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Guía 2002 AASHTO Diseño de pavimentos nuevos y rehabilitados Ing. Civil Carlos Wahr Daniel Roberto Parker Soto 2002

OBJETIVOS è

La elaboración de la Guía 2002 se desarrolla bajo el Proyecto NCHRP 1-37 A :

ü

Procedimientos basados en enfoque empíricomecanicista, que incluye una metodología para calibración, validación y adaptación a condiciones locales.

ü

Software incorporado

ü

Planes y estrategias para capacitación e implementación de la Guía

ü

Promoción entre agencias especialistas

ASPECTOS GENERALES è

Entrega procedimientos de diseño para pavimentos flexibles, rígidos y compuestos, para caminos nuevos y rehabilitados

è

Se utilizan parámetros de diseño comunes para tráfico, subrasante, medio ambiente, para todos los tipos de pavimento.

è

Las recomendaciones proveerán para la estructura (materiales y espesor de las capas) de estructuras nuevas y rehabilitadas, incluyendo procedimientos para determinar el espesor de las capas, tratamientos de rehabilitación, drenaje, estrategias para las mejoras de las fundaciones y otros aspectos del diseño.

è

Incluye un procedimiento optativo para el análisis de costos en el ciclo de vida.

è

Esta edición está definida, en su mayor parte, por principios mecanicistas, basándose en modelos de diseño y bancos de datos

è

Sentará las bases para el diseño empírico-mecanicista para los próximos 10 a 25 años

ASPECTOS GENERALES è

Los modelos presentados en la Guía AASHTO 2002 permiten relacionar cada una de las variables que influyen en el desempeño del pavimento, eligiendo diferentes niveles de sofisticación en la entrada de datos.

è

Los procedimientos descritos pueden adoptarse como un modelo estándar para todo el mundo, adaptándose a la realidad de cada lugar.

è

La Guía 2002 y del software adjunto serán de fácil manejo para el usuario.

INNOVACIONES TEMÁTICAS ü

Recolección y procesamiento de los datos de tránsito

ü

Requerimientos de ensayos para asfalto y materiales granulares Incorporación de factores climáticos del lugar en que se desarrolla el proyecto Procedimiento de recapados y rehabilitación de pavimentos

ü ü

INNOVACIONES TEMÁTICAS è Alejamiento

del enfoque empírico (resultados de prueba AASHO), enfocándose hacia principios de resistencia de materiales y modelos probados. è Se podrán registrar y predecir aspectos relacionados con el diseño, evaluación del desempeño estructural y elementos no estructurales del pavimento. è Importancia en un desembolso adecuado de recursos. Se proponen métodos de evaluación de materiales , para desarrollar adecuados planes de mantenimiento y administración.

INNOVACIONES TEMÁTICAS La Guía 2002 entrega recomendaciones estructurales para pavimentos nuevos y rehabilitados: è Espesor

del pavimento è Tratamientos de rehabilitación è Drenajes è Análisis

superficiales

de costos en el período de vida útil del pavimento

¿POR QUÉ EDITAR UNA NUEVA GUÍA? ü

Rehabilitación: no considerada en AASHO Road Test

ü

Datos de Prueba AASHO no permiten evaluar efectos climáticos en otras latitudes

ü

Sólo se utilizó un tipo de subrasante en Prueba AASHO

ü

Modelos de suspensión, configuración de ejes y neumáticos en el momento de la Prueba AASHO están obsoletos actualmente

¿POR QUÉ EDITAR UNA NUEVA GUÍA? ü

Los diseños de pavimentos, materiales y construcción eran los representativos de la época de la prueba AASHO. No se incluyó el subdrenaje en las pistas de esta prueba.

ü

Diferencias con las actuales cargas de tráfico

ü

Sólo se usaron bases granulares

ü

Corta duración de prueba AASHO (2 años)

ü

AASHTO en la actualidad plantea la relación entre espesor de pavimento y serviciabilidad

ü

Sin embargo, son otros los deterioros que determinan la rehabilitación de los pavimentos.

