15.00 diseño de recapeos asshto

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CALCULO DE RECAPEOMETODO AASHTO 93

07PAVIMENTOS

Ing. Augusto García

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INTRODUCCIÓN

Los métodos de rehabilitación de pavimentospor colocación de una sobrecapa o recapeosobre la estructura existente son muy variados,en función del tipo y deterioro de la estructura ysuperficie existente y se tienen los siguientescasos. AC sobre pavimento AC

AC sobre pavimento fracturado de PCC

AC sobre JPCP, JRCP o CRCP

AC sobre AC/JPCP, AC/JRCP o AC/CRCP

PCC con pasadores sobre pavimento PCC

PCC sin pasadores sobre pavimento PCC

PCC sobre pavimento de AC

INTRODUCCIÓN

La versión de recapeos de la AASHTO 1986 tenia muchas contradicciones y problemas

Es por eso que la AASHTO la reformulo y modifico para la guía de 1993

Las siguientes abreviaturas fueron establecidas en esta guía: AC = concreto asfaltico (también se le llama HMA)

PCC = concreto de cemento Portland

JPCP = pavimento de concreto simplemente unido

JRCP = pavimento de concreto con uniones reforzadas

CRCP = pavimento de concreto con refuerzo continuo

AC/PCC = concreto de cemento Portland con recapeo de asfalto

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Conceptos de diseño

Un proyecto de recapeo puede incluir

secciones con longitudes de unos cuantos

metros a varios kilómetros

Una pregunta crucial a preguntarse es como

se va a dividir el proyecto, ya que esto

determinara el espesor del recapeo para

cada sección

Dos conceptos a explicar:

Diseño de Recapeo del Proyecto

Deficiencia Estructural

Diseño de Recapeo del proyecto

Dos métodos utilizados, a ser seleccionados en

base a las condiciones especificas del proyecto.

Método de la Sección Uniforme

Método Punto por Punto

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Método de sección uniforme

El proyecto se divide en secciones de

características relativamente uniformes

Cada sección es considerada y diseñada de

manera independiente y luego el promedio de

todas las secciones se obtiene

La división de secciones se puede hacer

Según records históricos de comportamiento (preferido)

Según relevamientos de fallas(no siempre suficientes) y

estructurales no destructivos:

○ Ensayos de deflexión

○ Condición de pavimento

○ Serviceabilidad

Método de punto por punto

En vez de trabajar en secciones, se diseñan

recapeos para ciertos puntos con una frecuencia

determinada (por ejemplo, cada 300 pies o 10o

metros).

Toda la información se consigue en ese punto, y se

realiza el calculo de rediseño.

Se consiguen diseños por punto y se saca un

promedio a un cierto nivel de confiabilidad.

Puntos que requieren recapeos mucho mayores al

promedio deberían ser evaluados en campo,

porque de repente requieren reparaciones

extensivas o reconstrucciones

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El recapeo tiene como objetivo el corregir la

deficiencia estructural e incrementar su

habilidad de soportar cargas por un tiempo

determinado Se observa el

descenso de la

serviceabilidad con el

numero de

aplicaciones N

La serviceabilidad se

puede reemplazar por

la capacidad

estructural


Para pavimentos flexibles, SC es el numero estructural SN

Para pavimentos rígidos, SC es el espesor del pavimento D

Para pavimentos compuestos, SC es un espesor equivalente

El pavimento tiene un SCo

inicial que se deteriora y

llega a un SCeff después

de N repeticiones

Se requiere proveer una

capacidad estructural

adicional SCOL, provisto

por el recapeo


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La suma de este SCOL con el existente SCeff es equivalente a la

capacidad estructural Sf para el nuevo pavimento diseñado con el

modulo existente y para el trafico proyectado a resistir por el recapeo.

La ecuación básica

para rediseño es la

mostrada

La AASHTO 93

recomienda:

n = 2, recapeos

de concreto en

concreto sin

unión

n = 1 para todos

los otros

pavimentos

Determinación del SCeff

La parte mas complicada de diseñar un recapeo

es el determinar la SCEFF

Se usan tres alternativas:

A. Relevamiento de condición visual y ensayo de

materiales

B. Ensayos de deflexión no destructivos

C. Vida remanente del daño por fatiga por el trafico.

Los métodos no proveen resultados equivalentes,

así que se recomienda realizar los tres (mientras

se pueda) y decidir en base a experiencia el valor

apropiado.

