adendo shell

8/8/2019 Adendo Shell

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Adendoal manual de d iseo de pav iment os

Shel l


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Adendo

Al manual de diseo de pavimentos shell

Se ha tenido el cuidado necesario en la preparacin de esteAdendo; sin embargo, no se puede aceptar responsabilidadpor las consecuencias de cualquier inexactitud que estepueda contener . La compaa Shell no puede hacerse

responsable por daos ocasionados como resultado de suutilizacin.

Shell International Petroleum Company Limited, Londres, 1985.


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ADENDO AL MANUAL DE DISEO DE PAVIMENTOS SHELL

PREFACIO

En 1978 se public el Manual de Diseo de Pavimentos Shell, presentando a los ingenieros

de vas un sistema de diseo de pavimentos analtico con el propsito de que fuera aplicable a

todos los climas del mundo. Desde entonces ms de 1800 copias del Manual han sido

distribuidas alrededor del mundo y se ha obtenido mucha experiencia con relacin a la

claridad y la conveniencia del procedimiento de diseo y la confiabilidad de los diseos. En

1984 estas experiencias fueron evaluadas concienzudamente de lo cual se obtuvo como

resultado dos conclusiones esenciales:

La experiencia practica durante seis aos desde la publicacin del Manual no ha revelado

ningn error sistemtico en el procedimiento de diseo. El procedimiento ha sido

generalmente aceptado as como sonado, ms fundamentado para las selecciones de

diseo que los mtodos empricos, as como el ms complejo.

El Manual no ha sido claro en que mrgenes de seguridad deben ser incorporados a lo

largo del procedimiento de diseo. Esto involucra que el ingeniero deber incorporar

algn grado de conservatismo, el nivel del margen de seguridad se ha dejado a su

propio juicio. Se ha considerado que se necesita una mejor gua a este respecto.

Las observaciones realizadas por los usuarios del Manual, una informacin ms explcita con

respecto a la incorporacin de los mrgenes de seguridad, han sido aclaradas en este Adendo

de 1985 al Manual.


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MARGENES DE SEGURIDAD EN EL PROCEDIMIENTO DE DISEO SHELL

1 INTRODUCCIN

Las cartas de diseo en el Manual de Diseo de Pavimentos Shell no contienen factores de

seguridad implcitamente o explcitamente. Las cartas de diseo son resultado exacto de una

comparacin de los mximos esfuerzos y deformaciones encontradas con el criterio de la

deformacin de la subrasante y de deformacin de la capa asfltica. De acuerdo a esto, las

cartas de diseo son validas proporcionados los parmetros de entrada para el clima, las

cargas del trnsito, el mdulo de la subrasante y la rigidez y caracterizacin de fatiga del

asfalto. En la practica esto significa que el ingeniero necesita incorporar ciertos factores de

seguridad cuando estime el valor de los parmetros de entrada. Adems las cartas de diseo

estn basadas en relaciones promedio para el criterio de deformacin de la subrasante y el

mdulo de la subbase (E2). La experiencia ha mostrado que algo de conservatismo al

respecto quizs sea apropiado.

2 MRGENES DE SEGURIDAD INCLUIDOS GENERALMENTE

2.1 TRNSITO

La intensidad del trnsito expresada en trminos de cargas de eje estndar es uno

de los mayores parmetros de entrada para el procedimiento de diseo.

Las incertidumbres en este parmetro pueden ser consideradas mediante el uso de

altos estimativos.

2.2 TEMPERATURA

La influencia de la temperatura ambiente en la vida de servicio del un pavimento

asfltico esta considerada en el procedimiento de diseo mediante la ponderacin de

la temperatura promedio anual del aire (w-MAAT). Este valor es obtenido de la

media mensual de las temperaturas del aire (MMAT) mediante el uso de la carta W.

