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CAPÍTULO 2

DISEÑO DE UNA CARRETERA POR EL MÉTODO AASHTO

2.1. COMPONENTES ESTRUCTURALES DEL PAVIMENTO

2.1.1. SUBRASANTE

De la calidad de esta capa depende el espesor que debe tener el pavimento. Como parámetro de evaluación de esta capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia a la deformación por esfuerzo cortante bajo las cargas de tránsito. Es necesario tener en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en la resistencia como a las eventuales variaciones de volumen (hinchamiento–retracción). Los cambios de volumen de un suelo de subrasante de tipo expansivo pueden ocasionar graves daños en las estructuras que se apoyen sobre éste, por esta razón cuando se construya un pavimento sobre este tipo de suelos deberá tomarse la precaución de impedir las variaciones de humedad del suelo para lo cual habrá que pensar en la impermeabilización de la estructura. Otra forma de enfrentar el problema es mediante la estabilización del suelo con algún aditivo o con cal.



2.1.2. SUB-BASE

Es una capa, generalmente constituida por agregados pétreos convenientemente graduados y compactados, construida sobre la sub-rasante, y sobre la cual puede construirse la base cuando sea necesaria. Sus funciones son:



  • Servir de drenaje al pavimento.

  • Controlar o eliminar en lo posible, los cambios de volumen de elasticidad y plasticidad perjudiciales que pudiera tener el material de la sub - rasante.

  • Controlar la ascensión capilar del agua proveniente de las capas freáticas cercanas o de otras fuentes, protegiendo así el pavimento contra los hinchamientos en épocas de helada.


Especificaciones:


CBR

> 30%



Pasante del Tamiz 40

Desgaste a la abrasión de los Ángeles

<50%

Índice Plástico IP

<6%

Límite Líquido

<25%


Tabla 2.1 Especificaciones Generales para Sub-bases. Fuente: MOP-001- F-2002. TOMO I
Según el MOP-001- F-2002. TOMO I, las Sub-bases son de 3 clases, el uso está sujeto a obligación contractual. A continuación sus características:


TAMIZ

% Pasante a través de los tamices

 

 

CLASE 1

CLASE 2

CLASE 3

3" (76.2 mm)

-

-

100

2" (50.4 mm)

-

100

-

11/2 (38.1 mm)

100

70-100

-

Nº 4 (4.75 mm)

30-70

30-70

30-70

Nº 40 (0,425 mm)

10-35

15-40

-

Nº 200 (0,075 mm)

0-15

0-20

0-20


Tabla 2.2 Granulometría de las diferentes Sub-bases. Fuente: MOP-001- F-2002. TOMO I



Figura 2.1 Sub-base

2.1.3.BASE
Esta capa tiene por finalidad, la de absorber los esfuerzos trasmitidos por las cargas de los vehículos y, además, repartir uniformemente Estos esfuerzos a la sub - base y por medio de esta al terreno de fundación. Por lo general en la capa base se emplea piedra triturada o chancada, grava o mezclas estabilizadas. Las bases pueden ser granulares, o bien estar constituidas por mezclas bituminosas o mezclas estabilizadas con cemento u otro ligante.

El material pétreo que se emplea en la base, debe llenar los siguientes requisitos:



CBR

> 80%




Pasante del Tamiz 40

Desgaste a la abrasión de los Ángeles

<40%

Índice Plástico IP

<6%

Límite Líquido

<25%

Tabla 2.3 Especificaciones Generales para bases. Fuente: MOP-001- F-2002. TOMO I

Según el MOP-001- F-2002. TOMO I las granulometrías para las distintas clases de Bases son:



TAMIZ

% Pasante de los tamices cuadrados

CLASE 1




CLASE 2




CLASE 3




CLASE 4

A

B

2" (50.4 mm)

100

-




-




-




100

11/2 (38.1 mm)

70-100

100

-

-

-

1" (25,4 mm)

55-85

70-100

100

-

60-90

3/4" (19,0 mm)

