49991963 guias diseno pavimentos aashto e invias 2

DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

GUIA - Página 2

GUIA PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL MÉTODO INVIAS


GUIA - Página 3

DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL

MÉTODO INVIAS

Unidad de Diseño 1 (K0+000 – K2+250)

Temperatura Media Anual Ponderada: 13.2 °C.

Precipitación Media Anual: 663.6 mm. /año

Módulo Resiliente: 760 Kg/cm2

Tránsito de Diseño: 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 ton cd/pd

Con los datos anteriores ubicamos la carta de diseño correspondiente según los

rangos:

T = T4

R = R1

S = S3

Para determinar la estructura de pavimento utilizamos la Carta de Diseño No. 1 –

Región 1 (R1) – Fría seca y fría semihumeda y tenemos como resultado tres

alternativas de estructura de pavimentos:

Para efectos de construcción seleccionamos la primera alternativa que tiene la

distribución más común de las capas de estructura de pavimento.

ALTERNATIVAS

1

MDC-2

BG-2

25

10

20

MDC-2

BG-2

BEC 20

20

10

SBG-1

MDC-2

SBG-1 30

15

7.5

BEE-1


GUIA - Página 4


Temperatura Media Anual Ponderada: 13.2 °C.

Precipitación Media Anual: 663.6 Mm. /año

Módulo Resiliente: 310 Kg/cm2

Tránsito de Diseño: 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 ton pd/cd

Con los datos anteriores ubicamos la carta de diseño correspondiente según los

rangos:

T = T4

R = R1

S = S1

Para determinar la estructura de pavimento utilizamos la Carta de Diseño No. 1 –

Región 1 (R1) – Fría seca y fría semihumeda y tenemos como resultado dos

alternativas de estructura de pavimentos:

De igual forma que para la Unidad de Diseño 1, seleccionamos la primera alternativa

que tiene la distribución más común de las capas de estructura de pavimento.

20

15

35SBG-1

BG-2

MDC-2

10

BEE-1

7.5

15

40SBG-1

BEE-2

MDC-2

21

ALTERNATIVAS


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GUIA PARA EL DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS

FLEXIBLES POR EL MÉTODO AASHTO


GUIA - Página 6

DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS FLEXIBLES POR EL

MÉTODO AASHTO


Determinación del Número Estructural Futuro (SNf)

Representa la capacidad portante de una estructura y para determinar el número

estructural debemos tener una información inicial que se muestra a continuación:

Tránsito de Diseño (Ndis): 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 ton cd/pd. La

estimación del tránsito de diseño se muestra detalladamente en el capítulo 3.

Nivel de Confianza (R): Este parámetro es necesario para determinar la Desviación

Normal Estándar a partir de la siguiente tabla:

CONFIABILIDAD DESVIACIÓN NORMAL ESTÁNDAR, ZR

90 -1.282 91 -1.340 92 -1.405 93 -1.476 94 -1.555 95 -1.645 96 -1.751 97 -1.881 98 -2.054

La Desviación Normal Estándar que utilizaremos para este diseño es:

Zr = -1.282

Error Normal Combinado (So): Es un error que tiene en cuenta los errores que se

pueden cometer en la proyección del tránsito, en la variación de los materiales y de la

resistencia de la subrasante. Para nuestro diseño utilizaremos un error normal

combinado de So = 0.44


GUIA - Página 7

Pérdida de Serviciabilidad ( IPS): Este es un índice de prestación del servicio y se

define como la diferencia del índice de serviciabilidad inicial (Po) y el índice de

serviciabilidad final (Pt), que para nuestro diseño son 4.2 y 2.0 respectivamente, estos

índices dependen de la importancia de la vía.

IPS = Po – Pt

IPS = 4.2 – 2

IPS = 2.2

Módulo Resiliente (Mr): La forma detallada del cálculo del Módulo Resiliente se

observa en el capítulo 1 y dio como resultado:

Mr = 760 kg/cm² Mr = 76 Mpa

Mr = 10798 lb/pul² Mr = 7.45 x 107 N/m²

Para determinar el Número Estructural se realizan los siguientes cálculos,

reemplazando los anteriores datos en la ecuación básica:

07.8)(32.2

)1(

109440.0

5.12.420.0)1(36.9)(

19.5

2.8 MrLog

SNf

IPSLog

SNfLogSoZrNLog ton

Donde:

N8.2ton = Número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseño durante

el periodo de diseño

Zr = Desviación normal estándar

So = Error normal combinado de la previsión del tránsito y del comportamiento.

IPS = Nivel de Serviciabilidad

Mr = Módulo resiliente de la subrasante, en psi.

SNf = Número estructural futuro, pulgadas.

