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METODO AASHTO 93 PAVIMENTOS FLEXIBLES

PAVIMENTO FLEXIBLE: METODO AASHTO 93

1. INTRODUCCION Este procedimiento está basado en modelos que fueron desarrollados en función de la performance del pavimento, las cargas vehiculares y resistencia de la subrasante para el cálculo de espesores. El propósito del modelo es el cálculo del Numero Estructural requerido (SNr), en base al cual se identifican y determinan un conjunto de espesores de cada capa de la estructura del pavimento, que deben ser construidas sobre la subrasante para soportar las cargas vehiculares con aceptable serviciabilidad durante el periodo de diseño establecido en el proyecto.

2. VARIABLES PARA EL DISEÑO a) Restricciones de tiempo: En ésta parte se incluye el periodo de diseño o periodo de análisis que afectarán o restringirán el diseño del pavimento desde el punto de vista del tiempo.  Periodo de diseño: Es el tiempo que dura una estructura inicial de pavimento antes de que requiera rehabilitación.  Periodo de análisis: Es el periodo por el cual se va a adelantar el análisis; es decir, el transcurso de tiempo que cualquier estrategia de diseño debe cubrir. b) El tránsito: El método de diseño se basa en el número de ejes equivalentes de 18 kips en el carril de diseño (W 18) valor que es conocido en nuestros métodos de diseño como N. 18 kips = 18000 lb 1 kips = 1000 lb 18 kips = 80 kn 1 kips = 4.4482216 18000 lb = 8.2 ton1 lb =

c) Confiabilidad: Se entiende por confiabilidad de un proceso diseñocomportamiento de un pavimento a la probabilidad de que una sección diseñada usando dicho proceso, se comportará

satisfactoriamente bajo las condiciones de tránsito y ambientales durante el periodo de diseño. El factor de confiabilidad tiene en cuenta variaciones al azar tanto en la predicción del tránsito como en la predicción del comportamiento y por lo tanto proporción un nivel predeterminado de confianza (R) en la que los tramos del pavimento sobrevivirán al periodo por el cual fueron diseñados. NIVELES DE CONFIABILIDAD SUGERIDOS PARA DIFERENTES CARRETERAS CLASIFICACION Autopistas interestatales y otras Arterias principales Colectoras de tránsito Carreteras locales

NIVEL DE CONFIABILIDAD RECOMENDADO URBANA RURAL 85 – 99.9

80 – 99.9

80 - 99 80 - 95 50 - 80

75 - 95 75 - 95 50 - 80

d) Efectos ambientales: la actual guía de la AASHTO tiene en cuenta los efectos que sobre el comportamiento de un pavimento tienen los factores ambientales. Los cambios de temperatura y humedad, por ejemplo, pueden tener efecto sobre la resistencia, la durabilidad y la capacidad de resistir cargas de los materiales, del pavimento y de la subrasante. Otro impacto ambiental importante, es el efecto directo que la expansión de la subrasante, puede tener sobre la pérdida de la calidad de la rodadura y la serviciabilidad.

3. CRITERIOS DE COMPORTAMIENTO

a) Serviciabilidad: Es la idoneidad del pavimento para servir a la clase de tránsito que lo va a utilizar. Se evalúa a través del índice de servicio presente (PSI) Varía Carretera imposible 0

Carretera perfecta 5

Teniendo en cuenta que la serviciabilidad final de un pavimento (Pt) depende del tránsito y del índice de servicio inicial (P0), es necesario hacer una determinación de éste último. Una vez establecido Pt y P0, se aplica la siguiente ecuación para definir el cambio total en el índice de servicio: Δ PSI = P0 - Pt

4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES a) Módulo Resilente de la Subrasante ( o elástico): el método requiere determinar el valor Mr en las distintas condiciones en el que el suelo se encuentre durante el año (saturado, húmedo y seco). MATERIAL Suelos finos Suelos granulares

