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• Manuel Galvez Alegria

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MODULO 2 GUIA DE DISEÑO DE PAVIMENTOS MEPDG 2008

Evolución del Diseño de Pavimentos En el Futuro

¿Práctica Actual?

Empírico

EmpíricoMecanístico

Mecanístico

Estado de la práctica

Métodos de Diseño Mecanístico-Empíricos Herramienta para el diseño de pavimentos nuevos y rehabilitación de pavimentos existentes basándose en ... PRINCIPIOS MECANISTICO - EMPIRICOS

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Metodologías de Diseño de Pavimentos • Empírico – Estadísticos basados en ensayos experimentales

• Mecanístico – Cálculo de respuestas del pavimento i.e., esfuerzos, deformaciones – Modelos de desempeño del pavimento basados en principios mecanísticos

• Mecanístico-Empírico – Cálculo de respuestas del pavimento, i.e., esfuerzos, deformaciones – Modelos empíricos de desempeño del pavimento

Clima

Trafico Materiales

Estructura Daño

Tiempo

Respuesta

Acumulación de daño

Fallas

Diseño Mecanístico-Empírico • Mecanistico: Calcular la respuesta del pavimento (i.e., esfuerzos, deformaciones unitarias, y deflexiones) debido a: – Cargas de tráfico – Condiciones medio-ambientales Acumulación de daño a través del tiempo

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ESFUERZOS Y DEFORMACIONES



c

t, or t

Diseño Mecanístico-Empírico Empíricamente relacionar el daño acumulado a través del tiempo a fallas del pavimento, e.g.: - Fisuramiento - Ahuellamiento - Otras fallas

Categorías de Fallas en MEPDG • Estructural vs. Funcional – Estructural: capacidad de transportar carga – Funcional: Calidad del viaje (comodidad) y seguridad

• Carga Asociada vs. No Carga Asociada – Carga Asociada: Causada por las cargas de tráfico – No Carga Asociada: Causada por el clima

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Fallas en Pavimentos Flexibles

Falla por Fatiga Fisuramiento Longitudinal

Fisuramiento Térmico

IRI

Ahuellamiento

Falla Tipo “Piel de Cocodrilo”

(SHRP, 1993)

Fisuramiento por Fatiga

Capa Asfaltica

Deformaciones altas y eventual fisuramiento por fatiga

4

Ahuellamiento

(SHRP, 1993)

Ahuellamiento por Efecto de Cargas

Base

Ahuellamiento puede ocurrir a nivel de la base, subbase o subrsasante

Fisuramiento Térmico

(SHRP, 1993)

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Calidad del Viaje – Índice Internacional de Rugosidad (IRI)

Velocidad = 80 km/h

Ganancia

2

1

0 0.01

0.1

1

10

100

Longitud de Onda, m



 (Vertical Distance) Horizontal Distance

(“Little Book”, 1998)

Fallas en Pavimentos Rígidos

Escalonamiento

6

Fisura Transversal

Punzonamiento en Pavimento de Concreto Reforzado

Calidad del Viaje – Índice Internacional de Rugosidad (IRI)

Velocidad = 80 km/h

Ganancia

2

1

0 0.01

0.1

1

10

100

Longitud de Onda, m



 (Vertical Distance) Horizontal Distance

(“Little Book”, 1998)

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Ingreso de Datos Información General

Entradas

Estado y Resumen

Trafico Clima Estructura

Ver Resultados y Salidas

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Datos Generales – Periodo de diseño, fecha de construcción, fecha de inicio del tráfico – Naturaleza del proyecto • Construcción nueva • Reconstrucción • Rehabilitación – Tipo de pavimento • Flexible • Rígido

Datos Específicos • Tráfico – Volumen – Distribución de la carga por eje – Configuración del eje

• Clima – Latitud, longitud, elevación, etc.

• Estructura del Pavimento – Capas, espesores, y propiedades de los materiales y otras características.

