3. (T) Espesores Criticos de Capas Rodadura-Edwin Alvarenga
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MINISTERIO DE OBRAS PUBLICAS, TRANSPORTE Y DE VIVIENDA YDESARROLLO URBANO
VICEMINISTERIO DE OBRAS PUBLICASDIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE LA
OBRA PÚBLICA
ESPESOR CRITICO DE LA CAPA DE RODADURA
EN ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO FLEXIBLES
El Salvador, San Salvador, Noviembre de 2014
Elaborado por. Nelson Alejandro Quintanilla Pinto, Ing. Civil.Unidad Técnica, Subdirección de Investigación y Desarrollo
Edwin Ricardo Alvarenga Salguero, Ing. Civil.Subdirector de Investigación y Desarrollo
Daniel Antonio Hernández Flores, Ing. Civil.Director de Investigación y Desarrollo de la Obra Pública
Editado por. Javier Fernando Rivera Palencia, Téc. en Ing. Civil.Unidad Técnica, Subdirección de Investigación y Desarrollo
Coordinador. Daniel Antonio Hernández Flores, Ing. Civil.Director de Investigación y Desarrollo de la Obra Pública
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Las opiniones vertidas en la PONENCIA son de
responsabilidad exclusiva de quien las emite y no
representan la opinión del Instituto Salvadoreño del Asfalto,
ni lo comprometen en forma alguna respecto a suveracidad, vigencia y exactitud.
El Instituto Salvadoreño del Asfalto no asume
responsabilidad alguna respecto de ellas, ni de las
consecuencias que resulten de las mismas.
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Objetivo
Sensibilizar al personal relacionado con el
diseño y evaluación de pavimentos, sobre la
incidencia que tiene el espesor de la capa de
rodadura en el desempeño de las estructuras de
pavimento flexible, orientado a que se
construyan pavimentos que presenten un mejor
comportamiento durante su vida útil.
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Contenido
1.0 Generalidades sobre el Diseño de Estructuras de pavimentoflexible
2.0 Desempeño Estructural de Pavimentos Flexibles
3.0 Análisis de la Incidencia del Espesor de Capa de Rodadura
en Pavimento Flexible
4.0 Comentarios
5.0 Referencias
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1.0 Generalidades sobre el Diseño deEstructuras de Pavimento Flexibles
Datos de Entrada para el Diseño
• Carga de Tráfico Esperada
• Confiabilidad
• Desviación Estándar
• Vida de Servicio en términos de Indice de Serviciabilidad (PSI)
• Características del terreno de fundación, en términos de Módulo de
Resiliencia.
En nuestro país, el diseño de estructuras de pavimento, se realiza principalmente con base en la
metodología recomendada por la American Association of State Highway and Transportation Official(AASHTO 1993)
Ecuación de dis eño de la AASHTO para pav imento s flex ibles
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Datos de Salida del Diseño• Número Estructural (SN) requerido
Selección de Espesores y materiales de cada capaSN = a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3
D AC1 DB1
DSB1
DB2
DSB2
D AC2
DB3
DSB3
D AC3
Estructura de
Pavimento 1
(SN1)
Estructura de
Pavimento 3
(SN3)
Estructura de
Pavimento 2
(SN2)
¿ Cómo será el desempeño de estas estructuras en su etapa de servicio?
1.0 Generalidades sobre el Diseño deEstructuras de Pavimento Flexibles(Cont…)
SN1 = SN2 = SN3
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2.0 Desempeño Estructural de PavimentosFlexibles
El estado de esfuerzos y deformaciones en una estructura de pavimento,debido a las cargas de tráfico y condiciones ambientales, es estimada usando
teorías mecanísticas.
