cap iii. aashto -instituto del asfalto clases

APUNTES DEL CURSO DE PAVIMENTOS

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Ing Alejandro Cubas Becerra.

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METODO AASHTO (Versin 1993) Este mtodo se basa en los datos obtenidos en la Carretera experimental AASHTO a fin

de establecer las dimensiones mas apropiadas para un pavimento, siendo aceptada a nivel mundial

por ser de tipo experimental.

La versin AASHTO 86 Y 93 hacen modificaciones en su metodologa afectando los

factores de aporte estructural por coeficientes de drenaje de las capas granulares los que

reemplazan al Factor Regional utilizada en versiones anteriores, por otro lado se sigue utilizando en

su mismo concepto El Trfico, El ndice de Serviciabilidad y Tipo de suelo de Fundacin (Mdulo

resilente).

El diseo se basa en la identificacin del nmero estructural (NE) del pavimento flexible a

fin de soportar el volumen de trnsito satisfactoriamente durante el perodo de vida proyectado.

CONSIDERACIONES DE DISEO

1.- Ecuaciones Bsicas de Diseo Usadas para pavimentos Flexibles

donde :

W 18 = Nmero previsto de aplicaciones de carga por eje simple equivalente a 18 kip

ZR = Desviacin estndar normal

SO

= Error estndar combinado de la prediccin del trfico y de la prediccin del comportamiento de la

estructura

PSI = Diferencia entre el ndice de serviciabilidad inicial de diseo p i y el ndice de serviciabilidad terminal de diseo p t

MR = Mdulo resilente (psi)

SN = Nmero Estructural indicativo del espesor total de pavimento requerido

2.- Niveles de Confiabilidad para varias Clasificaciones Funcionales (R)

Generalmente ante los incrementos de los volmenes de trfico, de las dificultades para diversificar

el trfico y de las expectativas de disponibilidad del pblico, debe minimizarse el riesgo de que los

pavimentos no se comporten adecuadamente. Este objetivo se alcanza seleccionando niveles de

confiabilidad ms altos. La Tabla presenta posniveles de confiabilidad recomendados para varias

clasificaciones funcionales.

Tabla 2.38

Clasificacin Nivel de Confiabilidad Recomendado

Funcional Urbano Rural

Interestatal y Otras Vas Libres 85 - 99.9 80 99.9

Arterias Principales 80 -99 75 85

Colectoras 80 95 75 95

Locales 50 80 50 80

3.- Valores de la Desviacion Estndar Normal (ZR) Correspondientes a Niveles

Seleccionados de Confiabilidad

La seleccin de un nivel apropiado de confiabilidad para el diseo de una vialidad particular, depende

primariamente del uso del proyectado y de las consecuencias (riesgos)

log 10 [ D PSI ] log 10 (W18) =ZR x SO + 9.36 x log 10 (SN + 1) - 0.20 + 4.2 - 1.5 + 2.32 x log 10( MR) - 8.07(2.44) 0.4 + 1094

( SN + 1 ) 5.19


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Tabla 2.39 Confiabilidad Desviacin Estandar Normal

R (%) ZR

50 0.000

60 -0.253

70 -0.524

75 -0.674

80 -0.841

85 -1.037

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

99 -2.327

99.9 -3.090

99.99 -3.750

4.- Desviacin estndar Total (So)

EL rango de valores So proporcionados est basado en lo valores:

0,30 - 0,40 Pavimentos rgidos

0,40 - 0,50 Pavimentos flexible

5.- Valor ndice Serviciabilidad (PSI)

Para el diseo es necesario seleccionar un ndice de serviciabilidad inicial y terminal.

El ndice de Serviciabilidad terminal o final de diseo deber ser tal que culminado el

periodo de vida proyectado, la va (superficie de rodadura) ofrezca una adecuada

serviciabilidad

- ndice de serviciabilidad inicial (po )

4.2 Pavimentos flexibles 4,5 Pavimentos rgidos

- ndice de serviciabilidad final (pt )

2.5 3.0 carreteras principales

2 Carreteras con clasificacin menor

1,5

carreteras relativamente menores , donde las condiciones econmicas

determinan que gastos iniciales deben ser mantenidos bajos

6.- Modulo Resilente y/o Elstico (MR)

Cuando se calculan los espesores del pavimento siguiendo la Metodologa de Diseo

de la AASHTO, versin 1993, la caracterizacin del suelo de fundacin est basada

en el Mdulo Resilente y/o Elstico.