Niveles de Jerarquía basados en el Grado de Precisión de los Datos –

NIVEL 1: DISEÑO AVANZADO DE ALTA CONFIABILIDAD. AUTOPISTAS Y CARRETERAS DE MAYOR IMPORTANCIA. REQUIERE DATOS ESPECIFICOS DE LA ZONA Y EVALUACION

–

NIVEL 2: PROCEDIMIENTO ESTÁNDAR PARA DISEÑO DE RUTINA. LA INFORMACION PUEDE TOMARSE DE UNA BASE DE DATOS

–

NIVEL 3: A UTILIZARSE CUANDO LAS CONSECUENCIAS DE LAS FALLAS PREMATURAS NO SON TRASCENDENTALES EN CARRETERAS DE BAJO VOLUMEN DE TRAFICO.

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Niveles de Jerarquía basados en el Grado de Precisión de los Datos • Nivel 1 : Medidas/Pruebas Especificas en el Sitio – Prueba de Materiales (E*, Mr, Ec, fr, contracción) – Deflectometría (FWD) y retro cálculo – Tráfico: AVC, WIM, Conteos • Nivel 2 : Correlaciones – Usa los resultados de prueba disponibles y correlaciones para obtener los valores de diseño • Nivel 3 : Valores Estándar – Valores Estándar basados en el conocimiento de la zona Nota: El cálculo de los daños es el mismo sin diferenciar el nivel de precisión los datos utilizados

Respuesta del Pavimento • El análisis de la respuesta del pavimento es independiente del nivel de precisión de los datos utilizados – Bajos niveles de precisión pueden contribuir a una mayor incertidumbre y conducir a diseños más conservadores – El nivel de esfuerzo en la toma de datos debe de ser consistente con la importancia del proyecto

TRAFICO • Diferentes Ejes de Carga Ejes Simples Llantas simples Llantas Duales

Tandem

Tridem

Llantas Duales

• Ejes de Carga Mixtos

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Caracterización del Tráfico –

LA NUEVA GUIA UTILIZA UN ESPECTRO DE EJES DE CARGA. SE UTILIZARA UN ESPECTRO COMPLETO PARA EJES SIMPLES, TANDEM Y TRIDEM. SI BIEN ES CIERTO NO SE UTILLIZA EL ENFOQUE DE ESALS EN MUCHOS CASOS EL ESPECTRO DE EJES DE CARGA PUEDE TRANSFORMARSE A ESALS.

–

NIVEL 1: RECOLECCION Y ANALISIS DE DATOS ESPECIFICOS. ESPECTROS DE DISEÑO DESARROLLADOS PARA CADA CLASE DE VEHICULO

–

NIVEL 2: ESPECTROS DE DISEÑO DE BASE DE DATOS

–

NIVEL 3: ESPECTRO DE EJES DE CARGA STANDARD POR CLASE FUNCIONAL DE CARRETERA

Datos Climáticos • Temperatura—la variación por hora es considerada – El modelo predice la temperatura en la estructura del pavimento cada hora basado en datos climáticos históricos por hora

• Gradiente de humedad—Variación mensual es considerada

Variación Diaria de Temperatura Cada aplicación de carga Día 2

Temperatura, grados C

Día 1

0.0

Día 3

Día 4

Dia Noche PCC Arriba PCC Abajo 0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Tiempo, días

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Caracterización de Materiales Módulo de Elasticidad Asphalt Mixtures Dynamic Modulus ASTM D3496

HMA aggregado base

Unbound Materials Resilient Modulus NCHRP 1-28A AASHTO T307

subrasante

Módulo Dinámico Complejo (Mr) Adjustado por temperatura & ciclo de carga. |E*|

= Dynamic modulus

o

= Maximum (peak) dynamic stress

o

= Peak recoverable axial strain

P h a s e la g

S tre s s S tra in

t   i  360  tp

T im e

Parámetros de Diseño sobre la Vida del Pavimento Cada aplicación de carga

Modulo CTB

Modulo PCC Trafico Modulo AC Modulo de Base Granular Modulo Subrasante

0

2

4

Tiempo, años

6

8

12

Caracterización de los Materiales Material Concreto Asfáltico

Concreto de Cemento Portland Materiales Estabilizados Materiales Granulares

Subrasante

Nivel 1 Medir Módulo Dinámico Medir Módulo Elástico Medir Módulo Medir Módulo Resilente Medir Módulo Resilente

Nivel 2 Estimar Módulo Dinámico Estimar Módulo Elástico Estimar Módulo Estimar Módulo Resilente Estimar Módulo Resilente

Nivel 3 Asumir Módulo Dinámico Asumir Módulo Elástico Asumir Módulo Asumir Módulo Resilente Asumir Módulo Resilente