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Relevamiento Visual

Incluye la revisión de toda la información relevante

(diseño, construcción e historia de mantenimiento)

Relevamiento detallado identificando las fallas

existentes, ubicación, tamaño y severidad.

También se debe levantar la información acerca del

drenaje y los problemas y ubicaciones donde se

pueden mejorar estas condiciones

A. Relevamiento visual y ensayo de materiales

Ensayo de Materiales

Diamantinas y otros ensayos que verifiquen / identifiquen

la causa de las fallas levantadas

Si se realizan NDT, estos ensayos apoyan las

conclusiones de los NDT

También sirve para determinar el espesor/condición de la

vía

Las diamantinas también sirven para determinar las

condiciones de los materiales existentes y compararlos

con lo que se propone poner

También sirve para ver cuan deteriorados han acabado los

materiales y si estos funcionaron como se esperaba


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Ensayo de Materiales - Ensayos típicos:

Granulometrías para identificar degradación y

contaminación de materiales granulares por finos

(en AC y PCC)

Ensayos de extracción para determinar los

contenidos de ligante y granulometría de la mezcla

asfáltica (en AC)

Determinar problemas de durabilidad del concreto

(en PCC)


Para determinar el SNeff para pavimentos flexibles

se usa la siguiente ecuación:

Los valores de m2 y m3 son idénticos a los usados

en diseño de pavimentos flexibles

Dependiendo de las condiciones del pavimento, los

valores de “a” deberían ser menores que los

asignados a pavimentos nuevos.

Valores recomendados en la tabla siguiente:


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A. RELEVAMIENTO VISUAL Y ENSAYO

DE MATERIALES Para determinar el Deff para pavimentos rígidos se usa la

siguiente ecuación:

Donde:

Fjc = Factor de ajuste por juntas y grietas

Fdur = Factor de ajuste por durabilidad

Ffat = Factor de ajuste por daño de fatiga

El Fjc se puede determinar dependiendo del numero de

juntas transversales deteriorados y las grietas por milla (o

por km) siguiendo la grafica de la siguiente diapositiva


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Se recomienda que todas las juntas dañadas y las grietas

y cualquier otra discontinuidad en la losa existente sean

reparados en toda su profundidad antes del recapeo, así

se haría que Fjc = 1

El factor Fdur se aplica cuando hay problemas de

durabilidad o se observan agregados con problemas de

reacción. Valores recomendados de Fdur a continuación:


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Los factores de

ajuste por daño por

fatiga se determinan

en base a la

extensión de

agrietamiento

transversal (JPCP,

JRCP) y de roturas

(CRCP) que son

causadas

principalmente por

cargas repetidas.

Los ensayos no destructivos (NDT) son

diferentes entre pavimentos flexibles y los rígidos.

Para los flexibles, los NDT son usados para

estimar el modulo resiliente de la base granular y

proveer una estimación directa del valor SNeff

Para los rígidos, los NDT se usan para examinar

la eficiencia en la transferencia de carga en las

juntas y en las grietas, determinar los valores “k”

de la subrasante y E del concreto.

B. Ensayos no destructivos

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Pavimentos Flexibles

Se puede determinar el modulo de la subrasante utilizando

los métodos explicados en la clase anterior sobre NDTs

B. Ensayos no destructivos Pavimentos Flexibles

De manera simplificada, usando la ecuación de Boussinesq se puede decir:

dr = P (1 – υ2) / (π r MR)

Donde:

dr = deflexión de la superficie a una distancia r de la carga

P = carga puntual

υ = modulo de Poisson

r = distancia a la carga

MR = modulo resiliente

Si se asume que υ = 0.5, entoncesMR = (0.24 . P) / (dr . r)


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Pavimentos Flexibles

De manera empírica, AASHTO recomienda corregir la

ecuación anterior con un coeficiente C = 0.33 o menor

para uso posterior en el método. Entonces la ecuación

se reescribe como:

MR = C (0.24 . P) / (dr . r)

Para poder calcular el valor del modulo de la

subrasante, es necesario colocar el 5to sensor (grafica

anterior) lo suficientemente lejos como para que no

afecte el HMA ni la base, pero tampoco no muy lejos

como para que no se perciba deflexión alguna.