PROCEDIMIENTOS EMPÍRICO - MECANICISTAS Variabilidad en materiales (1986)

Comparación con suelo distinto al de Illinois

Performance real no coincide con el diseño dise

No se aplica variabilidad en procesos constructivos

PROCEDIMIENTOS EMPÍRICO - MECANICISTAS SOLUCIÓN: Guía AASHTO 2002. è Enfoque empírico-mecanicista permite un mejor registro de efectos relacionados con: ü Clima Reducir variaciones en ü Envejecimiento desempeño del pavimento ü Características de Materiales è

Concesionarias o agencias deciden con respecto a costos (análisis probabilístico en ciclo de vida) y flujos de caja

PROCEDIMIENTOS EMPÍRICO - MECANICISTAS è è

Ahorro de US$ 1,4 billones anuales (USA) por concepto de rehabilitación 1986: no habían herramientas computacionales suficientes para desarrollar análisis empíricomecanicista

VENTAJAS DE PROCEDIMIENTOS EMPÍRICO - MECANICISTAS 1.

Evaluación de aplicaciones de carga no-tradicionales (por ejemplo, pueden modelarse: aumento de cargas, presión de neumáticos, ejes múltiples)

2.

Uso adecuado de materiales disponibles (materiales estabilizados)

3.

Se desarrollan procedimientos mejorados para evaluar fallas prematuras y para analizar expectativas del diseño

4.

Se incluyen los efectos del envejecimiento en la estimación de la performance.

VENTAJAS DE PROCEDIMIENTOS EMPÍRICO - MECANICISTAS 5.

Se consideran efectos estacionales (por ejemplo, debilitamiento por deshielos)

6.

Mejor estudio de erosión de la subase en pavimentos rígidos

7.

Aplicación de futuros enfoques, metodologías y tecnologías para una mejor evaluación de beneficios a largo plazo al entregar mejores soluciones de drenaje

COMPLEJIDADES ELABORACIÓN GUÍA AASHTO 2002 è

Primer manual que incluye rehabilitación de pavimentos

è

Involucra diseño total de la estructura del pavimento

è

Inclusión de futuros avances

SOFTWARE Ø ü ü ü

Ambiente Operacional: La plataforma recomendada es Win32. Compatibilidad otros programas de diseño Herramientas de interfase Windows 95, 98, 2000, XP y NT.

Ø

Procesador: Se recomienda procesador Pentium o equivalentes

Ø

Lenguaje de programación: C++ (según información entregada previa a la salida del software)

Unidades: el software puede operar con unidades SI o inglesas. Ø

SOFTWARE Ø

Conexiones con bases de datos: acceso a sistemas de administración de bases de datos abiertos con mayor capacidad

Ø

Opción de ayuda para el operador: en pantalla y/o en línea, a través de dos instancias: Aspectos sensibles en todas las entradas de datos Ayuda vía HTML accesible desde cada pantalla

ü ü Ø

Salida de datos: puede obtenerse en forma impresa (hardcopy) o guardarse en archivos (electronic copy), con formato HTML y/o Excel.

METODOLOGÍA GUÍA 2002 Propiedades de los Materiales

Modelo Climático Integrado Cargas por eje

Análisis

Estructura del pavimento

Predicción del deterioro

NIVELES DE ENTRADA DE DATOS èAspecto

no considerado en ediciones anteriores

èEntrega

flexibilidad en la obtención de datos conforme a la importancia del proyecto y de la disponibilidad de fuentes de información. èSe

aplica en aspectos como: tránsito, materiales y factores ambientales

NIVELES DE ENTRADA DE DATOS • alto nivel de exactitud

Nivel 1

• aplicado a pavimentos con altos niveles de tráfico o que implica importantes consecuencias económicas • datos se obtienen de mediciones en el sitio específico del proyecto o cercano a él; • requiere mayor cantidad de recursos • similar a los típicos procedimientos aplicados en anteriores ediciones de la Guía AASHTO • se aplica en niveles intermedios de diseño

Nivel 2

• se recurre a correlaciones, ecuaciones de regresión, valores regionales, bancos de datos e agencias • se utiliza si no se tienen los recursos para los ensayos necesarios del nivel 1; • entrega el menor grado de exactitud

Nivel 3

• se utiliza en caminos con volúmenes bajos de tránsito o que su colapso no implique graves consecuencias • se asumen valores parámetros nacionales

por

defecto

o

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES La Guía 2002 presenta una serie de nuevas aproximaciones para la caracterización de los materiales. è ü

ü

è

Asfaltos: Mejor caracterización de los materiales asfálticos, ya que son altamente sensibles a la temperatura y a la velocidad de las cargas No más un número estructural único para los cementos asfálticos Hormigón de Cemento Portland: modelación mecanicista de las capas de pavimento

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES è

Los procedimientos mecanicistas permitirán la aplicación de conceptos de la Resistencia de Materiales en el análisis de pavimentos (relación cargas-deterioro en sistemas de varias capas, efectos térmicos, caracterizacíón mecanicista de los materiales)

