Método Del Instituto de Asfalto

MÉTODO DEL INSTITUTO DE ASFALTO Diseño de Pavimentos y Estabilización de Suelos Prof. José HARRIS

II Cuatrimestre - 2015

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En este procedimiento de diseño, la estructura de pavimento es considerada como un sistema elástico de capas múltiples. El material en cada una de las capas se caracteriza por su módulo de elasticidad, Ei, y relación de Poisson, mi.

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Este procedimiento es usado para el diseño de pavimentos de carpeta asfáltica, capa base y subbase sin ningún tratamiento. La subrasante es la capa subyacente más baja y es asumida infinita en el sentido vertical de arriba hacia abajo y en dirección horizontal

Las otras capas de un espesor finito, se asumen infinitas hasta cierto punto en el sentido horizontal. Continuidad o fricción total, es asumida en la interfase entre cada una de las capas para efectos de diseño.

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En la metodología adoptada por este método, las cargas sobre la superficie del pavimento producen deformaciones unitarias que son críticas para propósitos de diseño:

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La deformación horizontal por tracción, et, sobre el lado debajo en el límite de la carpeta asfáltica

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La deformación vertical por compresión, ec, en la superficie de la subrasante.

et = 0.0022622N-0.1626

ec = 0.0018N-0.25

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Si la deformación horizontal por tracción, et es excesiva, pueden resultar grietas en la carpeta.

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Si la deformación vertical por compresión, ec es excesiva, resultan deformaciones permanentes en la superficie de la estructura del pavimento por las sobrecargas en la subrasante.

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ESTIMACIÓN DEL TRÁFICO Dado que los camiones son los que más daño ocasionan en una carretera, se debe considerar este tipo de flujo vehicular sobre el carril de diseño:

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ESTIMACIÓN DEL TRÁFICO Para efectos de cálculo en la Tabla 7-5 se consideran periodos de diseño de 1 a 35 años (n) y tasas de crecimiento vehicular (r) desde 2% hasta 10%.

1  r  Factor =

n

1

r

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ESTIMACIÓN DEL TRÁFICO Los factores de equivalencia se toman de la Tabla 7-6 para cargas desde 1000lb hasta 90000lb. Este rango cubre cualquier condición de peso de vehículos de carga en cualquier red de carreteras, desde rurales hasta autopistas.

23.28 23.28

23.28

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ESTIMACIÓN DEL TRÁFICO Los factores de equivalencia de cargas para ejes simples se puede aproximar con la siguiente relación: x

 1000     0.00002 18000   log 0.00002 x  10  3.74 4 1 log10  18 

por ejemplo: 4

 16000     0.624  0.623 18000  

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ESTIMACIÓN DEL TRÁFICO Este método incorpora factores de ajuste de los ESAL’s para diferentes presiones de contacto de las llantas sobre el pavimento, en función de la presión de inflado y los espesores de carpeta asfáltica.

Este ajuste caracteriza la importancia que tiene la presión de inflado sobre el espesor de una estructura de pavimento; a mayor presión de inflado y menor espesor de carpeta, se incrementa el daño a la estructura del pavimento.

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

4”

5”

6” 7” 8” 9” 10”

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ESTIMACIÓN DEL TRÁFICO Para el uso de la hoja de trabajo HT-01, se procede de la siguiente manera: 1) En la columna “A” se coloca la cantidad de vehículos diarios que corresponden a cada tipo de vehículo; valor tomado de un aforo anteriormente efectuado. 2) En la columna “B” se coloca el factor de crecimiento de vehículos en función de la tasa anual de crecimiento considerada (r = 4%, 2%, 6%, 2%) y el periodo de diseño asumido (n=15 años).

3) En la columna “C” se coloca el producto de las columnas “A” por “B” y por 365 `para llevar el valor a forma anual). 4) En la columna “D” se coloca el factor de equivalencia de carga, tomado de la Tabla 7-6 en función de la carga total por eje o conjunto de ejes, si estos son sencillos, dobles o triples.

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ESTIMACIÓN DEL TRÁFICO 5) En la columna “E” se coloca el producto de las columnas “C” y “D” que son los ESAL’s de diseño para cada tipo de vehículo considerado en esta hoja de trabajo. 6) La suma de la columna “E” da el valor total de los ESAL’s calculados para el periodo de diseño considerado. 7) Posteriormente, este valor de ESAL’s debe afectarse por el porcentaje de camiones en el carril de diseño dado en la Tabla 7-4. 8) También debe afectarse el valor de los ESAL’s por el factor de ajuste por presión de llantas determinado por la Figura 7-9.

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MATERIALES Este método considera como parámetro fundamental la evaluación de los materiales para obtener el módulo de resiliencia (Mr). Como no es fácil tener el equipo adecuado para llevar a cabo este tipo de pruebas, se han establecido correlaciones entre Mr y el CBR. Mr MPa  10.3  CBR Mr (psi)  1500  CBR

Los valores obtenidos son aproximados, para obtener valores de diseño será necesario realizar pruebas del Mr de la subrasante. Es importante recordar que tales correlaciones sólo son aplicables a materiales de la subrasante con CBR < 10%

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CBR (%) 0-5 5 - 10 10 - 20 20 - 30 30 - 50 50 - 80 80 - 100

CLASIFICACIÓN Subrasante muy mala Subrasante mala Subrasante regular a buena Subrasante buena Subrasante muy buena Base buena Base muy buena

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MATERIALES El Instituto de Asfalto recomienda los siguientes valores percentiles para calcular el módulo de resiliencia de diseño de la subrasante, mostrados en la Tabla 7-8:

Con los valores obtenidos en camp del módulo de resiliencia, se deberá calcular el Mr de diseño de la subrasante con los percentiles de la tabla anterior.

