El Experimento Vial AASHO

ANTECEDENTES AL

DISEÑO MODERNO

DE PAVIMENTOS Y EL

EXPERIMENTO VIAL

DE LA AASHO

Gustavo Corredor M.

[email protected]

De las calzadas romanas a los pavimentos modernos

Fuente: Ing. Fernando Sánchez Sabogal, Apuntes Pavimentos

80.000 km construidos mantuvieron el poder romano por

mas de seis siglos


80.000 km construidos mantuvieron el poder romano por

mas de seis siglos


En 1894 K. Benz inventa el primer automóvil, pero por muchos

años solo puede ser adquirido por los poderosos

En 1906 Henry Ford logra producir en serie los automóviles

y lo hace asequible a las masas

El célebre Modelo “T”

El vehículo automotor se pone al alcance de todos:





¡Hay que mejorar los caminos!

MÉTODOS EMPÍRICOS

PREVIOS A ENSAYOS DE TRAMOS EXPERIMENTALES

• Primeros métodos en base a la experiencia y sentido común

(antes de 1908): difícil extrapolar. Diseño por “catálogo”.

• Método del Índice de Grupo: mayor Índice de Grupo y mayor

volumen de tránsito, mayor espesor de pavimento

• Métodos edafológicos: Según la formación del suelo , tal como

el empleado en el Estado de Michigan, USA.

• Método del valor soporte CBR (1928, 1942)

Métodos de catálogos en base a la

experiencia:

Junio 1943

Métodos de catálogos en base a la

experiencia:

Método del Índice de Grupo

Fuente: Principios de diseño de

Pavimentos; Yoder, 1959.

Método del CBR

(1945-1962),

Versión del Instituto

del Asfalto (USA)

Método del CBR

(1945-1962),

Versión del Instituto

del Asfalto (USA)

MÉTODOS TEÓRICOS, PREVIOS A ENSAYOS DE

TRAMOS EXPERIMENTALES

Métodos basados en la mecánica de suelos: esfuerzos teóricos

en masas ideales empleando las ecuaciones de Boussinesq,

Westergard y Burmister (1910-1940).

La primera aplicación a pavimentos fue propuesta por Palmer

y Barber en 1940.

2^*

(]^^)/(1[2

3

)2/52 z

P

zrz

En donde:

z = esfuerzo vertical a la profundidad “z”, en masas homogéneas

r = distancia radial desde el punto de aplicación de la carga

P = carga puntual en la superficie

Esfuerzos y deformaciones en pavimentos unicapa

Soluciones gráficas de

Esfuerzos-deformaciones

en sistemas bi-capa

Soluciones gráficas de esfuerzos-deformaciones en sistemas tri-capa

El procedimiento de diseño consiste en calcular los esfuerzos

y deformaciones resultantes para una carga específica, aplicada

sobre una estructura (espesores) de pavimento determinada,

y de materiales (Módulos elásticos y relación de Poisson)

también conocidos.

Los esfuerzos aplicados, determinados a partir de las ecuaciones,

gráficos y fórmulas ya presentados anteriormente, deben ser

menores a los esfuerzos resistentes por los materiales que

conforman la estructura.

Además de la complejidad de las fórmulas y tablas, existe otra

dificultad: ¿cómo determinar el valor del Módulo elástico?

La complejidad de estas soluciones ha llevado a Yoder y Witczak

a comentar en su libro “Principios del diseño de Pavimentos, 1975:

“En el sentido mas estricto, no existe hoy en día, un

procedimiento verdaderamente fundamental o racional, que sea

ampliamente aceptado en el campo de la Ingeniería de Pavimentos.

sin embargo, se está haciendo un gran esfuerzo hacia el uso de la

Teoría elástica lineal multicapa para que en un futuro próximo

esto pueda ser resuelto”.

Transcurridos mas de 30 años de esta expresión, ya casi se

puede resolver este inconveniente, al estar casi disponible la

Guía Mecanística-Empírica para el Diseño de Pavimentos.

Las carreteras experimentales

De Arlington a la Pista NCAT

2010

1921

MÉTODOS BASADOS EN ENSAYOS EN

“PRUEBAS DE CARRETERAS”







• Road Test de Bates, Illinois (1922 – 1923)

• Se reconoce la importancia de las cargas del tránsito y su distribución

por ejes en el diseño de pavimentos

• Se ensayaron pavimentos de ladrillo, asfalto y concreto



• Road Test de Bates, Illinois (1922 – 1923)

• Se reconoce la importancia de las cargas del tránsito y su distribución

por ejes en el diseño de pavimentos

• Se ensayaron pavimentos de ladrillo, asfalto y concreto




Road Test de Maryland (1949)




Road Test de Maryland (1949)

• Realizada en la vía USA-301, una Autopista Interurbana.

