18:03 CONTENIDO PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FUNDAMENTOS DE PAVIMENTOS DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES MÉTODO AASHTO-93 MANUAL DEL INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS Diseño de pavimentos flexibles por el método AASHTO-93. Diseño de pavimentos flexibles según Manual de Medios y Altos Volúmenes de Tránsito del INVIAS. DIANA HERNÁNDEZ B. MÉTODO AASHTO-93 Prueba AASHO 1958-1960 Guía original 1962 AASHTO-93 Revisión y edición oficial 1972 Revisión de diseño rígidos 1981 Revisión parámetros de diseño incorporación (Mr, variables climáticas, drenaje, etc.) Revisión 1993 Gran revisión AASHTO MEPDG (mecanístico-empírico) PARÁMETROS DE DISEÑO Tránsito: especificado como el número de ejes equivalentes de 8.2 t en el carril de diseño, durante el período de diseño Nivel de confianza con que se desea calcular el pavimento Error normal combinado Nivel de serviciabilidad Módulo resiliente de la subrasante Número estructural del pavimento Calidad del drenaje AASHO ROAD TEST Time: Construction: August 1956 – September 1958 Test Traffic: October 1958 – November 1960 Special Studies: Spring and early summer 1961 Test Facilities Six 2-lane test loops Loop 1 :not subject to traffic, used to test environmental effects Loops 2 through 6: subject to traffic Módulos dinámicos de las diferentes capas de la estructura del pavimento 1 18:03 DEFINICIONES AASHO ROAD TEST SECCIONES EVALUADAS Carril de diseño: carril por el cual se espera la circulación de mayor número de cargas de diseño. Pavimento flexible C.A.: 2.5-15 cm Período de diseño: lapso que ocurre desde que un Base: 0-23 cm Subbase: 0-40 cm pavimento se da al servicio hasta que alcanza su índice de servicio terminal. Subbase: 0-23 cm El método AASHTO se basa en el concepto de comportamiento y capacidad de servicio para diseñar pavimentos con base en un volumen específico de tránsito total que tenga un nivel mínimo de serviciabilidad deseado al final del período de diseño. TRÁNSITO DE DISEÑO TRÁNSITO DE DISEÑO FACTOR DE DISTRIBUCIÓN POR CARRIL NIVEL DE CONFIABILIDAD Pavimento rígido Concreto hidráulico: 6.5-32 cm (simple y reforzado) La distribución de tránsito de vehículos comerciales por carril depende del número de carriles que tenga la carretera en cada dirección. Cuando la vía tiene un carril por dirección este factor es 1. En vías con más de un carril por dirección, se encuentra que el carril exterior conduce mayor número de vehículos pesados Número de carriles en cada dirección 1 2 3 4 Probabilidad de que una sección diseñada se comporte satisfactoriamente en el período de diseño. Incluye algún grado de seguridad en el proceso de diseño y que permite asegurar que las alternativas de diseño durarán en el período de análisis. % de ejes equivalentes de 18 kips en el carril de diseño AASHTO-93 AASHTO MEPDG INVIAS 100 80-100 60-80 50-75 100 90 60 40 100 90 75 Tipo de vía Autopistas Arterias principales Colectoras Locales Urbana 85-99.9 80-99 80-95 50-80 Rural 80-99.9 75-95 75-95 50-80 2 18:03 DESVIACIÓN NORMAL ESTÁNDAR Confiabilidad 50 60 70 75 80 85 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 100 Desviación estándar normal, Zr 0 -0.253 -0.524 -0.674 -0.841 -1.037 -1.282 -1.34 -1.405 -1.76 1.555 -1.645 -1.751 -1.881 -2.054 -2.327 -3.09 -3.75 ERROR NORMAL COMBINADO, S0 Error asociado a la desviación estándar, S0 SERVICIABILIDAD Error o desviación del diseño Variación en propiedades de los materiales Variación en propiedades de subrasante Variación en estimación del tránsito Variación en condiciones climáticas Variación en calidad de construcción Tipo de pavimento Error combinado, S0 Construcción nueva pavimento flexible 0.45 Construcción nueva pavimento rígido 0.35 SERVICIABILIDAD SERVICIABILIDAD: Percepción que tienen los usuarios del nivel de servicio del pavimento Valor en el instante después de construcción o rehabilitación PSR: Present Serviceability Ratio (calificación del usuario) Menor valor tolerado antes de rehabilitar Regresión numérica según correlación entre daños, regularidad y calificación del usuario Índice de servicio final (Pt) PSI: Present Serviceability Index 3.0 2.5 2.0 % de usuarios que consideran inaceptable la vía 12 55 85 SERVICIABILIDAD Índice de servicio inicial (P0 ó Pi): Pavimento recién construido o rehabilitado. P0: 4.2 pavimentos flexibles P0: 4.5 pavimentos rígidos Índice de servicio final o terminal (Pt ó Pf): valor mínimo que puede ser aceptado para una vía. Pt: 1.5 vías de baja importancia Pt: 2.5 – 3.0 vías principales y arterias PSI = P0 - Pt 100.000 aplicaciones de un eje de 80 kN produjo en un pavimento flexible, una caída del PSI de 4.2 a 2.5 NIVEL DE SERVICIABILIDAD PSI = P0 - Pt Tipo de pavimento Flexible Rígido Serviciabilidad inicial, P0 4.2 4.5 Tipo de vía Serviciabilidad final, Pt Autopista Carreteras Vía urbana principal Vía urbana secundaria 2.5 - 3.0 2.0 - 2.5 1.5 - 2.0 1.5 - 2.0 3 18:03 MÓDULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE NÚMERO ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO El módulo resiliente es la propiedad de caracteriza la subrasante en el método AASHTO. Se considera como una medida de las propiedades elásticas del suelo, que representa ciertas características no lineales. El número estructural del pavimento es una cifra abstracta que representa la resistencia total de un pavimento para determinadas condiciones de subrasante, tránsito, índice de servicio y condiciones ambientales. Métodos de obtención del módulo resiliente repasar lo expuesto en clase anterior. NÚMERO ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO W18: número de ejes equivalentes de 18000 lb (8.2t) en el carril de diseño durante el período de diseño. Zr: desviación normal estándar. S0: error combinado de la predicción del tránsito y la predicción del comportamiento PSI: diferencia entre serviciabilidad inicial (P0) y final (Pt) Mr: Módulo resiliente de la subrasante, psi SN: número estructural (indicativo del espesor total del pavimento) ECUACIÓN AASHTO El método asigna coeficientes a las capas del pavimento: SNi = ai * mi * di Coeficiente de capa: ai Coeficiente de drenaje: m i Espesor de capa: di (pulgadas) Los coeficientes permiten convertir los espesores reales (di) a números estructurales (SNi) Cada coeficiente es una medida de la capacidad relativa de una material para funcionar como parte de la estructura de pavimento CALIDAD DEL DRENAJE COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE CAPAS ASFÁLTICAS La temperatura y la humedad tienen efecto sobre la resistencia, durabilidad y capacidad de resistir cargas. Calidad del drenaje Excelente Buena Aceptable Pobre Muy pobre Tiempo de remoción del agua 2 horas 1 día 1 semana 1 mes El agua no drena Valores de m i recomendados para capas de base y subbase granular: Calidad del drenaje Excelente Buena Aceptable Pobre Muy pobre % de tiempo de exposición de la estructura del pavimento a niveles de humedad próximos a la saturación <1% 1.40 - 1.35 1.35 - 1.25 1.25 - 1.15 1.15 - 1.05 1.05 - 0.95 1-5% 1.35 - 1.30 1.25 - 1.15 1.15 - 1.05 1.05 - 0.80 0.95 - 0.75 Temperatura: afecta las capas con ligantes asfálticos 5-25% 1.30 - 1.20 1.15 - 1.00 1.00 - 0.80 0.80 - 0.60 0.75 - 0.40 >25% 1.20 1.00 0.80 0.60 0.40 Gráfica para estimar el aporte estructural de la carpeta asfáltica, a1. Humedad: tiene efecto en expansividad de la subrasante. 4 18:03 COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE BASES GRANULARES a2 = 0.249 log(Ebg) - 0.977 Gráfica para estimar el aporte estructural de la base granular, a2. COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE BASES TRATADAS CON CEMENTO Gráfica para estimar el aporte estructural de bases estabilizadas con cemento, a2. COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE SUBBASES GRANULARES a2 = 0.227 log(Esbg) - 0.839 Gráfica para estimar el aporte estructural de la subbase granular, a3. COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE BASES TRATADAS CON ASFALTO Gráfica para estimar el aporte estructural de bases estabilizadas con asfalto, a2. ESPESORES MÍNIMOS Tránsito en ejes equivalentes (ESAL) < 50.000 50.000 - 150.000 150.000 - 500.000 500.000 - 2'000.000 2'000.000 - 7'000.000 > 7'000.000 Carpeta asfáltica Bases granulares (in) (in) 1 o TS 4 2.0 4 2.5 4 3.0 6 3.5 6 4.0 6 MANUAL DE DISEÑO INVIAS MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO 5 18:03 CATEGORÍAS DE TRÁNSITO, CLIMA Y SUBRASANTE Designación T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 Rangos de tránsito acumulado en carril de diseño (millones de ejes de 8.2t) 0.5 - 1.0 1.0 - 2.0 2.0 - 4.0 4.0 - 6.0 6.0 - 10.0 10.0 - 15.0 15.0 - 20.0 20.0 - 30.0 30.0 - 40.0 Categoría Módulo resiliente (kg/cm2) S1 S2 300 < Mr < 500 500 < Mr < 700 S3 S4 S5 700 < Mr < 1000 1000 < Mr < 1500 Mr > 1500 R1 Fría seca y fría semihúmeda < 13 R2 R3 R4 R5 R6 Templado seco y templado semihúmedo Calido seco y cálido semihúmedo Templado húmedo Cálido húmedo Cálido muy húmedo 13 - 20 20 - 30 13 - 20 20 - 30 20 - 30 < 2000 < 2000 2000 - 4000 2000 - 4000 > 4000 Región Precipitación media anual (mm) < 2000 No BIBLIOGRAFÍA Temperatura TMAP (ºC) American Association of State Highway and Transportation Officials. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. 1993. Montejo Fonseca, Alfonso. Ingeniería de Pavimentos. 3 edición. Universidad Católica de Colombia. 2006. Editorial Higuera, Carlos. Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimentos para carreteras. Ed. Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia. 2011. Huang, Yang. Pavement Analysis and Design. INVIAS. Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras. 2002. INVIAS. Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito. 1998. INVIAS. Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con bajos volúmenes de tránsito. 2007. Sánchez Sabogal, Fernando. Apuntes de clase Escuela Colombiana de Ingeniería. 6