Carga
Mezcla Asfáltica
Base / Subbase
Subrasante
Esfuerzo de contacto (σo ) = Presión de la llanta σo
Eje
neutro
c
t
Distribución de esfuerzo
vertical debajo de la línea
central de carga de la
llanta
Distribución de esfuerzo
horizontal debajo de la línea
central de carga de la llanta
Esfuerzos verticales
Compresión Compresión o TensiónEsfuerzos horizontales
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-1206-192.9
741.5-26.63
31.26
0.7586
0.5876
-
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-2000 -1000 0 1000KPa
HMA
BASE
SUBBASE
SUBRASANTE
σz ε z
εt
Zona de
Tensión
Zona de
Compresión
Configuración típica de esfuerzos y deformaciones en la estructura de pavimento,generadas por cargas de tráfico.
577
410184
48
17
11
-
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
- 200 400 600KPa
2.0 Desempeño Estructural de PavimentosFlexibles (Cont…)
40 KN
0.1 m
0.3 m
0.4 m
(-20.4) (-10.2) (10.2)(Kgf/cm2)
(12.3)
(0.27)
(1.97)
(7.56)
(0.32)
(0.0077)
(0.006)(0.11)
(0.17)
(0.49)
(1.87)
(4.18)
(5.88)
(2.04) (4.08) (6.12)(0) (Kgf/cm2)
Esfuerzos verticales Esfuerzos horizontales
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• Generalmente, la evaluación del desempeñoestructural de pavimentos, se realiza a través
del análisis de:
Agrietamiento por fatiga
Ahuellamiento.
• Uno de los factores que tiene una incidencia
importante en el desempeño estructural del
pavimento, esta relacionado con el espesor de
la capa de rodadura de la estructura de
pavimento, el cual se vuelve más incidente si
corresponde al espesor crítico de capa derodadura.
Fuente: STRESSES AND STRAINS IN
ASPHALT-SURFACING PAVEMENTS,
Lubinda F. Walubita and *Martin F C van deVen
• Espesor crítico. Es el espesor dela capa de rodadura, que genera la
mayor deformación por tensión (εt)
en la parte inferior de la capa de
rodadura, por efecto de una carga.
Agrietamiento por Fatiga, ocurrecomo resultado de los esfuerzos de
tensión en la zona inferior de la capa
de rodadura, inducidos
principalmente por las cargas de
tráfico, y se propaga hacia la
superficie, que finalmente se
manifiesta como grietas tipo piel de
cocodrilo a lo largo de las roderas.
Ahuellamiento, es la deformaciónpermanente de un pavimento debido
a la acumulación progresiva de
deformaciones de compresión
verticales bajo cargas de tráfico. En
la superficie del pavimento, semanifiesta como depresiones
longitudinales en la zona de rodera
2.0 Desempeño Estructural de PavimentosFlexibles (Cont…)
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En la medida que la capa de rodadura posea un espesor mayor que el espesor critico, más
pequeñas serán las deformaciones por tensión; lo anterior también ocurre en capas de rodadura
menores que el espesor critico.
Freeme and Marais (1973), indicaron que el agrietamiento por fatiga podría ser minimizado
manteniendo el espesor de capa de rodadura asfáltica tan delgado como sea posible.
A menos que la capa de rodadura asfáltica sea menor que 2 pulgadas (50 mm) de espesor, la
manera más efectiva de prolongar la vida por fatiga es incrementar el espesor de mezcla
asfáltica.
ASPECTOS RELACIONADOS CON EL ESPESOR CRÍTICO DE CAPA DE RODADURAIncidencia del
espesor de capa de
rodadura en las
deformaciones por
tensión en parte
inferior de la misma
SIMBOLOGIA
h2 = 4 pulg. Eje Simple
h2 = 4 pulg. Eje Dual
h2 = 16 pulg. Eje Simple
h2 = 16 pulg Eje Dual
E1 = 5 x 105 psi, h1 variable h1
E2 = 20,000 psi
h2 = 4 ó 16 pulg. h2
E3 = 7,500 psi
h1 (pulg.)
2.0 Desempeño Estructural de PavimentosFlexibles (Cont…)
Fuente: * Yang H. Huang, Pavement
Analysis and Design, Pearson Prentice
Hall, Segunda Edición, 2004
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• Incrementar el espesor de capa de rodadura es efectivo en reducir las deformaciones en la
subrasante, solo cuando el espesor de capa de base es delgado.
