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Dr. Carlos Chang Albitres, Ph.D., P.E.

Diseño de Pavimentos Utilizandoel Método Mecanístico-Empírico

(MEPDG) AASHTO 2008

Versión 1993

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2008 AASHTO

MEPDG representa un cambio sustancial en la manera de diseñar pavimentos. Acerca más al diseñador a la realidad y considera tráfico, características estructurales, materiales, construcción, y clima.

Diciembre 2011

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Temario

1. Introducción: Conceptos Fundamentales, Antecedentes2. Guía de Diseño de Pavimentos MEPDG-AASHTO 2008

Pavimentos Flexibles

3. Modelos ME de Deterioro de Pavimentos Flexibles4. Diseño Estructural de Pavimentos Flexibles Utilizando

MEPDG5. Ejercicio Práctico de Diseño de Pavimentos Flexibles

Utilizando MEPDG

Temario

Pavimentos Rígidos

6. Modelos ME de Deterioro de Pavimentos Rígidos7. Diseño Estructural de Pavimentos Rígidos Utilizando

MEPDG8. Ejercicio Práctico de Diseño de Pavimentos Rígidos

Utilizando MEPDG9. Calibración e Implementación del MEPDG

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MODULO 1

INTRODUCCION

CONCEPTOS

EL PAVIMENTO ES UNA ESTRUCTURA SOMETIDA A CARGAS EXTERNAS QUE GENERAN ESFUERZOS Y DEFORMACIONES INTERNAS

EL TIPO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTO A EMPLEAR DEPENDE DE LA FUNCION A DESEMPEÑAR Y DE LOS FACTORES QUE LO AFECTAN DURANTE EL PERIODO DE SERVICIO PARA EL CUAL SE DISEÑA

Tipos de Pavimento

A. Pavimentos asfálticos

B. Pavimentos de concreto de cemento Portland

C. Pavimentos compuestos

D. Pavimentos adoquinados

12

5

Pavimento Asfálticos Pavimento Concreto

13

Opcional

Diseño de Pavimentos Flexibles Nuevos

14

Diseño de Pavimentos Rígidos Nuevos

15

6

Diseño de Recapados de HMA de Pavimentos Flexibles y Semi-Rígidos

16

Diseño de Recapados de HMA de Pavimentos Rígidos

17

Diseño de Recapado de PCC de Pavimentos Flexibles y Semi-Rígidos

18

7

Diseño de Recapado de PCC de Pavimentos Rígidos

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FACTORES TRADICIONALMENTE CONSIDERADOS EN EL DISEÑO DE PAVIMENTOS

1. TRAFICO

2. MATERIALES

3. CLIMA

4. SERVICIABILIDAD

5. CONFIABILIDAD

6. COSTOS DE MANTENIMENTO Y DE OPERACION

TRAFICO

1. CONTEO Y CLASIFICACION VEHICULAR

2. CONFIGURACION DE EJES

3. PESO POR EJE Y PRESION DE NEUMATICOS

4. TASA DE CRECIMIENTO

21

8

1

1312

11109

8765

432

22

Factores que Influyen en el Diseño de los Pavimentos

Carga actuante y presión de neumático

Frecuencia de la carga Radio de influencia de la carga Velocidad de la carga al pasar Configuración de los ejes de carga

Tráfico

2-02

CLIMA

1. TEMPERATURA AMBIENTAL

2. PRECIPITACION PLUVIAL

3. CAMBIOS ESTACIONALES

24

9

Factores que Influyen en el Diseño de los Pavimentos

Precipitación pluvial (hidroplaneo). Expansión por congelamiento. Deshielo al inicio de la primavera Contracción y expansión Congelamiento- deshielo, húmedo-seco

Clima

2-02

SUELOS

• TIPO DE SUELO

• CAPACIDAD DE SOPORTE CBR (AASHTO T-193)MODULO DE RESILENCIA (AASHTO T-307)

• FACTORES QUE AFECTAN LA CAPACIDAD DE SOPORTE

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CAPACIDAD DE SOPORTE DEL SUELO

