Diseños de pavimentos asfálticos para calles y carreteras - Escuela ...

DISEÑO DE PAVIMENTOS
ASFÁLTICOS PARA CALLES Y
CARRETERAS

Introducción
Métodos empíricos de diseño
Método AASHTO - 93
Modelos INVÍAS - 98
Métodos empírico-mecanísticos de diseño
Método SHELL – 98 (SPDM 3.0)
CONTENIDO
Diseño de pavimentos sobre suelos blandos

DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
PARA CALLES Y CARRETERAS
INTRODUCCIÓN

Generalidades
INTRODUCCIÓN
La mayoría de los métodos de diseño de
pavimentos tienen un alto grado de empirismo,
propio de las agencias que los han desarrollado
Es corriente obtener diferentes espesores al
aplicar distintos métodos de diseño, empleando
los mismos datos de entrada

Generalidades (cont.)
Gran parte de estas diferencias se debe a la falta de
una descripción precisa y cuantitativa de lo que
constituye la falla de un pavimento de calle o
carretera, así como a los niveles de confiabilidad que
consideran los diferentes métodos
Los procesos de diseño de pavimentos se pueden
dividir en dos grupos:
— Empíricos
—Empírico - mecanísticos
INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
Se basan en los resultados de experimentos o en la
experiencia
Requieren un elevado número de observaciones para
establecer relaciones aceptables entre las variables y los
resultados de las pruebas
No es necesario establecer una base científica firme
de las relaciones, en la medida en que se reconocen sus
limitaciones

INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
En muchos casos resulta más conveniente confiar en
la experiencia que tratar de cuantificar la causa exacta
y el efecto de ciertos fenómenos
Ejemplos de métodos de diseño de concepción
empírica son el de California (Hveem y Carmany), el
AASHTO-93 y el INVIAS-98

INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
Incorporan elementos de ambos planteamientos
La componente mecánica determina las reacciones
del pavimento, tales como esfuerzos, deformaciones y
deflexiones, mediante el uso de modelos matemáticos
La porción empírica relaciona estas reacciones con
el comportamiento de la estructura del pavimento (por
ejemplo, relaciona una deflexión calculada
matemáticamente, con la vida real del pavimento)

INTRODUCCIÓN
PROCESOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
Aunque existen técnicas mecanísticas complejas de
cálculo, los modelos elásticos lineales sujetos a carga
estática son los más empleados en la solución de
problemas rutinarios de ingeniería de pavimentos
Ejemplos de métodos de diseño de pavimentos que
usan estos procesos son el del Instituto del Asfalto, el
de Shell y el AASHTO 2002

DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÉTODOS EMPÍRICOS
DE DISEÑO

MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93

MÉTODO AASHTO - 93
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO
Se basa en los resultados AASHO Road Test
En la revisión realizada en 1986 se introdujeron
factores de confiabilidad, drenaje y aspectos climáticos
Su criterio de falla es el índice de servicio final (p t)

MÉTODO AASHTO - 93
FUNDAMENTOS DEL MÉTODO
El tránsito que lleva a la falla del pavimento es
función del número estructural, de la resistencia de la
subrasante, de la pérdida deseada de índice de
servicio y de la confiabilidad elegida
Incluye la posibilidad de que se reduzca el periodo
de diseño por la presencia de suelos de subrasante
expansivos

Serviciabilidad
DEFINICIONES
MÉTODO AASHTO - 93
Capacidad de un pavimento de servir al tránsito que hace
uso de él en un instante determinado, desde el punto de
vista del usuario
Comportamiento del pavimento (performance)
Tendencia de la serviciabilidad con el incremento en el
número de aplicaciones de carga por eje
Periodo de comportamiento (periodo de diseño)
Lapso que transcurre desde que un pavimento es construido
o rehabilitado, hasta que alcanza su serviciabilidad terminal

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Concepto de serviciabilidad – comportamiento
La serviciabilidad de un pavimento se expresa en
términos de su Índice de Servicio Presente (ISP)

