La evolución de la Guía AASHTO para el diseño de pavimentos: Del Experimento Vial AASHO al AASHTO-93 Guía AASHTO-93 para el diseño y evaluación de pavimentos Aplicación para los Pavimentos flexibles . aún cuando el procedimiento que se aplicaba alcanzaba sus objetivos básicos. . podían incorporársele algunos de los adelantos logrados en los análisis y el diseño de pavimentos que se habían conocido y estudiado desde ese año 1972. cuando se determinó que.Guía AASHTO-93 para el diseño y evaluación de pavimentos La aplicación del Método AASHTO-72 se mantuvo hasta mediados del año 1983. el método se conoce como Método AASHTO-93. en el período 1984-1985 el SubComité de Diseño de Pavimentos junto con un grupo de Ingenieros Consultores comenzó a revisar el "Procedimiento Provisional para el Diseño de Pavimentos AASHTO-72". por lo cual. hoy en día.Guía AASHTO-93 para el diseño y evaluación de pavimentos Por esta razón. y sigue una nueva revisión en el año 1993. . y a finales del año 1986 concluye su trabajo con la publicación del nuevo "Manual de Diseño de Estructuras de Pavimentos AASHTO '86". que permite al Ingeniero Proyectista utilizar el concepto de análisis de riesgo para los diversos tipos de facilidades viales a proyectar.Guía AASHTO-93 para el diseño y evaluación de pavimentos Este Manual mantiene las ecuaciones de comportamiento de los pavimentos que se establecieron en el Experimento Vial de la AASHO en 1961. incluyendo las siguientes: 1. . como los modelos básicos que deben ser empleados en el diseño de pavimentos. sin embargo. los cambios más importantes sucedidos en diferentes áreas del diseño. introduciendo. Incorporación de un "Factor de Confiabilidad" fundamentado en un posible cambio del tráfico a lo largo del período de diseño. Empleo de los módulos resilientes para la determinación de los coeficientes estructurales. . el cual proporciona un procedimiento de laboratorio racional. 3. Sustitución del Valor Soporte del Suelo (Si). tanto de los materiales naturales o procesados. por el Módulo Resiliente (Método de Ensayo AASHTO T274).Guía AASHTO-93 para el diseño y evaluación de pavimentos 2. como de los estabilizados. o mejor aún de carácter científico que se corresponde con los principios fundamentales de la teoría elástica para la determinación de los propiedades de resistencia de los materiales. .Guía AASHTO-93 para el diseño y evaluación de pavimentos 4.por un enfoque más racional que toma en consideración los efectos de las características ambientales tales como humedad y temperatura. como consecuencia de un buen drenaje. y modificación de las ecuaciones de diseño. que permiten tomar en cuenta las ventajas que resultan. Establecimiento de guías para la construcción de sistemas de sub-drenajes. Sustitución del "Factor Regional" -valor indudablemente bastante subjetivo.sobre las propiedades de los materiales. 5. sobre el comportamiento de los pavimentos. . Guía AASHTO-93 para el diseño y evaluación de pavimentos Aplicación para los Pavimentos flexibles . Manual Sieca . Apuntes USM-UCAB . .Programa de diseño de pavimentos desarrollado por la Asociación Americana de Pavimentos de Concreto (ACPA). aplicación para pavimentos flexibles (1993). versión WinPas. 19 SN 1 2.5 1094 5.20 0.32 * log10 M R 8. función de la Confiabilidad del diseño (R) o grado confianza en que las cargas de diseño no serán superadas por las cargas reales aplicadas sobre el pavimento. .07 Variables independientes: Wt18 : Número de aplicaciones de cargas equivalentes de 80 kN acumuladas en el periodo de diseño (n).2 1.36 * log10 ( SN 1) 0.40 PSI 4. ZR : Valor del desviador en una curva de distribución normal.Ecuación de diseño del Método AASHTO-93: log10 log10 Wt18 Z R * So 9. 