En el uso de este procedimiento se debe tener en cuenta que los valores del MMAT,


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generalmente son los promedios de valores obtenidos de largos periodos de

observacin. Durante la vida de servicio del pavimento, el valor de MMAT puede

desviarse del promedio de estos valores. Para periodos de diseo cortos estas

desviaciones deben ser tenidas en cuenta mediante la estimacin de valores de

MMAT ms altos, especialmente para el perodo de verano. El margen apropiado a

usar depende de diversas peculiaridades del clima local. Es as como no es posible

generalizar acerca de este estimativo.

2.3 SUBRASANTE

El mdulo dinmico de la subrasante (E3) es uno de los principales parmetros de

entrada en el procedimiento de diseo. Las incertidumbres en este parmetro

pueden ser consideradas mediante el uso de bajos estimativos.

Adems el procedimiento de diseo esta basado en un criterio de deformacin de la

subrasante definido, por ejemplo; la relacin entre la deformacin permisible de la

subrasante y el nmero de repeticiones de carga (Carta RS). Este criterio, esta

basado en datos experimentales, es una media de las relaciones, lo cual significa

que el 50% de los datos se encuentran por encima y el otro 50% de los datos se

encuentran por debajo de la lnea. La experiencia practica ha demostrado que es

necesario un ms alto nivel de confianza. Por consiguiente para estrechar el criterio

de deformacin de la subrasante y llegar hasta un nivel de confianza del 85%. El

criterio ha pasado a ser:

3 = 2.1 x 10-2

x N-0.25

(1a)

En algunos casos es considerable tener una mejor aproximacin y llegar a un nivel

de confianza del 95%. Entonces el criterio vendra a ser:

3 = 1.8 x 10-2

x N-0.25

(1b)

En el captulo 10 del Manual se explica cmo incorporar un criterio de deformacin

de la subrasante diferente. El resultado de la incorporacin de los criterios

anteriores es el siguiente:

Para diseos gobernados por el criterio de deformacin de la subrasante (izquierda

de las cartas HN y HT) las cartas deben ser ledas para un periodo de diseo (en


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trminos de nmero de ejes estndar) de tres veces (para un nivel de confianza del

85%) o de seis veces (para un nivel de confianza del 95%) el perodo de diseo

esperado.

Para diseos gobernados por el criterio de deformacin de la capa asfltica (derecha

de las cartas HN y HT) no debe hacerse correccin por un criterio de deformacin de

la subrasante diferente. Sin embargo, es necesario saber que cerca del cambio

donde gobierna el criterio de deformacin de la capa asfltica a donde gobierna el

criterio de deformacin de la subrasante, el criterio de deformacin de la subrasante

prevalecer sobre el criterio de deformacin de la capa asfltica cuando se haya

incorporado el margen de seguridad para la deformacin de la subrasante.

2.4 CAPAS NO TRATADAS (SUBBASE)

El mdulo dinmico efectivo de los materiales granulares no tratados (E2) es un

parmetro esencial en el procedimiento de diseo. Sin embargo, esta propiedad, no

fue vista como un parmetro de entrada independiente. En la elaboracin de las

cartas de diseo el mdulo de la capa de subbase fue tomado como funcin del

mdulo de la subrasante (E3) y el espesor de la capa no tratada (h2) en milmetros:

E2 = k x E3, con k = 0. X h20.45

, adems 2 < k < 4 (2)

Esta funcin est basada en medidas dinmicas y consideraciones tericas. Los

procedimientos asumen que el material de la subbase tiene la calidad suficiente para

spesor o a e as capas as cas 1

Criterio de deformacin

de las capas asflticas

Espesor total de las capas granulares h2

Curva de diseo simplificada

Criterio de deformacin

de la subrasante


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alcanzar un mdulo efectivo con un valor al menos igual al obtenido mediante la

expresin anterior. Este requisito se encuentra indicado en las cartas de diseo HN

y HT por los valores encerrados en los crculos.

Desde la introduccin de la relacin anterior se han realizado muchas medidas

dinmicas, mostrando que en la practica existe una dispersin considerable.