Los valores que vamos a reemplazar el la ecuación básica son:


GUIA - Página 8

N8.2ton = 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 toneladas

Zr = -1.282

So = 0.44

IPS = 2.2

Mr = 10798 lb/pulg2

07.8)7800(32.2

)1(

109440.0

5.12.4

2.2

20.0)1(36.944.0282.1)1006.2(

19.5

7 Log

SN

LogSNLogxLog

Aplicamos el programa de la AASHTO para determinar el valor de SN necesario o la

hoja de cálculo:

De esta ecuación obtenemos el SNf = 3.78


GUIA - Página 9

Determinación del Número Estructural del Modelo (SNm)

Para determinar el Número Estructural del Modelo se utiliza la siguiente ecuación:

SNm = a1 x h1 + a2 x h2 x m2 + a3 x h3 x m3

Donde:

ai = Coeficiente estructural de la capa i.

di = Espesor de la capa i.

mi = Coeficiente de drenaje de las capas granulares.

Coeficiente estructural de la capa asfáltica (a1):

Teniendo en cuenta la Metodología Shell se determinó el Módulo de la Mezcla

(Smix) = 2.43x109 N/m2 (351955 psi) y con ayuda del monograma de la AASHTO

determinamos el coeficiente estructural, a1.

El valor del coeficiente estructural a1 = 0.4

Relación de Poisson (µ1) = 0.35

Coeficiente estructural de la Base Granular (a2):

Para seleccionar el módulo dinámico de la base granular tenemos en cuenta

parámetros como el tipo de base granular (BG – 1) y el CBR. Se recomienda un

módulo dinámico para este tipo de base igual a E2 = 35000 psi.

Existen dos maneras de hallar el coeficiente estructural:

Ecuación:

a2 = 0.249 x Log (E2) – 0.977

a2 = 0.249 x Log (35000) – 0.977

a2 = 0.15

Con ayuda del monograma de la AASHTO

a2 = 0.14

Para efectos del diseño de nuestra estructura de pavimento seleccionamos un valor de

coeficiente estructural (a2) = 0.14


GUIA - Página 10

Relación de Poisson (µ2)= 0.40

Coeficiente estructural de la subbase Granular (a3):

Para seleccionar el módulo dinámico de la subbase granular tenemos en cuenta

parámetros como el tipo de subbase granular (SBG – 1) y el CBR. Se recomienda un

módulo dinámico para este tipo de base igual a E3 = 18000 psi.

Existen dos maneras de hallar el coeficiente estructural:

Ecuación:

a3 = 0.227 x Log (E3) – 0.839

a3 = 0.227 x Log (18000) – 0.839

a3 = 0.13

Con ayuda del monograma de la AASHTO

a3 = 0.13

Para efectos del diseño de nuestra estructura de pavimento seleccionamos un valor de

coeficiente estructural (a3) = 0.13

Relación de Poisson (µ3)= 0.40

Para la subrasante tomamos los valores de modulo dinámico y relación de Poisson

mostrados a continuación:

E4= 10798 lb/pul²

Relación de Poisson µ4 = 0.50

Coeficientes de Drenaje de las Capas Granulares:

Para determinar el coeficiente de drenaje es importante conocer el tiempo que dura el

pavimento en condiciones próximas a la saturación y la calidad de drenaje del

material.


GUIA - Página 11

VALORES DE mi RECOMENDADOS PARA CORREGIR LOS

COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE LAS BASES Y SUBASES

GRANULARES

CARACTERÍSTICAS

DEL DRENAJE

PORCENTAJE DE TIEMPO QUE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ESTÁ

EXPUESTA A GRADOS DE HUMEDAD PRÓXIMA A LA SATURACIÓN

Menos del

1% 1 – 5% 5 – 25%

Más de

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

Regular 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 malo 1.05 – 0.95 0.95 – 0.75 0.75 – 0.40 0.40

Para el diseño de este pavimento tomaremos un m2 = 1.00 y un m3 = 0.80.

Determinación de espesores de las capas de la estructura del pavimento:

Para determinar los espesores podemos guiarnos por la siguiente tabla:

N8.2 TON X 106

CONCRETO

ASFÁLTICO (CM)

BASE GRANULAR

(PULG)

< 0.05 2.5 ó TSD 4

0.05 – 0.15 5 4

0.15 – 0.50 6 4

0.50 – 2.00 7.5 6

2.00 – 7.00 9 6

> 7.00 10 8

Para el diseño de este pavimento se tomará un espesor de Carpeta Asfáltica = 4 pul.

y de Base Granular = 8 pul.


