AASHTO 93. HISTORIA De 1951 a 1954, Etapas de planificación, desde la selección del sitio hasta el establecimiento de objetivos 1955 a 1958 Etapa de Construcción El 15 de Octubre de 1958 se inicia con los experimentos y se concluyen el 30 de noviembre de 1960 en Ottawa ,Illinois. En 1961 la AASHO publica la guía preliminar para el diseño de pavimentos rígidos y flexibles En 1972 la Asociación publica una segunda versión de esta Guía Preliminar. En 1986 Publica una versión con Carácter Definitivo. En 1993 después de investigaciones adicionales AASHTO publica la última versión de esta guía. HISTORIA C° PRETENSADO C° A° MEOTODOLOGIA AASHTO 93 La Metodología AASHTO mantiene Aún las ecuaciones de comportamiento de los pavimentos que se establecieron en el Experimento Vial de la AASHO en 1961, introduciendo sin embargo, los cambios más importantes sucedidos en diferentes áreas del diseño, incluyendo las siguientes: 1. Incorporación de un "Factor de Confiabilidad" fundamentado en un cambio del tráfico a lo largo del período de diseño, que permite al Ingeniero Proyectista utilizar el concepto de análisis de riesgo para los diversos tipos de facilidades viales a proyectar. 2.- Sustitución del Valor Soporte del Suelo (Si), por el Módulo Resiliente (Método de Ensayo AASHTO T274). El cual proporciona un procedimiento de laboratorio racional, de carácter científico concordante con la teoría elástica para la determinación de los propiedades de resistencia de los materiales. 3.- Empleo de los módulos resilientes para la determinación de los coeficientes estructurales (a1,a2,a3) , tanto de los materiales naturales o procesados, como los estabilizados. 4.- Establecimiento de guías para la construcción de sistemas de sub-drenajes, modificando las ecuaciones de diseño, que permiten ventajas sobre el comportamiento de los pavimentos, como consecuencia de un buen drenaje. 5.- Sustitución del "Factor Regional" (muy subjetivo), por un enfoque más racional que toma en cuenta los efectos ambientales ( como humedad y temperatura) sobre las propiedades de los materiales. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO Es preciso aclarar que el método AASHTO 93, Utiliza el Número Estructural SN. Para el diseño del pavimento. Para el cálculo del SN, esta metodología propone dos ecuaciones : a) Número estructural SN requerido b) Número estructural SN proporcionado. NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO El método Aashto 93, Utiliza el Número Estructural SN , para cuantificar la resistencia que el pavimento requiere para determinada capacidad de soporte del suelo, tráfico esperado y perdida de serviciabilidad: SN W18 ZR So ÄPSI MR Número estructural requerido por la sección de carretera (ESAL’S) número de ejes equivalentes de 80 kN , en el Período de diseño. Desviación estándar normal (depende de la confiabilidad, R, de diseño) Error estándar por efecto del tráfico y comportamiento ESALS = EQUIVALENT SINGLEAXLE LOAD Variación del índice de serviciabilidad. CARGA EQUIVALENTE EN EJE SIMPLE Módulo resiliente de la subrasante medido en psi NUMERO ESTRUCTURAL proporcionado Número estructura l de la capa asfáltica Numero estructura l de la Base granular Número estructura l de la Sub base granular NUMERO ESTRUCTURAL requerido Ecuación que representa el Numero Estructural SN que requiere el pavimento Es el fractal de la distribución normal Esta ecuación representa el SN requerido en cada una de las capas del pavimento W representa la carga 18 representa a 18 kips = 8.2 tn Mr , De la capa de apoyo de la capa que se esta analizando De la capa que se esta analizando. Cuando: i= 1 capa asfáltica i= 2 base i= 3 sub base NUMERO ESTRUCTURAL proporcionado Número estructura l de la capa asfáltica Numero estructura l de la Base granular Número estructura l de la Sub base granular NUMERO ESTRUCTURAL proporcionado Es el valor numérico del SN que puede aportar la estructura del pavimento con los datos reales disponibles El SN, se convierte en espesores de carpeta asfáltica, base y sub base, mediante coeficientes de capa que representan la resistencia relativa de los materiales de cada capa Los subíndices 1, 2 y 3 se refieren