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Concepto de serviciabilidad – comportamiento
Fórmula del Índice de Servicio Presente (ISP) para
pavimentos asfálticos
sv = Varianza de la pendiente del perfil longitudinal
(c + p) = Área con grietas clases 2 y 3 más área parchada
por cada 1000 pies 2
RD = Ahuellamiento medido con una regla de 1.20 metros

LogW
Ecuación de comportamiento
18
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
ISP
log
4.
2 1.
5
( )( ) ( 9.
36)(log(
1))
0.
20
z So SN
( 2.
32)(log
M )
R
R
1094
0.
4
5.
19
( SN 1)
8.
07

CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Significado de los términos de la ecuación
W 18 = número de aplicaciones de ejes simples equivalentes de 18 kip
(80 kN) hasta el tiempo t en el cual se alcanza ISP = p t
SN = número estructural
ISP = p i - p t = diferencia entre los índices de servicio inicial y terminal
M R = módulo resiliente de la subrasante ( libras/pg 2 )
MÉTODO AASHTO - 93
So = desviación estándar total de la distribución normal de los errores
asociados con las predicciones de tránsito y de comportamiento
del pavimento (0.44-0.49)
z R = parámetro estadístico asociado con distribuciones normales de
datos, que considera la probabilidad de que el índice de servicio
del pavimento sea superior a p t durante el periodo de diseño

MÉTODO AASHTO - 93
REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA ECUACIÓN

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
NIVELES DE CONFIABILIDAD RECOMENDADOS POR AASHTO
Clasificación funcional de Nivel recomendado de confiabilidad (%)
la vía
Urbana Rural
Autopistas 85 - 99.9 80 - 99.9
Arterias principales 80 - 99 75 - 95
Colectoras 80 - 95 75 - 95
Locales 50 - 80 50 - 80

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
RELACIONES ENTRE CONFIABILIDAD Y Z R EN UNA DISTRIBUCIÓN NORMAL
Confiabilidad (%) 50 75 80 85 95 99 99.9
zR 0 0.674 0.842 1.037 1.645 2.327 3.08

Módulo resiliente efectivo (M R)
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Es el módulo resiliente promedio que se traduce en un
daño del pavimento (U f) igual al que se alcanzaría si se
usaran valores modulares estacionales:
—Se divide el año en periodos con diferente M R con
base en la humedad del suelo o en la variación de las
deflexiones medidas en pavimentos construidos sobre
el mismo suelo

Módulo resiliente efectivo (M R)
—Se determina el daño relativo por periodo
U f = 1.8 x 10 6 * M R -2.32
—Se calcula el daño relativo promedio
MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
—Se halla el módulo resiliente efectivo a partir del
daño relativo promedio, usando la misma
ecuación

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
VARIACIÓN DEL MÓDULO DURANTE EL AÑO

MÉTODO AASHTO - 93
AJUSTE DEL M R DE LA SUBRASANTE POR LAS VARIACIONES
ESTACIONALES

CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Número estructural (SN)
La resistencia del pavimento se representa por SN, el cual es
función del espesor de las capas, de los coeficientes
estructurales de ellas y del coeficiente de drenaje
El número estructural total del pavimento está dado por :
SN = Sa i*D i*m i
MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Número estructural (SN)
SN = a 1*D 1+ a 2*D 2*m 2+ a 3*D 3*m 3
MÉTODO AASHTO - 93
D 1,2,3 = espesores de capas asfálticas, base y subbase
respectivamente (pulgadas)
a i = coeficiente estructural de capa i, dependiente de su módulo
m i = coeficientes de drenaje para capas no estabilizadas,
dependiente del tiempo requerido para drenar y del tiempo en
que la humedad se encuentre en niveles cercanos a la saturación

CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Coeficientes estructurales de capa (a i)
Miden la capacidad relativa de una unidad de
espesor de una determinada capa para funcionar como
componente estructural del pavimento
Los coeficientes estructurales dependen de:
—Resistencia del material (CBR, módulo, etc)
—Calidad de la construcción
—Estado de esfuerzos
MÉTODO AASHTO - 93

CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Coeficientes estructurales de capa (a i)
Valores promedio de coeficientes estructurales
—Mezcla asfáltica densa en caliente: 0.44/pulgada
—Base de grava y piedra partida: 0.14/pulgada
—Subbase granular: 0.11/pulgada
MÉTODO AASHTO - 93

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA (a i)
CAPA
Coeficiente estructural
Asfáltica
Figura GG.7, volumen II, manual AASHTO ( 0.20-0.50)
Base granular a2 = 0.249 (log EB) - 0.977
estabilizada con cemento Figura GG.9, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.28)
estabilizada con asfalto Figura GG.10, volumen II, manual AASHTO ( 0.10-0.35)
Subbase granular
a3 = 0.227 (log ESB) - 0.839

MÉTODO AASHTO - 93
NOMOGRAMA AASHTO PARA LA DETERMINACIÓN DEL
COEFICIENTE ESTRUCTURAL DE UNA BASE GRANULAR

CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Coeficientes de drenaje (m i)
MÉTODO AASHTO - 93
Se establecen a partir de la calidad del drenaje y del
tiempo que se considera que el pavimento puede
encontrarse con una cantidad de agua cercana a la
saturación

COEFICIENTES DE DRENAJE m i RECOMENDADOS PARA
BASES Y SUBBASES GRANULARES
Ejemplo:
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Pavimento diseñado con drenaje normal (la humedad drena en una
semana) y durante dos meses del año (2/12=0.17=17%) está sometido a
condiciones cercanas a la saturación.
m i = 1.00 - 0.80
MÉTODO AASHTO - 93

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Determinación de los espesores de las capas
individuales (D i)
Se requiere determinar el número estructural (SN)
requerido para proteger cada capa inferior
Para ello, se debe aplicar el algoritmo AASHTO
usando el módulo resiliente de cada capa por proteger

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Determinación de los espesores de las capas
individuales (D i)
D
*
1
SN
D
*
2
SN
D
*
3
SN
a
*
1
*
1
1
1
1
( SN
a
D
2
SN
*
2
*
1
SN
SN
*
1
SN
2
1
) / a m
* *
SN ( SN SN ) / a m
3
1
2 3 3
* Indica el valor realmente usado, el cual debe
ser igual o mayor que el valor requerido según
el algoritmo
2
2

CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Determinación gráfica del SN
MÉTODO AASHTO - 93

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Determinación del SN con un programa de cómputo

MÉTODO AASHTO - 93
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
ESPESORES MÍNIMOS ADMISIBLES PARA LAS
CAPAS ASFÁLTICAS Y LA BASE GRANULAR
N
(106 Espesores mínimos (pulgadas)
) Capas asfálticas Base granular
< 0.05 TSD 4.0
0.05-0.15 2.0 4.0
0.15-0.50 2.5 4.0
0.50-2.00 3.0 6.0
2.00-7.00 3.5 6.0
>7.00 4.0 6.0

Vía rural local
EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Confiabilidad deseada = 75 % (z R = 0.674)
Tránsito esperado = 1,300,000 ejes equivalentes
Pérdida total de serviciabilidad = 4.2 – 2.0 =2.2
Desviación estándar total = 0.49
Características de drenaje = Aceptables
Condición cercana a la saturación durante 4 meses/año
m i = 0.80

EJEMPLO DE DISEÑO
MÉTODO AASHTO - 93
Características de los materiales de construcción

MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
Determinación de SN 1

Cálculo de D 1
D
1
Verificación de D 1
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
SN
a
1.97
0.44
4.5 pulgadas > 3.0 pulgadas O.K.
Cálculo de SN 1 *
1
1
4.47
pulgadas
SN 1 * = a1 * D 1 * = 0.44 * 4.5 = 1.98
(tomar 4.5 pulgadas)

