METODO DEL INSTITUTO DEL ASFALTO DE
ESTADOS UNIDOS
Estructura del Informe
.
DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO
• 1 Introducción
• 2 Marco teórico del método.
• 3 Parámetros de entrada del método
.
• 4 Procedimiento para el diseño con las respectivas
tablas o gráficos
• 5 Ejemplo de una vía real.
• 6 Cálculos.
• 7 Análisis de resultados.
• 8 Conclusiones y recomendaciones.
• 9 Sustentar.
1. Introducción.
• El método más reciente del Instituto del Asfalto de los Estados Unidos de
Norteamérica, editado en 1991 y publicado en 1993, presenta algunos cambios significativos, respecto a los métodos anteriores para el diseño de la sección estructural de los pavimentos flexibles. El método se basa principalmente en la aplicación de la teoría elástica en multicapas, que utiliza resultados de investigaciones recientes por parte de ese organismo. Sin embargo, se reconoce que por los avances en la tecnología de los pavimentos asfálticos, se requieren más conocimientos sobre las propiedades de los materiales para las necesidades actuales de los sistemas carreteros, por lo que el método vigente, probablemente requiera revisión e implementación futuras. El manual presenta un procedimiento de diseño para obtener los espesores de la sección estructural de pavimentos, donde se utilizan el cemento asfáltico y las emulsiones asfálticas en toda la sección o en parte de ella. Se incluyen varias combinaciones de superficies de rodamiento con concreto asfáltico, carpetas elaboradas con emulsiones asfálticas, bases asfálticas y bases o subbases granulares naturales.
2. Marco Teórico del Método.
• El sistema se basa en un tráfico probable durante un periodo de
Diseño, de 20 años referido a su carga por “ eje sencillo “ de 18000
libras ( 8280 Kg aprox. ), que es la
“ carga por eje “ y considera
además el valor portante del terreno de fundación, la calidad de los
materiales de base, sub - base y capa de rodamiento que se
empleen,
y
los
procesos
de
construcción
a
seguirse.
Dicho transito pasado en 20 años y referido a una carga por 18000
libras, se denomina
“ valor de transito para el diseño “ y es
determinado en función del
“ transito diario inicial “, que es el
promedio de ambas direcciones, estimado para el año 1 de servicio.
El ábaco No. 1. determina el
“ índice de tráfico del proyecto “, en
función del transito diario, tanto para las principales carreteras
urbanas como calles. A fin de interpretar mejor estos gráficos,
damos a conocer a continuación, las definiciones del Instituto del
Asfalto para calles, carreteras rurales, etc.
3 Parametros de Entrada del Metodo
Este método está basado en el establecimiento de un límite de deflexión a la estructura del pavimento, el cual es función del número e intensidad de
aplicaciones de carga.
El primer paso para la aplicación del método del Instituto Norteamericano del Asfalto consiste en determinar el número de tránsito para el periodo de
diseño.
Por otro lado, el método permite el empleo de concreto asfáltico o emulsiones asfálticas en la totalidad o en parte de la estructura del pavimento, e incluye varias combinaciones de capa de rodadura y bases de concreto asfáltico; de capa de rodadura y bases con emulsiones asfálticas, así como capas de rodadura asfáltica con base y subbase granulares.
También considera al pavimento como un sistema elástico de varias capas y para su análisis emplea conceptos teóricos, experimentales y corridas de programa de cómputo, sin embargo con el objeto de simplificar el método, el Instituto de Asfalto propone una serie de ábacos que permiten la aplicación del método en forma rápida y sencilla.
4 Procedimiento para el diseño con las respectivas
tablas o gráficos.
• El método utiliza 10 cartas de diseño basadas en que
los espesores de diseño deben cumplir con dos
solicitudes deferentes en lo referente a deformaciones:
la vertical de compresión en la superficie de la
subrasante y la horizontal de tensión en la parte inferior
de las capas ligadas con material bituminoso. Las
figuras presentadas a continuación presentan el mayor
de los espesores asociados con dichas solicitudes y
suponen transito hasta cerca de 10 E 8 repeticiones de
ejes simples equivalentes a 8.2 toneladas, por lo que se
pueden emplear para los niveles de transito de diseño
para las vías colombianas.
