métodos de diseño de pavimentos Instituto del Asfalto

METODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO DE ESTADOS UNIDOS

Diseño de Pavimentos

Estructura del Informe . DISEÑO

• • • • • • • • • •

DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

1 Introducción 2 Marco teórico del método. 3 Parámetros de entrada del método. 4 Procedimiento para el diseño con las respectivas tablas o gráficos 5 Ejemplo de una vía real. 6 Cálculos. 7 Análisis de resultados. 8 Conclusiones y recomendaciones. 9 Sustentar. 10 Bibliografía

1. Introducción. •

El método más reciente del Instituto del Asfalto de los Estados Unidos de Norteamérica, editado en 1991 y publicado en 1993, presenta algunos cambios significativos, respecto a los métodos anteriores para el diseño de la sección estructural de los pavimentos flexibles. El método se basa principalmente en la aplicación de la teoría elástica en multicapas, que utiliza resultados de investigaciones recientes por parte de ese organismo. Sin embargo, se reconoce que por los avances en la tecnología de los pavimentos asfálticos, se requieren más conocimientos sobre las propiedades de los materiales para las necesidades actuales de los sistemas carreteros, por lo que el método vigente, probablemente requiera revisión e implementación futuras. El manual presenta un procedimiento de diseño para obtener los espesores de la sección estructural de pavimentos, donde se utilizan el cemento asfáltico y las emulsiones asfálticas en toda la sección o en parte de ella. Se incluyen varias combinaciones de superficies de rodamiento con concreto asfáltico, carpetas elaboradas con emulsiones asfálticas, bases asfálticas y bases o subbases granulares naturales.

2. Marco Teórico del Método. • El sistema se basa en un tráfico probable durante un periodo de Diseño, de 20 años referido a su carga por “ eje sencillo “ de 18000 libras ( 8280 Kg aprox. ), que es la “ carga por eje “ y considera además el valor portante del terreno de fundación, la calidad de los materiales de base, sub - base y capa de rodamiento que se empleen, y los procesos de construcción a seguirse. Dicho transito pasado en 20 años y referido a una carga por 18000 libras, se denomina “ valor de transito para el diseño “ y es determinado en función del “ transito diario inicial “, que es el promedio de ambas direcciones, estimado para el año 1 de servicio. El ábaco No. 1. determina el “ índice de tráfico del proyecto “, en función del transito diario, tanto para las principales carreteras urbanas como calles. A fin de interpretar mejor estos gráficos, damos a conocer a continuación, las definiciones del Instituto del Asfalto para calles, carreteras rurales, etc.

3 Parametros de Entrada del Metodo Este método está basado en el establecimiento de un límite de deflexión a la estructura del pavimento, el cual es función del número e intensidad de aplicaciones de carga. El primer paso para la aplicación del método del Instituto Norteamericano del Asfalto consiste en determinar el número de tránsito para el periodo de diseño. Por otro lado, el método permite el empleo de concreto asfáltico o emulsiones asfálticas en la totalidad o en parte de la estructura del pavimento, e incluye varias combinaciones de capa de rodadura y bases de concreto asfáltico; de capa de rodadura y bases con emulsiones asfálticas, así como capas de rodadura asfáltica con base y subbase granulares. También considera al pavimento como un sistema elástico de varias capas y para su análisis emplea conceptos teóricos, experimentales y corridas de programa de cómputo, sin embargo con el objeto de simplificar el método, el Instituto de Asfalto propone una serie de ábacos que permiten la aplicación del método en forma rápida y sencilla.

4 Procedimiento para el diseño con las respectivas tablas o gráficos. • El método utiliza 10 cartas de diseño basadas en que los espesores de diseño deben cumplir con dos solicitudes deferentes en lo referente a deformaciones: la vertical de compresión en la superficie de la subrasante y la horizontal de tensión en la parte inferior de las capas ligadas con material bituminoso. Las figuras presentadas a continuación presentan el mayor de los espesores asociados con dichas solicitudes y suponen transito hasta cerca de 10 E 8 repeticiones de ejes simples equivalentes a 8.2 toneladas, por lo que se pueden emplear para los niveles de transito de diseño para las vías colombianas.

El procedimiento para el diseño es el siguiente: o Se estima el numero acumulado de ejes simples equivalentes de 8.2 toneladas, esperado en el carril de diseño durante el periodo de diseño. o Se determina la resistencia de diseño de los suelos de subrasante expresada por el modulo resiliente correspondiente. o Se elige el tipo de base. Para cada tio de base elegida se obtiene de la grafica de diseño correspondiente los espesores de las diferentes capas de pavimento. 1. Estimaciond del transito proyectado: 4.23 * 10 E 6 ejes equivalentes de 8.2 toneladas.

