DISEO RACIONAL DE
PAVIMENTOS
1. Evolucin de la metodologa del
diseo racional de pavimentos
La evolucin de la metodologa racional esta ligada
principalmente por los siguientes factores:
La evolucin de los materiales
El desarrollo de nuevos mtodos constructivos
Evolucin de los Vehculos y cargas rodantes
CBR
1930 1927
Westergard
1943
Burmister
Se introduce la
mecnica de
materiales al diseo de
pavimento
Pistas
EEUU
1949
AASTHO
1961
Alize III
Depav
1980
2.- Generalidades
La metodologa racional considera la propiedades de los materiales y la calidad de la subrasante.
Considera una carga Standard ms alta (13 ton)
La metodologa racional combina la mecnica de los pavimentos y elementos experimentales.
Probabilidad de falla Riesgo de Clculo
Perido de tiempo Vida til de Clculo
3.-Modelo probabilstico
El modelo probabilstico adoptado en la metodologa racional tiene por objetivo evaluar la probabilidad de ruptura acumulada en el tiempo y no el calculo de la vida til.
Seleccin de la probabilidad de falla
El valor de probabilidad de falla P en los aos de vida til de servicio especificada est ntimamente ligada al riesgo de aparicin de daos en el pavimento. Por tal motivo su seleccin afecta principalmente el aspecto econmico de la va. Las probabilidad de falla esta relacionada con el tipo de material escogido y la clase de trfico presente en la Va.
Estas probabilidades corresponden a un fractil de la ley normal centrada
Seleccin de la probabilidad de falla
La desviacin estndar, , relacionada con los ensayos de laboratorio y con los espesores de capa puede determinarse mediante la siguiente ecuacin:
N es la desviacin estndar de la ley de fatiga expresada en logaritmo decimal del nmero de ciclos.
H es la desviacin estndar de los espesores de material colocado in situ
c es un coeficiente dimensional que depende del material considerado y vara entre 0.015 y 0.04. A falta de mejor informacin puede tomarse en los clculos un valor de c = 0.02
4.- Factores considerados en el
diseo
trfico (Eje 13 ton, C.A.M ,Ne)
Clima (Temperatura)
La subrasante (Mdulo resiliente)
Capas de Pavimento (RSV, Mdulo Dinmico, ley de fatiga)
Calidad de la Construccin (Dispersin de la colocacin)
4.1- Estimacin trfico
Para la evaluacin del trfico se deben tener en
cuenta los ejes superiores
a 3.5 ton (35 kN)
La determinacin del
trfico se realiza a partir de
los vehculos pesados por
sentido de la va mas
pesada para va tenga dos
carriles con un ancho
inferior a 6m hay que tener
el primer ao de diseo,
Cuando la superposicin
de trayectorias
Ancho del Carril Criterio
Si es menor a 5 m
Se aplicar a todo el
pavimento el 100%
del trfico total en
ambos sentidos
Si el Ancho varia
entre 5 y 6 m
Se aplicar el 75%
del trfico total en
ambos sentidos
Clasificacin del trfico
Clase de trfico Nmero acumulado
de vehculos pesados
Nmero de
vehculos pesados
por da
T1 N< 5X105 VP/Dia< 50
T2 5X105 N < 1.5X106 50 VP/Dia< 150
T3 1.5X106 N < 4.0X106 150 VP/Dia< 300
T4 4.0X106 N < 1.0X107 300 VP/Dia< 750
T5 1.0X10 N < 2.0X107 750 VP/Dia< 2000
Clculo de la clase de trnsito
La clase de trfico correspondiente a una va en
particular se determina calculando el nmero de
vehculos pesados (VP) de carga til superior a 35 kN
(3.5 Ton) que pasan por la va durante la vida til de
servicio de acuerdo con la siguiente ecuacin:
ca FNVPN 365
VP = Vehculos pesados con una carga til superior o igual 3.5Ton x da
Na =Vida til de servicio, en aos
Fc = Factor de crecimiento del trfico
Factor de crecimiento
El factor Fc depende del crecimiento del trfico y est dado por:
Crecimiento lineal:
Crecimiento exponencial:
donde i representa el porcentaje de crecimiento anual del trfico.