Determinación de SN 2
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO

Cálculo de D 2
Verificación de D 2
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
D
2
SN
m
5.4 pulgadas < 6.0 pulgadas tomar 6.0 pulgadas
Cálculo de SN 2 *
2
a
2
SN
2
*
1
2.54 -1.98
0.14 * 0.8
5.4 pulgadas
SN 2 * = a2 D 2 * m2 = 0.13 * 6.0 * 0.8 = 0.624

Determinación de SN 3
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO

Cálculo de D 3
D
3
SN
(SN
m
Resumen del diseño
3
a
3
*
2
3
SN
*
1
)
MÉTODO AASHTO - 93
SOLUCIÓN DEL EJEMPLO DE DISEÑO
3.43 - ( 1.98 0.624)
0.102 * 0.8
10.1 pulgadas

MÉTODOS EMPÍRICOS DE DISEÑO
MÉTODO INVÍAS - 98

Generalidades
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
Contiene un catálogo de estructuras definido con
base en el método AASHTO-93
El catálogo de diseño cubre los tipos de pavimentos y
materiales usados actualmente en la práctica local e
incluye nuevas tipologías de eficiencia demostrada en
otros países con características similares a las
colombianas
El método considera factores ambientales, de suelos,
de tránsito y de disponibilidad de materiales, acordes
con la realidad colombiana

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
REGIONES CLIMÁTICAS
El país se dividió en seis regiones climáticas, con base
en la temperatura y la precipitación media anual

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
RESISTENCIA DE LA SUBRASANTE
Se debe considerar el valor promedio de resistencia
del suelo predominante en cada unidad homogénea y, a
partir de él, se establece una categoría de subrasante

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
TRÁNSITO DE DISEÑO
REQUISITOS DE TRÁNSITO CONTEMPLADOS
EN LA GUÍA DE DISEÑO
Categoría
N*
T1
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
N*
10
0.05* zR
Si la confiabili dad es 90%, z
1.159 *
N
Ejes equivalentes de 80kN en el
carril de diseño durante el periodo
de diseño del pavimento N* (10
4.0 - 6.0
6.0 - 10.0
10.0 - 15.0
6 )
0.5 - 1.0
1.0 - 2.0
2.0 - 4.0
15.0 - 20.0
20.0 - 30.0
30.0 - 40.0
* N
R
1.282,
y

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
Se empleó la ecuación básica del método AASHTO-93
Se adoptó S 0=0.44, que corresponde a considerar la
variación de la predicción del comportamiento del
pavimento, sin errores en la estimación del tránsito
La posibilidad de errores en la predicción del tránsito
se incorpora con la expresión (10 0.05*Z R * N)
Se consideró una pérdida de serviciabilidad de 2.2
durante el periodo de diseño del pavimento

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
Se adoptaron coeficientes estructurales de capa
ajustados a los resultados de experiencias realizadas en el
país
Se adoptaron 3 coeficientes de drenaje para las capas
granulares (m i=1.0 si la precipitación < 2,000 mm/año,
m i=0.90 si la precipitación está entre 2,000 y 4,000
mm/año y m i=0.80 para precipitaciones mayores)
Las estructuras obtenidas se verificaron con módulos
teóricos y curvas de fatiga SHELL

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CONSIDERACIONES PARTICULARES DE DISEÑO
VALORES ADOPTADOS PARA LOS COEFICIENTES ESTRUCTURALES DE CAPA
Material Condición ai
Mezcla densa en caliente
T < 13°C 0,44
13°C £ T < 20°C 0,37
20°C £ T < 30°C 0,30
Mezcla densa en frio
T < 13°C 0,35
13°C £ T < 20°C 0,30
20°C £ T < 30°C 0,24
Base granular 0,14
Base estabilizada con cemento
suelos A-1 0,16
suelos A-2-4, A-2-5 y A-3 0,14
demás suelos 0,13
Base estabilizada con emulsión asfáltica agregado grueso (BEE1) 0,20
agregado fino (BEE2) 0,20
suelo (BEE3) 0,14
Subbase granular 0,11

