Modulo 3-1Modulo 3-1

DISEÑO DE PAVIMENTOSDISEÑO DE PAVIMENTOS

FLEXIBLESFLEXIBLES

Condiciones Específicas del ARTCondiciones Específicas del ART Clima de Norte Illinois Clima de Norte Illinois 762mm lluvia762mm lluvia

12 ciclos congel.12 ciclos congel. Construcción de muy alta calidadConstrucción de muy alta calidad Secciones de ensayo cortas: 37 m (120 ft)Secciones de ensayo cortas: 37 m (120 ft) 4 tipos de base (pavimentos flexibles)4 tipos de base (pavimentos flexibles)

– Caliza Chancada, Grava, Grava tratada con cemento, Caliza Chancada, Grava, Grava tratada con cemento, Grava tratada con AsfaltoGrava tratada con Asfalto

Combinación específica de capasCombinación específica de capas Máximo número de ESALS: 7 millones.Máximo número de ESALS: 7 millones.

Modelo de Diseño Actual de Modelo de Diseño Actual de Pavimentos FlexiblesPavimentos Flexibles

+ 2.32 * log (M ) - 8.07

Log W = Z * S + 9.36 log (SN + 1) - 0.20

o

R

R

+

0.40 +

1094(SN + 1)5.1

9

logp4.2 - 1.5

[ ]t

Variables Generales Para el DiseñoVariables Generales Para el Diseño

Variables de tiempoVariables de tiempoPeríodo de desempeñoPeríodo de desempeño

Período de análisisPeríodo de análisis

TráficoTráfico

Nivel de confianza para el diseñoNivel de confianza para el diseño

Efectos de medio ambienteEfectos de medio ambienteHinchamientoHinchamiento

CongelamientoCongelamiento

DeshieloDeshielo

Período de Desempeño (vida útil)Período de Desempeño (vida útil)

Tiempo para el cual el pavimento se deteriorará Tiempo para el cual el pavimento se deteriorará hasta un cierto nivel de serviciabilidad final, en hasta un cierto nivel de serviciabilidad final, en

función de:función de:Clasificación funcional de la carreteraClasificación funcional de la carretera

Respuesta de los usuariosRespuesta de los usuarios

Costo inicial y costo del ciclo de vidaCosto inicial y costo del ciclo de vida

Otras consideraciones de ingeniería.Otras consideraciones de ingeniería.

El diseñador debe seleccionar las fronteras El diseñador debe seleccionar las fronteras

máximas y mínimas.máximas y mínimas.

Período de AnálisisPeríodo de Análisis

Tiempo que debe ser cubierto por cualquier Tiempo que debe ser cubierto por cualquier

estrategia de diseño (diseño inicial y estrategia de diseño (diseño inicial y

rehabilitaciones planeadas).rehabilitaciones planeadas).

El diseñador debe seleccionar el período de El diseñador debe seleccionar el período de

análisis (min. 20 años), para evaluar con análisis (min. 20 años), para evaluar con

precisión las estrategias a largo plazo en base a precisión las estrategias a largo plazo en base a

costos de ciclo de vida.costos de ciclo de vida.

Para gran volúmen de tránsito debería ser 30-50 Para gran volúmen de tránsito debería ser 30-50

años.años.

Período de Análisis y de DesempeñoPeríodo de Análisis y de Desempeño

p

P1

P2

1.5

0

Sobrecarpeta

NN1.

5 f

Período de Análisis

N

Período de Desempeño (vida útil)

Datos de TráficoDatos de Tráfico

Ejes Equivalentes acumulados de 80KN Ejes Equivalentes acumulados de 80KN para el período inicial de desempeño en para el período inicial de desempeño en

el carril de diseñoel carril de diseño

Nivel de ConfianzaNivel de Confianza

Probabilidad de que el pavimento sobreviva a su Probabilidad de que el pavimento sobreviva a su período de desempeño.período de desempeño.