B. Ensayos no destructivos La siguiente ecuación se usa para determinar el “r”

necesario

Donde: a = radio del plato de carga

D = espesor total encima de la subrasante

Ep = modulo efectivo de todas las capas

Ep se calcula con la siguiente ecuación (grafica también):

Donde d0 = deflexión medida debajo del plato de carga


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La ecuación anterior se puede resolver mediante

métodos iterativos y/o hojas de calculo

Si a = 5.9 pulgadas (15 cm), AASHTO provee

una figura (mostrada en la siguiente diapositiva)

B. Ensayos no destructivos B. Ensayos no destructivos

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Las graficas siguientes sirven para determinar:

Factor de ajuste por temperatura para base

granulares o tratadas con asfalto (Figura 3.18)

Factor de ajuste para bases tratadas con cemento o

puzolanicos (Figura 3.19)

que se tiene que aplicar al valor de d0 en el

proceso de calculo


Base Granular o Base

Tratada con Asfalto


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Base Tratada con Cemento o

Puzolanico


Una vez que se determina el valor de Ep, se

puede calcular el valor de SNeff, por la siguiente

ecuación


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dr = P (1 – υ2) / (π r MR)

MR = (0.24 . P) / (dr . r)

La ecuación se puede resolver mediante

métodos iterativos y/o hojas de calculo

Si a = 5.9 pulgadas (15 cm), AASHTO

provee una figura (mostrada en la

siguiente diapositiva)

dr = deflexión de la superficie a una distancia r de la carga


Se realiza un NDT en un pavimento flexible con un plato de

5.9 in (15 cm). El espesor del AC es de 4.25 in (10.8 cm) y la

base granular es de 8 in (20.3 cm).

La temperatura del AC en el momento del ensayo es de 80F

La carga total aplicada es de 9000 lb (40 kN)

La deflexión en el centro del plato es igual a 0.0139 in (13.9

mil o 0.35 mm)

La deflexión a 36 in (91 cm) del centro del plato es igual a

0.00355 in (0.09 mm)

Calcular MR y SNeff


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Usando la ecuación:

MR = C (0.24 . P) / (dr . r) y C = 0.33

Entonces:

MR = 0.33 (0.24 . 9000) / (0.00355 . 36)

MR = 5580 psi (38.5 MPa) a usarse en AASHTO

Usando C = 1.00

MR = 16900 psi

d0 = 0.0139 que tiene que ser ajustado


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Usando la ecuación:

MR = 16,900 psi

d0 = 0.0139 que tiene que ser ajustado

Factor de ajuste = 0.92

d0 = 0.0139 x 0.92 = 0.0128 in (0.33 mm)

0.001 in = 1 mil

0.0128 in = 12.8 mils

Para usar la grafica siguiente, se tiene que calcular el valor

(MR d0) / P = (16900 x 12.8) / 9000 = 24.0

D = 4.25 + 8 = 12.25 in


Ep / MR = 8.5

Ep = 8.5 x 16,900

Ep = 143,650 psi

SNeff = 0.045 x 12.25 x 1436500.33 = 2.88 que será usado en el diseño de recapeo


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Y calculando r con la ecuación

con los valores calculados se tiene

r = 0.7 x { (5.92) + [12.25 x (8.5)0.33]2}0.5 = 17.98 in

Que esta bien por debajo de la distancia de 36” en la cual se

coloco el 5to geófono para determinar el modulo de la

subrasante


Pavimentos Rígidos Para poder calcular la eficiencia en la transferencia en las juntas y

grietas, se coloca el plato en un lado de la junta/grieta teniendo el borde

del mismo tangente a la junta/grieta

Las deflexiones, una en el centro y otra a 12 pulgadas en el otro lado de

la junta/grieta, se miden y la eficiencia de transferencia se mide como:

ΔLT = 100B (Δul / Δt)

Donde:

ΔLT = Transferencia de carga en porcentaje

Δul = Deflexión en el lado NO cargado

Δt = Deflexión en el lado cargado

B = Factor de corrección por flexión de losa (valores típico de 1.05

a 1.15 son usados y se calculan ensayando en la mitad de la

losa)


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Pavimentos RígidosΔLT > 70, J = 3.2

50 < ΔLT < 70, J = 3.5

ΔLT < 50, J = 4.0

Para calcular el valor de “k” y el de Ec, se puede usar las figuras mostradas a continuación con la siguiente ecuación

Donde:

d0, d12, d24, d36 = deflexiones medidas a 0, 12, 24 y 36 in del centro del plato de carga

AREA = en pulgadas y es el área de la base de deflexión


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Pavimentos Rígidos - EjemploSe realizo un ensayo con un FWD en un pavimento de concreto de 10”.

El plato de carga es de 5.9 in y la carga fue de 7792 lb. Los sensores

están ubicados a 0, 12, 24 y 36 in.

