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DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 2
GUIA PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL MÉTODO INVIAS
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 3
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL
MÉTODO INVIAS
Unidad de Diseño 1 (K0+000 – K2+250)
Temperatura Media Anual Ponderada: 13.2 °C.
Precipitación Media Anual: 663.6 mm. /año
Módulo Resiliente: 760 Kg/cm2
Tránsito de Diseño: 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 ton cd/pd
Con los datos anteriores ubicamos la carta de diseño correspondiente según los
rangos:
T = T4
R = R1
S = S3
Para determinar la estructura de pavimento utilizamos la Carta de Diseño No. 1 –
Región 1 (R1) – Fría seca y fría semihumeda y tenemos como resultado tres
alternativas de estructura de pavimentos:
Para efectos de construcción seleccionamos la primera alternativa que tiene la
distribución más común de las capas de estructura de pavimento.
ALTERNATIVAS
1
MDC-2
BG-2
25
10
20
MDC-2
BG-2
BEC 20
20
10
SBG-1
MDC-2
SBG-1 30
15
7.5
BEE-1
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 4
Unidad de Diseño 2 (K2+250 – K5+000)
Temperatura Media Anual Ponderada: 13.2 °C.
Precipitación Media Anual: 663.6 Mm. /año
Módulo Resiliente: 310 Kg/cm2
Tránsito de Diseño: 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 ton pd/cd
Con los datos anteriores ubicamos la carta de diseño correspondiente según los
rangos:
T = T4
R = R1
S = S1
Para determinar la estructura de pavimento utilizamos la Carta de Diseño No. 1 –
Región 1 (R1) – Fría seca y fría semihumeda y tenemos como resultado dos
alternativas de estructura de pavimentos:
De igual forma que para la Unidad de Diseño 1, seleccionamos la primera alternativa
que tiene la distribución más común de las capas de estructura de pavimento.
20
15
35SBG-1
BG-2
MDC-2
10
BEE-1
7.5
15
40SBG-1
BEE-2
MDC-2
21
ALTERNATIVAS
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 5
GUIA PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS
FLEXIBLES POR EL MÉTODO AASHTO
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 6
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL
MÉTODO AASHTO
Unidad de Diseño 1 (K0+000 – K2+250)
Determinación del Número Estructural Futuro (SNf)
Representa la capacidad portante de una estructura y para determinar el número
estructural debemos tener una información inicial que se muestra a continuación:
Tránsito de Diseño (Ndis): 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 ton cd/pd. La
estimación del tránsito de diseño se muestra detalladamente en el capítulo 3.
Nivel de Confianza (R): Este parámetro es necesario para determinar la Desviación
Normal Estándar a partir de la siguiente tabla:
CONFIABILIDAD DESVIACIÓN NORMAL ESTÁNDAR, ZR
90 -1.282 91 -1.340 92 -1.405 93 -1.476 94 -1.555 95 -1.645 96 -1.751 97 -1.881 98 -2.054
La Desviación Normal Estándar que utilizaremos para este diseño es:
Zr = -1.282
Error Normal Combinado (So): Es un error que tiene en cuenta los errores que se
pueden cometer en la proyección del tránsito, en la variación de los materiales y de la
resistencia de la subrasante. Para nuestro diseño utilizaremos un error normal
combinado de So = 0.44
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 7
Pérdida de Serviciabilidad ( IPS): Este es un índice de prestación del servicio y se
define como la diferencia del índice de serviciabilidad inicial (Po) y el índice de
serviciabilidad final (Pt), que para nuestro diseño son 4.2 y 2.0 respectivamente, estos
índices dependen de la importancia de la vía.
IPS = Po – Pt
IPS = 4.2 – 2
IPS = 2.2
Módulo Resiliente (Mr): La forma detallada del cálculo del Módulo Resiliente se
observa en el capítulo 1 y dio como resultado:
Mr = 760 kg/cm² Mr = 76 Mpa
Mr = 10798 lb/pul² Mr = 7.45 x 107 N/m²
Para determinar el Número Estructural se realizan los siguientes cálculos,
reemplazando los anteriores datos en la ecuación básica:
07.8)(32.2
)1(
109440.0
5.12.420.0)1(36.9)(
19.5
2.8 MrLog
SNf
IPSLog
SNfLogSoZrNLog ton
Donde:
N8.2ton = Número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseño durante
el periodo de diseño
Zr = Desviación normal estándar
So = Error normal combinado de la previsión del tránsito y del comportamiento.
IPS = Nivel de Serviciabilidad
Mr = Módulo resiliente de la subrasante, en psi.
SNf = Número estructural futuro, pulgadas.
