Relaciones Analíticas para la Predicción de la Deflexión ...
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DISEÑO DE PAVIMENTOS
ASFÁLTICOS PARA CALLES Y
CARRETERAS
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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
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DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
PARA CALLES Y CARRETERAS
INTRODUCCIÓN
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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
INTRODUCCIÓN
Generalidades
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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
Generalidades (cont.)
INTRODUCCIÓN
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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
INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
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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
INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
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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)
INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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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
INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÉTODOS EMPÍRICOS
DE DISEÑO
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MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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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 (pt)
MÉTODO AASHTO - 93
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO
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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
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO
MÉTODO AASHTO - 93
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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
DEFINICIONES
MÉTODO AASHTO - 93
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Concepto de serviciabilidad – comportamiento
La serviciabilidad de un pavimento se expresa entérminos de su Índice de Servicio Presente (ISP)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Concepto de serviciabilidad – comportamiento
Fórmula del Índice de Servicio Presente (ISP) parapavimentos asfálticos
sv = Varianza de la pendiente del perfil longitudinal
(c + p) = Área con grietas clases 2 y 3 más área parchada
por cada 1000 pies2
RD = Ahuellamiento medido con una regla de 1.20 metros
MÉTODO AASHTO - 93
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Ecuación de comportamiento
07.8))(log32.2(
)1(
10944.0
5.12.4log
20.0))1)(log(36.9())((
19.5
18
RR
M
SN
ISP
SNSozLogW
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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W18 = número de aplicaciones de ejes simples equivalentes de 18 kip
(80 kN) hasta el tiempo t en el cual se alcanza ISP = pt
SN = número estructural
ISP = pi - pt = diferencia entre los índices de servicio inicial y terminal
MR = módulo resiliente de la subrasante ( libras/pg2)
So = desviación estándar total de la distribución normal de los errores
asociados con las predicciones de tránsito y de comportamiento
del pavimento (0.44-0.49)
zR = parámetro estadístico asociado con distribuciones normales de
datos, que considera la probabilidad de que el índice de servicio
del pavimento sea superior a pt durante el periodo de diseño
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Significado de los términos de la ecuación
MÉTODO AASHTO - 93
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REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ECUACIÓN
MÉTODO AASHTO - 93
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NIVELES DE CONFIABILIDAD RECOMENDADOS POR AASHTO
Urbana Rural
Autopistas 85 - 99.9 80 - 99.9
Arterias principales 80 - 99 75 - 95
Colectoras 80 - 95 75 - 95
Locales 50 - 80 50 - 80
Clasificación funcional de
la vía
Nivel recomendado de confiabilidad (%)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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RELACIONES ENTRE CONFIABILIDAD Y ZR EN UNA DISTRIBUCIÓN NORMAL
Confiabilidad (%) 50 75 80 85 95 99 99.9
zR 0 0.674 0.842 1.037 1.645 2.327 3.08
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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Módulo resiliente efectivo (MR)
Es el módulo resiliente promedio que se traduce en un
daño del pavimento (Uf) igual al que se alcanzaría si se
usaran valores modulares estacionales:
—Se divide el año en periodos con diferente MR con
base en la humedad del suelo o en la variación de las
deflexiones medidas en pavimentos construidos sobre
el mismo suelo
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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—Se determina el daño relativo por periodo
Uf = 1.8 x 106 * MR-2.32
—Se calcula el daño relativo promedio
—Se halla el módulo resiliente efectivo a partir del
daño relativo promedio, usando la misma
ecuación
Módulo resiliente efectivo (MR)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO
VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO
VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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AJUSTE DEL MR DE LA SUBRASANTE POR LAS VARIACIONES
ESTACIONALES
MÉTODO AASHTO - 93
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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 = Sai*Di*mi
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Número estructural (SN)
MÉTODO AASHTO - 93
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SN = a1*D1+ a2*D2*m2+ a3*D3*m3
D1,2,3 = espesores de capas asfálticas, base y subbase
respectivamente (pulgadas)
ai = coeficiente estructural de capa i, dependiente de su módulo
mi = 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
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Número estructural (SN)
MÉTODO AASHTO - 93
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Coeficientes estructurales de capa (ai)
Los coeficientes estructurales dependen de:
—Resistencia del material (CBR, módulo, etc)
—Calidad de la construcción
—Estado de esfuerzos
Miden la capacidad relativa de una unidad de
espesor de una determinada capa para funcionar como
componente estructural del pavimento
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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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
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Coeficientes estructurales de capa (ai)
MÉTODO AASHTO - 93
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Coeficiente estructural
Figura GG.7, volumen II, manual AASHTO ( 0.20-0.50)
granular a2 = 0.249 (log EB) - 0.977
estabilizada con cemento Figura GG.9, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.28)
estabilizada con asfalto Figura GG.10, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.35)
a3 = 0.227 (log ESB) - 0.839Subbase granular
Base
CAPA
Asfáltica
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA (ai)
MÉTODO AASHTO - 93
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NOMOGRAMA AASHTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL
COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE UNA BASE GRANULAR
MÉTODO AASHTO - 93
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Coeficientes de drenaje (mi)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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
MÉTODO AASHTO - 93
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COEFICIENTES DE DRENAJE mi 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.
