MÓDULO 12: DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS CALLES Y CARRETERAS - FERNANDO SÁNCHEZ SABOGAL

DISEÑO DE PAVIMENTOS

ASFÁLTICOS PARA CALLES Y

CARRETERAS

CONTENIDO

Introducción

Métodos empíricos de diseño

Método AASHTO - 93

Modelos INVÍAS - 98

Métodos empírico-mecanísticos de diseño

Método SHELL – 98 (SPDM 3.0)

Diseño de pavimentos sobre suelos blandos

DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS

PARA CALLES Y CARRETERAS

INTRODUCCIÓN

La mayoría de los métodos de diseño de

pavimentos tienen un alto grado de empirismo,

propio de las agencias que los han desarrollado

Es corriente obtener diferentes espesores al

aplicar distintos métodos de diseño, empleando

los mismos datos de entrada

INTRODUCCIÓN

Generalidades

Gran parte de estas diferencias se debe a la falta de

una descripción precisa y cuantitativa de lo que

constituye la falla de un pavimento de calle o

carretera, así como a los niveles de confiabilidad que

consideran los diferentes métodos

Los procesos de diseño de pavimentos se pueden

dividir en dos grupos:

— Empíricos

—Empírico - mecanísticos

Generalidades (cont.)

INTRODUCCIÓN

Se basan en los resultados de experimentos o en la

experiencia

Requieren un elevado número de observaciones para

establecer relaciones aceptables entre las variables y los

resultados de las pruebas

No es necesario establecer una base científica firme

de las relaciones, en la medida en que se reconocen sus

limitaciones

INTRODUCCIÓN

PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO

En muchos casos resulta más conveniente confiar en

la experiencia que tratar de cuantificar la causa exacta

y el efecto de ciertos fenómenos

Ejemplos de métodos de diseño de concepción

empírica son el de California (Hveem y Carmany), el

AASHTO-93 y el INVIAS-98

INTRODUCCIÓN

PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO

Incorporan elementos de ambos planteamientos

La componente mecánica determina las reacciones

del pavimento, tales como esfuerzos, deformaciones y

deflexiones, mediante el uso de modelos matemáticos

La porción empírica relaciona estas reacciones con

el comportamiento de la estructura del pavimento (por

ejemplo, relaciona una deflexión calculada

matemáticamente, con la vida real del pavimento)

INTRODUCCIÓN

PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO

Aunque existen técnicas mecanísticas complejas de

cálculo, los modelos elásticos lineales sujetos a carga

estática son los más empleados en la solución de

problemas rutinarios de ingeniería de pavimentos

Ejemplos de métodos de diseño de pavimentos que

usan estos procesos son el del Instituto del Asfalto, el

de Shell y el AASHTO 2002

INTRODUCCIÓN

PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO


MÉTODOS EMPÍRICOS

DE DISEÑO

MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO

MÉTODO AASHTO - 93

Se basa en los resultados AASHO Road Test

En la revisión realizada en 1986 se introdujeron

factores de confiabilidad, drenaje y aspectos climáticos

Su criterio de falla es el índice de servicio final (pt)

MÉTODO AASHTO - 93

FUNDAMENTOS DEL MÉTODO

El tránsito que lleva a la falla del pavimento es

función del número estructural, de la resistencia de la

subrasante, de la pérdida deseada de índice de

servicio y de la confiabilidad elegida

Incluye la posibilidad de que se reduzca el periodo

de diseño por la presencia de suelos de subrasante

expansivos

FUNDAMENTOS DEL MÉTODO

MÉTODO AASHTO - 93

Serviciabilidad

Capacidad de un pavimento de servir al tránsito que hace

uso de él en un instante determinado, desde el punto de

vista del usuario

Comportamiento del pavimento (performance)

Tendencia de la serviciabilidad con el incremento en el

número de aplicaciones de carga por eje

Periodo de comportamiento (periodo de diseño)

Lapso que transcurre desde que un pavimento es construido

o rehabilitado, hasta que alcanza su serviciabilidad terminal

DEFINICIONES

MÉTODO AASHTO - 93

Concepto de serviciabilidad – comportamiento

La serviciabilidad de un pavimento se expresa entérminos de su Índice de Servicio Presente (ISP)

