presentaciÓn asshto 93

DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTODEL PAVIMENTO

ING. NESTOR HUAMAN GUERREROING. NESTOR HUAMAN GUERRERO

GUIA ASSHTO

1,993

PAVIMENTO DO PONTO DE VISTA PAVIMENTO DO PONTO DE VISTA ESTRUTURAL E FUNCIONALESTRUTURAL E FUNCIONAL

Pavimento é uma estrutura de múltiplas camadas de espessuras finitas, construída sobre a superfície final de terraplenagem, destinada técnica e economicamente a resistir aos esforços oriundos do tráfego de veículos e do clima, e a propiciar aos usuários melhoria nas condições de rolamento, com conforto, economia e segurança.

Mais recentemente há uma tendência de usar-se a nomenclatura pavimentos de concreto de cimento Portland (ou simplesmente concreto-cimento) e pavimentos asfálticos, respectivamente, para indicar o tipo de revestimento do pavimento.

PAVIMENTO DO PONTO DE VISTA PAVIMENTO DO PONTO DE VISTA ESTRUTURAL E FUNCIONAL ESTRUTURAL E FUNCIONAL

As camadas de base, sub-base e reforço do subleito são de grande importância estrutural.

Limitar as tensões e deformações na estrutura do pavimento, por meio da combinação de materiais e espessuras das camadas constituintes, é o objetivo da Mecânica dos Pavimentos.

ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ASFÀLTICOESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ASFÀLTICO

• Lo que se desea calcular son los espesores de las capas, aplicando la guía de diseño AASHTO – 93.

• CAPA Nº1.- Llamado también Rodadura; pudiendo ser de Mezclas Asfálticas en caliente, Mezclas Asfálticas en Frió, Tratamientos Superficiales.

• CAPA Nº2.- Llamado también Base y/o Sub – base pudiendo ser de Mezclas Asfáltica en Caliente, Mezcla Asfáltica en Frió, Suelo Procesado, Suelo Estabilizado, Suelo Natural.

• CAPA Nº3.- Llamado también sub – rasante o suelo de fundación; pudiendo ser Suelo Procesado, Suelo Estabilizado, Suelo Natural.

• .

ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ASFÀLTICOESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ASFÀLTICO

• Los espesores de los pavimentos y sus respectivas capas están relacionados con las variables características que intervienen en el diseño de los pavimentos.

• Las consideraciones de diseño que toma la AASHTO están bien definidas ya sea variables empíricas o mecánicas y su calculo esta dentro de los datos que intervienen en el diseño de la estructura de los pavimentos

CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESTRUCTURAL CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOSDE PAVIMENTOS

• 1. COMPORTAMIENTO DEL PAVIMENTO

• El comportamiento del pavimento esta relacionado con LA FUNCIONALIDAD del • mismo, esta característica proviene de la estructura del pavimento, las condiciones • físicas y los agentes externos que dañan al pavimento.

• Años atrás se tomaron conceptos preponderantes, donde se determinaba la • SERVICIABILIDAD – comportamiento de los pavimentos donde se verificaba cual era el • servicio o hasta que punto servía el pavimento construido y se tomaba en conjunto • con el comportamiento que este tenia en su vida útil.

• 2. EL TRAFICO

• Esta basado en las cargas esperadas y acumulativas de un eje equivalente a 18,000 • lbs. durante el periodo de análisis.

• Para cualquier situación de diseño donde la estructura inicial del pavimento se espera • que dure todo el periodo de análisis sin ninguna obra de rehabilitación todo lo que se • requiere es el ESAL acumulado en todo el periodo de análisis.

• Si se considera una rehabilitación en el periodo de análisis, el diseñador debe definir los tráficos acumulados en cada capa.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOSPAVIMENTOS

• 3. SUELO SUBRASANTE

• El comportamiento de los Suelos de Subrasante (suelos de fundación) tiene una gran • influencia en los pavimentos por que sobre ellos descansan y reciben todas las cargas • que son transmitidas por el mismos pavimento.

• La representación del suelo de fundación en el diseño de estructuras es por medio del • MODULO DE RESILENCIA (MR) y por este factor se puede definir el tipo de pavimento • que se colocará en la vía proyectada.

• Es importante precisar que la obtención del modulo resilente (Módulo Dinámico) es • compleja porque no se tiene un numero constante puesto que puede variar según las • condiciones climáticas o drenaje y esto hace variar los resultados de los diseños • calculados.

• 4. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

• El conocimiento de los tipos de materiales de construcción disponibles en las • proximidades del proyecto tienen una gran influencia en los aspectos de costos y • comportamiento de la estructura.


