Diseno Pavimento Flexible AASHTO

ING. JOS R. HARRIS Q. 1

DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE -

AASHTO

El mtodo de diseo AASHTO, originalmente conocido como AASHO, fue desarrollado en los Estados Unidos en la dcada de los 60, basndose en un ensayo a escala real realizado durante 2 aos en el Estado de Illinois. A partir de los deterioros que experimentan representar las relaciones deterioro -

solicitacin para todas las condiciones ensayadas.

A partir de la versin del ao 1986, el mtodo AASHTO comenz

a introducir conceptos mecanicistas para adecuar algunos parmetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar del ensayo original.

Los modelos matemticos respectivos tambinrequieren de una calibracin para las condicioneslocales del rea donde se pretenden aplicar.

Referencia: Gua AASHTO para el Diseo de Estructuras de Pavimentos 1993

http://www.trb.org/mepdg/


DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE -

AASHTO

CARPETA ASFLTICA

CAPA BASE

D1

D2

SUBGRADO

CAPA SUB-BASE D3

SELLOS

CAPA BASE D2

SUBGRADO

CAPA SUB-BASE D3

ADOQUINES

CAPA BASE D2

SUBGRADO

CAPA SUB-BASE D3

D1


1. ECUACIN DE DISEO PARA PAVIMENTO FLEXIBLE 1986-93

( )07,8log32,2

1109440,0

5,12,4log

20,0)1(log36,9)(log

10

19,5

10

1010

+++

+++=

R

oR

MSN

PSI

SNSZESAL

Desviacin estndar normal Desviacin estndar global Nmero estructural

Cambio en la Servicialidad

Mdulo de resilencia

Ejes equivalentes

El modelo de ecuacin de diseo est basado en la prdida del ndice de servicialidad (PSI) durante la vida de servicio del pavimento; siendo ste un parmetro que representa las bondades de la superficie de rodadura para circular sobre ella.


El modelo de ecuacin de diseo est basado en la prdida del ndice de servicialidad (PSI) durante la vida de servicio del pavimento; siendo ste un parmetro que representa las bondades de la superficie de rodadura para circular sobre ella.

Curva de comportam

Curva de diseo

Log (ESAL)

S

E

R

V

I

C

I

A

L

I

D

A

D

po

pt


1.1 ZR

= DESVIACIN ESTNDAR NORMAL (vase Tabla 4.1 y Tabla 2.2

)

Tabla 4.1 Valores de la desviacin estndar normal, ZR , correspondientes a los niveles de confiabilidad, RConfiabilidad, R, en porcentaje Desviacin estndar normal, ZR

50 -0,000 60 -0,253 70 -0,524 75 -0,674 80 -0,841 85 -1,037 90 -1,282 91 -1,340 92 -1,405 93 -1,476 94 -1,555 95 -1,645 96 -1,751 97 -1,881 98 -2,054 99 -2,327

99,9 -3,090 99,99 -3,750


ZR

= DESVIACIN ESTNDAR NORMAL (vase Tabla 4.1 y Tabla 2.2

)

Tabla 2.2 Niveles sugeridos de confiabilidad de acuerdo a la clasificacin funcional del camino.

Nivel de confiabilidad, R, recomendado Clasificacin funcional

Urbana Rural Interestatales y vas rpidas 85 99,9 80 99,9

Arterias principales 80 99 75 95 Colectoras 80 95 75 95

Locales 50 80 50 80

La confiabilidad en el diseo (R) puede ser definida como la probabilidad de que la estructura tenga un comportamiento real igual o mejor que el previsto durante la vida de diseo adoptada.

Cada valor de R est asociado estadsticamente a un valor del coeficiente de STUDENT (ZR ). A su vez, ZR determina, en conjunto con el factor "So", un factor de confiabilidad.


1.2 SO

= Desviacin normal del error estndar combinado en la estimacin de los parmetros de diseo y el comportamiento del pavimento (modelo de deterioro)

Para pavimentos flexibles:0,40 < So < 0,50

Se recomienda usar 0,45


1.3 SN = Nmero estructural indicativo del espesor total requerido de pavimento

SN = a1

D1

+ a2

D2

m2

+ a3

D3

m3donde ai = coeficiente estructural de la capa iDi = espesor, en pulgadas, de la capa imi = coeficiente de drenaje de la capa i

CARPETA ASFLTICA

CAPA BASE

D1

D2

SUBGRADO

CAPA SUB-BASE D3


Coeficientes estructurales

Los materiales usados en cada una de las capas de la estructura de un pavimento flexible, de acuerdo a sus caractersticas ingenieriles, tienen un coeficiente estructural "ai ". Este coeficiente representa la capacidad estructural del material para resistir las cargas solicitantes.