Modelos de Respuesta Estructural – Elementos Finitos y Multi-Capas Elásticas • Para pavimentos flexibles  JULEA programa de análisis de capas elásticas lineales  DSC2D programa del Modelo de Elemento Finito eje simétrico en 2D para casos con modelación no lineal

• Para pavimentos rígidos  ISLAB2000programa del Modelo de Elemento Finito (FEM)

Modelos de Respuesta Estructural, cont. • Datos de Entrada – – – –

Geometría Propiedades del Material Cargas Temperatura

• Salidas – Esfuerzos Internos – Deformaciones Unitarias – Deformación Acumulada

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Confiabilidad del Diseño • Considera un modelo de incertidumbre (confiabilidad) para cada tipo de falla

Confiabilidad del Diseño • Diferente al de AASHTO 1986/93 • Basado en predicción del tipo de falla y rugosidad (comodidad) • La probabilidad de que cierta falla e IRI no excedan un nivel crítico • La agencia debe seleccionar niveles de confiabilidad y los criterios de desempeño para los tipos diversos tipos de falla e IRI

Agrietamiento

Concepto de Confiabilidad para Fisuramiento

Agrietamiento (falla) Agrietamiento (promedio)

Agrietamiento0

Probabilidad de falla ()

Predicción en Confiabilidad R

Confiabilidad R = (1 - ) Predicción promedio R = 50 %

Tiempo

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IRI

Concepto de Confiabilidad para IRI

Probabilidad de falla ()

Predicción a Confiabilidad R

IRI (falla)

Confiabilidad R = (1 - )

IRI (promedio)

Predicción promedio R = 50 %

IRI0

Tiempo

Respuesta del Pavimento • El análisis de la respuesta del pavimento es independiente del nivel de precisión de los datos utilizados – Bajos niveles de precisión pueden contribuir a una mayor incertidumbre y conducir a diseños más conservadores – El nivel de esfuerzo en la toma de datos debe de ser consistente con la importancia del proyecto

Daño Acumulado – Concepto de Daño Inncremental • La vida útil de diseño es dividida en períodos incrementales de tiempo

Vida Util de Diseño

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Daño Incremental • En cada incremento de tiempo, los siguientes parámetros son utilizados para calcular el daño incremental: – Propiedades de los materiales – Temperatura y humedad de acuerdo a la estación – Variación estacional del tráfico

Daño Incremental El daño acumulado es calculado utilizando la ecuación de Miner

Número Actual de Cargas n Daño  Fatiga Número Permisible de Cargas N n y N son calculados para cada periodo de tiempo, estación, tipo de eje de carga, nivel de carga, gradiente térmico, categoría de tráfico

Daño Incremental

Daño

• Daño total acumulado es la suma de los incrementos de daño a lo largo de la vida útil.

Vida Util de Diseño

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Verificación del Desempeño El procedimiento evalua un diseño propuesto para determinar si cumple con el comportamiento esperado bajo los criterios establecidos para un determinado nivel de confiabilidad Diseño Propuesto

Predicción de Falla

Verificación del Desempeño

¿Esta el nivel de falla predicho dentro de los limites permisibles para el nivel de confiabilidad deseado?

0

5

10

15

20

25

30

Edad, años

Ingreso de Datos Generales

Trafico

Clima

Estructura

Respuesta Estructural (, , ) Daño Acumulado Modelos Calibrados de Daño Confiabilidad de Diseño

Fallas Comodidad

Verificación del Desempeño Criterio de Falla

¿Requisitos del Diseño Satisfechos?

Revisar diseño preliminar

Diseño Preliminar

No

Si

Diseño Factible

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¿Calibrar MEPDG?

Desempeño en el Campo – El Sitios de la Prueba Estudio LTPP de Carretera AASHO

Modelos Calibrados de Fallas • El “daño” acumulado es asociado a cierto tipo de falla mediante modelos calibrados de predicción y funciones de transferencia Daño Predicho

Tiempo

Falla Observada

Daño Predicho

Falla Observada

Edad

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Predicción del Desempeño  Fisuramiento por Fatiga  Deformación Permanente (ahuellamiento)  Falla por gradiente Térmico  Rugosidad, IRI

Falla o Daño Respuesta

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