UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA ING....

2013

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA ING. ERIKA PAOLA PINZÓN CARVAJAL. ING. LENNY FARLEY DÍAZ SUÁREZ

EFECTO DEL ESPESOR DEL CONCRETO ASFÁLTICO EN EL AGRIETAMIENTO POR FATIGA


UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

TRABAJO DE GRADO PARA ESPECIALIZACIÓN EN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS

“EFECTO DEL ESPESOR DEL CONCRETO ASFÁLTICO EN EL AGRIETAMIENTO POR FATIGA”

ERIKA PAOLA PINZÓN CARVAJAL LENNY FARLEY DÍAZ SUÁREZ

Tutor de Trabajo de Grado: Ing. Manuel José Meza Soto

Bogotá D.C, Colombia, Enero 2014


“EFECTO DEL ESPESOR DEL CONCRETO ASFÁLTICO EN EL

AGRIETAMIENTO POR FATIGA”

ERIKA PAOLA PINZÓN CARVAJAL LENNY FARLEY DÍAZ SUÁREZ

Trabajo de Grado presentado como requisito para Optar al título de Especialista en Ingeniería de Pavimentos

Coordinador Especialización: Ing. Diego Correal Medina Tutor del Trabajo de Grado: Ing. Manuel José Meza Soto

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FACULTAD DE INGENIERÍA

DIRECCIÓN DE POSGRADOS ESPECIALIZACIÓN INGENIERÍA DE PAVIMENTOS

BOGOTÁ D.C., ENERO 2014


AUTORIDADES DE LA UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA

Mayor General (R) EDUARDO ANTONIO HERRERA BERBEL. Rector

Brigadier General (R) ALBERTO BRAVO SILVA. Vice-rector General

Dra. MARTHA LUCÍA BAHAMÓN JARA. Vice-rector Académico

Brigadier General (R) HUGO RODRIGUEZ DURAN. Vice- Rector Administrativo

Mayor General (R) JAIRO ALFONSO APONTE PRIETO. Decano


APROBACIÓN

El informe de Trabajo de Grado titulado:

“EFECTO DEL ESPESOR DEL CONCRETO ASFÁLTICO EN EL AGRIETAMIENTO POR FATIGA”. Presentada por los estudiantes Erika Paola Pinzón Carvajal y Lenny Farley Díaz Suárez en cumplimiento de los requisitos para optar al título de Especialista en Ingeniería de Pavimentos, fue aprobada por el Tutor.

___________________________________________ Ing. Ing. Manuel José Meza Soto

Tutor de Trabajo de Grado Universidad Militar Nueva Granada

Bogotá D.C, Enero 2014


INDICE

1. EL PROBLEMA .............................................................................................. 11

1.1 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN ........................................................ 11

1.2 OBJETIVOS.................................................................................................. 11

1.2.1 Objetivo General ................................................................................... 11

1.2.2 Objetivos Específicos .......................................................................... 12

1.3 DEFINICIONES Y TÉRMINOS BÁSICOS .................................................... 12

2. MARCO TEÓRICO.......................................................................................... 13

2.1 FISURAS LONGITUDINALES POR FATIGA (FLF) ...................................... 13

2.2 FISURAS PIEL DE COCODRILO (FPC) ...................................................... 14

2.3 MÉTODO RACIONAL .................................................................................. 14

2.3.1 Agrietamiento por Fatiga ................................................................. 15

2.3.1.1.1 Criterio AI (Asphalt Institute) ......................................................... 16

2.3.1.1.2 Criterio Shell .............................................................................. 17

2.4 JULEA. SOFTWARE PARA ESFUERZOS Y DEFORMACIONES ............... 18

2.5 mePDG ........................................................................................................ 19

2.5.1 Enfoque de diseño empírico-mecanicista .......................................... 19


2.5.2 Jerarquía de entrada ............................................................................ 19

3. METODOLOGÍA ............................................................................................. 21

3.1 SENSIBILIZACIÓN ...................................................................................... 21

3.2 PROCEDIMIENTOS .................................................................................... 24

3.3 RESULTADOS OBTENIDOS ...................................................................... 27

3.3.1 Para Mr de 8000PSI ............................................................................. 27

3.3.2 Para Mr de 15000PSI ............................................................................ 28

3.3.3 Para Mr de 20000PSI ........................................................................... 29

3.3.4 Para Mr de 25000PSI ........................................................................... 30

3.3.5 Para Mr de 30000PSI ........................................................................... 31

3.4 RESULTADOS ANALIZAR .......................................................................... 32

3.4.1 Número de repeticiones para iniciar las fisuras por fatiga, variando es espesor y las características de los materiales ..................................... 32

4. CONCLUSIONES ........................................................................................... 35

5. RECOMENDACIONES ................................................................................... 37

6. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 38


LISTA DE TABLAS

Tabla No 1: Factor de desplazamiento en función de la confiabilidad ……..….18

Tabla No 2: Fórmulas y Valores………………..…………………………….……...22

Tabla No 3: Espesores de la carpeta asfáltica……………………………………..22

Tabla No 4: Módulo Resiliente……………………………………………………....22

Tabla No 5: Módulo Dinámico……………………….……………………………... 23 Tabla No 6: Valores de Posiciones en X………………....………………………...24 Tabla No 7: Volúmenes…………………………………....…………………………25 Tabla No 8: Valor de M…………………………………………………………….....26 Tabla No 9: Valor de C………………………………………………………………..26 Tabla No 10: Resultado número de repeticiones por fatiga para Mr 3000PSI....27 Tabla No 11: Resultado número de repeticiones por fatiga para Mr 15000PSI..28 Tabla No 12: Resultado número de repeticiones por fatiga para Mr 20000PSI 29 Tabla No 13: Resultado número de repeticiones por fatiga para Mr 25000PSI..30 Tabla No 14: Resultado número de repeticiones por fatiga para Mr 30000PSI..31

