MODULO VI - PAVIMENTO FLEXIBLE.pdf

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DISEÑO DE
PAVIMENTOS NUEVOS
Y REHABILITACIÓN
MG. ING. JOSÉ RÓMULO BULEJE GUILLÉN
Julio 2022

DISEÑO DE PAVIMENTOS NUEVOS Y REHABILITACIÓN
MG. ING. JOSÉ RÓMULO BULEJE GUILLÉN
MÓDULO VI
DISEÑO DE PAVIMENTOS
FLEXIBLES Y NUEVOS
Julio 2022

Módulo VI: Diseño de Pavimentos
Flexibles y Nuevos
1. Conceptos Generales
2. Método Manual MTC y AASHTO 1993
3. Método del Instituto del Asfalto
4. Ejemplos
5. Método MEPDG

1. CONCEPTOS GENERALES
QUÉ ES EL DISEÑO DE PAVIMENTOS
• Es el proceso por el cual los componentes estructurales (carpeta,
losa, base, sub base, subrasante) de un segmento de carretera son
determinados tomando en consideración la naturaleza de la
subrasante, las consideraciones, ambientales, densidad y
composición del tráfico, y las condiciones de mantenimiento.
• Tenemos control de las propiedades de los materiales, espesores y
las condiciones en que se van a ejecutar; pero no tenemos control
sobre el tráfico, sobre el clima, sobre las condiciones de
mantenimiento futura.
• En resumen DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO es
establecer, aplicando cierto método, espesores y rigideces de los
materiales para mantener la vía bajo un cierto nivel de deterioro
(fallas) y confort (satisfacción de uso)
• No solo es obtener espesores sino también criterios

1. CONCEPTOS GENERALES
CUÁLES SON LAS ETAPAS DEL DISEÑO DEL PAVIMENTO
• Estudio de la subrasante (conocer don de la vamos a apoyar)
• Selección de los materiales (es clave seleccionar tipos de pavimentos)
• Proporcionamiento de los materiales (establecer cantidades)
• Estudio del tráfico (conocer las cargas de los vehículos a circular, nos da
características de los vehículos que circulan y la composición del tráfico)
• Determinación de las condiciones ambientales (temperatura, exposición solar y
contenido humedad afectan el pavimento, no están incorporados en los métodos
de AASHTO, instituto de asfalto ni PCM)
• Diseño de los espesores de cada capa (métodos de diseño, criterios de falla,
criterios de confiabilidad)
• Análisis del ciclo de vida (incluido mantenimiento y tipo de ejecución), predecimos
el comportamiento del pavimento durante su vida útil – software HDM
• Determinación de espesores finales

 El método recomendado por la Asociación Americana
de Oficiales de Carreteras y Transportes (AASHTO), se
basa en los resultados de la pista de prueba ensayada
a finales de 1950.
 La primera guía de diseño interina se publica en 1961,
revisada en 1972 y 1981. En 1986 se publica la guía
revisada y ampliada.
 En 1993 se publica una nueva versión con pequeñas
modificaciones de la guía de diseño.
 El método se basa en ecuaciones empíricas de
desempeño del pavimento a partir de la pista de
pruebas y adaptadas para climas distintos al que
originalmente fue ensayada.
2. MÉTODO MANUAL MTC Y AASHTO 1993

Determinar tráfico de diseño
𝑊18
Medir o estimar el módulo resilente efectivo
de la subrasante
𝑀𝑟
Medir propiedades de la carpeta, base y sub
base y establecer los coeficientes de la capa
𝑎1, 𝑎2 𝑦 𝑎3
Determinar los coeficientes de drenaje
𝑚2 y 𝑚3
Determinar los serviciabilidad inicial y la final
𝑃0 y 𝑃𝑖
Establecer la confiabilidad (𝑍𝑟 ) y la
desviación estándar (𝑆0)
Calcular número estructural
SN
Calcular espesores de diseño
𝐷1, 𝐷2 𝑦 𝐷3
Análisis económico
Diseño final
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