• Estudio de grietas y deformaciones sólo en pavimentos rígidos

• Su objetivo principal es determinar el daño causado por distintos tipos

de ejes y con diferentes cargas por eje.

• Se emplearon ejes simples con cargas de 8,2 y 10,1 ton y ejes dobles

con cargas de 14, 5 y 20, 3 ton.

• Los principales resultados obtenidos son:

• Se establecen las primeras fórmulas de equivalencia de cargas, al determinarse

que el “efecto daño” de una carga de 10,1 ton era 1,50 veces mayor al producido

por una carga de 8,2 ton.

• Se determina el efecto de la velocidad de los vehículos sobre el pavimento, ya que

tramos con iguales cargas pero con camiones circulando a menos de 65 kph se

dañaban menos que con camiones a mas de esa velocidad.

• Se comprobó la importancia de las juntas de construcción, al verificar el efecto

del “bombeo (pumping” sobre ellas.

La carretera Experimental WASHO, Estado de Idaho, 1955

La carretera Experimental WASHO, Estado de Idaho, 1955




La Carretera Experimental WASHO (1953 – 1955)

(Estado de Idaho, 1953.)

• Sólo se ensayaron pavimentos de asfalto

• Se construyeron dos circuitos de prueba

• Las cargas aplicadas fueron ejes simples de 18 k, 22,4 k, y ejes dobles

de 32 y 40 k

• Los espesores de capas asfálticas variaron entre 2 y 4 pulg, y la base

granular entre 0 y 4 pulg.

• Se valoró el daño en el pavimento según la carga aplicada

• Se determinaron primeras equivalencias de cargas por ejes según el

daño producido, al demostrase que el daño causado por una carga de

12,7 ton en un eje doble, causaba sobre el pavimento el mismo grado

de falla que una carga de 8,2 ton en un eje simple.

El Experimento Vial de la AASHO

1956-1962


Su ubicación.

Chicago, Illinois

UticaOttawa

Futura I-80

ROAD TEST DE AASHO (1956 – 1962)

Estado de Illinois, USA

• Último gran ensayo

realizado en EEUU

• Introdujo el concepto de

serviceabilidad como

medida de calidad de

servicio al usuario

• Se estudiaron pavimentos

rígidos y flexibles

• Se dedujeron ecuaciones

en base a relaciones

empíricas de estados de

cargas.


•Planificado entre 1951 y 1954

• En abril de 1955 se da inicio a los

trabajos de topografía y es en el

mes de agosto de 1956 cuando se inicia

la construcción de las pistas de prueba,

que concluye en septiembre de 1958,


• Entre octubre de 1958 y septiembre

de 1960 se realiza la aplicación de

las cargas vehiculares.

•En octubre de 1961 se publican las

primeras “Guías Provisionales de

Diseño de Pavimentos”.


• El costo de construcción fue de

27,0 MMUSS (a valor de 1960 =

aproximadamente 450 MMUS$ a

valor de 2008) distribuidos de la siguiente

manera: * 11,99 MM en construcción de las pistas

* 10,18 MM para operación e investigación

* 2,69 MM para gastos en personal técnico y tropa, y

* 2,14 destinados a gastos de administración y

construcción de barracas, oficinas y laboratorios.

OBJETIVOS DE LA CARRETERA

EXPERIMENTAL AASHO

• Determinar relaciones significativas entre repeticiones decarga y espesores requeridos.

• Determinar el efecto del peso de los vehículos en puentescon vigas de concreto armado, pretensado y de acero.

• Estudio especiales de bases granulares y estabilizadas,tipos de hombrillos, tamaño y presión de inflado de losneumáticos.

• Desarrollar instrumentos, procedimientos de ensayo,datos, tablas, gráficos y fórmulas para diseñar pavimentos.

• Obtener registro de recursos y materiales requeridos paramantener las secciones de prueba en condiciones de serensayadas.

• Determinar áreas que requiriesen estudios posteriores.