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
CATÁLOGO DE DISEÑO
Comprende seis cartas de diseño, contemplando los
siguientes aspectos:
Carta No. Región climática Categorías de
subrasante
Categorías de
tránsito
Materiales de
construcción
1 R1 S1-S5 T1-T9 variables
2 R2 S1-S5 T1-T9 variables
3 R3 S1-S5 T1-T9 variables
4 R4 S1-S5 T1-T9 variables
5 R5 S1-S5 T1-T9 variables
6 R6 S1-S5 T1-T9 variables

ESTRUCTURAS RECOMENDADAS EN LA CARTA
No. 3 PARA CATEGORÍA DE TRÁNSITO T5
Subbase granular
S1 S2
S3 S4 S5
Capa de pavimento espesores de capa (cm)
Mezcla densa en caliente
Base granular
Base estabilizada (BEE1)
Base estabilizada (BEE2)
Base estabilizada con cemento
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
15 12 12 10 12 10 7.5 10 10 7.5 10 10 7.5 10
30 - 30 - 25 30 - 25 25 - 25 20 - 15
- 15 - 15 - - 15 - - 15 - - 15 -
- 10 - 10 - - 10 - - - - - - -
- - - - 30 - - 30 - - 25 - - 20
45 45 35 35 - 30 30 - 25 35 - 20 25 -

Ejemplo de diseño
MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
Clima
Temperatura media anual = 24º C
Precipitación media anual = 1,850 mm
Subrasante
Suelo predominante = Arena arcillosa
CBR promedio = 8.5 %
Tránsito de diseño
N* = 5.7*10 6 ejes equivalentes
Materiales disponibles
En la zona abundan materiales granulares de buena calidad
para la elaboración de subbases, bases y concretos asfálticos

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
Solución al ejemplo de diseño
Establecimiento de región climática
Para los datos de temperatura y precipitación corresponde la
Región R 3
Establecimiento de categoría de subrasante
Para los datos de CBR promedio corresponde la categoría S 3
Establecimiento de categoría de tránsito
N’ = 1.159 N = 1.159 x 5.7*10 6 = 6.6*10 6 ejes equivalentes
Para este valor de N* corresponde la categoría T 5

MÉTODO INVIAS PARA CARRETERAS CON
MEDIOS Y ALTOS VOLÚMENES DE TRÁNSITO
Solución al ejemplo de diseño
Elección de Carta de Diseño
Para Región R 3, usar Carta de Diseño No 3
Espesores de diseño para la combinación S 3 – T 5
Mezcla densa en caliente = 10 centímetros
Base granular = 30 centímetros
Subbase granular = 30 centímetros

DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
MÉTODOS EMPÍRICO-
MECANÍSTICOS DE DISEÑO

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
VENTAJAS SOBRE LOS MÉTODOS EMPÍRICOS
Adaptabilidad a tipos de cargas cambiantes
Mejor utilización de los materiales disponibles
Capacidad de incorporar nuevos materiales en los diseños
Mejoramiento en la confiabilidad en las predicciones de
comportamiento
Se mejora la definición de las propiedades de las capas de un
pavimento existente
Es posible acomodar los efectos ambientales y de edad sobre
los materiales del pavimento

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE
ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA
DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA
Propiedades del material de cada capa
—Módulo de elasticidad
—Relación de Poisson
Condiciones de adherencia entre capas adyacentes

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
INFORMACIÓN QUE REQUIERE UN PROGRAMA DE
ANÁLISIS ELÁSTICO PARA CALCULAR LA RESPUESTA
DE UN PAVIMENTO BAJO CARGA
Espesor de cada una de las capas
Condiciones de carga
—Magnitud de la carga
—Geometría de la carga
—Número de cargas actuantes

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
SALIDAS DE UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
El programa calcula los esfuerzos, deformaciones y
deflexiones en cualquier punto de la estructura del
pavimento
Hay unos pocos sitios en los que generalmente se
interesa el diseñador para el cálculo de respuestas críticas
Ubicación Respuesta
Superficie del pavimento Deflexión
Fondo de capas asfálticas ó Deformación horizontal de
bases estabilizadas
tensión
Parte superior de las capas Deformación vertical de
intermedias granulares compresión
Superficie de la subrasante Deformación vertical de
compresión

