diseño de pavimento flexible

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER

FACULTAD DE INGENIERA CIVIL

INGENIERIA DE PAVIMENTOS

Contenido RESUMEN ........................................................................................................................................................................................................................................ 2

INTRODUCCIN ............................................................................................................................................................................................................................ 3

1. OBJETIVOS .......................................................................................................................................................................................................................... 4

1.1. OBJETIVOS GENERALES ......................................................................................................................................................................................... 4

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS ....................................................................................................................................................................................... 4

2. METODOLOGAS DE DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES: ............................................................................................................................................. 4

2.1. MTODOS DE DISEO EMPRICOS: ....................................................................................................................................................................... 4

2.2. MTODOS DE DISEO ANALTICOS, MECANICISTAS O RACIONALES: ............................................................................................................. 5

3. PAVIMENTOS DE CONCRETO ASFLTICO MTODO AASHTO-93: ................................................................................................................................. 8

3.1. CALCULO DE EJES EQUIVALENTES PARA PERIODO DE DISEO (ESALS): .......................................................................................................... 8

3.1.1. ESTUDIO DE TRFICO: ................................................................................................................................................................................. 8

3.1.2. CALCULO DEL IMDA EN EJES MIXTOS PARA CADA CLASE DE VEHICULO POR AO: ....................................................................... 10

3.1.3. TABLA DE DIMENSIONES Y CARGA: ........................................................................................................................................................ 12

3.1.4. CALCULO DEL FACTOR EQUIVALENTE DE CARGAS (LEF) PARA CADA TIPO DE EJE EN PAVIMENTO FLEXIBLE: ............................... 14

3.1.5. NUMERO ESTRUCTURAL (SN) INICIAL: ..................................................................................................................................................... 14

3.1.6. CALCULO DE ESALS PARA CADA TIPO DE VEHICULO EN PAVIMENTO FLEXIBLE: ............................................................................... 15

3.1.7. FACTOR DE CAMIN:............................................................................................................................................................................... 16

3.1.8. ESALS PARA PERIODOS DE DISEO: ........................................................................................................................................................ 16

3.2. PERIODO DE DISEO ............................................................................................................................................................................................ 17

3.3. CONFIABILIDAD DE DISEO: ............................................................................................................................................................................... 17

3.3.1. CONFIABILIDAD DE CADA ETAPA: .......................................................................................................................................................... 19

3.4. MDULO DE RESILIENCIA .................................................................................................................................................................................... 19

3.4.1. FACTORES QUE AFECTAN EL MDULO RESILIENTE EN PAVIMENTOS ASFALTICOS ............................................................................. 19

3.4.2. VARIACION DEL MODULO DURANTE UN AO: ...................................................................................................................................... 21

3.4.3. RELACIN C.B.R. MDULO DE RESILIENCIA ........................................................................................................................................ 22

3.5. NDICE DE SERVICIABILIDAD ............................................................................................................................................................................... 22

3.5.1. PRDIDA O DISMINUCIN DEL NDICE DE SERVICIABILIDAD ............................................................................................................... 23

3.6. COEFICIENTES DE DRENAJE: ................................................................................................................................................................................ 24

3.7. EL NUMERO ESTRUCTURAL (SN): .......................................................................................................................................................................... 25

CONCLUSIONES .......................................................................................................................................................................................................................... 29

RECOMENDACIONES .................................................................................................................................................................................................................. 30

BIBLIOGRAFA .............................................................................................................................................................................................................................. 31




RESUMEN

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, con el fin de desarrollar tablas, grficos

y frmulas que representen las relaciones deterioro-solicitacin de las distintas secciones

ensayadas.

A partir de la versin del ao 1986, y su correspondiente versin mejorada de 1993, 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.

Se ha elegido el mtodo AASHTO, porque a diferencia de otros mtodos, ste mtodo

introduce el concepto de serviciabilidad en el diseo de pavimentos como una medida

de su capacidad para brindar una superficie lisa y suave al usuario.

En este captulo se desarrollar en forma concisa los conceptos bsicos sobre

pavimentos flexibles, para tener una idea general sobre el diseo de pavimentos.

Asimismo, se describir brevemente cada uno de los factores o parmetros necesarios

para el diseo de pavimentos flexibles segn el mtodo AASHTO 93.




INTRODUCCIN

Un pavimento debe ser diseado de tal manera que las cargas impuestas por el trnsito

no generen deformaciones permanentes excesivas. En el caso de los pavimentos

flexibles estas deformaciones se producen en cada una de las capas. Los mtodos de

diseo de pavimentos descritos suponen que las deformaciones permanentes ocurren

solamente en la subrasante. Sin embargo, en vas donde se construyen capas asflticas

delgadas o de baja rigidez (p.e. vas de bajo trfico) las capas granulares soportan el

esfuerzo aplicado casi en su totalidad y la magnitud de dichos esfuerzos puede llegar a

generar valores altos de deformacin permanente. Por lo tanto, las metodologas de

diseo deben comenzar a tener en cuenta las deformaciones que se producen en

estas capas, y los modelos para predecir dichas deformaciones, deben ser capaces de

reproducir el comportamiento de estos materiales bajo diversas trayectorias de carga

cclica y condiciones del medio ambiente.




