉTODOS EMPÍRICOS Adaptabilidad a tipos de cargas cambiantes Mejor utilización de los materiales disponibles Capacidad de incorporar nuevos materiales en los diseños Mejoramiento en la confiabilidad en las predicciones de comportamiento Se mejora la definición de las propiedades de las capas de un pavimento existente Es posible acomodar los efectos ambientales y de edad sobre los materiales del pavimento

63 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA Propiedades del material de cada capa Módulo de elasticidad Relación de Poisson Condiciones de adherencia entre capas adyacentes

64 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA Espesor de cada una de las capas Condiciones de carga Magnitud de la carga Geometría de la carga Número de cargas actuantes

65 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO SALIDAS DE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO El programa calcula los esfuerzos, deformaciones y deflexiones en cualquier punto de la estructura del pavimento Hay unos pocos sitios en los que generalmente se interesa el diseñador para el cálculo de respuestas críticas Ubicación Superficie del pavimento Fondo de capas asfálticas ó bases estabilizadas Parte superior de las capas intermedias granulares Superficie de la subrasante Respuesta Deflexión Deformación horizontal de tensión Deformación vertical de compresión Deformación vertical de compresión

66 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO El diseño de un pavimento usando el planteamiento empírico - mecanístico es un proceso iterativo que requiere varios pasos: 1. Estimar el tránsito durante el periodo de diseño del pavimento (N) 2. Fijar las condiciones de carga 3. Establecer unos espesores iniciales de las capas del pavimento

67 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO 4. Fijar los módulos y las relaciones de Poisson para las capas, así como las condiciones de adherencia entre ellas 5. Calcular los esfuerzos y deformaciones en los puntos críticos de la estructura del pavimento mediante el programa de análisis elástico

68 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO 6. Adoptar ecuaciones de comportamiento de los diferentes materiales 7. Determinar las repeticiones de carga admisibles (n i ) para las magnitudes de los esfuerzos y deformaciones obtenidas en los puntos críticos del modelo

69 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO 8. Computar las relaciones D i = N/n i en todos los puntos críticos 9. Aumentar o disminuir espesores, variar calidad de materiales, o ambas cosas simultáneamente, si D i no es próximo a Iterar hasta obtener el diseño definitivo

70 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO

71 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO EJEMPLO DE INFORMACIÓN SOBRE CARGAS Y CAPAS DEL PAVIMENTO EN UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

72 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO EJEMPLO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES CALCULADOS POR UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

73 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO CRITERIOS DE FALLA La parte empírica fundamental de estos métodos la constituyen las ecuaciones utilizadas para calcular el número requerido de ciclos de carga para alcanzar la falla del pavimento Estas ecuaciones se han obtenido observando el comportamiento de pavimentos y relacionando el tipo y la extensión de la falla observada, con una deformación inicial bajo diferentes cargas

74 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO CRITERIOS DE FALLA Generalmente, se reconocen dos tipos de criterios de falla de los pavimentos asfálticos: uno relacionado con el agrietamiento por fatiga y el otro con el inicio del ahuellamiento en la subrasante Un tercer criterio (deflexión) se usa en aplicaciones específicas

75 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO CRITERIOS DE FALLA

76 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO CRITERIOS DE FALLA El agrietamiento por fatiga se desarrolla bajo cargas repetidas si el esfuerzo horizontal en el fondo de la capa asfáltica inferior es excesivo El ahuellamiento o deformación permanente ocurre en la superficie del pavimento debido a la sobrecarga de la subrasante, si el esfuerzo vertical de compresión sobre dicha capa es excesivo

77 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL CONCRETO ASFÁLTICO Se han desarrollado muchas ecuaciones para estimar el número de repeticiones a la falla en el modo de fatiga para el concreto asfáltico Todas ellas dependen de la deformación horizontal de tensión en la fibra inferior de las capas asfálticas