Los valores que vamos a reemplazar el la ecuación básica son:
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GUIA - Página 8
N8.2ton = 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 toneladas
Zr = -1.282
So = 0.44
IPS = 2.2
Mr = 10798 lb/pulg2
07.8)7800(32.2
)1(
109440.0
5.12.4
2.2
20.0)1(36.944.0282.1)1006.2(
19.5
7 Log
SN
LogSNLogxLog
Aplicamos el programa de la AASHTO para determinar el valor de SN necesario o la
hoja de cálculo:
De esta ecuación obtenemos el SNf = 3.78
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 9
Determinación del Número Estructural del Modelo (SNm)
Para determinar el Número Estructural del Modelo se utiliza la siguiente ecuación:
SNm = a1 x h1 + a2 x h2 x m2 + a3 x h3 x m3
Donde:
ai = Coeficiente estructural de la capa i.
di = Espesor de la capa i.
mi = Coeficiente de drenaje de las capas granulares.
Coeficiente estructural de la capa asfáltica (a1):
Teniendo en cuenta la Metodología Shell se determinó el Módulo de la Mezcla
(Smix) = 2.43x109 N/m2 (351955 psi) y con ayuda del monograma de la AASHTO
determinamos el coeficiente estructural, a1.
El valor del coeficiente estructural a1 = 0.4
Relación de Poisson (µ1) = 0.35
Coeficiente estructural de la Base Granular (a2):
Para seleccionar el módulo dinámico de la base granular tenemos en cuenta
parámetros como el tipo de base granular (BG – 1) y el CBR. Se recomienda un
módulo dinámico para este tipo de base igual a E2 = 35000 psi.
Existen dos maneras de hallar el coeficiente estructural:
Ecuación:
a2 = 0.249 x Log (E2) – 0.977
a2 = 0.249 x Log (35000) – 0.977
a2 = 0.15
Con ayuda del monograma de la AASHTO
a2 = 0.14
Para efectos del diseño de nuestra estructura de pavimento seleccionamos un valor de
coeficiente estructural (a2) = 0.14
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 10
Relación de Poisson (µ2)= 0.40
Coeficiente estructural de la subbase Granular (a3):
Para seleccionar el módulo dinámico de la subbase granular tenemos en cuenta
parámetros como el tipo de subbase granular (SBG – 1) y el CBR. Se recomienda un
módulo dinámico para este tipo de base igual a E3 = 18000 psi.
Existen dos maneras de hallar el coeficiente estructural:
Ecuación:
a3 = 0.227 x Log (E3) – 0.839
a3 = 0.227 x Log (18000) – 0.839
a3 = 0.13
Con ayuda del monograma de la AASHTO
a3 = 0.13
Para efectos del diseño de nuestra estructura de pavimento seleccionamos un valor de
coeficiente estructural (a3) = 0.13
Relación de Poisson (µ3)= 0.40
Para la subrasante tomamos los valores de modulo dinámico y relación de Poisson
mostrados a continuación:
E4= 10798 lb/pul²
Relación de Poisson µ4 = 0.50
Coeficientes de Drenaje de las Capas Granulares:
Para determinar el coeficiente de drenaje es importante conocer el tiempo que dura el
pavimento en condiciones próximas a la saturación y la calidad de drenaje del
material.
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 11
VALORES DE mi RECOMENDADOS PARA CORREGIR LOS
COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE LAS BASES Y SUBASES
GRANULARES
CARACTERÍSTICAS
DEL DRENAJE
PORCENTAJE DE TIEMPO QUE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ESTÁ
EXPUESTA A GRADOS DE HUMEDAD PRÓXIMA A LA SATURACIÓN
Menos del
1% 1 – 5% 5 – 25%
Más de
25%
Excelente 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 1.00 – 0.80 0.80
Pobre 1.15 – 1.05 1.05 – 0.80 0.80 – 0.60 0.60
Muy malo 1.05 – 0.95 0.95 – 0.75 0.75 – 0.40 0.40
Para el diseño de este pavimento tomaremos un m2 = 1.00 y un m3 = 0.80.
Determinación de espesores de las capas de la estructura del pavimento:
Para determinar los espesores podemos guiarnos por la siguiente tabla:
N8.2 TON X 106
CONCRETO
ASFÁLTICO (CM)
BASE GRANULAR
(PULG)
< 0.05 2.5 ó TSD 4
0.05 – 0.15 5 4
0.15 – 0.50 6 4
0.50 – 2.00 7.5 6
2.00 – 7.00 9 6
> 7.00 10 8
Para el diseño de este pavimento se tomará un espesor de Carpeta Asfáltica = 4 pul.
y de Base Granular = 8 pul.