En la ecuación de diseño, Fr es un multiplicador En la ecuación de diseño, Fr es un multiplicador del tráfico.del tráfico.

Fr = f(R,So)Fr = f(R,So)

Fr es el coeficiente de seguridad del diseñoFr es el coeficiente de seguridad del diseño

Para el caso de rehabilitaciones planeadas, se Para el caso de rehabilitaciones planeadas, se

debe considerar el factor compuesto, debe considerar el factor compuesto, R R 1/n1/n

Nivel de Confianza, RNivel de Confianza, R

ClasificaciónClasificación

Interestatal/AutopistaInterestatal/AutopistaArteria PrincipalArteria Principal

ColectoresColectoresLocalesLocales

UrbanoUrbano

85-99.985-99.980-9980-9980-9580-9550-8050-80

RuralRural

80-99.980-99.975-9575-9575-9575-9550-8050-80

Desviación Standard, SoDesviación Standard, So

Factor que toma en cuenta los errores o Factor que toma en cuenta los errores o variabilidad asociados con el diseño y los datos variabilidad asociados con el diseño y los datos

de construcción, incluyendo la variabilidad en las de construcción, incluyendo la variabilidad en las propiedades de los materiales del suelo, propiedades de los materiales del suelo,

estimaciones de tráfico, condiciones climáticas y estimaciones de tráfico, condiciones climáticas y calidad de construcción.calidad de construcción.

Si existe gran confiabilidad en los datos de Si existe gran confiabilidad en los datos de tráfico se recomienda 0.44, de no ser así, 0.49tráfico se recomienda 0.44, de no ser así, 0.49

Efectos Ambientales AdversosEfectos Ambientales Adversos

AASHTO tiene un procedimiento para AASHTO tiene un procedimiento para considerar la pérdida de serviciabilidad por considerar la pérdida de serviciabilidad por

cuestiones de medio ambiente como cuestiones de medio ambiente como hinchamiento de suelos y congelamiento.hinchamiento de suelos y congelamiento.

Estos aspectos deben preferentemente tratarse Estos aspectos deben preferentemente tratarse en el campo, tratar los suelos expansivos o en el campo, tratar los suelos expansivos o removerlos y construir por sobre las capas removerlos y construir por sobre las capas

susceptibles de congelamiento.susceptibles de congelamiento.

Criterio de DesempeñoCriterio de Desempeño

Indice de serviciabilidad inicial PoIndice de serviciabilidad inicial PoDiseño de Pavimento.Diseño de Pavimento.

Construcción según la suavidad especificada (IRI).Construcción según la suavidad especificada (IRI).

Serviciabilidad final PtServiciabilidad final PtImportancia del pavimentoImportancia del pavimento

Clasificación funcionalClasificación funcional

Pérdida de serviciabilidadPérdida de serviciabilidad

PSI = Po - PtPSI = Po - Pt

Valores Recomendados de ServiciabilidadValores Recomendados de Serviciabilidad

Serviciabilidad inicial:Serviciabilidad inicial:4.2 en el AASHTO Road Test.4.2 en el AASHTO Road Test.

4.5 o mayor con especificaciones estrictas, alto 4.5 o mayor con especificaciones estrictas, alto grado de control y equipo de última generación.grado de control y equipo de última generación.

Serviciabilidad final:Serviciabilidad final:

1.5 en el A AASHTO Road Test (falla)1.5 en el A AASHTO Road Test (falla)

Dependiendo del tipo de vía 2.5 en vías importantes Dependiendo del tipo de vía 2.5 en vías importantes

y 2.0 en vías de bajo tráficoy 2.0 en vías de bajo tráfico

Propiedades de los Materiales para Propiedades de los Materiales para Diseño EstructuralDiseño Estructural

Módulo ResilienteMódulo ResilienteSuelo de SubrasanteSuelo de Subrasante

Capas Granulares Capas Granulares

Módulo ElásticoMódulo ElásticoConcreto AsfaltícoConcreto Asfaltíco

Materiales Estabilizados.Materiales Estabilizados.