mi = 1.00 - 0.80
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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Determinación de los espesores de las capas
individuales (Di)
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
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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33
*
2
*
13
*
3
2
*
2
*
1
22
*
12
*
2
1
*
11
*
1
1
1*
1
/)(
/)(
maSNSNSND
SNSNSN
maSNSND
SNDaSN
a
SND
* Indica el valor realmente usado, el cual debe
ser igual o mayor que el valor requerido según
el algoritmo
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Determinación de los espesores de las capas
individuales (Di)
MÉTODO AASHTO - 93
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Determinación gráfica del SN
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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Determinación del SN con un programa de cómputo
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
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ESPESORES MÍNIMOS ADMISIBLES PARA LAS
CAPAS ASFÁLTICAS Y LA BASE GRANULAR
N
(106) Capas asfálticas Base granular
< 0.05 TSD 4.0
0.05-0.15 2.0 4.0
0.15-0.50 2.5 4.0
0.50-2.00 3.0 6.0
2.00-7.00 3.5 6.0
>7.00 4.0 6.0
Espesores mínimos (pulgadas)
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Vía rural local
Confiabilidad deseada = 75 % (zR = 0.674)
Tránsito esperado = 1,300,000 ejes equivalentes
Pérdida total de serviciabilidad = 4.2 – 2.0 =2.2
Desviación estándar total = 0.49
Características de drenaje = Aceptables
Condición cercana a la saturación durante 4 meses/año
mi = 0.80
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MÉTODO AASHTO - 93
Características de los materiales de construcción
EJEMPLO DE DISEÑO
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SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Determinación de SN1
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MÉTODO AASHTO - 93
Cálculo de D1
Verificación de D1
4.5 pulgadas > 3.0 pulgadas O.K.
Cálculo de SN1*
SN1* = a1 * D1
* = 0.44 * 4.5 = 1.98
pulgadas)4.5(tomarpulgadas4.470.44
1.97
a
SND
1
11
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
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MÉTODO AASHTO - 93
Determinación de SN2
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
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MÉTODO AASHTO - 93
Cálculo de D2
Verificación de D2
5.4 pulgadas < 6.0 pulgadas tomar 6.0 pulgadas
Cálculo de SN2*
SN2* = a2 D2
* m2 = 0.13 * 6.0 * 0.8 = 0.624
pulgadas5.40.8*0.14
1.98 - 2.54
ma
SNSND
22
*
122
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
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MÉTODO AASHTO - 93
Determinación de SN3
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
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MÉTODO AASHTO - 93
Cálculo de D3
Resumen del diseño
pulgadas10.10.8*0.102
0.624)1.98 (- 3.43
ma
)SN(SNSND
33
*
1
*
23
3
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
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MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
MÉTODO INVÍAS - 98
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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
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REGIONES CLIMÁTICAS
El país se dividió en seis regiones climáticas, con base
en la temperatura y la precipitación media anual
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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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
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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TRÁNSITO DE DISEÑO
REQUISITOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS
EN LA GUÍA DE DISEÑO
Categoría
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
4.0 - 6.0
6.0 - 10.0
10.0 - 15.0
Ejes equivalentes de 80kN en el
carril de diseño durante el periodo
de diseño del pavimento N* (106)
0.5 - 1.0
1.0 - 2.0
2.0 - 4.0
15.0 - 20.0
20.0 - 30.0
30.0 - 40.0
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
N*1.159N*
y1.282,z90%, es dadconfiabili la Si
N*10N*
R
z*0.05 R
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CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
Se empleó la ecuación básica del método AASHTO-93
Se adoptó S0=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 (10 0.05*ZR * N)
Se consideró una pérdida de serviciabilidad de 2.2
durante el periodo de diseño del pavimento
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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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 (mi=1.0 si la precipitación < 2,000 mm/año,
mi=0.90 si la precipitación está entre 2,000 y 4,000
mm/año y mi=0.80 para precipitaciones mayores)
Las estructuras obtenidas se verificaron con módulos
teóricos y curvas de fatiga SHELL
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
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VALORES ADOPTADOS PARA LOS COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA
Material Condición ai
T < 13°C 0,44
13°C £ T < 20°C 0,37
20°C £ T < 30°C 0,30
T < 13°C 0,35
13°C £ T < 20°C 0,30
20°C £ T < 30°C 0,24
Base granular 0,14
suelos A-1 0,16
suelos A-2-4, A-2-5 y A-3 0,14
demás suelos 0,13
agregado grueso (BEE1) 0,20
agregado fino (BEE2) 0,20
suelo (BEE3) 0,14
Subbase granular 0,11
Mezcla densa en caliente
Mezcla densa en frio
Base estabilizada con cemento
Base estabilizada con emulsión asfáltica
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
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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
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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ESTRUCTURAS RECOMENDADAS EN LA CARTA
No. 3 PARA CATEGORÍA DE TRÁNSITO T5
15 12 12 10 12 10 7.5 10 10 7.5 10 10 7.5 10
30 - 30 - 25 30 - 25 25 - 25 20 - 15
- 15 - 15 - - 15 - - 15 - - 15 -
- 10 - 10 - - 10 - - - - - - -
- - - - 30 - - 30 - - 25 - - 20