Tabla No 15: Resultado Unificado de las sensibilizaciones……………………..32


LISTA DE FIGURAS

Figura No 1: Fisuras Longitudinales por Fatiga: Tomada del anexo B: Guía Metodológica para el diseño de Rehabilitación de pavimentos asfalticos de carreteras ………………………………………………..………………………………13 Figura No 2: Piel de cocodrilo: Tomada del anexo B, Guía Metodológica para el diseño de Rehabilitación de pavimentos asfalticos de carreteras …………………………………………………………………………………………….14

Figura No 3: Ubicaciones de análisis para un eje simple de rueda doble……………………………………………………………………………………...23 Figura No 4: Diseño Típico de Pavimento………………………………………….. 24

Figura No 5: Top Down / Relación Nf Vs Espesor Concreto Asfáltico………….. 33 Figura No 6: Piel de Cocodrilo / Relación Nf Vs Espesor Concreto Asfáltico…..34


ANEXOS

Anexo 1 Archivos base Corrida JULEA Anexo 2 Reportes Corrida JULEA

Anexo 3 Sensibilización del espesor del concreto asfáltico en función del análisis por fatiga con un Mr de 8000 PSI Anexo 4 Sensibilización del espesor del concreto asfáltico en función del análisis por fatiga con un Mr de 15000 PSI Anexo 5 Sensibilización del espesor del concreto asfáltico en función del análisis por fatiga con un Mr de 20000 PSI Anexo 6 Sensibilización del espesor del concreto asfáltico en función del análisis por fatiga con un Mr de 25000 PSI

Anexo 7 Sensibilización del espesor del concreto asfáltico en función del análisis por fatiga con un Mr de 30000 PSI Anexo 8 Resumen y Análisis de las sensibilizaciones del espesor del concertó asfáltico en función del análisis por fatiga para los diferentes Mr Anexo 9 Guía de Alimentación del Software LUJEA


1. EL PROBLEMA

Recientes investigaciones realizadas por la Guía de Diseño de Pavimentos Mecánico - Empírico mePDG a través del proyecto NCHRP 1 - 37A de los Estados Unidos, en su última versión 2004, han determinado para pavimentos flexibles, el efecto del espesor del concreto asfáltico ante el fenómeno por fatiga, siendo críticos el empleo de espesores delgados (inferiores a 4”). Para nuestro país, es importante comprender dicho efecto, con fines de mejorar los diseños de pavimentos flexibles, teniendo en cuenta este fenómeno de agrietamiento por fatiga.

1.1 ANTECEDENTES Y JUSTIFICACIÓN Tradicionalmente se ha contemplado el efecto del fenómeno de la fatiga del concreto asfáltico, empleando modelos constitutivos que se encuentran en función de las propiedades de la mezcla asfáltica, siendo el espesor una variable para determinar las tensiones en los puntos de interés o sitios críticos (fibra inferior o superior de la carpeta asfáltica) en el modelo estructural de diseño. Recientemente, los modelos de transferencia por fátiga, en particular el propuesto por la Agencia Internacional INA (Instituto Norteamericano del Asfalto), incluye actualizaciones para fisura longitudinal (top – Down), que contienen el espesor del concreto asfáltico para estas consideraciones de fátiga. Para las físuras piel de cocodrilo (Bottom-up), mantienen un valor constante. Es recomendableentonces, una actualización de los modelos de transferencia y sus parámetros que se tienen en cuenta para el diseño de pavimentos flexibles. 1.2OBJETIVOS 1.2.1 Objetivo General Determinar el efecto del espesor del concreto asfáltico ante el fenómeno de agrietamiento por fatiga.


1.2.2 Objetivos Específicos

1. Definir el modelo estructural del pavimento flexible 2. Definir los modelos por fatiga del concreto asfáltico 3. Sensibilizar el espesor del concreto asfáltico en función del análisis por

fatiga. 4. Determinar las tensiones críticas para el análisis de sensibilidad (Software

JULEA). 5. Determinar los espesores de respuesta crítica por fatiga. 6. Análisis de los resultados.

1.3DEFINICIONES Y TÉRMINOS BÁSICOS

mePDG: Guía de diseño de Pavimento Mecánico - Empírico, que define los procedimientos y recomendaciones para el diseño estructural del Pavimento.

Julea:Herramienta computacional para determinar los resultados de

esfuerzos y deformaciones en una estructura de pavimento flexible.

Esfuerzos y deformaciones en un pavimento asfáltico: Respuesta

elástica de un pavimento asfáltico ante las cargas del tránsito.

NCHRP-1-37ª:NationalCooperativeHighwayResearchProgram (Programa de

Investigación de la Carretera Nacional Cooperativo).

Módulos:Propiedades de resistencia en los materiales de cada una de las

capas que conforman la estructura del pavimento

Relación de Poisson:Relación entre la deformación lateral y la correspondiente deformación longitudinal en un cuerpo elástico sometido a un esfuerzo longitudinal.