1. OBJETIVOS

1.1. OBJETIVOS GENERALES

Conocer la metodologa empleada para el diseo de pavimentos flexibles

segn AASTHO 93

1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Cules son los parmetros que toma en cuenta el Diseo de Pavimentos

Flexibles segn la AASTHO 93

Cules son los espesores mnimos que presenta el Diseo de Pavimentos

Flexibles la AASTHO 93

2. METODOLOGAS DE DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES:

2.1. MTODOS DE DISEO EMPRICOS:

Las metodologas de diseo de pavimentos flexibles son generalmente de

carcter emprico o mecnico empricas. En el caso de los mtodos empricos se

correlaciona el comportamiento de los pavimentos in situ, a travs de

observaciones y mediciones de campo, con los factores que causan los

mecanismos de degradacin en estas estructuras. Los factores ms importantes

son las cargas impuestas por el trnsito, las condiciones ambientales

(principalmente temperatura y precipitacin) a las cuales se encuentra sometida

la estructura, el tipo de suelo o terreno de fundacin (subrasante), la calidad de

los materiales empleados y deficiencias durante el proceso constructivo. Todos

estos factores son controlados y medidos durante las fases de estudio para

correlacionarlos con los mecanismos de degradacin y crear as el mtodo de

diseo.

Dos son los mecanismos principales de degradacin que se intentan controlar en

las metodologas empricas (y tambin en las mecanicistas): fatiga y exceso de

deformacin permanente. La fatiga ocurre en las capas ligadas, y para el caso

de estructuras flexibles, se presenta cuando se generan valores altos de

deformacin a traccin en la zona inferior de la capa asfltica. Este tipo de

deformacin es asociado a la respuesta resiliente que presenta la estructura

cuando se mueven las cargas vehiculares. La deformacin permanente es la




deformacin vertical residual que se va acumulando debido al paso de los

vehculos la cual puede generar fallas estructurales o funcionales en el pavimento.

En el caso de las estructuras flexibles, la deformacin permanente total es la suma

de la deformacin producida en cada una de las capas del pavimento, pero

actualmente los mtodos empricos suponen que tal deformacin se genera solo

en la capa subrasante y esto crea una de sus principales limitaciones. La anterior

suposicin se basa en que la subrasante es la capa ms susceptible a la

deformacin debido a su ms baja rigidez (en comparacin con las otras capas

del pavimento) y a una mayor probabilidad de presentar altos contenidos de

agua (lo cual disminuira su capacidad portante). Es decir, las metodologas

empricas no tienen en cuenta que:

En las capas de rodadura y base asfltica (compuestas por mezclas asflticas

de comportamiento viscoso) un incremento de temperatura genera

disminucin de la rigidez y por lo tanto un incremento en la deformacin del

pavimento.

Las capas granulares juegan un papel importante en la generacin de la

deformacin permanente cuando se dimensionan estructuras flexibles para

vas de bajo trfico. En este tipo de pavimentos las capas asflticas no tienen

una funcin estructural (por lo general se construyen capas asflticas delgadas

o de baja rigidez) y las capas granulares (base y subbase) soportan casi en su

totalidad las cargas rodantes. Con base en lo anterior, las metodologas de

diseo de pavimento en Colombia para bajos volmenes de trnsito deberan

tener en cuenta el anterior criterio (a la fecha no lo tiene en cuenta como se

expondr ms adelante).

2.2. MTODOS DE DISEO ANALTICOS, MECANICISTAS O RACIONALES:

A diferencia de los mtodos empricos, los analticos tienen en cuenta como el

estado de esfuerzo y deformacin que experimentan las capas que conforman la

estructura del pavimento influyen en el comportamiento del mismo. Para el clculo

de esfuerzos y deformaciones, emplean programas de computador disponibles

desde dcadas anteriores. En estos programas se introducen la carga, la presin

de contacto, las propiedades mecnicas de los materiales (por lo general el




mdulo elstico y la relacin de Poisson) y el espesor de las capas del pavimento

con el fin de obtener los estados de esfuerzo y deformacin. Una vez calculados

estos estados, se comparan con aquellos que admite el pavimento para la vida til

proyectada, y en un procedimiento de ensayo y error (aumentando o

disminuyendo por lo general los espesores de capas) se dimensionan las capas

que conformarn la estructura de pavimento.

Algunos de los programas son: ALIZE (LCPC, Laboratoire Central des Ponts et

Chaus- ses), ELSYM5 (Chevron Oil), BISAR (SHELL), KENLAYER (University of

Kentucky) y DE- PAV (Universidad del Cauca). Los valores admisibles de

deformacin a traccin y vertical en la base de la capa asfltica y en la superficie

de la subrasante respectivamente, se obtienen por medio de diversas ecuaciones

desarrolladas en instituciones de investigacin como TRL (Transportation Research

Laboratory), AASHTO (American Asociation of State Highway and Transportation

Officials) y TAI (The Asphalt Institute).