El procedimiento para el diseño es el siguiente:
o Se estima el numero acumulado de ejes simples equivalentes de
8.2 toneladas, esperado en el carril de diseño durante el periodo de
diseño.
o Se determina la resistencia de diseño de los suelos de subrasante
expresada por el modulo resiliente correspondiente.
o Se elige el tipo de base. Para cada tio de base elegida se obtiene
de la grafica de diseño correspondiente los espesores de las
diferentes capas de pavimento.
1.
Estimaciond del transito proyectado: 4.23 * 10 E 6 ejes
equivalentes de 8.2 toneladas.
3. Estimación de las cargas de diseño (W
t18)
• W
t18
=EEo*F
(Ecuación 2)
EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño
F = Factor de crecimiento
EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D
F = {(1 + TC)^n – 1} / TC
TC = tasa de crecimiento interanual n = periodo de diseño
3. Estimación de las cargas de diseño (W
t18)
EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño
EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D
TPDA = Tráfico Promedio Diario Anual, para el primer año del periodo de diseño. %Vp = Porcentaje de vehículos de carga dentro del volumen de tráfico total FC = Factor Camión, o carga equivalente total por “camión promedio” fds = factor de distribución del tráfico por sentido de circulación
fuc = factor de utilización del tráfico total por sentido en el canal de diseño A = 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).
3.1 Valores de TPDA y TC
Fuente: Estudio de Tráfico Carretera
Año Moto Veh.
Liv.
Pesados de
Pasajeros Pesados de Carga TPDA
(vpd)
MB BUS C2 Liv. C2 C3 Otros
2010 33 23 1 17 11 62 82 1 230 2011 34 24 1 18 12 71 88 1 249 2012 35 25 1 18 12 77 92 1 261 2013 36 26 1 19 12 92 102 1 289 2014 37 26 1 19 13 99 107 1 303 2015 39 27 1 20 13 105 112 1 318 2016 40 29 1 21 14 113 118 1 337 2017 43 30 1 22 14 123 125 1 359 2018 45 31 1 23 15 133 132 1 381 2019 47 33 1 25 16 145 137 1 405 2020 50 37 2 26 17 173 160 2 467 2021 54 39 2 28 19 187 169 2 500 2022 57 42 2 30 20 203 181 2 537 2023 61 44 2 32 21 223 194 2 579 2024 66 47 2 35 23 244 209 2 628 2025 70 50 2 37 24 263 213 2 661 2026 75 53 2 40 26 287 223 2 708 2027 80 57 2 43 28 311 227 2 750 2028 86 63 3 46 30 338 238 3 807 2029 92 67 3 49 32 368 252 3 866
3.2 Factores de equivalencia de cargas
Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5
Carga (kips) Carga (ton) FE(simples) FE(dobles) FE(triples)
2 0.91 0.0002 0.000 4 1.82 0.003 0.0003 0.0001 6 2.72 0.013 0.0010 0.0004 8 3.63 0.041 0.0040 0.001 10 4.54 0.102 0.0090 0.002 12 5.45 0.213 0.0180 0.004 14 6.36 0.388 0.0330 0.008 16 7.26 0.645 0.0570 0.013 18 8.17 1.000 0.0920 0.021 20 9.08 1.470 0.1410 0.032 22 9.99 2.090 0.2070 0.048 24 10.90 2.890 0.2920 0.068 26 11.80 3.910 0.4010 0.095 28 12.71 5.210 0.5340 0.128 30 13.62 6.800 0.6950 0.170 32 14.53 8.800 0.8870 0.220 34 15.44 11.300 1.1100 0.281 36 16.34 14.400 1.3800 0.352 38 17.25 18.100 1.6800 0.436 40 18.16 22.500 2.0300 0.533 42 19.07 27.800 2.4300 0.644 44 19.98 34.000 2.8800 0.769 46 20.88 41.400 3.4000 0.911 48 21.79 50.100 3.9800 1.107 50 22.70 60.000 4.6400 1.250 SN = 4,0 y pt = 2,5
3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes simples)
3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes dobles)
3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes triples)
3.3 Factores camión por tipo de vehículo, para la
combinación de cargas sobre la vía
(Fuente: Estudio de Tráfico, Aparte IV.4.1 y Guía AASHTO-93)
condición de carga
Tipo de
vehiculo Total %
Ejes equivalentes por camión
% 100% cargados
% 50%
cargados % vacios Total
Factor Camión Ponderado 100% cargados 50% cargados vacios Mbuses 1 0.57% 0.700 0.178 0.050 61.00% 27.00% 12.00% 100.00% 0.4811 Buses 17 9.77% 1.674 0.426 0.050 36.00% 43.00% 21.00% 100.00% 0.7963 C2pesado 62 35.63% 1.674 0.426 0.050 21.00% 55.00% 24.00% 100.00% 0.5975 C2 Liviano 11 6.32% 0.169 0.038 0.004 21.00% 55.00% 24.00% 100.00% 0.0572 C3 82 47.13% 1.469 0.652 0.228 80.00% 10.00% 10.00% 100.00% 1.2633 OTROS 1 0.57% 2.780 0.731 0.104 67.00% 33.00% 0.00% 100.00% 2.1035 Veh. Livianos 23 0.0003 Total pesados 174 100.00%
3.4 Cargas equivalentes acumuladas en el periodo de
diseño (W
t18)
CONSIDERACIONES:
•fds = 0.52 (Fuente: Estudio de Tránsito) • fuc = 1.0 (Fuente: Guía AASHTO-93) • A = 1.0 (Fuente: Guía AASHTO-93)
Veh. Liv.