78 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL CONCRETO ASFÁLTICO Fórmula de Finn et al Log N f = log (e t /10-6 ) log (E AC /10 3 ) N f = número de aplicaciones de carga que dan lugar al agrietamiento del 10% del área sometida a carga e t = deformación horizontal de tensión en el fondo de la capa asfáltica E AC = módulo de la capa asfáltica (psi)

79 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO Aunque el ahuellamiento se puede generar en cualquier capa del pavimento, el criterio corriente es atribuirlo principalmente al sobreesfuerzo de la subrasante Este criterio se suele expresar en términos de la deformación vertical de compresión en la superficie de la capa subrasante (ε z )

80 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO Fórmula de CHEVRON N f = 1.05x10-2 * e z N f = número admisible de aplicaciones de carga para que el ahuellamiento no exceda de 13 mm e z = deformación vertical de compresión en la superficie de la subrasante

81 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN Fue el criterio de fatiga más utilizado durante mucho tiempo, pero hoy se emplea únicamente en algunas aplicaciones especiales Su información, aunque valiosa, no da una medida tan apropiada del funcionamiento estructural como las deformaciones específicas horizontales y verticales

82 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN Fórmula del Instituto del Asfalto DB = 25.64*N N = número admisible de aplicaciones de carga hasta la falla, para una determinada deflexión Benkelman característica (DB) en milímetros

83 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO SENSIBILIDAD DEL DISEÑO A LOS CRITERIOS DE FALLA El criterio que controla el diseño es aquel que exija un mayor espesor de pavimento para un determinado nivel de tránsito

84 MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO MÉTODO SHELL 98 (SPDM 3.0)

85 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) Generalidades El método considera el pavimento como un sistema de capas homogéneas, isotrópicas y de comportamiento linealmente elástico Los materiales de las diversas capas están caracterizados por E y m

86 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) Generalidades (cont.) Los criterios de diseño incluyen: Tensión horizontal en el fondo de las capas asfálticas o en las capas de base cementadas, cuando la estructura las incluya Deformación vertical de compresión al nivel de la subrasante Deformación permanente de las mezclas asfálticas

87 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) Generalidades (cont.) El método permite considerar fricción variable en las interfaces de las capas del pavimento Los cálculos de los esfuerzos y deformaciones se realizan con el programa BISAR La determinación de espesores se realiza a través de un módulo del programa Windows SPDM 3.0

88 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO Clima Tránsito y periodo de diseño del pavimento Características de las capas granulares y la subrasante Composición de la mezcla asfáltica y características de fatiga de ella Rigidez de la capa asfáltica y espesores

89 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) Clima CONSIDERACIONES DE DISEÑO

90 Clima MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Se emplea la temperatura promedio anual ponderada del sitio del proyecto (w-maat), la cual se puede obtener de 3 maneras: Introduciendo los 12 valores de temperatura promedio mensual Seleccionando de la base de datos, a través del botón Retrieve, los valores de las temperaturas promedio mensuales Introduciendo directamente el valor de la w- MAAT

91 Tránsito y período de diseño MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO

92 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Tránsito y período de diseño Se emplea el número de ejes simples equivalentes de 80 kn en el carril de diseño durante el período de diseño, el cual se puede obtener de dos maneras: Introduciendo el espectro de cargas, junto con información sobre el número de días del año con tránsito, la tasa de crecimiento anual del tránsito y el período de diseño del pavimento Introduciendo directamente el número de ejes simples equivalentes

93 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Tránsito y período de diseño La pantalla da la oportunidad de efectuar correcciones por movimiento lateral del tránsito sobre la calzada y por el efecto de reposo entre aplicaciones sucesivas de carga por eje Los valores incluidos por defecto son 5 y 2 respectivamente

94 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Características de las capas granulares y de la subrasante

95 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Características de las capas granulares y de la subrasante Se debe ingresar obligatoriamente el módulo de la subrasante (E 3 ) y el espesor de las capas granulares (h 2 ) Se puede incluir un valor promedio del módulo de las capas granulares (E 2 ) o permitir que el programa lo calcule con 50% de confiabilidad mediante la expresión: (E 2 = 0.2* h *E 3 )

