102266276 ejemplo de diseno de espesores de pavimentos

Ing.Osman Ernesto Orozco Igleisias Diseño de pavimwentos

EJEMPLO DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

Efectúe el diseño de un pavimento flexible nuevo para un período de diseño de 10 años, considerando un nivel de serviciabilidad inicial de 4 y final de 2. El módulo resiliente de la subrasante es 15.5 ksi. Asuma que el tráfico acumulado proyectado es de 3.41x106 ESAL en el carril de diseño. Considere que se trata de una vía de gran importancia. Adopte los parámetros que crea conveniente para la solución del problema.

Solución:

Período de diseño, n 10 añosMód. resiliente subrasante, MR 15,500 psi ESAL de diseño, W18 3.41x106

PSIo 4.0

PSIf 2.0

Confiabilidad, R 95% (valor promedio de 80 a 99.9%, tabla 7.5)Desv. Est. Normal, ZR -1.645 (tabla 7.6)Error Estándar, So 0.45 (AASHTO 1993 recomienda valores entre 0.40 y 0.50 para pavimentos flexibles)

Cálculo del Número EstructuralSegún el nomograma de la figura 7.2 se tiene: SNaprox=3.2Este valor debe ser ajustado aplicando la ecuación 7.1 de cuyo resultado se obtuvo que:

SNrequerido=3.4Diseño de EspesoresLas condiciones de drenaje asumidas para el proyecto son buenas y el porcentaje de tiempo en que la estructura del pavimento es expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación son 1-5% y 5-25% para las capas de base granular y sub base granular, respectivamente.

1

Comportamiento d e serviciabilidad

t(Años)

PSI

0

2

4

10


De las tablas 7.6 y 7.7 se tiene:Drenaje de base granular m2=1.1Drenaje de sub base granular m3=1.0

Coeficientes de Capas:Carpeta asfáltica E=450,000 psi a1 = 0.44 pulg-1

Base granular CBR=100% a2 = 0.14 pulg-1

MR = 30,000 psi Sub base granular CBR=25% a3 = 0.10 pulg-1

MR = 13,600 psi

AASHTO 1993 propone dos metodologías para determinar los espesores de las capas que compondrán la estructura del pavimento. El primer método es por espesores mínimos y la segunda donde los espesores mínimos son referenciales.Primer Método: por Espesores MínimosLa guía recomienda los siguientes espesores en función del tránsito: Tabla 7.8.Tabla 7.8: Espesores mínimos recomendados

ESAL Concreto asfáltico Base granular

> 50,000 1.0 (o tratamiento superficial 4.0 50,001 – 150,000 2.0 4.0150,001 – 500,000 2.5 4.0500,001 – 2’000,000 3.0 6.02’000,001 – 7’000,000 3.5 6.0> 7’000,000 4.9 6.0

Según la tabla 7.8 los espesores mínimos recomendados, para el tránsito son:

D1=3.5 pulg. Espesor de carpeta asfáltica D2=6.0 pulg. Espesor de base granular

Reemplazando estos valores en la ecuación 7.2:SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3

3.4 0.44 3.5 0.14 6.01.10.10D3 1.0 D= 10 pulg

D= 9.36 pulg

2


El pavimento tendrá las siguientes dimensiones:

Otras alternativas de éste primer método son:

2º tanteo

D1 = 4 pulg D2 = 6 pulg SN=3.484 D3 = 8 pulg

3º tanteo:

D1 = 3.5 pulg D2 = 8 pulg SN=3.512 D3 = 8 pulg

3

Carpeta

Base granular granular

Subbase granular

Subrasante

10”

6”

3.5”


Segundo Método: donde los espesores mínimos son referencialesa) Se asume que la carpeta asfáltica se cimentará sobre la base granular con módulo resiliente de 30,000 psi:

Según el nomograma de la figura 7.2 y aplicando la ecuación 7.1 se obtuvo que:

SNrequerido 1 =2.86

Como se sabe: SNrequerido 1 =a1D1

D1=SNRequerido 1 a1

D1=2.86/0.44=6.5”

b) Ahora se asume que la base granular se cimienta sobre la sub base granular con módulo resiliente de 13,600 psi:


SNrequerido 2 =3.4

Como se sabe: SNrequerido 2 =a1D1+ a2m2D2

4

Carpeta

BG;MR=30,000 PSI

SBG=MR=13,600 PSIBase granular

Carpeta


3.4 0.446.5 0.141.1D2 D2 3.5 pulg

c) Ahora se asume que la sub base granular se cimienta sobre la subrasante con modulo resiliente de 15,500 psi:

Subrasante; MR=15,500 psi


SNrequerido 3 =3.4

Como se sabe: SNrequerido 3 =a1D1 + a2m2D2 + a3m3D3

3.4 0.44 6.5 0.14 1.13.5 0.101.0D3 D3 0 pulg

El diseño final será:

De los dos métodos recomendados por el Métodos AASHTO 1993, el segundo método siempre da valores mas altos. Esto nos lleva a analizar la estructura por el primer método. Sin embargo, esto no nos exime de realizar el segundo análisis.

5

Carpeta

Base granular

Subbase granualr

Carpeta

Base granular

Subrasante

6.5”

3.5”


De la práctica en nuestro país, general se recomienda en el diseño 2 pulg de carpeta asfáltica.Con este valor se puede realizar el cálculo de los otros espesores, aplicando el primer método.

DISEÑO EMPÍRICO-EXPERIMENTAL AASHTO 1993

7.1. INTRODUCCIÓNEsta guía orienta sobre los pasos del diseño de pavimentos flexibles de concreto

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asfáltico, utilizando la “Guide for Design of Pavement Structures 1993” de la American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO).

Por lo general, todo pavimento flexible está conformado por: una capa de subrasante preparada y compactada a una densidad específica, una capa de sub base que puede ser omitida dependiendo de la calidad de la subrasante, una capa de base que se coloca sobre la sub base, o sobre la subrasante. Sobre la base se conforma la carpeta asfáltica que consiste de una mezcla de material bituminoso y agregados.El método AASHTO es un método de regresión basado en resultados empíricos de la carreterade prueba AASHO construida en los años 50. AASHTO publicó la guía para el diseño de estructuras de pavimento en 1972, cuyas revisiones fueron publicadas en 1981, 1986 y la actual versión de 1993.El proceso de diseño AASHTO se amplió para el uso de geomallas para reforzamiento delpavimento flexible. La metodología de incorporación de refuerzo tiene sustento en extensos ensayos de laboratorio y verificación a escala real.7.2. PROCEDIMIENTO DE DISEÑOEl método AASHTO 1993 utiliza el número estructural SN para cuantificar la resistenciaestructural que el pavimento requiere para determinada capacidad de soporte del suelo, tráfico esperado y pérdida de serviciabilidad. Con la ecuación de diseño empírica usada en AASHTO 93 se busca el número estructural requerido por el proyecto:Log10W18 = ZR x SO + 9.36 x log10 (SN+1) – 0.20 + log10 [ΔPSI / (4.2-1.5) ] / [ 0.40 +

1094 / (SN+1)5.19 ] + 2.32 x log10 MR– 8.07

Log10 ∆ PSI

4.2 — 1.5 Log10W18 = Zr So + 9.36 Log10 (SN + 1) — 0.20 + + 2.32 Log10 Mr - 8.07

1094 0.40+ --------------------- (SN + 1)5.19

Donde:SN número estructural requerido por la sección de carreteraW18 número de ejes equivalentes de 80 kN (18,000 lb), en el período de diseño.ZR desviación estándar normal (depende de la confiabilidad, R, de diseño)So error estándar por efecto del tráfico y comportamiento

ΔPSI variación del índice de serviciabilidad.

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MR módulo resiliente de la subrasante medido en psi

El número estructural requerido por el proyecto, SN, se convierte en espesores de carpeta asfáltica, base y sub base, mediante coeficientes de capa que representan la resistencia relativa de los materiales de cada capa. La ecuación de diseño es la siguiente:SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3Donde:ai coeficiente de la capa i (1/pulg.)

Di espesor de la capa i (pulg.)