• También se debe considerar que para el calculo de los espesores del pavimento se • deben tener las características bien definidas de los materiales que conformaran el • pavimento como son la base granular y la carpeta asfáltica y estos a su vez tengan • otros materiales de condiciones favorables que las constituyen como son: el cemento, • el filler, suelos de buena granulometría, asfaltos, aditivos, etc.

• 5. EL CLIMA

• Normalmente el clima afecta las condiciones de la subrasante y capa de rodadura. • Climas cálidos reducen la estabilidad de las mezclas asfálticas por otro lado en climas • frígidos las mezclas asfaltadas tienen gran potencia de sufrir fisuración

• Asimismo en zonas de grandes alturas y climas tropicales las capas de superficie • asfáltica están sujetas al efecto de oxidación del cemento asfáltico.

• En otras áreas la presencia de suelos de subrasante expansivos y/o susceptibles de • helarse pueden verse muy afectados por el clima.

• El clima esta comúnmente acompañado de dos agentes importantes, negativos para el • pavimento como son:

CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOSPAVIMENTOS

• La temperatura y el agua.

• Estos agentes externos actúan en desorden y el pavimento debe estar protegido contra • estos dos agentes perjudiciales para la estructura del pavimento.

• 6. DRENAJE

• Tradicionalmente las capas de base y sub – base granular del pavimento fueron • diseñadas solamente por aspectos de resistencia dando escasa importancia al drenaje.

• Una buena base granular debe ser diseñada para drenar rápidamente el agua del • pavimento.

• La drenabilidad del material o calidad de drenaje es función de varios aspectos • incluyendo la permeabilidad del material, su distribución granulométrica, el porcentaje de • material fino (pasante la malla Nº200) y las condiciones geométricas de la superficie y • subrasante del pavimento.

• 7. CONFIABILIDAD

• La Confiabilidad se requiere al NIVEL DE PROBABILIDAD que tiene una estructura de pavimento diseñada para durar a través de análisis.


• La confiabilidad del diseño toma en cuenta las posibles variaciones de trafico • previstas, así como en las variaciones del modelo de comportamiento AASHTO, • proporcionando un nivel de confiabilidad (R) que asegure que las secciones del • pavimento duren el periodo para el cual fueron diseñadas.

• 8. COSTOS Y CICLO DE VIDA

• Después que los espesores mínimos de las capas del pavimento, han sido establecidas • de acuerdo a los procedimientos descritos anteriormente y luego de ser verificado de • acuerdo a limitantes en su construcción y mantenimiento, el costo de inversión inicial • del pavimento debe ser minimizado para proveer una alternativa de diseño para cada • combinación de materiales considerados.

• 9. DISEÑO DE BERMAS

• En la guía AASHTO no especifica el diseño a tratar pero si hace una referencia en el • apéndice, ya que el comportamiento de la berma es equivalente al de la calzada de los • pavimentos pero en menor proporción y por lo tanto se considera como mínimo un W18 • del 2% del carril de diseño.

• Consecuentemente no se requiere del mismo espesor de la calzada.

PRESENTACIÓN DEL MÉTODOPRESENTACIÓN DEL MÉTODO

• REQUERIMIENTO: Pavimento debe satisfacer un determinado NÚMERO ESTRUCTURAL (SN), calculado en función a :

• Ecuación de diseño

• La ecuación AASHTO-93 toma la siguiente forma:

• Variables independientes:

• Wt18 : Número de aplicaciones de cargas equivalentes de 80 kN acumuladas en el periodo de diseño (n)

• ZR : Valor del desviador en una curva de distribución normal, función de la• Confiabilidad del diseño (R) o grado confianza en que las cargas de diseño no• serán superadas por las cargas reales aplicadas sobre el pavimento.

PRESENTACIÓN DEL MÉTODOPRESENTACIÓN DEL MÉTODO

• So: Desviación estándar del sistema, función de posibles variaciones en las• estimaciones de tránsito (cargas y volúmenes) y comportamiento del pavimento a lo

largo de su vida de servicio.

• ΔPSI: Pérdida de Serviciabilidad (Condición de Servicio) prevista en el diseño, y medida como la diferencia entre la “planitud” (calidad de acabado) del pavimento

• al concluirse su construcción (Serviceabilidad Inicial (po) y su planitud al final del• periodo de diseño (Servicapacidad Final (pt).

• MR: Módulo Resiliente de la sub-rasante y de las capas de bases y sub-bases• granulares, obtenido a través de ecuaciones de correlación con la capacidad• portante (CBR) de los materiales (suelos y granulares).