CONSIDERACIONES DE DISEÑO

MÉTODO AASHTO - 93


Concepto de serviciabilidad – comportamiento

Fórmula del Índice de Servicio Presente (ISP) parapavimentos asfálticos

sv = Varianza de la pendiente del perfil longitudinal

(c + p) = Área con grietas clases 2 y 3 más área parchada

por cada 1000 pies2

RD = Ahuellamiento medido con una regla de 1.20 metros

MÉTODO AASHTO - 93

Ecuación de comportamiento

07.8))(log32.2(

)1(

10944.0

5.12.4log

20.0))1)(log(36.9())((

19.5

18

RR

M

SN

ISP

SNSozLogW


MÉTODO AASHTO - 93

W18 = número de aplicaciones de ejes simples equivalentes de 18 kip

(80 kN) hasta el tiempo t en el cual se alcanza ISP = pt

SN = número estructural

ISP = pi - pt = diferencia entre los índices de servicio inicial y terminal

MR = módulo resiliente de la subrasante ( libras/pg2)

So = desviación estándar total de la distribución normal de los errores

asociados con las predicciones de tránsito y de comportamiento

del pavimento (0.44-0.49)

zR = parámetro estadístico asociado con distribuciones normales de

datos, que considera la probabilidad de que el índice de servicio

del pavimento sea superior a pt durante el periodo de diseño


Significado de los términos de la ecuación

MÉTODO AASHTO - 93

REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ECUACIÓN

MÉTODO AASHTO - 93

NIVELES DE CONFIABILIDAD RECOMENDADOS POR AASHTO

Urbana Rural

Autopistas 85 - 99.9 80 - 99.9

Arterias principales 80 - 99 75 - 95

Colectoras 80 - 95 75 - 95

Locales 50 - 80 50 - 80

Clasificación funcional de

la vía

Nivel recomendado de confiabilidad (%)


MÉTODO AASHTO - 93

RELACIONES ENTRE CONFIABILIDAD Y ZR EN UNA DISTRIBUCIÓN NORMAL

Confiabilidad (%) 50 75 80 85 95 99 99.9

zR 0 0.674 0.842 1.037 1.645 2.327 3.08


MÉTODO AASHTO - 93

Módulo resiliente efectivo (MR)

Es el módulo resiliente promedio que se traduce en un

daño del pavimento (Uf) igual al que se alcanzaría si se

usaran valores modulares estacionales:

—Se divide el año en periodos con diferente MR con

base en la humedad del suelo o en la variación de las

deflexiones medidas en pavimentos construidos sobre

el mismo suelo


MÉTODO AASHTO - 93

—Se determina el daño relativo por periodo

Uf = 1.8 x 106 * MR-2.32

—Se calcula el daño relativo promedio

—Se halla el módulo resiliente efectivo a partir del

daño relativo promedio, usando la misma

ecuación

Módulo resiliente efectivo (MR)


MÉTODO AASHTO - 93


VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO

MÉTODO AASHTO - 93

AJUSTE DEL MR DE LA SUBRASANTE POR LAS VARIACIONES

ESTACIONALES

MÉTODO AASHTO - 93

La resistencia del pavimento se representa por SN, el cual es

función del espesor de las capas, de los coeficientes

estructurales de ellas y del coeficiente de drenaje

El número estructural total del pavimento está dado por :

SN = Sai*Di*mi


Número estructural (SN)

MÉTODO AASHTO - 93

SN = a1*D1+ a2*D2*m2+ a3*D3*m3

D1,2,3 = espesores de capas asfálticas, base y subbase

respectivamente (pulgadas)

ai = coeficiente estructural de capa i, dependiente de su módulo

mi = coeficientes de drenaje para capas no estabilizadas,

dependiente del tiempo requerido para drenar y del tiempo en

que la humedad se encuentre en niveles cercanos a la saturación


Número estructural (SN)

MÉTODO AASHTO - 93

Coeficientes estructurales de capa (ai)

Los coeficientes estructurales dependen de:

—Resistencia del material (CBR, módulo, etc)

—Calidad de la construcción

—Estado de esfuerzos

Miden la capacidad relativa de una unidad de

espesor de una determinada capa para funcionar como

componente estructural del pavimento


MÉTODO AASHTO - 93

Valores promedio de coeficientes estructurales

—Mezcla asfáltica densa en caliente: 0.44/pulgada

—Base de grava y piedra partida: 0.14/pulgada

—Subbase granular: 0.11/pulgada


Coeficientes estructurales de capa (ai)