Las mediciones respectivas fueron 0.0030, 0.0028, 0.0024 y 0.0021 in.

Si el coeficiente de Poisson del concreto se asume como 0.15

Calcular k y Ec

Solucion:

AREA = 6 [1 + 2(0.0028 / 0.0030) + 2 (0.0024 / 0.0030) + (0.0021 /

0.0030) ] = 30.996


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k = 210


EcD3 = 6 x 109

Si D = 10 in

Ec = 6 x 106


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Pavimentos Rígidos

k del NDT es el k dinamico

k estatico = k dinamico / 2


La vida remanente (RL) se calcula (al 50% de confiabilidad) de la

siguiente manera:

RL = 100 ( 1 – Np / N1.5)

Donde:

Np = trafico que ha sobrellevado el pavimento al dia de hoy

N1.5 = trafico que se espera que el pavimento sobrelleve hasta llegar a

fallar (PSI = 1.5)

Con RL conocido, se puede calcular una factor de condición CF de la

figura de la diapositiva siguiente y con eso se puede calcular

SCeff = CF x SCo

C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico

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Ejemplo:

Un pavimento de concreto de 10 in con un PSI inicial de 4.5

ha estado sujeto a 14.5 millones de 18-kip ESAL antes de

ser recapeado.

Si k = 72 pci, Ec = 5 x 106 psi, Sc = 650, J = 3.2, y Cd = 1.0

Determinar la capacidad estructural efectiva SCeff del

pavimento siguiendo el método de la vida remanente


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Ejemplo:

Np = 14,500,000

N1.5 = ??

Se calcula el N1.5 con el método AASHTO para pavimentos

rígidos con los datos provistos


R = 50% (Z = 0) So = N/A D = 10.0 in

ΔPSI = 4.5 – 1.5 = 3.0 Sc = 650 psi Cd = 1.0

J = 3.2 k = 72 pci Ec = 5 x 106 psi

N1.5 = 31.5 millones

k = 72 pci

Ec = 5 x 106 psi

Sc = 650 psi

J = 3.2

Cd = 1.0

ΔPSI = 3.0

D = 10.0 in

R = 50% (Z = 0)

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Ejemplo:

Np = 14,500,000

N1.5 = 31,500,000

RL = 100 (1 – Np / N1.5) = 100 (1 – 14500000/31500000) =

0.54


CF = 0.9


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Ejemplo:

Np = 14,500,000

N1.5 = 31,500,000

RL = 100 (1 – Np / N1.5) = 100 (1 – 14500000/31500000) = 0.54

CF = 0.9

SCeff = CF x SCo

En pavimentos rígidos SC esta definido por el espesor D

Entonces

Deff = CF x Do

9 = 0.9 x 10 …. Deff = 9 pulgadas

C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico Análisis de capacidad estructural futura

El objetivo principal de todo este análisis es determinar la capacidad

estructural total (SCf) que permita sostener un pavimento nuevo para Nf

repeticiones

Esto se puede hacer tranquilamente con un rediseño para un pavimento

nuevo flexible o rígido, con algunas ligeras modificaciones para estos 7

casos

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Método de diseño de recapeo

La guía AASHTO provee de procedimientos paso a paso para cada

uno de estos 7 casos de recapeo, incluyendo pasos para

Análisis costo-beneficio

Reparaciones antes del recapeo

Control de reflexión de grietas

Subdrenaje

Diseño de espesores

Estos pasos se repiten para cada caso, a pesar de ser casi idénticos.

En la tabla anterior se puede observar si es que se calcular el diseño

con valores SN o D, y si se requiere NDT para determinar valores MR

o k, y que métodos se usan para calcular SCeff

CASO I: AC sobre AC

El espesor requerido de recapeo DOL se puede calcular

con la siguiente ecuación:

DOL = SNOL / aOL = (SNf – SNeff) / aOL

Donde:

aOL = coeficiente estructural del material de recapeo

Se sugiere utilizar los tres métodos (si esto se puede)

para calcular el SNeff y el valor mas apropiado usarse

según la experiencia ingenieril.