3. Estimación de las cargas de diseño (Wt18)

• Wt18=EEo*F (Ecuación 2)

EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D

F = Factor de crecimiento F = {(1 + TC)^n – 1} / TC TC = tasa de crecimiento interanual n

= periodo de diseño

3. Estimación de las cargas de diseño (Wt18) EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño

EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D

TPDA = Tráfico Promedio Diario Anual, para el primer año del periodo de diseño. %Vp = Porcentaje de vehículos de carga dentro del volumen de tráfico total FC

= Factor Camión, o carga equivalente total por “camión promedio”

fds

= factor de distribución del tráfico por sentido de circulación

fuc

= factor de utilización del tráfico total por sentido en el canal de diseño

A

= factor de ajuste por tráfico desbalanceado

D = Días por año en que circulará por el canal de diseño el tráfico definido por los términos anteriores (365 días en este proyecto).

3.1 Valores de TPDA y TC

Año

Moto

Pesados de Pasajeros

Veh. Liv.

MB

Pesados de Carga

BUS

C2 Liv.

C2

C3

TPDA (vpd)

Otros

2010

33

23

1

17

11

62

82

1

230

2011

34

24

1

18

12

71

88

1

249

2012

35

25

1

18

12

77

92

1

261

2013

36

26

1

19

12

92

102

1

289

2014

37

26

1

19

13

99

107

1

303

2015

39

27

1

20

13

105

112

1

318

2016

40

29

1

21

14

113

118

1

337

2017

43

30

1

22

14

123

125

1

359

2018

45

31

1

23

15

133

132

1

381

2019

47

33

1

25

16

145

137

1

405

2020

50

37

2

26

17

173

160

2

467

2021

54

39

2

28

19

187

169

2

500

2022

57

42

2

30

20

203

181

2

537

2023

61

44

2

32

21

223

194

2

579

2024

66

47

2

35

23

244

209

2

628

2025

70

50

2

37

24

263

213

2

661

2026

75

53

2

40

26

287

223

2

708

2027

80

57

2

43

28

311

227

2

750

2028

86

63

3

46

30

338

238

3

807

2029

92

67

3

49

32

368

252

3

866

FUENTE: ESTUDIO DE TRÁFICO DEL ASOCIO

Fuente: Estudio de Tráfico Carretera

3.2 Factores de equivalencia de cargas Carga (kips)

Carga (ton) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50

0.91 1.82 2.72 3.63 4.54 5.45 6.36 7.26 8.17 9.08 9.99 10.90 11.80 12.71 13.62 14.53 15.44 16.34 17.25 18.16 19.07 19.98 20.88 21.79 22.70

FE(simples) 0.0002 0.003 0.013 0.041 0.102 0.213 0.388 0.645 1.000 1.470 2.090 2.890 3.910 5.210 6.800 8.800 11.300 14.400 18.100 22.500 27.800 34.000 41.400 50.100 60.000

SN = 4,0 y pt = 2,5 FE(dobles) FE(triples) 0.000 0.0003 0.0010 0.0040 0.0090 0.0180 0.0330 0.0570 0.0920 0.1410 0.2070 0.2920 0.4010 0.5340 0.6950 0.8870 1.1100 1.3800 1.6800 2.0300 2.4300 2.8800 3.4000 3.9800 4.6400

0.0001 0.0004 0.001 0.002 0.004 0.008 0.013 0.021 0.032 0.048 0.068 0.095 0.128 0.170 0.220 0.281 0.352 0.436 0.533 0.644 0.769 0.911 1.107 1.250

Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes simples)

Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes dobles)

Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes triples)

Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

3.3 Factores camión por tipo de vehículo, para la combinación de cargas sobre la vía (Fuente: Estudio de Tráfico, Aparte IV.4.1 y Guía AASHTO-93)

condición de carga Tipo de vehiculo

Ejes equivalentes por camión Total

Mbuses Buses C2pesado C2 Liviano C3 OTROS

1 17 62 11 82 1

Veh. Livianos Total pesados

23 174

% 0.57% 9.77% 35.63% 6.32% 47.13% 0.57%

100% cargados 0.700 1.674 1.674 0.169 1.469 2.780

50% cargados 0.178 0.426 0.426 0.038 0.652 0.731

vacios 0.050 0.050 0.050 0.004 0.228 0.104

% 100% % 50% % vacios cargados cargados 61.00% 36.00% 21.00% 21.00% 80.00% 67.00%