Bottom Up: Grietas por fatiga que aparecen primero como grietas

longitudinales cortas en la trayectoria de la rueda que rápidamente se extiende y se interconectan para formar una piel de cocodrilo. Estas grietas inician en la parte inferior de la carpeta asfáltica y se propagan a la superficie debido a las repetidas aplicaciones de carga.


2. MARCO TEÖRICO

Dentro de las fallas estructurales en un pavimento asfáltico, se encuentran los fenómenos por fatiga, los cuales normalmente son generados por efectos del tránsito. Es así, como se tienen criterios de diseño de fatiga ascendente (Bottom Up) y descendente (Top Down). En nuestro país, el criterio de mayor uso, consiste en las fallas tipo piel de cocodrilo, y recientemente se han encontrado fisuras longitudinales y transversales. El efecto por fatiga puede generarse por diferentes razones, dentro las más comunes se presentan por calidad de las mezclas asfálticas, e insuficiencia del espesor. 2.1 FISURAS LONGITUDINALES POR FATIGA (FLF) Corresponden a fisuras predominantemente paralelas al eje de la vía y localizadas en áreas sujetas al tránsito vehicular (huellas del tránsito). El fisuramiento se inicia en la superficie de las capas asfálticas y evolucionan en sentido descendente. Figura No 1- Fisuras Longitudinales por Fatiga.

Fuente: Guía Metodológica para el Diseño de Rehabilitación de Pavimentos Asfalticos de Carreteras. Anexo B. INVIAS 2007.

Las causas más comunes de este tipo de deterioro son los altos esfuerzos horizontales de tensión producidos por las llantas de los vehículos pesados, así


como una baja rígidez de la capa asfáltica superior, a causa de las altas temperaturas superficiales. 2.2 FISURAS PIEL DE COCODRILO (FPC)

Corresponden a una serie de fisuras interconectadas que se generan formandopolígonos irregulares de ángulos agudos, generalmente localizadas en áreas sujetasal tránsito vehicular. El fisuramiento se inicia en la parte inferior de las capasasfálticas donde los esfuerzos y las deformaciones de tensión producto de lascargas repetidas de tránsito, alcanzan su mayor magnitud.

Figura No 2- Piel de cocodrilo:

Fuente: Guía Metodológica para el Diseño de Rehabilitación de Pavimentos Asfalticos de Carreteras.Anexo B. INVIAS 2007.

La causa principal de estas fisuras es la fatiga de las capas asfálticas sometidas a repeticiones de cargas en un mismo sitio, superiores a las permisibles. Otra causa puede ser la insuficiencia estructural del pavimento. 2.3 MÉTODO RACIONAL

Esta metodología emplea propiedades físicas fundamentales de los materiales y

se basa en un modelo teórico para el cálculo de esfuerzos, deformaciones y

deflexiones elásticas, con el objetivo de predecir la respuesta del pavimento


causada por una carga estándar aplicada. A continuación, se describen los

modelos y resultados obtenidos con la aplicación del método mecanicista.

Las funciones de transferencia, desarrolladas por diversas entidades a nivel

mundial, relacionan la respuesta de la estructura con el número de repeticiones de

carga que, teóricamente, puede soportar el pavimento antes de llegar al final de su

periodo de diseño.

2.3.1 Agrietamiento por Fatiga

La falla estructural en un pavimento se presenta cuando los materiales que conforman la estructura, al ser sometida a repeticiones de carga por acción del tránsito, sufren un agrietamiento estructural relacionado con la deformación o la tensión horizontal por tracción en la base de cada capa; en este sentido la falla relaciona la deformación o la tensión producida con el número de repeticiones admisibles; esto se denomina falla por fatiga o sea por repeticiones de carga. Los materiales que forman parte de la estructura se consideran homogéneos e isotrópicos y se supone que las capas tienen una extensión infinita en sentido horizontal. En esta metodología se considera la estructura de pavimento como un sistema linealmente elástico, en el cual los materiales se encuentran caracterizados por: Módulos elásticos (E).

Relación de Poisson ( ). El espesor de la capa (h).

2.3.1.1Criterios por Fatiga

La deformación por tensión en la base de la carpeta asfáltica, es usada para

determinar el número teórico de repeticiones de carga que soportará el pavimento

antes de alcanzar la falla por fatiga. El modelo más común para predecir el

número de repeticiones de carga para iniciar las fisuras por fátiga está en función

del esfuerzo a tracción y módulo dinámico.

32

1

11kk

t ECkNf


32

1321kk

tfff EkNf

Dónde:

Nf : Número de repeticiones para iniciar las fisuras por fatiga.

εt : Esfuerzo de tensión en el punto crítico.

E : Rigidez del material.

k1, k2, k3 : Coeficientes de regresión.

βf1, βf2, βf3 : Parámetros de calibración.

C : Factor de ajuste laboratorio – campo.

2.3.1.1.1 Criterio AI (AsphaltInstitute)

La relación empelada por el AI MS-1 (Thickness Design 1982), para la predicción

del número de repeticiones por fatiga, es la siguiente:

854.0291.3

1100432.0

ECNf

t

C = 10M

69.084.4VbVa

VbM

Dónde:

Vb : Volumen efectivo de ligante (%).

Va : Volumen de aire (%).