a las capas de carpeta asfáltica , base y sub base Los coeficientes de capa dependen del módulo resiliente MR del suelo, y se determina empleando los conceptos de esfuerzo deformación de un sistema multicapa. COEFICIENTE ESTRUCTURAL Los coeficientes de capa usados en la pista de prueba AASHO son: Concreto Asfáltico Superficial , Base de Piedra Chancada, Sub Base de grava arenosa, a1 a2 a3 0.40 - 0.44 𝑃𝑢𝑙𝑔−1 0.10 - 0.14 𝑃𝑢𝑙𝑔−1 0.06 - 0.10 𝑃𝑢𝑙𝑔−1 METODOLOGIA DE DISEÑO DATOS DE DISEÑO : Parámetros de Diseño y Recomendaciones AASHTO a) Periodo de Diseño Se refiere al Tiempo en que la Estructura de Pavimento entra en servicio hasta antes que necesite algún trabajo de rehabilitación CONDICIONES DE CARRETERAS PERIODO DE ANALISIS Vias urbanas con alto volumen 30-50 Vías rurales con alto volúmen 20 – 50 Pavimentadas con bajo volumen 15 – 25 Superficie granular con bajo volumen 10 – 20 b) Factor de Confiabilidad R c) Desviación Estándar Normal Esta en función de la confiabilidad del proyecto, R ZR d) Desviación Estandar Error Normal Combinado so Efectos Medioambientales El medio ambiente puede afectar al comportamiento del pavimento de diferentes maneras . Las variaciones térmicas y humedad afectan la resistencia, durabilidad y capacidad de transporte de carga. Otro efecto relevante es el congelamiento, deshielo y desintegración en la subrasante. e) SERVICIABILIDAD f) Modulo Resiliente Modulo Resiliente La base del Método AASHTO '93, es módulo elástico o resiliente que sirve para caracterizar los materiales, tanto de la subrasante como las diferentes capas de la estructura del pavimento. Módulo Resiliente Efectivo (Ponderado) del material de subrasante (MR) El módulo elástico del material de fundación representa el efecto combinado de los diferentes módulos de ese material a lo largo del año, el cual cambia en función del periodo estacional en el tiempo. Este valor, cuantifica el daño relativo al cual está sometido un pavimento durante cada época del año, y pondera este daño en una forma global para cualquier momento del año. La determinación del valor de MR puede lograrse por alguno de los procedimientos siguientes: Efectuando ensayos de módulo resiliente en laboratorio (Método AASHTO T-274) sobre muestras representativas, bajo condiciones de esfuerzo y humedad similares aquellas de las épocas predominantes en el año, es decir las estaciones climatológicas durante las cuales se obtendrán valores significativamente diferentes. Estos resultados permitirán establecer relaciones entre diferentes módulos resilientes y contenidos de humedad, que puedan ser utilizadas conjuntamente con estimaciones de "humedades en sitio" bajo el pavimento, para establecer valores de módulo resiliente para las diversas estaciones climatológicas. El "Módulo Resiliente (MR)", es el resultado de un ensayo dinámico, y se define como la relación entre el esfuerzo repetido masivo (Ø) y la deformación axial recuperable (∑a). Mr = Ød / ∑a El ensayo se realiza en una celda triaxial equipada con sistemas capaces de transmitir cargas repetidas. La muestra ó briqueta de ensayo tiene generalmente 10 cm de diámetro por 20 cm de altura. Estimando los valores de módulo resiliente a partir de correlaciones entre mediciones de deflexiones de pavimentos en servicio en diferentes épocas del año. Estimando los valores "normales" de módulo resiliente de los materiales, a partir de propiedades conocidas, tales como CBR, Plasticidad, Contenido de arcilla, etc. Luego mediante la aplicación de relaciones empíricas se estima el módulo resiliente para diferentes épocas del año. Estas relaciones pueden ser del tipo : Modulo Resiliente en invierno = 20 a 30 %del módulo de verano. Modulo Resiliente subrasante Las ecuaciones de correlación recomendadas son las siguientes: 1.- Para materiales de sub-rasante con CBR igual o menor a 7,2% MR = 1.500* CBR 2.