Pesados de
Pasajeros Pesados de Carga
MBus Bus C2 Liv. C2 C3 Otros
Totales 773 32 568 372 3,617 3,161 32 FE 0.0003 0.4811 0.7963 0.0572 0.5975 1.2633 2.1035 fds 0.52 DIAS 365.00 fuc 1.0 A 1.0 1.0 REE 44 2,922 85,848 4,036 410,183 757,939 12,776 REEtotal 1273,748
VIDA UTIL (años) Cargas de diseño
20 1,273,748
15 779662
10 415113
4 . Confiabilidad en el diseño (R)
• La Confiabilidad y el
Factor de Seguridad
Valor de la
Confiabilidad Zr So Factor de seguridad 50 0.000 0.45 1.00 60 - 0.253 1.30 70 - 0.524 1.72 75 - 0.674 2.01 85 - 1.037 2.93 95 - 1.645 5.50
5. Variación permisible en la Servicapacidad
(
D
psi)
• Servicapacidad inicial (p
o) =
4.2
– Condición de servicio de un pavimento al concluir
su construcción
• Servicapacidad final (p
t) =
2.00
– Condición de servicio de un pavimento en una vía
rural principal al final de su vida de servicio
Ambos valores son recomendados por el Manual SIECA y la Guía AASHTO-93
6. Caracterización del material de sub-rasante
• Fueron ensayadas 21 muestras del material de
fundación sobre la línea.
(Estudio de suelos para revisión de estructura de pavimentos, ASOCIO, enero 2009)
• Estos resultados fueron analizados bajo el
procedimiento del Instituto del Asfalto, para
determinar el CBR de Diseño”.
6. Caracterización del material de sub-rasante
RESULTADO DE ENSAYOS ANALISIS
N° CBR CBR menor a mayor FRECUENCIA NUMERO DE ENSAYOS, IGUALES O MAYORES PERCENTIL 1 3.18 2.69 3.00 21.00 100.00 2 3.73 2.69 3 3.18 2.69 4 3.18 2.9 1.00 18.00 85.71 5 3.18 3.08 10.00 17.00 80.95 6 3.08 3.08 7 3.08 3.08 8 3.08 3.08 9 3.08 3.08 10 3.08 3.08 11 13.85 3.08 12 3.08 3.08 13 4.8 3.08 14 2.69 3.08 15 2.69 3.18 4.00 7.00 33.33 16 2.69 3.18 17 3.08 3.18 18 3.08 3.18 19 2.9 3.73 1.00 3.00 14.29 20 3.08 4.8 1.00 2.00 9.52 21 3.08 13.85 1.00 1.00 4.76 21.00 Nt PERCENTIL CBR DE DISEÑO OBSERVACIONES 10^8 95
COMO LOS EJES EQUIVALENTES SON 1,273,748 ESTA ENTRE 10^6 Y 10^7, EL PERCENTIL DE DISEÑO ES EL
85% y POR LO TANTO EL CBR DE DISEÑO ES 3.05%.