50-80

60-90

70-100

100

-

3/8" (9.5 mm)

35-60

45-75

50-80

-

-

Nº 4 (4.75 mm)

25-50

30-60

35-65

45-80

20-50

Nº 10 (2,00 mm)

20-40

20-50

25-50

30-60

-

Nº 40 (0,425 mm)

10-25

10-25

15-30

20-35

-

Nº 200 (0,075 mm)

2-12

2-12

3-15

3-15

0-15

Tabla 2.4 Granulometrías para bases. Fuente: MOP-001- F-2002. TOMO I



Figura 2.2 Base

2.1.4. CAPA DE RODADURA

Su función primordial será proteger la base impermeabilizando la superficie, para evitar así posibles infiltraciones del agua de lluvia que podría saturar total o parcialmente las capas inferiores. Además evita que se desgaste o se desintegre la base a causa del transito de los vehículos.




Figura 2.3 Capa de Rodadura



Tabla 2.5 Granulometrías para capas de rodadura. Fuente: MOP-001- F-2002. TOMO I

2.2 MÉTODO AASHTO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES

El método de diseño AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), originalmente conocido como AASHO, fue desarrollado en los Estados Unidos, basándose en un ensayo a escala real realizado durante 2 años partir de los deterioros que experimentan representar las relaciones deterioro - solicitación para todas las condiciones ensayadas.

A partir de la versión del año 1986, el método AASHTO comenzó a introducir conceptos mecanicistas para adecuar algunos parámetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar del ensayo original.

Los modelos matemáticos respectivos también requieren de una calibración para las condiciones locales del área donde se pretenden aplicar.



El modelo de ecuación de diseño está basado en la pérdida del índice de servicialidad (ΔPSI) durante la vida de servicio del pavimento; siendo éste un parámetro que representa las bondades de la superficie de rodadura para circular sobre ella.





Figura 2.4 Gráfico Ejes Equivalente (ESAL) vs. Serviciabilidad ilustrando la tendencia. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO


Tabla 2.6 Valores de la stándarn stándar normal, ZR , correspondientes a los niveles de confiabilidad, R Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO




Tabla 2.7 Valores de Nivel de confiabilidad R recomendados Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO
La confiabilidad en el diseño (R) puede ser definida como la probabilidad de que la estructura tenga un comportamiento real igual o mejor que el previsto durante la vida de diseño adoptada.

Cada valor de R está asociado estadísticamente a un valor del coeficiente de STUDENT (ZR). A su vez, ZR determina, en conjunto con el factor "So", un factor de confiabilidad.


2.2.1 Desviación normal del error estándar So, combinado en la estimación de los parámetros de diseño y el comportamiento del pavimento (modelo de deterioro)

Para pavimentos flexibles: Desviación estándar entre 0.40 y 0.50 (Se recomienda usar 0.45)


2.2.2 NÚMERO ESTRUCTURAL INDICATIVO DEL ESPESOR TOTAL REQUERIDO DE PAVIMENTO (SN)



Figura 2.5 Estructura esquemática de un pavimento flexible
SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3 + ........ + an Dn mn
a = coeficiente estructural de la capa

D = espesor, en pulgadas, de la capa

m = coeficiente de drenaje de la capa

n = número de capas


2.2.3 COEFICIENTES ESTRUCTURALES

Los materiales usados en cada una de las capas de la estructura de un pavimento flexible, de acuerdo a sus características ingenieriles, tienen un coeficiente estructural "a". Este coeficiente representa la capacidad estructural del material para resistir las cargas solicitantes.

Estos coeficientes están basados en correlaciones obtenidas a partir de la prueba AASHO de 1958-60 y ensayos posteriores que se han extendido a otros materiales y otras condiciones para generalizar la aplicación del método.



Tabla 2.8 Valores mínimos en pulgadas. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO

Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica (a1)

Si se conoce el Módulo de Elasticidad de la mezcla asfáltica en psi o si se conoce la Estabilidad Marshall en libras.