Estos coeficientes estn basados en correlaciones obtenidas a partir de la prueba AASHO de 1958-60 y ensayos posteriores que se han extendido a otros materiales y otras condiciones para generalizar la aplicacin del mtodo.

Espesores mnimos (in)

Trfico, ESAL Concreto asfltico, D1 Capa Base, D250 000-

50 001 a 150 000150 001 a 500 000

500 001 a 2 000 0002 000 001 a 7 000 000

7 000 000+

1,0 (o tratam. Superficial)2,02,53,03,54,0

444666


a1

= coeficiente estructural de la carpeta asfltica(Figura 2.5, si se conoce el Mdulo de Elasticidad de la mezcla asfltica en psi o la Figura 00, si se conoce la Estabilidad Marshall en libras)

Figura 2.5Figura 00


AASHTO ESPECIFICACIONES Standard Method

of

test

for

Resistance

to

Plastic

Flow

of

Bituminous

Mixtures Using

Marshall

Apparatus


a2

= coeficiente estructural para la capa base

Figura 2.6, si se utiliza capa base granular

Figura 2.6


a3

= coeficiente estructural para la capa sub-base

Figura 2.7, si se utiliza capa sub- base granular

Figura 2.7


mi

= coeficientes de drenaje

Calidad del drenaje Porcentaje del tiempo en que la estructura de pavimento esta expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturacin

Menos de 1% 1 5% 5 25% Ms del 25%

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

Buena 1,35 1,25 1,25 1,15 1,15 1,00 1,00

Regular 1,25 1,15 1,15 1,05 1,00 0,80 0,80

Pobre 1,15 1,05 1,05 0,80 0,80 0,60 0,60

Deficiente 1,05 0,95 0,95 0,75 0,75 0,40 0,40

Tabla 2.4 Coeficiente de drenaje mi , recomendado


mi

= coeficientes de drenaje

La calidad del drenaje se define en trminos del tiempo en que el agua tarda en ser eliminada de las capas granulares (capa base y sub-base):

Calidad del drenaje Agua eliminada en

Excelente 2 horas

Buena 1 da

Regular 1 semana

Pobre 1 mes

Deficiente Agua no drena

Para calcular el tiempo en que el agua es eliminada ser

necesario conocer la permeabilidad, k, pendientes, espesores D2

y D3

de los materiales a utilizar como capa base y sub-base, respectivamente.


1.4 PSI = diferencia entre el ndice de servicialidad inicial, po, y el ndice de servicialidad

terminal

de

diseo, ptPSI = po pt

Servicialidad

es la condicin de un pavimento para proveer un manejo seguro y confortable a los usuarios en un determinado momento. Inicialmente se cuantific

la servicialidad

de una carretera pidiendo la opinin de los conductores, estableciendo el ndice de servicialidad

p de acuerdo a la siguiente calificacin:

ndice de Servicialidad, p Calificacin

0 - 1 Muy mala

1 2 Mala

2 3 Regular

3 4 Buena

4 - 5 Muy buena


Posteriormente se estableci

una combinacin matemtica de mediciones fsicas en los pavimentos, siendo una forma ms objetiva de evaluar este ndice.

[ ] [ ] 221 38,101,01log91,103,5 RDPcSp fv ++=Sv

: Varianza de las inclinaciones de la rasante existente en sentido longitudinal respecto de la rasante inicial. Mide la rugosidad en sentido longitudinal.

cf

: Suma de las reas fisuradas

en ft2

y las grietas longitudinales y transversales en pie, por cada 1000 ft2

de pavimento.

P : rea bacheada en ft2

por cada 1000 ft2

de pavimento.

RD: Profundidad media del ahuellamiento

en pulgadas. Mide la rugosidad transversal.

po

= 4,2-

(4,2 es la mxima calificacin lograda en la AASHO Road

Test

para pavimento flexible).

pt

= ndice ms bajo que puede tolerarse antes de realizar una medida de rehabilitacin = 2,5+ para carreteras con un volumen de trfico alto

2,0+ para carreteras con un volumen menor.


1.5 MR

= mdulo de Resilencia, en psi, del material de terracera (subrasante).

La capacidad del suelo se mide mediante las pruebas de CBR y Mdulo de Resilencia, dependiendo de los equipos disponibles.

Relaciones CBR -

Mdulo de Resiliencia:En nuestro pas no existe experiencia ni equipos para determinar el Mdulo de Resilencia. Ante esta carencia se recurre a correlaciones con el CBR.