MÉTODO AASHTO - 93

Coeficiente estructural

Figura GG.7, volumen II, manual AASHTO ( 0.20-0.50)

granular a2 = 0.249 (log EB) - 0.977

estabilizada con cemento Figura GG.9, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.28)

estabilizada con asfalto Figura GG.10, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.35)

a3 = 0.227 (log ESB) - 0.839Subbase granular

Base

CAPA

Asfáltica


COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA (ai)

MÉTODO AASHTO - 93

NOMOGRAMA AASHTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL

COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE UNA BASE GRANULAR

MÉTODO AASHTO - 93

Coeficientes de drenaje (mi)


Se establecen a partir de la calidad del drenaje y del

tiempo que se considera que el pavimento puede

encontrarse con una cantidad de agua cercana a la

saturación

MÉTODO AASHTO - 93

COEFICIENTES DE DRENAJE mi RECOMENDADOS PARA

BASES Y SUBBASES GRANULARES

Ejemplo:

Pavimento diseñado con drenaje normal (la humedad drena en una

semana) y durante dos meses del año (2/12=0.17=17%) está sometido a

condiciones cercanas a la saturación.

mi = 1.00 - 0.80


MÉTODO AASHTO - 93

Determinación de los espesores de las capas

individuales (Di)

Se requiere determinar el número estructural (SN)

requerido para proteger cada capa inferior

Para ello, se debe aplicar el algoritmo AASHTO

usando el módulo resiliente de cada capa por proteger


MÉTODO AASHTO - 93

33

*

2

*

13

*

3

2

*

2

*

1

22

*

12

*

2

1

*

11

*

1

1

1*

1

/)(

/)(

maSNSNSND

SNSNSN

maSNSND

SNDaSN

a

SND

* Indica el valor realmente usado, el cual debe

ser igual o mayor que el valor requerido según

el algoritmo


Determinación de los espesores de las capas

individuales (Di)

MÉTODO AASHTO - 93

Determinación gráfica del SN


MÉTODO AASHTO - 93

Determinación del SN con un programa de cómputo


MÉTODO AASHTO - 93

ESPESORES MÍNIMOS ADMISIBLES PARA LAS

CAPAS ASFÁLTICAS Y LA BASE GRANULAR

N

(106) Capas asfálticas Base granular

< 0.05 TSD 4.0

0.05-0.15 2.0 4.0

0.15-0.50 2.5 4.0

0.50-2.00 3.0 6.0

2.00-7.00 3.5 6.0

>7.00 4.0 6.0

Espesores mínimos (pulgadas)

MÉTODO AASHTO - 93


EJEMPLO DE DISEÑO

MÉTODO AASHTO - 93

Vía rural local

Confiabilidad deseada = 75 % (zR = 0.674)

Tránsito esperado = 1,300,000 ejes equivalentes

Pérdida total de serviciabilidad = 4.2 – 2.0 =2.2

Desviación estándar total = 0.49

Características de drenaje = Aceptables

Condición cercana a la saturación durante 4 meses/año

mi = 0.80

MÉTODO AASHTO - 93

Características de los materiales de construcción

EJEMPLO DE DISEÑO

SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO

MÉTODO AASHTO - 93

Determinación de SN1

MÉTODO AASHTO - 93

Cálculo de D1

Verificación de D1

4.5 pulgadas > 3.0 pulgadas O.K.