• Variable dependiente:

• SN: Número Estructural, o capacidad de la estructura para soportar las cargas• bajo las condiciones (variables independientes) de diseño

REQUERIMIENTOS DE DISEÑOREQUERIMIENTOS DE DISEÑO

• MÒDULO RESILENTE (Mr)

• Mr de la Sub-rasante (psi), es calculado por el ensayo• T274 de la AASHTO, que viene a ser un método muy • difícil de realizar en muchos lugares porque no se • cuenta con los equipos que efectúen este ensayo

• Por esto existen relaciones que pueden calcular dicho • modulo – aproximadamente – tomando como parámetro • principal el CBR

• Se puede calcular por medio de ensayos de la AASHTO, • ASTM, etc.

• El "Módulo Resiliente (MR)", es el resultado de un ensayo dinámico, y se define como la relación entre el esfuerzo repetido masivo (Ø) y la deformación axial recuperable (Σa).

• Mr = Ød / Σa• El ensayo se realiza en una celda triaxial equipada con

sistemas capaces de transmitir cargas repetidas

• La briqueta de ensayo tiene generalmente 10 cm de diámetro por 20 cm de altura.

MÒDULO RESILENTE (Mr)MÒDULO RESILENTE (Mr)

MÒDULO RESILENTE (Mr)MÒDULO RESILENTE (Mr)• MÓDULO RESILIENTE EFECTIVO (PONDERADO) DEL • MATERIAL DE SUBRASANTE (MR)

• PASO 1

• El método exige que el valor de Módulo Elástico del material de fundación que se introduzca en la ecuación de diseño, represente el efecto combinado de los diferentes módulos de ese material a lo largo del año

• El Mr se modifica en función de las condiciones• ambientales a los cuales está sometido durante ese

tiempo.

• Este valor, por otra parte, cuantifica el daño relativo al cual está sometido un pavimento durante cada época del año, y pondera este daño en una forma global para cualquier momento del año.

• A este efecto la determinación del valor de MR puede lograrse por alguno de los procedimientos siguientes:

• A.- ………………………………………………

• Efectuando ensayos de módulo resiliente en laboratorio (Método AASHTO T-274) sobre muestras representativas, bajo condiciones de esfuerzo y humedad similares a aquellas de las épocas

• predominantes en el año, es decir las estaciones climatológicas durante las cuales se obtendrán valores significativamente diferentes

• Estos resultados permitirán establecer relaciones entre• diferentes módulos resilientes y contenidos de

humedad, que puedan ser utilizadas conjuntamente con estimaciones de "humedades en sitio" bajo el pavimento, para establecer valores de módulo

• resiliente para las diversas estaciones climatológicas


• B.- ……………………………………….

• Estimando los valores de módulo resiliente a partir de correlaciones entre mediciones de deflexiones de pavimentos en servicio en diversos momentos del año

• C. - ………………………………….

• Estimando los valores "normales" de módulo resiliente de los materiales, a partir de propiedades conocidas, tales como CBR, plasticidad, contenido de arcilla, etc.

• Luego, mediante la aplicación de relaciones empíricas se estima el módulo resiliente para diferentes épocas del año

• Estas relaciones pueden ser del tipo:• Módulo Resiliente en invierno = 20 a 30% del Módulo en

verano.


• ECUACIONES DE CORRELACIÓN RECOMENDADAS

• 1. Para materiales de sub-rasante con CBR ≤ a 7,2%• • MR = 1.500* CBR

• 2. Para materiales con CBR > 7,2% pero ≤ 20,0%

• MR = 3.000 * (CBR)^0.65

• 3. Para valores de CBR mayores a 20,0%, se deberán emplear otras formas de correlación, tal como la recomendada por la propia Guía de Diseño AASHTO-93

• MR = 4.326*ln(CBR) + 241

• Nota: El valor resultante de estas correlaciones se• mide en unidades de lb/pulg2 (psi)

• .


• D.- ……………………

• Estimando los valores "normales" de módulo resiliente de los materiales de • fundación a partir de las ecuaciones de correlación que están incluidos • en el Programa PAS (Pavement Analysis System) desarrollado por la • Asociación de Pavimentadores de Concreto de los Estados Unidos (ACPA)

• Estas ecuaciones dentro del Programa PAS toman, para el material• de sub-rasante, las siguientes expresiones:

• RANGO DE CBR (%) ECUACIÓN DE CORRELACIÓN• <= 7.2 MR = 875,15 * CBR + 1.386,79• 7.2<CBR<=20 MR = 1.941,54 * (CBR)^0.68• CBR>20 MR = 11.253,50 * ln CBR – 18.667,20

• PASOS DEL 2 AL 7 ………………………….. VER GUIA AASHTO 1993



• NÙMERO ESTRUCTURAL (SN )

• Número Estructural, indicador de la Capacidad Estructural requerida (materiales y espesores).