Se debe tener en cuenta que las vas urbanas que se encuentren prximas a la saturacin tendrn un porcentaje de crecimiento muy bajo o nulo.
Estimacin del C.A.M y el N
equivalente El clculo del coeficiente de agresividad media se realiza mediante dos procedimientos diferentes dependiendo de las exigencias del proyecto:
1. Clculo del coeficiente de agresividad media (CAM) cuando se dispone de las cargas reales que transitan sobre la va.
CAM = coeficiente de agresividad media
VPPC = vehculos pesados con una carga til superior o igual a 35 kN (3.5Ton) para un perodo de conteo de trfico
Pi = carga de cada uno de los ejes de los vehculos pesados, VP, que transitan por la va
Pref = carga del eje de referencia 130 kN (13 Ton).
El coeficiente Kj corresponde al tipo de eje ( j=1 para eje simple, j=2 para eje tandem y j=3 para eje tridem)
Estimacin del C.A.M (MTODO 1)
Ejemplo
EJEMPLO DE CLCULO DEL
COEFICIENTE DE
AGRESIVIDAD MEDIA
(CAM). Mtodo 1 Durante 5 das de conteo un
estacin de pesaje determin
que pasaron 805 vehculos
pesados, los cuales tenan la
siguiente distribucin:
Calcular el CAM para un
pavimento Rgido?
Eje Simple Eje Simple Eje Simple
Desde Hasta
Numero de
Ejes
(N1)
Numero de
Ejes
(N2)
Numero de
Ejes
(N3)
10 30 210.00 107.00 48.00
30 40 160.00 78.00 34.00
40 50 100.00 66.00 28.00
50 60 290.00 60.00 22.00
60 70 280.00 50.00 16.00
70 80 216.00 28.00 14.00
80 90 210.00 24.00 4.00
90 100 180.00 8.00 2.00
100 110 68.00 6.00 0.00
110 120 50.00 5.00
120 130 40.00 2.00
130 140 25.00 1.00
140 150 9.00 1.00
150 160 7.00 0.00
160 170 5.00
170 180 2.00
180 190 1.00
190 200 1.00
200 210 0.00
TOTAL 1854.00 436.00 168.00
Estimacin del C.A.M (MTODO 1)
a 12 K2= 12 K3= 113
Desde Hasta
Agresividad
del centro
de clase
Numero de
Ejes (N1)AxN1
Agresividad
del centro
de clase
Numero de
Ejes (N2)AxN2
Agresividad
del centro
de clase
Numero de
Ejes (N3)AxN3
10 30 20 1.76.E-10 210 0 2.11.E-09 107 0 1.99.E-08 48 0
30 40 35 1.45.E-07 160 0 1.74.E-06 78 0 1.64.E-05 34 0
40 50 45 2.96.E-06 100 0 3.55.E-05 66 0 3.34.E-04 28 0
50 60 55 3.29.E-05 290 0 3.95.E-04 60 0 3.72.E-03 22 0
60 70 65 2.44.E-04 280 0 2.93.E-03 50 0 2.76.E-02 16 0
70 80 75 1.36.E-03 216 0 1.63.E-02 28 0 1.54.E-01 14 2
80 90 85 6.11.E-03 210 1 7.33.E-02 24 2 6.90.E-01 4 3
90 100 95 2.32.E-02 180 4 2.78.E-01 8 2 2.62.E+00 2 5
100 110 105 7.71.E-02 68 5 9.25.E-01 6 6 8.71.E+00 0 0
110 120 115 2.30.E-01 50 11 2.76.E+00 5 14 2.59.E+01 0
120 130 125 6.25.E-01 40 25 7.50.E+00 2 15 7.06.E+01 0
130 140 135 1.57.E+00 25 39 1.89.E+01 1 19 1.78.E+02 0
140 150 145 3.71.E+00 9 33 4.45.E+01 1 44 4.19.E+02 0
150 160 155 8.25.E+00 7 58 9.90.E+01 0 0 9.33.E+02 0
160 170 165 1.75.E+01 5 87 2.10.E+02 0 1.97.E+03 0
170 180 175 3.54.E+01 2 71 4.25.E+02 0 4.00.E+03 0
180 190 185 6.90.E+01 1 69 8.28.E+02 0 7.80.E+03 0
190 200 195 1.30.E+02 1 130 1.56.E+03 0 1.47.E+04 0
200 210 205 2.36.E+02 0 0 2.84.E+03 0 2.67.E+04 0
Clase de Peso (kN) Eje Simple Eje Simple Eje Simple
Mitad de
clase (kN)
Tipo de Pavimento Pavimentos semi-rgidos
C.A.M= (535+102+11)/ 805= 0.84
Estimacin del C.A.M (MTODO 2)
Se usa cuando no se dispone de las cargas reales que transitan sobre
la va pero se conoce la distribucin del trfico de acuerdo a su
clasificacin.