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La AASHTO propone, en base a ensayos que correlacionan el Mdulo Resilente

con el CBR , la siguiente frmula para suelos finos cuyos valores de CBR son menores

de 10%

MR = 1500 C.B.R. ..(2.45)

7.- Numero de Aplicaciones de Carga por Eje Simple Equivalente a 18 Kips (W18)

El nmero de aplicaciones de ejes ESAL de 18 Kips espectado en la carretera es afectada

por la direccin y luego por el nmero de vas (si son ms de dos), dando como resultado la

siguiente ecuacin que permite definir el Trfico (W18 ) en el carril de diseo:

W18 (20 aos) = ESAL x DD x DL .(2.46)

Donde:

ESAL: Unidades de 18 kips acumulada, previstas para una seccin

especfica de la carretera en el perodo de anlisis.

DD: Factor de Distribucin Direccional, expresada como una relacin que

toma en cuenta las unidades ESAL por direccin.

Este factor es generalmente de 0.5 (50%) para la mayor parte de vas

vehiculares.

DL: Factor de Distribucin de Carril, expresado como una relacin que

considera la distribucin del trfico cuando dos o ms carriles existen en

una direccin de trfico.

La siguiente tabla puede usarse como una gua para obtener DL :

Tabla 2.40 Nmero de Carriles en Cada

Direccin % de ESAL de 18 Kips en el Carril de Diseo

1 100

2 80 100

3 60 80

4 50 75

8. Determinacin Del Nmero Estructural Requerido

Ms adelante se presenta el nomograma recomendado para determinar el nmero

estructural de diseo ( SN) requerido para condiciones especficas, incluyendo:

1.- El transito futuro estimado, W18, para el periodo de diseo.

2.- La confiabilidad R, la cual asume que todos los datos de entrada son valores promedio.

3.- La desviacin estndar total, So.

4.- El modulo resilente efectivo del material, Mr.

5.-Prdida de serviciabilidad de diseo: PSI= Po-Pt..(2.47)

El Nmero Estructural esta representada por la siguiente ecuacin de diseo, que relaciona los

espesores de capa y drenaje segn la expresin:

SN = a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3 ..(2.48)

Donde:

SN= Nmero estructural de diseo.


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ai = Coeficiente de capa i. (Tabla 2.47)

Di = Espesor de capa i (pulgadas)

mi = Coeficiente de drenaje de la capa i. (Tabla 2.45)

Estos coeficientes son considerados de acuerdo a las propiedades del material granular que sern

utilizados, para ello la AASHTO recomienda los rangos de calidad donde se clasifican estos

Materiales.

Condiciones de Drenaje

El diseo considera un contenido de humedad igual a la condicin ms hmeda que pueda ocurrir

En la Subrasante, luego que la va se abra al trfico

Tabla 2.41

DRENAJE AGUA ELIMINADA EN

Excelente 2 horas

Bueno 1 da

Regular 1 semana

Pobre 1 mes

Muy Malo El agua no drena

Clculo del Coeficiente de Drenaje (m i) De acuerdo a las condiciones de drenaje de los materiales se establece la condicin de m i , los

cuales se presentan a continuacin:

Tabla 2.42 Porcentaje de tiempo en el ao, que la estructura

CARACTERISTICAS DEL del pavimento est expuesta a un nivel de

DRENAJE humedad prximo a la saturacin

< 1% 1 - 5% 5 - 25% >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

Cuadro de Espesores Mnimos

Para el clculo de los espesores D1, D2 y D3 (en pulgadas), el mtodo sugiere respetar los siguientes

valores mnimos, en funcin del trnsito en ejes equivalentes sencillos acumulados.