- Para materiales de sub-rasante con CBR mayor de 7,2% pero menor o igual a 20,0% MR = 3.000 * (CBR)^0.65 3,. Para materiales de sub-rasante con valores de CBR mayores a 20,0%, se deberán emplear otras formas de correlación, tal como la recomendada por la propia Guía de Diseño AASHTO-93: MR = 4.326*ln(CBR) + 241 Nota: El valor resultante de estas correlaciones se mide en unidades de lb/pulg2 -psi- PROCEDIMIENTO DE DISEÑO CALCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO El diseño de una carretera depende del tráfico esperado durante la vida de servicio y la confiabilidad en el comportamiento. Luego de caracterizar el suelo de la subrasante y seleccionar los valores de confiabilidad (R), para el error estándar So y ESAL estimado, se puede calcular el valor del número estructural SN, de dos formas: . Usando monograma Aashto . Usando la ecuación: 1) Usando monograma Aashto SN REQUERIDO = 5 2) SN requerido usando la fórmula Ecuación que representa el Numero Estructural SN Diseño De Espesores El número estructural requerido se convierte a espesores de concreto asfaltico, base y sub base, respectivamente, por medio de coeficientes de capa y utilizando la ecuación a)COEFICIENTE DE CAPA ai Se asigna un coeficiente de capa a cada material de la estructura de pavimento. El coeficiente de capa expresa una relación empírica entre el número estructural, SN, y el espesor . Concreto Asfaltico: La AASHTO 93, muestra la fig 3, para definir el coeficiente estructural de concreto asfáltico de gradación densa basado en su módulo elástico ( EAC) A 68°F. Este modulo elástico es el Módulo Dinámico Complejo, E*, obtenido de ensayos cíclicos. BASE .- Las figuras 4, 5 y 6, muestran las cartas utilizadas para definir el coeficiente estructural a2, de base granular, base tratada con asfalto y base tratada con cemento respectivamente. Toma en cuenta cuatro diferentes ensayos de laboratorio. SUB BASE GRANULAR .- la fig 7, muestra la carta que puede ser usada para calcular el coeficiente de capa, a3, para una sub base granular a partir cuatro diferentes ensayos de laboratorio, incluyento el modulo resiliente en la sub base ESB b) COEFICIENTE DE DRENAJE El método asume que la resistencia de la subrasante y base permanecerá constante durante la vida de servicio del pavimento. Para que esto sea cierto, la estructura de pavimento debe tener drenaje apropiado. La calidad de drenaje se incorpora al diseño, modificando los coeficientes de capa. El factor que modifica el coeficiente de capa se representa por mi. El posible efecto del drenaje en el concreto asfáltico no se considera. La tabla 6 presenta las definiciones generales correspondientes a los diferentes niveles de drenaje. COEFICIENTE DE DRENAJE TABLA 6 LA TABLA 7 MUESTRA LOS COEFICIENTES RECOMENDADOS DEPENDIENDO DE LA CALIDAD DE DRENAJE Y EL PORCENTAJE DE TIEMPO ANUAL EN QUE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO PODRÍA ESTAR EXPUESTA A NIVELES DE HUMEDAD CERCANOS A LA HUMEDAD TABLA 7 TRANSITABILIDAD 3) SN proporcionado Numero estructural de la capa asfáltica Numero estructural de la Base granular Numero estructural de la Sub base granular CAPA ASFALTICA La capa Asfáltica se caracteriza mediante su Modulo Resiliente Mr , el cual depende de la frecuencia de la aplicación de la carga (f) y de la temperatura dela mezcla asfáltica (Ts) que esta en función de la temperatura del aire de la zona del proyecto CAPA ASFALTICA Coeficiente estructural del concreto asfáltico de capa de rodadura a1 Módulo de elasticidad a 70° F (psi) BASE Y SUB BASE BASE ESTABILIZADA ESPESORES EJERCICIO EN ESTE PASO VAMOS A DETERMINAR CUANTO VALE R, Zr , So Calculamos el Error combinado o Error estándar So EN RESUMEN TENEMOS : La serviciabilidad inicial Po, está entre 4 y 4.2 , generalmente se asume 4.2. Y de la tabla siguiente obtenemos el valor de Pf. Asumimos un valor de 2.5 por razones económicas , ya que si tomamos el valor de 3 tendremos una vía mas cara Aplicamos la expresión por tener un CBR < a 7.2 % Tenemos como dato del problema un CBR = 7% Para el tipo que vía, que nos plantea el problema, esta deberá tener un material de base de buena calidad, por lo tanto tomamos en cuenta un CBR = 95% y nos vamos al monograma BASE GRANULAR a2= 0.138 Con CBR = 95%, hacemos el trazo azul Con CBR = 95%, hacemos el trazo azul Mr=30000 SUB BASE GRANULAR Para el tipo que vía que nos plantea el problema, esta deberá tener un material de Sub base granular minimo el CBR = 40% nos vamos al monograma SUB