De acuerdo con las últimas investigaciones realizadas por la NCHRP 1-37A (Guía

de Diseño de Pavimentos Mecánico Empírica ME-PDG), los parámetros de

calibración del modelo Instituto Norteamericano del Asfalto AI han sido

actualizados, a través de experiencias obtenidas con ensayos LTPP (Long-Term

Pavement Performance) en Estados Unidos, donde se obtuvieron los siguientes

parámetros:


β f1 : k1’* βf1’

βf1’ : 1.0

βf2 : 1.2

βf3 : 1.5

Obteniéndose de esta manera la siguiente ecuación:

En esta ecuación se ha introducido el parámetro k1’ para efectuar la corrección de

los efectos de las diferentes alturas de las capas asfálticas.

Para fisuras que se inicien en la fibra inferior (fisuras piel de cocodrilo):

007566,0'1k

Para fisuras que se inicien en la fibra superior (fisuras longitudinales, top –

Down):

2.3.1.1.2 Criterio Shell

El modelo propuesto por Shell para controlar el agrietamiento por fatiga es el

siguiente:

Dónde:

hace

k

*8186.2676.151

1201.0

1'1

281.19492.3

1

11'**00432.0

EkCNf

t


t : Deformación unitaria por tracción en la base del concreto asfáltico,

mm/mm.

Vb : Volumen de asfalto en la mezcla, %

E : Módulo dinámico de la mezcla, N/m2

N : Número de ejes equivalentes de 8.2 ton

K : Coeficiente de Calage

Originalmente, esta ecuación de fatiga fue desarrollada para una confiabilidad del

50%. El método Australiano de diseño contempla una manera para aumentar la

confiabilidad afectando el valor del factor K, tal como sigue1:

Tabla 1: Factor de desplazamiento en función de la confiabilidad.

Confiabilidad(%) 80 85 90 95

Factor de Desplazamiento

(K) 4.7 3.3 2.0 1.0

Fuente: Guía Metodológica para el Diseño de Rehabilitación de Pavimentos Asfalticos de Carreteras. INVIAS 2007.

2.4JULEA. SOFTWARE PARA ESFUERZOS Y DEFORMACIONES

Para los pavimentos flexibles el método Empírico – Mecanístico de AASHTO

incorpora la contribución del profesor Dr. JacofUzan, adoptando el procedimiento

de propósito general de análisis elástico por capas denominado JULEA (Jacob

Uzan Layered Elastic Analysis).

Este procedimiento ya venía siendo exitosamente empleado, desde antes de

1995, de modo particular en el diseño de pavimentos para pistas de aterrizaje,

taxeo y parqueo en aeropuertos. El modelo JULEA de respuesta del pavimento es

una aproximación basada en el deterioro incremental.


2.5 mePDG

El objetivo del empírico-mecanicista Pavement Design Guide (mePDG) es

identificar las causas físicas de las tensiones en las estructuras de pavimento y

calibrar con el comportamiento del pavimento observado. Estos dos elementos

definen este enfoque para el diseño de pavimentos: el enfoque en las causas

físicas es la parte "mecánica", y el uso de rendimiento observado para determinar

las relaciones es la parte "empírica".

El mePDG está diseñado para actualizar la Guía de 1993 AASHTO para el Diseño

de Estructuras de Pavimento, que se basa principalmente en observaciones

empíricas de la prueba de camino AASHO que comenzó en la década de 1950.

Mediante el uso de nuevos datos recogidos en el marco del Programa de

ejecución del pavimento a largo plazo (PPLP), el MEPDG permite inferencias de

diseño que sería difícil de justificar a los diseños limitados y los niveles de tráfico

incluidos en el examen práctico.

2.5.1 Enfoque de diseño empírico-mecanicista

Uno de los cambios importantes con el MEPDG es que el enfoque de diseño del

pavimento se invierte efectivamente. En los métodos de diseño convencionales,

diversos insumos se consideran y se utilizan para producir los requisitos de diseño

para la estructura de pavimento. En el diseño empírico-mecanicista, el diseño de

la estructura del pavimento se supone inicialmente a modo de prueba, junto con

las entradas para el tráfico y el clima. mePDG software puede calcular cómo el

diseño de los ensayos responderá a las tensiones de carga y variables

ambientales creados por estas entradas. Esto conduce a una estimación del nivel

de daño del pavimento en el tiempo, en términos de fallas físicas y estructurales

presentadas en el deterioro de la estructura.

2.5.2 Jerarquía de entrada

Con el fin de producir resultados satisfactorios, la mePDG se basa en un alto nivel

de detalle que se suministra como parámetros de entrada para los materiales y de

tráfico. La determinación de todos los parámetros que intervienen requiere de

extensas pruebas y de la recogida de datos, y puede ser difícil de dedicar los

recursos a que si la información no es parte de un conjunto de datos ya

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dmepdg%26rlz%3D1C2GGGE_esCO496CO552%26biw%3D1280%26bih%3D699&rurl=translate.google.com.co&sl=en&u=http://www.pavementinteractive.org/category/materials/&usg=ALkJrhjEr_E1BZAcG3Gofr4QrSDm3t4InA


existente. Como una alternativa, el software mePDG puede ser configurado de

forma estas entradas se introducen de una manera jerárquica, lo que significa que

el usuario tiene la opción de proporcionar diferentes niveles de detalle y el

programa se ajusta en consecuencia.