Cálculo de SN1*

SN1* = a1 * D1

* = 0.44 * 4.5 = 1.98

pulgadas)4.5(tomarpulgadas4.470.44

1.97

a

SND

1

11


MÉTODO AASHTO - 93



MÉTODO AASHTO - 93

Cálculo de D2

Verificación de D2

5.4 pulgadas < 6.0 pulgadas tomar 6.0 pulgadas

Cálculo de SN2*

SN2* = a2 D2

* m2 = 0.13 * 6.0 * 0.8 = 0.624

pulgadas5.40.8*0.14

1.98 - 2.54

ma

SNSND

22

*

122


MÉTODO AASHTO - 93



MÉTODO AASHTO - 93

Cálculo de D3

Resumen del diseño

pulgadas10.10.8*0.102

0.624)1.98 (- 3.43

ma

)SN(SNSND

33

*

1

*

23

3


MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO

MÉTODO INVÍAS - 98

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON

MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO

Generalidades

Contiene un catálogo de estructuras definido con

base en el método AASHTO-93

El catálogo de diseño cubre los tipos de pavimentos y

materiales usados actualmente en la práctica local e

incluye nuevas tipologías de eficiencia demostrada en

otros países con características similares a las

colombianas

El método considera factores ambientales, de suelos,

de tránsito y de disponibilidad de materiales, acordes

con la realidad colombiana

REGIONES CLIMÁTICAS

El país se dividió en seis regiones climáticas, con base

en la temperatura y la precipitación media anual



RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE

Se debe considerar el valor promedio de resistencia

del suelo predominante en cada unidad homogénea y, a

partir de él, se establece una categoría de subrasante



TRÁNSITO DE DISEÑO

REQUISITOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS

EN LA GUÍA DE DISEÑO

Categoría

T1

T2

T3

T4

T5

T6

T7

T8

T9

4.0 - 6.0

6.0 - 10.0

10.0 - 15.0

Ejes equivalentes de 80kN en el

carril de diseño durante el periodo

de diseño del pavimento N* (106)

0.5 - 1.0

1.0 - 2.0

2.0 - 4.0

15.0 - 20.0

20.0 - 30.0

30.0 - 40.0



N*1.159N*

y1.282,z90%, es dadconfiabili la Si

N*10N*

R

z*0.05 R

CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO

Se empleó la ecuación básica del método AASHTO-93

Se adoptó S0=0.44, que corresponde a considerar la

variación de la predicción del comportamiento del

pavimento, sin errores en la estimación del tránsito

La posibilidad de errores en la predicción del tránsito

se incorpora con la expresión (10 0.05*ZR * N)

Se consideró una pérdida de serviciabilidad de 2.2

durante el periodo de diseño del pavimento



Se adoptaron coeficientes estructurales de capa

ajustados a los resultados de experiencias realizadas en el

país

Se adoptaron 3 coeficientes de drenaje para las capas

granulares (mi=1.0 si la precipitación < 2,000 mm/año,

mi=0.90 si la precipitación está entre 2,000 y 4,000

mm/año y mi=0.80 para precipitaciones mayores)

Las estructuras obtenidas se verificaron con módulos

teóricos y curvas de fatiga SHELL




VALORES ADOPTADOS PARA LOS COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA

Material Condición ai

T < 13°C 0,44

13°C £ T < 20°C 0,37

20°C £ T < 30°C 0,30

T < 13°C 0,35

13°C £ T < 20°C 0,30

20°C £ T < 30°C 0,24

Base granular 0,14

suelos A-1 0,16

suelos A-2-4, A-2-5 y A-3 0,14

demás suelos 0,13

agregado grueso (BEE1) 0,20

agregado fino (BEE2) 0,20

suelo (BEE3) 0,14

Subbase granular 0,11

Mezcla densa en caliente

Mezcla densa en frio

Base estabilizada con cemento

Base estabilizada con emulsión asfáltica




CATÁLOGO DE DISEÑO

Comprende seis cartas de diseño, contemplando los

siguientes aspectos:

Carta No. Región climática Categorías de

subrasante

Categorías de

tránsito

Materiales de

construcción

1 R1 S1-S5 T1-T9 variables








ESTRUCTURAS RECOMENDADAS EN LA CARTA

No. 3 PARA CATEGORÍA DE TRÁNSITO T5

15 12 12 10 12 10 7.5 10 10 7.5 10 10 7.5 10

30 - 30 - 25 30 - 25 25 - 25 20 - 15

- 15 - 15 - - 15 - - 15 - - 15 -

- 10 - 10 - - 10 - - - - - - -

- - - - 30 - - 30 - - 25 - - 20

45 45 35 35 - 30 30 - 25 35 - 20 25 -Subbase granular

Base estabilizada con cemento

S1 S2

Mezcla densa en caliente

Base granular

Base estabilizada (BEE1)

Base estabilizada (BEE2)

S3 S4 S5

Capa de pavimento espesores de capa (cm)



