Metodologias de Diseño

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02/05/2015

TIPOLOGÍA DE PAVIMENTOS

(PAVIMENTOS FLEXIBLES)

CLASE No. 2

METODOLOGÍAS DE DISEÑO

ESCUELA DE ESTUDIOS DE POSTGRADO

MAESTRÍA EN INGENIERÍA VIAL


ING. Msc. CARLOS A. MORALES ROSALES

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METODOLOGÍAS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

EMPÍRICAS:

Son teorías basadas en métodos de regresión de resultados en

tramos de prueba, el más conocido y utilizado en Guatemala

es el de AASHTO,

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EMPÍRICAS:

Este método toma como base las ecuaciones originales de

AASHO, en base a investigaciones de 1956 a 1962, las

cuales son producto de las pruebas en Ottawa Illinois.

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EMPÍRICAS:

La construcción de las

pistas de prueba se llevó

a cabo entre 1956 a

1958, bajo un estricto

control de calidad.

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AASHTO:

Las variables para este estudio fueron:

Espesor del pavimento

Magnitud de carga

Efectos climatológicos

Las condiciones climáticas en donde se realizó el Road test de

AASHO son las siguientes:

Lluvia anual: 762 mm.

Diferencia entre precipitación y evaporación: 102 mm.

Índice de Thornthwaite: 30

Profundidad de penetración del hielo: 762 mm.

Ciclos de congelación y deshielo: 12 x año a nivel de sb.

Temperatura media en verano: 24°C.

Temperatura media de invierno: -3°C. 7






EMPÍRICAS:

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EMPÍRICAS:

Las características de la sub rasante en donde se realizó el

Road test de AASHO son las siguientes:

Suelos tipo A-6.

C.B.R. = 2% a 4%.

Módulo de reacción k = 45 pci = 1.2 Kg/cm3.

Profundidad de roca (bed rock) = 3.0 A 9.1 m. de la

superficie, variando entre areniscas y calizas esquistosas.

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EMPÍRICAS: La mayor limitación de la

metodología AASHTO,

es que es representativo

para los tipos de suelos

que se analizaron, las

cargas vehiculares que

se utilizaron y las

condiciones

climatológicas del lugar

donde se llevó a cabo.

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EMPÍRICAS - MECANICISTAS:

Estos métodos consideran leyes de fatiga de los

materiales para los cálculos de vida útil.

Método Shell

Método del Instituto de Asfalto

Este último se basa en la aplicación de la teoría elástica

en multicapas, utilizando resultados de investigaciones

recientes por parte de esa institución.

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MECANICISTAS:

Federal Highway

Research Program

(FHWA)

Deterioro

prematuro

carreteras

EEUU

Departamento de

Transporte de

EEUU Strategic Highway

Research Program

SHRP

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MECANICISTAS:

Su enfoque se basa en la ciencia, apoyado con un marco

teórico suficiente que permita el análisis completo, de la

mecánica del comportamiento de los materiales del

pavimento ante la acción del clima y tránsito.

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MECANICISTAS (SHRP):

Asfaltos

Aumentar el conocimiento de las propiedades físicas, químicas,

reológicas y mecánicas de cementos y concretos asfálticos.

Primera etapa: Análisis del asfalto virgen Transporte

Almacenamiento

Manejo

Segunda etapa: Análisis mezcla asfáltica Producción

Construcción

Prueba de

película delgada

Tercera etapa: Vida útil del pavimento Comportamiento Ensayos de

envejecimiento

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Asfaltos:

PROPIEDAD EQUIPO PROPÓSITO

Deformación Permanente

y Fracturamiento por

fatiga

Horno para prueba de la película delgada; recipiente hermético de envejecimiento. Reómetro de corte dinámico.

Simula el envejecimiento del asfalto. Mide las propiedades a temperaturas intermedias y altas.

Flujo Viscosímetro Rotacional. Mide propiedades a altas temperaturas

Fracturamiento por bajas temperaturas

Reómetro para flexión en vigas. Equipo de tensión directa.

Miden las propiedades del asfalto a bajas temperaturas.

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Concreto Hidráulico

El comportamiento del concreto hidráulico depende de:

Diseño de la estructura

Composición y calidad de los materiales

Sistema de descarga, colocación, consolidación y

curado

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Mantenimiento de pavimentos

Técnicas de mantenimiento preventivo

Técnicas para evaluación de la condición superficial y

estructural del pavimento.