3. METODOLOGÍA 3.1 SENSIBILIZACIÓN Analizamos el desempeño de una estructura típica de pavimento utilizada en Colombia, compuesta por concreto asfáltico y una estructura de apoyo, (ver gráfica No 2), ante la deformación a tracción causante del agrietamiento por fatiga en la carpeta asfáltica. Esta investigación busca determinar el efecto del espesor del concreto asfáltico ante este fenómeno utilizando el modelo para el fisuramiento de la Guía de diseño mePDGen su apéndice 2, el cual involucra las fisuras piel de cocodrilo (Bottom Up) y fisuras longitudinales (Top Down). Se realiza un análisis de sensibilidad en función de los espesores del concreto asfáltico, empleando el módulo dinámico del concreto asfáltico igual a 2500 MPa362.595 Psi. Para la ciudad de Bogotá. En cuanto a la estructura de apoyo se establecen diferentes valores en su módulo desde 8.000 a 30.000 PSI, buscando simular varios tipos de suelo de fundación. Luego determinamos la deformación tanto en la fibra inferior de la carpeta asfáltica, (Bottom-up), así como en la superficie (Top Down), teniendo en cuenta una carga para un eje estándar de 8,2 ton o 18000 Lbs, Para obtener estas deformaciones utilizamos la herramienta de computo JULEA implementado por la mePDG en sus investigaciones y guía de diseño. Se identifican los siguientes datos de entrada para utilizar la herramienta de cómputo JULEA y así obtener las deformaciones críticas en la carpeta de concreto asfaltico que vamos a sensibilizar: P 18.000 lbs a Radio de la Llanta Q Presión de Inflado = 100 lbs (valor recomendado por la mePDG) A Área de la llanta. Tenemos en cuenta unas posiciones a lo largo de la sección transversal del eje sencillo en (x), y la distribución de la carga puntual de 4500lb, para esta sección como se puede ver en la Tabla No 6. Así determinamos las deformaciones críticas en estas posiciones de la carga aplicada en el espesor del concreto asfáltico.


Tabla 2: Formulas y Valores

Descripción Símbolo Formula Variable Unidad

Carga P

4500 Lb

Presión de Inflado Q P/A 100 Lb/In2

Área de la llanta a A= PI * a^2

Radio de la llanta A 3,78470 In

Tabla 3: Espesores de la carpeta asfáltica

Espesor de la Carpeta asfáltica

(In) (m) (cm)

2 5,08 0,05

3 7,62 0,08

4 10,16 0,10

5 12,70 0,13

6 15,24 0,15

7 17,78 0,18

8 20,32 0,20

9 22,86 0,23

10 25,40 0,25

11 27,94 0,28

12 30,48 0,30

13 33,02 0,33

14 35,56 0,36

Tabla No 4: Módulo Resiliente

Mr

(Psi) MPa

8.000 55,16

15.000 103,42

20.000 137,90

25.000 172,37

30.000 206,84


Tabla No 5: Módulo Dinámico

Módulo Dinámico

MPa Psi

2500 362.595,00

Para el cálculo de las deformaciones en la carpeta del concreto asfáltico ubicadas según la carga aplicada en las posiciones a través del eje x,para JULEA, (ver Tabla No 6), se consideran 10 posiciones teniendo en cuenta las distancias desde X1(Distancia en el centro del eje de la doble llanta), hasta la distancia a X10 como se ve en el Grafico No 1. , Este análisis se realiza en el eje X puesto que es más probable que ocurra bajo una carga el daño máximo. Teniendo en cuenta que la distancia en el eje Y= 0 por ser eje sencillo.

X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 X9 X10 a 4in 4 in 8 in 8 in 8 in 3a Grafica No 3: Cargas en una estructura de pavimento con eje sencillo rueda doble

1,5 a 1,5 a

P/2 P/2

P/4 P/4

P/4

P


Tabla No 6: Valores de Posiciones en X

Distancia Unidad (in) Unidad (cm ) Unidad (m )

x1 0,00 0,00 0,00

x2 0,95 2,40 0,02

x3 1,89 4,81 0,05

x4 5,68 14,42 0,14

x5 9,46 24,03 0,24

x6 13,46 34,19 0,34

x7 17,46 44,35 0,44

x8 25,46 64,67 0,65

x9 33,46 84,99 0,85

x10 41,46 105,31 1,05

Empleando la Herramienta computacional JULEA obtenemos los resultados de

esfuerzos y deformaciones que se generan en la estructura de pavimento flexible,

Una vez se adquieren las deformaciones críticas con las cuales calculamos el (Nf)

número de repeticiones de carga que soporta una estructura antes de presentar la

falla por fatiga. (Piel de Cocodrilo – Bottom Up, Top Down).

Para la sensibilización se emplea la siguiente estructura bicapa:

Grafica No 4: Diseño Típico de Pavimento

3.2 PROCEDIMIENTOS

Predicción del número de repeticiones por fátiga:Ecuación No 1

SUBRASANTE

CARPETA ASFÁLTICA

281.19492.3

1

11'**00432.0

EkCNf

t


Donde C:Ecuación No 2

C = 10M Y M es:Ecuación No 3 De la fórmula de M podemos tener como constantes:

Tabla No 7: Volúmenes

Teniendo en cuenta lo siguiente: • Para fisuras que se inicien en la fibra inferior (fisuras piel de cocodrilo): Ecuación No 4 • Para fisuras que se inicien en la fibra superior (fisuras longitudinales, top – Down):Ecuación No 5

Símbolo Descripción Valor

Vb Volumen efectivo de ligante

(%). 12%

Va Volumen de aire (%). 5%

69.084.4VbVa

VbM

007566,0'1k

hace

k

*8186.2676.151

1201.0

1'1


1. Calculamos M teniendo en cuenta la Ecuación No 3 Tabla No 8: Valor de M

2. Teniendo M calculamos Csegún Ecuación No 2 Tabla No 9: Valor de C

Constante Resultado

C 1,1936

Obteniendo que el número de repeticiones por fatiga es el siguiente:

En esta ecuación se ha introducido el parámetro k1’ para efectuar la corrección de

los efectos de las diferentes alturas de las capas asfálticas.