De acuerdo a lo anterior el CAM se calcula mediante la siguiente
ecuacin
Donde VPE es el trfico en ejes equivalentes dado para el mismo
perido determinado para VPPC y se determina mediante la ecuacin:
EJEMPLO DE CLCULO DEL COEFICIENTE DE AGRESIVIDAD
MEDIA (CAM). Mtodo 2
AO AUTOS BUSES C2P C2G C3-C4 C5 >C5
2003 6333 771 750 750 450 0 0
2004 6334 772 751 751 451 0 0
2005 6334 772 751 751 451 0 0
2006 6335 773 752 752 452 0 0
2007 6335 773 752 752 452 0 0
2008 6336 774 753 753 453 0 0
2009 6336 774 753 753 453 0 0
2010 6337 775 754 754 454 0 0
2011 6337 775 754 754 454 0 0
2012 6338 776 755 755 455 0 0
2013 6338 776 755 755 455 0 0
2014 6339 777 756 756 456 0 0
2015 6339 777 756 756 456 0 0
2016 6340 778 757 757 457 0 0
2017 6340 778 757 757 457 0 0
2018 6341 779 758 758 458 0 0
2019 6341 779 758 758 458 0 0
2020 6342 780 759 759 459 0 0
2021 6342 780 759 759 459 0 0
2022 6343 781 760 760 460 0 0
La siguiente tabla
muestra la estimacin de
trfico para una va
cualquiera estimar el
CAM para un pavimento
flexible ?
EJEMPLO DE CLCULO DEL COEFICIENTE DE AGRESIVIDAD
MEDIA (CAM). Mtodo 2
Aci
BUSES 0.674
C2P 0.644
C2G 0.674
C3-C4 1.256
C5 1.899
>C5 1.584
AO AUTOS BUSES C2P C2G C3-C4 C5 >C5
2004 6333 771 750 750 450 0 0
VPe=0.674x771+0.644x750+0.674x750+1.256x450
VPe=7160.154
CAM=2073.354/2721
CAM=0.762
Pavimento Flexible
Familias de pavimentos
Familias de pavimentos Pavimento Rgido
Admisibilidades
Admisibilidad de la subrasante Para conocer la admisibilidad de la subrasante es necesario conocer el
mdulo elstico y a ley de fatiga
bz NeAz = Deformacin admisible de la subrasante
A = Constante en funcin del trfico
Ne = Trfico equivalente
B = Pendiente de la ley de fatiga (-0.222)
Clase de trfico A
Medio y elevado 0.012
Bajo 0.016
Admisibilidades
Admisibilidad para Material bituminoso La deformacin unitaria admisible de un material asfltico debe determinarse mediante la siguiente expresin:
t = Deformacin unitaria admisible
t = Deformacin unitaria a 1000.000 de ejes
Ne = Trfico equivalente
E(10C)= mdulo dinmico a 10C
E (qeq) = Mdulo dinmico a la temperatura ambiente
Kc = Coeficiente de calibracin laboratorio Vs carrusel de fatiga de pavimentos.
