Diseño de pavimentos flexibles – Excel

By Ing. Luis Colmenarez
Diseño de pavimentos flexibles

Al final de este post te dejamos una plantilla de excel realizada por Ricardo Estrada, útil para el diseño de pavimentos flexibles.

Procedimiento para el uso del Excel

En la pestaña “Diseño”, ingrese los datos correspondientes, como son:

  • Esal de diseño (Ejes equivalentes)
  • Serviciabilidad
  • Datos de suelo (CBR)
  • Estabilidad Marshal de la Mezcla asfáltica, etc.

Luego de ingresar todos los datos, se procede al calculodel SN (Numero Estructural). Hacer Click en el cuadro de: Numero estructural Iterar (Para ejecutar Macro). Ingresar el dato:

Luego Aceptar

Si no se ejecutara la macro, se puede hacer iterando, hasta lograr la igualdad en:

Una vez calculado el SN, se procede a proponer espesores, hasta que el SN (Calculado) sea mayor que el requerido

Activar la pestaña DESARROLLADOR, en excel para ejecutar macros

Se tiene que tener cierto conocimiento previo, de el diseño de espesores por el metodo de la ASSHTO

Método de diseño AASHTO 1993

Introducción

La Guía de AASHTO para el diseño de estructuras de pavimento (AASHTO, 1993) es el documento principal utilizado para diseñar pavimentos de carreteras nuevos y rehabilitados. Aproximadamente el 80% de todos los estados usan los procedimientos de diseño de pavimento AASHTO, y la mayoría usa la versión de 1993. Todas las versiones de la Guía de diseño de AASHTO son métodos de diseño empíricos basados ​​en datos de rendimiento de campo medidos en la Prueba de carretera de AASHO en 1958-60.

El Capítulo 3 de este manual describe la evolución de las diversas versiones de la Guía de diseño de AASHTO. Las entradas geotécnicas al procedimiento de diseño AASHTO de 1993 se detallan en el Capítulo 5. El Capítulo 6 proporciona algunos ejemplos de diseño utilizando los procedimientos AASHTO de 1993.

El enfoque general del procedimiento AASHTO de 1993 para pavimentos tanto flexibles como rígidos es diseñar una pérdida de servicio especificada al final de la vida útil del pavimento. La capacidad de servicio se define en términos del índice de capacidad de servicio actual, PSI , que varía entre los límites de 5 (mejor) y 0 (peor). La pérdida de capacidad de servicio al final de la vida útil del diseño, ΔPSI , se divide entre el tráfico y los efectos ambientales, de la siguiente manera (véase también la Figura 3.8):(C.1)

ΔPSI = ΔPSI TR + ΔPSI SW + ΔPSI FH

en el que ΔPSI TR , ΔPSI SW y ΔPSI FH son los componentes de la pérdida de servicio atribuibles al tráfico, la hinchazón y el movimiento de las heladas, respectivamente. Los procedimientos de diseño estructural para hinchazón y levantamiento por heladas son los mismos para pavimentos flexibles y rígidos; estos se detallan en el Apéndice G de la Guía AASHTO de 1993. Los procedimientos de diseño estructural para el tráfico son diferentes para los tipos de pavimento rígido y flexible. Para simplificar, aquí solo se resumen los procedimientos de diseño para una nueva construcción. Los procedimientos de diseño para la reconstrucción son similares, excepto que puede ser necesaria la caracterización de materiales reciclados. Consulte la Guía AASHTO de 1993 para obtener detalles de los procedimientos adicionales ( p . Ej., determinación de la vida estructural restante para el diseño de superposición) relevante para el diseño de rehabilitación.

Diseño estructural de pavimento flexible

Ecuación de diseño

La expresión empírica que relaciona el tráfico, la estructura del pavimento y el rendimiento del pavimento para pavimentos flexibles es:

log 10 (W 18 ) = Z R S 0 + 9.36 log 10 (SN + 1) – 0.20

expresión empírica que relaciona el tráfico, la estructura del pavimento y el rendimiento del pavimento para pavimentos flexibles

en el cual:

W18=Número de cargas de un solo eje equivalentes a 18 kip (ESAL)
R=Desviación normal estándar (función del nivel de fiabilidad del diseño)
0=desviación estándar general (función de la incertidumbre general del diseño)
ΔPSI=pérdida de servicio admisible al final de la vida útil del diseño
R=módulo resistente de subrasante
SN=número estructural (una medida de la capacidad estructural requerida)

Los primeros cinco parámetros son típicamente las entradas a la ecuación de diseño, y SN es la salida. La ecuación (C.2) debe resolverse implícitamente para el número estructural SN en función de los parámetros de entrada. El número estructural SN se define como:(C.3)

SN = a 1 D 1 + a 2 D 2 m 2 + a 3 D 3 m 3

en donde 1 , 2 y 3 son los espesores (pulgadas) de las capas de superficie, base y subbase, respectivamente, 1 , 2 y 3 son coeficientes de capa estructural correspondientes, y 2 y 3 son coeficientes de drenaje para las capas base y subbase, respectivamente. La ecuación (C.3) puede generalizarse para capas adicionales unidas y / o sin unir. Tenga en cuenta que puede haber muchas combinaciones de espesores de capa que pueden proporcionar un SN satisfactoriovalores; Se deben considerar los costos y otras cuestiones para determinar el diseño final óptimo.