• SN = a1 x D1 + a2 x D2 x m2 + a3 x D3 x m3,

• Siendo

• ai = Coeficiente Estructural de la capa “i”

• Di = Espesor de la Capa “i” en pulgadas• • mi = Coeficiente de Drenaje de la Capa Granular “i”


• VARIABLE DE DISEÑO A RESTRICCIÓN DEL TIEMPO

• Selección de entradas de periodos de performance de análisis que afectan el diseño desde la dimensión del tiempo.

• El diseñador selecciona estrategias variando la estructura inicial a la final desde la etapa de construcción hasta los planeados sobrecapados

• PERIODO DE ANALISIS: Periodo de tiempo en el cual se realiza el análisis y debe cubrir cualquier estrategia de diseño. Análogo de vida de diseño en el pasado.

• PERIODO DE PERFORMANCE (Vida de Servicio): Periodo de tiempo en que un pavimento inicial se puede dejar antes que necesite rehabilitación. Este periodo puede ser afectado significativamente por el tipo y nivel de mantenimiento aplicado

VARIABLE DE DISEÑO A RESTRICCIÓN DEL TIEMPOVARIABLE DE DISEÑO A RESTRICCIÓN DEL TIEMPO

• Tiempo Mínimo de Performance: Mínima cantidad de tiempo en el cual la siguiente etapa se puede considerar iniciada (ej: 5 años de tiempo para que

un pavimento no tenga ninguna rehabilitación)

• Tiempo Máximo de Performance: Máxima cantidad de tiempo que el usuario espera para la siguiente etapa ( ej: se diseñó para 10 años, máx. a los 8 años requiere rehab.)

• El resultado es una pérdida del PSI debido a factores ambientales o desintegración de la superficie. La selección de un periodo largo de diseño puede llevar a diseños lineales

• SE PUEDE CONSIDERAR

• Condiciones de Vías Periodo de Condición (años)

• Alto Volumen Urbano 30 – 50

• Alto Volumen Rural 20 – 50

• Bajo Volumen Pavimentado 15 – 25

• Bajo Volumen de Superfície 10 - 20

• de Agregados

E L T R Á F I C OE L T R Á F I C O

• Basado en el número esperado acumulado de cargas por Eje Simple Equivalente de Carga de 18,000 lbrs. llamado ESAL (Equivalent Single Axle Loads) durante el Periodo de Análisis

• • W18 = Dd x Dl x w18

• W18 = Tráfico en el carril de diseño

• w18 = Tráfico de diseño. unidades ESAL de 18 kips acumuladas , previstas para una sección específica de la carretera en el periodo de análisis

• Dd = Factor de distribución direccional, generalmente es • 0.5 (50%) para la mayor parte de vías vehiculares,

hay casos en los que puede moverse más peso en • una dirección que en otra. así, el lado con los

vehículos más pesados, deberá ser diseñado para un • gran número de unidades ESAL. Puede variar entre

0.3 a 0.7, dependiendo de cual dirección está más cargada con respecto a la otra

• • Dl = Factor de distribución de carril

E L T R Á F I C OE L T R Á F I C O

El Dl se expresa como una relación que considera la distribución del tráfico Cuando 2 o más carriles existen en una dirección de tráfico (Ver Tabla)

FACTOR Dl : Número de Carriles en % de ESAL de 18 kips en el cada dirección Carril de Diseño• 1 100• 2 80 - 100• 3 60 - 80• 4 50 – 75

• El usuario debe preparar el gráfico de tiempo versus el acumulado ESAL, para separar el tráfico en periodos

• El diseñador debe factorizar el tráfico de diseño por dirección y por carril para obtener W18

• Para el caso de Perú el estudio se basa en el Índice Medio Diario Anual (IMDA) y la información de cargas en el Reglamento de Pesos y Medidas Vehicular para la circulación en la Red Vial Nacional ( D.S. N° 058 - 2003-MTC); debiendo calcularse el ESAL para el primer año de servicio de acuerdo al tipo, distribución y volumen de vehículos que circularán por la vía en estudio.