Tabla 2.43 W 8.2 C.A. BASE GRANULAR

< 50,000 1.0" T S 4"

50,001 - 150,000 2.0" 4"

150,001 - 500,000 2.5" 4"

500,001 - 2'000,000 3.0" 6"

2'000,001 7'000,000 3.5" 6"

> 7'000,000 4.0" 6"'

T.S. = Tratamiento superficial con sellos.

log 10 [ PSI ] log 10 (W 18) = ZR x SO + 9.36 x log 10 (SN + 1) - 0.20 + 4.2 - 1.5 + 2.32 x log 10 (MR) - 8.07 0.4 + 1094 ( SN + 1 ) 5.19


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Tabla 2.44

Coeficientes de equivalencia de espesor (ai)

COMPONENTE DEL PAVIMENTO OBSERVACIONES COEFICIENTE a i

CAPA SUPERIOR

- Carpeta concreto asfltico tipo superior 0.165/cm

- Mezcla asfltica en fro, en camino ( baja estabilidad) 0.08/cm

- Tratamiento Superficial Bituminoso tipo doble/triple 0.25 - 0.4 *

- Sello asfltico (con agregados) 0.03 *

BASES

- Bases tipo concreto asfltico 0.17/cm

- Bases granulares: grava arenosa CBR = 40% 0.04/cm

CBR = 60% 0.05/cm

CBR = 80% 0.06/cm

agregado ptreo trituracin CBR = 100% 0.07/cm

- Base granular tratada con asfalto 0.138/cm

- Base granular tratada con cemento 0.12/cm

- Base granular tratada con cal 0.09 - 0.12/cm

SUB BASES

- Arena, arcilla arenosa CBR = 10% 0.02/cm

CBR = 25% 0.04/cm

CBR = 40% 0.045/cm

- Grava arenosa CBR = 60% 0.05/cm

* Globales, no se considera el espesor

LOS PASOS DE PROCEDIMIENTO DE DISEO SON LOS SIGUIENTES

1. Calculo del W (18). Ecuacin (2.46)

2. Determinar el Nivel de Confiabilidad (R). Tabla No. 2.41

3. Definir el valor de Desviacin Estndar normal (ZR) correspondientes al Nivel de

Confiabilidad Seleccionada. Tabla 2.42

4. Determinar el Valor de la Desviacin Estndar Total. (So).

5. Determinar el ndice Serviciabilidad Inicial y Final para el proyecto, encontrando as la

Prdida de Serviciabilidad, (PSI).

6. Hallar el Mdulo Resilente y/o Elstico (Mr). Ecuacin (2.45)

7. Determinacin del Nmero Estructural (SN), mediante el NOMOGRAMA.

8. Clculo del espesor de las capa de Subbase de la estructura del pavimento. Aqu se debe definir

los Coeficientes de Capa (ai) Tabla 2.47, los Coeficientes de Drenaje (mi) Tabla 2.45 y el

espesor de la Capa de Rodadura y Base Granular, Tabla 2.46


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FACTORES DE EQUIVALENCIA PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES-AASHTO 93


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METODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO DE LOS ESTADOS

UNIDOS. 1. INTRODUCCIN. El procedimiento propuesto por el Instituto Norteamericano del

asfalto como metodologa de diseo de los pavimentos flexibles consiste en determinar

el espesor de la estructura del pavimento de acuerdo con una particular manera de

estimar el volumen de trnsito a prever, con algn parmetro que representa la

resistencia y deformabilidad del material de apoyo (V.R.S, Valor de R o valor portante

obtenido con pruebas con placa), con la calidad general de los materiales disponibles y

con los procedimientos previstos para la construccin.

Para poder entender esta metodologa de diseo es necesario precisar lo siguiente:

a. Trnsito Diario Inicial (T.D.I): Es el promedio del nmero de vehculos que circulan en una va, en ambas direcciones, estimado para el primer ao de servicio.

b. Transito inicial equivalente (N.T.I). Llamado tambin nmero del trnsito inicial. Es la media diaria de ejes simples de 18000 libras que se espera durante el primer

ao. Para determinarlo se puede usar el siguiente diagrama.


