METODO AASHTO ESCUELA DE FORMACIN PROFESIONAL DE INGENIERA CIVILUNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRINDOCENTE: Ing. MARCO A. ESPINOZA BUSTILLOS

METODO AASHTO 1993La metodologa propuesta para el diseo estructural y dimensionamiento del pavimento es la Metodologa AASHTO 93, considera el diseo de pavimentos de caminos de bajo volumen de trnsito. Los parmetros de diseo que consideran son las propiedades de los materiales, tipo de trnsito, condiciones ambientales, etc.

2. Mtodo de DiseoEl Mtodo seleccionado es el desarrollado por la Asociacin Americana de Administradores Estadales de Carreteras y Transporte (AASHTO)Gua de diseo AASHTO-93

2.1 Ecuacin de diseoVariables independientes:

Wt18: Nmero de aplicaciones de cargas equivalentes de 80 kN acumuladas en el periodo de diseo (n).

ZR: Valor del desviador en una curva de distribucin normal, funcin de la Confiabilidad del diseo (R) o grado confianza en que las cargas de diseo no sern superadas por las cargas reales aplicadas sobre el pavimento.(Ecuacin 1)

2.1 Ecuacin de diseoSo: Desviacin estndar del sistema, funcin de posibles variaciones en las estimaciones de trnsito (cargas y volmenes) y comportamiento del pavimento a lo largo de su vida de servicio.

PSI: Prdida de Serviciabilidad (Condicin de Servicio) prevista en el diseo, y medida como la diferencia entre la planitud (calidad de acabado) del pavimento al concluirse su construccin (Serviceabilidad Inicial (po) y su planitud al final del periodo de diseo (Servicapacidad Final (pt).

MR: Mdulo Resiliente de la subrasante y de las capas de bases y sub-bases granulares, obtenido a travs de ecuaciones de correlacin con la capacidad portante (CBR) de los materiales (suelos y granulares).

2.1 Ecuacin de diseoVariable dependiente:

SN:Nmero Estructural, o capacidad de la estructura para soportar las cargas bajo las condiciones (variables independientes) de diseo.

El nmero estructural requerido por el proyecto, SN, se convierte enespesores de carpeta asfltica, base y sub base, mediante coeficientesde capa que representan la resistencia relativa de los materiales decada capa. La ecuacin de diseo es la siguiente:

SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3 (7.2)

Donde:ai: coeficiente de la capa i (1/pulg.)Di:espesor de la capa i (pulg.)mi: coeficiente de drenaje de la capa i (adimensional)Los subndices 1,2 y 3 se refieren a las capas de carpeta asfltica,base y sub base (si se aplica) respectivamente. Los coeficientes decapa dependen del mdulo resiliente del suelo (MR), se determinanempleando los conceptos esfuerzo-deformacin de un sistemamulticapa.Los coeficientes de capa usados en la pista de prueba AASHO son:Concreto asfltico superficial, a1 : 0.40 - 0.44 pulgBase de piedra chancada, a2 : 0.10 - 0.14 pulgSub base de grava arenosa, a3 : 0.06 - 0.10 pulg

MODULO DE RESILENCIAPuesto que no todos los pases cuentan con equipos que permitanla determinacin en laboratorio de los mdulos resilientes parasuelos, existen varias correlaciones que pueden ser utilizadas pararealizar una estimacin en base al CBR u otras variables. Acontinuacin se detallan algunas de ellas:Mr = 1,500 x CBR

Correlacin entre el Modulo de Resiliente de la Subrasante y otras propiedades del suelo

(1 psi = 6.9kPa; fromHuang, 1993,after Van Til etal., 1972).

Mr en psi y CBR en %, para suelos finos con CBR menor a 10%Desarrollada por Heukelom y Klomp, debe usarse con precaucin.Otras correlaciones importantes son:Mr = 2555 x CBR0.64

CALCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDOA continuacin se detallan los parmetros de diseo y recomendaciones de AASHTO.a) Perodo de DiseoEl perodo de diseo se refiere al tiempo desde que la estructura de pavimento entra enservicio hasta antes que necesite algn trabajo de rehabilitacin.