Para fisuras que se inicien en la fibra superior (fisuras longitudinales, top –

Down):Ver Ecuación No 5

Para fisuras que se inicien en la fibra inferior (fisuras piel de cocodrilo):

Ecuación No 4.

Constante Resultado

M 0,0769

28

1 . 1 949

2 . 3

1h

1 .

E 1 ' * 0052 0 k

Nf

t


3.3 RESULTADOS OBTENIDOS

Los resultados obtenidos después de realizar la sensibilización se reportan en las siguientes tablas 3.3.1 Para Mr de 8000PSI Tabla No 10: Resultado número de repeticiones por fatiga para Mr 3000PSI

Fuente sensibilizaciones realizadas con JULEA.

Mr (Psi)

Espesor Cracking

C Et Bottom -

Up Et Top- Down

E (Psi) NfBottom

- Up Nf

Top- Down In Cm k1

Bottom - Up

k1Top- Down

8000

2,0 5,08 0,00756 95,0 1,194 2,88E-04 9,41E-04 362.594 2,8E+02 3,3E+04

3,0 7,62 0,00756 53,3 1,194 1,68E-04 6,82E-04 362.594 2,4E+03 6,6E+04

4,0 10,16 0,00756 6,4 1,194 1,14E-04 5,13E-04 362.594 1,1E+04 2,5E+04

5,0 12,70 0,00756 0,5 1,194 7,41E-05 3,98E-04 362.594 6,0E+04 5,1E+03

6,0 15,24 0,00756 0,1 1,194 5,81E-05 3,19E-04 362.594 1,6E+05 2,7E+03

7,0 17,78 0,00756 0,1 1,194 4,42E-05 2,62E-04 362.594 4,6E+05 4,6E+03

8,0 20,32 0,00756 0,1 1,194 3,42E-05 2,21E-04 362.594 1,3E+06 8,9E+03

9,0 22,86 0,00756 0,1 1,194 2,80E-05 1,91E-04 362.594 2,8E+06 1,6E+04

10,0 25,40 0,00756 0,1 1,194 2,26E-05 1,69E-04 362.594 6,6E+06 2,6E+04

11,0 27,94 0,00756 0,1 1,194 1,91E-05 1,53E-04 362.594 1,3E+07 3,8E+04

12,0 30,48 0,00756 0,1 1,194 1,62E-05 1,40E-04 362.594 2,4E+07 5,4E+04

13,0 33,02 0,00756 0,1 1,194 1,36E-05 1,29E-04 362.594 4,9E+07 7,4E+04

14,0 35,56 0,00756 0,1 1,194 1,13E-05 1,20E-04 362.594 1,0E+08 9,9E+04


3.3.2 Para Mr de 15000PSI

Tabla No 11: Resultado número de repeticiones por fatiga para Mr 15000PSI

Fuente sensibilizaciones realizadas JULEA.

Mr (Psi)

Espesor Cracking

C Et Bottom -

Up Et Top- Down

E (Psi) NfBottom

- Up Nf

Top- Down In Cm k1

Bottom - Up

k1Top- Down

15000

2,0 5,08 0,00756 95,0 1,194 3,02E-04 6,78E-04 362.594 2,3E+02 1,2E+05

3,0 7,62 0,00756 53,3 1,194 1,42E-04 5,12E-04 362.594 4,6E+03 2,1E+05

4,0 10,16 0,00756 6,4 1,194 9,84E-05 3,99E-04 362.594 2,0E+04 6,7E+04

5,0 12,70 0,00756 0,5 1,194 7,11E-05 3,19E-04 362.594 7,1E+04 1,2E+04

6,0 15,24 0,00756 0,1 1,194 5,02E-05 2,61E-04 362.594 2,8E+05 5,9E+03

7,0 17,78 0,00756 0,1 1,194 4,02E-05 2,18E-04 362.594 6,8E+05 9,5E+03

8,0 20,32 0,00756 0,1 1,194 3,27E-05 1,87E-04 362.594 1,5E+06 1,7E+04

9,0 22,86 0,00756 0,1 1,194 2,62E-05 1,64E-04 362.594 3,7E+06 2,9E+04

10,0 25,40 0,00756 0,1 1,194 2,13E-05 1,47E-04 362.594 8,3E+06 4,4E+04

11,0 27,94 0,00756 0,1 1,194 1,82E-05 1,34E-04 362.594 1,5E+07 6,4E+04

12,0 30,48 0,00756 0,1 1,194 1,54E-05 1,24E-04 362.594 3,0E+07 8,7E+04

13,0 33,02 0,00756 0,1 1,194 1,31E-05 1,15E-04 362.595 5,7E+07 1,2E+05

14,0 35,56 0,00756 0,1 1,194 1,15E-05 1,08E-04 362.596 9,5E+07 1,5E+05



Tabla No12: Resultado número de repeticiones por fatiga en para 20000PSI


Mr (Psi)