96 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Características de las capas granulares y de la subrasante Se permite aumentar la confiabilidad a 85% o 95% Se asigna por defecto una relación de Poisson de 0.35, pero puede ser modificada Se puede ingresar una fórmula propia sobre el criterio de deformación de la subrasante o emplear las fórmulas SHELL para 50%, 85% o 95% de confiabilidad

97 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Composición de la mezcla asfáltica y fatiga

98 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Composición de la mezcla asfáltica y fatiga Se debe ingresar la información correspondiente a los volúmenes de agregados, asfalto y vacíos de la mezcla compactada (es suficiente ingresar 2 de los 3 datos) Se debe incluir la ecuación de fatiga de la mezcla compactada, la cual puede ser propia o la que suministra el método por defecto El valor N fat es el número de ciclos para el cual el stiffness decrece un 50% de su valor original

99 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas

100 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas El módulo de la mezcla se puede alimentar de 3 maneras: Ingresando su valor para las condiciones reales de temperatura y de tiempo de aplicación de carga Incorporando el stiffness del asfalto (S bit ) para las mismas condiciones Incorporando los datos básicos de comportamiento del asfalto envejecido (punto de ablandamiento y penetración)

101 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas La relación de Poisson de la mezcla es de 0.35 por defecto, pero puede ser modificada El espesor adoptado de capas asfálticas para el primer tanteo de diseño es, por defecto, 0.2 m

102 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas Se marcan las opciones Results y Calculate Aparece un mensaje ofreciendo la posibilidad de salvar la información El programa realiza los cálculos de esfuerzos y deformaciones para el modelo de pavimento creado para el primer tanteo y compara los resultados con los criterios de falla introducidos Si no hay coincidencia, efectúa las iteraciones necesarias hasta obtener el espesor apropiado de capas asfálticas

103 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) CONSIDERACIONES DE DISEÑO Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas

104 MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0) INFORME DE DISEÑO DE ESPESORES

105 DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CALLES Y CARRETERAS DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS

106 DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS Los suelos blandos de subrasante suelen presentar problemas, tanto para la construcción como para el comportamiento del pavimento, razón por la cual se suele recomendar (i) su remoción y su reemplazo por materiales seleccionados de relleno o (ii) emplear algún tratamiento de estabilización Si el retiro total de la capa blanda es posible, el material seleccionado de reemplazo constituye la nueva subrasante y el pavimento se diseña por algún método convencional, a partir de la respuesta del nuevo material

107 DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS Cuando el reemplazo total de la capa blanda no resulta práctico, se acostumbra mejorar las condiciones del suelo mediante diferentes alternativas, entre ellas: la colocación de una capa de material granular grueso de tamaños surtidos (rajón), hasta lograr un soporte consistente la instalación de un elemento que ayude a distribuir mejor los esfuerzos sobre el suelo previniendo fallas locales por corte (geomalla), acompañado o no de otro elemento que separe el suelo blando de las capas granulares del pavimento (geotextil)

108 DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL GRANULAR GRUESO (RAJÓN)

109 DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL GRANULAR GRUESO (RAJÓN) Cuando se emplea la capa de rajón, el diseñador escoge un espesor efectivo de éste (generalmente entre 200 y 300 mm) A continuación, partiendo del módulo resiliente de la subrasante y del espesor efectivo del rajón, se calcula el valor del módulo del sistema bicapa constituido por el rajón y la subrasante Tomando como base el módulo del bicapa, se diseña el pavimento empleando algún método convencional

110 DISEÑO DE PAVIMENTOS SOBRE SUELOS BLANDOS USO DE GEOMALLAS Cuando se emplean geomallas, se aplican criterios empíricos de diseño sugeridos por sus fabricantes, basados en la consideración de que ellas distribuyen mejor los esfuerzos del tránsito sobre el suelo, permitiendo disminuciones del espesor del pavimento, respecto del requerido sobre el suelo sin reforzar

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