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MATERIALES Ejemplo: Determine el valor de diseño del módulo de resiliencia Mr (psi) para 87.5 percentil. Los resultados obtenidos de 7 pruebas realizadas directamente a la subrasante fueron los siguientes:

44.8, 58.6, 67.6, 68.3, 68.3, 80.0, 106.9 MPa 6500, 8500, 9800, 9900, 9900, 11600, 15500 psi Mr MPa 106,9 80,0 68,3 68,3 67,6 58,6 44,8

psi 15500 11600 9990 9990 9800 8500 6500

87.5

Número igual Porcentaje igual o o mayor mayor 1 2

(1/7)×100 = (2/7)×100 =

4 5 6 7

(4/7)×100 (5/7)×100 (6/7)×100 (7/7)×100

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14 29

8500

= 57 = 71 = 86 = 100 16

MATERIALES Es necesario que los requerimientos de compactación de las capas base y subbase, cumplan con las recomendaciones siguientes: Capas base y subbase constituidas por materiales granulares sin ningún tratamiento (no estabilizadas), Se deben compactar con un contenido de agua ±1.5% del contenido de agua óptimo para alcanzar un grado de compactación del 100% con respecto al peso volumétrico seco máximo de laboratorio.

Utilizar como referencia los capítulos 21 (Material Selecto o Subbase), 22 (Base de agregados pétreos), y 24 (Carpeta de Hormigón Asfáltico) de las ETG del MOP.

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MATERIALES Es importante señalar que también el método incluye factores de medio ambiente y diferentes clases de tipos de asfalto; para el caso se consideran 3 diferentes temperaturas dependiendo de la región o zona en donde se planea construir el pavimento. Clima frío: TMAA 24ºC) TMAA = Temperatura Media Anual del Aire En la República de Panamá el clima es marítimo tropical; caliente, húmedo, nublado, con una estación seca corta (entre enero y mayo) y una estación lluviosa (entre mayo y enero). La TMAA para zonas costeras está entre 23 y 27ºC y para zonas montañosas es de unos 19ºC.

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ESPESORES Para espesores mínimos en función de la cantidad de tránsito de ejes equivalentes, este método recomienda los siguientes valores para la carpeta asfáltica:

Para la selección final de los espesores de diseño, el Instituto de Asfalto proporciona 9 figuras de diseño; de la 7-10 a la 7-18 en sistema métrico y de la 7-19 a la 7-27 en sistema inglés. Las figuras se presentan en escalas logarítmicas para los siguientes parámetros:

1) Las 3 condiciones climáticas consideradas en la TMAA de la Tabla 7-9 2) Total de ejes equivalentes acumulados durante el periodo de diseño, Hoja de Trabajo HT-01 MÉTODO DEL INSTITUTO DE ASFALTO

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ESPESORES 3) Módulo de Resiliencia de la subrasante, Mr. 4) Carpeta asfáltica de una sola capa o espesor total (Full-depth). 5) Carpeta asfáltica + Capa base granular de 6” (150mm). 6) Carpeta asfáltica + Capa base granular de 12” (300mm).

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ESPESORES Ejemplo: CBR de diseño de la subrasante = 3.5% ESAL’s = 7 024 463 Espesor de capa base seleccionado = 12” (300mm) TMAA = 75ºF (24ºC) 1) Se calcula del módulo de resiliencia de la subrasante: Mr = 10.3 CBR = 10.3 × 3.5 = 36.05MPa 2) En la Figura 7-18 del Instituto de Asfalto que corresponde a una TMAA = 24ºC y considera un espesor de capa base granular de 300mm. Se parte del eje horizontal en donde están los ESAL’s de 7 024 463 ≈ 7×106 y del eje vertical con el Mr = 36.05 ≈ 36MPa, las dos líneas se interceptan en 350mm (14”). 3) Con los mismos datos pero considerando un espesor de capa base granular de 150mm, se obtiene un espesor de carpeta asfáltica de 375mm (15”) de la Figura 7-17. MÉTODO DEL INSTITUTO DE ASFALTO

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ESPESORES

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ESPESORES

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ESPESORES En caso de necesitar la colocación de una capa subbase se debe definir un espesor mínimo de la capa base en función de los ESAL’s esperados para el periodo de diseño:

Para el ejemplo anterior se tiene un espesor de capa base de 300mm (12”), y un ESAL = 7×106 con el cual definimos un espesor mínimo de capa base de 6” (150mm) y se requiere convertir las otras 6” de capa base en espesor de capa subbase equivalente. El Capítulo 21 (Material Selecto o Subbase) de las ETG del MOP especifica en valor de CBR > 25%. Utilizando los nomogramas de la Figura 2-7 se puede estimar el Mr = 14000psi. El Capítulo 22 (Base de Agregados Pétreos) de las ETG del MOP especifica un valor de CBR > 80%. Utilizando los nomogramas de la Figura 2-6 se puede estimar el Mr = 28000psi. MÉTODO DEL INSTITUTO DE ASFALTO

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ESPESORES

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ESPESORES DBS f  6" ESB  14000psi DBS i  DBS f  6" EBS  28000psi

Se obtiene un espesor de capa subbase equivalente: DSB  10"

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