è

Sistema de Ingreso Jerárquico (asociado a nivel de confiabilidad) implica al ingeniero efectuar mediciones para caracterizar los materiales

Valores in situ

Valores por defecto

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES Aspectos a considerar en los requerimientos de respuesta de los materiales (según enfoque E-M) è

Propiedades de respuesta: predicción de estados de esfuerzo y deformación (de la estructura del pavimento) sujeta cargas externas (Importantes: E, µ)

è

Principales Deterioros y Funciones de Transferencia: estas últimas son las relaciones responsables de los principales modos de deterioro asociados a cada material.

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MEZCLAS ASFÁLTICAS) A continuación, se presentan las propiedades, funciones de transferencia y tipos de deterioro a considerar en el asfalto por la Guía 2002 MATERIAL

Asfalto

PROPIEDADES

ü Módulo Elástico (dependiente de la temperatura y de la edad) ü Módulo de Poisson

PRINCIPALES DETERIOROS / FUNCIONES DE TRANSFERENCIA

ü Agrietamiento temperatura

a

ü Fatiga por cargas repetidas

ü Resistencia (triaxial, ü Deformación permanente tensión indirecta) ü Fractura térmica

baja

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES Niveles de entrada de datos: è

Nivel 1: datos de materiales obtenidos de pruebas de laboratorio in-situ (p.ej: prueba de módulo dinámico de mezclas asfálticas en caliente)

è

Nivel 2: bancos de datos, correlaciones, modelos de agencias (p.ej: estimación de módulo de elasticidad en HCP, por ensayos de resistencia a la compresión)

è

Nivel 3: valores por defecto, parámetros o modelos nacionales calibrados (p.ej: valor del módulo de Poisson, µ)

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES Material

Nivel 1

Nivel 2

Nivel 3

Mezcla Asfáltica

Medición del módulo dinámico

Estimación del módulo dinámico

Valor por defecto del módulo dinámico

Hormigón de Cemento Portland

Medición del módulo elástico

Estimación del módulo elástico

Valor por defecto del módulo elástico

Material estabilizado

Medición del módulo de elasticidad

Estimación del módulo de elasticidad

Valor por defecto del módulo de elasticidad

Material Granular

Medición del módulo resiliente

Estimación del módulo resiliente

Subrasante

Medición del módulo resiliente

Estimación del módulo resiliente

Valor por defecto del módulo resiliente Valor por defecto del módulo resiliente

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES C ATEGOR ÍAS DE MATERIALES PARA PAVIMENTOS ü

Mezcla asfá asf áltica en caliente con granulometrí granulometrí a continua

ü

Materiales tratados con asfalto de graduació graduación discontinua

ü

Mezcla asfá asf á ltica en frí frí o

ü

Hormigó Hormig ón de cemento portland (HCP)

ü

Materiales estabilizados con cementante cementantes s

ü

Bases y subases granulares no estabilizadas

ü Suelos de subrasante ü

Roca base

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES ASFÁLTICOS) Respuesta y comportamiento f u n c i ó n

èTemperatura èTiempo

de carga

de aplicación

Granulometría del agregado

Módulo de Elasticidad mezcla

fu

i nc

ón

función fu

nc

ió

Contenido y rigidez del ligante

n

Contenido de aire

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES ASFÁLTICOS) Tº s a Alt

o

Tiempo prolongado de aplicaciones de carga

Módulo de Elasticidad

material granular

10

Km / H

BAJA VELOCIDAD

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES ASFÁLTICOS) Ba jas Tº

o

Tiempo reducido de aplicaciones de carga

100 Km / H

MÁXIMA VELOCIDAD

σ

Comportamiento Elástico Puro

E 1

ε

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (HORMIGÓN -HCP) èLosa

Intacta

Clasificación

èLosa

Fracturada

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MAT. EN BASE CEMENTO PORTLAND-HCP) è

Losa Intacta Gran cantidad de información disponible de propiedades de materiales, funciones de deterioro y resistencia de placas

è

Losa Fracturada

•

Se aplica en rehabilitación de pavimentos (involucra la disminución de la longitud efectiva de la placa o losa) Importante conocer grado de fracturamiento de placa para valores de E (procedimiento de capas elásticas) E de losa chancada se puede aproximar a E de rocas chancadas de alta calidad Método confiable: iteraciones basadas en datos de FWD

