Diseños de pavimentos asfálticos para calles y carreteras

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
INTRODUCCIÓN
Generalidades
 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 (cont.)
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
INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
 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 EMPÍRICO - MECANÍSTICOS 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
DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÉTODOS EMPÍRICOS
DE DISEÑO
MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
MÉTODO AASHTO - 93
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO
 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
MÉTODO AASHTO - 93
DEFINICIONES
 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
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Concepto de serviciabilidad – comportamiento
La serviciabilidad de un pavimento se expresa en
términos de su Índice de Servicio Presente (ISP)
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Concepto de serviciabilidad – comportamiento
Fórmula del Índice de Servicio Presente (ISP) para
pavimentos 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
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Ecuación de comportamiento
 ISP 
log 
 4.2  1.5   (2.32)(log M )  8.07
LogW18  ( z R )( So)  (9.36)(log( SN  1))  0.20 
R
1094
0.4 
( SN  1) 5.19
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Significado de los términos de la ecuación
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
MÉTODO AASHTO - 93
REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ECUACIÓN
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
NIVELES DE CONFIABILIDAD RECOMENDADOS POR AASHTO
Clasificación funcional de Nivel recomendado de confiabilidad (%)
la vía
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
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
RELACIONES ENTRE CONFIABILIDAD Y ZR EN UNA DISTRIBUCIÓN NORMAL
Confiabilidad (%)
zR
50
0
75
80
85
95
99
0.674 0.842 1.037 1.645 2.327
99.9
3.08
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Módulo resiliente efectivo (MR)
—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
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO
MÉTODO AASHTO - 93
AJUSTE DEL MR DE LA SUBRASANTE POR LAS VARIACIONES
ESTACIONALES
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Número estructural (SN)
 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
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Número estructural (SN)
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
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Coeficientes estructurales de capa (ai)
Miden la capacidad relativa de una unidad de
espesor de una determinada capa para funcionar como
componente estructural del pavimento
 Los coeficientes estructurales dependen de:
—Resistencia del material (CBR, módulo, etc)
—Calidad de la construcción
—Estado de esfuerzos
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Coeficientes estructurales de capa (ai)
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
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA (ai)
CAPA
Coeficiente estructural
Asfáltica
Figura GG.7, volumen II, manual AASHTO ( 0.20-0.50)
Base
granular
a2 = 0.249 (log E B ) - 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)
Subbase granular
a3 = 0.227 (log E SB ) - 0.839
MÉTODO AASHTO - 93
NOMOGRAMA AASHTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL
COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE UNA BASE GRANULAR
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Determinación de
individuales (Di)
los
espesores
D1* 
de
las
capas
SN1
a1
SN1*  a1 D1*  SN1
D2*  ( SN 2  SN1* ) / a2 m2
SN1*  SN 2*  SN 2
D3*  SN3  ( SN1*  SN 2* ) / a3 m3
* Indica el valor realmente usado, el cual debe
ser igual o mayor que el valor requerido según
el algoritmo
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Determinación gráfica del SN
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Determinación del SN con un programa de cómputo
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
ESPESORES MÍNIMOS ADMISIBLES PARA LAS
CAPAS ASFÁLTICAS Y LA BASE GRANULAR
N
(10 )
< 0.05
0.05-0.15
0.15-0.50
0.50-2.00
2.00-7.00
>7.00
6
Espesores mínimos (pulgadas)
Capas asfálticas Base granular
TSD
4.0
2.0
4.0
2.5
4.0
3.0
6.0
3.5
6.0
4.0
6.0
MÉTODO AASHTO - 93
EJEMPLO DE DISEÑO
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
EJEMPLO DE DISEÑO
Características de los materiales de construcción
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Determinación de SN1
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Cálculo de D1
D1 
SN 1 1.97

 4.47 pulgadas (tomar 4.5 pulgadas)
a1
0.44
Verificación de D1
4.5 pulgadas > 3.0 pulgadas
Cálculo de SN1*
SN1* = a1 * D1* = 0.44 * 4.5 = 1.98
O.K.