27.00% 43.00% 55.00% 55.00% 10.00% 33.00%

12.00% 21.00% 24.00% 24.00% 10.00% 0.00%

Total 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00% 100.00%

Factor Camión Ponderado 0.4811 0.7963 0.5975 0.0572 1.2633 2.1035 0.0003

100.00%

3.4 Cargas equivalentes acumuladas en el periodo de diseño (Wt18) Veh. Liv.

Pesados de Pasajeros MBus

Totales FE fds DIAS fuc A

773 0.0003

Bus

32 568 0.4811 0.7963

1.0

REE REEtotal

44

2,922 85,848

Pesados de Carga C2 Liv.

C2

Otros

372 3,617 3,161 32 0.0572 0.5975 1.2633 2.1035 0.52 365.00 1.0 1.0 4,036

410,183

1273,748

•RESUMEN: VIDA UTIL (años) 20 15 10

C3

Cargas de diseño

CONSIDERACIONES: •fds = 0.52 (Fuente: Estudio de Tránsito) • fuc = 1.0 (Fuente: Guía AASHTO-93) • A = 1.0 (Fuente: Guía AASHTO-93)

1,273,748 779662 415113

757,939

12,776

4 . Confiabilidad en el diseño (R) • La Confiabilidad y el Factor de Seguridad Valor de la Confiabilidad 50 60 70 75 85 95

Zr 0.000 - 0.253 - 0.524 - 0.674 - 1.037 - 1.645

So 0.45

Factor de seguridad 1.00 1.30 1.72 2.01 2.93 5.50

5. Variación permisible en la Servicapacidad (Dpsi) • Servicapacidad inicial (po) = 4.2 – Condición de servicio de un pavimento al concluir su construcción

• Servicapacidad final (pt) = 2.00 – Condición de servicio de un pavimento en una vía rural principal al final de su vida de servicio Ambos valores son recomendados por el Manual SIECA y la Guía AASHTO-93

Dpsi = 4.2 – 2.0 = 2.2

6. Caracterización del material de sub-rasante • Fueron ensayadas 21 muestras del material de fundación sobre la línea. (Estudio de suelos para revisión de estructura de pavimentos, ASOCIO, enero 2009)

• Estos resultados fueron analizados bajo el procedimiento del Instituto del Asfalto, para determinar el CBR de Diseño”.

6. Caracterización del material de sub-rasante RESULTADO DE ENSAYOS N°

ANALISIS CBR menor a mayor

CBR

FRECUENCIA

NUMERO DE ENSAYOS, IGUALES O MAYORES

PERCENTIL

3.00

21.00

100.00

1

3.18

2

3.73

2.69 2.69

3

3.18

2.69

4

3.18

2.9

1.00

18.00

85.71

5

3.18

3.08

10.00

17.00

80.95

6

3.08

3.08

3.08 3.08 3.08 3.08 13.85 3.08 4.8 2.69 2.69 2.69 3.08 3.08 2.9 3.08 3.08

3.08 3.08 3.08 3.08 3.08 3.08 3.08 3.08 4.00

7.00

33.33

1.00 1.00 1.00 21.00

3.00 2.00 1.00

14.29 9.52 4.76

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

Nt

PERCENTIL

10^8

95 90 85 75

10^7 10^6 10^5

3.18 3.18 3.18 3.18 3.73 4.8 13.85 CBR DE DISEÑO

OBSERVACIONES

3.05%

COMO LOS EJES EQUIVALENTES SON 1,273,748 ESTA ENTRE 10^6 Y 10^7, EL PERCENTIL DE DISEÑO ES EL 85% y POR LO TANTO EL CBR DE DISEÑO ES 3.05%.