45 45 35 35 - 30 30 - 25 35 - 20 25 -Subbase granular
Base estabilizada con cemento
S1 S2
Mezcla densa en caliente
Base granular
Base estabilizada (BEE1)
Base estabilizada (BEE2)
S3 S4 S5
Capa de pavimento espesores de capa (cm)
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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Ejemplo de diseño
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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*106 ejes equivalentes
Materiales disponibles
En la zona abundan materiales granulares de buena calidad
para la elaboración de subbases, bases y concretos asfálticos
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Solución al ejemplo de diseño
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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’ = 1.159 N = 1.159 x 5.7*106 = 6.6*106 ejes equivalentes
Para este valor de N* corresponde la categoría T 5
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Solución al ejemplo de diseño
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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
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DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÉTODOS EMPÍRICO-
MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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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
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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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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Espesor de cada una de las capas
Condiciones de carga
—Magnitud de la carga
—Geometría de la carga
—Número de cargas actuantes
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE
ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA
DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA
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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 Respuesta
Superficie del pavimento Deflexión
Fondo de capas asfálticas ó
bases estabilizadas
Deformación horizontal de
tensión
Parte superior de las capas
intermedias granulares
Deformación vertical de
compresión
Superficie de la subrasante Deformación vertical de
compresión
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
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6. Adoptar ecuaciones de comportamiento de los
diferentes materiales
7. Determinar las repeticiones de carga admisibles (ni)
para las magnitudes de los esfuerzos y deformaciones
obtenidas en los puntos críticos del modelo
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
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8. Computar las relaciones Di = N/ni en todos los puntos
críticos
9. Aumentar o disminuir espesores, variar calidad de
materiales, o ambas cosas simultáneamente, si Di no es
próximo a 1.0
10. Iterar hasta obtener el diseño definitivo
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
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MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
EJEMPLO DE INFORMACIÓN SOBRE CARGAS Y CAPAS DEL
PAVIMENTO EN UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
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MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
EJEMPLO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES CALCULADOS
POR UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
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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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
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MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
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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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
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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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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Fórmula de Finn et al
Log Nf = 15.947 - 3.291 log (et/10-6) - 0.854 log (EAC/103)
Nf = número de aplicaciones de carga que dan lugar al
agrietamiento del 10% del área sometida a carga
et = deformación horizontal de tensión en el fondo de la
capa asfáltica
EAC = módulo de la capa asfáltica (psi)
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL
CONCRETO ASFÁLTICO
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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 (εz)
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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Fórmula de CHEVRON
Nf = 1.05x10-2 * ez-0.223
Nf = número admisible de aplicaciones de carga para
que el ahuellamiento no exceda de 13 mm
ez = deformación vertical de compresión en la
superficie de la subrasante
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO
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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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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Fórmula del Instituto del Asfalto
DB = 25.64*N-0.2383
N = número admisible de aplicaciones de carga hasta
la falla, para una determinada deflexión Benkelman
característica (DB) en milímetros
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN
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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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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MÉTODO SHELL – 98
(SPDM 3.0)
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
Generalidades
El método considera el pavimento como unsistema de capas homogéneas, isotrópicas y decomportamiento linealmente elástico
Los materiales de las diversas capas estáncaracterizados por E y m
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MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
Generalidades (cont.)