Espesor Cracking

C Et Bottom -

Up Et Top- Down

E (Psi) NfBottom

- Up Nf

Top- Down In Cm k1

Bottom - Up

k1Top- Down

2000

2,0 5,08 0,00756 95,0 1,194 3,07E-04 5,75E-04 362.594 2,2E+02 2,3E+05

3,0 7,62 0,00756 53,3 1,194 1,33E-04 4,46E-04 362.594 6,0E+03 3,5E+05

4,0 10,16 0,00756 6,4 1,194 8,86E-05 3,51E-04 362.594 3,0E+04 1,1E+05

5,0 12,70 0,00756 0,5 1,194 6,72E-05 2,84E-04 362.594 8,9E+04 1,9E+04

6,0 15,24 0,00756 0,1 1,194 4,97E-05 2,35E-04 362.594 2,9E+05 9,0E+03

7,0 17,78 0,00756 0,1 1,194 3,68E-05 1,99E-04 362.594 9,6E+05 1,4E+04

8,0 20,32 0,00756 0,1 1,194 3,09E-05 1,71E-04 362.594 1,9E+06 2,4E+04

9,0 22,86 0,00756 0,1 1,194 2,55E-05 1,52E-04 362.594 4,1E+06 3,9E+04

10,0 25,40 0,00756 0,1 1,194 2,09E-05 1,37E-04 362.594 8,9E+06 5,9E+04

11,0 27,94 0,00756 0,1 1,194 1,73E-05 1,26E-04 362.594 1,9E+07 8,2E+04

12,0 30,48 0,00756 0,1 1,194 1,50E-05 1,17E-04 362.594 3,3E+07 1,1E+05

13,0 33,02 0,00756 0,1 1,194 1,30E-05 1,09E-04 362.595 5,8E+07 1,4E+05

14,0 35,56 0,00756 0,1 1,194 1,11E-05 1,03E-04 362.596 1,1E+08 1,8E+05



Tabla No13: Resultado número de repeticiones por fatiga en para 25000PSI


Mr (Psi)

Espesor Cracking

C Et Bottom -

Up Et Top- Down

E (Psi) NfBottom

- Up Nf

Top- Down In Cm k1

Bottom - Up

k1Top- Down

25000

2,0 5,08 0,00756 95,0 1,194 3,02E-04 5,02E-04 362.594 2,3E+02 4,0E+05

3,0 7,62 0,00756 53,3 1,194 1,24E-04 3,98E-04 362.594 7,9E+03 5,6E+05

4,0 10,16 0,00756 6,4 1,194 8,16E-05 3,15E-04 362.594 4,1E+04 1,7E+05

5,0 12,70 0,00756 0,5 1,194 6,32E-05 2,59E-04 362.594 1,1E+05 2,8E+04

6,0 15,24 0,00756 0,1 1,194 4,83E-05 2,16E-04 362.594 3,3E+05 1,3E+04

7,0 17,78 0,00756 0,1 1,194 3,61E-05 1,84E-04 362.594 1,0E+06 1,9E+04

8,0 20,32 0,00756 0,1 1,194 2,90E-05 1,59E-04 362.594 2,5E+06 3,3E+04

9,0 22,86 0,00756 0,1 1,194 2,45E-05 1,43E-04 362.594 4,8E+06 4,9E+04

10,0 25,40 0,00756 0,1 1,194 2,05E-05 1,30E-04 362.594 9,6E+06 7,2E+04

11,0 27,94 0,00756 0,1 1,194 1,71E-05 1,19E-04 362.594 2,0E+07 1,0E+05

12,0 30,48 0,00756 0,1 1,194 1,44E-05 1,11E-04 362.594 3,9E+07 1,3E+05

13,0 33,02 0,00756 0,1 1,194 1,26E-05 1,04E-04 362.595 6,6E+07 1,7E+05

14,0 35,56 0,00756 0,1 1,194 1,10E-05 9,89E-05 362.596 1,1E+08 2,1E+05



Tabla No14: Resultado número de repeticiones por fatiga para Mr 30000PSI


Mr (Psi)