ESQUEMA DE PISTAS DE PRUEBA

AASHO ROAD TEST

Picture from: Highway Research Board Special Report 61A-G

Futura I-80

AASHO Road Test

Picture from: Highway Research Board Special Report 61A-G

Diseño típico de los circuitos de prueba

Longitud de 2070 ml

Secciones de 30 m de longitud

Canal derecho (2)

Canal izquierdo (1)

Cada sección de prueba tenía un largo de 30 m

y un ancho de 3,65 m

Longitud de 2070 ml

SECCIONES TÍPICAS EN LA CARRETERA

EXPERIMENTAL AASHO

Total de 462 secciones en

Pavimentos flexibles.

Construcción de los circuitos de prueba



CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES EN LA

CARRETERA EXPERIMENTAL AASHO

• Pavimentos flexibles:• Sub-rasante A-6 (limo/arcilla), CBR entre 2 y 4 %

• Sub-base, mezcla arena y grava, CBR ente 28 y 51 %

• Base, piedra triturada, CBR 107.7 % en promedio

• Carpeta, HMA mezcla densa, asfalto PEN 85 - 100

• Pavimentos Rígidos:

• Cemento Tipo I

• Resistencia a los 7 días: f´c= 3500 psi (245 Kg/cm2) y S´c: 550 (39

Kg/cm2)

• Tamaño máximo: 1.5 – 2.5 pulgadas

CARGAS DE TRÁFICO EN LA

CARRETERA EXPERIMENTAL ASSHO

• Inicio de aplicación de cargas en

octubre de 1958

• Loops 3-6:

• 6 veh/carril

• 10 veh/carril (Ene 1960)

• Operación:

• 18 hr. 40 min.

• 6 días/semana

• Total Carga

• 1,114,000 Aplicaciones de

cargas (no ESAL’s)

• ESAL’s Promedio: 6.2 millones

• Máximo ESAL’s: 10 millones

(Flexible)

AASHO Road Test

Picture from: Highway Research Board

Special Report 61A-G

Camiones para la

aplicación de las

cargas

TRAFICO EN EL ROAD TEST AASHO

Eje simple máximo

Eje Tandem máximo



Co n el fin de garantizar que la sub-rasante fuese “una constante” e igual en cada

uno de los circuitos, se realizó un estricto control de calidad, demostrado en el

hecho de que, en cada circuito de prueba” se ejecutaron cerca de 8000 ensayos

de densidad de campo, prácticamente un ensayo cada 4 metros por cada capa de

15 cm de espesor.

Mezclas asfálticas en caliente densamente gradadas:

•Agregado grueso triturado de caliza

• Arena gruesa con agregado silíceo

• Polvo mineral de caliza triturada

• Cemento asfáltico de penetración 85-100

Los valores de estabilidad, flujo y %Vv Marshall promedio obtenido en

cada tipo de mezcla fue de 2000 lbs,11 centésimas de pulgada y 3,6% Vv

para la mezcla de rodamiento y de 1800 lbs, 11 centésimas de pulgada y

4,8% Vv para la mezcla intermedia.

¿Cómo incluir

la condición de

servicio del pavimento

en la ecuación de

diseño?

Se evaluaron 138 tramos

en servicio, en diferentes

Vías existentes.

100% rechazo , pero aún

transitable.

Pavimento intransitable

Condición del tramo en base

al promedio de cinco (5)

evaluadores.

Resultados de la evaluación de la “calidad

de rodaje”

La calidad de rodaje en un momento determinado es el

resultado de la OPINIÓN SUBJETIVA PROMEDIO

DE CINCO EVALUADORES en la escala de 1 a 5, y se

denomina “Calificación Actual de Calidad de Servicio”

(PSR por sus siglas en inglés Present Serviceability Rating),

más conocida como “Nivel de Serviceabilidad Actual”

Serviceabilidad = Servicapacidad = Idoneidad

CAPACIDAD DE PRESTAR SERVICIO

Correlación entre PSR y mediciones físicas

sobre la superficie del pavimento

Para poder medir la “calidad de rodaje” en

las futuras secciones de 30 ml en los

circuitos de prueba se hizo necesario

desarrollar correlaciones entre el PSR y

algunas propiedades físicamente medibles

en la superficie del pavimento.

Correlación entre PSR y mediciones físicas

sobre la superficie del pavimento

Esta determinación de la “calidad de

rodaje”, producto de mediciones físicas

correlacionadas con el PSR se denomina

“Índice de Servicapacidad Presente”, o

simplemente PSI, por sus siglas en inglés.

Mediciones del “estado de condición funcional” de

la superficie de rodamiento

Características físicas medidas para el PSI

También se midieron las áreas agrietadas

y reparadas en secciones de1000 ft2.