GUIA - Página 12

Determinación del Número Estructural del Modelo (SNm):

Snf = 3.78


3.78 = (0.40 x 4 + 0.14 x 8 x 1.00 + 0.13 x h3 x 0.80)

h3 = 10.2 pul.

h3 = 11 pul

Chequeo del número estructural del modelo


SNm = 0.44 x 4 + 0.14 x 8 x 1 + 0.13 x 11 x 0.8

SNm = 3.86

Se debe cumplir la condición que el número estructural futuro debe ser menor al

número estructural del modelo:

SNf < SNm

3.78 < 3.86

ESPESOR (H,Pul)

COEFICIENTE ESTRUCTURAL Ai

COEFICIENTE DE DRENAJE Mi

CAPA ASFALTICA 4 0.4 1BASE GRANULAR 8 0.14 1SUBBASE GRANULAR ? 0.13 0.8


GUIA - Página 13

Modelo Estructural

Cálculo de los valores admisibles

Como ya se han calculado estos valores con anterioridad en este capítulo, a

continuación se muestra la comparación

Comparación de los valores de Servicio y los Admisibles

Parámetros de servicio del modelo estructural.

Los valores de servicio del modelo estructural se calcularon en Bisar 3.0 y el resumen

de resultados son:

VALOR DE SERVICIO VALOR ADMISIBLE RESERVA DE CRITERIO %2.75E-04 2.99E-04 91.983.22E-04 4.31E-04 74.86

DOR -KER 2.83E-01 0.6862 41.31CRR BELG 2.83E-01 0.3113 91.06

0.4933 0.594 83.01

CRITERIO DE ANALISIS

DEFLEXION

ESFUERZO VERTICAL ADMISIBLE SOBRE LA

SUBRASANTE (Kg/cm2)

DEFORMACION RADIAL EN LA BASE DE LA CAPA ASFALTICADEFORMACION VERTICAL ADMISIBLE SOBRE LA SUBRASANTE

sa

P P

Concreto asfáltico

Base granular 2

Subbase granular - 1

Subrasante

z3

r1

4z

11 pul

8 pul

4 pul2430 Mpa

240 Mpa

123 Mpa

76 Mpa


GUIA - Página 14


GUIA - Página 15

UNIDAD DE DISEÑO 2 (K2+250 – K5+000)

Determinación del Número Estructural Futuro (SNf)

Representa la capacidad portante de una estructura y para determinar el número

estructural debemos tener una información inicial que se muestra a continuación:

Tránsito de Diseño (Ndis): 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 ton cd/pd. La

estimación del tránsito de diseño se muestra detalladamente en el capítulo 3.

Nivel de Confianza (R): Este parámetro es necesario para determinar la Desviación

Normal Estándar a partir de la siguiente tabla:

CONFIABILIDAD DESVIACIÓN NORMAL ESTÁNDAR, ZR

90 -1.282 91 -1.340 92 -1.405 93 -1.476 94 -1.555 95 -1.645 96 -1.751 97 -1.881 98 -2.054

La Desviación Normal Estándar que utilizaremos para este diseño es:

Zr = -1.282

Error Normal Combinado (So): Es un error que tiene en cuenta los errores que se

pueden cometer en la proyección del tránsito, en la variación de los materiales y de la

resistencia de la subrasante. Para nuestro diseño utilizaremos un error normal

combinado de So = 0.44

Pérdida de Serviciabilidad ( IPS): Este es un índice de prestación del servicio y se

define como la diferencia del índice de serviciabilidad inicial (Po) y el índice de


GUIA - Página 16

serviciabilidad final (Pt), que para nuestro diseño son 4.2 y 2.0 respectivamente, estos

índices dependen de la importancia de la vía.

IPS = Po – Pt

IPS = 4.2 – 2

IPS = 2.2

Módulo Resiliente (Mr): La forma detallada del cálculo del Módulo Resiliente se

observa en el capítulo 1 y dio como resultado:

Mr = 310 kg/cm² Mr = 31 Mpa

Mr = 4404 lb/pul² Mr = 3.04 x 107 N/m²

Para determinar el Número Estructural se realizan los siguientes cálculos,

reemplazando los anteriores datos en la ecuación básica:

07.8)(32.2

)1(

109440.0

5.12.420.0)1(36.9)(

19.5

2.8 MrLog

SNf

IPSLog

SNfLogSoZrNLog ton

Donde:

N8.2ton = Número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas en el carril de diseño durante

el periodo de diseño

Zr = Desviación normal estándar

So = Error normal combinado de la previsión del tránsito y del comportamiento.

IPS = Nivel de Serviciabilidad

Mr = Módulo resiliente de la subrasante, en psi.

SNf = Número estructural futuro, pulgadas.

