CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO
2.6. Diseño de Pavimentos de Asfalto – Software de la MEPDG
La MEPDG, publicada por la AASHTO en el año 2008, actualmente es la herramienta más actual y completa en lo referente al diseño de pavimentos rígidos y flexibles. Este método de diseño fue creado a partir de la necesidad de incorporar principios mecanicistas en los diseños de pavimentos. El desarrollo de la MEPDG fue patrocinado por un grupo de trabajo de la AASHTO, en cooperación con la National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) y la Federal Highway Administration (FHWA), bajo el proyecto NCHRP 1-37ª.
2.6.1. Visión General de la MEPDG
El diseño de pavimentos utilizando este método, es un proceso iterativo, cuyos resultados son los deterioros o fallas y la regularidad superficial del pavimento, no los espesores de las capas. Por esta razón, se consideran las condiciones locales de la zona del proyecto (tráfico, clima, capas granulares, condición del pavimento existente en el caso de rehabilitación), para luego proponer un diseño de prueba de pavimento nuevo o estrategia de rehabilitación, según corresponda.
El diseño es evaluado con el fin de adecuar los datos ingresados, los criterios de desempeño y los valores de confiabilidad adoptados para la predicción de los deterioros o fallas y la regularidad superficial. Si el diseño no cumple con los criterios de desempeño establecidos, se reevalúa hasta satisfacer los criterios de desempeño elegidos dadas las condiciones locales.
2.6.2. Niveles Jerarquicos de Datos de Entrada
El ingreso de los datos de entrada en la MEPDG se realiza a través de tres niveles, los cuales dependen del grado de conocimiento que se tenga acerca de los parámetros.
Nivel de entrada 1: Los parámetros de entrada de nivel 1 corresponden a datos medidos directamente, mediante ensayos de laboratorio y/o pruebas específicas para cada sitio o proyecto. Este nivel es el que representa de manera más precisa el parámetro de entrada para el diseño, lo cual involucra mayores costos durante la recopilación de información.
Nivel de entrada 2: Los parámetros de nivel 2 son estimados a partir de correlaciones o ecuaciones de regresión, en base a otras propiedades o ensayos más fáciles de realizar. Un ejemplo de un dato de entrada de nivel 2 corresponde al módulo resiliente de la subrasante o capas granulares estimado en base a correlaciones con el CBR.
46 Nivel de entrada 3: Los parámetros de nivel 3 corresponden a valores por defecto de carácter nacional para datos de entrada, por lo que no se requiere de ensayos de laboratorio o pruebas específicas en la zona del proyecto.
2.6.3. Criterios de Desempeño y Confiabilidad
En la Tabla 2-6 se muestran los deterioros de pavimentos flexibles predichos por la MEPDG, junto a los valores umbral recomendados al término de la vida de diseño, en base a la importancia de la vía.
La MEPDG permite realizar diseños de pavimento en base a cierto valor de confiabilidad (R). La confiabilidad de diseño se define como la probabilidad (P) de que el deterioro del pavimento al final de su vida de servicio, sea menor al valor umbral crítico adoptado para dicho deterioro. Esto significa que, por ejemplo, si se diseñan 10 proyectos con una confiabilidad de diseño para el ahuellamiento de 90%, uno de ellos, en promedio, presentaría valores de ahuellamiento por sobre el valor umbral fijado para ese deterioro.
En la Tabla 2-7 se muestran valores recomendados de confiabilidad según la clasificación funcional de la vía.
Tabla 2-6: Criterios de Desempeño de la MEPDG – Pavimentos Flexibles (AASHTO, 2008). Criterios de Desempeño Valor Máximo al final de la Vida útil de
Diseño Fisuramiento piel de cocodrilo (fisuramiento de
abajo hacia arriba).
Interestatal: 10% del área del carril Primaria: 20% del área del carril. Secundaria: 35% del área del carril. Profundidad del Ahuellamiento (deformación
permanente en las trayectorias de las ruedas).
Interestatal: 0,40 plg. Primaria: 0,50 plg.
Otros: (<45 mph): 0,65 plg. Longitud del Fisuramiento Transversal (Fisuras
térmicas)
Interestatal: 500 pies/milla. Primaria: 700 pies/milla. Secundaria: 700 pies/milla. IRI (Regularidad superficial) Interestatal: 160 plg./milla.
Primaria: 200 plg./milla. Secundaria: 200 plg./milla.
Tabla 2-7: Valores recomendados de Confiabilidad de la MEPDG (AASHTO, 2008).
Clasificación Funcional Nivel de Confiabilidad
Urbano Rural
Interestatal / Autopistas 95 95
Arterias Principales 90 85
Colectores 80 75
47 2.6.4. Ecuaciones de Deterioro Para Pavimentos Flexibles y Recapados de Asfalto
2.6.4.1. Profundidad del Ahuellamiento
La profundidad del ahuellamiento está dada por la siguiente relación (ec. 2.48):
∆p(HMA)= εp(HMA)∙ h(HMA)= β1rkzεr(HMA)10
k1rnk2rβ2rTk3rβ3r (2.48)
donde:
∆p(HMA) : Deformación acumulada permanente o deformación plástica vertical acumulada en la subcapa/capa de HMA, en plg.
εp(HMA) : Deformación unitaria permanente o plástica axial acumulada en la subcapa/capa de HMA, en plg./plg.