Mediciones del “estado de condición funcional” de

la superficie de rodamiento

La ecuación del PSI toma la siguiente forma:

PSI = 5,03 – 1,91*log (1+SV) – 1,38*RD2 –

0,01*(C+P)0,5

En donde:

* SV = varianza de las deformaciones longitudinales

* RD = promedio de las deformaciones transversales

* C = área de grietas por cada pie cuadrado

* P = área reparada por cada pie cuadrado

Las mediciones de PSR y PSI se realizan

periódicamente y se define el concepto de

“comportamiento”:

EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO

AASHO-AASHTO

Pavimentos flexibles

• El resultado de los ensayos fueron relaciones empíricasentre:

• El espesor de la carpeta

• Magnitud de carga

• Tipo de ejes

• Número de aplicaciones de carga

• Pérdidas de calidad de rodaje

ESTRUCTURAL

FUNCIONAL

Ejemplo de número de pasadas de ejes para

alcanzar un PSI de 1.5

Rodamiento: 4 in 4 in

Base granular 3 in 3 in

Sub-base granular 8 in 12 in

Eje simple 18 k 106,000 1,100,000

Eje simple 30 k 72,000 373,000

Eje tamden 32 t 144,000 796,000

Eje tamden 48 t 80,000 573,000

Efecto de la carga de los vehículos

• Se dedujo la siguiente ecuación de diseño:

Donde:

logW: logaritmo del número esperado de aplicaciones para llegar a la serviciabilidadfinal

log ρ: Función de diseño y variables de carga que tienen en cuenta el número deaplicaciones de carga para llevar la calzada a una serviciabilidad de 1.5

G: Relación logarítmica entre la pérdida de serviciabilidad en un tiempo t y la pérdidapotencial a una serviciabilidad de 1.5

β: función de diseño y variables de carga que tienen influencia en la forma de la curvade serviciabilidad.

GW loglog

EVOLUCIÓN DEL PROCEDIMIENTO AASHTO

5.12.4

2.4log tG

23.3

2

19.5

23.3

2

)1(

081.04.0

X

XX

LSN

LL

Ecuaciones derivadas del Experimento Vial AASHO

G : Relación logarítmica entre la pérdida de serviceabilidad en un tiempo t y la pérdida potencial a una serviceabilidad de 1.5

β : Función de la diseño y variables de carga que tienen influencia en la forma de

la curva de serviceabilidad.

ECUACIÓN DE LA GUÍA AASHO 1972, aplicable en el sitio en elcual se realizó la prueba.

W18 : Número de aplicaciones de carga de 18 kips esperadas en el periodo de

diseño

SN : Número estructural

19.5

18

)1(

109440.0

20.0)1log(36.9log

SN

GSNW

Ecuaciones derivadas del Experimento Vial AASHO

5.12.4

2.4log t


ECUACIÓN DE LA GUÍA AASHTO 1962, aplicable en cualquierotro sitio distinto al sitio en el cual se realizó la prueba:

+ log(1/R)


diseño


R = Factor Regional, variable entre 0.5 y 5.0,

seleccionado subjetivamente por el Proyectista

19.5

18

)1(

109440.0

20.0)1log(36.9log

SN

GSNW

5.12.4

2.4log t


ECUACIÓN DE LA GUÍA AASHTO 1962, aplicable en cualquierotro sitio distinto al sitio en el cual se realizó la prueba, y con un

Material de sub –rasante diferente al empleado en la prueba AASHO

+ log(1/R) + 0.372 (Si – So)


diseño


R = Factor Regional, variable entre 0.5 y 5.0

Pt = Servicapacidad al final del periodo de diseño

Si = Valor soporte del material en el sitio de diseño

So = Valor soporte del suelo de fundación en el sitio de construcción del

Experimento Vial AASHO , al cual se le asignó un valor igual a 3.0

19.5

18

)1(

109440.0

20.0)1log(36.9log

SN

GSNW

5.12.4

2.4log t

Procedimiento de Diseño en la Guía Provisional

AASHO-62

Contenido de la Guía:

•Procedimiento 19 pp

• Apéndice A 1 pp

• Apéndice B 2 pp

• Apéndice C 2 pp

• Apéndice D 5 pp

• Apéndice E 3 pp

• Apéndice F 6 pp

• Apéndice G 3 pp

• Apéndice H 3 pp

TOTAL 44 pp

Proyecto LAVIRGEN-SAN JUAN DEL SUR

Cediarias(iniciales) = No. vehiculos por d'ia * EEquivalentes por vehiculo

Cediarias(totales ambos sentidos) = Cediarias(iniciales)* Factor de crecimiento

Factor de crecimiento = ([ (1+ TC)^n ] - 1) / ( TC) Año inicial 2007

Periodo de diseño = n = 20 años TC 5.80%

Ejes acumulados totales en el periodo de diseño = wt18 = Cediarias(totales ambos sentidos) * 365*fc*fd