• Un incremento en el espesor de capa de base causa un decremento significativo en las
deformaciones en la subrasante, únicamente cuando el espesor de mezcla asfáltica es pequeño.
ASPECTOS RELACIONADOS CON EL ESPESOR CRÍTICO DE CAPA DE RODADURASIMBOLOGIA
h2 = 4 pulg. Eje Simple
h2 = 4 pulg. Eje Dual
h2 = 16 pulg. Eje Simple
h2 = 16 pulg Eje Dual
E1 = 5 x 105 psi, h1 variable h1
E2 = 20,000 psih2 = 4 ó 16 pulg. h2
E3 = 7,500 psih1 (pulg.)
2.0 Desempeño Estructural de PavimentosFlexibles (Cont…)
Incidencia delespesor de capa de
rodadura en las
deformaciones por
compresión en la
subrasante
Fuente: * Yang H. Huang, Pavement
Analysis and Design, Pearson Prentice
Hall, Segunda Edición, 2004
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Fuente: *Guide for Mechanistic-
Empirical Design, Part 3. Design
Analysis, Chapter 3. Design of New
and Reconstructed Flexible
Pavements, NCHRP, March 2004
ASPECTOS RELACIONADOS CON EL ESPESOR CRÍTICO DE CAPA DE RODADURA
2.0 Desempeño Estructural de PavimentosFlexibles (Cont…)
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Fuente: *Guide for Mechanistic-
Empirical Design, Part 3. Design
Analysis, Chapter 3. Design of New
and Reconstructed Flexible
Pavements, NCHRP, March 2004
ASPECTOS RELACIONADOS CON EL ESPESOR CRÍTICO DE CAPA DE RODADURA
2.0 Desempeño Estructural de PavimentosFlexibles (Cont…)
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Fuente: *Guide for Mechanistic-
Empirical Design, Part 3. Design
Analysis, Chapter 3. Design of New
and Reconstructed Flexible
Pavements, NCHRP, March 2004
ASPECTOS RELACIONADOS CON EL ESPESOR CRÍTICO DE CAPA DE RODADURA
2.0 Desempeño Estructural de PavimentosFlexibles (Cont…)
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3.0 Análisis de Incidencia del Espesor decapa de rodadura en Pavimento Flexible.
25 cm
35 cm
Estructura de
Pavimento
“x” cm
HMA
Para sensibilizarnos sobre la incidencia del espesor de lacapa de rodadura en el pavimento flexible, se llevaron a
cabo dos análisis :
ANÁLISIS 1. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA
Consideraciones en el análisis:
Manteniendo constante espesor de capas de Base y Subbase Variación de Módulo de la capa de rodadura de HMA
Variación de Módulo de Resiliencia de Subrasante.
Espesor HMAMódulo de
HMAMódulo
Subrasante
0.0 cm
300 Ksi
400 Ksi
500 Ksi
5Ksi
2.5 cm
5.0 cm
7.5 cm
10.0 cm
12.5 cm
15.0 cm
0.0 cm
300 Ksi
400 Ksi
500 Ksi
10 Ksi
2.5 cm
5.0 cm
7.5 cm
10.0 cm
12.5 cm
15.0 cm
0.0 cm
300 Ksi400 Ksi
500 Ksi
10 Ksi
2.5 cm
5.0 cm7.5 cm
10.0 cm
12.5 cm
15.0 cm
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RESULTADOS DEL ANÁLISIS 1INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA
( ESTRUCTURAS MANTENIENDO CONSTANTES ESPESOR DEBASE Y SUBBASE)
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ANÁLISIS RACIONAL DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO
El análisis de las estructuras de pavimento, se realizó utilizando el programa BISAR, a partir del cual se determinaron losvalores de esfuerzo y deformación en diferentes ubicaciones de la estructura.
ECUACIONES DE TRANSFERENCIALa determinación del Número de Ciclos de Carga necesarios para generar una falla determinada, se llevó a cabo con
base en las ecuaciones de transferencia siguientes:
3.0 Análisis de Incidencia del Espesor de capade rodadura en Pavimento Flexible. (Cont…)
Donde:
Nf : Número de ciclos de carga para elagrietamiento en las roderas
εt : Deformación por tensión en la parte
inferior de la capa de rodadura.