Donde:
𝑊18 = Número estimado de ejes simples equivalentes de 8.2 toneladas
𝑍𝑟 = Desviación estándar normal
𝑆𝑜 = Error estándar combinado de la predicción del tránsito y de la
predicción del comportamiento
∆𝑃𝑆𝐼 = Diferencia entre el índice de Servicio Inicial (𝑃0) 𝑦 𝑒𝑙 𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑃𝑡
𝑀𝑅 = Módulo resiliente
SN = 𝑎1𝑑1 + 𝑎2𝑑2𝑚2 + 𝑎3𝑑3𝑚3
log 𝑊18 = 𝑍𝑟 𝑥 𝑆0 𝑥 9.36 𝑥 log(𝑆𝑁1 + 1) − 0.20 +
log
∆𝑃𝑆𝐼
4.2 − 1.5
0.40 +
1094
𝑆𝑁1 + 1 5.19
+ 2.32 𝑥 log 𝑀𝑟 − 8.07
FÓRMULA DE DISEÑO

 La CONFIABILIDAD en el diseño de pavimentos (Zr) es la
probabilidad de que el sistema estructural que forma el
pavimentos cumpla su función prevista bajo las condiciones
que tienen lugar en ese lapso.
Confiabilidad=R(%)=100 x Probabilidad (Nf>NT)
 La VARIABILIDAD (So) se refiere a las varianzas en las
mediciones de los parámetros que se definen en el diseño con
respecto a los valores que se obtienen en el terreno de forma
real.
 Por lo tanto las solicitaciones de diseño para un determinado
nivel de confiabilidad se pueden estimar como:
Log (ESALsdiseño)= log (NT)+Zr So

Cuando se considera la variación del tráfico proyectado (junto con otras
variables asociadas con los modelos de comportamiento del pavimento) el
valor que se adopta es 0.39 para pavimentos rígidos y 0.49 para
pavimentos flexibles.
Cuando no se considera la variación del tráfico proyectados se emplea
0.34 para pavimentos rígidos y 0.44 para pavimentos flexibles.
El rango de valores es:
0.40 a 0.50 Pavimentos flexible
VARIABILIDAD

PÉRDIDA DE SERVICIABILIDAD
Es la pérdida de la calidad de nuestro pavimento en el tiempo de vida útil

PÉRDIDA DE SERVICIABILIDAD

BASE Y SUB GRANULAR

COEFICIENTE DE CAPA BASE GRANULAR COEFICIENTE DE CAPA SUBBASE GRANULAR

DRENAJE

Donde:
𝑊18 = Número estimado de ejes simples equivalentes de 8.2 toneladas
𝑍𝑟 = Desviación estándar normal
𝑆𝑜 = Error estándar combinado de la predicción del tránsito y de la
predicción del comportamiento
∆𝑃𝑆𝐼 = Diferencia entre el índice de Servicio Inicial (𝑃0) 𝑦 𝑒𝑙 𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑃𝑡
𝑀𝑅 = Módulo resiliente
SN = 𝑎1𝑑1 + 𝑎2𝑑2𝑚2 + 𝑎3𝑑3𝑚3
log 𝑊18 = 𝑍𝑟 𝑥 𝑆0 𝑥 9.36 𝑥 log(𝑆𝑁1 + 1) − 0.20 +
log
∆𝑃𝑆𝐼
4.2 − 1.5
0.40 +
1094
𝑆𝑁1 + 1 5.19
+ 2.32 𝑥 log 𝑀𝑟 − 8.07

3. MÉTODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO
Hasta 1969 los procedimientos de diseño publicados en las 8
ediciones del Manual MS-1 fueron empíricos.
La 7ma y 8va edición se basaron el los datos de la pista de
prueba AASHTO, WASHO , ensayos Ingleses y el
procedimiento de diseño del Cuerpo de Ingenieros de USA.
En 1981 se publica la 9na edición del manual basado en
métodos mecanísiticos empíricos a partir de los resultados
del programa DAMA, en 1991 se publica una revisión de la
9na edición incluyendo gráficos de diseño para tres tipos de
clima.
Se analizan criterios de falla:
• Criterio de falla por fatiga: en la parte inferior de la carpeta
asfáltica, se desarrollaron los gráficos de diseño para una
mezcla asfáltica con 11% de asfalto en volumen y 5% de
contenido de vacíos, y se considera falla cuando el 20% del
área está fisurada.
• Criterio de falla por Deformación Permanente: El
ahuellamiento límite debe ser menor a 0.50” (12.7mm)

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

1. Diseñe la estructura del pavimento flexible mediante el método AASHTO93 y el
Método del Instituto del Asfalto para las siguientes condiciones:
 Autopista Interurbana nueva, de primera importancia.
 8.000.000 de ejes equivalentes de 8.2ton
 Suelo de subrasante con CBR=7%
 Temperatura media anual promedio, T=23.5°C
 Días promedio en los que llueve en el año=180
Velocidad media de circulación de vehículos pesados de 40 km/h
 Calidad del drenaje: Regular
4. EJEMPLOS