LA CAPACIDAD DE SOPORTE DEL SUELO SE HA CUANTIFICADO TRADICIONALMENTE CON ENSAYOS CBR

METODOS DE DISEÑO MODERNO UTILIZAN EL ENSAYO DE MODULO DE RESILENCIA

EXISTEN CORRELACIONES ENTRE EL TIPO DE SUELO Y LA CAPACIDAD DE SOPORTE DEL SUELO

27

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ENSAYO CBR

– DESARROLLADO POR EL DEPARTAMENTO DE CARRETERAS DE CALIFORNIA

– MIDE LA RESISTENCIA AL CORTE DE UN SUELO BAJO CONDICIONES DE HUMEDAD Y DENSIDAD CONTROLADAS

– CBR ES LA RELACION DE LA CARGA UNITARIA NECESARIA PARA LOGRAR UNA CIERTA PROFUNDIDAD DE PENETRACION DEL PISTON CON RESPECTO A UNA CARGA UNITARIA PATRON

– DEPENDE DEL TIPO DE SUELO. USUALMENTE SE HACE SOBRE MUESTRAS COMPACTADAS AL CONTENIDO DE HUMEDAD OPTIMO DEL SUELO

– http://www.slideshare.net/UCGcertificacionvial/cbr-aashto-t193-cbr-02-1490272

28

RELACION ENTRE LA CLASIFICACION DE SUELOS Y LOS VALORES DE CAPACIDAD DE SOPORTE

29

CBR en Función del Espesor

30

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Módulo de Resiliencia

• El Módulo de Resiliencia (Mr) es un índice quedescribe la relación no lineal de estrés-deformación de los suelos bajo cargasrepetidas

• El Módulo de Resiliencia (Mr) es definidocomo el cociente entre la tensión desviadoraaxial repetida y la deformacion axial recuperable

31

Módulo de Resiliencia: Deformaciones Bajo Cargas Repetidas

33

12

RELACION ENTRE CBR Y MR

– CBR < 7.2 Mr = 1500 x CBR– 7.2 < CBR < 20 Mr = 3000 x CBR 0.65

– CBR > 20 Mr = 4326 x ln CBR + 241

Tabular las correlaciones en una hoja de Excel

34

RELACION ENTRE CBR Y MR

Figura Nº 1: Módulo Resilente Vs CBR

0

2500

5000

7500

10000

12500

15000

17500

20000

22500

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

CBR

Mr

(psi)

Mr=4326*Ln(CBR)+241

Mr=3000*(CBR)^0.65

Mr=1500*CBR

35

Variación en el Módulo de la Subrasantepor Cambios en la Temporada

36

13

Geometría del Proyecto (Diseño Vial)

Geotecnia, Subrasante,Drenaje, Materiales Estructura del Pavimento

Construcción y Mantenimiento

Ancho de víaPerímetroPendiente

Condiciones geotécnicas Profundidad del nivel freático Condiciones de drenaje Respuesta a Sismos Terraplén en Corte y Relleno Espesor de las capas del

pavimento y propiedades desus materiales

Deficiencia en la compactación de lasubrasante Calidad del asfalto, concreto Durabilidad del agregado Mantenimiento preventivo

2-02

• RELACION DIRECTA ENTRE EL DISEÑO Y LOS COSTOS DE MANTENIMIENTO Y OPERACION

• NECESIDAD DE MODELOS DE PREDICCION DE LA CONDICION PARA LA ESTIMACION DE LOS COSTOS A LO LARGO DE LA VIDA UTIL

• MODELO HDM ( Highway Design Model )– - Costos de Construcción y Rehabilitación- Costos de Mantenimiento- Costos del Tiempo de Usuarios– - Costos de Operación Vehicular

COSTOS DE MANTENIMIENTOY OPERACION

39

14

40

Calidad

Main Parameters that make the Serviceability of a Pavement

PERFORMANCE

PARAMETERS USUALLY DETERMINED IN THE EVALUATION OF PAVEMENTS

Minimum acceptable

Age (years)STRUCTURAL CAPACITY

Minimum acceptable

DETERIORATION OF PAVEMENT (DISTRESS)

Maximum acceptable

Safety

Minimum acceptable

Age (years)

Age (years)

Age (years)

Level of Structural Capacity

Roughness level

Level of Distress

Skid Resistance Level

ADITIONAL PARAMETERS FOR USE IN ECONOMIC ANALYSIS

MAINTENANCE

Maximum acceptable

USER COSTSMaximum acceptable

Age (years)

Maintenance Costs

User Costs

Construction and Rehabilitation costs

CONSTRUCTION AND REHABILITATION COSTS

Construction

Sealing SurfaceStructural Reinforcement

Design PeriodGeometric Characteristics

-Road width - Shoulder

-Curve Radius, etc.Categoriesf(IMD)

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Selección del Tipo de Pavimento

• Formular diferentes alternativas de diseño de pavimento para las condiciones particulares que lo afectan durante su vida en servicio (tráfico, clima, subrasante).