07 – So: Desviación estándar del sistema.5 1094 5. obtenido a través de ecuaciones de correlación con la capacidad portante (CBR) de los materiales (suelos y granulares).2 1.20 0.36 * log10 ( SN 1) 0. – PSI: Pérdida de Serviciabilidad (Condición de Servicio) prevista en el diseño.40 PSI 4. – . función de posibles variaciones en las estimaciones de tránsito (cargas y volúmenes) y comportamiento del pavimento a lo largo de su vida de servicio. MR: Módulo Resiliente de la subrasante y de las capas de bases y sub-bases granulares.Ecuación de diseño del Método AASHTO-93: log10 log10 Wt18 Z R * So 9.19 SN 1 2.32 * log10 M R 8. y medida como la diferencia entre la “planitud” (calidad de acabado) del pavimento al concluirse su construcción (Serviceabilidad Inicial (po) y su planitud al final del periodo de diseño (Servicapacidad Final (pt). o por la aplicación de algunos de los Programas de Diseño.Ecuación de diseño del Método AASHTO-93: log10 log10 Wt18 Z R * So 9.5 1094 5.2 1.36 * log10 ( SN 1) 0. o capacidad de la estructura para soportar las cargas bajo las condiciones (variables independientes) de diseño.19 SN 1 2.40 PSI 4.32 * log10 M R 8. El valor de SN se resuelve por iteraciones sucesivas.07 – Variable dependiente: – SN: Número Estructural. tal como el PAS .20 0. . para el primer año del periodo de diseño. Estimación de las cargas de diseño (Wt18) EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D TPDA = Tráfico Promedio Diario Anual. . o carga equivalente total por “camión promedio” = factor de distribución del tráfico por sentido de circulación = factor de utilización del tráfico total por sentido en el canal de diseño = factor de ajuste por tráfico desbalanceado D = Días por año en que circulará por el canal de diseño el tráfico definido por los términos anteriores (365 días en este proyecto). %Vp = Porcentaje de vehículos de carga dentro del volumen de tráfico total FC fds fuc A = Factor Camión.3. Limitaciones de las cargas aplicadas en el Experimento AASHO . el tiempo establecido en el período seleccionado. en la realidad.La Confiabilidad en el diseño La "Confiabilidad del Diseño (R)" se refiere al grado de certidumbre (seguridad) de que una determinada alternativa de diseño alcance a durar. . no sea excedida por el número de cargas que realmente estén siendo aplicadas (WT)sobre ese pavimento". .La Confiabilidad en el diseño La confiabilidad también puede ser definida como la probabilidad de que el número de repeticiones de cargas (Nt) que un pavimento pueda soportar para alcanzar un determinado nivel de servicapacidad de servicio. La Confiabilidad en el diseño . La Confiabilidad en el diseño (R) . Una vez definido el valor de ―R‖. se selecciona el correspondiente valor de Zr. de la Tabla 7-13. . 45 para el diseño de pavimentos flexibles nuevos y de 0.25 Variación total en la predicción del comportamiento del pavimento y en la estimación del tráfico 0.35 — 0.La desviación estándar del sistema (so) TABLA II Valores Recomendados para la Desviación Estándar (So) _______________________________________________________ Condición de Diseño Desviación Estándar _______________________________________________________ Variación de la predicción en el comportamiento del pavimento (sin error de tráfico) 0.49 para el diseño de rehabilitaciones .45 valor recomendado) _______________________________________________________ La Guía AASHTO-93 recomienda seleccionar un valor de so = 0.50 (0. 