Algunos materiales (cascajo) generalmente menor, otros materiales (escorias de alto

horno) pueden desarrollar un mdulo mucho mayor. Adicional a esto, se ha

encontrado que la relacin anterior no es valida para altos valores del mdulo de la

subrasante (valores superiores a 2 x 108

Pa). Dado que el mdulo de la subbase no

esta incluido en el Manual como un parmetro de entrada independiente, es difcil

para el ingeniero incorporarlo en la experiencia practica e incorporar mrgenes de

seguridad. Para mejorar esto, se desarrollo el siguiente procedimiento basado en

un gran nmero de clculos mediante el programa BISAR.

La capacidad de carga (LBC) de una capa elstica, de acuerdo a los anlisis de

Odemark, se puede expresar como:

LBC = Constante x Mdulo x Espesor3

(3)

Cuando se calcula la deformacin de la subbase puede obtenerse una desviacin en

el mdulo de la subbase, de acuerdo a la expresin anterior, esta puede ser

determinada definiendo un espesor de subbase ficticio:

h2, ficticio = h2, actual x (E2, actual / E2, asumido)1/3

(4)

En la figura 1 esta ecuacin esta presentada un nmero de valores para la relacin

mdulo actual / mdulo asumido.

En los casos donde el ingeniero tenga la suficiente experiencia con un cierto material

de subbase para definir un mdulo diferente al incorporado en el Manual, o que el

ingeniero quiera incorporar un margen de seguridad adicional para el mdulo de la

subbase, este puede ser de 0.75 (para mayor seguridad 0.50), este an podr

utilizar las cartas del Manual, pero debern ser ledas para un espesor de subbase

igual al ficticio derivado de la figura 1 del Adendo. Este procedimiento es relevante

*N. Odemark, Investigaciones acerca de las propiedades elsticas de los suelos y diseo de

pavimentos de acuerdo a la teora elstica; Statens Vaginstitu Estocolmo, Meddelande 77, 1949.


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solamente para diseos gobernados por el criterio de deformacin de la subrasante

(izquierda de las cartas HN y HT).

Los diseos gobernados por el criterio de deformacin de las capas asflticas

pueden ser tambin corregidos por desviaciones en el valor del mdulo de la

subbase. Basados en un gran nmero de clculos mediante el programa BISAR

para varias combinaciones de parmetros de entrada, se concluy que la mejor

forma de incorporar el efecto de una desviacin en el valor del mdulo de la subbase

en el procedimiento de diseo, es leer de las cartas de diseo con un valor ficticio

del mdulo de la subbase de acuerdo con la siguiente relacin:

E3, ficticio / E3, actual = E2, actual / E2, asumido (5)

Con E3, ficticio < 2 x 108 N/m2.

Sin embargo, este procedimiento debe omitirse y deben hacerse correcciones

cuando el espesor de la capa de subbase en menor de 100 mm. Para la mayora de

cartas esto no es una limitacin seria, porque para espesores pequeos de capas de

base, el diseo esta gobernado por el criterio de deformacin de la subrasante, lo

cual significa que se debe aplicar el primer procedimiento. Tambin, porque

espesores tan delgados son utilizados muy pocas veces.

El resultado de los clculos con el BISAR para diseos gobernados por el criterio de

deformacin de las capas asflticas, es consistente con el siguiente razonamiento.

Para capas gruesas de subbase, el diseo no esta directamente afectado (al menos

no significativamente) por el mdulo de la subrasante (E3).

(Esto no debe confundirse con las cartas de diseo en el Manual, que s muestran

una influencia definitiva. Esto resulta de la introduccin de la mencionada unin

entre el mdulo de la subbase y el mdulo de la subrasante.)

De acuerdo a esto, el cambio del mdulo de la subrasante a un valor ficticio no debe

tener un efecto directo significante en el resultado del diseo. Sin embargo, desde

que se introdujo el mdulo de la subbase en el procedimiento de diseo por medio

de la unin del mdulo de la subrasante (segn la expresin 2), el cambio del

mdulo de la subrasante a un valor ficticio, tiene un efecto indirecto en el diseo.