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
El diseño de un pavimento usando el planteamiento
empírico - mecanístico es un proceso iterativo que
requiere varios pasos:
1. Estimar el tránsito durante el periodo de diseño del
pavimento (N)
2. Fijar las condiciones de carga
3. Establecer unos espesores iniciales de las capas del
pavimento

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
4. Fijar los módulos y las relaciones de Poisson para
las capas, así como las condiciones de adherencia
entre ellas
5. Calcular los esfuerzos y deformaciones en los
puntos críticos de la estructura del pavimento
mediante el programa de análisis elástico

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
6. Adoptar ecuaciones de comportamiento de los
diferentes materiales
7. Determinar las repeticiones de carga admisibles (n i)
para las magnitudes de los esfuerzos y deformaciones
obtenidas en los puntos críticos del modelo

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
PROCEDIMIENTO DE DISEÑO EMPLEANDO
UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO
8. Computar las relaciones D i = N/n i en todos los puntos
críticos
9. Aumentar o disminuir espesores, variar calidad de
materiales, o ambas cosas simultáneamente, si D i no es
próximo a 1.0
10. Iterar hasta obtener el diseño definitivo

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
EJEMPLO DE INFORMACIÓN SOBRE CARGAS Y CAPAS DEL
PAVIMENTO EN UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
EJEMPLO DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES CALCULADOS
POR UN PROGRAMA DE ANÁLISIS ELÁSTICO

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
La parte empírica fundamental de estos métodos la
constituyen las ecuaciones utilizadas para calcular el
número requerido de ciclos de carga para alcanzar la
falla del pavimento
Estas ecuaciones se han obtenido observando el
comportamiento de pavimentos y relacionando el tipo
y la extensión de la falla observada, con una
deformación inicial bajo diferentes cargas

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
Generalmente, se reconocen dos tipos de criterios
de falla de los pavimentos asfálticos: uno relacionado
con el agrietamiento por fatiga y el otro con el inicio
del ahuellamiento en la subrasante
Un tercer criterio (deflexión) se usa en
aplicaciones específicas

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIOS DE FALLA
El agrietamiento por fatiga se desarrolla bajo
cargas repetidas si el esfuerzo horizontal en el fondo
de la capa asfáltica inferior es excesivo
El ahuellamiento o deformación permanente
ocurre en la superficie del pavimento debido a la
sobrecarga de la subrasante, si el esfuerzo vertical de
compresión sobre dicha capa es excesivo

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL
CONCRETO ASFÁLTICO
Se han desarrollado muchas ecuaciones para
estimar el número de repeticiones a la falla en el
modo de fatiga para el concreto asfáltico
Todas ellas dependen de la deformación horizontal
de tensión en la fibra inferior de las capas asfálticas

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR FATIGA DEL
CONCRETO ASFÁLTICO
Fórmula de Finn et al
Log N f = 15.947 - 3.291 log (e t/10 -6 ) - 0.854 log (E AC/10 3 )
N f = número de aplicaciones de carga que dan lugar al
agrietamiento del 10% del área sometida a carga
e t = deformación horizontal de tensión en el fondo de la
capa asfáltica
E AC = módulo de la capa asfáltica (psi)

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO
Aunque el ahuellamiento se puede generar en
cualquier capa del pavimento, el criterio corriente es
atribuirlo principalmente al sobreesfuerzo de la
subrasante
Este criterio se suele expresar en términos de la
deformación vertical de compresión en la superficie
de la capa subrasante (ε z)

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR AHUELLAMIENTO
Fórmula de CHEVRON
N f = 1.05x10 -2 * e z -0.223
N f = número admisible de aplicaciones de carga para
que el ahuellamiento no exceda de 13 mm
e z = deformación vertical de compresión en la
superficie de la subrasante