εz : Deformación por compresión en la
parte superior de la subrasante.
E : Módulo de la capa de rodadura.
Vb : % de volumen de asfalto
Va : % de volumen de aire
K : Factor de calagehac : Espesor total de la capa de asfalto
FATIGA
Instituto del Asfalto Guía Mecanística Empírica
AHUELLAMIENTO
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RESULTADOSANÁLISIS 1. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA
( ESTRUCTURAS MANTENIENDO CONSTANTES ESPESOR DE BASE Y SUBBASE)
Análisis por Fatiga
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Análisis por Ahuellamiento
RESULTADOSANÁLISIS 1. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA
( ESTRUCTURAS MANTENIENDO CONSTANTES ESPESOR DE BASE Y SUBBASE)
-
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3.0 Análisis de Incidencia del Espesor de capade rodadura en Pavimento Flexible. (Cont…)
ANÁLISIS 2. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA(ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO CON NÚMERO ESTRUCTURALEQUIVALENTE)
35 cm
40 cm
Estructura de
Pavimento 1
30 cm
35 cm
Estructura de
Pavimento 2
5.0 cm
25cm
35 cm
Estructura de
Pavimento 3
7 cm
20 cm
30 cm
Estructura de
Pavimento 4
10 cm
20 cm
20 cm
Estructura de
Pavimento 5
12.5 cm
HMAHMA
HMAHMA
2.5 cmHMA
15 cm
15 cm
15 cm
HMA
Estructura de
Pavimento 6
-
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RESULTADOSANÁLISIS 2. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA( ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CON NÚMERO ESTRUCTURAL
EQUIVALENTE)
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3.0 Análisis de Incidencia del Espesor de capade rodadura en Pavimento Flexible. (Cont…)
Donde:
Nf : Número de ciclos de carga para un
agrietamiento en las roderas
εt : Deformación por tensión en la parte
inferior de la capa de rodadura.
εz : Deformación por compresión en la
parte superior de la subrasante.
E : Módulo de la capa de rodadura.
Vb : % de volumen de asfaltoVa : % de volumen de aire
K : Factor de calage
hac : Espesor total de la capa de asfalto
FATIGA
Guía Mecanística Empírica
AHUELLAMIENTO
ANÁLISIS RACIONAL DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO
El análisis de las estructuras de pavimento, se realizó utilizando el programa BISAR, a partir del cualse determinaron los valores de esfuerzo y deformación en diferentes ubicaciones de la estructura.
ECUACIONES DE TRANSFERENCIALa determinación del Número de Ciclos de Carga necesarios para generar una falla determinada, sellevó a cabo con base en las ecuaciones de transferencia siguientes:
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RESULTADOSANÁLISIS 2. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA( ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CON NÚMERO ESTRUCTURAL
EQUIVALENTE)
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Espesor de HMA= 7.0 cm
Espesor de HMA= 12.5 cm
Espesor de HMA= 10.0 cm
ESAL Requerido
Vida por Fatiga30
25
20
15
10
5
0
RESULTADOSANÁLISIS 2. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA( ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CON NÚMERO ESTRUCTURAL
EQUIVALENTE)
Espesor (cm) ESAL's requeridos Ciclos admisibles (Nf ) Daño por fatiga
2.5 15,000,000 138318122 0.106
5 15,000,000 32686402 0.415
7 15,000,000 17310845 0.870
10 15,000,000 11413939 1.359
12.5 15,000,000 22610905 0.686
15 15,000,000 41583149 0.341
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35 cm
40 cm
Estructura de
Pavimento 1
30 cm
35 cm
Estructura de
Pavimento 2
5.0 cm
25cm
35 cm
Estructura de
Pavimento 3
7 cm
20 cm
30 cm
Estructura de
Pavimento 4
10 cm
20 cm
20 cm
Estructura de
Pavimento 5
12.5 cm
3.0 Análisis de Incidencia del Espesor de capade rodadura en Pavimento Flexible. (Cont…)
HMAHMA
HMAHMA
