Guia-AASHTO-2008-08-05-2015-H

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MODULO 2

GUIA DE DISEÑO DE

PAVIMENTOS MEPDG 2008

Estado de la práctica

En el En el Futuro Futuro ¿Práctica Actual? ¿Práctica Actual?

Evolución del Diseño de Pavimentos

Empírico

Empírico Empírico-

Empírico-Mecanístico

Mecanístico MecanísticoMecanístico

Métod

Métodososde Dide Diseñoseño

Mecanístico-Empíricos

Herramienta para el diseño de pavimentos Herramienta para el diseño de pavimentos nuevos y rehabilitación de pavimentos nuevos y rehabilitación de pavimentos existentes

existentes basándosebasándose en ...en ...

PRINCIPIOS M

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Metodologías de Diseño de Pavimentos

• Empírico

– Estadísticos basados en ensayos experimentales

• Mecanístico

– Cálculo de respuestas del pavimento i.e., esfuerzos, deformaciones

– Modelos de desempeño del pavimento basados en principios mecanísticos

• Mecanístico-Empírico

– Cálculo de respuestas del pavimento, i.e., esfuerzos, deformaciones

– Modelos empíricos de desempeño del pavimento

Clima Trafico Materiales Estructura Fallas Respuesta Tiempo Daño Acumulación de daño

Diseño Mecanístico-Empírico

• Mecanistico: Calcular la respuesta del

pavimento (i.e., esfuerzos, deformaciones

unitarias, y deflexiones) debido a:

– Cargas de tráfico

– Condiciones medio-ambientales

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c t,

or

t

ESFUERZOS Y

DEFORMACIONES

Diseño Mecanístico-Empírico

Empíricamente relacionar el daño

acumulado a través del tiempo a fallas

del pavimento, e.g.:

- Fisuramiento

- Ahuellamiento

- Otras fallas

Categorías de Fallas en MEPDG

• Estructural vs. Funcional

– Estructural: capacidad de transportar carga

– Funcional: Calidad del viaje (comodidad) y seguridad

• Carga Asociada vs. No Carga Asociada

– Carga Asociada: Causada por las cargas de tráfico – No Carga Asociada: Causada por el clima

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Fallas en Pavimentos Flexibles

Falla por Fatiga

Fisuramiento

T

érmico

Fisuramiento

Longitudinal

IRI

Ahuellamiento

Falla Tipo “Piel de Cocodrilo”

(SHRP, 1993)

Fisuramiento por Fatiga

Capa Asfaltica

Deformaciones altas y eventual fisuramiento por fatiga

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Ahuellamiento

(SHRP, 1993)

Ahuellamiento por Efecto de Cargas

Base

Ahuellamiento puede ocurrir a nivel de la base, subbase o subrsasante

Fisuramiento Térmico

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Calidad del Viaje – Índice

Internacional de Rugosidad (IRI)

(“Little Book”, 1998) Velocidad = 80 km/h (Vertical Distance) Horizontal Distance  0 1 2 0.01 0.1 1 10 100 Longitud de Onda, m G a n a n c i a

Fallas en Pavimentos Rígidos

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Fisura Transversal

Punzonamiento en Pavimento de

Concreto Reforzado

Calidad del Viaje – Índice

Internacional de Rugosidad (IRI)

(“Little Book”, 1998) Velocidad = 80 km/h (Vertical Distance) Horizontal Distance  0 1 2 0.01 0.1 1 10 100 Longitud de Onda, m G a n a n c i a

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Ingreso de Datos

Información General Entradas Trafico Clima Estructura Ver Resultados y Salidas Estado y Resumen

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Datos Generales

– Periodo de diseño, fecha de construcción, fecha de inicio del tráfico

– Naturaleza del proyecto • Construcción nueva • Reconstrucción • Rehabilitación – Tipo de pavimento • Flexible • Rígido

Datos Específicos

• Tráfico – Volumen

– Distribución de la carga por eje – Configuración del eje

• Clima

– Latitud, longitud, elevación, etc.

• Estructura del Pavimento

– Capas, espesores, y propiedades de los materiales y otras características.

Niveles de Jerarquía basados en el Grado de Precisión de los Datos

– NIVEL 1: DISEÑO AVANZADO DE ALTA CONFIABILIDAD. AUTOPISTAS Y CARRETERAS DE MAYOR IMPORTANCIA.