Se puede utilizar la siguiente correlacin entre el CBR de la terracera y el mdulo de resilencia:

MR (psi) = 1500 CBR


p2

h Capa base o selecto 2

2a

P1

1

p1

Subgrado 2a

22

18.1 FEpa=

Prueba de placa para determinar el modulo de elasticidad


1.6 ESAL = W18

= Equivalent

Single Axle

Load =

Cantidad pronosticada de repeticiones del eje de carga equivalente de 18 kips

(8,16 t = 80 kN) para el periodo

analizado.

Informacin bsica requerida:

SN = asumir un valor inicial del nmero estructural, considere 1 (uno) como mnimo.

t = periodo de anlisis en aos

Tipo de carretera Periodo de anlisis (aos), t

Urbana de alto volumen 30 a 50

Rural de alto volumen 20 a 50

Pavimentada de bajo volumen 15 a 25

Tratada superficialmente de bajo volumen

10 a 20


ADT = trnsito promedio diario anual (Average Dairy Traffic) en vpd, representa el promedio aritmtico de los volmenes diarios de trnsito durante un ao, previsibles o existentes en una seccin dada de la va. Se determina por razones prcticas en forma diferenciada para cada tipo de vehculo.

Clasificacin de los vehculos (vehculos de pasajeros, buses, camiones, etc.) y Composicin del trfico (tipos de ejes de carga y su respectivo porcentaje de distribucin en el ADT)


g = tasa de crecimiento; representa el incremento promedio anual del ADT. En general, las tasas de crecimiento son distintas para cada vehculo.

n = nmero de carriles

DD = distribucin direccional crtica (a menos que existan consideraciones especiales, la distribucin direccional asigna un 50% del trnsito a cada direccin)

DL = factor de distribucin por carril

Nmero de carriles en una direccin Porcentaje del ESAL en el carril de diseo, DL

1 100

2 80 a 100

3 60 a 80

4 50 a 75


El trnsito solicitante es un factor fundamental en todos los mtodos de diseo estructural de pavimentos. Las cargas de los vehculos son transmitidas al pavimento mediante dispositivos de apoyo multiruedas

para distribuir la carga total solicitante sobre una superficie mayor, siendo posible reducir los esfuerzos

y deformaciones que se producen al interior de la superestructura. El nmero y composicin de los ejes pesados que solicitarn al pavimento durante su vida de diseo se determinan a partir de la informacin bsica suministrada.


Procedimiento:

Asuma un valor del nmero estructural = SN (asumido)

Determine los factores de equivalencia, F; usando las Tablas D.1 a D.9 segn sean las condiciones o la siguiente ecuacin:

( ) ( ) 218

218

log33,4log79,4118log79,4log LGGLLww t

x

tx

t

tx ++++=

donde

=

5,12,42,4log10 tt

pG( )

( ) 23,3219,523,3

2

1081,040,0

LSNLLx

x +++=

( ) 19,518 1109440,0 ++= SN

=

18

1

t

tx

ww

FsiendoL2 = 1, 2, 3 para ejes sencillos, tandem

y triple, respectivamente.Lx = carga del eje en kips.


Los resultados de la Prueba de Carreteras AASHTO mostraron que el dao que produce un eje con una carga determinada puede representarse por

el nmero de pasadas de un eje sencillo de 18 kips

(8,16 t = 80 kN) de rueda doble, considerado como eje patrn, que produce un dao similar. Distintas configuraciones de ejes y cargas inducen daos diferentes en el pavimento, pudiendo asociarse dicho deterioro al producido por un determinado nmero de ejes convencionales de 18 kips

de carga por eje sencillo de rueda doble.

Calcular las repeticiones diarias para cada eje = ADT % Composicin

Calcular los ejes equivalentes de 18 kips esperados el primer da de apertura del pavimento, ESALo.

Tipo de vehculo

Ap B T2-S2 TOTAL

Cantidad ADT

% Composicin 100%


SN (asumido) = ______

Tipo de vehculo

Ejes de carga (kips)

% Composicin

Factor de equivalencia

Repeticiones diarias

Ejes equivalentes

(1) (2) (3) (4) (5)=ADT(3) (6)=(5)(4) 2S

Ap 2S 8S

B 16S 8S 18S T2-S2 24T

ESALo =

Calcular los ejes equivalentes esperados el primer ao de uso del pavimento18

= ESALo

365

Realizar los ajustes a causa del nmero de carriles y la distribucin direccional:w18

= DD

DL

18


Pronosticar la cantidad de repeticiones del eje equivalente de 18 kips esperados al final del periodo de diseo, W18 = ESAL:

( )

+==ggwWESAL

t 111818

2. Resolver la ecuacin de diseopara SN. Esto nos proporcionarel SN calculado.

( ) ( )( )

07,8log32,2

1109440,0

5,12,4log

20,01log36,9log 1019,5

10

1010 +++

+++= RoR M

SN

PSI

SNSZESAL


3. Comparar el SN (asumido), el que utiliz

para

determinar los factores de equivalencia, con el SN (calculado):

Si la diferencia es menor a 1, entonces pase al punto 4.