Ejemplo de diseño



Clima

Temperatura media anual = 24º C

Precipitación media anual = 1,850 mm

Subrasante

Suelo predominante = Arena arcillosa

CBR promedio = 8.5 %

Tránsito de diseño

N* = 5.7*106 ejes equivalentes

Materiales disponibles

En la zona abundan materiales granulares de buena calidad

para la elaboración de subbases, bases y concretos asfálticos

Solución al ejemplo de diseño



Establecimiento de región climática

Para los datos de temperatura y precipitación corresponde la

Región R 3

Establecimiento de categoría de subrasante

Para los datos de CBR promedio corresponde la categoría S 3

Establecimiento de categoría de tránsito

N’ = 1.159 N = 1.159 x 5.7*106 = 6.6*106 ejes equivalentes

Para este valor de N* corresponde la categoría T 5

Solución al ejemplo de diseño



Elección de Carta de Diseño

Para Región R 3, usar Carta de Diseño No 3

Espesores de diseño para la combinación S 3 – T 5

Mezcla densa en caliente = 10 centímetros

Base granular = 30 centímetros

Subbase granular = 30 centímetros


MÉTODOS EMPÍRICO-

MECANÍSTICOS DE DISEÑO

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO

VENTAJAS SOBRE LOS MÉTODOS EMPÍRICOS

Adaptabilidad a tipos de cargas cambiantes

Mejor utilización de los materiales disponibles

Capacidad de incorporar nuevos materiales en los diseños

Mejoramiento en la confiabilidad en las predicciones de

comportamiento

Se mejora la definición de las propiedades de las capas de un

pavimento existente

Es posible acomodar los efectos ambientales y de edad sobre

los materiales del pavimento

INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE

ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA

DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA

Propiedades del material de cada capa

—Módulo de elasticidad

—Relación de Poisson

Condiciones de adherencia entre capas adyacentes


Espesor de cada una de las capas

Condiciones de carga

—Magnitud de la carga

—Geometría de la carga

—Número de cargas actuantes


INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE

ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA

DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA

SALIDAS DE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

El programa calcula los esfuerzos, deformaciones y

deflexiones en cualquier punto de la estructura del

pavimento

Hay unos pocos sitios en los que generalmente se

interesa el diseñador para el cálculo de respuestas críticas

Ubicación Respuesta

Superficie del pavimento Deflexión

Fondo de capas asfálticas ó

bases estabilizadas

Deformación horizontal de

tensión

Parte superior de las capas

intermedias granulares

Deformación vertical de

compresión

Superficie de la subrasante Deformación vertical de

compresión


PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO

UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

El diseño de un pavimento usando el planteamiento

empírico - mecanístico es un proceso iterativo que

requiere varios pasos:

1. Estimar el tránsito durante el periodo de diseño del

pavimento (N)

2. Fijar las condiciones de carga

3. Establecer unos espesores iniciales de las capas del

pavimento


4. Fijar los módulos y las relaciones de Poisson para

las capas, así como las condiciones de adherencia

entre ellas

5. Calcular los esfuerzos y deformaciones en los

puntos críticos de la estructura del pavimento

mediante el programa de análisis elástico




6. Adoptar ecuaciones de comportamiento de los

diferentes materiales

7. Determinar las repeticiones de carga admisibles (ni)

para las magnitudes de los esfuerzos y deformaciones

obtenidas en los puntos críticos del modelo




8. Computar las relaciones Di = N/ni en todos los puntos

críticos

9. Aumentar o disminuir espesores, variar calidad de

materiales, o ambas cosas simultáneamente, si Di no es

próximo a 1.0

10. Iterar hasta obtener el diseño definitivo





EJEMPLO DE INFORMACIÓN SOBRE CARGAS Y CAPAS DEL

PAVIMENTO EN UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO


EJEMPLO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES CALCULADOS

POR UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

CRITERIOS DE FALLA

La parte empírica fundamental de estos métodos la

constituyen las ecuaciones utilizadas para calcular el

número requerido de ciclos de carga para alcanzar la

falla del pavimento

Estas ecuaciones se han obtenido observando el

comportamiento de pavimentos y relacionando el tipo

y la extensión de la falla observada, con una

deformación inicial bajo diferentes cargas


Generalmente, se reconocen dos tipos de criterios

de falla de los pavimentos asfálticos: uno relacionado

con el agrietamiento por fatiga y el otro con el inicio

del ahuellamiento en la subrasante

Un tercer criterio (deflexión) se usa en

aplicaciones específicas


CRITERIOS DE FALLA


CRITERIOS DE FALLA

El agrietamiento por fatiga se desarrolla bajo

cargas repetidas si el esfuerzo horizontal en el fondo

de la capa asfáltica inferior es excesivo

El ahuellamiento o deformación permanente

ocurre en la superficie del pavimento debido a la

sobrecarga de la subrasante, si el esfuerzo vertical de

compresión sobre dicha capa es excesivo


CRITERIOS DE FALLA

CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL

CONCRETO ASFÁLTICO

Se han desarrollado muchas ecuaciones para

estimar el número de repeticiones a la falla en el

modo de fatiga para el concreto asfáltico

Todas ellas dependen de la deformación horizontal

de tensión en la fibra inferior de las capas asfálticas


Fórmula de Finn et al

Log Nf = 15.947 - 3.291 log (et/10-6) - 0.854 log (EAC/103)