Dispositivos de seguridad para el control del tránsito

durante las actividades de mantenimiento.

Señalización de protección para los trabajadores.

Control y manejo de nieve y hielo.

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Comportamiento del pavimento a largo plazo

Secciones estructurales diferentes.

Materiales de construcción.

Cargas de tránsito variables.

Influencias del medio ambiente.

Sub rasante del pavimento.

Practicas de conservación y mantenimiento.

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Después de 5 años los pavimentos diseñados con SHRP.

Se han comportado de acuerdo a lo esperado.

Los niveles de deformación permanente y de

fracturamiento por fatiga han sido satisfactorios.

Retroalimentación de bases de datos

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PASOS METODOLOGÍA MECANICISTA:

1. Asumir una configuración inicial del pavimento incluyendo:

El número de capas.

El espesor de cada capa.

Materiales a utilizar en cada capa.

2. Caracterización de los materiales: Módulo de Resilencia

(AASHTO T 274), para su determinación requiere de

equipos triaxiales cíclicos.

3. Modelos climáticos: Si la temperatura y los contenidos de

humedad varían considerablemente durante el año, es

necesario considerar los módulos de resilencia para tales

casos para cada una de las capas de la estructura de

pavimento.

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3. Modelos climáticos:

Temperaturas diarias max y min del aire.

Velocidad del viento.

Porcentaje de insolación.

Conductividad térmica de los materiales.

Calos Específico.

Punto de Fusión.

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3. Modelos climáticos:

Grado de saturación de los materiales en

época seca y lluviosa.

Infiltración de agua en el pavimento a través

de grietas y juntas.

Drenaje de la capa de base.

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4. Tránsito:

Dividirse en grupos.

Distintas configuraciones de pesos y

número de repeticiones.

Separación entre ejes

Tipos de ejes

Radio y presión de contacto.

5. Modelos Estructurales:

La futura guía AASHTO (2002 …. 2012) usará modelos

estructurales de elementos finitos basados en sistemas

multicapas.

ELSYM5 (FHWA).

KENLAYER (UNIVERSIDAD KENTUCKY)

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Indicadores del

comportamiento de

pavimentos flexibles:

Deflexión superficial.

Deformación a la tensión

(CA).

Esfuerzos y deformaciones

a compresión (SR). 25







6. Respuesta del pavimento:

Esfuerzos ().

Deformaciones ().

Deflexiones ().

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Agrietamiento por fatiga

Deformaciones Permanentes

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6. Respuesta del pavimento:

en puntos críticos

Esfuerzos ().

Deformaciones ().

Deflexiones ().

≤

6. Respuesta de los

materiales en laboratorio

y campo:

Esfuerzos ().

Deformaciones ().

Deflexiones ().

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7. Análisis de confiabilidad:

Verificar que el diseño propuesto cumpla con las funciones

especificadas, durante el periodo de diseño.

Métodos Determinísticos

Métodos Probabilísticos

8. Modelos de Deterioro:

Agrietamiento por fatiga

Deformaciones permanentes

Si al momento de realizar la evaluación de la estructura

de pavimento estimada, el valor de confiabilidad para un

cierto deterioro es menor al nivel mínimo requerido, se

regresará al primer paso estimando una nueva estructura

de pavimento comenzando de nuevo el proceso. 29







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8. Modelos de Deterioro:

Representan el mayor problema para las teorías

mecanicistas, requieren de un profunda y extensa

calibración

Hoy en día se cuenta con una extensa variedad de

modelos de deformación permanente en sub rasantes y

fracturamiento por fatiga de mezclas asfálticas, situación

distinta para deformaciones permanentes en materiales

granulares y mezclas asfálticas.

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Fracturamiento por fatiga:

El reporte I-26 de la de la NCHRP (National Cooperative

Highway Research Program) de EEUU, recomienda el

modelo de fracturamiento térmico de Shanin – McCullough

para evaluar el potencial de fracturamiento.

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MINER (1945) propuso el concepto de daño acumulado

utilizado para medir predecir el fracturamiento por fatiga.

Relacionar el número permisible de repeticiones de carga,

con el valor de la deformación por tensión en la parte inferior

de la mezcla asfáltica.