Kr = Coeficiente de ajuste del esfuerzo admisible a la probabilidad de falla
Ks = coeficiente de reduccin para tener en cuenta la heterogeneidad del suelo de subrasante.
src
eq
b
adt kkkE
CENEHzC
)(
)10(
10)25;10(
66, q
Valores usados para los coeficientes Ks Coeficiente de reduccin de la subrasante
Kr Coeficiente de ajuste del esfuerzo admisible a la probabilidad de falla
Kc es el coeficiente de calibracin entre las medidas de laboratorio y los resultados
en el sitio y para los materiales asflticos
Pavimentos Flexibles Criterios de Diseo para Pavimentos de Bajo Trfico.
Este caso corresponde a los pavimentos cuyo trfico es
del orden de 250.000 vehculos pesados. Estos
pavimentos estn constituidos por una capa de rodadura
delgada colocada sobre una capa de material no tratado.
TSD Ne 150.000
Carpeta asfltica 150.000< Ne 250.000
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRFICO
Disear el pavimento de una va local la cual tiene el siguiente TPD 113, la
distribucin del trfico promedio diario es la siguiente:
60% livianos
40% pesados (Buses 26% C-2P 65%, C-3 9%)
Adicional a los conteos se realizaron ensayos de mdulo resiliente ala subrasante
arrojando un mdulo promedio de 20 MPa
Estimar el trfico de diseo, y la estructura necesaria para un perido de 10 aos y
un crecimiento de 4%?
1.Estimar el CAM y el trfico Equivalente
Aci
BUSES 0.674
C2P 0.644
C3 1.256
= 12x0.674+30x0.644+4x1.256=32.432
32.432
45 = 0.72
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRFICO
1.Estimar el CAM y el trfico Equivalente (continuacin)
Por ser un trfico catalogado como T0 es posible construir un TSD
2.- Calculo de la Admisibilidad de la subrasante
124.14272.020.11045365 Ne
CAMFNVPNe ca 365
(1+0.04)10-1
(10 x 0.04)
= 1.20
6222.0
,
222.0
,
101148)124.142(016.0
)(
adz
adz NEA
Para la estructura de pavimento se usaran los siguientes
materiales granulares:
Para la capa de base se utilizar una grava no tratada de Categora 1 cuyas
caractersticas son:
E = 600 MPa n = 0.35
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRFICO
Para la capa de sub base se utiliza un material granular no tratado (sin
cementante) de tipo 2
Uso del Programa DEPAV
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRFICO
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRFICO
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRFICO
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE CON BAJO TRFICO
Deformacin en la Superficie del Suelo de Subrasante
Espesor de la Sub-base cm. 54 56
z 1190E-6 1110E-6
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFLTICAS
GRUESAS
Se desea disear una va que tiene 210 Vehculos pesados por da con una
tasa de crecimiento, geomtrica de 7% anual, Vida til de servicio 20 aos
Coeficiente de Agresividad Media CAM = 1
(1+0.07)20-1
(20 x 0.07)
= 2.049
117.14131049.220210365 Ne
CAMFNVPNe ca 365
Probabilidad de falla asociada al riesgo
Pf = 12% u= - 1.175
Mdulo subrasante
Esr=120 MPa
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFLTICAS
GRUESAS (continuacin)
Propiedades de los materiales que se usarn
src
eq
b
adt kkkE
CENEHzC
)(
)10(
10)25;10(
66, q
Calculo de la admisibilidad de la rodadura
Kc = 1.1