5 <= 5 50-60 3.5 a 10 5 a 15 50-70 10 a 20 15 a 30 60-75 20 a 35 30 a 50 70-80 35 a 50 50 a 70 70-85 Mas de 50 Más de 70 70-90 Nota: Criterio desarrollado en Chile para pavimentos rígidos .La Confiabilidad en el diseño (R) Cargas de diseño (millones de Valor repeticiones) recomendado de Pavimentos Pavimentos confiabilidad (R) flexibles rígidos <= 3. La Confiabilidad en el diseño (R) . La Confiabilidad en el diseño (R) en el AASHTO-2004 . 000 .45 Factor de seguridad 1.645 So 0.037 .0.00 1.30 1.1.72 2.1.50 .93 5.524 .674 .0.Confiabilidad en el diseño (R) • La Confiabilidad y el Factor de Seguridad Valor de la Confiabilidad 50 60 70 75 85 95 Zr 0.253 .01 2.0. Criterio de comportamiento . El Indice de Servicapacidad Inicial (po) es función del diseño de pavimentos y del grado de calidad durante la construcción. deben ser establecidos para calcular el cambio total en servicapacidad que será incorporado en la ecuación de diseño. El valor establecido en el Experimento Vial de la AASHO para los pavimentos flexibles fue de 4.La Serviciabilidad inicial (po) y la final (pt) Los índices de servicapacidad inicial (po) y final -o terminal.(pt).2. . reconstrucción o repavimentación. es el valor más bajo que puede ser tolerado por los usuarios de la vía antes de que sea necesario el tomar acciones de rehabilitación. y generalmente varía con la importancia o clasificación funcional de la vía cuyo pavimento se diseña: .La Serviciabilidad inicial (po) y la final (pt) El Indice de Servicapacidad Final (pt). 0 .La Serviciabilidad final (pt) ° Para vías con características de autopistas urbanas y troncales de mucho tráfico: pt = 2.0 ° Para vías con características de autopistas urbanas y troncales de intensidad de tráfico normal. así como para autopistas Interurbanas.0-2.5 -3. pt = 2. ramales.5 ° Para vías locales. secundarias y agrícolas se toma un valor de pt = 1.8-2. La Serviciabilidad final (pt) Valor de Pt 3.0 % de usuarios que aceptan como buena la condición de servicio del pavimento 82 45 15 .5 2.0 2. es decir: PSI = po .pt .La Serviciabilidad en la ecuación de diseño El valor de diseño para el criterio de comportamiento que se introduce en la ecuación de diseño es la diferencia entre po y pt. Calidad de la sub-rasante . El Módulo Resiliente El módulo resiliente (MR) está definido como la magnitud del esfuerzo desviador repetido en compresión triaxial dividido entre la deformación axial recuperable. siendo éste equivalente al módulo deYoung (Módulo de Elasticidad) y se representa como sigue: MR = ( donde: 1 – 3) / axial = d / axial MR = Módulo de resiliencia 1 = Esfuerzo principal mayor 3 = Esfuerzo principal menor (confinamiento lateral) d = Esfuerzo desviador axial = Deformación axial recuperable . El ensayo de Módulo Resiliente (MR) . y en su etapa de penetración.Figura 2. . Ensayo CBR en su etapa de inmersión y medición de la expansión. 