REQUIERE DATOS ESPECIFICOS DE LA ZONA Y EVALUACION

– NIVEL 2: PROCEDIMIENTO ESTÁNDAR PARA DISEÑO DE RUTINA. LA INFORMACION PUEDE TOMARSE DE UNA BASE DE DATOS

– NIVEL 3: A UTILIZARSE CUANDO LAS CONSECUENCIAS DE LAS FALLAS PREMATURAS NO SON TRASCENDENTALES EN CARRETERAS DE BAJO VOLUMEN DE TRAFICO.

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• Nivel 1 : Medidas/Pruebas Especificas en el Sitio – Prueba de Materiales (E*, Mr, Ec, fr, contracción) – Deflectometría (FWD) y retro cálculo

– Tráfico: AVC, WIM, Conteos • Nivel 2 : Correlaciones

– Usa los resultados de prueba disponibles y correlaciones para obtener los valores de diseño • Nivel 3 : Valores Estándar

– Valores Estándar basados en el conocimiento de la zona

Nota: El cálculo de los daños es el mismo sin diferenciar el nivel de precisión los datos utilizados

Niveles de Jerarquía basados en el Grado de Precisión de los Datos

Respuesta del Pavimento

• El análisis de la respuesta del pavimento es independiente del nivel de precisión de los datos utilizados

– Bajos niveles de precisión pueden contribuir a una mayor incertidumbre y conducir a diseños más conservadores – El nivel de esfuerzo en la toma de datos

debe de ser consistente con la importancia del proyecto

TRAFICO

• Diferentes Ejes de Carga

• Ejes de Carga Mixtos

Ejes Simples Llantas simples Llantas Duales

Tandem Tridem Llantas Duales

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Caracterización del Tráfico

– LA NUEVA GUIA UTILIZA UN ESPECTRO DE EJES DE CARGA. SE UTILIZARA UN ESPECTRO COMPLETO PARA EJES SIMPLES, TANDEM Y TRIDEM. SI BIEN ES CIERTO NO SE UTILLIZA EL ENFOQUE DE ESALS EN MUCHOS CASOS EL ESPECTRO DE EJES DE CARGA PUEDE TRANSFORMARSE A ESALS.

– NIVEL 1: RECOLECCION Y ANALISIS DE DATOS ESPECIFICOS. ESPECTROS DE DISEÑO DESARROLLADOS PARA CADA CLASE DE VEHICULO

– NIVEL 2: ESPECTROS DE DISEÑO DE BASE DE DATOS

– NIVEL 3: ESPECTRO DE EJES DE CARGA STANDARD POR CLASE FUNCIONAL DE CARRETERA

Datos Climáticos

• Temperatura—la variación por hora es considerada

– El modelo predice la temperatura en la estructura del pavimento cada hora basado en datos climáticos históricos por hora

• Gradiente de humedad—Variación mensual es considerada

Variación Diaria de Temperatura

Cada aplicación de carga 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Tiempo, días T e m p e r a t u r a , g r a d o s C PCC Arriba PCC Abajo

Día 2 Día 3 Día 4 Día 1

Noche Dia

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Caracterización de Materiales HMA Asphalt Mixtures Dynamic Modulus ASTM D3496 subrasante aggregado base Módulo de Elasticidad Unbound Materials Resilient Modulus NCHRP 1-28A AASHTO T307

Módulo Dinámico Complejo (Mr)

S t r e s s S t r a i n P h a s e l a g

T i m e

|E*| = Dynamic modulus 

o = Maximum(peak) dynamic stress

_o =Peakrecoverableaxial strain  360   p i t t 

Adjustado por temperatura & ciclo de carga.

Parámetros de Diseño sobre la Vida del

Pavimento

Tiempo, años Trafico Modulo PCC Modulo de Base Granular Modulo CTB Cada aplicación de carga 2 4 6 8 0 Modulo Subrasante Modulo AC

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Caracterización de los Materiales

Material Nivel 1 Nivel 2 Nivel 3 Concreto Asfáltico Medir Estimar Asumir

Módulo Módulo Módulo Dinámico Dinámico Dinámico Concreto de Medir Estimar Asumir Cemento Portland Módulo Módulo Módulo

Elástico Elástico Elásti co Materiales Estabilizados Medir Estimar Asumir Módulo Módulo Módulo Materiales Granulares Medir Estimar Asumir Módulo Módulo Módulo Resilente Resilente Resilente Subrasante Medir Estimar Asumir Módulo Módulo Módulo Resilente Resilente Resilente

Modelos de Respuesta Estructural –

Elementos Finitos y Multi-Capas

Elásticas

• Para pavimentos flexibles

JULEA  programa de análisis de

capas elásticas lineales

DSC2D  programa del Modelo

de Elemento Finito eje simétrico en 2D para casos con modelación no lineal

• Para pavimentos rígidos

ISLAB2000  programa del

Modelo de Elemento Finito (FEM)

Modelos de Respuesta Estructural, cont.