BASE GRANULAR aa23==00.11328 Con CBR = 9450%, hacemos el trazo azul Mr= 17000 Para el cálculo de la frecuencia, empleamos la velocidad conocida para vehículos pesados de 40 km/hr. LUEGO CALCULAMOS LA TEMPERATURA EFECTIVA DE LA CAPA DE ASFALTO *OJO : no confundir con la temperatura del medio ambiente Temperatura media anual promedio Dato del ejercicio Consideramos un espesor preliminar de la capa de asfalto de 4” = 100 mm, por el volumen de tránsito, posteriormente corregimos con valores finales Con f= 0.5 Hz y T = 35° C Entramos al siguiente monograma: Mr Mr = 4017 Mpa = 582417 PSI Con una lluvia de 107 días al año (Dato), calculamos la incidencia anual: 107 Por consiguiente: Calidad de Drenaje es regular (Dato) Esto significa que por las condiciones de drenaje la resistencia de las capas de Base y Sub base se reducirán a un 80% Reemplazando los datos obtenidos en la formula: W18 = 8000000, Zr = -1.282, So= 0.45, ΔPSI = 1.7, Mr =30000 Con este valor de h1 = 6”, calculamos el SN real. SN1* a1 h1 ESTE VALOR NOS SERVIRA PARA CALCULAR EL ESPESOR DE LA BASE GRANULAR Nuevamente con los datos obtenidos : W18 = 8000000, Zr = -1.282, So= 0.45, Reemplazamos valores en la ecuación : ΔPSI = 1.7, Mr = 17000 Mr de la Sub Base granular Formula para calcular el espesor de la base granular Nuevamente con los datos obtenidos : W18 = 8000000, Zr = -1.282, So= 0.45, Reemplazamos valores en la ecuación : ΔPSI = 1.7, Mr = 10500 Mr de la Sub Razante Formula para calcular el espesor de la Sub base granular Se pide diseñar un pavimento flexible para las condiciones que se muestran a continuación: - Avenida circunvalación nueva - 8’000,000 de ejes equivalentes - Subrasante; CBR = 6.7 % - Temperatura anual promedio 22° - Lluvias durante el año = 98 días - Velocidad de los vehículos pesados 40 Km /Hr. - Drenaje regular Calculamos el Error combinado o Error estándar So EN RESUMEN TENEMOS : Asumimos un valor de 2.5 por razones económicas , ya que si tomamos el valor de 3 tendremos una via mas cara Aplicamos la expresión por tener un CBR < a 7.2 % Tenemos como dato del problema un CBR = 6.7 = 7% M R = 1500x7 = 10,500 psi Para el tipo que vía que nos plantea el problema, esta deberá tener un material de base de buena calidad, por lo tanto tomamos en cuenta un CBR = 95% y nos vamos al monograma BASE GRANULAR a2= 0.138 Con CBR = 95%, hacemos el trazo azul Con CBR = 95%, hacemos el trazo azul Mr=30000 SUB BASE GRANULAR Para el tipo que vía que nos plantea el problema, esta deberá tener un material de Sub base granular minimo el CBR = 40% nos vamos al monograma SUB BASE GRANULAR aa23==00.11328 Con CBR = 9450%, hacemos el trazo azul Mr= 17000 Para el cálculo de la frecuencia, empleamos la velocidad conocida para vehículos pesados de 40 km/hr. LUEGO CALCULAMOS LA TEMPERATURA EFECTIVA DE LA CAPA DE ASFALTO *OJO : no confundir con la temperatura del medio ambiente 22° Consideramos un espesor preliminar de la capa de asfalto de 4” = 100 mm, por el volumen de tránsito, posteriormente corregimos con valores finales 22° Temperatura media anual promedio Dato del ejercicio 33° Con f= 0.5 Hz y T = 33° C Entramos al siguiente monograma: 33 Mr Mr = 4017 Mpa = 582417 PSI Con una lluvia de 107 días al año (Dato), calculamos la incidencia anual: 98 27 % Por consiguiente: Calidad de Drenaje es regular (Dato) Esto significa que por las condiciones de drenaje la resistencia de las capas de Base y Sub base se reducirán a un 80% Reemplazando los datos obtenidos en la formula: W18 = 8000000, Zr = -1.282, So= 0.45, ΔPSI = 1.7, SN1 = 2.879 Mr =30000 Con este valor de h1 = 6”, calculamos el SN real. SN1* a1 h1 ESTE VALOR NOS SERVIRA PARA CALCULAR EL ESPESOR DE LA BASE GRANULAR Nuevamente con los datos obtenidos : W18 = 8000000, Zr = -1.282, So= 0.45, Reemplazamos valores en la ecuación : ΔPSI = 1.7, SN1 = 3.578 Mr = 17000 Mr de la Sub Base granular Formula para calcular el espesor de la base granular SN*2 = 0.138x6x0.8 + 2.928 = 3.59 Nuevamente con los datos obtenidos : W18 = 8000000, Zr = -1.282, So= 0.45, Reemplazamos valores en la ecuación : ΔPSI = 1.7, SN1 = 4.272 Mr = 10500 Mr de la Sub Razante Formula para calcular el espesor de la Sub base granular