Tabla 7.3: Perodos tpicos de diseo

Condiciones de carreterasPeriodo de AnlisisVas urbanas con alto volumen30 - 50Vas rurales con alto volumen20 - 50Pavimentos de bajo volumen15 - 25Superficie granular con bajo volumen10 - 20

b) TrnsitoEl diseo considera el nmero de ejes equivalentes (ESAL) para el perodo de anlisis(W18 ) en el carril de diseo. A partir de conteos vehiculares y conversin a ejesequivalentes, el diseador debe afectar el ESAL en ambas direcciones por factoresdireccionales y de carril (si son ms de dos), aplicando la siguiente ecuacin:

W18 = DD DL w 18 (7.3)

Donde:DD factor de distribucin direccionalDL factor de distribucin por carrilw 18 trfico total en ambas direcciones para el perodo de diseoEl factor de distribucin direccional DD generalmente es 0.5 (50%) para la mayora de lascarreteras; sin embargo, este puede variar de 0.3 a 0.7 dependiendo de la incidencia detrfico en una direccin. Los factores de distribucin por carril, DL, recomendados porAASHTO

Tabla 7.4.- Factor de distribucin por carril DL

N Carriles en una direccin % ESAL en carril de diseo1100280 100360 80450 - 75

Serviciabilidad Inicial

La Serviciabilidad Inicial (po) es una medida de la suavidad del pavimento o facilidad de conduccin inmediatamente despus de la construccin. Tiene un rango en una escala de 0 a 5. El promedio de serviciabilidad inicial para pavimentos flexibles en el Ensayo de Carreteras de la AASHO fue 4.2, el cual es normalmente utilizado en los diseos de pavimentos flexibles nuevos

Serviciabilidad Final

La Serviciabilidad Final (Pt) es el ndice de servicio mnimo aceptable del pavimento, antes de que requiera una rehabilitacin. En contraste con la serviciabilidad inicial que se mide en base a los registros de construccin, la serviciabilidad final o terminal es una funcin de muchos factores, incluyendo clasificacin del pavimento, volumen de trfico y ubicacin. Generalmente las vas de mayor trfico requieren estar en mejores condiciones antes de rehabilitarse que los caminos vecinales de baja velocidad. Los valores tpicos de serviciabilidad final recomendados por la Gua AASHTO en la Parte 1, seccin 1.3 estn entre 2 y 3, el primero para vas poco transitadas y el ltimo para carreteras importantes.

La primera medida de la serviciabilidad es el Indice deServiciabilidad Presente, PSI, que vara de 0 (carretera imposibles de transitar) a 5 (carretera perfecta). El PSI se obtiene midiendo la rugosidad y dao (agrietamiento, parchado y deformacin permanente) en un tiempo en particular durante la vida de servicio del pavimento. La rugosidad es el factor dominante para estimar el PSI del pavimento.La gua AASHTO 93 usa la variacin total del ndice de serviciabilidad (PSI) como criterio de diseo, que se define como:PSI = p0 ptDonde:p0 ndice de serviciabilidad inicialpt ndice de serviciabilidad final, que es el ms bajo ndice

COEFICIENTES DE DRENAJEEl mtodo AASHTO asume que la resistencia de la subrasante y base permanecer constante durante la vida de servicio del pavimento. La calidad de drenaje se incorpora al diseo, modificando los coeficientes de capa. El factor que modifica el coeficiente de capa se representa por mi. El posible efecto del drenaje en el concreto asfltico no se considera. La siguiente tabla presenta las definiciones generales correspondientes a los diferentes niveles de drenaje Tabla 7.6 .

La siguiente tabla muestra los coeficientes recomendados dependiendo de la calidad de drenaje y el porcentaje de tiempo anual en que la estructura del pavimento podra estar expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturacin Tabla 7.7.

Factor de ConfiFactor de Confiabilidad, R Tabla 7.5

Desviacin Estndar Normal (ZR) Tabla 7.6La desviacin estndar normal est en funcin de la confiabilidad del proyecto, R. En la siguiente tabla se muestran los valores de desviacin estndar correspondiente a diferentes niveles de confiabilidad.