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𝑵𝒇 = 𝟎. 𝟎𝟔𝟖𝟓𝒕−𝟓.𝟔𝟕𝟏 𝑬𝟏−𝟐.𝟑𝟔𝟑 Método Shell:

Instituto del Asfalto:

𝑵𝒇 = 𝒇𝟏𝒕−𝒇𝟐 𝑬𝟏−𝒇𝟑

𝑵𝒇 = 𝟎. 𝟎𝟕𝟗𝟔𝒕−𝟑.𝟐𝟗𝟏 𝑬𝟏−𝟎.𝟖𝟓𝟒

f1,f2 y f3 = constantes de ensayos de fatiga

t = deformación de tensión cara inferior MA.

E1 = Módulo de Elasticidad de MA.

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El exponente f2 se determina usualmente por ensayos de

fatiga sobre especímenes de laboratorio, f1 es un factor de

ajuste para hacerlo equivalente con los valores en campo.

Existen un gran número de funciones de transferencia,

debido a la variabilidad de materiales, métodos de prueba,

condiciones de campo y modelos estructurales.

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Deformación permanente

Deformación vertical de compresión en la fibra superior

de la capa sub rasante.

Deformación permanente acumulada total en la

superficie, tomando en cuenta todas las capas de la

estructura de pavimento.

Donde f4 y f5 con constantes que se determinan a partir de

ensayos de laboratorio, de tramos de prueba o del

comportamiento observado en campo. 36








Tanto Shell como el Instituto de asfalto relacionan el número

de repeticiones de carga Nd, con la deformación vertical de

compresión c en la fibra superior de la sub rasante.

𝑵𝒅 = 𝒇𝟒𝒄−𝒇𝟓

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INSTITUCIÓN f4 f5 PROFUNDIDAD DE RODERA MÁXIMA

(mm).

Compañía SHELL 50% confiabilidad 85% confiabilidad 95% confiabilidad

6.15x10-7 1.94x10-7

1.05x10-7

4.00 4.00 4.00

Instituto de asfalto 1.365x10-9 4.477 12.7

TRRL, UK 85% confiabilidad

6.18x10-8

3.97

10.16

BRRC, Belgica 3.05x10-9 4.35

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9. Diseño final:

Se obtiene cuando la estructura de pavimento estimada

(tipo de materiales y espesor), satisfacen los requisitos de

confiabilidad para cada tipo de deterioro.

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Tarea 1

1. Investigar parámetros de diseño metodología AASHTO.

2. Que ensayos se suelen realizar para determinar las constantes

f1,f2 y f3 en el fracturamiento por fatiga en las metodologías

mecanicistas.

Formato digital (no copy – paste) máximo 10 hojas, buena

presentación.

Fecha límite de entrega: 08 de mayo por correo electrónico.

Bibliografía

1. American Association of state Highway and transportation Officials

AASHTO. (1993): Guide for design of pavement structures .

2. Crespo Villalaz, C. (2005): Vías de Comunicación (3ª. Edición), 717

págs., Limusa (ISBN 968-18-4849-7).

3. Department of the army corps of engineers, Office of the chief og

engineers (1984): Engineering and design flexible pavement for

roads, streets, walks and open storage areas.

4. Garnica A, P. et al. (2002): Mecánica de materiales para pavimentos

Publicación Técnica 197, Secretaria de Comunicación y Transporte,

Instituto Mexicano del Transporte SCT, 211 págs., (ISSN 0188-

7297). 40





Bibliografía

5. Garnica A, P. et al. (2004): Conceptos Mecanicistas de Pavimentos


Instituto Mexicano del Transporte SCT, 49 págs., (ISSN 0188-7297).

6. Kraemer C. et al. (2004): Ingeniería de Carreteras vol II, 537 págs.,

Mc Graw Hill (ISBN 84-481-3998-4).

7. Orozco J. M. et al. (2004): Sistema de Evaluación de Pavimentos


Instituto Mexicano del Transporte SCT, 63 págs., (ISSN 0188-7297).

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Bibliografía

8. Posso H. et al. (2008): Guía metodológica para el diseño de obras de

rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras (2ª. Edición),

485 págs., Ministerio de Transporte, Instituto Nacional de vías de

Colombia.

9. Yang H. Huang. (2004): Pavement Analysis and Design (2ª. Edición),

Prentice Hall, 767 págs., (ISBN 0-13-142473-4).

10. Tecnológico de Monterrey, Asoasfaltos, Diplomado en Pavimentos

Asfálticos, Módulo 8 y 9 impartido por el Dr. Carlos H. Fonseca

Rodríguez en la Universidad Rafael Landívar, Guatemala.





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