A pesar de ser una metodologa diferente a las empricas, presentan

connotaciones similares. Por ejemplo, el criterio de diseo en los mtodos analticos

es el mismo: el pavimento falla por acumulacin de deformacin a traccin en la

zona inferior de la capa asfltica debido a ciclos de carga (fatiga) y por exceso

de deformacin vertical en la superficie de la capa de subrasante (es decir, no

tienen en cuenta el efecto que puede tener la acumulacin de la deformacin en

las capas de base y sub-base granulares no tratadas).

Pero la principal desventaja de esta metodologa radica en que el clculo de los

estados de esfuerzo y deformacin se realiza por lo general suponiendo que el

pavimento flexible es un sistema multicapa elstico lineal (compuesto por tres

capas: la subrasante, la capa granular no tratada y la capa asfltica, Figura 1).

Este comportamiento elstico se supone de manera simplista justificando que bajo

algn ciclo individual de carga la deformacin permanente es muy baja

comparada con la deformacin resiliente. Los parmetros elsticos pueden ser

calculados por medio de ensayos de laboratorio o por medio de retroclculos de

ensayos in situ (empleando por ejemplo Falling Weight Deflectometers FWD). Por

un lado las ecuaciones elsticas lineales no tienen en cuenta que el

comportamiento de las mezclas asflticas es viscoso (dependiente de la velocidad

de aplicacin de carga y de la temperatura) y en el caso de los materiales

granulares no tratados de base y sub-base su comportamiento es inelstico

(deformaciones resilientes y permanentes) no lineal (rigidez dependiente del nivel

de esfuerzo aplicado) para los niveles de esfuerzos a los cuales se encuentran

sometidos en un pavimento flexible. Adems, dependiendo del tipo de material

de subrasante, el comportamiento del suelo puede ser dependiente de la

velocidad de carga (viscoso) como en el caso de muchas arcillas.




Figura 1. Sistema multicapa elstico para el anlisis de pavimentos.

Otras desventajas de las metodologas analticas son:

Suponen que los materiales que componen cada una de las capas del

pavimento son isotrpicos y homogneos.

Los programas analticos no tienen en cuenta las diferentes geometras que

pueden presentar las estructuras de pavimento (p. e., suponen extensin

infinita de las capas en sentido horizontal) y la carga es esttica.

En la mayora de los casos los programas de computador no tienen en

cuenta el efecto del medio ambiente sobre las propiedades mecnicas de

los materiales utilizados.

Cuando se emplean ecuaciones elsticas se generan valores no reales de

esfuerzos de tensin en las capas granulares (estticamente no posibles)

(Figura 2). Lo anterior especialmente en pavimentos con capas asflticas

delgadas.

Figura 2. Campo de esfuerzos (p,q) en la capa de base de un pavimento flexible

con espesor de capa asfltica de 6 cm [8].




3. PAVIMENTOS DE CONCRETO ASFLTICO MTODO AASHTO-93:

El diseo para el pavimento flexible segn la AASHTO est basado en la

determinacin del Nmero Estructural SN que debe soportar el nivel de carga

exigido por el proyecto. A continuacin se describe las variables que se

consideran en el mtodo AASHTO:

3.1. CALCULO DE EJES EQUIVALENTES PARA PERIODO DE DISEO (ESALS):

El establecimiento de los espesores de pavimento mediante el Mtodo AASHTO

'93, se fundamenta en la determinacin de las "Cargas Equivalentes Acumuladas

en el Perodo de Diseo (Wt18)", calculadas de acuerdo al procedimiento

establecido para el Mtodo AASHTO '72, y al cual se hace referencia en el Primer

Volumen de estos "Apuntes de Pavimentos", y que en esa oportunidad fueron

definidas con el trmino Wt18. Cuando se emplea el mtodo AASHTO '93 deben

aplicarse los "factores de equivalencia de cargas.

3.1.1. ESTUDIO DE TRFICO:

Para conocer los datos del IMD se tomaron los resultados obtenidos en el conteo

de trfico realizado en el curso de caminos I.




Los resultados obtenidos fueron:

3.1.2. CALCULO DEL IMDA EN EJES MIXTOS PARA CADA CLASE DE VEHICULO

POR AO:

El AASHTO 93 clasifica a los vehculos de la siguiente manera:

CALSIFICACION

DE VEHICULOS

1 AUTOMOVILES Y CAMIONETAS

2 BUSES

3 CAMION 2 EJES

4 CAMION MAS 2 EJES

5 REMOLQUES

6 SEMIREMOLQUES

Para calcular el IMDA utilizamos el porcentaje vehicular, el periodo de diseo

y la tasa de crecimiento vehicular, obteniendo los resultados siguientes:




TPDA (IMDA) EN EJES MIXTOS PARA CADA CLASE DE VEHICULO POR AO

AO IMD

MIXTO

CLASES DE VEHICULOS

1 2 3 4 5 6

% IMD % IMD % IMD % IMD % IMD % IMD

2015 4198 80.85 3394 3.26 137 5.98 251 3.88 163 0.02 1 6.00 252

2016 4492 80.85 3632 3.26 147 5.98 269 3.88 174 0.02 1.07 6.00 270

2017 4806 80.85 3886 3.26 157 5.98 287 3.88 187 0.02 1.14 6.00 289

2018 5143 80.85 4158 3.26 168 5.98 307 3.88 200 0.02 1.22 6.00 309

2019 5503 80.85 4449 3.26 180 5.98 329 3.88 214 0.02 1.31 6.00 330

2020 5888 80.85 4760 3.26 192 5.98 352 3.88 229 0.02 1.40 6.00 353

2021 6300 80.85 5093 3.26 206 5.98 377 3.88 245 0.02 1.50 6.00 378

2022 6741 80.85 5450 3.26 220 5.98 403 3.88 262 0.02 1.60 6.00 405

2023 7213 80.85 5832 3.26 235 5.98 431 3.88 280 0.02 1.71 6.00 433

2024 7718 80.85 6240 3.26 252 5.98 461 3.88 300 0.02 1.83 6.00 463

2025 8258 80.85 6677 3.26 269 5.98 494 3.88 321 0.02 1.96 6.00 496

2026 8836 80.85 7144 3.26 288 5.98 528 3.88 343 0.02 2.10 6.00 530

2027 9455 80.85 7644 3.26 309 5.98 565 3.88 367 0.02 2.25 6.00 568

2028 10117 80.85 8179 3.26 330 5.98 605 3.88 393 0.02 2.40 6.00 607

2029 10825 80.85 8752 3.26 353 5.98 647 3.88 420 0.02 2.57 6.00 650

2030 11582 80.85 9364 3.26 378 5.98 693 3.88 450 0.02 2.75 6.00 695

2031 12393 80.85 10020 3.26 404 5.98 741 3.88 481 0.02 2.95 6.00 744

2032 13261 80.85 10721 3.26 433 5.98 793 3.88 515 0.02 3.15 6.00 796

2033 14189 80.85 11471 3.26 463 5.98 848 3.88 551 0.02 3.37 6.00 852

2034 15182 80.85 12274 3.26 495 5.98 908 3.88 589 0.02 3.61 6.00 911

2035 16245 80.85 13134 3.26 530 5.98 971 3.88 631 0.02 3.86 6.00 975

TOTAL 188344 152272 6147 11261 7313 45 11306

PROMEDIO 9417 7614 307 563 366 2 565




3.1.3. TABLA DE DIMENSIONES Y CARGA:

Para calcular la carga en cada eje tomamos en cuentas la tabla de

dimensiones y carga.




TIPO DE EJE CARGA (TON) L2x

SIMPLE 1 1

SIMPLE 2 1

SIMPLE 4 1

SIMPLE 7 1

SIMPLE 11 1

TANDEM 18 2

TRIDEM 25 3




3.1.4. CALCULO DEL FACTOR EQUIVALENTE DE CARGAS (LEF) PARA CADA

TIPO DE EJE EN PAVIMENTO FLEXIBLE:

La conversin del trfico a un nmero de ESALs de 18 kips (Equivalent Single

Axis Loads) se realiza utilizando factores equivalentes de carga LEFs (Load

Equivalent Factor). Estos factores fueron determinados por la AASHTO en sus

tramos de prueba, donde pavimentos similares se sometieron a diferentes

configuraciones de ejes y cargas, para analizar el dao producido y la

relacin existente entre estas configuraciones y cargas a travs del dao

que producen. El factor equivalente de carga LEF es un valor numrico que

expresa la relacin entre la prdida de serviciabilidad ocasionada por una

determinada carga de un tipo de eje y la producida por el eje patrn de 18

kips.

Por ejemplo, para producir en un pavimento flexible con un SN = 4, una

disminucin de serviciabilidad de 4,2 a 2,5 se requieren la repeticin de

100000 ejes simples de 18kips, o la repeticin de 14706 ejes simples de 30kips.

Por tanto, para este caso:

LEF = 100000/14706 = 6.8

3.1.5. NUMERO ESTRUCTURAL (SN) INICIAL:

El procedimiento idealizado de diseo es iterativo: debe asumirse un valor

de SN, sin conocerse los espesores finales, para poder estimar las cargas de

diseo, ya que los factores de equivalencia de cargas son, tal como se ha

comentado, funcin, entre otras variables, de SN. Una vez estimadas las

cargas, a partir de este SN asumido, y concluido el diseo real del paquete

estructural, se compara el SN obtenido con el SN asumido. Si la diferencia

entre el SN asumido y el SN obtenido es mayor de 0,5, debe reiniciarse la

estimacin de las cargas de diseo partiendo de los factores de

equivalencia de este SN obtenido, repitindose el proceso hasta que la

diferencia entre ambos SN sea menor a 0.5.