2% (b) Mr = 3.2% >= CBR < 20%) (c) Mr = 4. Ediciones USM. Octubre 2006.326 * (ln CBR) + 241 (para CBR > 20% (1) Corredor.500 * CBR (para CBR > 7. G: Apuntes de Pavimentos. Volumen 1.Otras ecuaciones de correlación para materiales de terracería (1): (a) Mr = 1. Caracas .000 * CBR0.65 (para 7. Caracterización del material de sub-rasante Ecuación de correlación según Programa PAS Caracterización del material de sub-rasante Ecuación de correlación según Programa PAS Rango de % de CBR CBR<= 7.2 7.2>CBR<=20 CBR>20 Ecuación de correlación PAS MR = 875,15 * CBR + 1.386,79 MR = 1.941,54 * (CBR)^ 0.68 MR = 11.253,50 * ln CBR -18.667,20 Otra ecuación de correlación para materiales de terracería Mr = 750 * 6 = 4,500 psi Mr = 1,500 * 6 = 9,000 psi Mr = 3,000 * 6 = 18,000 psi Otras ecuaciones de correlación entre MR y CBR . para determinar las ―Secciones Homogéneas o Unidades de Diseño‖. Wirtgen Cold Recycling Manual. Segunda Edición 2004 .Caracterización de la sub-rasante Se recomienda que los resultados de CBR sean analizados bajo el indicador estadístico de los ―valores acumulados‖. Caracterización del material de sub-rasante . Caracterización del material de sub-rasante La Guía AASHTO-93 hace hincapié en que se utilicen valores ―promedios‖ para que no resulten pavimentos sobre-diseñados. ya que se aplica un ―FS‖ Integral. función de ―R‖. . página I-15) .¿Cuál MR debemos emplear? (Referencia: Guía AASHTO-93. Calidad de la sub-rasante . Ponderación del MR en función de las condiciones de humedad El método exige que el valor de módulo elástico del material de fundación que se introduzca en la ecuación de diseño. cuantifica el daño relativo al cual está sometido un pavimento durante cada época del año. y pondera este daño en una forma global para cualquier momento del año. . el cual se modifica en función de las condiciones ambientales a los cuales está sometido durante ese tiempo. por otra parte. Este valor. represente el efecto combinado de los diferentes módulos de ese material a lo largo del año. Figura 2: Distribución de los suelos venezolanos según la condición de humedad Ref: Jugo. Augusto: Validación del Método AASHTO-93 para Venezuela . Augusto Jugo B. . (PhD). Fuente: Ing. humedad cercana a la ´óptima y seca.Tabla 1: Zonas climáticas de Venezuela y números de meses del suelo en condiciones de saturación. . 32) . se determina el correspondiente "Valor de Daño Relativo ( f)".18 * 10^8 * MR(—2. a partir de la siguiente ecuación: f = 1.Una vez conocidos los valores de MR del material para cada estado de humedad. . Caracterización de los materiales y mezclas del ―paquete estructural‖ • Mezclas en caliente • Bases y sub-bases granulares • Bases estabilizadas • cemento • asfalto . Materiales y mezclas asfálticas . . . Mezclas en caliente . . . . 45 460000 psi Fuente: Corredor. Volumen 3. Caracas. G. Apuntes de Pavimentos.0.. 1989 . Ediciones USM. Ecuación de correlación para obtener el Módulo Resiliente de una MAC a partir de los resultados Marshall El Ingeniero venezolano Freddy Sánchez Leal ha propuesto una nueva ecuación de correlación .64 ) .4 * (P/( v*t) * (a+0. basada en análisis de regresión de resultados de ensayos Marshall y mediciones de módulo secante mediante el equipo de tensión indirecta. Esta ecuación toma la siguiente forma: [MRca] = 1. en pulgadas t = altura de la briqueta. en lbs v = Deformación (Flujo Marshall).50) a = constante experimental (adimensional) que varía entre 20 y 26.35 .4 * (P/( v*t) * (a+0. puede emplearse un valor de 2.64 ) En donde: [MRca] = Módulo resiliente. sugiriéndose un valor de 23 (promedio del rango) como más frecuente = relación de Poisson para mezclas asfálticas. en psi P = Carga Marshall. en pulgadas (de no disponerse de esta medición en el ensayo. el cual se asume en 0.Ecuación de correlación para obtener el Módulo Resiliente de una MAC a partir de los resultados Marshall [MRca] = 1. para poder utilizar los gráficos de "ar" del método de diseño de pavimentos de la AASHTO) Pcam = porcentaje de asfalto en la mezcla asfáltica. 