Figura 2.6 Carta para estimar coeficiente estructural a1 a partir del módulo elástico (carpeta asfáltica) Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO


Figura 2.7 Nomograma para estimar coeficiente estructural a1 a partir de la Estabilidad Marshall (carpeta asfáltica) Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO







Figura 2.8 Aparato Marshall para medir estabilidad vs. porcentaje de asfalto residual
Coeficiente estructural para la capa base (a2)


Figura 2.9 Nomograma para estimar coeficiente estructural a2 para una base granular. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO
Coeficiente estructural para la capa sub-base (a3)


Figura 2.10 Nomograma para estimar coeficiente estructural a2 para una sub-base granular. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO
2.2.4 coeficientes de drenaje (mi)






Tabla 2.9 Coeficientes de drenaje mi recomendados. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO
La calidad del drenaje se define en términos del tiempo en que el agua tarda en ser eliminada de las capas granulares (capa base y sub-base):


Calidad de drenaje

 

Agua eliminada en

Excelente

 

2 horas

Buena

 

1 día

Regular

 

1 semana

Pobre

 

1 mes

Deficiente

 

No drena


Tabla 2.10 Calidad de drenaje de una capa del pavimento. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO
Para calcular el tiempo en que el agua es eliminada será necesario conocer la permeabilidad, k, pendientes, espesores D2 y D3 de los materiales a utilizar como capa base y sub-base, respectivamente.
2.2.5 diferencia entre el índice de servicialidad inicial, po, y el índice de servicialidad terminal de diseño, pt (ΔPSI)

ΔPSI = po – pt

Servicialidad es la condición de un pavimento para proveer un manejo seguro y confortable a los usuarios en un determinado momento. Inicialmente se cuantificó la servicialidad de una carretera pidiendo la opinión de los conductores, estableciendo el índice de servicialidad p de acuerdo a la siguiente calificación:










Tabla 2.11 Índice de serviciabilidad. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO
Posteriormente se estableció una combinación matemática de mediciones físicas en los pavimentos, siendo una forma más objetiva de evaluar este índice.



Sv : Varianza de las inclinaciones de la rasante existente en sentido longitudinal respecto de la rasante inicial. Mide la rugosidad en sentido longitudinal.

cf : Suma de las áreas fisuradas en ft2 y las grietas longitudinales y transversales en pie, por cada 1000 ft2 de pavimento.

P : Área bacheada en ft2 por cada 1000 ft2 de pavimento.

RD: Profundidad media del ahuellamiento en pulgadas. Mide la rugosidad transversal.

po = 4,2- (4,2 es la máxima calificación lograda en la AASHO Road Test para pavimento flexible).

pt = índice más bajo que puede tolerarse antes de realizar una medida de rehabilitación = 2,5+ para carreteras con un volumen de tráfico alto ó 2,0+ para carreteras con un volumen menor.
2.2.6 Módulo de Resilencia, en PSI, del material de sub-rasante (MR)

La capacidad del suelo se mide mediante las pruebas de CBR y Módulo de Resilencia, dependiendo de los equipos disponibles.



Relaciones CBR - Módulo de Resiliencia:

En nuestro país no existe experiencia ni equipos para determinar el Módulo de Resilencia. Ante esta carencia se recurre a correlaciones con el CBR.

Se puede utilizar la siguiente correlación entre el CBR de la terracería y el módulo de resilencia:

MR (psi) = 1500 CBR





Figura 2.11 Ensayo para hallar Módulo de elasticidad

2.2.7 Cantidad pronosticada de repeticiones del eje de carga equivalente de 18 kips (8,16 t = 80 kN) para el periodo analizado. (ESAL = W18 = Equivalent Single Axle Load)

Información básica requerida:



SN = asumir un valor inicial del número estructural, considere 1 (uno) como mínimo.

t = periodo de análisis en años


Tabla 2.12 Periodos de diseño según tipo de carretera. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO
ADT = tránsito promedio diario anual (Average DairyTraffic) en vpd (vehículos por día), representa el promedio aritmético de los volúmenes diarios de tránsito durante un año, previsibles o existentes en una sección dada de la vía. Se determina por razones prácticas en forma diferenciada para cada tipo de vehículo.