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 12
Determinación del Número Estructural del Modelo (SNm):
Snf = 3.78
SNm = a1 x h1 + a2 x h2 x m2 + a3 x h3 x m3
3.78 = (0.40 x 4 + 0.14 x 8 x 1.00 + 0.13 x h3 x 0.80)
h3 = 10.2 pul.
h3 = 11 pul
Chequeo del número estructural del modelo
SNm = a1 x h1 + a2 x h2 x m2 + a3 x h3 x m3
SNm = 0.44 x 4 + 0.14 x 8 x 1 + 0.13 x 11 x 0.8
SNm = 3.86
Se debe cumplir la condición que el número estructural futuro debe ser menor al
número estructural del modelo:
SNf < SNm
3.78 < 3.86
ESPESOR (H,Pul)
COEFICIENTE ESTRUCTURAL Ai
COEFICIENTE DE DRENAJE Mi
CAPA ASFALTICA 4 0.4 1BASE GRANULAR 8 0.14 1SUBBASE GRANULAR ? 0.13 0.8
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 13
Modelo Estructural
Cálculo de los valores admisibles
Como ya se han calculado estos valores con anterioridad en este capítulo, a
continuación se muestra la comparación
Comparación de los valores de Servicio y los Admisibles
Parámetros de servicio del modelo estructural.
Los valores de servicio del modelo estructural se calcularon en Bisar 3.0 y el resumen
de resultados son:
VALOR DE SERVICIO VALOR ADMISIBLE RESERVA DE CRITERIO %2.75E-04 2.99E-04 91.983.22E-04 4.31E-04 74.86
DOR -KER 2.83E-01 0.6862 41.31CRR BELG 2.83E-01 0.3113 91.06
0.4933 0.594 83.01
CRITERIO DE ANALISIS
DEFLEXION
ESFUERZO VERTICAL ADMISIBLE SOBRE LA
SUBRASANTE (Kg/cm2)
DEFORMACION RADIAL EN LA BASE DE LA CAPA ASFALTICADEFORMACION VERTICAL ADMISIBLE SOBRE LA SUBRASANTE
sa
P P
Concreto asfáltico
Base granular 2
Subbase granular - 1
Subrasante
z3
r1
4z
11 pul
8 pul
4 pul2430 Mpa
240 Mpa
123 Mpa
76 Mpa
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DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 15
UNIDAD DE DISEÑO 2 (K2+250 – K5+000)
Determinación del Número Estructural Futuro (SNf)
Representa la capacidad portante de una estructura y para determinar el número
estructural debemos tener una información inicial que se muestra a continuación:
Tránsito de Diseño (Ndis): 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 ton cd/pd. La
estimación del tránsito de diseño se muestra detalladamente en el capítulo 3.
Nivel de Confianza (R): Este parámetro es necesario para determinar la Desviación
Normal Estándar a partir de la siguiente tabla:
CONFIABILIDAD DESVIACIÓN NORMAL ESTÁNDAR, ZR
90 -1.282 91 -1.340 92 -1.405 93 -1.476 94 -1.555 95 -1.645 96 -1.751 97 -1.881 98 -2.054
La Desviación Normal Estándar que utilizaremos para este diseño es:
Zr = -1.282
Error Normal Combinado (So): Es un error que tiene en cuenta los errores que se
pueden cometer en la proyección del tránsito, en la variación de los materiales y de la
resistencia de la subrasante. Para nuestro diseño utilizaremos un error normal
combinado de So = 0.44
Pérdida de Serviciabilidad ( IPS): Este es un índice de prestación del servicio y se
define como la diferencia del índice de serviciabilidad inicial (Po) y el índice de
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 16
serviciabilidad final (Pt), que para nuestro diseño son 4.2 y 2.0 respectivamente, estos
índices dependen de la importancia de la vía.
IPS = Po – Pt
IPS = 4.2 – 2
IPS = 2.2
Módulo Resiliente (Mr): La forma detallada del cálculo del Módulo Resiliente se
observa en el capítulo 1 y dio como resultado:
Mr = 310 kg/cm² Mr = 31 Mpa
Mr = 4404 lb/pul² Mr = 3.04 x 107 N/m²
Para determinar el Número Estructural se realizan los siguientes cálculos,
reemplazando los anteriores datos en la ecuación básica:
07.8)(32.2
)1(
109440.0
5.12.420.0)1(36.9)(
19.5
2.8 MrLog
SNf
IPSLog
SNfLogSoZrNLog ton
Donde:
N8.2ton = Número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseño durante
el periodo de diseño
Zr = Desviación normal estándar
So = Error normal combinado de la previsión del tránsito y del comportamiento.
IPS = Nivel de Serviciabilidad
Mr = Módulo resiliente de la subrasante, en psi.
SNf = Número estructural futuro, pulgadas.