Nf = número de aplicaciones de carga que dan lugar al

agrietamiento del 10% del área sometida a carga

et = deformación horizontal de tensión en el fondo de la

capa asfáltica

EAC = módulo de la capa asfáltica (psi)


CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL

CONCRETO ASFÁLTICO

CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO

Aunque el ahuellamiento se puede generar en

cualquier capa del pavimento, el criterio corriente es

atribuirlo principalmente al sobreesfuerzo de la

subrasante

Este criterio se suele expresar en términos de la

deformación vertical de compresión en la superficie

de la capa subrasante (εz)


Fórmula de CHEVRON

Nf = 1.05x10-2 * ez-0.223

Nf = número admisible de aplicaciones de carga para

que el ahuellamiento no exceda de 13 mm

ez = deformación vertical de compresión en la

superficie de la subrasante


CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO

CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN

Fue el criterio de fatiga más utilizado durante

mucho tiempo, pero hoy se emplea únicamente en

algunas aplicaciones especiales

Su información, aunque valiosa, no da una medida

tan apropiada del funcionamiento estructural como las

deformaciones específicas horizontales y verticales


Fórmula del Instituto del Asfalto

DB = 25.64*N-0.2383

N = número admisible de aplicaciones de carga hasta

la falla, para una determinada deflexión Benkelman

característica (DB) en milímetros


CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN

SENSIBILIDAD DEL DISEÑO A LOS CRITERIOS DE FALLA

El criterio que controla el diseño es aquel que exija

un mayor espesor de pavimento para un determinado

nivel de tránsito


MÉTODO SHELL – 98

(SPDM 3.0)


MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)

Generalidades

El método considera el pavimento como unsistema de capas homogéneas, isotrópicas y decomportamiento linealmente elástico

Los materiales de las diversas capas estáncaracterizados por E y m



Los criterios de diseño incluyen:

—Tensión horizontal en el fondo de las capasasfálticas o en las capas de base cementadas,cuando la estructura las incluya

—Deformación vertical de compresión al nivel dela subrasante

—Deformación permanente de las mezclasasfálticas


El método permite considerar fricción variable en lasinterfaces de las capas del pavimento

Los cálculos de los esfuerzos y deformaciones serealizan con el programa BISAR

La determinación de espesores se realiza a través deun módulo del programa Windows SPDM 3.0


INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO

Clima

Tránsito y periodo de diseño del pavimento

Características de las capas granulares y lasubrasante

Composición de la mezcla asfáltica ycaracterísticas de fatiga de ella

Rigidez de la capa asfáltica y espesores




Clima

Se emplea la temperatura promedio anual ponderadadel sitio del proyecto (w-MAAT), la cual se puedeobtener de 3 maneras:

—Introduciendo los 12 valores de temperaturapromedio mensual

—Seleccionando de la base de datos, a través delbotón Retrieve, los valores de las temperaturaspromedio mensuales

—Introduciendo directamente el valor de la w-MAAT



Clima

Tránsito y período de diseño



Se emplea el número de ejes simples equivalentes de80 kN en el carril de diseño durante el período de diseño,el cual se puede obtener de dos maneras:

—Introduciendo el espectro de cargas, junto coninformación sobre el número de días del año contránsito, la tasa de crecimiento anual del tránsito yel período de diseño del pavimento

—Introduciendo directamente el número de ejessimples equivalentes




La pantalla da la oportunidad de efectuarcorrecciones por movimiento lateral del tránsito sobrela calzada y por el efecto de reposo entre aplicacionessucesivas de carga por eje

Los valores incluidos por defecto son 5 y 2respectivamente






Características de las capas granulares y de la subrasante

Se debe ingresar obligatoriamente el módulo de lasubrasante (E3) y el espesor de las capas granulares (h2)