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN
Fue el criterio de fatiga más utilizado durante
mucho tiempo, pero hoy se emplea únicamente en
algunas aplicaciones especiales
Su información, aunque valiosa, no da una medida
tan apropiada del funcionamiento estructural como las
deformaciones específicas horizontales y verticales

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
CRITERIO DE FALLA POR DEFLEXIÓN
Fórmula del Instituto del Asfalto
DB = 25.64*N -0.2383
N = número admisible de aplicaciones de carga hasta
la falla, para una determinada deflexión Benkelman
característica (DB) en milímetros

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
SENSIBILIDAD DEL DISEÑO A LOS CRITERIOS DE FALLA
El criterio que controla el diseño es aquel que exija
un mayor espesor de pavimento para un determinado
nivel de tránsito

MÉTODOS EMPÍRICO - MECANÍSTICOS DE DISEÑO
MÉTODO SHELL – 98
(SPDM 3.0)

Generalidades
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
El método considera el pavimento como un
sistema de capas homogéneas, isotrópicas y de
comportamiento linealmente elástico
Los materiales de las diversas capas están
caracterizados por E y m

Generalidades (cont.)
Los criterios de diseño incluyen:
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
—Tensión horizontal en el fondo de las capas
asfálticas o en las capas de base cementadas,
cuando la estructura las incluya
—Deformación vertical de compresión al nivel de
la subrasante
—Deformación permanente de las mezclas
asfálticas

Generalidades (cont.)
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
El método permite considerar fricción variable en las
interfaces de las capas del pavimento
Los cálculos de los esfuerzos y deformaciones se
realizan con el programa BISAR
La determinación de espesores se realiza a través de
un módulo del programa Windows SPDM 3.0

INFORMACIÓN REQUERIDA PARA EL DISEÑO
Clima
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
Tránsito y periodo de diseño del pavimento
Características de las capas granulares y la
subrasante
Composición de la mezcla asfáltica y
características de fatiga de ella
Rigidez de la capa asfáltica y espesores

Clima
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO

Clima
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Se emplea la temperatura promedio anual ponderada
del sitio del proyecto (w-MAAT), la cual se puede
obtener de 3 maneras:
—Introduciendo los 12 valores de temperatura
promedio mensual
—Seleccionando de la base de datos, a través del
botón Retrieve, los valores de las temperaturas
promedio mensuales
—Introduciendo directamente el valor de la w-
MAAT

Tránsito y período de diseño
MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Tránsito y período de diseño
Se emplea el número de ejes simples equivalentes de
80 kN en el carril de diseño durante el período de diseño,
el cual se puede obtener de dos maneras:
—Introduciendo el espectro de cargas, junto con
información sobre el número de días del año con
tránsito, la tasa de crecimiento anual del tránsito y
el período de diseño del pavimento
—Introduciendo directamente el número de ejes
simples equivalentes

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Tránsito y período de diseño
La pantalla da la oportunidad de efectuar
correcciones por movimiento lateral del tránsito sobre
la calzada y por el efecto de reposo entre aplicaciones
sucesivas de carga por eje
Los valores incluidos por defecto son 5 y 2
respectivamente

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
Se debe ingresar obligatoriamente el módulo de la
subrasante (E 3) y el espesor de las capas granulares (h 2)
Se puede incluir un valor promedio del módulo de las
capas granulares (E 2) o permitir que el programa lo
calcule con 50% de confiabilidad mediante la expresión:
(E 2 = 0.2* h 2 0.45 *E3)

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Características de las capas granulares y de la subrasante
Se permite aumentar la confiabilidad a 85% o 95%
Se asigna por defecto una relación de Poisson de 0.35,
pero puede ser modificada
Se puede ingresar una fórmula propia sobre el criterio
de deformación de la subrasante o emplear las fórmulas
SHELL para 50%, 85% o 95% de confiabilidad

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Composición de la mezcla asfáltica y fatiga