Los valores que vamos a reemplazar el la ecuación básica son:
N8.2ton = 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 toneladas
Zr = -1.282
So = 0.44
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GUIA - Página 17
IPS = 2.2
Mr = 4404 lb. /pulg2
07.8)4500(32.2
)1(
109440.0
5.12.4
2.2
20.0)1(36.944.0282.1)1006.2(
19.5
7 Log
SN
LogSNLogxLog
Aplicamos el programa de la AASHTO para determinar el valor de SN necesario o la
hoja de cálculo:
De esta ecuación obtenemos el SNf = 5.05
Determinación del Número Estructural del Modelo (SNm)
Para determinar el Número Estructural del Modelo se utiliza la siguiente ecuación:
SNm = a1 x h1 + a2 x h2 x m2 + a3 x h3 x m3
Donde:
ai = Coeficiente estructural de la capa i.
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 18
di = Espesor de la capa i.
mi = Coeficiente de drenaje de las capas granulares.
Para la subrasante tomamos los valores de modulo dinámico y relación de Poisson
mostrados a continuación:
E4= 4404 lb. /pul²
Relación de Poisson µ4 = 0.50
Coeficientes de Drenaje de las Capas Granulares:
Para determinar el coeficiente de drenaje es importante conocer el tiempo que dura el
pavimento en condiciones próximas a la saturación y la calidad de drenaje del
material.
VALORES DE mi RECOMENDADOS PARA CORREGIR LOS
COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE LAS BASES Y SUBASES
GRANULARES
CARACTERÍSTICAS
DEL DRENAJE
PORCENTAJE DE TIEMPO QUE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ESTÁ
EXPUESTA A GRADOS DE HUMEDAD PRÓXIMA A LA SATURACIÓN
Menos del
1% 1 – 5% 5 – 25%
Más de
25%
Excelente 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 1.00 – 0.80 0.80
Pobre 1.15 – 1.05 1.05 – 0.80 0.80 – 0.60 0.60
Muy malo 1.05 – 0.95 0.95 – 0.75 0.75 – 0.40 0.40
Para el diseño de este pavimento tomaremos un m2 = 1.00 y un m3 = 0.80.
Determinación de espesores de las capas de la estructura del pavimento:
Para determinar los espesores podemos guiarnos por la siguiente tabla:
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 19
N8.2 TON X 106
CONCRETO
ASFÁLTICO (CM.)
BASE GRANULAR
(PULG.)
< 0.05 2.5 ó TSD 10
0.05 – 0.15 5 10
0.15 – 0.50 6 10
0.50 – 2.00 7.5 15
2.00 – 7.00 9 15
> 7.00 10 15
Para el diseño de este pavimento se tomará un espesor de Carpeta Asfáltica = 6 pul.
y de Base Granular = 12 pul.
Determinación del Número Estructural del Modelo (SNm):
SNm = a1 x h1 + a2 x h2 x m2 + a3 x h3 x m3
5.93 = (0.4 x 6 + 0.14 x 12 x 1.00 + 0.13 x h3 x 0.80)
h3 = 9.33 pul
h3 = 15 pul
Chequeo del número estructural del modelo
SNm = a1 x h1 + a2 x h2 x m2 + a3 x h3 x m3
SNm = 0.44 x 6 + 0.14 x 12 x 1 + 0.13 x 15 x 0.8
SNm = 5.64
ESPESOR (H,Pul)
COEFICIENTE ESTRUCTURAL Ai
COEFICIENTE DE DRENAJE Mi
CAPA ASFALTICA 6 0.4 1BASE GRANULAR 12 0.14 1SUBBASE GRANULAR ? 0.13 0.8
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 20
Se debe cumplir la condición que el número estructural futuro debe ser menor al
número estructural del modelo:
SNf < SNm
5.05 < 5.64
Modelo Estructural
Cálculo de los valores admisibles
Como ya se han calculado estos valores con anterioridad en este capítulo, a
continuación se muestra la tabla resumen:
sa
P P
Concreto asfáltico
Base granular 2
Subbase granular - 1
Subrasante
z3
r1
4z
15 pul
12 pul
6 pul2430 Mpa
240 Mpa
123 Mpa
31 Mpa
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GUIA - Página 21
Comparación de los valores de Servicio y los Admisibles
Parámetros de servicio del modelo estructural.
Los valores de servicio del modelo estructural se calcularon en Bisar 3.0 y el resumen
de resultados son:
VALOR DE SERVICIO VALOR ADMISIBLE RESERVA DE CRITERIO %1.91E-04 2.99E-04 64.012.51E-04 4.31E-04 58.21
DOR -KER 8.67E-02 0.2799 30.98CRR BELG 8.67E-02 0.1061 81.70
0.5669 0.594 95.39
CRITERIO DE ANALISIS
DEFLEXION
ESFUERZO VERTICAL ADMISIBLE SOBRE LA
SUBRASANTE (Kg/cm2)
DEFORMACION RADIAL EN LA BASE DE LA CAPA ASFALTICADEFORMACION VERTICAL ADMISIBLE SOBRE LA SUBRASANTE
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GUIA - Página 22
DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
GUIA - Página 23
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