3. (t) espesores criticos de capas rodadura-edwin alvarenga

8/15/2019 3. (T) Espesores Criticos de Capas Rodadura-Edwin Alvarenga

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MINISTERIO DE OBRAS PUBLICAS, TRANSPORTE Y DE VIVIENDA YDESARROLLO URBANO

VICEMINISTERIO DE OBRAS PUBLICASDIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE LA

OBRA PÚBLICA

ESPESOR CRITICO DE LA CAPA DE RODADURA

EN ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO FLEXIBLES

El Salvador, San Salvador, Noviembre de 2014

Elaborado por. Nelson Alejandro Quintanilla Pinto, Ing. Civil.Unidad Técnica, Subdirección de Investigación y Desarrollo

Edwin Ricardo Alvarenga Salguero, Ing. Civil.Subdirector de Investigación y Desarrollo

Daniel Antonio Hernández Flores, Ing. Civil.Director de Investigación y Desarrollo de la Obra Pública

Editado por. Javier Fernando Rivera Palencia, Téc. en Ing. Civil.Unidad Técnica, Subdirección de Investigación y Desarrollo

Coordinador. Daniel Antonio Hernández Flores, Ing. Civil.Director de Investigación y Desarrollo de la Obra Pública


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Las opiniones vertidas en la PONENCIA son de

responsabilidad exclusiva de quien las emite y no

representan la opinión del Instituto Salvadoreño del Asfalto,

ni lo comprometen en forma alguna respecto a suveracidad, vigencia y exactitud.

El Instituto Salvadoreño del Asfalto no asume

responsabilidad alguna respecto de ellas, ni de las

consecuencias que resulten de las mismas.


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Objetivo

Sensibilizar al personal relacionado con el

diseño y evaluación de pavimentos, sobre la

incidencia que tiene el espesor de la capa de

rodadura en el desempeño de las estructuras de

pavimento flexible, orientado a que se

construyan pavimentos que presenten un mejor

comportamiento durante su vida útil.


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Contenido

1.0 Generalidades sobre el Diseño de Estructuras de pavimentoflexible

2.0 Desempeño Estructural de Pavimentos Flexibles

3.0 Análisis de la Incidencia del Espesor de Capa de Rodadura

en Pavimento Flexible

4.0 Comentarios

5.0 Referencias


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1.0 Generalidades sobre el Diseño deEstructuras de Pavimento Flexibles

Datos de Entrada para el Diseño

• Carga de Tráfico Esperada

• Confiabilidad

• Desviación Estándar

• Vida de Servicio en términos de Indice de Serviciabilidad (PSI)

• Características del terreno de fundación, en términos de Módulo de

Resiliencia.

En nuestro país, el diseño de estructuras de pavimento, se realiza principalmente con base en la

metodología recomendada por la American Association of State Highway and Transportation Official(AASHTO 1993)

Ecuación de dis eño de la AASHTO para pav imento s flex ibles


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Datos de Salida del Diseño• Número Estructural (SN) requerido

Selección de Espesores y materiales de cada capaSN = a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3

D AC1 DB1

DSB1

DB2

DSB2

D AC2

DB3

DSB3

D AC3

Estructura de

Pavimento 1

(SN1)

Estructura de

Pavimento 3

(SN3)

Estructura de

Pavimento 2

(SN2)

¿ Cómo será el desempeño de estas estructuras en su etapa de servicio?

1.0 Generalidades sobre el Diseño deEstructuras de Pavimento Flexibles(Cont…)

SN1 = SN2 = SN3


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2.0 Desempeño Estructural de PavimentosFlexibles

El estado de esfuerzos y deformaciones en una estructura de pavimento,debido a las cargas de tráfico y condiciones ambientales, es estimada usando

teorías mecanísticas.

Carga

Mezcla Asfáltica

Base / Subbase

Subrasante

Esfuerzo de contacto (σo ) = Presión de la llanta σo

Eje

neutro

c

t

Distribución de esfuerzo

vertical debajo de la línea

central de carga de la

llanta

Distribución de esfuerzo

horizontal debajo de la línea

central de carga de la llanta

Esfuerzos verticales

Compresión Compresión o TensiónEsfuerzos horizontales


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-1206-192.9

741.5-26.63

31.26

0.7586

0.5876

-

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

-2000 -1000 0 1000KPa

HMA

BASE

SUBBASE

SUBRASANTE

σz ε z

εt

Zona de

Tensión

Zona de

Compresión

Configuración típica de esfuerzos y deformaciones en la estructura de pavimento,generadas por cargas de tráfico.