Entradas de diseño

Período de análisis

El período de rendimiento se refiere al tiempo que un diseño de pavimento está destinado a durar antes de que necesite rehabilitación. Es equivalente al tiempo transcurrido cuando una estructura de pavimento nueva, reconstruida o rehabilitada se deteriora desde su capacidad de servicio inicial hasta su capacidad de servicio terminal. El término “período de análisis” se refiere a la duración general que debe cubrir la estrategia de diseño. Puede ser idéntico al período de rendimiento. Sin embargo, las limitaciones de rendimiento realistas pueden requerir rehabilitación planificada dentro del período de análisis deseado, en cuyo caso, el período de análisis puede abarcar múltiples períodos de rendimiento. El período de análisis en este contexto es sinónimo de vida de diseño en la Guía AASHTO de 1993. Las recomendaciones de AASHTO para períodos de análisis para diferentes tipos de carreteras se resumen en la Tabla C-1.

Condiciones de la carreteraPeríodo de análisis (años)
Urbano de alto volumen30 – 50
Rural de gran volumen20 – 50
Bajo volumen pavimentado15 – 25
Superficie agregada de bajo volumen10 – 20
Tráfico

El tráfico es uno de los factores más importantes en el diseño del pavimento, y se debe hacer todo lo posible para recopilar datos precisos específicos para cada proyecto. El análisis de tráfico requiere la evaluación del volumen de tráfico inicial, el crecimiento del tráfico, la distribución direccional y el tipo de tráfico.

La Guía de diseño de AASHTO se basa en cargas acumuladas de un solo eje (ESAL) de 18 kip (80 KN). El análisis detallado del tráfico está más allá del alcance de este manual de referencia. Sin embargo, los ESAL pueden estimarse utilizando la siguiente ecuación:(C.4)

ESAL = (ADT 0 ) (T) (T f ) (G) (D) (L) (365) (Y)

en el cual:

ADT 0=tráfico diario promedio al comienzo del período de diseño
T=porcentaje de camiones en el ADT
f=factor de camión, o el número de 18 kip ESAL por camión
sol=factor de crecimiento del tráfico
re=factor de distribución direccional
L=factor de distribución de carril
Y=periodo de diseño en años

AASHTO (1993) y los libros de texto de ingeniería de pavimento estándar (p. Ej., Huang, 2004) proporcionan detalles sobre la determinación de todos estos parámetros y la estimación de los ESAL de diseño.

Fiabilidad

La fiabilidad del diseño se define como la probabilidad de que una sección de pavimento funcione satisfactoriamente durante el período de diseño. Debe tener en cuenta las incertidumbres en la carga del tráfico, las condiciones ambientales y los materiales de construcción. El método de diseño AASHTO tiene en cuenta estas incertidumbres al incorporar un nivel de confiabilidad R para proporcionar un factor de seguridad en el diseño del pavimento y, por lo tanto, aumentar la probabilidad de que el pavimento se desempeñe según lo previsto durante su vida útil de diseño. Los niveles de confiabilidad recomendados por AASHTO para varias clases de carreteras se resumen en la Tabla C-2.

Clasificación funcionalNivel de confiabilidad recomendado
UrbanoRural
Autopistas interestatales y otras autopistas85 – 99,980 – 99,9
Arterias principales80 – 9975 – 95
Coleccionistas80 – 9575 – 95
Local50 – 8050 – 80

Nota: Los resultados se basan en una encuesta del Grupo de trabajo de diseño de pavimentos de AASHTO.

El nivel de confiabilidad no está incluido directamente en las ecuaciones de diseño de AASHTO. Más bien, se utiliza para determinar el nivel normal se desvían R . Los valores de R correspondientes a los niveles seleccionados de confiabilidad se resumen en la Tabla C-3.

Fiabilidad (%)Desviación normal estándar ( R )Fiabilidad (%)Desviación normal estándar ( R )
500,00093-1,476
60 60-0,25394-1.555
70-0,52495-1.645
75-0,67496-1.751
80-0,84197-1,881
85-1.03798-2.054
90-1,28299-2,327
91 91-1.34099,9-3,090
92-1,40599,99-3,750

Las ecuaciones de diseño de AASHTO también requieren la especificación de la desviación estándar general 0 . Para pavimentos flexibles, los valores para 0 generalmente oscilan entre 0,35 y 0,50, con un valor de 0,45 comúnmente utilizado para el diseño.

