Aplicación para Pavimentosen Altura del MétodoMecanístico- Empírico

(MEPDG) AASHTO 2008

Carlos M. Chang, Ph.D., P.E.

Congreso Andino de Carreteras. 20-22 de Agosto, 2012. Lima, Peru

Versión 1993Versión 19932008 AASHTO

Evolución del Diseño de PavimentosEn el

Futuro¿Práctica Actual?

Empírico Empírico-Mecanístico

Mecanístico

Estado de la prácticaEstado de la práctica

Metodologías de Diseño de Pavimentos

• Empírico– Procedimientos estadísticos basados

en ensayos experimentales• Mecanístico

– Cálculo de respuestas del pavimento i.e., esfuerzos, deformaciones

– Modelos de desempeño del pavimento basado en principios mecanísticos

ClimaTrafico

Materiales

Estructura

Daño

TiempoFallasRespuesta

TiempoAcumulación de

daño

Diseño Mecanístico-Empírico•• Mecanistico:Mecanistico: Calcular la respuesta del•• Mecanistico: Mecanistico: Calcular la respuesta del

pavimento (i.e., esfuerzos, deformaciones unitarias, y deflexiones) debido a:, y )– Cargas de tráfico– Condiciones medio-ambientales

A l ió d d ñd ñ t é d l tiAcumulación de dañodaño a través del tiempo•• EmpíricamenteEmpíricamente relacionar el daño acumulado

a través del tiempo a fallas del pavimentoa través del tiempo a fallas del pavimento, e.g.:- Fisuramiento- Ahuellamiento- Otras fallas

MEPDG representa unMEPDG representa un cambio sustancial en la manera de diseñar pavimentospavimentos.

Acerca más al diseñador a laAcerca más al diseñador a la realidad y considera clima, tráfico, características estructurales materialesestructurales, materiales, métodos constructivos.

Factores que Afectan el Desempeño de los Pavimentos en Altura

Tráfico•Carga actuante y presión de neumáticog y p•Configuración de los ejes de carga •Frecuencia de la carga•Velocidad de la carga al pasar•Velocidad de la carga al pasar

Geometría• Pendientes pronunciadasPendientes pronunciadas • Ancho de vía reducido• Condiciones geotécnicas

complejascomplejas

TRAFICO en MEPDG 2008Diferentes tipos de Ejes de Carga• Diferentes tipos de Ejes de Carga

Eje Simple

Llantas Simples Llantas Duales Tandem Tridem

Llantas Duales

• Ejes de Carga Mixtos

Esfuerzos y Deformaciones

t, or t

c

Fisuramiento por Fatiga

CapapAsfaltica

Deformaciones altas y eventual fi i t f tifisuramiento por fatiga

Falla Tipo “Piel de Cocodrilo”

(SHRP, 1993)(SHRP, 1993)

Ahuellamiento por Efecto de Cargas

Base

Ahuellamiento puede ocurrir a nivelAhuellamiento puede ocurrir a nivel de la base, subbase o subrasasante

Ah ll i tAhuellamiento

(SHRP, 1993)(SHRP, 1993)

Factores que Afectan el Desempeño de los Pavimentos en Altura

Clima• Cambio Brusco del Gradiente Térmico (hasta 60oC

en 8 horas) • Temperaturas BajasTemperaturas Bajas• Radiación Solar Intensa• Precipitación pluvial (Mensual Promedio Nov-Abril

400 600 mm)400 – 600 mm)• Heladas: Congelamiento- deshielo, húmedo-seco

Fisuramiento Térmico

(SHRP, 1993)(SHRP, 1993)

Datos Climáticos en MEPDG

• La variación de la TEMPERATURA cada hora es considerada en el análisis– El modelo considera los efectos de la temperatura

en la estructura del pavimento cada hora basado en datos climáticos históricos por horaen datos climáticos históricos por hora

• Gradiente de humedad—Variación mensual de la es considerada en el análisis.

Variación Diaria de la Temperaturaos

C

Día 2 Día 3 Día 4Día 1

ra, g

rado

mpe

ratu

r

PCC A ibNoche

Dia

0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0

Tem PCC Arriba

PCC Abajo

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Tiempo, días

Cada aplicación de carga

TraficoModulo PCCModulo CTB

Modulo de

Modulo AC

Modulo de Base Granular

Modulo

2 8640

Modulo Subrasante

Tiempo, años2 8640

Otros Factores que Afectan el Desempeño de los Pavimentos en Altura

Materiales• Bancos rocosos de origen volcánicog

(bajo peso específico y alta absorción de agua)• Agregados de río escasos

Geotecnia• Estabilidad de Taludes

P f did d d l i l f á i• Profundidad del nivel freático• Condiciones de drenaje• Respuesta a Sismosp

¿Cómo MEPDG cambia la Manera de Diseñar Pavimentos?de Diseñar Pavimentos?

Guía 1993 MEPDG (2008)( )Tráfico – ESALs Un procedimiento de

diseño drásticamente d fCapa coeficiente de drenaje (AC) diferente

¡Muchos más datos por obtener!

Capa, coeficiente de drenaje (AC)Mr, transferencia de carga, coeficiente de drenaje (PCC)Subrasante (M k) por obtener!Subrasante (Mr, k)

PSI Inicial y Terminal

Confiabilidad

MEPDG -2008 Regularidad Superficial Índice Internacional de Rugosidad (IRI)

Velocidad = 80 km/h 1

2

nanc

ia

Velocidad = 80 km/h

0

1

0 01 0 1 1 10 100

Gan

(Vertical Distance)

0.01 0.1 1 10 100

Longitud de Onda, m

Horizontal Distance

InformaciónGeneral

DatosTráficoTráficoClima

EstructuraEstado y Resumen

Ver Resultados y Salidasy Salidas

Datos Generales– Periodo de diseño, fecha de construcción,

fecha de inicio del tráficoN t l d l t– Naturaleza del proyecto• Construcción nueva• Reconstrucción• Rehabilitación

– Tipo de pavimento• Flexible• Rígido

Datos Específicos • Tráfico

– Volumen– Distribución de la carga por eje– Configuración del eje

Cli• Clima– Latitud, longitud, elevación, etc.