Mi coeficiente de drenaje de la capa i (adimensional)Los subíndices 1,2 y 3 se refieren a las capas de carpeta asfáltica, base y sub base (si se aplica) respectivamente. Los coeficientes de capa dependen del módulo resiliente del suelo (MR), se determinan empleando los conceptos esfuerzo-deformación de un sistema multicapa. Los coeficientes de capa usados en la pista de prueba AASHO son:

Concreto asfáltico superficial, a1 0.40 - 0.44 pulg-1

Base de piedra chancada, a2 0.10 - 0.14 pulg-1

Sub base de grava arenosa, a3 0.06 - 0.10 pulg-1

El diseño de la carretera depende del tráfico esperado durante la vida de servicio y la confiabilidad en el comportamiento. Luego de caracterizar el suelo de la subrasante y seleccionar los valores de confiabilidad (R), para el error estándar So y ESAL estimado, se puede determinar el valor del número estructural, SN, usando el nomograma de la figura 7.2 ó la ecuación (7.1).

A continuación se detallan los parámetros de diseño y recomendaciones de AASHTO.

a) Período de DiseñoEl período de diseño se refiere al tiempo desde que la estructura de pavimento entra en servicio hasta antes que necesite algún trabajo de rehabilitación.Tabla 7.3: Períodos típicos de diseño

Condiciones de Carreteras Período de Análisis Vías urbanas con alto volumen 30-50 Vías rurales con alto volumen 20-50Pavimentadas con bajo volumen 15-25 Superficie granular con bajo volumen 10-20

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b) TránsitoEl diseño considera el número de ejes equivalentes (ESAL) para el período de análisis ( W18 ) en el carril de diseño. A partir de conteos vehiculares y conversión a ejes equivalentes, el diseñador debe afectar el ESAL en ambas direcciones por factores direccionales y de carril (si son más de dos), aplicando la siguiente ecuación:

W18 = DD × DL × wˆ 18 (7.3)Donde:DD factor de distribución direccional

DL factor de distribución por carril

wˆ 18 tráfico total en ambas direcciones para el período de diseñoEl factor de distribución direccional DD generalmente es 0.5 (50%) para la mayoría de las carreteras; sin embargo, este puede variar de 0.3 a 0.7 dependiendo de la incidencia de tráfico en una dirección. Los factores de distribución por carril, DL, recomendados por AASHTO se muestran en la tabla 7.4.

Tabla 7.4.- Factor de distribución por carril DL

Nº carriles en una dirección %ESAL en carril diseño 1 100 2 80-100

3 60-80 4 50-75

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c) Factor de confiabilidad, REs una medida que incorpora algún grado de certeza en el proceso de diseño para asegurar que los diferentes parámetros alcancen el período de análisis. La tabla 7.5 presenta los niveles recomendados de confiabilidad para diferentes clasificaciones funcionales.

Tabla 7.5.- Niveles sugeridos de confiabilidad, R

Clasificación Funcional Nivel recomendado de confiabilidad

Urbano RuralInterestatal y otras vías 85-99,9 80-99,9

Arterias principales 80-99 75-95 Colectores 80-95 75-95 Local 50-80 50-80

d) Desviación Estandar Normal (ZR)La desviación estándar normal está en función de la confiabilidad del proyecto, R. En la tabla 7.6 se muestran los valores de desviación estándar correspondiente a diferentes niveles de confiabilidad.

e) Efectos medioambientales

El medio ambiente puede afectar el comportamiento del pavimento de diferentes maneras.Las variaciones térmicas y humedad, afectan la resistencia, durabilidad y capacidad de transporte de carga. Otro impacto medioambiental importante es el efecto directo del congelamiento, deshielo y desintegración en la subrasante.

f) Pérdida de serviciabilidad

La serviciabilidad se define como la calidad de servicio del pavimento. La primera medida de la serviciabilidad es el Indice de Serviciabilidad Presente, PSI, que varía de 0 (carretera imposibles de transitar) a 5 (carretera perfecta). El PSI se obtiene midiendo la rugosidad y daño (agrietamiento, parchado y deformación permanente) en un tiempo en particular durante la vida de servicio del pavimento. La rugosidad es el factor dominante para estimar el PSI del pavimento.