Módulo Resiliente de la SubrasanteMódulo Resiliente de la Subrasante

Muestras del suelo natural o banco de Muestras del suelo natural o banco de préstamopréstamo

Muestras inalteradasMuestras inalteradas

PerforacionesPerforaciones

Deflecciones Deflecciones

Penetrómetro dinámico de conoPenetrómetro dinámico de cono

Espaciamiento: 100 a 500m alternando líneas.Espaciamiento: 100 a 500m alternando líneas.

Realizar ensayos de:Realizar ensayos de:Módulo Resiliente (AASHTO T 294-921)Módulo Resiliente (AASHTO T 294-921)

CBR, Valor-RCBR, Valor-RPropiedades de suelosPropiedades de suelos

Retrocálculo por deflexionesRetrocálculo por deflexionesPenetrómetro-estimar CBR.Penetrómetro-estimar CBR.

Determinar valor promedio Mr para los niveles Determinar valor promedio Mr para los niveles de humedad esperados en el futuro.de humedad esperados en el futuro.

Variaciones EstacionalesVariaciones Estacionales

Módulo Resiliente de la Subrasante (2)Módulo Resiliente de la Subrasante (2)

Determinar variaciones estacionales Determinar variaciones estacionales del Módulo Resilientedel Módulo Resiliente

Dividir el año en períodos cortos de Dividir el año en períodos cortos de tiempotiempo

Determinar el valor del daño relativo Determinar el valor del daño relativo para cada módulo estacionalpara cada módulo estacional

Estimar el Mr efectivoEstimar el Mr efectivo

Módulo Resiliente Efectivo Módulo Resiliente Efectivo de la Subrasante de la Subrasante

Ecuación del Número EstructuralEcuación del Número Estructural

SNSNeffeff = a = a11DD11 + a + a22DD22mm22 + a + a33DD33mm3 3 + ...+ ...

DDii = Espesor de la capa “i” (asfalto, base, subbase) = Espesor de la capa “i” (asfalto, base, subbase)

aaii = Coeficiente estructural de la capa “i” = Coeficiente estructural de la capa “i”

mmii = Coeficiente de drenaje de las capas “i”, capas = Coeficiente de drenaje de las capas “i”, capas

consideradas impermeables i= 1 consideradas impermeables i= 1

Coeficientes Estructurales de Capa (aCoeficientes Estructurales de Capa (aii))

Capacidad relativa de un material de espesor Capacidad relativa de un material de espesor unitario para que funcione como un unitario para que funcione como un componente estructural del pavimentocomponente estructural del pavimento

Indicación de la contribución estructural de un Indicación de la contribución estructural de un material a la estructura del pavimentomaterial a la estructura del pavimento

Los valores originales se derivan del AASHO Los valores originales se derivan del AASHO Road Test y han sido modificados por varias Road Test y han sido modificados por varias agencias de víasagencias de vías

Coeficientes de Drenaje (mCoeficientes de Drenaje (mii))

Ajustan los coeficientes estructurales de Ajustan los coeficientes estructurales de materiales no tratados para tomar en cuenta materiales no tratados para tomar en cuenta los efectos de drenaje en el desempeño de los los efectos de drenaje en el desempeño de los pavimentos en función de:pavimentos en función de:

Calidad del Drenaje.Calidad del Drenaje. Tiempo de saturación.Tiempo de saturación. Las condiciones de drenaje en el AASHTO Las condiciones de drenaje en el AASHTO

Road Test fueron pobres.Road Test fueron pobres.