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Determinación de SN2
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Cálculo de D2
SN 2  SN 1* 2.54 - 1.98
D2 

 5.4 pulgadas
a 2m2
0.14 * 0.8
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
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Determinación de SN3
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Cálculo de D3
SN 3  (SN *2  SN 1* ) 3.43 - ( 1.98  0.624)
D3 

 10.1 pulgadas
a 3m3
0.102 * 0.8
Resumen del diseño
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
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
REGIONES CLIMÁTICAS
El país se dividió en seis regiones climáticas, con base
en la temperatura y la precipitación media anual
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
TRÁNSITO DE DISEÑO
REQUISITOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS
EN LA GUÍA DE DISEÑO
Categoría
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
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
4.0 - 6.0
6.0 - 10.0
10.0 - 15.0
15.0 - 20.0
20.0 - 30.0
30.0 - 40.0
N*  10 0.05*z R * N
Si la confiabili dad es 90%, z R  1.282, y
N*  1.159 * N
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
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
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
VALORES ADOPTADOS PARA LOS COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA
Material
Mezcla densa en caliente
Mezcla densa en frio
Base granular
Base estabilizada con cemento
Base estabilizada con emulsión asfáltica
Subbase granular
Condición
T < 13°C
13°C £ T < 20°C
20°C £ T < 30°C
T < 13°C
13°C £ T < 20°C
20°C £ T < 30°C
suelos A-1
suelos A-2-4, A-2-5 y A-3
demás suelos
agregado grueso (BEE1)
agregado fino (BEE2)
suelo (BEE3)
ai
0,44
0,37
0,30
0,35
0,30
0,24
0,14
0,16
0,14
0,13
0,20
0,20
0,14
0,11
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CATÁLOGO DE DISEÑO
Comprende seis cartas de diseño, contemplando los
siguientes aspectos:
Carta No. Región climática
Categorías de
subrasante
Categorías de Materiales de
tránsito
construcción
1
R1
S1-S5
T1-T9
variables
2
R2
S1-S5
T1-T9
variables
3
R3
S1-S5
T1-T9
variables
4
R4
S1-S5
T1-T9
variables
5
R5
S1-S5
T1-T9
variables
6
R6
S1-S5
T1-T9
variables
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
ESTRUCTURAS RECOMENDADAS EN LA CARTA
No. 3 PARA CATEGORÍA DE TRÁNSITO T5
S1
S2
S3
S4
espesores de capa (cm)
Capa de pavimento
S5
Mezcla densa en caliente
15
12
12
10
12
10
7.5
10
10
7.5
10
10
7.5
10
Base granular
30
-
30
-
25
30
-
25
25
-
25
20
-
15
Base estabilizada (BEE1)
-
15
-
15
-
-
15
-
-
15
-
-
15
-
Base estabilizada (BEE2)
-
10
-
10
-
-
10
-
-
-
-
-
-
-
Base estabilizada con cemento
-
-
-
-
30
-
-
30
-
-
25
-
-
20
45
45
35
35
-
30
30
-
25
35
-
20
25
-
Subbase granular
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
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
DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÉTODOS EMPÍRICOMECANÍSTICOS 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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE
ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA
DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA
 Espesor de cada una de las capas
 Condiciones de carga
—Magnitud de la carga
—Geometría de la carga
—Número de cargas actuantes
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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
Superficie del pavimento
Fondo de capas asfálticas ó
bases estabilizadas
Parte superior de las capas
intermedias granulares
Superficie de la subrasante
Respuesta
Deflexión
Deformación horizontal de
tensión
Deformación vertical de
compresión
Deformación vertical de
compresión
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN 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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
EJEMPLO DE INFORMACIÓN SOBRE CARGAS Y CAPAS DEL
PAVIMENTO EN UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
EJEMPLO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES CALCULADOS
POR UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
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
aplicaciones específicas
(deflexión)
se
usa
en
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL
CONCRETO ASFÁLTICO
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)
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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)
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO
 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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN
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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
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
MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
MÉTODO SHELL – 98
(SPDM 3.0)
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
Generalidades
 El método considera el pavimento como un
sistema de capas homogéneas, isotrópicas y de
comportamiento linealmente elástico
 Los materiales de las diversas capas están
caracterizados por E y m
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
Generalidades (cont.)