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Figura 1

2.5 MATERIALES BITUMINOSOS

2.5.1 Caracterizacin de Rigidez de la Mezcla

Para propsitos de diseo la rigidez de la mezcla asfltica (mdulo

dinmico Smix) es un parmetro importante de entrada. Dos curvas

2

1

0.75

0.50

E2, actual2, asumidoE

Relacin

5004001000 200 3000

100

200

400

300

2, actualh (mm)

(mm)h2, ficticio

=2, ficticioh 2, actualh x 2, actual(E 2, asumido/ E )13


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caractersticas introducidas (S1 y S2), las cuales no son mezclas

representativas, pero son el promedio de dos rangos en los cuales se

encuentran las mezclas usadas ms comnmente. De las pruebas

actuales para mezclas se puede apreciar, si un material es caracterizado

de mejor manera por la curva S1 o S2. Una comparacin de la rigidez

actual con las caracterizaciones S1 y S2 (Carta M-1) tambin da indicios

del margen de seguridad que se ha incorporado cuando se adopta la

caracterizacin S1 o S2 en el procedimiento de diseo. Con base en esta

comparacin se puede adems determinar cual es el espesor de capa

asfltica necesario, por interpolacin o con una ligera extrapolacin de dos

valores obtenidos a partir de la caracterizacin S1 o S2. Informacin

adicional acerca de esto puede ser encontrada en el numeral 8.2 del

Manual. Cuando no se disponga de mediadas de la rigidez actual, en el

apndice 2 del Manual se presenta un mtodo para estimar msaproximadamente la caracterizacin de rigidez con base en el contenido de

ligante, el contenido de vacos y el contenido de agregado mineral. En el

uso de este nomograma se debe tener en cuenta sin embargo, que este da

un estimativo promedio. La rigidez actual puede variar del valor estimado

en un factor de 1.5 o ms.

2.5.2 Caracterizacin de Fatiga de la Mezcla

Como en el caso de la caracterizacin de rigidez S1 y S2, la

caracterizacin de fatiga F1 y F2 utilizada en el Manual, estas no son

mezclas representativas, pero son el promedio de dos rangos en los cuales

se encuentran las mezclas usadas ms comnmente. De estudios

actuales de fatiga de mezclas se puede apreciar, si un material es

caracterizado de mejor manera por la curva F1 o F2 (Carta M-3 y M-4).

Una comparacin del comportamiento actual de fatiga con la F1 u la F2

tambin da indicios del margen de seguridad que se ha incorporado

cuando se adopta la caracterizacin F1 o F2 en el procedimiento de

diseo. Con base en esta comparacin se puede decidir cual es el

espesor de capa asfltica necesario, por interpolacin o con una ligera

extrapolacin de dos valores obtenidos a partir de la caracterizacin F1 o

F2. Informacin adicional acerca de esto puede ser encontrada en el

numeral 8.2 del Manual. Cuando no se disponga de mediadas de la fatiga

actual, en el apndice 3 del Manual se presentan dos mtodos para

estimar la caracterizacin de fatiga de una mezcla en particular que ser


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utilizada en la construccin de un pavimento. En el uso de uno de estos

nomogramas se debe tener en cuenta sin embargo, que este da un

estimativo promedio. La fatiga actual puede variar del comportamiento

estimado en un factor de 1.4 o ms de la deformacin por fatiga.

3 MRGENES DE SEGURIDAD A SER INCLUIDOS EN CASOS ESPECIALES

3.1 VARIABILIDAD DEL MDULO DE LA SUBRASANTE

En algunos tipos de suelos el mdulo de la subrasante (E3) puede fluctuar con el

tiempo durante el ao a causa de variaciones en el contenido de humedad y la

temperatura. Como las variaciones pueden ser caracterizadas por el uso de muy

bajos estimativos del mdulo de la subrasante prevaleciente durante perodos de

tiempo razonables. De esta manera se introduce un factor de seguridad adicional.