Tabla 7.6: Desviación estándar, ZR

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Confiabilidad R, % Desviación Estándar Normal, ZR

50 -0.000 60 -0.253 70 0.524 75 80 85 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 99.9 99.99

-0.674 -0.841 -1.037 -1.282 -1.340 -1.405 -1.476 -1.555 -1.645 -1.751 -1.881 -2.054 -2.327 -3.090 -3.750

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La guía AASHTO 93 usa la variación total del índice de serviciabilidad (ΔPSI) como

criterio de diseño se define como:ΔPSI = p0 – pt (7.4)

Donde:p0 índice de serviciabilidad inicial

pt índice de serviciabilidad final, que es el más bajo índice tolerable antes de la rehabilitación.

g) Módulo resiliente efectivo del suelo

Las propiedades mecánicas del suelo de la subrasante se caracterizan en AASHTO 93 por el módulo resiliente, MR. El módulo resiliente mide las propiedades elásticas reconociendo sus características no lineales. El módulo resiliente se correlaciona con el CBR, mediante la siguiente ecuación:

MR [psi] = 1500 x CBR (7.5 a)

MR [kPa] = 10342 x CBR (7.5 b)

Esta ecuación es razonable para suelos de gradación fina con CBR menores que 10%.

7.4. PROCEDIMIENTO DE DISEÑOEl número estructural requerido se convierte a espesores de concreto asfáltico, base y

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subbase, por medio de coeficientes de capa y utilizando la ecuación 7.2.a) Coeficientes de capa ai

Se asigna un coeficiente de capa a cada material de la estructura de pavimento. El coeficiente de capa expresa una relación empírica entre el número estructural, SN, y el espesor.Concreto asfáltico.- La figura 7.3 muestra la carta sugerida por AASHTO 93, para definir el coeficiente estructural de concreto asfáltico de gradación densa basado en su módulo elástico (EAC) a 68°F. Este módulo elástico es el Módulo Dinámico Complejo, E*, obtenido de ensayos cíclicos.Base.- Las figuras 7.4, 7.5 y 7.6 muestran las cartas utilizadas para definir el coeficiente estructural, a2, de base granular, base tratada con asfalto y base tratada con cemento, respectivamente. Toma en cuenta cuatro diferentes ensayos de laboratorio.Sub base granular.- La figura 7.7 muestra la carta que puede ser usada para calcular el coeficiente de capa, a3, para una sub base granular a partir cuatro diferentes ensayos de laboratorio, incluyendo el módulo resiliente de la sub base ESB.b) Coeficientes de drenajeEl método AASHTO asume que la resistencia de la subrasante y base permaneceráconstante durante la vida de servicio del pavimento. Para que esto sea cierto, la estructura de pavimento debe tener drenaje apropiado. La calidad de drenaje se incorpora al diseño, modificando los coeficientes de capa. El factor que modifica el coeficiente de capa se representa por mi. El posible efecto del drenaje en el concreto asfáltico no se considera. La tabla 7.6 presenta las definiciones generales correspondientes a los diferentes niveles de drenaje.

Tabla 7.6.- Condiciones de drenaje

Calidad de drenaje Retiro de agua dentro de:Exelente 2 hrsBueno 1 diaRegular 1 Semana Pobre 1 MesMuy pobre El agua no drena

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Figura 7.3.- Carta para calcular el coeficiente estructural deConcreto asfáltico de gradación densa

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Figura 7.4.- Variación de coeficiente de capa de base granular (a2) con la variación de los parámetros de resistencia

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(1) Escala derivada de correlaciones obtenidas en Illinois, Louisiana y Texas(2) Escala derivada de proyectos de la NCHRP (3)Figura 7.6.- Variación de coeficiente de capa de bases tratadas con asfalto (a2)

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Figura 7.7.- Variación de coeficiente de capa de sub base granular (a3)con la variación de los parámetros de resistencia

La tabla 7.7 muestra los coeficientes recomendados dependiendo de la calidad de

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drenaje y el porcentaje de tiempo anual en que la estructura del pavimento podría estar expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación.Tabla 7.7.- Coeficientes de drenaje recomendados, mi

% de tiempo en que la estructura del pavimento es expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación

Calidad de drenaje Menos que 1% 1-5% 5-25% Mayor que 25%

Exelente 1.40-1.35 1.35-1.30 1.30-1.20 1.20

Bueno 1.35-1.25 1.25-1.15 1.15-1.00 1.00

Regular 1.25-1.15 1.15-1.05 1.000-80 0.80

Pobre 1.15-1.05 1.05-0.80 0.80-0.60 0.60

Muy pobre 1.05-0.95 0.95-0.75 0.75-0.40 0.40

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