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Ejemplo:

Estructura Original

AC = 4.25 in Base = 8 in

MR = 5634 psi (calculado vía NDT, arena limosa/arena gravosa)

Calcular el diseño de recapeo para que el pavimento soporte 2,400,000 ESALs adicionales a un nivel de confiabilidad de R = 50% para un So = 0.45, con p1 = 4.2, p2 = 2.5

Se sabe que el pavimento ya sostuvo Np = 400,000 ESALs, su a1 = 0.44, a2 = 0.14

Considerar aOL = 0.44

CASO I: AC sobre AC

Ejemplo:

Calcular SNeff

Método NDT = 2.88 (ejemplo presentado anteriormente)

Método de relevamiento, usando tablas 13.7 presentado antes

a1 = 0.35 a2 = 0.14

m1 = 1.00 m2 = 1.00

SNeff = 0.35 x 4.25 + 0.14 x 8 = 2.61

Método de vida remanente

RL = 100 ( 1 – Np / N1.5)

Se necesita calcular N1.5, y se hace usando el nomograma

para pavimentos de asfalto, resultando N1.5 = 1,140,161

RL = 65, CF = 0.93, y SNeff = 0.93 x 2.99 = 2.78

CASO I: AC sobre AC

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N1.5 = 1.140 millones

Ejemplo:

Calcular SNeff

De los tres métodos se puede escoger cualquiera según la experiencia, o ante la falta de la misma, se puede analizar los resultados con los tres o el promedio

Si se usa el menor, 2.61, con el valor de aOL = 0.44

DOL = SNOL / aOL = (SNf – SNeff) / aOL

Falta calcular SNf

Aplicando el nomograma para R = 95%, So = 0.45, p1 = 4.2, p2 = 2.5 y el trafico adicional de Nf = 2,400,000

SNf = 4.69

Entonces

DOL = (4.69 – 2.61) / 0.44 = 4.73 in de AC sobre AC

CASO I: AC sobre AC

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CASO III: AC sobre PCC

El espesor requerido para un recapeo de concreto

sobre concreto (con unión) se calcula como

DOL = Df - Deff

Donde

DOL = espesor del PCC

Sin embargo, si el recapeo es con asfalto, el espesor

obtenido con concreto debe reconvertirse a un

espesor equivalente AC

DOL =A (Df - Deff)

Donde

A = factor de conversión entre los espesores de

concreto y asfalto


Se uso el programa BISAR para calcular el valor de A en

base a los esfuerzos de tensión en la parte baja de la losa

Se encontró que

A = 2.2233 + 0.0099 (Df – Deff)2 – 0.1534 (Df – Deff)

Donde Deff se calcula por cualquiera de los métodos

previamente presentados

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Ejemplo

Recapeo de AC sobre un JRCP existente

Losa de 10 pulgadas

k = 150 pci, CBR = 5

So = 0.35

p1 = 4.2

p2 = 3.0 al momento de decidir el recapeo

J = 3.2

Cd = 1.00

Ec = 4 x 106 psi

Sc = 650 psi

Se requiere soportar 10,050,000 ESAL adicionales


Ejemplo

Recapeo de AC sobre un JRCP existente

Losa de 10 pulgadas

k = 150 pci, CBR = 5

So = 0.35

p1 = 4.2 p2 = 3.0 al momento de decidir el recapeo

J = 3.2 Cd = 1.00

Ec = 4 x 106 psi Sc = 650 psi

Se requiere soportar 10,050,000 ESAL adicionales

De un relevamiento en campo se encontro:

Ffat = 0.98 Fdur = 0.98 Fjc = 0.95


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Ejemplo

Se requiere calcular

Deff = D x Ffat x Fjc x Fdur = 10 x 0.98 x 0.95 x 0.98 = 9.12 in

Se necesita Df

Df se calcula del nomograma

DISEÑO - NOMOGRAMA

R = 95% So = 0.35 D = 10.0 in

ΔPSI = 4.2 – 3.0 = 1.2 Sc = 650 psi Cd = 1.0

J = 3.2 k = 150 pci Ec = 4 x 106 psi

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DISEÑO -

NOMOGRAMA Df = 11.40

R = 95%

So = 0.35

D = 10.0 in

ΔPSI = 4.2 – 3.0 =

1.2

Sc = 650 psi

Cd = 1.0

J = 3.2

k = 150 pci

Ec = 4 x 106 psi


Se requiere calcular

Deff = D x Ffat x Fjc x Fdur = 10 x 0.98 x 0.95 x 0.98 = 9.12 in

Se necesita Df

Df se calcula del nomograma = 11.40

Se calcula DOL = Df – Deff

DOL = 11.40 – 9.12 = 2.28 in de concreto

Aplicando la ecuación que modifica asfaltos en vez de

concreto

A = 2.2233 + 0.0099 (Df – Deff)2 – 0.1534 (Df – Deff)

A = 1.93

Entonces

DOL = 1.93 x 2.28 = 4.4 in de AC

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