Sin embargo, para grandes variaciones del mdulo de la subrasante este

procedimiento conduce a sobre diseos importantes. Para evitar esto, un

procedimiento ms sofisticado se presenta en el captulo 8.1 del Manual.

3.2 CONDICIONES ESPECIALES DE TRNSITO

En el procedimiento de diseo se ha asumido que las repeticiones de carga por eje

estn distribuidas uniformemente las 24 del da. Ligeras desviaciones de este

supuesto no tienen un efecto significante en el diseo resultante. Sin embargo, en

algunos casos es necesario adaptar el diseo a condiciones especiales de trnsito

como lo son el trnsito diario, el trnsito canalizado, etc. Los procedimientos que

permiten asignar estas condiciones especiales estn presentadas en el captulo 8.

Del Manual.

4 EJEMPLOS

4.1 EJEMPLO 1

Diseo gobernado por el criterio de deformacin de la subrasante.


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Cdigo de la Mezcla S2 F2 100

Mdulo de la Subrasante E3 = 5 x 107

Pa

w-MAAT 12C

Perodo de diseo requerido 106

aplicaciones de ejes estndar (80 kN)

Espesor de la subbase granular 250 mm

De acuerdo al diseo (Carta HN 47) se requieren 130 mm de mezcla asfltica.

Con la incorporacin de un criterio ms confiable para la deformacin de la subrasante (85% de confia

bilidad) y un factor de seguridad para el mdulo de la subrasante (Mdulo reducido por un factor de

0.75), conduce a que se requieren 180 mm. de mezcla asfltica (Mientras el perodo de diseo estegobernado por el criterio de deformacin de la subrasante, se lee de la Carta HN 47 con un espesor fic

ticio de la base granular de 230 mm, y un nmero de ejes estndar de 3 x 106, ver Figura 2).

Con la incorporacin de un criterio ms confiable para la deformacin de la subrasante (95% de confia

bilidad) y una reduccin del mdulo de la subbase por un factor de 0.50, conduce a que se requieren

210 mm de mezcla asfltica. (Leer de la Carta HN 47 con un espesor ficticio de la base granular de200 mm, y un nmero de ejes estndar de 6 x 106, ver Figura 2).

A este espesor debe adicionarse las variaciones de la extendedora de mezcla, es decir 10 mm.

4.2 EJEMPLO 2

Diseo gobernado por el criterio de deformacin de las capas asflticas.

Cdigo de la Mezcla S2 F2 100

Mdulo de la Subrasante E3 = 5 x 107

Pa

w-MAAT 12C

Perodo de diseo requerido 106

aplicaciones de ejes estndar (80 kN)

Espesor de la subbase granular 400 mm

De acuerdo al diseo (Carta HN 48) se requieren 140 mm de mezcla asfltica.


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Mientras el diseo se encuentre gobernado por el criterio de deformacin de las capas asflticas, una

mayor confiabilidad en el criterio de deformacin de la subrasante no es relevante. La incorporacin de un

factor de seguridad para el mdulo de la subrasante (Mdulo reducido por un factor de 0.75), conduce

a que se requieren 170 mm de mezcla asfltica. (Leer la Carta con un mdulo ficticio de la subrasantede 3.75 x 107 Pa, con esto leer las Cartas HN 48 y HN 16 con un espesor de 400 mm de subbase y

un nmero de ejes estndar de 106 e interpolar para una subrasante de 3.75 x 107 Pa, ver Figura 3).

La incorporacin de un mayor nivel de seguridad para el mdulo de la subbase ( Mdulo reducido por un

factor de 0.50), conduce a que se requieren 210 mm de mezcla asfltica. (Leer la Carta con un mdulo ficticio de la subrasante de 2.50 x 107 Pa, con esto leer la Carta HN 16 con un espesor de subbas

e de 400 mm y nmero de ejes estndar de 106).

A este espesor debe adicionarse las variaciones de la extendedora de mezcla, es decir 10 mm.

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