10^7 90
10^6 85 3.05%
10^5 75
NOTAS:
6. Unidades de diseño en función de los CBR
• Correlación entre valores de CBR y Módulo Resiliente
(MR)*
7. Número Estructural (SN/sr)* sobre la SR
* Solución de la Ecuación AASHTO-93 para las diferentes variables independientes
VIDA UTIL (años) Cargas de diseño MR sub-rasante psi SN/sub-rasante
20 1,273,748
4,211.7
3.82
15 779662 3.56
10 415113 3.24
8. Calidad de materiales para capas del
pavimentos
• Material para sub-base
– Los resultados de los ensayos ejecutados sobre los materiales encontrados en los bancos a lo largo del trazado, permiten concluir que
no se encontrarán materiales aptos para ser empleados como
“sub-base granular”, ya que, en los bancos analizados se han obtenido
valores de CBR muy bajos.
– Con base en lo anterior se recomienda que el actual rodamiento se estabilice en 20 centímetros con cemento y sea considerada la
subbase, en función de ello se estima un coeficiente estructural (a3) de
0.10 y un “coeficiente de drenaje (cm3)” de 1.0
8. Calidad de materiales para capas del
pavimentos
• Material para base granular
• Como material de base granular se recomienda una mezcla de materiales granulares, debidamente triturados y gradados, que resulten con un CBR mínimo de 80%. La correlación PAS para este tipo de material arroja un MR de 38,971 psi. La Guía de Diseño AASHTO-93 asigna a estas mezclas un coeficiente estructural (a2) de 0.14 y un coeficiente de drenaje (cm2) de 1.00
.
a
Base= 0.14 y coeficiente de drenaje = 1.00
8. Calidad de materiales para capas del
pavimentos
Mezclas asfálticas para pavimento
a
rodamiento= 0.43 y coeficiente de drenaje = 1.0
• Para la capa asfáltica debe emplearse mezcla de concreto asfáltico densamente gradadas, mezcladas en planta en caliente, de las características que se indican en la Tabla 11, determinadas de acuerdo al Ensayo Marshall (AASHTO T-245)
TABLA 11
Requisitos de calidad de las mezclas asfálticas
Capa Granulometría Tipo Estabilidad (lbs) Flujo (0.01 pulg) Vacíos totales (%) VAM (%) Vacíos llenados (VFA), (%) Rodamiento TNM 12 > 1.800 8 – 14 3 – 5 > 13 65 - 75
9. Determinación de los espesores de capas
SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado
(Ecuación 5)
ESCENARIO 1: vida útil de 20 años
ALTERNATIVA Espesor capa de rodamiento (cm) Espesor capa de base granular (cm) Espesor capa de sub-base estabilizada con cemento (cm) MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE (MAC) 10.0 25.0 20.0 DOBLE TRATAMIENTO SUPERFICIAL ASFALTICO (DTS) 0.00 50.0 35.0 ADOQUIN 10 (MAS 5 CMS DE ARENA) 25.0 20.0
9. Determinación de los espesores de capas
SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado
(Ecuación 5)
ESCENARIO 2: vida útil de 15 años
ALTERNATIVA Espesor capa de
rodamiento (cm) Espesor capa de base granular (cm) Espesor capa de sub-base estabilizada con cemento (cm) MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE (MAC) 8.5 25.0 20.0 DOBLE TRATAMIENTO SUPERFICIAL ASFALTICO (DTS) 0.00 44.0 35.0 ADOQUIN 10 (MAS 5 CMS DE ARENA) 19.0 20.0
9. Determinación de los espesores de capas
SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado
(Ecuación 5)
ESCENARIO 3: vida útil de 10 años
ALTERNATIVA Espesor capa de rodamiento (cm) Espesor capa de base granular (cm) Espesor capa de sub-base estabilizada con cemento (cm) MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE (MAC) 6.5 25.0 20.0 DOBLE TRATAMIENTO SUPERFICIAL ASFALTICO (DTS) 0.00 38.0 35.0 ADOQUIN 10 (MAS 5 CMS DE ARENA) 15.0 17.5
9. Determinación de los espesores de capas
ESCENARIO 4: Espesores de pavimento Alternativa de concreto.Espesores de pavimento. Alternativa de concreto.
VIDA UTIL (años)
Espesores de diseño (cm)
Losa de concreto Base
estabilizada con cemento Sub-base estabilizad a con cemento 20 15.00 15 20 15 14.00 15 20 10 12.00 15 20