Mr (psi) 1500 CBR 1500 CBR 4326 + ln CBR + 241

para CBR < 10 % < 7.2 %

b) Características de los materiales del pavimento: la caracterización de las diversas capas del pavimento se efectúa a través de sus módulos de elasticidad, obtenidos por ensayos normalizados de laboratorio. El método no representa requisitos específicos respecto de la calidad de los materiales de subbase, resultando aceptable cualquier material convencional. El uso de la subbase en éste método requiere del empleo de un coeficiente de capa (a3) para convertir su espesor en un número estructural (SN), que es el indicativo del espesor total requerido de pavimento. En relación con la base, esta podrá ser granular o estabilizada y los requisitos de calidad deben ser, superiores a los de subbase. El material estará representado por un coeficiente (a 2) que permite convertir su espesor real a su número estructural. Respecto a la capa de rodadura, consistirá en una mezcla de agregados pétreos y un producto bituminoso.

c) Coeficiente de capas: el método asigna a cada capa del pavimento un coeficiente (Di), los cuales son requeridos para el diseño estructural normal de los pavimentos flexibles. Estos coeficientes permiten convertir los espesores reales a números estructurales (SN), siendo cada coeficiente una medida de la capacidad relativa de cada material para funcionar como parte de la estructura del pavimento. El método presenta cinco categorías de estos coeficientes, de acuerdo con el tipo y función de la capa considerada: concreto asfáltico, base granular, subbase granular, base tratada con cemento y base asfáltica.



Concreto asfáltico: la Figura 5.28 proporciona un gráfico que puede emplearse para estimar el coeficiente (a¡) de la capa estructural de una rodadura de concreto asfáltico de gradación densa, con base en su módulo elástico (resiliente) a 20°C (68°F).



Bases granulares: La Figura 5.29 muestra un gráfico que puede emplearse para estimar el coeficiente estructural a2, a partir de uno de cuatro resultados de ensayos diferentes de laboratorio

sobre un material granular de base, incluyendo el módulo resiliente de la base.



Bases estabilizadas: La Figura 5.30 muestra el gráfico que puede ser empleado para hallar el coeficiente a2 de una base de suelo cemento, a partir de su módulo elástico o de su resistencia a compresión a 7 días y la Figura 5.31 presenta el ábaco para

hallar el coeficiente correspondiente a las bases asfálticas, en función de su módulo o su estabilidad Marshall.



Subbases granulares: En la Figura 5.32 es posible determinar el coeficiente (a3) para una subbase granular, en función de los mismos ensayos considerados para las bases granulares.

5. CARACTERISTICAS ESTRUCTURALES DEL PAVIMENTO a) Drenaje: A pesar de la importancia que se concede al drenaje en el diseño de carreteras, los métodos corrientes de dimensionamiento de

pavimentos incluyen con frecuencia capas de base de baja permeabilidad y consecuentemente de difícil drenaje. El método deja en libertad al Ingeniero de Diseño para identificar cual nivelo calidad de drenaje se logra bajo una serie especifica de condiciones de drenaje. Se dan a continuación las definiciones generales correspondientes, para diferentes niveles de drenaje de la estructura del pavimento. CAPACIDAD DEL DRENAJE TÉRMINO CALIDAD DEL PARA DRENAJE REMOCIÓN DEL AGUA Excelente 2 horas Buena 1 día Aceptable 1 semana Pobre 1 mes (el agua no Muy pobre drena) El tratamiento para el nivel esperado de drenaje de un pavimento flexible se logra a través del empleo de coeficientes de capas modificadas; esto es, se podría usar un coeficiente de capa efectivo más alto para mejorar las condiciones de drenaje. El factor de modificación del coeficiente de capa se denomina mi y ha sido integrado dentro de la ecuación del número estructural (SN) a partir del coeficiente de capa (ai) y el espesor (di). La Tabla siguiente muestra los valores que recomienda la AASHTO para mi de acuerdo con la calidad del drenaje y el tiempo en el año durante el cual se espera que el pavimento esté normalmente expuesto a niveles de humedad cercanos a la saturación. Los factores que muestra dicha tabla son aplicables solamente a capas granulares. Valores de mi recomendados para modificar los coeficientes de capas de base y sub base granulares % de tiempo de exposición de la estructura del Calidad del pavimento a nivel de humedad próximos a la drenaje saturación < 1% 1% – 5% 5% - 25% >25% Excelente 1.40-1.35 1.35-1.30 1.30-1.20 1.20 Bueno 1.35-1.25 1.25-1.15 1.15-1.00 1.00 Aceptable 1.25-1.15 1.15-1.05 1.00-0.80 0.80 Pobre 1.15-1.05 1.05-0.80 0.80-0.60 0.60 Muy pobre 1.05-0.95 0.95-0.75 0.75-0.40 0.40

6. DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO Este método de diseño es aplicable para vías con tránsito superior a 0.05 x 1 06 ejes equivalentes de 8.2 toneladas y la ecuación utilizada para el diseño de pavimentos flexibles, derivada de la información obtenida empíricamente por la AASHTO ROAD TEST es:

Donde: W18 = Número estimado de Ejes Simples Equivalentes a 18 000 lb (80 kN) para el periodo de diseño, correspondiente al Numero de Repeticiones de EE 8.2 toneladas. ZR = Desviación estándar normal. Coeficiente estadístico asociado a la confiabilidad (expresado como porcentaje). La confiabilidad debe ser mayor cuanto más importante sea la carretera y mayor el volumen de tráfico. Valores entre 080 y 0.99 son apropiados para carreteras de la red principal. S0 = Desviación Estándar Total que engloba por una parte la desviación estándar de la predicción del tránsito en el periodo del proyecto, y por otra la desviación estándar de la predicción del comportamiento del pavimento. AASHTO recomienda valores entre 0.3 y 0.4. Δ PSI = Diferencia entre el índice de servicio inicial (P o) y el final (Pt). Es la capacidad que tiene el pavimento para atender el tránsito, varia de 5 (excelente) a 1 (pésimo). El diseño se hace para que el pavimento llegue al final de su vida útil con el nivel de servicio mínimo deseado. Mr = Módulo de Resiliencia es una medida de la rigidez del suelo de subrasante, el cual para su cálculo se empleará la ecuación que correlaciona con el CBR, recomendada por el MEPDG (Mechanistic Empirical Pavement Design Guide): Mr (psi) = 2555 x CBR

0.64

SN = a1d1 + a2d2m2 + a3d3m3 . Número Estructural o capacidad de la estructura para soportar las cargas bajo las condiciones de diseño. Siendo: ai = Coeficientes estructurales de las capas. Superficial, base y sub-base respectivamente. di = Espesores (pulgadas) de las capas: superficial, base y sub-base respectivamente. mi = Coeficientes de drenaje para las capas de base y sub-base respectivamente.

El SN es un número abstracto, que expresa la resistencia estructural de un pavimento requerido, para una combinación dada de soporte del suelo (M R), del tránsito total (W18), de la serviciabilidad terminal, y de las condiciones ambientales.

6.1

Determinación del número estructural

La gráfica de diseño recomendada por la AASHTO (Figura 5.33) permite la obtención del número estructural, a partir de los siguientes parámetros: 1. Tránsito estimado durante el período de diseño (W18) 2. El nivel de confiabilidad (R). Debe recordarse que la aplicación de este nivel implica la utilización de promedios en los datos de entrada. 3. La desviación estándar total (S0) 4. El módulo resiliente de la subrasante (MR). 5. La pérdida de nivel de servicio durante el período de diseño, Δ PSI = P0 - Pt Con estos datos, el SN se determina siguiendo los pasos señalados en la clave.