Calidad del DrenajeCalidad del Drenaje

Calidad deCalidad de Agua Removida dentro de Agua Removida dentro de DrenajeDrenaje

Excelente 2 horas

Bueno 1 día

Regular 1 semana

Pobre 1 mes

Muy Pobre El agua no drena

Valores mValores mii Recomendados Recomendados

Calidad del Calidad del DrenajeDrenaje

ExcelenteExcelenteBuenaBuenaRegularRegularPobrePobreMuy PobreMuy Pobre

< 1%< 1%

1.40-1.351.40-1.351.35-1.251.35-1.251.25-1.151.25-1.151.15-1.051.15-1.051.05-0.951.05-0.95

1-5%1-5%

1.35-1.301.35-1.301.25-1.151.25-1.151.15-1.051.15-1.051.05-0.801.05-0.800.95-0.750.95-0.75

5-25%5-25%

1.30-1.201.30-1.201.15-1.001.15-1.001.00-0.801.00-0.800.80-0.600.80-0.600.75-0.400.75-0.40

> 25%> 25%

1.201.201.001.000.800.800.600.600.400.40

% del tiempo en que la estructura del pavimento está % del tiempo en que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad próximos a la saturaciónexpuesta a niveles de humedad próximos a la saturación

Procedimiento de DiseñoProcedimiento de Diseño

Determinación de Espesores:Determinación de Espesores:Soluciones manualesSoluciones manuales

Abacos (Nomogramas)Abacos (Nomogramas)

Software Software

Subgrad

e Resilien

t Modulu

s (ksi)

50

70

90

99

99.9

.05

.5

5.0

50

18-kip

ESA

Ls (m

illions)

4020105

1

9 7 5 3 1Design Structural Number, SN

Design Serviceability Loss

0.5

1.53.0

Abaco de DiseñoAbaco de Diseño

Procedimiento de Diseño de AASHTOProcedimiento de Diseño de AASHTO

Determinar el número estructural requeridoDeterminar el número estructural requerido

Identificar diseños tentativosIdentificar diseños tentativos

Corregir por pérdidas de serviciabilidad Corregir por pérdidas de serviciabilidad ambientales (opcional)ambientales (opcional)

Determinar opciones “en etapas”Determinar opciones “en etapas”

Realizar análisis de costo del ciclo de vidaRealizar análisis de costo del ciclo de vida

Definir el diseño final del pavimento Definir el diseño final del pavimento

Ecuación del Número EstructuralEcuación del Número Estructural

SNef = a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3 + ...

DDii = Espesor de la capa “i” (asfalto, base, subbase) = Espesor de la capa “i” (asfalto, base, subbase)

aaii = Coeficiente estructural de la capa “i” = Coeficiente estructural de la capa “i”

mmii = Coeficiente de drenaje de las capas “i”, capas = Coeficiente de drenaje de las capas “i”, capas

consideradas impermeables i= 1consideradas impermeables i= 1

NO EXISTE UNA SOLUCION UNICANO EXISTE UNA SOLUCION UNICA

Consideraciones para la SelecciónConsideraciones para la Selección de los Materiales de los Materiales

Facilidad de construcciónFacilidad de construcción

Disponibilidad a distancias razonablesDisponibilidad a distancias razonables

Consideraciones de costoConsideraciones de costo

Consideraciones de mantenimientoConsideraciones de mantenimiento

Normas de la entidad ejecutoraNormas de la entidad ejecutora

Espesores Mínimos (tabla 8-2)Espesores Mínimos (tabla 8-2)

Análisis con Verificación por CapasAnálisis con Verificación por CapasEspesores Mínimos en Función del SNEspesores Mínimos en Función del SN

DDii = = SNSNi+1i+1 - SN - SNii

aaii m miiEspesores mínimos para proteger la capa subyacenteEspesores mínimos para proteger la capa subyacente

DDii = Espesor de la capa “i” = Espesor de la capa “i”

aaii = Coeficiente estructural de la capa “i” = Coeficiente estructural de la capa “i”

mmii = Coeficiente de drenaje de las capas “i” = Coeficiente de drenaje de las capas “i”

SNSNii = Número estructural requerido sobre la capa = Número estructural requerido sobre la capa

SNSNi+1i+1 = Número estructural requerido por encima = Número estructural requerido por encima

de la capa subyacente de la capa subyacente

substituir el Mr de la subrasante por el Mr de la capasubstituir el Mr de la subrasante por el Mr de la capa