Si la diferencia es mayor a 1, entonces proceda iterativamente hasta lograr que SN (calculado) = SN (asumido).


4. Utilice el procedimiento de la Figura 3.2 para determinar los espesores requeridos de acuerdo al SN encontrado.


4.1 Para determinar el espesor de la carpeta asfltica D1

se asume que toda la resistencia, para soportar las repeticiones pronosticadas, la brinda la carpeta asfltica.

Se resuelve la ecuacin de diseo colocando en lugar del MR

de la terracera, el valor del EBS

obtenido por ensayo directo o por correlacin con una prueba de resistencia como el CBR. Al resolver la ecuacin de diseo se obtiene un SN = SN1

SN1

= a1

D1

D1

*

SN1

/ a1

Se redondea el valor de D1

a un entero de pulgada o media pulgada. Este ser

el valor D1

*

( ) ( )( )

07,8log32,2

1109440,0

5,12,4log

20,01log36,9log 1019,5

1

10

11010 +++

+++= BSoR E

SN

PSI

SNSZESAL


4.2 Para determinar el espesor de la capa base D2

se asume que toda la resistencia la brinda la carpeta asfltica y la capa base, de manera que

SN2

= SN1

+ a2

D2

m2

donde SN2

se determina con la ecuacin de diseo colocando en lugar del MR

el valor del mdulo de elasticidad de la capa sub-base ESB

obtenido por ensayo directo o por correlacin con una prueba de resistencia como el CBR.Con este valor de SN = SN2

D2

*

(SN2

SN1

*) / (a2

m2

)

SN1

* + SN2

*

SN2

( ) ( )( )

07,8log32,2

1109440,0

5,12,4log

20,01log36,9log 1019,5

2

10

21010 +++

+++= SBoR E

SN

PSI

SNSZESAL


4.3 Para determinar el espesor de la capa sub-base se asume que toda la resistencia la brinda la carpeta asfltica+capa base+capa sub-base, pero esto ya se realiz

cuando usamos el Mdulo de resilencia

de la terracera MR

para calcular el SN que se convertir

en SN3

.

SN3

= SN1

+ SN2

+ a3

D3

m3

33

*2

*13

3)(

maSNSNSND +

( ) ( )( )

07,8log32,2

1109440,0

5,12,4log

20,01log36,9log 1019,5

3

10

31010 +++

+++= RoR M

SN

PSI

SNSZESAL


EJEMPLOCarretera rural de bajo volumen de trnsito.Hombros de asfalto.Trfico promedio diario anual, ADT = 218 vpdTasa de crecimiento medio anual, g = 7%Periodo de diseo, t = 20 aos

Tipo de vehculo C2 C3 T3-S2 TOTAL

Cantidad 140 70 8 218

% Composicin 64% 32% 4% 100%

Estabilidad Marshall

(E.T.G.

MOP) = 1000 librasCBRBASE

= 60%

EBS

= 27000 psiCBRSUBBASE

= 25%

ESB

= 14000 psiCBRSUBRASANTE

= 2%

MR

= 3000 psi


EJEMPLO

Determine el espesor de la carpeta asfltica, capa base y sub-base para un periodo de diseo de 20 aos:

ZR

= 0

para R = 50 (camino rural local)

So

= 0,45

recomendado para pavimento flexible

SN = a1

D1+a2

D2

m2

+a3

D3

m3

a1

= 0,3 (Figura 00, Estabilidad = 1000 lb)a2

= 0,125 (Figura 2.6, CBR = 60%)a3

= 0,103 (Figura 2.7, CBR = 25%)m2

= m3

= 0,80 (recomendado)

PSI = po

pt

= 4,2

2,0 = 2,2


EJEMPLO

W18

= ESAL

SN (asumido) = 4,0

Tipo de vehculo

Ejes de carga (kips)