Utilidad

La capacidad de servicio se cuantifica mediante el Índice de capacidad de servicio actual, PSI . Aunque PSI teóricamente oscila entre 5 y 0, el rango real para pavimentos reales es entre aproximadamente 4.5 a 1.5.

El índice de servicio inicial o corresponde a las condiciones del camino inmediatamente después de la construcción. Un valor típico de o para pavimentos flexibles es 4.2. El índice de capacidad de servicio terminal t se define como la capacidad de servicio más baja que se tolerará antes de que la rehabilitación o la reconstrucción sean necesarias. Se recomienda un índice de capacidad de servicio de la terminal de 2.5 o superior para el diseño de carreteras principales. Por lo tanto, una pérdida de servicio permitida típica debido al tráfico para pavimentos flexibles se puede expresar como:(C.5)

ΔPSI = p t – p o = 4.2 – 2.5 = 1.7

Módulo resistente de subrasante

Calidad sub-base del pavimento se define en términos de su módulo resiliente R . El módulo resiliente R es una propiedad del material básico que puede ser medido directamente en el laboratorio, evaluada in-situ a partir de ensayos no destructivos, o estimarse utilizando varias relaciones empíricas como se detalla en el capítulo 5. La 1993 Guía AASHTO diseño también incorpora un procedimiento para considerar fluctuaciones estacionales en R para determinar un valor promediado estacionalmente para su uso en el diseño. Este procedimiento se resume en la Sección 5.4.3.

Propiedades de la capa

Las propiedades del material requeridas para cada capa son los coeficientes de la capa estructural i y, para los materiales no unidos, los coeficientes de drenaje i . Los métodos para la evaluación de las una i y i valores para los materiales no unidos son detallados en las secciones 5.4.5 y 5.5.1, respectivamente. La tabla en la Figura C-1 se puede usar para estimar el coeficiente de capa estructural para el concreto asfáltico en términos de su módulo elástico a 68 ° F. Los valores de un 1 entre 0.4 y 0.44 se utilizan normalmente para hormigón asfáltico denso graduada.

Gráfico para estimar el coeficiente de capa estructural del concreto asfáltico con gradación densa basado en el módulo elástico (resiliente) (AASHTO, 1993).

Gráfico para estimar el coeficiente de capa estructural del concreto asfáltico con gradación densa basado en el módulo elástico (resiliente)

Procedimiento

Los pasos del procedimiento de diseño de pavimento flexible AASHTO de 1993 se resumen a continuación en el contexto del escenario de referencia de ejemplo:

  1. Determinar el período de análisis. Para el escenario de diseño de ejemplo, se especifica una vida de diseño de 30 años.
  2. Evaluar el tráfico de diseño: 18 = 11,6 millones de ESAL.
  3. Determine los factores de confiabilidad del diseño: Fiabilidad = 90% (generalmente establecido por la política de la agencia), R = -1.282, 0 = 0.45.
  4. Determine la pérdida de servicio permitida debido al tráfico: ΔPSI = 1.7 (esto puede reducirse si la helada o los suelos hinchados son un problema).
  5. Evalúe el módulo resiliente de subrasante promediado estacionalmente R utilizando los procedimientos descritos en la Sección 5.4.3: R = 7,500 psi.
  6. Determine las propiedades de la capa:
    • Coeficientes de capa estructural a i para todas las capas unidas (ver Sección 0 para concreto asfáltico, Guía AASHTO 1993 para otros materiales estabilizados) y capas no unidas (Sección 5.4.5). Las recomendaciones para los valores apropiados de i para el diseño de rehabilitación se dan en la Tabla 5-44 en la Sección 5.4.5. Valores, por ejemplo, diseño:
      1 = 0.44, 2 = 0.17.
    • Coeficientes de drenaje i para todas las capas no unidas (Sección 5.5.1): 2 = 1.0.
  7. Resuelve la ecuación (C.2) para el número estructural general requerido: SN = 5.07.
  8. Determine los espesores de capa de diseño para la sección del pavimento:
    • Usando la ecuación (C.2) con R igual al módulo resiliente de base granular BS = 40,000 psi (de la correlación en la ecuación 5.16), resuelva el número estructural requerido para la capa superficial de concreto asfáltico: SN 1 = 2.62.
    • Convierta SN 1 al espesor requerido de asfalto: 1 = SN 1 / 1 = 5.95 → 6 pulgadas 1 .
    • Asigne el número estructural requerido restante a la capa de base granular:
      SN 2 = SN – D 1 a 1 = 2.43 .
    • Convierta SN 2 al grosor requerido de la base granular: 2 = SN 2 / m 2 a 2 = 14.3 → 14 pulgadas. 1

Descarga excel para diseño de pavimentos flexibles por el método AASHTO