ANÁLISIS 2. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA(ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO CON NÚMERO ESTRUCTURALEQUIVALENTE)
2.5 cmHMA
15 cm
15 cm
15 cm
HMA
Estructura de
Pavimento 6
-
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RESULTADOSANÁLISIS 2. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA( ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CON NÚMERO ESTRUCTURAL
EQUIVALENTE)
-
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Espesor (cm) ESAL's requeridosCiclos admisibles
(Nz)Daños por ahuellamiento
2.5 15,000,000 33169644 0.44060
5 15,000,000 17160239 0.790327 15,000,000 13997839 1.07559
10 15,000,000 9602538 1.61513
12.5 15,000,000 6931052 2.23765
15 15,000,000 5170286 2.74356
Espesor de HMA= 15.0 cm
Espesor de HMA= 7.0 cm
Espesor de HMA= 5.0 cm
ESAL Requerido
Vida por Ahuellamiento
30
25
20
15
10
5
0
RESULTADOSANÁLISIS 2. INCIDENCIA DEL ESPESOR DE CAPA DE RODADURA( ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CON NÚMERO ESTRUCTURAL
EQUIVALENTE)
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4.0 Comentarios
El diseño de estructuras de pavimento, no debe limitarse asatisfacer condiciones de capacidad estructural, sino que también
debe evaluarse el desempeño por fatiga y ahuellamiento,
empleando modelos de deterioro.
La construcción de capas de rodadura de mezcla asfáltica
convencionales, con espesores entre 2 y 3 pulgadas, típicamente
utilizados en el país puede estar generando desempeños no
satisfactorios de estructuras de pavimento flexible. Esta condición
se vuelve más crítica si durante la construcción de la estructura se
incorporan materiales y prácticas constructivas deficientes.
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La construcción de capas delgadas, tal como tratamientossuperficiales, representa una alternativa más viable para el buen
desempeño de estructuras flexibles, respecto a capas de rodadura
delgadas a base de mezclas asfálticas convencionales.
El uso de capas de rodadura a base de mezclas asfálticas con unmayor módulo, que genera una reducción de los esfuerzos de
tensión en la parte inferior de la capa de rodadura, constituye una
alternativa viable para reducir el aparecimiento de grietas por fatiga.
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5.0 Referencias
Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide. A Manual of Practice, American Association of State Highway and Transportation Officials,2008
Guide for Mechanistic-Empirical Design, Part 3. Design Analysis,Chapter 3. Design of New and Reconstructed Flexible Pavements,NCHRP, March 2004
Yang H. Huang, Pavement Analysis and Design, Pearson Prentice Hall,Segunda Edición, 2004
STRESSES AND STRAINS IN ASPHALT-SURFACING PAVEMENTS,
Lubinda F. Walubita and *Martin FC van de Ven
Fatigue Performance of IDOT Mixtures, Illinois Center forTransportation, 2006
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8/15/2019 3. (T) Espesores Criticos de Capas Rodadura-Edwin Alvarenga
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MUCHAS GRACIAS
Ing. Edwin Ricardo Alvareng a Salguero
Subd irector de Invest ig ación y Desarrol lo
Ing. Nelson Alejandro Qu intani l la Pinto
Un id ad Técn ic a
Subd irección de Invest igación y Desarrol lo
Ing. Daniel An ton io Her nánd ez FloresDirector d e Invest ig ación y Desarrol lo de la Obra Pública
Téc. J av ier Riv era Palen ci a
Un id ad Técn ic aSubd irección de Invest ig ación y Desarrol lo
MINISTERIO DE OBRAS PUBLICAS, TRANSPORTE Y DE VIVIENDA Y DESARROLLO URBANO
VICEMINISTERIO DE OBRAS PUBLICASDIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE LA OBRA PÚBLICA
Sitio web DIDOP
http://www.mop.gob.sv/index.php?option=com_phocadocumentation&view=sections&Itemid=154