Tipo TPDA EEvehiculo Cediarias(iniciales) TC Fcrecimiento

Veh.Livianos 1,682 0.0003 0.50 5.80% 36.00 18.17

Mbuses 53 0.4811 25.50 5.80% 36.00 917.98

Buses 114 0.7963 90.78 5.80% 36.00 3,268.50

C2-Liviano 234 0.0572 13.38 5.80% 36.00 481.64

C2pesado 181 0.5975 108.15 5.80% 36.00 3,893.74

C3 15 1.2633 18.95 5.80% 36.00 682.28

T3S2 238 2.1035 500.62 5.80% 36.00 18,024.58

T3S3 4 1.6478 6.59 5.80% 36.00 237.31

C2R2 4 2.5561 10.22 5.80% 36.00 368.13

TOTAL 2,525 774.69 27,892.33

Factor de distribuciòn por sentido 0.52

Factor de utilizaciòn de canal 1.00 Wt18= 5,293,963

Cargas totales

por dia (ambos

sentidos)

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE

Factores de equivalencia AASHTO, para SN = 4 y pt = 2,5

Procedimiento de estimación de las cargas de diseño (Wt18)

Criterio de determinación del valor de Servicapacidad

Final (pt)

Criterio de determinación del valor de Factor Regional (R)

Criterio de determinación del valor de Factor Regional (R)

Ábaco para la

Selección del

Valor Soporte del

Suelo (Si)

Tabla para la

selección

de los valores

de los diferentes

“Coeficientes

Estructurales”

Ábaco para la obtención del valor de SN

Hoy se resuelve por medio de las

Calculadoras de bolsillo.

ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1962

El número estructural se convierte a una combinación de espesores de

capa, combinando coeficientes que representan la capacidad

estructural relativa del material de cada capa

ai : Coeficiente estructural de capa i

Di : Espesor (en pulgadas) de capa i

Ecuación resuelve SN sobre la capa de sub-rasante

NO HAY SOLUCIÓN ÚNICA!!

332211/ DaDaDaiSN

Algunos comentarios sobre el Experimento Vial AASHO

• Ensayo más completo en su tiempo , y que no ha sido igualadohasta esta fecha.

• Limitaciones:• Ubicación geográfica específica

• Tipo de vehículos en la época

• Bajo número de ejes equivalentes aplicados

• No considera procedimientos de rehabilitación

• Corta duración de pruebas experimentales

• Tránsito estimado para 20 años

• Empleo solo de CBRsaturado o IG para obtención del Si

• Procedimiento considera solo el cálculo de SN/sub-rasante

Algunos comentarios sobre el Experimento Vial AASHO

• Ensayo más completo en su tiempo , y que no ha sido igualadohasta esta fecha.

• Componentes que requerían verificación:• Factor regional (clima)

• Valor soporte de distintas sub-rasantes

• Coeficiente estructural para otros materiales

• Estudios complementarios en otras regiones de EEUU

• Verificación o validación de resultados

• Alimentar la base de datos estadísticos

• Definición más aproximada de fallas

LIMITACIONES QUE QUEDARON PENDIENTES

PARA EL EXPERIMENTO VIAL AASHO

Pista de Prueba mas recientes

La Pista de Prueba NCAT, Año 1999 y hoy vigente,

Proyecto conjunto adelantado por laUniversidad de

Alabama y la NAPA.

Pista de Prueba NCAT

Pista de Prueba NCAT

Experimentos estructurales en

la Pista NCAT

La Pista de Prueba de la NCAT

La Pista de Prueba de la NCAT


Westrack, pista de prueba

construida en 1995 por la

Universidad de Reno (Nevada),

bajo contrato con la FHWA


Estudios en Westrack

Otras pistas y sistemas de ensayos acelerados

(APT) en USA

Sistema APT en Florida

Pistas de prueba en Francia

Carrusel de fatiga, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia

ANTECEDENTES AL

DISEÑO MODERNO

DE PAVIMENTOS Y

EL EXPERIMENTO VIAL

DE LA AASHO

Gustavo Corredor M.

[email protected]

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El Experimento Vial AASHO