• • •

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTANTES) è

Abarca una amplia gama de materiales puzolánicos químicamente reactivos Gran ganancia en rigidez, resistencia y otras propiedades, asemejando el comportamiento de los HCP Este amplio rango de variaciones mecánicas permite análisis M-E

Leve modificación de propiedades químicas

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES ESTABILIZADOS CON CEMENTANTES)

ATENCIÓN!!! èDificultades

en la recolección de datos de diseño:

Aumento excesivo en propiedades claves de la Resistencia de Materiales con el paso del tiempo (módulo de rigidez y resistencia, por ejemplo) Nivel de incremento último y tiempo en que ocurre

èCantidad

función

de agente estabilizante aplicado èMaterial (mezclado con el agente estabilizante ) èEficiencia en proceso de mezcla en terreno

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES GRANULARES) è

Material con un fuerte comportamiento no-lineal.

è

Módulo de elasticidad está altamente influido por el estado no lineal de esfuerzos y el contenido de humedad in-situ.

è

Deformación permanente: importancia en capas débiles o mal protegidas.

è

Actual estado del arte de los métodos iterativos de retrocálculo no permite una determinación exacta de los coeficientes no-lineales in-situ comparado con los resultados obtenidos a partir de programas de ensayo en laboratorio.

è

Cuidado extremo en ensayos no-destructivos, asegurando que las cargas utilizadas sean comparables con las utilizadas en los análisis E-M.

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES GRANULARES) MODELO K1-K3 (Modelo universal para suelos granulares).

è

MR = k1*pa*

k2

[] [ θ pa

]

τoct + 1 * pa

•

MR : módulo resiliente (en Pa)

•

pa : presión atmosférica (en Pa)

•

•

•

•

•

k3

k1 , k2 , k3 : constantes de regresión, las cuales son funciones del tipo específico y propiedades físicas (densidad-humedad) del material. s

θ : esfuerzo de deformación, representado por la suma de todas las componentes normales ortogonales que actúan en un punto dado. τoct : esfuerzo octaédrico de corte actuando en el material. ,

s

,

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (MATERIALES GRANULARES) è

σ

confinamiento

è

σ

confinamiento

Granulometría Gruesa

Se asocia

RIGIDEZ

Granulometría Fina

Se asocia

RIGIDEZ

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (ROCA MADRE) è Su

presencia cerca del pavimento puede influir altamente en la rigidez de las capas superiores

è Aunque

es rara la obtención de valores del módulo de rigidez para este tipo de materiales, cualquier capa rígida inferior (roca) cercana a la estructura del pavimento, debe ser incorporada al análisis (al menos de una forma aproximada)

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (OBSERVACIONES) è

Materiales ligados (cemento asfáltico, HCP, bases estabilizadas de alta resistencia) pueden presentar relaciones σ –ε , generalmente, lineales.

è

Materiales no ligados (materiales granulares o suelos de granulometría fina) desarrollan propiedades conforme con el estado de esfuerzos

è

Expresiones que relacionan E y σ para suelos granulares y finos

è

Se requiere el valor del coeficiente de dilatación lineal (α ) para los HCP.

è

Los valores asumidos para el Módulo de Poisson (µ ) son aceptables para rutinas e diseño E-M, en base a modelos elásticos e isotrópicos del análisis estructural.

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (RIGIDEZ EN MEZCLAS ASFÁLTICAS) Propiedades de rigidez de mezclas asfálticas

è • • • è

èTemperatura

función

èCarga

Impuesta

èEdad

Características de la mezcla è

En esta Guía 2002 se desarrolla una relación entre: Rigidez del cemento asfáltico (Módulo Dinámico) Nivel de carga impuesta Temperatura de la mezcla La curva maestra junto con un modelo de envejecimiento del ligante asfáltico, sirven para determinar valores para el módulo de la mezcla en puntos incrementales del período de diseño.