Se puede incluir un valor promedio del módulo de lascapas granulares (E2) o permitir que el programa localcule con 50% de confiabilidad mediante la expresión:

(E2 = 0.2* h20.45 *E3)




Se permite aumentar la confiabilidad a 85% o 95%

Se asigna por defecto una relación de Poisson de 0.35,pero puede ser modificada

Se puede ingresar una fórmula propia sobre el criteriode deformación de la subrasante o emplear las fórmulasSHELL para 50%, 85% o 95% de confiabilidad






Composición de la mezcla asfáltica y fatiga

Se debe ingresar la información correspondiente alos volúmenes de agregados, asfalto y vacíos de lamezcla compactada (es suficiente ingresar 2 de los 3datos)

Se debe incluir la ecuación de fatiga de la mezclacompactada, la cual puede ser propia o la quesuministra el método por defecto

El valor Nfat es el número de ciclos para el cual elstiffness decrece un 50% de su valor original



Composición de la mezcla asfáltica y fatiga

Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas



El módulo de la mezcla se puede alimentar de 3maneras:

—Ingresando su valor para las condicionesreales de temperatura y de tiempo deaplicación de carga

—Incorporando el stiffness del asfalto (Sbit) paralas mismas condiciones

—Incorporando los datos básicos decomportamiento del asfalto envejecido(punto de ablandamiento y penetración)




La relación de Poisson de la mezcla es de 0.35 pordefecto, pero puede ser modificada

El espesor adoptado de capas asfálticas para elprimer tanteo de diseño es, por defecto, 0.2 m




Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas

Se marcan las opciones ―Results” y ―Calculate”

Aparece un mensaje ofreciendo la posibilidad desalvar la información

El programa realiza los cálculos de esfuerzos ydeformaciones para el modelo de pavimento creadopara el primer tanteo y compara los resultados con loscriterios de falla introducidos

Si no hay coincidencia, efectúa las iteracionesnecesarias hasta obtener el espesor apropiado de capasasfálticas





Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas

INFORME DE DISEÑO DE ESPESORES



PARA CALLES Y CARRETERAS

DISEÑO DE

PAVIMENTOS SOBRE

SUELOS BLANDOS

Los suelos blandos de subrasante suelen presentar

problemas, tanto para la construcción como para el

comportamiento del pavimento, razón por la cual se

suele recomendar (i) su remoción y su reemplazo por

materiales seleccionados de relleno o (ii) emplear algún

tratamiento de estabilización

Si el retiro total de la capa blanda es posible, el

material seleccionado de reemplazo constituye la nueva

subrasante y el pavimento se diseña por algún método

convencional, a partir de la respuesta del nuevo material


SOBRE SUELOS BLANDOS

Cuando el reemplazo total de la capa blanda no resulta

práctico, se acostumbra mejorar las condiciones del suelo

mediante diferentes alternativas, entre ellas:

—la colocación de una capa de material granular

grueso de tamaños surtidos (rajón), hasta lograr un

soporte consistente

—la instalación de un elemento que ayude a distribuir

mejor los esfuerzos sobre el suelo previniendo fallas

locales por corte (geomalla), acompañado o no de otro

elemento que separe el suelo blando de las capas

granulares del pavimento (geotextil)





COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL

GRANULAR GRUESO (RAJÓN)

Cuando se emplea la capa de rajón, el diseñador

escoge un espesor efectivo de éste (generalmente entre

200 y 300 mm)

A continuación, partiendo del módulo resiliente de la

subrasante y del espesor efectivo del rajón, se calcula el

valor del módulo del sistema bicapa constituido por el

rajón y la subrasante

Tomando como base el módulo del bicapa, se diseña

el pavimento empleando algún método convencional



COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL

GRANULAR GRUESO (RAJÓN)



Cuando se emplean geomallas, se aplican criterios

empíricos de diseño sugeridos por sus fabricantes,

basados en la consideración de que ellas distribuyen

mejor los esfuerzos del tránsito sobre el suelo,

permitiendo disminuciones del espesor del pavimento,

respecto del requerido sobre el suelo sin reforzar

USO DE GEOMALLAS



EJEMPLO DE SOFWARE PARA DISEÑO DE PAVIMENTO,

ELABORADO POR UN FABRICANTE DE GEOMALLAS

USO DE GEOMALLAS

MÓDULO 12: DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS CALLES Y CARRETERAS - FERNANDO SÁNCHEZ SABOGAL

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