R=90% → Zr = -1.282
Paso 1: Determinación de los parámetros de confiabilidad:
Consideramos el promedio del valor:
Ahora definimos el error normal combinado:
Proyecto de
Pavimento
S0
Flexible Rígido
0.40 – 0.50 0.30 – 0.40
Construcción
nueva
0.45 0.35
Sobrecapas 0.50 0.40
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 2: Cálculo del índice de servicio:
∆PSI = P0 – Pf
Tipo de vía Serviciabilidad final
Autopista 2.5 – 3.0
Carreteras 2.0 – 2.5
Zonas Industriales
Pavimento urbano industrial 1.5 – 2.0
Pavimento urbano secundario 1.5 – 2.0
∆PSI = 4.2 – 2.5 = 1.7
Paso 3: Cálculo del Módulo Resiliente de la Subrasante:
MR = 1500 . CBR
MR = 1500 . 7 = 10500 psi
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 4: Cálculo del módulo Resiliente y el coeficiente estructural de la base
y de la sub base
Considerando 8.000.000 de ejes equivalentes, debemos considerar una base
granular de clase “A” cuyo CBR mínimo es 95%, por lo que:
MR = 30000 psi
a2=0.138
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Considerando 8.000.000 de ejes equivalentes, debemos considerar una sub
base granular de clase “A” cuyo CBR mínimo es 40%, por lo que:
MR = 17000 psi
a3=0.12
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 5:
Cálculo del módulo Resiliente de la mezcla asfáltica:
Calculamos la frecuencia de carga:
𝑓 =
𝑣
2𝜋
=
40
2𝜋
= 4.78 𝐻𝑧 ≈ 5𝐻𝑧
Calculamos la temperatura de la capa asfáltica efectiva:
Considerando la temperatura de 23.5° y el espesor mínimo de la capa asfáltica de 4” para el nivel de tránsito
tenemos:
𝑇𝑠 = (−0.0093 . (23.5°)2
+ 1.569 . )23.5°) − 1.578)(−0.084 . 𝑙𝑛100𝑚𝑚 + 1.55)
𝑇𝑠 = 35°𝐶
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Considerando la temperatura obtenida:
MR = 4017 MPa = 582617 psi
Reemplazando el valor en la ecuación
del coeficiente estructural a1 tenemos:
a1=0.184 . ln(E1) – 1.9547
a1 = 0.488
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 6: Cálculo de los coeficientes de drenaje:
Días de lluvia en el año:
% 𝑑í𝑎𝑠 𝑙𝑙𝑢𝑣𝑖𝑎 =
180
365
= 49%
m2 = m3 = 0.8
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 7:
Cálculo del número estructural requerido por la capa asfáltica:
Reemplazando los valores obtenidos anteriormente:
log(8000000) = −1.282 𝑥 0.45 𝑥 9.36 𝑥 log⁡
(𝑆𝑁1 + 1) − 0.20 +
log
1.7
4.2 − 1.5
0.40 +
1094
(𝑆𝑁1 + 1)5.19
+ 2.32 𝑥 log(30000) − 8.07
𝑆𝑁1 = 2.879
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 8:
Cálculo del espesor de la capa asfáltica:
ℎ1 =
𝑆𝑁1
𝑎1
=
2.879
0.488
= 5.9" ≈ 6"
Calculamos el número estructural real de la capa asfáltica:
𝑆𝑁1
∗
= 𝑎1. ℎ1 = 0.488 . 6 = 2.928
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 9:
Cálculo del número estructural requerido en la base granular
Reemplazando el valor del módulo resiliente de la sub base granular:
log(8000000) = −1.282 𝑥 0.45 𝑥 9.36 𝑥 log⁡
(𝑆𝑁1 + 1) − 0.20 +
log
1.7
4.2 − 1.5
0.40 +
1094
(𝑆𝑁1 + 1)5.19
+ 2.32 𝑥 log(17000) − 8.07
𝑆𝑁2 = 3.578
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 10:
Cálculo del espesor de la base granular
ℎ2 =
𝑆𝑁2 − 𝑆𝑁1
∗
𝑎2 . 𝑚2
=
3.578 − 2.928
0.138 . 0.8
= 5.9" ≈ 6"
Calculamos el número estructural real de la base granular:
𝑆𝑁2
∗
= 𝑎2. ℎ2. 𝑚2 + 𝑆𝑁1
∗
= 0.138 . 6 . 0.8 + 2.928 = 3.59
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 11:
Cálculo del número estructural requerido en la sub base granular
Reemplazando el valor del módulo resiliente de la sub base granular:
log(8000000) = −1.282 𝑥 0.45 𝑥 9.36 𝑥 log⁡
(𝑆𝑁1 + 1) − 0.20 +
log
1.7
4.2 − 1.5
0.40 +
1094
(𝑆𝑁1 + 1)5.19
+ 2.32 𝑥 log(10500) − 8.07
𝑆𝑁1 = 4.272
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 12:
Cálculo del espesor de la sub base granular
ℎ3 =
𝑆𝑁3 − 𝑆𝑁2
∗
𝑎3 . 𝑚3
=
4.272 − 3.59
0.12 . 0.8
= 7.1" ≈ 7.5"
Por lo que obtenemos:
4. EJEMPLOS
A
A
S
H
T
O
9
3

Paso 1:
4. EJEMPLOS
I
N
S
T
I
T
U
T
O
D
E
L
A
S
F
A
L
T
O
Determinamos el Módulo de Resiliencia de diseño de la sub rasante:
ESAL = 8 000 000 = 8 x 106
ESAL
Percentil o Valor
para el diseño (%)
≤ 104
60
104
– 106
75
≥ 106
87.5
MR ( Mpa) = 10.30 x CBR = 10.30 x 7 = 72.10 Mpa
MR (psi) = 1500 x CBR = 1500 x 7 = 10 500 psi
MR (Mpa) x 87.5% = 63.09 Mpa
MR (psi) x 87.5% = 9,187.5 psi

Paso 2:
4. EJEMPLOS
I
N
S
T
I
T
U
T
O
D
E
L
A
S
F
A
L
T
O
Determinamos espesores de diseño en función a los parámetros establecidos
considerando una base granular de 30cm:
E= 275 mm.