6.2

Selección de los espesores de las capas

Determinado el número estructural, el paso siguiente consiste en identificar un conjunto de capas cuyos espesores, convenientemente combinados, proporcionen la capacidad portante correspondiente a dicho SN. La fórmula a utilizar, como se indicó en el comienzo del texto, es: SN = a1d1 + a2d2m2 + a3d3m3 Esta expresión no conduce a una solución única, sino que presenta muchas combinaciones técnicamente válidas. Al elegir los espesores de las diferentes capas, debe tenerse presente que desde el punto de vista de costos, si la relación de costo entre las capas 1 y 2 es menor que la relación correspondiente de los productos a¡m¡, el diseño óptimo económico es aquél que considera un espesor mínimo de base. Debido a que generalmente es impráctica y antieconómica la colocación de capas de pavimento muy delgadas, el método recomienda los siguientes mínimos. Espesores mínimos (pulg.) Número de ejes equivalente (millones) < 0.05 0.05 – 0.15 0.15 – 0.50 0.50 – 2.00 2.00 – 7.00 >7.00

Concreto asfáltico

Base granular

1.0 o TSD 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

4 4 4 6 6 6

La AASHTO advierte, no obstante, que estos mínimos pueden ser variados de acuerdo a las condiciones locales y la experiencia de cada entidad.

6.3

Análisis del diseño por capas

Siendo el pavimento un sistema multicapa, la distribución de los espesores debe hacerse de acuerdo con los principios que muestra la Figura 5.34.

Primero, se calcula el SN requerido sobre la subrasante. Del mismo modo, se hallan los SN necesarios sobre las capas de subbase y base, usando los valores aplicables de resistencia en cada caso. Trabajando con las diferencias entre los SN calculados como necesarios sobre cada capa, se determina el espesor máximo permisible de cada uno. Por ejemplo el SN máximo admisible para el material de subbase, debe serigual a la diferencia entre el SN total y el que se requiere sobre dicha capa. Del mismo modo, se procede con las demás y se calculan los espesores como lo muestra la Figura 5.34. Este procedimiento no debe aplicarse en la determinación del SN requerido sobre materiales de base o subbase con módulo elástico superior a 40.000 psi. En estos casos, los espesores de las capas superiores se establecen en base a consideraciones prácticas sobre espesores mínimos y costos.

7. EJEMPLO

Diseñar un pavimento flexible para un período de diseño de 15 años y en el cual se espera un tránsito promedio diario inicial de vehículos comerciales de 388 en dos carriles, con un crecimiento de tránsito de 3% anual y un factor camión de 1.5. Teniendo en cuenta que se trata de una vía rural troncal, se asume un coeficiente de confiabilidad de 90% y una desviación estándar de 0.45. Según el estudio de suelos, no existirán materiales expansivos, pero la pluviosidad de la zona exigirá la construcción de dispositivos de drenaje que evacuen los excesos de agua en el término de un día. Se espera que la calidad de la construcción sea tal que el índice de servicio inicial (Po) sea 4.3 y se ha seleccionado un índice final (Pt) de 2.0, lo que implica una pérdida total Δ PSI = 4.3 - 2.0 = 2.3. El suelo de subrasante presenta, bajo las condiciones de humedad y densidad esperadas, un CBR = 5% (MR = 1500 x 5 = 7500 psi). Los materiales disponibles para la construcción de las capas de subbase y base granular tienen CBR de 25 y 80% a los niveles de construcción exigidos por las especificaciones, a los cuales corresponden coeficientes estructurales de 0.10 Y 0.13 respectivamente. Para la temperatura media de la zona del proyecto (15°C), se estima que el módulo elástico del concreto asfáltico sea 25000 Kg/cm2 (350000 psi). En relación con el drenaje, y considerando lo ya expuesto, se puede tomar un valor mi = 1.15

CALIDAD DEL DRENAJE Excelente Buena Aceptable Pobre Muy pobre

TÉRMINO PARA REMOCIÓN DEL AGUA 2 horas 1 día 1 semana 1 mes (el agua no drena)

Valores de mi recomendados para modificar los coeficientes de capas de base y sub base granulares % de tiempo de exposición de la estructura del Calidad del pavimento a nivel de humedad próximos a la drenaje saturación < 1% 1% – 5% 5% - 25% >25% Excelente 1.40-1.35 1.35-1.30 1.30-1.20 1.20 Bueno 1.35-1.25 1.25-1.15 1.15-1.00 1.00 Aceptable 1.25-1.15 1.15-1.05 1.00-0.80 0.80 Pobre 1.15-1.05 1.05-0.80 0.80-0.60 0.60 Muy pobre 1.05-0.95 0.95-0.75 0.75-0.40 0.40