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Composición de la mezcla asfáltica y fatiga
Se debe ingresar la información correspondiente a
los volúmenes de agregados, asfalto y vacíos de la
mezcla compactada (es suficiente ingresar 2 de los 3
datos)
Se debe incluir la ecuación de fatiga de la mezcla
compactada, la cual puede ser propia o la que
suministra el método por defecto
El valor N fat es el número de ciclos para el cual el
stiffness decrece un 50% de su valor original

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
El módulo de la mezcla se puede alimentar de 3
maneras:
—Ingresando su valor para las condiciones
reales de temperatura y de tiempo de
aplicación de carga
—Incorporando el stiffness del asfalto (S bit) para
las mismas condiciones
—Incorporando los datos básicos de
comportamiento del asfalto envejecido
(punto de ablandamiento y penetración)

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Stiffness de la mezcla asfáltica y espesor de capas asfálticas
La relación de Poisson de la mezcla es de 0.35 por
defecto, pero puede ser modificada
El espesor adoptado de capas asfálticas para el
primer tanteo de diseño es, por defecto, 0.2 m

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas
Se marcan las opciones ―Results” y ―Calculate”
Aparece un mensaje ofreciendo la posibilidad de
salvar la información
El programa realiza los cálculos de esfuerzos y
deformaciones para el modelo de pavimento creado
para el primer tanteo y compara los resultados con los
criterios de falla introducidos
Si no hay coincidencia, efectúa las iteraciones
necesarias hasta obtener el espesor apropiado de capas
asfálticas

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
Cálculo del espesor de diseño de las capas asfálticas

MÉTODO SHELL 1998 (SPDM 3.0)
INFORME DE DISEÑO DE ESPESORES

DISEÑO DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS
PARA CALLES Y CARRETERAS
DISEÑO DE
PAVIMENTOS SOBRE
SUELOS BLANDOS

DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
Los suelos blandos de subrasante suelen presentar
problemas, tanto para la construcción como para el
comportamiento del pavimento, razón por la cual se
suele recomendar (i) su remoción y su reemplazo por
materiales seleccionados de relleno o (ii) emplear algún
tratamiento de estabilización
Si el retiro total de la capa blanda es posible, el
material seleccionado de reemplazo constituye la nueva
subrasante y el pavimento se diseña por algún método
convencional, a partir de la respuesta del nuevo material

DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
Cuando el reemplazo total de la capa blanda no resulta
práctico, se acostumbra mejorar las condiciones del suelo
mediante diferentes alternativas, entre ellas:
—la colocación de una capa de material granular
grueso de tamaños surtidos (rajón), hasta lograr un
soporte consistente
—la instalación de un elemento que ayude a distribuir
mejor los esfuerzos sobre el suelo previniendo fallas
locales por corte (geomalla), acompañado o no de otro
elemento que separe el suelo blando de las capas
granulares del pavimento (geotextil)

DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL
GRANULAR GRUESO (RAJÓN)

DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
COLOCACIÓN DE UNA CAPA DE MATERIAL
GRANULAR GRUESO (RAJÓN)
Cuando se emplea la capa de rajón, el diseñador
escoge un espesor efectivo de éste (generalmente entre
200 y 300 mm)
A continuación, partiendo del módulo resiliente de la
subrasante y del espesor efectivo del rajón, se calcula el
valor del módulo del sistema bicapa constituido por el
rajón y la subrasante
Tomando como base el módulo del bicapa, se diseña
el pavimento empleando algún método convencional

DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
USO DE GEOMALLAS
Cuando se emplean geomallas, se aplican criterios
empíricos de diseño sugeridos por sus fabricantes,
basados en la consideración de que ellas distribuyen
mejor los esfuerzos del tránsito sobre el suelo,
permitiendo disminuciones del espesor del pavimento,
respecto del requerido sobre el suelo sin reforzar

USO DE GEOMALLAS
DISEÑO DE PAVIMENTOS
SOBRE SUELOS BLANDOS
EJEMPLO DE SOFWARE PARA DISEÑO DE PAVIMENTO,
ELABORADO POR UN FABRICANTE DE GEOMALLAS