E t t d l P i t• Estructura del Pavimento– Capas, espesores, y propiedades de los

materiales y otras característicasmateriales y otras características.

Modelos de Respuesta Estructural Multi-Capa Elásticas- Elementos Finitos

• Para pavimentos flexibles JULEA programa de análisis p g

de capas elásticas lineales

DSC2D programa del Modelo d El t Fi it j i ét ide Elemento Finito eje simétrico en 2D para casos con modelación no lineal

• Para pavimentos rígidos ISLAB2000programa del

Modelo de Elemento Finito (FEM)Modelo de Elemento Finito (FEM)

Fallas en Pavimentos FlexiblesFallas en Pavimentos Flexibles

FallaFalla porpor FatigaFatigapp gg

FisuramientoFisuramientoLongitudinalLongitudinal IRIIRILongitudinalLongitudinal

FisuramientoFisuramientoAh ll i tAh ll i tTTérmicoérmico AhuellamientoAhuellamiento

F ll P i t Rí idFallas en Pavimentos Rígidos

Vida Util L id útil d di ñ di idid• La vida útil de diseño es dividida en períodos incrementales de tiempo

Vida Util de Diseño

Daño Incremental

• En cada incremento de tiempo, los siguientes parámetros son utilizados g ppara calcular el daño incremental:– Propiedades de los materiales– Temperatura y humedad de

acuerdo a la estación– Variación estacional del tráfico

Daño Acumulado Daño total acumulado es la suma de los incrementos de daño a lo largo de la vida útil.

año

Da

Vida Util de Diseño

Verificación del DesempeñoEl procedimiento evalua un diseño propuesto para determinar si cumple con el comportamiento esperado bajo los criterios establecidos para unesperado bajo los criterios establecidos para un determinado nivel de confiabilidad

Diseño Propuesto

Verificación del Desempeñoe

Falla ¿Esta el nivel de

falla predecido

dicc

ión

de

pdentro de los limites permisibles para el nivel de confiabilidad

Pred confiabilidad

deseado?

0 5 10 15 20 25 30Edad, años,

Efectividad del MEPDG

Datos Datos utilizados en el diseñoutilizados en el diseño

CalibraciónCalibración los modelos deCalibración Calibración los modelos de predicción del desempeño del pavimento con lo observado en elpavimento con lo observado en el campo

Tipos de Asfalto

Ni l d T áfiNiveles de Tráfico

Recomendaciones para un BuenRecomendaciones para un Buen Desempeño de Pavimentos en Altura

Diseño de Mezcla AsfálticaDiseño de Mezcla Asfálticaa. Elegir adecuadamente el tipo de asfalto.

• Asfalto PEN 85-100 o 120-150, S perpa e PG 58 34 o PG 64 22• Superpave PG 58-34 o PG 64-22

b. Contenido de Asfalto (6% como mínimo)

Evaluar el desempeño de la mezcla asfáltica con ensayos SUPERPAVE.

a. Con el Asfalto Virgen:• Punto de Inflamación (oC)• Ensayo con Reómetro de Corte Dinámico, G*/sin d (kPa)Ensayo con Reómetro de Corte Dinámico, G /sin d (kPa)• Viscosidad Brookfield a 135 oC (Pa.s)

Recomendaciones para un BuenRecomendaciones para un Buen Desempeño de Pavimentos en Altura

b Con el residuo después del Ensayo de Película Delgada en

Evaluar el desempeño de la mezcla asfáltica con ensayos SUPERPAVE.

b. Con el residuo después del Ensayo de Película Delgada en Horno Rotatorio:

•Pérdida de masa (%)•Ensayo con Reómetro de corte dinámico G*/sin d (kPa)•Ensayo con Reómetro de corte dinámico, G*/sin d (kPa)

c. Con el residuo después del ensayo de Envejecimiento a P ióPresión:•Ensayo con Reómetro de Corte Dinámico, G*/sin d (kPa)•Ensayo con Reómetro de Flexión, Stiffness (Mpa)E R ó t d Fl ió V l•Ensayo con Reómetro de Flexión, m Value

Recomendaciones para un Buen Desempeño de Pavimentos en Altura

• Controlar la temperatura de la mezcla asfáltica durante la colocaciónla colocaciónSe recomiendan espesores de carpeta asfáltica no menores a 6 cm.

• Medir la Macrotextura y Microtextura de la Superficie de Rodadura por razones de Seguridad Vial

a. Coeficiente de Resistencia al Deslizamiento (mayor a 0.5)b. Profundidad de Textura (0.4 – 0.6 mm para mezclas

densas de granulometría fina)densas de granulometría fina)

Otras Sugerencias para un Buen Desempeño de Pavimentos en Altura

• Evaluar la necesidad de utilizar otros materiales:

- Geotextiles- Polímeros o Asfaltos Modificados en Mezclas

A fáltiAsfálticas.- Uso de asfaltos con caucho o goma.

• Implementar planes de gestión vial que consideren lascondiciones particulares de los pavimentos en altura.

Carlos M. Chang Albitres, Ph.D., P.E.cchangalbitres2@utep.edu