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Aplicación para Pavimentosen Altura del MétodoMecanístico- Empírico
(MEPDG) AASHTO 2008
Carlos M. Chang, Ph.D., P.E.
Congreso Andino de Carreteras. 20-22 de Agosto, 2012. Lima, Peru
Versión 1993Versión 19932008 AASHTO
Evolución del Diseño de PavimentosEn el
Futuro¿Práctica Actual?
Empírico Empírico-Mecanístico
Mecanístico
Estado de la prácticaEstado de la práctica
Metodologías de Diseño de Pavimentos
• Empírico– Procedimientos estadísticos basados
en ensayos experimentales• Mecanístico
– Cálculo de respuestas del pavimento i.e., esfuerzos, deformaciones
– Modelos de desempeño del pavimento basado en principios mecanísticos
ClimaTrafico
Materiales
Estructura
Daño
TiempoFallasRespuesta
TiempoAcumulación de
daño
Diseño Mecanístico-Empírico•• Mecanistico:Mecanistico: Calcular la respuesta del•• Mecanistico: Mecanistico: Calcular la respuesta del
pavimento (i.e., esfuerzos, deformaciones unitarias, y deflexiones) debido a:, y )– Cargas de tráfico– Condiciones medio-ambientales
A l ió d d ñd ñ t é d l tiAcumulación de dañodaño a través del tiempo•• EmpíricamenteEmpíricamente relacionar el daño acumulado
a través del tiempo a fallas del pavimentoa través del tiempo a fallas del pavimento, e.g.:- Fisuramiento- Ahuellamiento- Otras fallas
MEPDG representa unMEPDG representa un cambio sustancial en la manera de diseñar pavimentospavimentos.
Acerca más al diseñador a laAcerca más al diseñador a la realidad y considera clima, tráfico, características estructurales materialesestructurales, materiales, métodos constructivos.
Factores que Afectan el Desempeño de los Pavimentos en Altura
Tráfico•Carga actuante y presión de neumáticog y p•Configuración de los ejes de carga •Frecuencia de la carga•Velocidad de la carga al pasar•Velocidad de la carga al pasar
Geometría• Pendientes pronunciadasPendientes pronunciadas • Ancho de vía reducido• Condiciones geotécnicas
complejascomplejas
TRAFICO en MEPDG 2008Diferentes tipos de Ejes de Carga• Diferentes tipos de Ejes de Carga
Eje Simple
Llantas Simples Llantas Duales Tandem Tridem
Llantas Duales
• Ejes de Carga Mixtos
Esfuerzos y Deformaciones
t, or t
c
Fisuramiento por Fatiga
CapapAsfaltica
Deformaciones altas y eventual fi i t f tifisuramiento por fatiga
Falla Tipo “Piel de Cocodrilo”
(SHRP, 1993)(SHRP, 1993)
Ahuellamiento por Efecto de Cargas
Base
Ahuellamiento puede ocurrir a nivelAhuellamiento puede ocurrir a nivel de la base, subbase o subrasasante
Ah ll i tAhuellamiento
(SHRP, 1993)(SHRP, 1993)
Factores que Afectan el Desempeño de los Pavimentos en Altura
Clima• Cambio Brusco del Gradiente Térmico (hasta 60oC
en 8 horas) • Temperaturas BajasTemperaturas Bajas• Radiación Solar Intensa• Precipitación pluvial (Mensual Promedio Nov-Abril
400 600 mm)400 – 600 mm)• Heladas: Congelamiento- deshielo, húmedo-seco
Fisuramiento Térmico
(SHRP, 1993)(SHRP, 1993)
Datos Climáticos en MEPDG
• La variación de la TEMPERATURA cada hora es considerada en el análisis– El modelo considera los efectos de la temperatura
en la estructura del pavimento cada hora basado en datos climáticos históricos por horaen datos climáticos históricos por hora
• Gradiente de humedad—Variación mensual de la es considerada en el análisis.
Variación Diaria de la Temperaturaos
C
Día 2 Día 3 Día 4Día 1
ra, g
rado
mpe
ratu
r
PCC A ibNoche
Dia
0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0
Tem PCC Arriba
PCC Abajo
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Tiempo, días
Cada aplicación de carga
TraficoModulo PCCModulo CTB
Modulo de
Modulo AC
Modulo de Base Granular
Modulo
2 8640
Modulo Subrasante
Tiempo, años2 8640
Otros Factores que Afectan el Desempeño de los Pavimentos en Altura
Materiales• Bancos rocosos de origen volcánicog
(bajo peso específico y alta absorción de agua)• Agregados de río escasos
Geotecnia• Estabilidad de Taludes
P f did d d l i l f á i• Profundidad del nivel freático• Condiciones de drenaje• Respuesta a Sismosp
¿Cómo MEPDG cambia la Manera de Diseñar Pavimentos?de Diseñar Pavimentos?
Guía 1993 MEPDG (2008)( )Tráfico – ESALs Un procedimiento de
diseño drásticamente d fCapa coeficiente de drenaje (AC) diferente
¡Muchos más datos por obtener!