% Composicin

Factor de equivalencia

Repeticiones diarias

Ejes equivalentes

(1) (2) (3) (4) (5)=ADT(3) (6)=(5)(4) 6S 0,64 0,010 140 1,4

C2 15S 0,64 0,481 140 67,3 6S 0,32 0,010 70 0,7

C3 30S 0,32 8,6 70 602 9S 0,04 0,059 8 0,5 28T 0,04 0,481 8 3,8 T3-S2 28T 0,04 0,481 8 3,8

ESALo = 679,6

18

= ESALo

365 = 679,6

365 = 248 057w18

= DD

DL

18

= 0,50

1,00

248 057 = 124 029W18

= ESAL = 124 029 [ (1+0,07)20

-1 ] / 0,07 = 5 084 630


EJEMPLO

Sustituyendo estos parmetros en la ecuacin de diseo:

( ) ( )( )

07,8log32,2

1109440,0

5,12,4log

20,01log36,9log 1019,5

10

1010 +++

+++= RoR M

SN

PSI

SNSZESAL

se obtiene un SN = 4,70 in comparado con el SN (supuesto) = 4,0 in

OK!

Primeramente, SN = SN1

BASE

CARPETA ASFLTICA SN1

D1


EJEMPLO

( ) ( )( )

07,8log32,2

1109440,0

5,12,4log

20,01log36,9log 1019,5

1

10

11010 +++

+++= BSoR E

SN

PSI

SNSZESAL

Obtenemos SN1

= 2,2 = a1

D1

D1

*

SN1

/ a1

= 2,2 / 0,3 = 7,33

D1

* = 7,5 in

SN1

* = a1

D1

*

SN1

SN1

* = 0,3

7,5 = 2,25

Despus, SN = SN2

= SN1

+ a2

D2

m2 CARPETA ASFLTICA

SN1 D1

SN2 BASE

SUB-BASE

D2


EJEMPLO

( ) ( )( )

07,8log32,2

1109440,0

5,12,4log

20,01log36,9log 1019,5

2

10

21010 +++

+++= SBoR E

SN

PSI

SNSZESAL

Se obtiene

SN2

= 2,8 = SN1

+ a2

D2

m2

D2

*

(SN2

SN1

*) / a2

m2

= (2,8

2,25) / 0,125 / 0,8D2

* = 5,5 in

SN1

* + SN2

*

SN2SN2

*

SN2

- SN1

*= 2,8

2,25SN2

* = 0,55

As, SN = SN3

= SN1

+ SN2

+ a3

D3

m3

= 4,7


EJEMPLO CARPETA ASFLTICA

SN1 D1

SN2 BASE

SUB-BASE

D2

SN3 D3

33

*2

*13

3)(

maSNSNSND +

05,238,0103,0

)55,025,2(7,43 =

+D

D3 = 23 in

SN = a1

D1

+ a2

D2

m2

+ a3

D3

m3

= 4,69

4,7

CARPETA ASFLTICA

CAPA BASE

7,5 in (0,19 m)

5,5 in (0,14 m)

SUBGRADO

CAPA SUB-BASE 23 in (0,58 m)


EJEMPLOOtra propuesta usando espesores mnimos:

D1

= 3,5 in = D1

* (Vase

Tabla

de espesores

mnimos)

SN1

* = a1

D1

* = 0,3

3,5 = 1,05

SN2

= 2,8 (no cambia)

D2

*

(SN2

SN1

*) / a2

m2

= (2,8

1,05) / 0,125 / 0,8D2

* = 17,5 in

SN1

* + SN2

*

SN2SN2

*

SN2

- SN1

*= 2,8

1,05SN2

* = 1,75

SN3

= 4,7

05,238,0103,0

)75,105,1(7,43 =

+D

D3 = 23 in


EJEMPLO

SN = a1

D1 + a2

D2

m2

+ a3

D3

m3

= 4,69

4,7

CARPETA ASFLTICA

CAPA BASE

3,5 in (0,09 m)

17,5 in (0,44 m)

SUBGRADO

CAPA SUB-BASE 23 in (0,58 m)

DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE - AASHTODISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE - AASHTOSlide Number 3Slide Number 4Slide Number 5Slide Number 6Slide Number 7Slide Number 8Slide Number 9Slide Number 10Slide Number 11Slide Number 12Slide Number 13Slide Number 14Slide Number 15Slide Number 16Slide Number 17Slide Number 18Slide Number 19Slide Number 20Slide Number 21Slide Number 22Slide Number 23Slide Number 24Slide Number 25Slide Number 26Slide Number 27Slide Number 28Slide Number 29Slide Number 30Slide Number 31Slide Number 32Slide Number 33Slide Number 34Slide Number 35Slide Number 36Slide Number 37Slide Number 38Slide Number 39Slide Number 40Slide Number 41Slide Number 42Slide Number 43Slide Number 44Slide Number 45

Documents

Diseno Pavimento Flexible AASHTO