• Definir la estrategia de mantenimiento y rehabilitación.

• Evaluar el costo inicial de construcción, mantenimiento y rehabilitación, valor residual, y costos de usuario.

• La estructura de pavimento a seleccionar será la de menor costo presente total durante la vida útil.

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METODO AASHTO 1993

Guía de Diseño de Pavimento AASHO

• Metodología empírica de diseño basada en la prueba AASHO a finales de los 50s

• Diferentes versiones:– 1961 (Guía Interina), 1972, 1986

• La versión de 1986 incluía caracterización de materiales con mayor detalle.

– 1993• Más en rehabilitación.• Más consistente entre diseños flexibles y rígidos.

– 1998• Guía suplementaria para diseño de pavimento

rígido (versión actual).

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Prueba de Carretera AASHO(finales los de los 50’s)

(AASHO, 1961)

Ottawa, IL

Ubicación de la Prueba de Carretera AASHO

Una Zona de Lluvia…

(AASHO, 1961)

17

Una Zona de Temperatura...

(AASHO, 1961)

Un tipo de Subrasante…

A-6 / A-7-6 (Arcilla)Mal Drenaje

(AASHO, 1961)

(AASHO, 1961)

Métodos de Construcción Controlados...

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Cargas de Vehículos en los 50s...

(AASHO, 1961)

(y en un tramo especifico de la carretera!)

Entrada de Trafico – Carga de eje Equivalente Simple (ESALs)

c

¿Cual criterio?(¡no todos dan el mismo resultado!)

Que es un ESAL?(basado en utilidad)

t, or t

Dos Años de Pruebas...

(AASHO, 1961)

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(AASHTO, 1993)

PSI

PSI

PSI

Diseño Basado en ServiciabilidadAASHTO

Criterio de Serviciabilidad

• PSI = Índice de Serviciabilidad del Pavimento, 1 < PSI < 5

• po = Índice Inicial de Serviciabilidad– Pavimentos Rígidos: 4.5– Pavimentos Flexibles: 4.2

• pt = Índice Final de Serviciabilidad

o tPSI p p

(AASHTO, 1993)

Niveles Bajos de Trafico...

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Capacidad para Analizar Datos en los 50’s...

(AASHO, 1961)

Métodos de Diseño• Empírico (e.g., método de CBR) – solamente puede ser

aplicado a un grupo específico de condiciones ambientales, materiales, y de carga (1929-1950)

• Limitando la falla por corte– ignora la comodidad al manejar (1946-1959)

• Limitando las deformaciones- las fallas son causadas por estreses y fatigas excesivas mas que por deformaciones (1947 -1953)

• Métodos de Regresión basados en pruebas viales o pavimentos existentes- solamente aplica a condiciones similares a las del sitio de prueba (1960 -1993)

• Mecanísticos-Empíricos basados en la mecánica de los materiales relacionando los datos de entrada (factores) con los resultados (respuesta del pavimento) (1953 -Presente)

Deformación por Tensión y Compresión en Pavimentos Flexibles

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Desarrollo de Software

• Programas de ComputadorasCHEV, 1963; DAMA, 1979; BISAR, 1973; ELSYM5, 1986; PDMAPILLIPAVE, 1980; Modelos de Regresión basadosen ILLIPAVE, 1986; MICHPAVE, 1989

• Serviciabilidad y Confiabilidad• AASHTO 1993 ecuaciones de diseño• Cargas dinámicas (1987) Efectos de inercia

causados por la velocidad de carga

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 basado en

principios mecanísticos• Mecanístico-Empírico

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

– Modelos empíricos de desempeño del pavimento

Versión 1993

2008 AASHTO