Análisis con Verificación por CapasAnálisis con Verificación por CapasEspesores Mínimos en Función del SNEspesores Mínimos en Función del SN

DDii = = SNSNi+1i+1 - SN - SNii

aaii m miiSubstituir el Mr de subrasante por el Mr de base, Substituir el Mr de subrasante por el Mr de base, determinar S1 con el mismo ábaco u ecuación. determinar S1 con el mismo ábaco u ecuación. Con S1 y a1 definir D1. (D1 = S1/a1)Con S1 y a1 definir D1. (D1 = S1/a1)

Con Mr de subbase, determinar SN2, el valor debe Con Mr de subbase, determinar SN2, el valor debe ser absorbido por el asfalto y la capa base, ser absorbido por el asfalto y la capa base, entonces se puede determinar D2 …entonces se puede determinar D2 …

Los espesores tienen la lógica del sistema en Los espesores tienen la lógica del sistema en capas.capas.

Análisis con Verificación por CapasAnálisis con Verificación por CapasEspesores Mínimos en Función del SNEspesores Mínimos en Función del SN

Los espesores tienen la lógica del sistema en Los espesores tienen la lógica del sistema en capas. Cada capa estaría protegida por la capa capas. Cada capa estaría protegida por la capa superior.superior.

El criterio no es aplicable para capas con El criterio no es aplicable para capas con módulo resiliente mayor a 40,000 psi (280 MPa)módulo resiliente mayor a 40,000 psi (280 MPa)

Construcción en EtapasConstrucción en Etapas

Construcción de la estructura del pavimento Construcción de la estructura del pavimento en etapas, de acuerdo con una en etapas, de acuerdo con una programación programación

pre-determinadapre-determinada..

Fondos limitados para el diseño completoFondos limitados para el diseño completo

Se espera que los volúmenes de camiones se Se espera que los volúmenes de camiones se incrementen fuertemente en el futuroincrementen fuertemente en el futuro

Diseñar la 2a etapa como Sobrecarpeta Diseñar la 2a etapa como Sobrecarpeta (método de la vida remanente)(método de la vida remanente)

R(etapa) = R (global)R(etapa) = R (global)1/n1/n

Análisis de SensibilidadAnálisis de Sensibilidad

Examinar el efecto de diferentes datos en el Examinar el efecto de diferentes datos en el Número Estructural resultante.Número Estructural resultante.

Provee un indicador de los valores que deben Provee un indicador de los valores que deben ser seleccionados más cuidadosamente.ser seleccionados más cuidadosamente.

Ejemplo de los ApuntesEjemplo de los Apuntes

ESALs = 10 millonesESALs = 10 millones

Serviciabilidad inicial = 4.2Serviciabilidad inicial = 4.2

Serviciabilidad final = 2.5Serviciabilidad final = 2.5

Nivel de confianza = 90%Nivel de confianza = 90%

Desviación standard = 0.45Desviación standard = 0.45

Módulo Resiliente = 5000psiMódulo Resiliente = 5000psi

Los Gráficos de Sensibilidad se Los Gráficos de Sensibilidad se

Observan en DIPAVObservan en DIPAV

Limitaciones del Limitaciones del Método de Diseño AASHTOMétodo de Diseño AASHTO

Materiales y subrasantes limitados.Materiales y subrasantes limitados. Variabilidad de materiales y de los procesos Variabilidad de materiales y de los procesos

construcctivosconstrucctivos Una sóla región climáticaUna sóla región climática Corto periodo de desempeño del Road TestCorto periodo de desempeño del Road Test No uso de tráfico mixtoNo uso de tráfico mixto Ausencia de guía en algunas variables de diseñoAusencia de guía en algunas variables de diseño Modelos extrapolados para los Factores Equivalentes Modelos extrapolados para los Factores Equivalentes

VehicularesVehiculares Es importante la calibración a condiciones localesEs importante la calibración a condiciones locales