Los valores que vamos a reemplazar el la ecuación básica son:

N8.2ton = 5.66x106 ejes equivalentes de 8.2 toneladas

Zr = -1.282

So = 0.44


GUIA - Página 17

IPS = 2.2

Mr = 4404 lb. /pulg2

07.8)4500(32.2

)1(

109440.0

5.12.4

2.2

20.0)1(36.944.0282.1)1006.2(

19.5

7 Log

SN

LogSNLogxLog

Aplicamos el programa de la AASHTO para determinar el valor de SN necesario o la

hoja de cálculo:

De esta ecuación obtenemos el SNf = 5.05

Determinación del Número Estructural del Modelo (SNm)

Para determinar el Número Estructural del Modelo se utiliza la siguiente ecuación:


Donde:

ai = Coeficiente estructural de la capa i.


GUIA - Página 18

di = Espesor de la capa i.

mi = Coeficiente de drenaje de las capas granulares.

Para la subrasante tomamos los valores de modulo dinámico y relación de Poisson

mostrados a continuación:

E4= 4404 lb. /pul²

Relación de Poisson µ4 = 0.50

Coeficientes de Drenaje de las Capas Granulares:

Para determinar el coeficiente de drenaje es importante conocer el tiempo que dura el

pavimento en condiciones próximas a la saturación y la calidad de drenaje del

material.

VALORES DE mi RECOMENDADOS PARA CORREGIR LOS

COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE LAS BASES Y SUBASES

GRANULARES

CARACTERÍSTICAS

DEL DRENAJE

PORCENTAJE DE TIEMPO QUE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ESTÁ

EXPUESTA A GRADOS DE HUMEDAD PRÓXIMA A LA SATURACIÓN

Menos del

1% 1 – 5% 5 – 25%

Más de

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

Regular 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 malo 1.05 – 0.95 0.95 – 0.75 0.75 – 0.40 0.40

Para el diseño de este pavimento tomaremos un m2 = 1.00 y un m3 = 0.80.

Determinación de espesores de las capas de la estructura del pavimento:

Para determinar los espesores podemos guiarnos por la siguiente tabla:


GUIA - Página 19

N8.2 TON X 106

CONCRETO

ASFÁLTICO (CM.)

BASE GRANULAR

(PULG.)

< 0.05 2.5 ó TSD 10

0.05 – 0.15 5 10

0.15 – 0.50 6 10

0.50 – 2.00 7.5 15

2.00 – 7.00 9 15

> 7.00 10 15

Para el diseño de este pavimento se tomará un espesor de Carpeta Asfáltica = 6 pul.

y de Base Granular = 12 pul.

Determinación del Número Estructural del Modelo (SNm):


5.93 = (0.4 x 6 + 0.14 x 12 x 1.00 + 0.13 x h3 x 0.80)

h3 = 9.33 pul

h3 = 15 pul

Chequeo del número estructural del modelo


SNm = 0.44 x 6 + 0.14 x 12 x 1 + 0.13 x 15 x 0.8

SNm = 5.64

ESPESOR (H,Pul)

COEFICIENTE ESTRUCTURAL Ai

COEFICIENTE DE DRENAJE Mi

CAPA ASFALTICA 6 0.4 1BASE GRANULAR 12 0.14 1SUBBASE GRANULAR ? 0.13 0.8


GUIA - Página 20

Se debe cumplir la condición que el número estructural futuro debe ser menor al

número estructural del modelo:

SNf < SNm

5.05 < 5.64

Modelo Estructural

Cálculo de los valores admisibles

Como ya se han calculado estos valores con anterioridad en este capítulo, a

continuación se muestra la tabla resumen:

sa

P P

Concreto asfáltico

Base granular 2

Subbase granular - 1

Subrasante

z3

r1

4z

15 pul

12 pul

6 pul2430 Mpa

240 Mpa

123 Mpa

31 Mpa


GUIA - Página 21

Comparación de los valores de Servicio y los Admisibles

Parámetros de servicio del modelo estructural.

Los valores de servicio del modelo estructural se calcularon en Bisar 3.0 y el resumen

de resultados son:

VALOR DE SERVICIO VALOR ADMISIBLE RESERVA DE CRITERIO %1.91E-04 2.99E-04 64.012.51E-04 4.31E-04 58.21

DOR -KER 8.67E-02 0.2799 30.98CRR BELG 8.67E-02 0.1061 81.70

0.5669 0.594 95.39

CRITERIO DE ANALISIS

DEFLEXION

ESFUERZO VERTICAL ADMISIBLE SOBRE LA

SUBRASANTE (Kg/cm2)

DEFORMACION RADIAL EN LA BASE DE LA CAPA ASFALTICADEFORMACION VERTICAL ADMISIBLE SOBRE LA SUBRASANTE


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GUIA - Página 23

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