Los criterios de diseño incluyen:
—Tensión horizontal en el fondo de las capas
asfálticas o en las capas de base cementadas,
cuando la estructura las incluya
—Deformación vertical de compresión al nivel de
la subrasante
—Deformación
asfálticas
permanente
de
las
mezclas
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
Generalidades (cont.)
El método permite considerar fricción variable en las
interfaces de las capas del pavimento
Los cálculos de los esfuerzos y deformaciones se
realizan con el programa BISAR
La determinación de espesores se realiza a través de
un módulo del programa Windows SPDM 3.0
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO
 Clima
 Tránsito y periodo de diseño del pavimento
 Características de las capas granulares y la
subrasante
 Composición de la mezcla
características de fatiga de ella
asfáltica
 Rigidez de la capa asfáltica y espesores
y
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Clima
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Clima
 Se emplea la temperatura promedio anual ponderada
del sitio del proyecto (w-MAAT), la cual se puede
obtener de 3 maneras:
—Introduciendo los 12 valores de temperatura
promedio mensual
—Seleccionando de la base de datos, a través del
botón Retrieve, los valores de las temperaturas
promedio mensuales
—Introduciendo directamente el valor de la
MAAT
w-
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Tránsito y período de diseño
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Tránsito y período de diseño
 Se emplea el número de ejes simples equivalentes de
80 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 con
información sobre el número de días del año con
tránsito, la tasa de crecimiento anual del tránsito y
el período de diseño del pavimento
—Introduciendo directamente el número de ejes
simples equivalentes
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Tránsito y período de diseño
La pantalla da la oportunidad de efectuar
correcciones por movimiento lateral del tránsito sobre
la calzada y por el efecto de reposo entre aplicaciones
sucesivas de carga por eje
 Los valores incluidos por defecto son 5 y 2
respectivamente
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
 Se debe ingresar obligatoriamente el módulo de la
subrasante (E3) y el espesor de las capas granulares (h2)
Se puede incluir un valor promedio del módulo de las
capas granulares (E2) o permitir que el programa lo
calcule con 50% de confiabilidad mediante la expresión:
(E2 = 0.2* h2 0.45 *E3)
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
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 criterio
de deformación de la subrasante o emplear las fórmulas
SHELL para 50%, 85% o 95% de confiabilidad
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Composición de la mezcla asfáltica y fatiga
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Composición de la mezcla asfáltica y fatiga
 Se debe ingresar la información correspondiente a
los volúmenes de agregados, asfalto y vacíos de la
mezcla compactada (es suficiente ingresar 2 de los 3
datos)
 Se debe incluir la ecuación de fatiga de la mezcla
compactada, la cual puede ser propia o la que
suministra el método por defecto
El valor Nfat es el número de ciclos para el cual el
stiffness decrece un 50% de su valor original
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
 El módulo de la mezcla se puede alimentar de 3
maneras:
—Ingresando su valor para las condiciones
reales de temperatura y de tiempo de
aplicación de carga
—Incorporando el stiffness del asfalto (Sbit) para
las mismas condiciones
—Incorporando los datos básicos de
comportamiento del asfalto envejecido
(punto de ablandamiento y penetración)
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
La relación de Poisson de la mezcla es de 0.35 por
defecto, pero puede ser modificada
 El espesor adoptado de capas asfálticas para el
primer tanteo de diseño es, por defecto, 0.2 m
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas
 Se marcan las opciones ―Results” y ―Calculate”
 Aparece un mensaje ofreciendo la posibilidad de
salvar la información
 El programa realiza los cálculos de esfuerzos y
deformaciones para el modelo de pavimento creado
para el primer tanteo y compara los resultados con los
criterios de falla introducidos
 Si no hay coincidencia, efectúa las iteraciones
necesarias hasta obtener el espesor apropiado de capas
asfálticas
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
INFORME DE DISEÑO DE ESPESORES
DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
PARA CALLES Y CARRETERAS
DISEÑO DE
PAVIMENTOS SOBRE
SUELOS BLANDOS
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
DISEÑO DE PAVIMENTOS
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)
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL
GRANULAR GRUESO (RAJÓN)
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
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
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
USO DE GEOMALLAS
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
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
USO DE GEOMALLAS
EJEMPLO DE SOFWARE PARA DISEÑO DE PAVIMENTO,
ELABORADO POR UN FABRICANTE DE GEOMALLAS