Solución: 1. Determinación del tránsito de diseño aplicando el procedimiento normal de cálculo de ejes equivalentes de la siguiente forma: 15

W 18=388 x 0.5 x 365 x

(1+0.03) −1 x 1.5 ln (1+0.03)

W 18=2.0 x 10 6 ejes de 8.2ton 2. Determinación del módulo resiliente de la subrasante, mediante la expresión MR (kg/cm2) = 100 CBR MR (lb/pulg2) = 1500 CBR MR 1500 x 5 = 7500 lb/pulg2 3. Determinación de los módulos resilientes de las capas de subbase y base granular (Figuras 5.32 y 5.29 respectivamente). El CBR de la subbase (25%) corresponde a un Mr = 13.8 psi y un coeficiente estructural a3 = 0.1

El CBR de la base (80%) corresponde a un Mr = 28 psi y un coeficiente estructural a2 = 0.13

4. Determinación del SN o volumen estructural del pavimento a partir del Módulo Resiliente de la subrasante y de los datos básicos del problema; mediante el uso de la gráfica de diseño que presenta la Figura 5.33. El resultado que se lee en la gráfica es SN = 3.8

5. Determinar el espesor necesario de concreto asfáltico a partir del Módulo Resiliente de la base y mediante el uso de la Figura 5.33, procediendo lo mismo que el ya calculado, pero entrando en la gráfica con el Módulo resiliente de la base. De esta forma se obtiene que SN 1 (número estructural sobre la base) = 2.3 MR = 28 psi

Teniendo en cuenta que SN1 = a1 y que el valor de al se obtiene de la Figura 5.28 entrando en las abscisas con el valor del módulo de elasticidad

del concreto asfáltico y leyendo el valor de a1 en las ordenadas el cual resulta ser a1 = 0.39.

Entonces:

Di = Sn1/a1 = 2.3/0.39 = 5.9 pulg de espesor en concreto asfáltico. Recomienda la AASHTO redondear 01 a 6 pulgadas, por esta razón es necesario recalcular el número estructural correspondiente al concreto asfáltico, de la siguiente forma: SN1* = al D1 corregido

=

0.39 x 6

=

2.34

6. Determinar el espesor que debe tener la base granular, a partir del Módulo Resiliente de la capa de subbase (Esa = 13800 psi), mediante el empleo de la Figura 5.33 pero, entrando en ella con el MR de la subbase. El valor aportan la base granular y el concreto asfáltico. Teniendo en cuenta que es conocido el valor de SN 1 * (2.34),

entonces, el valor del coeficiente estructural de la base se obtiene así: SN (Base Granular) = 3.2 - 2.34 = 0.86 SN (Base Granular) = a2D2m2, entonces

Atendiendo la recomendación de la AASHTO se redondea el valor obtenido de 02 a 6 pulg. y se recalcula el número estructural de la base así: SN' (base granular) = a2 02 (elegido) x m2 = 0.1 3 x 6 x 1.1 5 = 0.9 7. Determinación del espesor de la subbase a partir del número estructural del total del pavimento, del concreto asfáltico y de la base granular; de la siguiente forma: SN (Subbase) = 3.8 - (2.34 + 0.9) = 0.56, entonces, SN (Subbase) = a3 D3 m3, despejando D3 se obtiene que:

8. Diseño del pavimento La estructura del pavimento quedaría de la siguiente forma: Concreto Asfáltico (El = 350.000 p.s.i.) = 6 pulg. Base Granular (CBR = 80%) Subbase Granular (CBR = 25%)

= 6 pulg. = 5 pulg.

15 cm (6’’) 15 cm (6’’)

43 cm (17’’)

13 cm (5’’)

7.5 cm (3’’) 15 cm (6’’) 43 cm (17’’) 20.5 cm (8’’)