CALCULO DEL FACTOR EQUIVALENTE DE CARGA (LEF) PARA CADA TIPO DE EJE EN PAVIMENTO FLEXIBE

Lx/ton Lx/kips L18 L2x L2s Pt SN G Bx G/Bx B18 G/B18 Wx/W18 LEF

1 2.2 18 1 1 2.5 2 -0.20091484 0.41158404 -0.48815022 4.05258085 -0.04957701 1849.21811 0.000541

2 4.4 18 1 1 2.5 2 -0.20091484 0.46278524 -0.43414272 4.05258085 -0.04957701 170.803957 0.005855

4 8.8 18 1 1 2.5 2 -0.20091484 0.83041355 -0.24194553 4.05258085 -0.04957701 15.3069382 0.06533

7 15.4 18 1 1 2.5 2 -0.20091484 2.67076053 -0.07522758 4.05258085 -0.04957701 1.90755536 0.524231

11 24.2 18 1 1 2.5 2 -0.20091484 9.49388491 -0.02116255 4.05258085 -0.04957701 0.27601686 3.622967

18 39.6 18 2 1 2.5 2 -0.20091484 5.29294438 -0.03795899 4.05258085 -0.04957701 0.48400583 2.066091

25 55 18 3 1 2.5 2 -0.20091484 4.2636384 -0.04712286 4.05258085 -0.04957701 0.55821158 1.791435

DONDE:

3.1.6. CALCULO DE ESALS PARA CADA TIPO DE VEHICULO EN PAVIMENTO

FLEXIBLE:

LEF DE CADA TIPO DE EJE:

PAV FLEXIBLE/ EJE

1 0.000540769

2 0.005854665

4 0.065329851

7 0.524231182

11 3.622967052

18 2.066090817

25 1.79143543

Lx: Peso del eje en kips L18: 18 kips/ eje

L2s = 1




3.1.7. FACTOR DE CAMIN:

Para expresar el dao que produce el trfico, en trminos del deterioro que

produce un vehculo en particular, hay que considerar la suma de los daos

producidos por cada eje de ese tipo de vehculo. De este criterio nace el

concepto de Factor de Camin, que se define como el nmero de ESALs

por nmero de vehculo. Este factor puede ser calculado para cada tipo de

camiones, o para todos los vehculos como un promedio de una

determinada configuracin de trfico.

Factor de Camin = Fc = N DE ESALs/ NUMERO de camiones

Se ha demostrado que el eje delantero tiene una mnima influencia en el

dao producido en el pavimento, por ejemplo en el ahuellamiento, la

fisuracin y la prdida de serviciabilidad su participacin vara de 0,13 al 2,1

%. Por esta razn el eje delantero no est incluido en los factores de

equivalencia de carga, lo cual no afecta a la exactitud del clculo.

ESALs PARA CADA CLASE DE VEHICULO EN PAVIMENTO FLEXIBLE

CLASE DE VEHCULO DEL AFORO SNC

CONFIGURACIN DE EJES ESALs/VEHIC PAV. FLEX

FC EJE DELANTERO

EJE TRASERO 1

EJE TRASERO 2

EJE TRASERO 3

1.- Automviles, Jeep y Vagonetas

0.0010815382

2.- Camionetas ( Hasta 2 Ton.) 0.0063954344

3.- Minibuses 0.0063954344

4.- Microbuses ( 12 - 21 Asts.) 0.0658706205

5.- Bus Mediano ( 22 - 35 Asts.) 3.6288217170

6.- Bus Grande ( 36 Asts. o ms ) 2.5903219990

7.- Camin Medino ( Hasta 6 Ton.) 0.5300858476

8.- Camin Grande ( Dos ejes.) 2.3156666119

9.- Camin Grande ( Tres ejes) 3.1145531813

10.- Camin semirremolque 4.3817574286

11.- Camin con remolque

8.0047244803

12.- Otros vehculo (No incluye motocicletas)

0.0658706205

3.1.8. ESALS PARA PERIODOS DE DISEO:

Se calcula para el carril de diseo:




TIPO DE PAVIMENTO FLEXIBLE

AO BASE 2015

PERIODO DE DISEO EN AOS (n) 20

% DE TRANSITO EN LA DIRECCIN DE DISEO (DD) 100

% DE TRANSITO EN EL CARRIL DE DISEO (LD) 70

ESALs PARA PERIODO DE DISEO 29,548,222.63

CLASE DE VEHICULO TPDA para n aos

DD LD FACTOR DE

CAMION FC (ESALs)

ESALS/VEHC.

1 152272 100 70 0.00639543 248,818.22

2 6147 100 70 2.590322 4,067,940.66

3 11261 100 70 2.31566661 6,662,696.69

4 7313 100 70 3.11455318 5,819,472.81

5 45 100 70 8.00472448 91,758.58

6 11306 100 70 4.38175743 12,657,535.68

3.2. PERIODO DE DISEO

Se define como el tiempo elegido al iniciar el diseo, para el cual se

determinan las caractersticas del pavimento, evaluando su comportamiento

para distintas alternativas a largo plazo, con el fin de satisfacer las exigencias del

servicio durante el periodo de diseo elegido, a un costo razonable.

Generalmente el periodo de diseo ser mayor al de la vida til del pavimento,

porque incluye en el anlisis al menos una rehabilitacin o recrecimiento, por lo

tanto ste ser superior a 20 aos. Los periodos de diseo recomendados por la

AASHTO se muestran en la tabla I.