Los criterios de diseño incluyen:
—Tensión horizontal en el fondo de las capasasfálticas o en las capas de base cementadas,cuando la estructura las incluya
—Deformación vertical de compresión al nivel dela subrasante
—Deformación permanente de las mezclasasfálticas
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Generalidades (cont.)
El método permite considerar fricción variable en lasinterfaces de las capas del pavimento
Los cálculos de los esfuerzos y deformaciones serealizan con el programa BISAR
La determinación de espesores se realiza a través deun módulo del programa Windows SPDM 3.0
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
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INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO
Clima
Tránsito y periodo de diseño del pavimento
Características de las capas granulares y lasubrasante
Composición de la mezcla asfáltica ycaracterísticas de fatiga de ella
Rigidez de la capa asfáltica y espesores
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
Clima
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Se emplea la temperatura promedio anual ponderadadel sitio del proyecto (w-MAAT), la cual se puedeobtener de 3 maneras:
—Introduciendo los 12 valores de temperaturapromedio mensual
—Seleccionando de la base de datos, a través delbotón Retrieve, los valores de las temperaturaspromedio mensuales
—Introduciendo directamente el valor de la w-MAAT
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Clima
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Tránsito y período de diseño
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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Se emplea el número de ejes simples equivalentes de80 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 coninformación sobre el número de días del año contránsito, la tasa de crecimiento anual del tránsito yel período de diseño del pavimento
—Introduciendo directamente el número de ejessimples equivalentes
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Tránsito y período de diseño
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La pantalla da la oportunidad de efectuarcorrecciones por movimiento lateral del tránsito sobrela calzada y por el efecto de reposo entre aplicacionessucesivas de carga por eje
Los valores incluidos por defecto son 5 y 2respectivamente
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Tránsito y período de diseño
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MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
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Se debe ingresar obligatoriamente el módulo de lasubrasante (E3) y el espesor de las capas granulares (h2)
Se puede incluir un valor promedio del módulo de lascapas granulares (E2) o permitir que el programa localcule con 50% de confiabilidad mediante la expresión:
(E2 = 0.2* h20.45 *E3)
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
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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 criteriode deformación de la subrasante o emplear las fórmulasSHELL para 50%, 85% o 95% de confiabilidad
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
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MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Composición de la mezcla asfáltica y fatiga
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Se debe ingresar la información correspondiente alos volúmenes de agregados, asfalto y vacíos de lamezcla compactada (es suficiente ingresar 2 de los 3datos)
Se debe incluir la ecuación de fatiga de la mezclacompactada, la cual puede ser propia o la quesuministra el método por defecto
El valor Nfat es el número de ciclos para el cual elstiffness decrece un 50% de su valor original
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Composición de la mezcla asfáltica y fatiga
![Page 99: DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS PARA CALLES · PDF fileejemplo, relaciona una deflexión calculada matemáticamente, con la vida real del pavimento) ... Tránsito esperado = 1,300,000](https://reader034.fdocuments.mx/reader034/viewer/2022050813/5a79a68d7f8b9a9b4d8b9e95/html5/thumbnails/99.jpg)
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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El módulo de la mezcla se puede alimentar de 3maneras:
—Ingresando su valor para las condicionesreales de temperatura y de tiempo deaplicación de carga
—Incorporando el stiffness del asfalto (Sbit) paralas mismas condiciones
—Incorporando los datos básicos decomportamiento del asfalto envejecido(punto de ablandamiento y penetración)
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
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La relación de Poisson de la mezcla es de 0.35 pordefecto, pero puede ser modificada
El espesor adoptado de capas asfálticas para elprimer tanteo de diseño es, por defecto, 0.2 m
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
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Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas
Se marcan las opciones ―Results” y ―Calculate”
Aparece un mensaje ofreciendo la posibilidad desalvar la información
El programa realiza los cálculos de esfuerzos ydeformaciones para el modelo de pavimento creadopara el primer tanteo y compara los resultados con loscriterios de falla introducidos
Si no hay coincidencia, efectúa las iteracionesnecesarias hasta obtener el espesor apropiado de capasasfálticas
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas
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INFORME DE DISEÑO DE ESPESORES
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
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DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
PARA CALLES Y CARRETERAS
DISEÑO DE
PAVIMENTOS SOBRE
SUELOS BLANDOS
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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
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
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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)
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
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DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL
GRANULAR GRUESO (RAJÓN)
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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
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL
GRANULAR GRUESO (RAJÓN)
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DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
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
USO DE GEOMALLAS
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DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
EJEMPLO DE SOFWARE PARA DISEÑO DE PAVIMENTO,
ELABORADO POR UN FABRICANTE DE GEOMALLAS
USO DE GEOMALLAS