4 ó 6.1) + (0.Ecuación de Correlación de Witczak: log [Eca] = 0.553833 + 0.5 . del cemento asfáltico empleado en la mezcla asfáltica ƒ = frecuencia de carga.02774) [Eca] = módulo elástico de la mezcla asfáltica: P200 = porcentaje de material pasa el tamiz Nº 200 en la combinación de agregados que conforma la mezcla asfáltica Vv = porcentaje de vacíos totales en la mezcla asfáltica µ(106.028829 (P200/ƒ0.17033) .03476 Vv + + 0. en Hz (este valor puede ser 2.49825 logƒ) Pcam0.3 + 0.0. 70°F) = viscosidad a 70 °F.000005 T (1. 70°F) + 0. expresado como porcentaje en peso de mezcla total .00189 T (1.3 + 0.931757/ƒ0. en poises.5/ƒ1. pero normalmente se toma el valor medio de 4) T = temperatura promedio de trabajo de la mezcla asfáltica al ser colocada sobre el pavimento (este valor normalmente se toma como 68 °F.0.49825 logƒ) (Pcam0.070377µ(106. . . F .3 ` 1 3 10 1 0.1 0 20 40 60 80 100 120 140 Temperature.Dynamic Modulus Regression Equation 100 10 0.1 E x 105 psi 0. 10 .1 1 Frequency Hz.Dynamic Modulus Regression Equation 100 10 10 F E x 105 psi 40 F 70 F 100 F 130 F 1 0.1 0. . Ensayo CBR en su etapa de inmersión y medición de la expansión.Bases y sub-bases granulares Figura 2. y en su etapa de penetración. . 135 .0. 0.12 . 08* CBR + 8.327 (psi) .Las siguientes ecuaciones han sido tomadas de la versión de la Portland Cement Association (PCA). denominada Pavement Analysis System (PAS) la Guía de Diseño AASHTO-93: • Para sub-bases y bases granulares con CBR hasta 80% MR = 385.660 (psi) • Para sub-bases y bases granulares con CBR >= 80% MR = 321.05* CBR + 13. excepto cuando se emplea agregado siderúrgico con CBR>110%.249 (log Eb) — 0. cuando se acepta un valor de 0.13. a partir del MR: abase granular = 0. asub-base = 0.15.977 Para esta ecuación debe tomarse en cuenta que el valor se acota en un máximo de 0.227 (log Esb) — 0.El coeficiente estructural puede ser también obtenido de las Ecuaciones de correlación que se indican.14. .839 Para esta ecuación debe tomarse en cuenta que el valor se acota en un máximo de 0. 80 .CmBg = 0.90 CmSbg = 0. . . . Bases estabilizadas con cemento . . . Bases estabilizadas con asfalto (mezclas en caliente) . Principio y procedimiento de diseño . Principio y procedimiento de diseño . . . combinando coeficientes que representan la capacidad estructural relativa del material de cada capa ai : Coeficiente estructural de capa i mi : Coeficiente de drenaje i Di : Espesor (en pulgadas) de capa i Ecuación resuelve SN sobre cada capa (sistema multicapa) NO HAY SOLUCIÓN ÚNICA!! .ECUACIÓN DE LA GUIA AASHTO 1993 SN a1D1 a2m2 D2 a3m3D3 El número estructural se convierte a una combinación de espesores de capa. 5 • Caracterización de los • Terracería. flujo Marshall = 10 (0. UCS = 32 kg/cm2 (7 días) • Mezcla asfáltica densamente gradada. con estabilidad Marshall = 2.2 • Serviciabilidad final (pt) = 2.45 • Variación en la Serviciabilidad ( PSI) = 1. INVEAS 19.Ejemplo de diseño de pavimentos • Cargas de diseño (wt18 ó ESAL’s) = 5. CBR = 6% materiales: • Base granular.7 • Serviciabilidad inicial (po) = 4.01 pulg) . CBR = 80% • Subbase granular.293. CBR = 42% • Material estabilizado con cemento.800 lbs.963 • Confiabilidad (R) = 60% • Desviación estándar del sistema (so) = 0. Ejemplo de diseño de pavimentos . Ejemplo de diseño de pavimentos . Ejemplo de diseño de pavimentos . Ejemplo de diseño de pavimentos . 