Tabla I. Periodos de Diseo en Funcin del Tipo de Carretera

TIPO DE CARRETERA

Periodo de

diseo(Aos)

Urbana de transito elevado 30 50

Interurbana de transito elevado 20 50

Pavimentada de baja intensidad de transito 15 25

De baja intensidad de trnsito, pavimentada

con grava 10 20

3.3. CONFIABILIDAD DE DISEO:

La "Confiabilidad del Diseo (R)" se refiere al grado de certidumbre (seguridad) de

que una determinada alternativa de diseo alcance a durar, en la realidad, el

tiempo establecido en el perodo seleccionado. La confiabilidad tambin puede

ser definida como la probabilidad de que el nmero de repeticiones de cargas




(Nt) que un pavimento pueda soportar para alcanzar un determinado nivel de

capacidad de servicio, no sea excedida por el nmero de cargas que realmente

estn siendo aplicadas (WT) sobre ese pavimento".

Para el clculo utilizamos las tablas siguientes:

TABLA 1

NIEVELES RECMENDADOS DE CONFIABILIDAD

CLASIFICACION DE LA VIA URBANA RURAL

AUTOPISTA 85 99.9 80 99.9

TRONCALES 80 99 75 95

LOCALES 80 95 75 95

RAMALES Y VIA AGRICOLA 50 80 50 80

TABLA I-I

VALORES DE ZR EN LA CURVA NORMAL PARA

DIVERSOS GRADOS DE CONFIABILIDAD

CONFIABILIDAD

( R )

VALOR

DE 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




3.3.1. CONFIABILIDAD DE CADA ETAPA:

MODIFICAR SOLO LAS CELDAS

DE COLOR AMARILLO

numero de

etapas

n= 1

TIPO VIA

CLASIFICACION

VIA R(GLOBAL) R(ETAPA) ZR

RURAL AUTOPISTA 99.9 99.9 -3.09

URBANA LOCALES 95 95 -1.645

no tocar tipo de via!

3.4. MDULO DE RESILIENCIA

Para el diseo de pavimentos flexibles deben utilizarse valores medios resultantes

de los ensayos de laboratorio, las diferencias que se puedan presentar estn

consideradas en el nivel de confiabilidad R.

Durante el ao se presentan variaciones en el contenido de humedad de la

subrasante, las cuales producen alteraciones en la resistencia del suelo, para

evaluar esta situacin es necesario establecer los cambios que produce la

humedad en el mdulo resiliente.

Con este fin se obtienen mdulos resilientes para diferentes contenidos de

humedad que simulen las condiciones que se presentan en el transcurso del ao,

en base a los resultados se divide el ao en periodos en los cuales el MR es

constante.

3.4.1. FACTORES QUE AFECTAN EL MDULO RESILIENTE EN PAVIMENTOS

ASFALTICOS

Existen diversos factores que afectan al mdulo resiliente del pavimento

asfaltico. A continuacin se muestra un resumen de estos factores:

Nivel de esfuerzos

Frecuencia de carga

Contenido de betn

Tipo de agregado

Contenido de vacos

Tipo y contenido de modificadores

Tipo de prueba

Temperatura.




Para cada valor de MR se determina el valor del dao relativo, utilizando el

baco de la Figura I.

Figura I. baco para la determinacin

del Dao Relativo Fuente: AASHTO, Guide

for Design of Pavement Structures 1993

MES

MODULO

RESLIENTE DEL

SUELO MR(psi)

DAO

RELATIVO Uf

ENERO 10000 0.06192728

10001 0.061912916

FEBRERO 10002 0.061898556

10003 0.0618842

MARZO 10004 0.06186985

10005 0.061855504

ABRIL 10006 0.061841163

10007 0.061826827

MAYO 10008 0.061812496

10009 0.061798169

JUNIO 10010 0.061783847

10011 0.06176953

JULIO 10012 0.061755218

10013 0.06174091

AGOSTO 10014 0.061726607

10015 0.061712309

SEPTIEMBRE 10016 0.061698015

10017 0.061683727

OCTUBRE 10018 0.061669443

10019 0.061655163

NOVIEMBRE 10020 0.061640889

10021 0.061626619

DICIEMBRE 10022 0.061612354

10023 0.061598094

Sumatoria: Uf= 1.482299686

Promedio

Uf= Uf/n = 0.0618




Con los resultados de los daos relativos se obtiene el valor promedio

anual. El mdulo de resiliencia que corresponda al Uf promedio es el valor

que se debe utilizar para el diseo. Si no se tiene la posibilidad de obtener

esta informacin se puede estimar el valor del MR en funcin del CBR.

3.4.2. VARIACION DEL MODULO DURANTE UN AO:




3.4.3. RELACIN C.B.R. MDULO DE RESILIENCIA

Con los valores del CBR se pueden obtener los mdulos resilientes utilizando

las relaciones siguientes:

- SI CBR < 15% (Shell)

; K=Tiene una dispersion de valores de 4 a 25

; K=Tiene una dispersion de valores de 750 a 3000

- SI CBR 15%

El Instituto del Asfalto mediante ensayos de laboratorio realizados en 1982,

obtuvo las relaciones siguientes:

TIPO DE SUELO %CBR

MR en

(psi)

Arena 31 46500

Limo 20 30000

Arena magra 25 37500

Limo-arcilla 25 37500

Arcilla limosa 8 11400

Arcilla pesada 5 7800 Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993

3.5. NDICE DE SERVICIABILIDAD

Se define el ndice de Serviciabilidad como la condicin necesaria de un

pavimento para proveer a los usuarios un manejo seguro y confortable en un

determinado momento. Inicialmente esta condicin se cuantific a travs de la

opinin de los conductores, cuyas respuestas se tabulaban en la escala de 5 a 1:

ndice de

serviciabilidad(PS) Calificacin

5 4 Muy Buena

4 3 Buena

3 2 Regular

2 1 Mala Fuente: AASHTO, Guide for Design of Pavement Structures 1993




Actualmente, una evaluacin ms objetiva de este ndice se realiza

mediante una ecuacin matemtica basada en la inventariacin de fallas del

pavimento:

Pavimento Flexible: p

SV: Variacin de las cotas de la rasante en sentido longitudinal en relacin a la

rasante inicial (Rugosidad en sentido longitudinal).