Capa, coeficiente de drenaje (AC)Mr, transferencia de carga, coeficiente de drenaje (PCC)Subrasante (M k) por obtener!Subrasante (Mr, k)
PSI Inicial y Terminal
Confiabilidad
MEPDG -2008 Regularidad Superficial Índice Internacional de Rugosidad (IRI)
Velocidad = 80 km/h 1
2
nanc
ia
Velocidad = 80 km/h
0
1
0 01 0 1 1 10 100
Gan
(Vertical Distance)
0.01 0.1 1 10 100
Longitud de Onda, m
Horizontal Distance
InformaciónGeneral
DatosTráficoTráficoClima
EstructuraEstado y Resumen
Ver Resultados y Salidasy Salidas
Datos Generales– Periodo de diseño, fecha de construcción,
fecha de inicio del tráficoN t l d l t– 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
Cli• Clima– Latitud, longitud, elevación, etc.
E t t d l P i t• Estructura del Pavimento– Capas, espesores, y propiedades de los
materiales y otras característicasmateriales y otras características.
Modelos de Respuesta Estructural Multi-Capa Elásticas- Elementos Finitos
• Para pavimentos flexibles JULEA programa de análisis p g
de capas elásticas lineales
DSC2D programa del Modelo d El t Fi it j i ét ide Elemento Finito eje simétrico en 2D para casos con modelación no lineal
• Para pavimentos rígidos ISLAB2000programa del
Modelo de Elemento Finito (FEM)Modelo de Elemento Finito (FEM)
Fallas en Pavimentos FlexiblesFallas en Pavimentos Flexibles
FallaFalla porpor FatigaFatigapp gg
FisuramientoFisuramientoLongitudinalLongitudinal IRIIRILongitudinalLongitudinal
FisuramientoFisuramientoAh ll i tAh ll i tTTérmicoérmico AhuellamientoAhuellamiento
F ll P i t Rí idFallas en Pavimentos Rígidos
Vida Util L id útil d di ñ di idid• La vida útil de diseño es dividida en períodos incrementales de tiempo
Vida Util de Diseño
Daño Incremental
• En cada incremento de tiempo, los siguientes parámetros son utilizados g ppara calcular el daño incremental:– Propiedades de los materiales– Temperatura y humedad de
acuerdo a la estación– Variación estacional del tráfico
Daño Acumulado Daño total acumulado es la suma de los incrementos de daño a lo largo de la vida útil.
año
Da
Vida Util de Diseño
Verificación del DesempeñoEl procedimiento evalua un diseño propuesto para determinar si cumple con el comportamiento esperado bajo los criterios establecidos para unesperado bajo los criterios establecidos para un determinado nivel de confiabilidad
Diseño Propuesto
Verificación del Desempeñoe
Falla ¿Esta el nivel de
falla predecido
dicc
ión
de
pdentro de los limites permisibles para el nivel de confiabilidad
Pred confiabilidad
deseado?
0 5 10 15 20 25 30Edad, años,
Efectividad del MEPDG
Datos Datos utilizados en el diseñoutilizados en el diseño
CalibraciónCalibración los modelos deCalibración Calibración los modelos de predicción del desempeño del pavimento con lo observado en elpavimento con lo observado en el campo
Tipos de Asfalto
Ni l d T áfiNiveles de Tráfico
Recomendaciones para un BuenRecomendaciones para un Buen Desempeño de Pavimentos en Altura
Diseño de Mezcla AsfálticaDiseño de Mezcla Asfálticaa. Elegir adecuadamente el tipo de asfalto.
• Asfalto PEN 85-100 o 120-150, S perpa e PG 58 34 o PG 64 22• Superpave PG 58-34 o PG 64-22
b. Contenido de Asfalto (6% como mínimo)
Evaluar el desempeño de la mezcla asfáltica con ensayos SUPERPAVE.
a. Con el Asfalto Virgen:• Punto de Inflamación (oC)• Ensayo con Reómetro de Corte Dinámico, G*/sin d (kPa)Ensayo con Reómetro de Corte Dinámico, G /sin d (kPa)• Viscosidad Brookfield a 135 oC (Pa.s)
Recomendaciones para un BuenRecomendaciones para un Buen Desempeño de Pavimentos en Altura
b Con el residuo después del Ensayo de Película Delgada en
Evaluar el desempeño de la mezcla asfáltica con ensayos SUPERPAVE.
b. Con el residuo después del Ensayo de Película Delgada en Horno Rotatorio:
•Pérdida de masa (%)•Ensayo con Reómetro de corte dinámico G*/sin d (kPa)•Ensayo con Reómetro de corte dinámico, G*/sin d (kPa)
c. Con el residuo después del ensayo de Envejecimiento a P ióPresión:•Ensayo con Reómetro de Corte Dinámico, G*/sin d (kPa)•Ensayo con Reómetro de Flexión, Stiffness (Mpa)E R ó t d Fl ió V l•Ensayo con Reómetro de Flexión, m Value
Recomendaciones para un Buen Desempeño de Pavimentos en Altura
• Controlar la temperatura de la mezcla asfáltica durante la colocaciónla colocaciónSe recomiendan espesores de carpeta asfáltica no menores a 6 cm.
• Medir la Macrotextura y Microtextura de la Superficie de Rodadura por razones de Seguridad Vial
a. Coeficiente de Resistencia al Deslizamiento (mayor a 0.5)b. Profundidad de Textura (0.4 – 0.6 mm para mezclas
densas de granulometría fina)densas de granulometría fina)
Otras Sugerencias para un Buen Desempeño de Pavimentos en Altura
• Evaluar la necesidad de utilizar otros materiales:
- Geotextiles- Polímeros o Asfaltos Modificados en Mezclas
A fáltiAsfálticas.- Uso de asfaltos con caucho o goma.
• Implementar planes de gestión vial que consideren lascondiciones particulares de los pavimentos en altura.
Carlos M. Chang Albitres, Ph.D., [email protected]