Carta de Diseo de Pavimentos FlexiblesAASHTO 1993 Nomograma 7.2

Figura 7.3.- Carta para calcular el coeficiente estructural de Concreto asfltico de gradacin densa

Figura 7.4.- Variacin de coeficiente de capa de base granular (a2) con la variacin de los parmetros de resistencia

Figura 7.7.- Variacin de coeficiente de capa de sub base granular (a3) con la variacin de los parmetros de resistencia

Figura 7.5.- Variacin de coeficiente de capa debases tratadas con cemento (a2)

Figura 7.5.- Variacin de coeficiente de capa debases tratadas con asfalto (a2)

Ejemplo:Efecte el diseo de un pavimento flexible nuevo para un perodo de diseo de 10 aos, considerando un nivel de serviciabilidad inicial de 4 y final de 2. El mdulo resiliente de la subrasante es 15.5 ksi. Asuma que el trfico acumulado proyectado es de 3.41x10^6 ESAL en el carril de diseo. Considere que se trata de una va de gran importancia. Adopte los parmetros que crea conveniente para la solucin del problema.Solucin:Perodo de diseo, n = 10 aosMd. resiliente subrasante, = MR 15,500 psiESAL de diseo, W18 = 3.41x10^6PSIo = 4.0PSIf = 2.0

Confiabilidad, R 95% valor promedio de 80 a 99.9%, Tabla7.5 Desv. Est. Normal, ZR : -1.645 Tabla 7.6 Error Estndar, So= 0.45 (AASHTO 1993 recomienda valores entre 0.40 y 0.50 para pavimentos flexibles)

Clculo del Nmero EstructuralSegn el nomograma de la figura 7.2 se tiene:SNaprox=3.2Este valor debe ser ajustado aplicando la ecuacin 7.1 decuyo resultado se obtuvo que:SNrequerido=3.4Diseo de EspesoresLas condiciones de drenaje asumidas para el proyecto son buenas y el porcentaje de tiempo en que la estructura del pavimento es expuesta a niveles de humedad prximos a la saturacin son 1-5% y 5-25% para las capas de base granular y sub base granular, respectivamente.De las tablas 7.6 y 7.7 se tiene:Drenaje de base granular m2=1.1Drenaje de sub base granular m3=1.0

Coeficientes de Capas:Carpeta asfltica E=450,000 psi a1 = 0.44 pulg-1 (figura 7.3)Base granular CBR=100% a2 = 0.14 pulg-1 (figura 7.4)MR = 30,000 psiSub base granular CBR=25% a3 = 0.10 pulg-1 (figura 7.7)MR = 13,600 psiAASHTO 1993 propone dos metodologas para determinar losespesores de las capas que compondrn la estructura delpavimento. El primer mtodo es por espesores mnimos y la segunda donde los espesores mnimos son referenciales.

Primer Mtodo: por Espesores MnimosLa gua recomienda los siguientes espesores en funcindel trnsito: Tabla 7.8.

Segn la tabla 7.8 los espesores mnimos recomendados, para el trnsito son:D1=3.5 pulg. Espesor de carpeta asflticaD2=6.0 pulg. Espesor de base granularReemplazando estos valores en la ecuacin 7.2:SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m33.4 = 0.44 3.5 + 0.14 6.01.1+ 0.10D3 1.0D3 = 9.36 pulgD3 = 10 pulg

Otras alternativas de ste primer mtodo son:2 tanteo:

D1 = 4 pulgD2 = 6 pulg SN = 3.484D3 = 8 pulg

3 tanteo: D1 = 3.5 pulg

D2 = 8 pulg SN = 3.512D3 = 8 pulg

Segundo Mtodo: donde los espesores mnimos son referencialesa) Se asume que la carpeta asfltica se cimentar sobre la base granular con mdulo resiliente de 30,000 psi:

Segn el nomograma de la figura 7.2 y aplicando la ecuacin 7.1 se obtuvo que:

b) Ahora se asume que la base granular se cimienta sobrela sub base granular con mdulo resiliente de 13,600 psi:

c) Ahora se asume que la sub base granular secimienta sobre la subrasante con mdulo resiliente de15,500 psi:

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