Cf: Suma de las reas fisuradas en pies2 y de las grietas longitudinales y

transversales en pies lineales, por cada 1000 pies2 de pavimento.

P: rea bacheada en pies2 por cada 1000 pies2 de pavimento.

RD: Profundidad media de ahuellamiento en pulgadas. Mide la rugosidad

transversal.

Antes de disear el pavimento se deben elegir los ndices de servicio inicial y final.

El ndice de servicio inicial po depende del diseo y de la calidad de la

construccin. En los pavimentos flexibles estudiados por la AASHTO, el pavimento

nuevo alcanz un valor medio de po = 4,2.

El ndice de servicio final pt representa al ndice ms bajo capaz de ser tolerado

por el pavimento, antes de que sea imprescindible su rehabilitacin mediante un

refuerzo o una reconstruccin. El valor asumido depende de la importancia de la

carretera y del criterio del proyectista, se sugiere para carreteras de mayor trnsito

un valor de pt 2,5 y para carreteras de menor trnsito pt = 2,0.

3.5.1. PRDIDA O DISMINUCIN DEL NDICE DE SERVICIABILIDAD

Los valores anteriormente descritos nos permiten determinar la

disminucin del ndice de servicio, que representa una prdida gradual de

la calidad de servicio de la carretera, originada por el deterioro del

pavimento. Por tanto:

Donde:

PSI = ndice de Servicio Presente

PSI = Diferencia entre los ndices de servicio inicial y el final deseado

po = ndice de servicio inicial

pt = ndice de servicio final




3.6. COEFICIENTES DE DRENAJE:

El coeficiente de drenaje es la relacin que existe entre el mdulo resilente en una

condicin de humedad. El valor 1.0 representa que las condiciones de drenaje son

similares a las de la pista de pruebas de AASHO, mientras que valores por encima

de 1.0 se trata de condiciones mejores que las obtenidas durante la puesta de

pruebas.

AASHTO DISEO PAVIMENTO FLEXIBLE

COEFICIENTE DE DRENAJE

Capacidad de drenaje

Calidad

de

drenaje

Tiempo que tarda

el agua en ser

evacuada

excelente 2 horas

bueno 1 dia

regular 1 semana

Malo 1 mes

Muy malo

Agua no

drenada

Porcentaje de tiempo

Capacidad

de Drenaje

% de tiempo en el que el pavimento est expuesto a

nivel de humedad prximos a la saturacin.

Menos del 1 % 1 a 5 % 5 a 25 % Ms del 25 %

Excelente 1,40 1,35 1,35 1,30 1,30 1,20 1,20

Bueno 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

Malo 1,15 1,05 1,05 0,80 0,80 0,60 0,60

Muy malo 1,05 0,95 0,95 0,75 0,75 0,40 0,40




3.7. EL NUMERO ESTRUCTURAL (SN):

Es un valor ndice que combina espesores de las capas, la capa de coeficientes

estructurales, y los coeficientes de drenaje. El SN se calcula con la siguiente

ecuacin.

185.19

log4.2 1.5

logW 9.36log 1 0.20 2.32log 8.071094

0.401

R o R

PSI

Z S SN M

SN

Donde:

W18 = Nmero estimado de ejes equivalentes de 8.2 toneladas.

ZR = Desviacin estndar normal

So = Error estndar combinado de la prediccin del trnsito y de la prediccin del

comportamiento.

PSI = Diferencia entre el ndice de servicio inicial (po) y la serviciavilidad final (pt)

MR = Modulo resilente

SN = numero estructural

Segn AASTHO la ecuacin SN no tiene solucin nica, es decir hay muchas

combinaciones de espesores de cada capa que dan una solucin satisfactoria. Se

debe realizar un anlisis de comportamiento de las alternativas de estructuras de

pavimentos eleccionadas, de tal manera que permita decidir por la alternativa

que presenta los mejores valores de niveles de servicio, funcionales y estructurales,

menores a los admisibles, en relacin al trnsito que debe soportar.