577

410184

48

17

11

-

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

- 200 400 600KPa

2.0 Desempeño Estructural de PavimentosFlexibles (Cont…)

40 KN

0.1 m

0.3 m

0.4 m

(-20.4) (-10.2) (10.2)(Kgf/cm2)

(12.3)

(0.27)

(1.97)

(7.56)

(0.32)

(0.0077)

(0.006)(0.11)

(0.17)

(0.49)

(1.87)

(4.18)

(5.88)

(2.04) (4.08) (6.12)(0) (Kgf/cm2)

Esfuerzos verticales Esfuerzos horizontales


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• Generalmente, la evaluación del desempeñoestructural de pavimentos, se realiza a través

del análisis de:

Agrietamiento por fatiga

Ahuellamiento.

• Uno de los factores que tiene una incidencia

importante en el desempeño estructural del

pavimento, esta relacionado con el espesor de

la capa de rodadura de la estructura de

pavimento, el cual se vuelve más incidente si

corresponde al espesor crítico de capa derodadura.

Fuente: STRESSES AND STRAINS IN

ASPHALT-SURFACING PAVEMENTS,

Lubinda F. Walubita and *Martin F C van deVen

• Espesor crítico. Es el espesor dela capa de rodadura, que genera la

mayor deformación por tensión (εt)

en la parte inferior de la capa de

rodadura, por efecto de una carga.

Agrietamiento por Fatiga, ocurrecomo resultado de los esfuerzos de

tensión en la zona inferior de la capa

de rodadura, inducidos

principalmente por las cargas de

tráfico, y se propaga hacia la

superficie, que finalmente se

manifiesta como grietas tipo piel de

cocodrilo a lo largo de las roderas.

Ahuellamiento, es la deformaciónpermanente de un pavimento debido

a la acumulación progresiva de

deformaciones de compresión

verticales bajo cargas de tráfico. En

la superficie del pavimento, semanifiesta como depresiones

longitudinales en la zona de rodera



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En la medida que la capa de rodadura posea un espesor mayor que el espesor critico, más

pequeñas serán las deformaciones por tensión; lo anterior también ocurre en capas de rodadura

menores que el espesor critico.

Freeme and Marais (1973), indicaron que el agrietamiento por fatiga podría ser minimizado

manteniendo el espesor de capa de rodadura asfáltica tan delgado como sea posible.

A menos que la capa de rodadura asfáltica sea menor que 2 pulgadas (50 mm) de espesor, la

manera más efectiva de prolongar la vida por fatiga es incrementar el espesor de mezcla

asfáltica.

ASPECTOS RELACIONADOS CON EL ESPESOR CRÍTICO DE CAPA DE RODADURAIncidencia del

espesor de capa de

rodadura en las

deformaciones por

tensión en parte

inferior de la misma

SIMBOLOGIA

h2 = 4 pulg. Eje Simple

h2 = 4 pulg. Eje Dual


h2 = 16 pulg Eje Dual

E1 = 5 x 105 psi, h1 variable h1

E2 = 20,000 psi

h2 = 4 ó 16 pulg. h2

E3 = 7,500 psi

h1 (pulg.)


Fuente: * Yang H. Huang, Pavement

Analysis and Design, Pearson Prentice

Hall, Segunda Edición, 2004


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• Incrementar el espesor de capa de rodadura es efectivo en reducir las deformaciones en la

subrasante, solo cuando el espesor de capa de base es delgado.

• Un incremento en el espesor de capa de base causa un decremento significativo en las

deformaciones en la subrasante, únicamente cuando el espesor de mezcla asfáltica es pequeño.

ASPECTOS RELACIONADOS CON EL ESPESOR CRÍTICO DE CAPA DE RODADURASIMBOLOGIA


h2 = 4 pulg. Eje Dual


h2 = 16 pulg Eje Dual

E1 = 5 x 105 psi, h1 variable h1

E2 = 20,000 psih2 = 4 ó 16 pulg. h2

E3 = 7,500 psih1 (pulg.)


Incidencia delespesor de capa de

rodadura en las

deformaciones por

compresión en la

subrasante

Fuente: * Yang H. Huang, Pavement

Analysis and Design, Pearson Prentice

Hall, Segunda Edición, 2004


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Fuente: *Guide for Mechanistic-

Empirical Design, Part 3. Design

Analysis, Chapter 3. Design of New

and Reconstructed Flexible

Pavements, NCHRP, March 2004

ASPECTOS RELACIONADOS CON EL ESPESOR CRÍTICO DE CAPA DE RODADURA



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3.0 Análisis de Incidencia del Espesor decapa de rodadura en Pavimento Flexible.