C 0 N F I A B I L I D A DC 0 N F I A B I L I D A D

• Concepto introducido como medio para asegurar cierto grado de certeza en • el procedimiento de diseño, para que las diferentes alternativas de diseño • alcancen todo el periodo de análisis.

• El factor de diseño basado en la confiabilidad, toma en cuenta las posibles • variaciones en la predicción del tráfico (W18) y predicción del • comportamiento o performance (w18), proporcionando un determinado nivel • de seguridad ®, que las secciones del pavimento sobrevivirán durante el • periodo para el cual fueron diseñadas

• luego se deben seleccionar niveles de confiabilidad altos cuando se prevean • volúmenes de tráfico por incrementarse para minimizar el riesgo y los • pavimentos se comporten adecuadamente

• La aplicación del concepto de confiabilidad requiere los siguientes pasos:

• 1.- Definir capacidad funcional de la vía: rural o urbana• 2.- A > valor de confiabilidad > estructura de pavimento

3.- Seleccionar una desviación estandar ( So), representativa • de sus condiciones locales

•

CONFIABILIDADCONFIABILIDAD

• Como se puede apreciar en la Tabla de Niveles de Confiabilidad, niveles altos corresponden a carreteras que reciben mayor uso mientras que los de un bajo nivel , 50% corresponde a las carreteras locales

• Error de Performance en el Que corresponden a • ensayo AASHTO fue: desviación estándar de:• Rígido 0.25 0.35• Flexibles 0.35 0.45

SERVICIABILIDADSERVICIABILIDAD• La medida de serviciabilidad se da través del índice de Serviciabilidad

Presente – PSI

• PSI = 0 : Significa camino imposible• PSI = 5 : “ “ perfecto

• Se sugiere utilizar:

• Para PSI FINAL O ÌNDICE DE SERVICIABILIDAD TERMINAL (Pt):

• PSI más bajo permisible basado en el índice más bajo que será tolerado antes que se haga necesaria una rehabilitación, refuerzo superficial o reconstrucción

• Índice = 2.5 o mayor para diseño de carreteras principales• 2.0 “ “ “ con menores • volúmenes de tráfico • • PSI TERMINAL % DE NO ACEPTACIÒN • 3.0 12 • 2.5 55• 2.0 85

• Pt depende del volumen de tráfico y de la serviciabilidad inicial Po• •

SERVICIABILIDADSERVICIABILIDAD

• Para PSI ORIGINAL O INICIAL (PO) – ÌNDICE DE SERVICIABILIDAD INICIAL

• Los valores en la Carretera Experimental AASHTO fueron:

• Po = 4.2 – Pavimentos Flexibles

• Po = 4.5 - “ Rígidos

• Pérdida de Serviciabilidad = Po – Pt = ∆PSI = Cambio del índice de Serviciabilidad

• Luego : ∆PSI= 4.2 – 2.5 = 1.7 (para carretera principal)

• Aplicable a todo tipo de Estructura

DETERMINACIÓN DE ESPESORESDETERMINACIÓN DE ESPESORES

• Determinado el Número Estructural:

• a) Se realizan Tanteos para diferentes espesores

• b) Se asignan dimensiones a cada una de las capas consideradas

• c) Se determina calidad de materiales empleados a través de un Coeficiente Estructural

• d) Con “b” y “c” se determinan los Números Estructurales Parciales; sumados deben satisfacer el valor total requerido

• NOTA: Los espesores de las capas finales deben cumplir con determinados valores mínimos por razones constructivas, de tráfico y de tipo estructural

DISEÑO DE ESPESORES DE CAPAS DEL DISEÑO DE ESPESORES DE CAPAS DEL PAVIMENTOPAVIMENTO

• CONCEPTO DE ANÁLISIS DE CAPAS

• D1 >= D*1 = SN1/a1• SN*1 = a1 x D1 >= SN1• D2 >= D*2 = (SN2 – SN*1)/a2 x m2• SN*1 + SN*2 = a1 x D1 + a2 x m2 x D2 >=SN2• D3 >= D*3 = {SN3 – (SN*1 + SN*2)/(a3 x m3)• SN*1 + SN*2 + SN*3 = a1 x D1 + a2 x m2 x D2 + a3 x m3 x D3 >= SN3

• Los valores de SN se obtienen de la ecuación AASHTO. Los valores de “ a “ y “ m “ se seleccionan de las recomendaciones AASHTO.

• El asterisco (*) mostrado en D indican los valores mínimos obtenidos de las ecuaciones mostradas mientras, que los asteriscos para el caso de los valores de SN indican el Nº estructural para los espesores de capas adoptadas y coeficientes AASHTO seleccionados.

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