Paso 3:
4. EJEMPLOS
I
N
S
T
I
T
U
T
O
D
E
L
A
S
F
A
L
T
O
Comparamos con los espesores mínimos permitidos:
Mínimo espesor de concreto asfáltico
EAL
Tipo II y Tipo III
(mm) (pulgadas)
104
50 2
105
50 2
106
75 3
107
100 4
≥107
130 5
Obteniendo:
275mm = 10”
150mm = 6”
150mm = 6”

5. MÉTODO MEPDG
En la Guía de Diseño de Pavimentos
AASHTO de 1986 se reconoce
abiertamente la conveniencia de avanzar
hacia la adopción de procedimientos de
diseño mecanísticos, que permitan
predecir el desempeño de las estructuras
de pavimento para periodos de diseño
desde 1 año hasta 50 años o más, teniendo
en consideración las variaciones en las
cargas, los materiales, los dispositivos de
diseño así como los efectos directos del
clima.

5. MÉTODO MEPDG
Una década después, en marzo de 1996 el comité de Pavimentos de AASHTO,
en cooperación con NCHRP y FHWA, patrocinó un Taller de Diseño de
Pavimentos en Irvine, California. Entre los participantes se incluían a los más
destacados Ingenieros de Pavimentos de los Estados Unidos a quienes se les
encargó identificar los medios necesarios para disponer de Procedimientos
de Diseño de Pavimentos Empírico Mecanísticos y se puso en marcha el
Proyecto NCHRP1-37A con la meta clave de desarrollar la Guía de Diseños de
Estructuras de Pavimentos Nuevos y Rehabilitados 2002. La Guía de Diseño
de Pavimentos Empírico-Macanístico (MEPDG) fue terminada en el año 2004
y distribuida al público para su revisión y evaluación. Posteriormente se
efectuó una revisión formal y AASHTO en julio del 2008 publicó la versión
preliminar de la Guía de Diseño de Pavimentos Empírico Mecanístico.

5. MÉTODO MEPDG
El método Empírico Mecanístico desarrollado en la Guía AASHTO 2008
representa un cambio substancial respecto a la metodología presentada en
la Guía de 1993 actualmente vigente. El método utiliza los principios
teóricos de la mecánica racional para predecir el comportamiento (esfuerzos
y deformaciones) de los elementos de la estructura de pavimentos, en
respuesta a las acciones internas de las cargas del tráfico y del clima.
Este procedimiento ya venía siendo exitosamente empleado, desde antes de
1995, de modo particular en el diseño de pavimentos para pistas de
aterrizaje, taxeo y parqueo en aeropuertos. El modelo JULEA de respuesta
del pavimento es una aproximación basada en el deterioro incremental.

5. MÉTODO MEPDG
El método Empírico-Mecanístico que presenta la Guía AASHTO
2008 no es un procedimiento directo para el diseño de los
espesores de las diversas capas de la estructura del pavimento
sino que el método permite evaluar el desempeño de una
estructura de pavimento previamente establecida (por ejemplo,
una sección de ensayo calculada de acuerdo a la Metodología
AASHTO 1993), para predecir los deterioros, las fallas y la
regularidad superficial IRI, en concordancia con el nivel de
confiabilidad seleccionado.

5. MÉTODO MEPDG
El aprovechamiento en el Perú de la metodología presentada en la Guía de
Diseño Empírico-Mecanístico publicada por AASHTO en Julio 2008, tiene
como principal obstáculo la inexistencia de una adecuada zonificación
climática, así como la de una base de datos horaria que contengan la
información de temperaturas, humedad, precipitación y vientos que
caracterizan el clima de cada una de las zonas del Territorio Nacional. El
hecho de que en el país no se cuenta aún con suficientes laboratorios
debidamente acreditados para efectuar de modo confiable ensayos para la
determinación del Módulo Dinámico de Mezclas Asfálticas en Caliente,
constituye un segundo obstáculo.

5. MÉTODO MEPDG
Corresponde a un
procedimiento iterativo en
el que se evalúa si el
pavimento en análisis
cumple con los criterios de
rendimiento.

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