Luego de haber obtenido el valor total de SN es necesario calcular el espesor de

cada una de las capas, para lo cual es necesario tomar en cuenta que el nmero

estructural total esta dado por:

1 1 2 2 2 3 3 3SN a D a m D a m D

Dnde: ai = Coeficientes de capa, mi = Coeficientes de drenaje, y Di = Espesores

de capa

Para calcular cada capa se debe aplicar un procedimiento de tres pasos, el

primero es suponer que el suelo de fundacin es la base granular y se calcula el

correspondiente numero estructural (SN1), por lo tanto el espesor de la carpeta

puede ser calculado directamente al dividir SN1 entre el coeficiente de capa de

la carpeta de rodadura, el siguiente paso es repetir el clculo considerando esta




vez que la subrasante tiene las propiedades de la sub base y se obtiene SN2, se

calcula el espesor de la base, y finalmente se calcula SN3 considerando el suelo

de fundacin. Siendo que los espesores de la sub base sera la diferencia. Las

ecuaciones correspondientes se muestran a continuacin.

a) capas de la estructura del pavimento y nmeros estructurales

' 11

1

* *

1 1 1 1

'' 2 1

2

2 2

* *

1 2 2

* *' 3 1 2

3

3 3

( )

SND

a

SN a D SN

SN SND

a m

SN SN SN

SN SN SND

a m

Dnde: a, D, m, SN, son los valores mnimos requeridos y un asterisco con D o SN

indica que este representa el valor actualmente usado el cual debe ser igual o

mayor que el valor requerido.




Para determinar las secciones de estructuras de pavimento flexible, la gua del

MTC, recomienda los siguientes espesores:

El espesor mnimo constructivo para capas superficiales con carpeta asfltica en

caliente es de 40 mm y el espesor mnimo constructivo de las capa granulares

(Base y Sub base) es de 150 mm.

AASHTO DISEO PAVIMENTO FLEXIBLE

Determinacion SN

Design Inputs

W18 = 6,100,000 Aplicaciones ESAL durante el Perodo de Diseo Tip. Rango 0.1 a 80 millones

R = 95 %

confiabilidad

Tip. Rango 80 a 95%

So = 0.45

Desviacin Estndar

Tip. Rango 0.3 a 0.5

MR = 3,000 psi

Subrasante Mdulo Resiliente

Tip. Rango 3000 a 9000 psi

Pi = 4.5

Serviciabilidad Inicial

Tip. Range 4.4 a 4.8

Pt = 2.5 Serviciabilidad Final Tip. Rango 2.0 a 3.0

DISEO SN = 6.20

AASHTO DISEO PAVIMENTO FLEXIBLE Determinacin de espesores de capas, Usando el anlisis por capas Enfoque.

1. Ingrese la informacin aplicable en las celdas C13 a F20

2. Para la primera capa, usar el E de la siguiente capa inferior como el MR en las

Inputs Box debajo de esta tabla y introducir en el SN capa resultante.

3. El espesor mnimo de la capa se calcula en la columna H. Introduzca el

espesor "prctico" de la capa en la columna I.

4. Repita los pasos 2 y 3 para cada capa, usando siempre el E de la siguiente

capa inferior como el MR en la hoja de clculo Entradas Box debajo de esta tabla.

5. Compruebe si el resultado SN cumple o excede el SN requerido

6. Tenga en cuenta que este procedimiento no es vlida si cualquier capa

debajo de la capa 1 tiene una E mayor de 40.000 psi.




Inputs Box W18 = 6,100,000 Aplicaciones ESAL durante el Perodo de Diseo

R = 95 % confiabilidad

So = 0.45

Desviacin Estndar

MR = 20,000 psi Subrasante Mdulo Resiliente

Pi = 4.5

Serviciabilidad Inicial

Pt = 2.5 Serviciabilidad Final

SN capa superior = 3.33




CONCLUSIONES

La AASTHO 93 presenta una metodologa donde la finalidad del diseo es calcular el

Nmero Estructural (SN), que debe soportar el nivel de carga exigido por el proyecto

Una vez calculado el Nmero Estructural (SN), de la seccin estructural del pavimento se

requiere determinar una seccin multicapa

Los parmetros que toma en cuenta la AASTHO 93 en lo referente a diseo de

pavimentos flexibles son: Periodo de Diseo, ESALS para el periodo de diseo

establecido, Mdulo de Resiliencia de la Subrasante , Variacin de Serviciabilidad, Nivel

de Confianza y Desviacin Estndar de todas las Variables, Coeficientes de Drenaje de

la Subbase y Base

Los espesores mnimos para la base segn la AASTHO 93 est en funcin de los ejes

equivalentes ESALS, por ejemplo para un ESALS menor a 50000 , el espesor mnimo para la

base es de 4 pulgadas.




RECOMENDACIONES

Los mdulos resilentes se deben calcular con las variaciones de contenidos de

humedad presentadas en todo el ao

La seccin multicapa calculada a partir del Nmero Estructural de la seccin (SN) debe

brindar un capacidad de soporte igual o mayor a la del Nmero Estructural de diseo

Una vez calculado los espesores de la carpeta asfltica, subbase, base, se debe

realizar un control de espesores mnimos con el fin de dar proteccin a las capas

granulares no tratadas




BIBLIOGRAFA

AASHTO Guide For Design Of Pavement Structures, American Association of State

Highway Officials, Washington, D.C., (1993)

Corro, s y prado, g, "Diseo Estructural de Carreteras con Pavimento Flexible", Instituto de

Ingeniera, UNAM, informe 325, Mxico, d. f. (ene 1974)

diseño de pavimento flexible

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