εr(HMA) : Deformación unitaria resiliente o elástica calculada por el modelo de respuesta estructural a una profundidad media de cada subcapa de HMA, en plg./plg.
h(HMA) : Espesor de la Subcapa/capa de HMA, en plg. n : Número de repeticiones de carga por eje T : Temperatura de la mezcla o del pavimento, °F. kz : Factor de confinamiento de profundidad.
k1r,2r,3r : Parámetros de calibración global de campo (de la recalibración realizada en el proyecto NCHRP 1-40D; k1r = −3,35412, k2r = 0,4791, k3r= 1,5606) 𝛽1r, 𝛽2r, 𝛽3r : Constantes de calibración locales o de mezclas en el campo, para la
calibración global, estas constantes se establecieron en 1.0.
kz= (C1+ C2∙ D)0,328196D (2.49)
C1= −0,1039(HHMA)2+ 2,4868HHMA− 17,342 (2.50)
C2= 0,0172(HHMA)2− 1,7331HHMA+ 27,428 (2.51) donde:
D : Profundidad debajo de la superficie, en plg. HHMA : Espesor total de HMA, en plg.
2.6.4.2. Fisuramiento Relacionado con la Carga
La MEPDG predice dos tipos de fisuras relacionadas con la carga: las fisuras de piel de cocodrilo y las fisuras longitudinales. El software asume que las grietas de piel de cocodrilo se inician en la parte inferior de las capas asfálticas, mientras que asume que las grietas longitudinales se inician en la superficie. El número máximo admisible de repeticiones de carga para cada tipo de agrietamiento está dado por la siguiente relación:
48 Nf − HMA = kf1(C)(CH)βf1(εt)kf2βf2(EHMA)kf3βf3 (2.52) donde:
Nf − HMA : Número permitido de repeticiones de carga por eje para un pavimento flexible y recapados de HMA.
εt : Deformación unitaria por tensión en lugares críticos y calculados por el modelo de respuesta estructural, en plg/plg.
EHMA : Módulo dinámico del HMA medido en compresión, en psi.
kf1, kf2, kf3 : Parámetros de calibración global de campo (de la recalibración realizada en el proyecto NCHRP 1-40D; kf1= 0,007566, kf2 = −3,9492, kf3 = −1,281).
βf1, βf2, βf3 : Constantes de calibración locales o de mezclas en el campo, para la calibración global, estas constantes se establecieron en 1.0.
C = 10M (2.53)
M = 4,84 ( Vbe Va+ Vbe
− 0,69) (2.54)
donde:
Vbe : Contenido de asfalto efectivo por volumen, en %. Va : Porcentaje de vacíos de aire en la mezcla de HMA.
CH : Factor de corrección de espesor, dependiente del tipo de fisuramiento.
Para fisuramiento de piel de cocodrilo o de abajo hacia arriba (ec. 2.55):
CH=
1
0,000398 + 0,003602 1 + e(11,02−3,49HHMA)
(2.55)
Para fisuramiento longitudinal o de arriba hacia abajo (ec. 2.56):
CH= 1 0,01 + 12,00 1 + e(15,676−2,8186HHMA) (2.56) donde:
HHMA : Espesor total de HMA, en plg.
Luego, la MEPDG calcula los índices de daño incremental a profundidades críticas siguiendo una malla patrón a lo largo de las capas asfálticas. El índice de daño incremental (∆DI) se
49 calcula dividiendo el número real de cargas por eje por el numero admisible de cargas de ese eje, lo cual se conoce como hipótesis de Miner. El índice de daño acumulado (DI)para cada ubicación crítica se calcula como la suma de los índices de daño incremental a lo largo del tiempo, según la siguiente ecuación (ec. 2.57): DI = ∑(∆DI)j,m,l,p,T= ∑ ( n Nf − HMA ) j,m,l,p,T (2.57) donde:
n : Número real de repeticiones de carga por eje dentro de un periodo de tiempo especifico
j : Intervalo de carga por eje
m : Tipo de carga por eje (ejes simples, dobles, triples, cuádruples, o configuración de eje especial).
l : Tipo de camión utilizado. Grupos de clasificación de camiones incluidos en la MEPDG
p : Mes
T : Temperatura media para cinco intervalos de temperatura o quintiles usados para subdividir cada mes, en °F.
A partir del daño acumulado (ec. 2.57), la MEPDG calcula el área de fisuramiento de piel de cocodrilo y la longitud del fisuramiento longitudinal, a partir de las ecuaciones presentadas a continuación.
El porcentaje del área de agrietamiento por fatiga se calcula mediante la siguiente relación (ec. 2.58): FCBottom= ( 1 60) ( C4 1 + e(C1C1∗+C2C2∗Log(DIBottom∙100)) ) (2.58) donde:
FCBottom : Área del fisuramiento de piel de cocodrilo que inicia en la parte inferior de las capas de HMA, % del área total del carril.
DIBottom : Índice de daño acumulado en la parte inferior de las capas de HMA
C1,2,4 : Constantes de regresión de la función de transferencia (C4= 6000, C1= 1, C2= 1).
C1∗= −2C2∗ (2.59)
C2∗ = −2,40874 − 39,748(1 + HHMA)−2,856 (2.60) donde:
50 HHMA : Espesor total de HMA, en plg.
Para la predicción de la longitud de las fisuras longitudinales por fatiga, se utiliza la siguiente expresión (ec. 2.61): FCTop = 10,56 ( C4 1 + e(C1−C2Log(DITop)) ) (2.61) donde:
FCTop : Longitud de fisuras longitudinales que inician en la parte superior de la capa de HMA, pies/milla.
DITop : Índice de daño acumulado cerca de la parte superior de la superficie de HMA. C1,2,4 : Constantes de regresión de la función de transferencia (C4= 7, C1= 3,5, C2=
1000).