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (CURVA MAESTRA) log( E *) = δ +

α 1 + e β +γ (log tr )

DYNAMIC MODULUS

1.0E+07

1.0E+06 12 F 40 F 70 F 100 F 130 F

1.0E+05

1.0E+04 1.E-07

1.E-05

1.E-03

1.E-01 TIME

1.E+01

1.E+03

1.E+05

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (CURVA MAESTRA) SUPERPOSICIÓN TIEMPO, TEMPERATURA, EDAD 1.0E+07

DYNAMIC MODULUS

è

1.0E+06 12 F 40 F 70 F 100 F 130 F

Aging 1.0E+05

(

log(t r ) = log(t ) − c log(η ) − log(ηTr )

)

Temperature

1.0E+04 1.E-07

1.E-05

1.E-03

1.E-01 TIME

1.E+01

1.E+03

1.E+05

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (CURVA MAESTRA)

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (SUPERPOSICIÓN TIEMPO-TEMPERATURA)

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES (SHIFT FACTOR)

DISEÑO DE PAVIMENTOS NUEVOS MEZCLAS ASFÁLTICAS NIVEL 1 è Para trazar la curva maestra se utilizarán datos de ensayos en laboratorio: • rastreo de frecuencias del módulo dinámico en testigos (para cinco Tº y cuatro niveles de carga) • pruebas en el ligante

NIVEL 2 y 3 è

Para trazar la curva maestra se utilizarán valores del módulo dinámico obtenidos de la ecuación de Witczak.

è

Esta ecuación prevee el valor del módulo dinámico en base a: Viscosidad y contenido efectivo del bitumen contenido de aire granulometría del agregado

• • •

REHABILITACIÓN DE PAVIMENTOS DISEÑO EN MEZCLAS ASFÁLTICAS è

è

NIVEL 1 Métodos iterativos de retrocálculo para obtener el módulo de elasticidad insitu. La mezcla asfáltica a utilizar es envejecida para el período de diseño, dependiendo del daño en el momento de efectuar el análisis.

è

NIVEL 2 Cálculo del módulo dinámico utilizando la ecuación predictiva de Witczak, aplicando propiedades apreciadas en testigos.

è

NIVEL 3 Uso de propiedades típicas de mezcla en la ecuación de Witczak, con ajustes en el módulo de elasticidad por daño, en base en inspecciones a pavimentos deteriorados.

ECUACIÓN DE WITCZAK

MÓDULO DE ELASTICIDAD MEZCLAS ASFÁLTICAS (ENSAYOS REQUERIDOS) NIVEL 1 è

è

Se requerirá la ejecución de ensayos para determinar la magnitud del módulo dinámico Ensayos de laboratorio para el desarrollo de la curva maestra

è

è

NIVEL 2 No se requieren ensayos especiales Caracterización de la mezcla y de las características del ligante (basta con un laboratorio típico bien equipado)

NIVEL 3 è

No se requieren ensayos especiales

NIVELES DE ENTRADA DE DATOS (ASPECTOS GENERALES) TIPO DE DISEÑO

NIVEL

1

Nuevo 2

3

PROCEDIMIENTO üensayo de laboratorio del comportamiento de E* (módulo dinámico); üconducta de bases granulares en el ligante; üenvejecimiento simulado de la mezcla üdesarrollo de la curva maestra üuso de la ecuación predictiva del E*; üejecución de ensayos del módulo G en el asfalto; üdesarrollo de la curva maestra üuso de la ecuación predictiva del E*; üdesarrollo de la curva maestra de la mezcla asfáltica

NIVELES DE ENTRADA DE DATOS (ASPECTOS GENERALES) TIPO DE DISEÑO

NIVEL 1

Rehabilitación

2

3

PROCEDIMIENTO üMétodos iterativos FWD (deflectómetro de impacto); üDesarrollo de la curva maestra de mezcla con el envejecimiento; üEnsayos de laboratorio con testigos

üPropiedades de mezcla a partir de testigos; üDesarrollo de la curva maestra de mezcla. üDesarrollo de la curva maestra de mezcla sin daño a partir de propiedades típicas de mezcla; üAjuste para bases dañadas a partir de inspecciones de deterioros.

REHABILITACIÓN DE PAVIMENTOS Es un aspecto integral y de gran importancia en esta edición 2002. è Recapados en pavimentos flexibles: è

•

Cemento asfáltico sobre cemento asfáltico

•

HCP sobre cemento asfáltico (método convencional)

•

HCP sobre cemento asfáltico (ultra-delgado; método ACPA)

•

Materiales no ligados (materiales granulares o suelos de granulometría fina)

•

Otros métodos mejorados (con respecto a la edición 1986)

REHABILITACIÓN DE PAVIMENTOS è

Recapados en pavimentos rígidos:

• •

Recapados de HCP sin confinar Recapados de HCP confinado

•

HCP sobre losas fracturadas

•

Recapados de cemento asfáltico

•

Cemento asfáltico sobre HCP fracturado

•

Otros métodos mejorados (con respecto a la edición 1986)