• Datos de Entrada

– Geometría

– Propiedades del Material – Cargas – Temperatura • Salidas – Esfuerzos Internos – Deformaciones Unitarias – Deformación Acumulada

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Confiabilidad del Diseño

• Considera un modelo de incertidumbre (confiabilidad) para cada tipo de falla

Confiabilidad del Diseño

• Diferente al de AASHTO 1986/93

• Basado en predicción del tipo de falla y

rugosidad (comodidad)

• La probabilidad de que cierta falla e IRI

no excedan un nivel crítico

• La agencia debe seleccionar niveles de

confiabilidad y los criterios de

desempeño para los tipos diversos tipos

de falla e IRI

Concepto de Confiabilidad para Fisuramiento

Probabilidad de falla ( ) Predicción promedio R = 50 % Confiabilidad R = (1 - ) Predicción en Confiabilidad R Agrietamiento0 Agrietamiento(promedio) Agrietamiento(falla) Tiempo A g r i e t a m i e n t o

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Concepto de Confiabilidad para IRI

Probabilidad de falla ( ) Predicción promedio R = 50 % Confiabilidad R = (1 - ) Predicción a Confiabilidad R IRI0 IRI(promedio) IRI(falla) I R I Tiempo

Respuesta del Pavimento

• El análisis de la respuesta del pavimento es independiente del nivel de precisión de los datos utilizados

– Bajos niveles de precisión pueden contribuir a una mayor incertidumbre y conducir a diseños más conservadores – El nivel de esfuerzo en la toma de datos

debe de ser consistente con la importancia del proyecto

Daño Acumulado –

Concepto de Daño Inncremental

• La vida útil de diseño es dividida en períodos incrementales de tiempo

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Daño Incremental

• En cada incremento de tiempo, los

siguientes parámetros son utilizados

para calcular el daño incremental:

– Propiedades de los materiales

– Temperatura y humedad de

acuerdo a la estación

– Variación estacional del tráfico

El daño acumulado es calculado utilizando la ecuación de Miner

Número Actual de Cargas n Daño

Fatiga 

n y N son calculados para cada periodo de tiempo, estación, tipo de eje de carga, nivel de carga, gradiente térmico, categoría de tráfico

Daño Incremental

Número Permisible de Cargas N

• Daño total acumulado es la suma de los incrementos de daño a lo largo de la vida útil.

D a ñ o

Daño Incremental

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Verificación del Desempeño

El procedimiento evalua un diseño propuesto para determinar si cumple con el

comportamiento esperado bajo los criterios establecidos para un determinado nivel de confiabilidad

Diseño Propuesto

Verificación del Desempeño

0 5 10 15 20 25 30 Edad, años P r e d i c c i ó n d e F a l

l a _{¿Esta el nivel de falla}

predicho dentro de los limites permisibles para el nivel de

confiabilidad deseado?

Ingreso de Datos

Generales Trafico Clima Estructura

Diseño Preliminar Respuesta Estructural ( , , )

Modelos Calibrados de Daño

Fallas Comodidad

Verificación del Desempeño

Criterio de Falla Confiabilidad de Diseño ¿Requisitos del Diseño Satisfechos? No Diseño Factible R e v i s a r d i s e ñ o p r e l i m i n a r Daño Acumulado Si

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¿Calibrar MEPDG?

Desempeño en el Campo – El

Estudio LTPP

Sitios de la Prueba de Carretera AASHO

Modelos Calibrados de Fallas

• El “daño” acumulado es asociado a cierto tipo de falla mediante modelos calibrados de predicción y funciones de transferencia

Edad Tiempo

Daño Predicho

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Predicción del Desempeño

Fisuramiento por Fatiga

Deformación Permanente (ahuellamiento)

Falla por gradiente Térmico

Rugosidad, IRI

Falla o Daño