NOTAS:

Nt es cargas equivalentes totales o ejes equivalentes (EE)

6. Caracterización del material de sub-rasante

6. Unidades de diseño en función de los CBR • Correlación entre valores de CBR y Módulo Resiliente (MR)*

* Ecuación de correlación integrada dentro del Programa Winpas de la APCA

Valores requeridos de Número Estructural (SN) sobre la sub-rasante

7. Número Estructural (SN/sr)* sobre la SR

VIDA UTIL (años) 20 15 10

Cargas de diseño 1,273,748 779662 415113

MR sub-rasante psi 4,211.7

SN/sub-rasante 3.82 3.56 3.24

* Solución de la Ecuación AASHTO-93 para las diferentes variables independientes

8. Calidad de materiales para capas del pavimentos • Material para sub-base – Los resultados de los ensayos ejecutados sobre los materiales encontrados en los bancos a lo largo del trazado, permiten concluir que no se encontrarán materiales aptos para ser empleados como “subbase granular”, ya que, en los bancos analizados se han obtenido valores de CBR muy bajos. – Con base en lo anterior se recomienda que el actual rodamiento se estabilice en 20 centímetros con cemento y sea considerada la subbase, en función de ello se estima un coeficiente estructural (a3) de 0.10 y un “coeficiente de drenaje (cm3)” de 1.0

asub-base = 0.10 y coeficiente de drenaje = 1.0

8. Calidad de materiales para capas del pavimentos • Material para base granular •

Como material de base granular se recomienda una mezcla de materiales granulares, debidamente triturados y gradados, que resulten con un CBR mínimo de 80%. La correlación PAS para este tipo de material arroja un MR de 38,971 psi. La Guía de Diseño AASHTO-93 asigna a estas mezclas un coeficiente estructural (a2)

.

de 0.14 y un coeficiente de drenaje (cm2) de 1.00

aBase = 0.14 y coeficiente de drenaje = 1.00

* Según Ecuación de correlación del ACPA

8. Calidad de materiales para capas del pavimentos Mezclas asfálticas para pavimento •

Para la capa asfáltica debe emplearse mezcla de concreto asfáltico densamente gradadas, mezcladas en planta en caliente, de las características que se indican en la Tabla 11, determinadas de acuerdo al Ensayo Marshall (AASHTO T-245) TABLA 11 Requisitos de calidad de las mezclas asfálticas Capa

Rodamiento

Granulometría Tipo

Estabilidad (lbs)

Flujo (0.01 pulg)

Vacíos totales (%)

VAM (%)

Vacíos llenados (VFA), (%)

TNM 12

> 1.800

8 – 14

3–5

> 13

65 - 75

arodamiento = 0.43 y coeficiente de drenaje = 1.0

9. Determinación de los espesores de capas SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado (Ecuación 5)

ESCENARIO 1: vida útil de 20 años

ALTERNATIVA

MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE (MAC) DOBLE TRATAMIENTO SUPERFICIAL ASFALTICO (DTS) ADOQUIN

Espesor capa de rodamiento (cm) 10.0

Espesor capa de base granular (cm) 25.0

Espesor capa de sub-base estabilizada con cemento (cm) 20.0

0.00

50.0

35.0

10 (MAS 5 CMS DE ARENA)

25.0

20.0

9. Determinación de los espesores de capas SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado (Ecuación 5)

ESCENARIO 2: vida útil de 15 años

ALTERNATIVA

Espesor capa de rodamiento (cm)

Espesor capa de sub-base estabilizada con cemento (cm)

8.5

Espesor capa de base granular (cm) 25.0

MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE (MAC) DOBLE TRATAMIENTO SUPERFICIAL ASFALTICO (DTS) ADOQUIN

0.00

44.0

35.0

10 (MAS 5 CMS DE ARENA)

19.0

20.0

20.0

9. Determinación de los espesores de capas SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado (Ecuación 5)

ESCENARIO 3: vida útil de 10 años ALTERNATIVA

MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE (MAC) DOBLE TRATAMIENTO SUPERFICIAL ASFALTICO (DTS) ADOQUIN

Espesor capa de rodamiento (cm) 6.5

Espesor capa de base granular (cm) 25.0

Espesor capa de sub-base estabilizada con cemento (cm) 20.0

0.00

38.0

35.0

10 (MAS 5 CMS DE ARENA)

15.0

17.5

Espesores de pavimento. Alternativa de concreto.

9. Determinación de los espesores de capas ESCENARIO 4: Espesores de pavimento Alternativa de concreto.

VIDA UTIL (años) 20 15 10

Espesores de diseño (cm) Losa de concreto Base Sub-base estabilizada estabilizad con cemento a con cemento 15.00 15 20 14.00 15 20 12.00 15 20

12. Alternativa recomendada • El análisis de la información anterior, en cuanto a espesores y tipos de materiales, conjuntamente con los precios unitarios estimados para cada tipo de material, permitirá la selección de la alternativa más conveniente para el tramo