25 cm

35 cm

Estructura de

Pavimento

“x” cm

HMA

Para sensibilizarnos sobre la incidencia del espesor de lacapa de rodadura en el pavimento flexible, se llevaron a

cabo dos análisis :

ANÁLISIS 1. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA

Consideraciones en el análisis:

Manteniendo constante espesor de capas de Base y Subbase Variación de Módulo de la capa de rodadura de HMA

Variación de Módulo de Resiliencia de Subrasante.

Espesor HMAMódulo de

HMAMódulo

Subrasante

0.0 cm

300 Ksi

400 Ksi

500 Ksi

5Ksi

2.5 cm

5.0 cm

7.5 cm

10.0 cm

12.5 cm

15.0 cm

0.0 cm

300 Ksi

400 Ksi

500 Ksi

10 Ksi

2.5 cm

5.0 cm

7.5 cm

10.0 cm

12.5 cm

15.0 cm

0.0 cm

300 Ksi400 Ksi

500 Ksi

10 Ksi

2.5 cm

5.0 cm7.5 cm

10.0 cm

12.5 cm

15.0 cm


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RESULTADOS DEL ANÁLISIS 1INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA

( ESTRUCTURAS MANTENIENDO CONSTANTES ESPESOR DEBASE Y SUBBASE)


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ANÁLISIS RACIONAL DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO

El análisis de las estructuras de pavimento, se realizó utilizando el programa BISAR, a partir del cual se determinaron losvalores de esfuerzo y deformación en diferentes ubicaciones de la estructura.

ECUACIONES DE TRANSFERENCIALa determinación del Número de Ciclos de Carga necesarios para generar una falla determinada, se llevó a cabo con

base en las ecuaciones de transferencia siguientes:

3.0 Análisis de Incidencia del Espesor de capade rodadura en Pavimento Flexible. (Cont…)

Donde:

Nf : Número de ciclos de carga para elagrietamiento en las roderas

εt : Deformación por tensión en la parte

inferior de la capa de rodadura.

εz : Deformación por compresión en la

parte superior de la subrasante.

E : Módulo de la capa de rodadura.

Vb : % de volumen de asfalto

Va : % de volumen de aire

K : Factor de calagehac : Espesor total de la capa de asfalto

FATIGA

Instituto del Asfalto Guía Mecanística Empírica

AHUELLAMIENTO


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RESULTADOSANÁLISIS 1. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA

( ESTRUCTURAS MANTENIENDO CONSTANTES ESPESOR DE BASE Y SUBBASE)

Análisis por Fatiga


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Análisis por Ahuellamiento

RESULTADOSANÁLISIS 1. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA

( ESTRUCTURAS MANTENIENDO CONSTANTES ESPESOR DE BASE Y SUBBASE)


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ANÁLISIS 2. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA(ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO CON NÚMERO ESTRUCTURALEQUIVALENTE)

35 cm

40 cm

Estructura de

Pavimento 1

30 cm

35 cm

Estructura de

Pavimento 2

5.0 cm

25cm

35 cm

Estructura de

Pavimento 3

7 cm

20 cm

30 cm

Estructura de

Pavimento 4

10 cm

20 cm

20 cm

Estructura de

Pavimento 5

12.5 cm

HMAHMA

HMAHMA

2.5 cmHMA

15 cm

15 cm

15 cm

HMA

Estructura de

Pavimento 6


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RESULTADOSANÁLISIS 2. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA( ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CON NÚMERO ESTRUCTURAL

EQUIVALENTE)


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Donde:

Nf : Número de ciclos de carga para un

agrietamiento en las roderas

εt : Deformación por tensión en la parte

inferior de la capa de rodadura.

εz : Deformación por compresión en la

parte superior de la subrasante.

E : Módulo de la capa de rodadura.

Vb : % de volumen de asfaltoVa : % de volumen de aire

K : Factor de calage

hac : Espesor total de la capa de asfalto

FATIGA

Guía Mecanística Empírica

AHUELLAMIENTO

ANÁLISIS RACIONAL DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO

El análisis de las estructuras de pavimento, se realizó utilizando el programa BISAR, a partir del cualse determinaron los valores de esfuerzo y deformación en diferentes ubicaciones de la estructura.