41 2.03 .01 2.Resumen de valores de SN/i 4. . . 50 / 2.Determinación del espesor de la capa de rodamiento asfáltica: erod = SN/Bg / arod = 2.03 / .51 pulg = 11.54) * 0.45 cm Redondear este espesor a 11.45 = 2.03 OK !CAPA DE Base Granular ESTÁ DEBIDAMENTE PROTEGIDA¡ .45 = 4.037 > 2.50 cm Verificación: SN*/Bg = (11. 80 cm .07 pulg = 7.90 eBg = (2.90) = 3.Determinación del espesor de la capa de Base granular: SN/Sbg = SN/Bg + SNBg = 2.41 = 2.135 * 0.037) / (0.135 * 0.037 + eBg * aBg * CmBg 2.037 + eBg * 0.41 – 2. 41 – 2.80 cm Como las cargas están entre 2 y 7 millones de ee.037 + 0.41 OK !CAPA DE Sub-base GRANULAR ESTÁ DEBIDAMENTE PROTEGIDA¡ .90) = 3.90)/ 2.135 * 0.037) / (0. debe seleccionarse un espesor mínimo de 15 cm para la capa de Base granular SN*/Sbg = SN*/Bg + eBg * aBg * CmBg = = 2.718 = 2.Determinación del espesor de la capa de Base granular: eBg = (2.135 * 0.755 > 2.54 SN*/Sbg = 2.037 + (15 * 0.07 pulg = 7. Determinación del espesor de la capa de Sub-base granular: SN/SR= SN/SBg + SN*SBg = 2.68 cm .775) / (0.755 + eSBg * aSBg * CmSBg 4.80) = 12.87 pulg = 32.80 eSBg = (4.12 * 0.12 * 0.01 – 2.01 = 2.775 + eSBg * 0. 80) = 12.90 + 33 * 0.01 SN*/sr = SN/sr (por cálculo de cargas) OK !CAPA DE Sub-rasante ESTÁ DEBIDAMENTE PROTEGIDA¡ .0 cm Verificación de protección de la capa de sub-rasante: SN*/sr = 2.68 cm Se recomienda por facilidad de construcción (replanteo).Determinación del espesor de la capa de Sub-base granular: eSBg = (4. el que los espesores de capas granulares se redondeen al centímetro entero superior.01 – 2.54 = 4.87 pulg = 32.135 * 0.775) / (0.12 * 0.037 + (15 * 0.12 * 0.80) / 2. en nuestro caso: eSbg = 33. Resumen del diseño estructural: . Guía AASHTO-93 para el diseño y evaluación de pavimentos Aplicación para los Pavimentos flexibles . 54 mm • US NAVY (1953): 6.OTROS MÉTODOS DE DISEÑO • Métodos que limitan falla por corte.35 mm . Principales propiedades: cohesión y ángulo de fricción interna • Yoder (1959): uso de fórmulas de Tersaghi • Yoder (1975): Actualización • Métodos que limitan las deflexiones: • Kansas (1947): 2. • • • • • • Método Chevron (1963) Método Shell International Petroleum (1977) Método del Instituto del Asfalto (1981) Método de la Shell (1981) Método Venezolano (MTC).OTROS MÉTODOS DE DISEÑO • Métodos empirico. 1982 Diseño mecanístico de pavimentos NCHRP 1-37A (2008) .mecanísticos: métodos racionales basados en consideraciones teóricas sobre distribución de esfuerzos y deformaciones. DISEÑO MECANÍSTICO NCHRP 1 – 37A • Propuesta de nueva guía de diseño AASHTO 2002. para estructuras nuevas y rehabilitación de pavimentos basado en principios mecanicistas – empíricos (Se espera que esté concluido para finales del 2012) • Introduce el concepto de carga de diseño (Número de pasadas) en lugar de la conversión a ejes equivalente (ESAL) • Reemplaza el índice de servicio por indicadores de deterioro. funcional y estructural . DISEÑO MECANÍSTICO NCHRP 1 – 37A • Investigaciones del TxDOT en 2003 • Objetivos: • • • • • • Análisis de sensibilidad de parámetros de entrada Comparación de resultados con otros métodos Revisión de protocolos de ensayos de materiales Valores iníciales de caracterización de materiales Establecer criterios de diseño Encontrar coeficientes iníciales de calibración • El método requiere un diseño previo . Guía AASHTO-93 para el diseño y evaluación de pavimentos Aplicación para los Pavimentos flexibles .