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c. Valor de Trnsito para el diseo (VTD). Llamada tambin ndice de trfico (I.T), Nmero de trfico para el diseo. Es el trfico probable a 20 aos, referido a una

carga por eje sencillo de 18000 libras y que se calcula en base al TDI. Para

determinar el I.T, se lo puede hacer mediante:

CALCULO DEL IT MEDIANTE LA TASA ANUAL DE CRECIMIENTO DEL TRANSITO.

Se debe estimar la tasa de crecimiento anual de trnsito a partir de los valores

iniciales para determinar el trfico futuro en 20 aos. Para ello se deben manejar

los estudios correspondientes de planeacin y estadstica del trfico.

Con el perodo de diseo y la tasa de crecimiento se puede buscar en la tabla

siguiente el factor de correccin que debe aplicarse al N:T:I de tal forma que el

producto de las dos cantidades es el I:T.

I.T. = N.T.I.* Factor de correccin.

Tabla: Factores de correccin del N.T.I. para obtener el I.T. o N.T.D

Clculo del I.T. Mediante grficos. El I.T, puede determinarse mediante grficos preparados por el Instituto, para lo cual se consideran calles, carretera rural,

carretera interurbana, carretera urbana.


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Clculo del I. T. en forma analtica. Para ello el mtodo propone el siguiente procedimiento:

Establecer el Nmero diario de todos los camiones en ambas direcciones durante el primer ao de uso del pavimento.

Establecer el factor medio de crecimiento global del trfico. Establecer el factor de correccin del perodo de diseo. Calcular el factor de equivalencia de carga para camiones o el factor camin. Determinar el equivalente decimal del porcentaje de camiones que circulan en

el carril de diseo.

IT = N. C. D. E. P

Donde: N: Es el nmero total de camiones de un peso bruto mayor a 10000 libras si son de

eje simple y mayor de 18000 libras si son de eje tarden.

C: Factor de crecimiento medio del trfico en el perodo de diseo. Observaciones indican

un aumento de 50 a 100% para un perodo uniforme de 20 aos. Luego:

C = (C1 + C2 ) / 2

C1: Factor de trnsito inicial.

C2: Factor de trnsito diario final.

D: Factor de correccin del perodo de diseo. Se considera un valor de 1 para un perodo

de 20 aos

D = 0.05 * perodo de diseo en aos

E = Factor camin. Para lo cual el mtodo propone sus propios factores de equivalencia,

que son los que se indican a continuacin:.

Los factores de equivalencia, tambin pueden obtenerse utilizando el siguiente grfico:


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P = Factor carril. Para lo cual pueden utilizarse los siguientes valores:

N de carriles en ambas

Direcciones

% de camiones en el

Carril de diseo

2 50

4 45

6 ms 40

Correccin del IT de diseo para condiciones de Trfico Ligero

Si el IT es mayor de 10 (Trfico Mediano o Pesado), se puede despreciar completamente el

efecto de los vehculos ligeros, en cambio, si el IT es inferior a 10, el mtodo sugiere

considerar tambin los vehculos ligeros y establecer un IT Total; en este segundo caso,

calculado el IT para los pocos vehculos comerciales, se determina, empleando el grfico

de la Figura 6-29 la interseccin entre la curva correspondiente al IT encontrado y la

vertical que indica el nmero diario de los vehculos ligeros; la horizontal para esta

interseccin dar el IT Total que se busca.


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RELACIONES DE EQUIVALENCIA DE ESPESORES DE CAPAS PARA

MATERIALES DE CALIDAD DIFERENTE.

Teniendo en consideracin de que los diagramas de diseo que el Instituto de Asfalto ha

preparado nos proporcionan espesores de concreto asfltico para la capa de rodadura, base

y subbase. Pero debido a que generalmente para las bases y sub bases se utilizan materiales

granulares, el mismo mtodo nos proporciona las siguientes equivalencias de espesores:

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Capa de Mezcla de concreto Material granular

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Base 1 2.0

Sub base 1 2.7

La relacin entre base de material granular y sub base de material

Granular es de 1:1.35

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METODOLOGIA DE DISEO.

El mtodo nos proporciona varias alternativas para estructurar el pavimento, inicialmente

nos da la posibilidad de estructurarlo ntegramente utilizando concreto asfltico,

pudindose utilizar algunas combinaciones de concreto asfltico, base granular y/o subbase

granular que puede satisfacer las exigencias de espesores, tal como se puede apreciar en los

grficos adjuntos..