Ks = 1 (ver tablas)
269.02.0
102.025.0
2
2
2
2
b
c hn
Kr=10-(-1.175 x -0.2 x 0.269)=0.864
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFLTICAS
GRUESAS (continuacin)
6
,
6
,
2.0
6
66
,
66,
10175
1864.01.1549.1795.010150
1864.01.13000
7200
10
1014.310150
)(
)10(
10)25;10(
adt
adt
adt
src
eq
b
adt kkkE
CENEHzC
q
Calculo de la admisibilidad de la Base asfltica
Kc = 1.3
Ks = 1 (ver tablas)
391.02.0
5.202.030.0
2
2
2
2
b
c hn
Kr=10-(-1.175 x -0.2 x 0.391)=0.810
(ver tablas)
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFLTICAS
GRUESAS (continuacin)
6
,
6
,
2.0
6
66
,
66,
10141
1810.03.187.1795.01090
1810.03.13500
12200
10
1014.31090
)(
)10(
10)25;10(
adt
adt
adt
src
eq
b
adt kkkE
CENEHzC
q
Calculo de la admisibilidad de la sub rasante
6222.06
,
222.0
,
10433)1014.3(016.0
)(
adz
adz NEA
EJEMPLO DE DISEO DE UN PAVIMENTO CON CAPAS ASFLTICAS
GRUESAS (continuacin)
Modelacin en depav
a) Caso de las Estructuras con Dos Capas Granulares
Este tipo de estructura es afectada por la fisuracin debida a la retraccin de fraguado. Las capas de base y sub-base tratadas deben considerarse para efectos
de clculo como una capa contina.
b) Caso de Estructuras que Tienen una Sola Capa en Material Tratado
con Ligantes Hidrulicos
Pavimentos con capas tratadas con ligantes hidrulicos
Material Asfltico 4 h 14 cm
Capa tratado con ligante hidrulico 20 h 50 cm
Subrasante
Material Asfltico 4 h 14 cm
Capa tratado con ligante hidrulico 20 h 50 cm
Subrasante
c) Condiciones de Liga
Para las condiciones de liga entre las capas se debe tener en cuenta lo siguiente: La interfase entre la capa de rodadura y la capa de base debe
ser ligada (continuidad de desplazamientos en las interfaces)
En la interfase entre la capa de base y la capa de sub-base, la condicin a mantener depende de la naturaleza del ligante.
Con una grava - cenizas volantes - cal, las capas se deben considerar sistemticamente como no ligada
Con una grava escoria granulada las capas sern asumidas como ligadas (continuidad de desplazamientos y de esfuerzos).
Pavimentos con capas tratadas con
ligantes hidrulicos
d) Criterios de Diseo
Los parmetros a verificar en pavimentos construidos con
capas tratadas con ligantes hidrulicos son los siguientes:
La rotura por fatiga en la base de las capas tratadas t La deformacin de la sub-rasante z
Material Asfltico 4 h 14 cm
Capa tratado con ligante hidrulico 20 h 50 cm
Subrasante
Material Asfltico 4 h 14 cm
Capa tratado con ligante hidrulico 20 h 50 cm
Subrasante
z
t
Pavimentos con capas tratadas con
ligantes hidrulicos
MODELOS NUMERICOS
Y
x
z
tyx
tyz
txy
txz txz
TEORIA BOUSSINESQ
2/322
3
1
zb
zqz
03/06/2004
TEORIA BOUSSINESQ
ENSAYO DE LABORATORIO
ENSAYO DE LABORATORIO
ENSAYO DE LABORATORIO
LEY DE FATIGA LEYES DE FATIGA DESPERDICIO
TEMPERATURA 10C Y FRECUENCIA 10 Hz
10.E-06
100.E-06
1000.E-06
100,000 1,000,000 10,000,000
NUMERO DE CICLOS
DE
FO
RM
AC
ION
0.5% DESPERDICIO 0.4% DESPERDICIO 0.3% DESPERDICIO
0.2% DESPERDICIO 0.1% DESPERDICIO 0.0% DESPERDICIO
LEYES DE FATIGA
Nmero de ciclos
10-6
T desciende
N1
N2
N1
N2
<
CARRUSEL DE FATIGA
03/06/2004
03/06/2004
03/06/2004
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