Clasificación de los vehículos (vehículos de pasajeros, buses, camiones, etc.) y Composición del tráfico (tipos de ejes de carga y su respectivo porcentaje de distribución en el ADT)



W vac = Peso del vehículo vacío T = Tracto – camión C = Camión Ap = Auto pequeño

W car = Peso del vehículo cargado S = Semi – remolque B = Buses Ac = Auto cargado
Figura 2.12 Clasificación de vehículos y la distribución de su peso (Toneladas) en sus ejes. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO

g = tasa de crecimiento; representa el incremento promedio anualdel ADT. En general, las tasas de crecimiento son distintas para cada vehículo.

n = número de carriles

DD= distribución direccional crítica (a menos que existan consideraciones especiales, la distribución direccional asigna un 50% del tránsito a cada dirección)

DL= factor de distribución por carril


Tabla 2.13 Porcentajes de ESAL según carriles de la carretera. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO
E





l tránsito solicitante es un factor fundamental en todos los métodos de diseño estructural de pavimentos. Las cargas de los vehículos son transmitidas al pavimento mediante dispositivos de apoyo multiruedas para distribuir la carga total solicitante sobre una superficie mayor, siendo posible reducir los esfuerzos y deformaciones que se producen al interior de la superestructura. El número y composición de los ejes pesados que solicitarán al pavimento durante su vida de diseño se determinan a partir de la información básica suministrada.
Figura 2.13 Clasificación de los ejes de vehículos. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO
2.2.8 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

1) Asuma un valor del número estructural = SN (asumido)

2) Determine los factores de equivalencia, F; usando la Tabla 2.13 o la siguiente ecuación:





Tabla 2.14 Factores de Equivalencia en carga por eje para pavimentos flexibles. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO

Los resultados de la Prueba de Carreteras AASHTO mostraron que el daño que produce un eje con una carga determinada puede representarse por el número de pasadas de un eje sencillo de 18 kips (8,16 t = 80 kN) de rueda doble, considerado como eje patrón, que produce un daño similar.

Distintas configuraciones de ejes y cargas inducen daños diferentes en el pavimento, pudiendo asociarse dicho deterioro al producido por un determinado número de ejes convencionales de 18 kips de carga por eje sencillo de rueda doble.


  1. 3) Calcular las repeticiones diarias para cada eje = ADT ×% Composición

  2. 4) Calcular los ejes equivalentes de 18 kips esperados el primer día de apertura del pavimento, ESAL.



Tabla 2.15 Esquema para llenar con la cantidad y porcentajes de los vehículos de la carretera. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO


Tabla 2.16 Forma para calcular Ejes equivalentes. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO

5) Calcular los ejes equivalentes esperados el primer año de uso del pavimento ω18 = ESALo × 365. Realizar los ajustes a causa del número de carriles y la distribución direccional:

w18 = DD × DL ×ω18

6) Pronosticar la cantidad de repeticiones del eje equivalente de 18 kips esperados al final del periodo de diseño, W18= ESAL:







Figura 2.14 W18 acumulado vs. Periodo de diseño en años de la carretera. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO
7) Resolver la ecuación de diseño para SN. Esto nos proporcionará el SN calculado.

8) Comparar el SN (asumido), el que utilizó para determinar los factores de equivalencia, con el SN (calculado)

Si la diferencia es menor a 1, entonces pase al punto 9).

Si la diferencia es mayor a 1, entonces proceda iterativamente

hasta lograr que SN (calculado) = SN (asumido).

9) Utilice el procedimiento de la Figura 2.15 para determinar los espesores requeridos de acuerdo al SN encontrado.




Figura 2.15 Procedimiento para determinar espesores de las capas de pavimento. Fuente: Guía para pavimentos flexibles de la AASHTO

Para determinar el espesor de la carpeta asfáltica D1 se asume que toda la resistencia, para soportar las repeticiones pronosticadas, la brinda la carpeta asfáltica.