Estos diseos alternativos consideran diferentes combinaciones y pueden ser

confeccionados como base para seleccionar la estructura del pavimento ms econmica

para el trfico previsto y los materiales de la subrasante.


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Fuente: Los pavimentos en las vas terresres. Calles, carreteras y aeropiestas. Ing. Jos Cspedes A.

Distintas relaciones de sustitucin pueden ser utilizadas solo si se justifican a base de

experiencias con materiales similares y condiciones de trficos semejantes y prcticas

locales. Se tiene tambin las siguientes relaciones de sustitucin que se indican a

continuacin:

Para efectos del diseo el mtodo nos proporciona los grficos adjuntos en donde se

pueden tener las alternativas siguientes:

a. Considerando que el pavimento se construir ntegramente por concreto asfltico. Ingresando al grfico del instituto del asfalto con el valor de CBR y el ndice de

trfico se determina el espesor total de capa de rodadura y base asfltica (valor TA), el

que debe ser ledo con aproximacin de1/2. Para efectos de determinar el espesor de la capa de rodadura el mtodo propone los siguientes valores:

Trnsito Espesor mnimo


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Reducido

Mediano

Intenso

1.0 1.5 2.0

b. Porcin del espesor total de pavimento que puede ser sustituida por una base granular.

Si se desea reemplazar por una base granular, parte del espesor total de un pavimento

(TA) conformado por capa de rodadura y base asfltica, se puede proceder de la

siguiente manera:

Determine el espesor total del pavimento con capa de rodadura y base asfltica (TA)

Desde el punto de interseccin entre la lnea representativa del ndice de trafico para el diseo y la lnea AA, trazar una lnea horizontal al eje de ordenadas y lea el nuevo

valor de TAA, que ser el espesor mnimo de concreto asfltico que se colocar para

la base y capa de rodadura cuando se usa una base granular.

La diferencia entre los dos espesores obtenidos, de acuerdo con los pasos anteriores nos proporcionar el espesor de concreto asfltico que podr ser reemplazado con

base granular. Luego la diferencia obtenida debe ser multiplicada por 2 (factor de

equivalencia de espesor para materiales diferentes), determinando as el valor del

espesor de la base granular que puede colocarse en lugar de una parte de base de

concreto asfltico.

Finalmente, determinamos el espesor total de la estructura del pavimento flexible, que ser igual a la suma de espesor TAA y el de la base granular.

c. Porcin del espesor total de pavimento que puede ser sustituida por base y sub base granular.

Cuando el punto de interseccin entre la lnea vertical que representa la capacidad

portante de la subrasante y la lnea que representa el valor del I.T, cae a la izquierda de

la lnea BB, el pavimento flexible puede estar constituida con capas de sub base y base

granulares y una base y una capa de rodadura de concreto asfltico, para lo cual se

procede como se indica:

Determine el espesor total de pavimento flexible con base y capa de rodadura de concreto asfltico.

Determine el valor TAA, que representa el espesor mnimo de concreto asfltico que debe colocarse entre base y capa de rodadura asfltico cuando se utiliza una base

granular.

Determine el valor TAB, que nos indica el espesor mnimo de concreto asfltico que debe utilizarse cuando se usa una sub base granular.

Luego obtenga las diferencias correspondientes y multiplquelos por sus factores de equivalencia y as podr obtener la estructura del pavimento utilizando una Capa de

rodadura y base de concreto asfltico, una base y sub base granular.


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ESPECIFICACIONES TECNICAS MNIMAS ESTIPULADAS POR EL

INSTITUTO DEL ASFALTO.

a) Para suelos cohesivos, no cohesivos. Ver Especificaciones del MTC. b) Para compactacin Subbase.