ECUACIONES DE TRANSFERENCIALa determinación del Número de Ciclos de Carga necesarios para generar una falla determinada, sellevó a cabo con base en las ecuaciones de transferencia siguientes:


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EQUIVALENTE)


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Espesor de HMA= 7.0 cm



ESAL Requerido

Vida por Fatiga30

25

20

15

10

5

0


EQUIVALENTE)

Espesor (cm) ESAL's requeridos Ciclos admisibles (Nf ) Daño por fatiga

2.5 15,000,000 138318122 0.106

5 15,000,000 32686402 0.415

7 15,000,000 17310845 0.870

10 15,000,000 11413939 1.359

12.5 15,000,000 22610905 0.686

15 15,000,000 41583149 0.341


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35 cm

40 cm

Estructura de

Pavimento 1

30 cm

35 cm

Estructura de

Pavimento 2

5.0 cm

25cm

35 cm

Estructura de

Pavimento 3

7 cm

20 cm

30 cm

Estructura de

Pavimento 4

10 cm

20 cm

20 cm

Estructura de

Pavimento 5

12.5 cm


HMAHMA

HMAHMA

ANÁLISIS 2. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA(ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO CON NÚMERO ESTRUCTURALEQUIVALENTE)

2.5 cmHMA

15 cm

15 cm

15 cm

HMA

Estructura de

Pavimento 6


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EQUIVALENTE)


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Espesor (cm) ESAL's requeridosCiclos admisibles

(Nz)Daños por ahuellamiento

2.5 15,000,000 33169644 0.44060

5 15,000,000 17160239 0.790327 15,000,000 13997839 1.07559

10 15,000,000 9602538 1.61513

12.5 15,000,000 6931052 2.23765

15 15,000,000 5170286 2.74356




ESAL Requerido

Vida por Ahuellamiento

30

25

20

15

10

5

0


EQUIVALENTE)


29/32

4.0 Comentarios

El diseño de estructuras de pavimento, no debe limitarse asatisfacer condiciones de capacidad estructural, sino que también

debe evaluarse el desempeño por fatiga y ahuellamiento,

empleando modelos de deterioro.

La construcción de capas de rodadura de mezcla asfáltica

convencionales, con espesores entre 2 y 3 pulgadas, típicamente

utilizados en el país puede estar generando desempeños no

satisfactorios de estructuras de pavimento flexible. Esta condición

se vuelve más crítica si durante la construcción de la estructura se

incorporan materiales y prácticas constructivas deficientes.


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La construcción de capas delgadas, tal como tratamientossuperficiales, representa una alternativa más viable para el buen

desempeño de estructuras flexibles, respecto a capas de rodadura

delgadas a base de mezclas asfálticas convencionales.

El uso de capas de rodadura a base de mezclas asfálticas con unmayor módulo, que genera una reducción de los esfuerzos de

tensión en la parte inferior de la capa de rodadura, constituye una

alternativa viable para reducir el aparecimiento de grietas por fatiga.


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5.0 Referencias

Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide. A Manual of Practice, American Association of State Highway and Transportation Officials,2008

Guide for Mechanistic-Empirical Design, Part 3. Design Analysis,Chapter 3. Design of New and Reconstructed Flexible Pavements,NCHRP, March 2004

Yang H. Huang, Pavement Analysis and Design, Pearson Prentice Hall,Segunda Edición, 2004

STRESSES AND STRAINS IN ASPHALT-SURFACING PAVEMENTS,

Lubinda F. Walubita and *Martin FC van de Ven

Fatigue Performance of IDOT Mixtures, Illinois Center forTransportation, 2006


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MUCHAS GRACIAS

Ing. Edwin Ricardo Alvareng a Salguero

Subd irector de Invest ig ación y Desarrol lo

Ing. Nelson Alejandro Qu intani l la Pinto

Un id ad Técn ic a

Subd irección de Invest igación y Desarrol lo

Ing. Daniel An ton io Her nánd ez FloresDirector d e Invest ig ación y Desarrol lo de la Obra Pública

Téc. J av ier Riv era Palen ci a

Un id ad Técn ic aSubd irección de Invest ig ación y Desarrol lo

MINISTERIO DE OBRAS PUBLICAS, TRANSPORTE Y DE VIVIENDA Y DESARROLLO URBANO

VICEMINISTERIO DE OBRAS PUBLICASDIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE LA OBRA PÚBLICA

Sitio web DIDOP
http://www.mop.gob.sv/index.php?option=com_phocadocumentation&view=sections&Itemid=154

3. (t) espesores criticos de capas rodadura-edwin alvarenga

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