Se resuelve la ecuación de diseño colocando en lugar del MR de la terracería, el valor del EBS obtenido por ensayo directo o por correlación con una prueba de resistencia como el CBR. Al resolver la ecuación de diseño se obtiene un SN = SN1

SN1 = a1 D1

D1 * ≥ SN1 / a1

Se redondea el valor de D1 a un entero de pulgada o media pulgada. Este será el valor D1 *



4.2 Para determinar el espesor de la capa base D2 se asume que toda la resistencia la brinda la carpeta asfáltica y la capa base, de manera que



donde SN2 se determina con la ecuación de diseño colocando en lugar del MR el valor del módulo de elasticidad de la capa sub-base ESB obtenido por ensayo directo o por correlación con una prueba de resistencia como el CBR.

Con este valor de SN = SN2

Para determinar el espesor de la capa sub-base se asume que toda la resistencia la brinda la carpeta asfáltica+capa base+capa sub-base, pero esto ya se realizó cuando usamos el Módulo de resilencia de la terracería MR para calcular el SN que se convertirá en SN3.




2.3 DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE DE LA CARRETERA BAJADA DE CHANDUY – AGUAS VERDES – POCITO (ABSC. 2+900 HASTA ABSC. 3+600) POR MÉTODO AASHTO

Carretera rural de bajo volumen de tránsito.

Hombros de asfalto.

Tráfico promedio diario anual, ADT = 218 vpd

Tasa de crecimiento medio anual, g = 7%

Periodo de diseño, t = 20 años





Determine el espesor de la carpeta asfáltica, capa base y sub-base para un periodo de diseño de 20 años:





Sustituyendo estos parámetros en la ecuación de diseño:



se obtiene un SN = 4,70 comparado con el SN (supuesto) = 4,0 in OK!

Primeramente, SN = SN1



Obtenemos SN1 = 2,2 = a1 D1

D1 * ≥ SN1 / a1 = 2,2 / 0,3 = 7,33

D1 * = 7,5 in.

SN1 * = a1 D1 * ≥ SN1

SN1 * = 0,3 × 7,5 = 2,25

Después, SN = SN2 = SN1 + a2 D2 m2


Se obtiene SN2 = 2,8 = SN1 + a2 D2 m2

D2 * ≥ (SN2 –SN1 *) / a2 m2 = (2,8 – 2,25) / 0,125 / 0,8

D2 * = 5,5 in

SN1 * + SN2 * ≥ SN2

SN2 * ≥ SN2 -SN1 *= 2,8 – 2,25

SN2 * = 0,55

Así, SN = SN3 = SN1 + SN2 + a3 D3 m3 = 4,7







Estructuralmente, este diseño pasa todas las exigencias. Constructivamente se vuelve un poco exagerado en uso de recursos. Pero indiscutiblemente nos genera un perjuicio económico emplear un pavimento de estas dimensiones. Se puede reordenar los espesores de las capas, en base a los resultados obtenidos inicialmente, de manera que satisfagan el número estructural y nos expongan una propuesta económica y constructiva más loable. En función de esto la nueva estructura de nuestro pavimento tomará en cuenta espesores mínimos, el cálculo es el que viene a continuación.


D1 = 3,5 in = D1 * (Véase Tabla de espesores mínimos)

SN1 * = a1 D1 * = 0,3 × 3,5 = 1,05

SN2 = 2,8 (no cambia)

D2 * ≥ (SN2 –SN1 *) / a2 m2 = (2,8 – 1,05) / 0,125 / 0,8

D2 * = 17,5 in

SN1 * + SN2 * ≥ SN2

SN2 * ≥ SN2 -SN1 *= 2,8 – 1,05

SN2 * = 1,75

SN3 = 4,7


SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3 = 4,69 ≈ 4,7





Tabla 2.17 Espesores por capa de pavimento en diseño sin geomalla

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