Para todos los tipos de trnsito la compactacin de campo debe dar como mnimo el

100% de la densidad obtenida en laboratorio segn mtodo AAsho T-180-D

c) De compactacin de la base y capa de rodadura. Tanto las capas de base, niveladora y superficial, deben ser compactadas hasta lograr

un mnimo del 97% de la densidad de laboratorio segn mtodos ASTM D 1559 o

AASHO-T-16

d) De calidad de materiales para sub base granular. __________________________________

Ensayo Valor

CBR mnimo 20

Valor R, mnimo 55

Lmite lquido 25

Indice plstico, mximo 6

Equivalente arena, mnimo 25

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e) De calidad de materiales para base granular. _________________________________________________________________

Tipo de Ensayo Transito reducido Trnsito median e intenso

CBR, mnimo 80 100

Valor R mnimo 78 80

Lmite lquido 25 25

Indice plasticidad, mximo 6 6


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Equivalente arena, mnimo 30 50

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f) : En compactacin de campo debe lograrse un mnimo del 95% de la obtenida en laboratorio segn mtodo AASHO T-180-D. Adems el espesor mnimo del terreno de

fundacin debidamente compactado ser:

Para trnsito reducido: 6 -12

Para trnsito mediano: 12-18

Para trnsito Intenso: 18 24

Cuando no se utilizan bases asflticas sino las comunes bases granulares (No tratadas), el

espesor mnimo de capa de rodadura de concreto asfltico puede obtenerse de la FIgura 6-

36.


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Se indica que los resultados de la utilizacin de la Figura 6-36, conducen a capas de

rodadura que quiz resulten algo excesivas para la tecnologa de algunos paises, en los que

es muy raro verlas construidas an en carreteras de excelente comportamiento y en los que

la utilizacin de la capa de rodadura con sistema de mezclas, aun a base de un solo riego,

han dado magnficos resultados en carreteras de trnsito moderno.

Tambien se debe tener en cuenta que, como en esta clase de pavimentos la capa de

rodadura tiene un espesor considerable (ms de 2 6 5 cm), por tener una gruesa capa; su estabilidad es mayor y no es totalmente flexible. La rigidez excepcional de la capa lo hace

poco deformable y la ruina del pavimento puede producirse cuando la deformabilidad

excesiva de las capas inferiores da lugar a la fisuracin de la

capa superior.

Por esto, cuando se usa capa de rodamiento con espesores mayores de 2, es frecuente ejecutar dos capas de consti-tuccin diferente. La capa inferior, generalmente menos com-

pactada y menos rica en ligante, se llama Binder o capa intermedia, la superior es la Capa

de Rodamiento. Ver Figura 6-37.

Ej.mplo 1

Se trata de disear el pavimento flexible para una carretera urbana de cuatro carriles, donde

se estima un trnsito diario inicial (TDI), en dos direcciones, de unos 50,000 vehculos con

un 10%, aproximadamente, de camiones pesados.

El terreno de fundacin est formado por un suelo A-6, cuyo CBR es 4.5%.

Se proyecta construir el pavimento colocando capas de concreto asflticos y una base y una

subbase granulares.

El material para ambos, cumple con los requisitos indicados en la respectivas

especificaciones y la mezcla asfltica es del tipo IV

Solucin

El anlisis del trfico, para determinar el trfico de diseo, ya se ha realizado en un

ejemplo anterior con esto mismos datos; lo que arroja un ndice de trfico de 1,500 y como

este es mayor que 100, el trfico es PESADO.

Conociendo los valores de la capacidad portante del terreno de fundacin de 4.5% y del

Indice trfico 1,500, se puede calcular el espesor del pavimento usando el grfico de la

Figura 6.34.

Como el punto de interseccion (1) de las lineas correspon dientes al CBR y al IT, cae a la

izquierda de la linea BB, el pavimento que se construya podra tener las capas de subbase

granular, base granular y capa de rodadura de concreto asfltico.

Como se puede apreciar, estamos en el tercer caso de diseo:

a. - En primer lugar, el espesor total TA, de concreto asfltico, a colocarse encima de la

subrasante, para un valor de transito para el dise de 1,500 y un valor de CBR de 4.5%,

sera alrededor de 12 (30 cm). b. - Si se contempla la colocacin de una base granular, el espesor mnimo- de concreto

asfltico para un valor de trnsito de 1,500 (tomando en cuenta la tinca AA), llegara a uno

6.5 (17cm), aproximadamente.


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