Espesor Cracking

C Et Bottom -

Up Et Top- Down

E (Psi) NfBottom

- Up Nf

Top- Down In Cm k1

Bottom - Up

k1Top- Down

30000

2,0 5,08 0,00756 95,0 1,194 2,93E-04 4,47E-04 362.594 2,6E+02 6,3E+05

3,0 7,62 0,00756 53,3 1,194 1,16E-04 3,61E-04 362.594 1,0E+04 8,2E+05

4,0 10,16 0,00756 6,4 1,194 7,88E-05 2,87E-04 362.594 4,7E+04 2,4E+05

5,0 12,70 0,00756 0,5 1,194 5,93E-05 2,38E-04 362.594 1,5E+05 3,9E+04

6,0 15,24 0,00756 0,1 1,194 4,66E-05 2,00E-04 362.594 3,8E+05 1,7E+04

7,0 17,78 0,00756 0,1 1,194 3,57E-05 1,72E-04 362.594 1,1E+06 2,4E+04

8,0 20,32 0,00756 0,1 1,194 2,72E-05 1,50E-04 362.594 3,2E+06 4,1E+04

9,0 22,86 0,00756 0,1 1,194 2,34E-05 1,35E-04 362.594 5,7E+06 6,2E+04

10,0 25,40 0,00756 0,1 1,194 1,99E-05 1,24E-04 362.594 1,1E+07 8,7E+04

11,0 27,94 0,00756 0,1 1,194 1,68E-05 1,14E-04 362.594 2,1E+07 1,2E+05

12,0 30,48 0,00756 0,1 1,194 1,42E-05 1,07E-04 362.594 4,1E+07 1,6E+05

13,0 33,02 0,00756 0,1 1,194 1,22E-05 1,01E-04 362.595 7,5E+07 2,0E+05

14,0 35,56 0,00756 0,1 1,194 1,07E-05 9,56E-05 362.596 1,3E+08 2,4E+05


3.4 RESULTADOS ANALIZAR

3.4.1 Número de repeticiones para iniciar las fisuras por fatiga, variando es espesor y las características del suelo de soporte

Tabla No 15: Resultado Unificado de las sensibilizaciones


Espesor Concreto Asfáltico

8000PSI 15000PSI 20000PSI 25000PSI 30000PSI

Nf

BOTTOM UP

Nf

TOP - DOWN

Nf

BOTTOM UP

Nf

TOP - DOWN

Nf

BOTTOM UP

Nf

TOP - DOWN

Nf

BOTTOM UP

Nf

TOP - DOWN

Nf

BOTTOM UP

Nf

TOP - DOWN

2.0 2.8E+02 3.3E+04 2.3E+02 1.2E+05 2.2E+02 2.3E+05 2.3E+02 4.0E+05 2.6E+02 6.3E+05

3.0 2.4E+03 6.6E+04 4.6E+03 2.1E+05 6.0E+03 3.5E+05 7.9E+03 5.6E+05 1.0E+04 8.2E+05

4.0 1.1E+04 2.5E+04 2.0E+04 6.7E+04 3.0E+04 1.1E+05 4.1E+04 1.7E+05 4.7E+04 2.4E+05

5.0 6.0E+04 5.1E+03 7.1E+04 1.2E+04 8.9E+04 1.9E+04 1.1E+05 2.8E+04 1.5E+05 3.9E+04

6.0 1.6E+05 2.7E+03 2.8E+05 5.9E+03 2.9E+05 9.0E+03 3.3E+05 1.3E+04 3.8E+05 1.7E+04

7.0 4.6E+05 4.6E+03 6.8E+05 9.5E+03 9.6E+05 1.4E+04 1.0E+06 1.9E+04 1.1E+06 2.4E+04

8.0 1.3E+06 8.9E+03 1.5E+06 1.7E+04 1.9E+06 2.4E+04 2.5E+06 3.3E+04 3.2E+06 4.1E+04

9.0 2.8E+06 1.6E+04 3.7E+06 2.9E+04 4.1E+06 3.9E+04 4.8E+06 4.9E+04 5.7E+06 6.2E+04

10.0 6.6E+06 2.6E+04 8.3E+06 4.4E+04 8.9E+06 5.9E+04 9.6E+06 7.2E+04 1.1E+07 8.7E+04

11.0 1.3E+07 3.8E+04 1.5E+07 6.4E+04 1.9E+07 8.2E+04 2.0E+07 1.0E+05 2.1E+07 1.2E+05

12.0 2.4E+07 5.4E+04 3.0E+07 8.7E+04 3.3E+07 1.1E+05 3.9E+07 1.3E+05 4.1E+07 1.6E+05

13.0 4.9E+07 7.4E+04 5.7E+07 1.2E+05 5.8E+07 1.4E+05 6.6E+07 1.7E+05 7.5E+07 2.0E+05

14.0 1.0E+08 9.9E+04 9.5E+07 1.5E+05 1.1E+08 1.8E+05 1.1E+08 2.1E+05 1.3E+08 2.4E+05


Grafico No 5: Top Down / Relación Nf Vs Espesor Concreto Asfáltico

0,0E+00

1,0E+05

2,0E+05

3,0E+05

4,0E+05

5,0E+05

6,0E+05

7,0E+05

8,0E+05

9,0E+05

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0

Nf

top

- D

ow

n


Top- Down

8000PSI

15000PSI

20000PSI

25000PSI

30000PSI


Grafico No 6: Piel de Cocodrilo / Relación Nf Vs Espesor Concreto Asfáltico

0,0E+00

2,0E+07

4,0E+07

6,0E+07

8,0E+07

1,0E+08

1,2E+08

1,4E+08

1,6E+08

1,8E+08

2,0E+08

2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0

Nf

bo

tto

m -

up


Piel de Cocodrilo

8000PSI

20000PSI

25000PSI

30000PSI

15000PSI


4. CONCLUSIONES

De acuerdo con el análisis de sensibilidad del espesor del concreto asfáltico, en función del efecto por fátiga en pavimentos asfálticos se define que para espesores delgados (inferiores a 4 pulgadas), no se tiene aporte estructural que contribuya al desempeño por fatiga del pavimento flexible. En espesores inferiores a 4” se encuentra que la estructura de concreto asfáltico soporta menos repeticiones de carga reflejándose en primer lugar la falla por fatiga (Bottom –up), y en espesores superiores a 5” la falla mostrada en la superficie se presenta por (Top-Down). El espesor mínimo para brindar aporte estructural para efectos de fatiga en el concreto asfáltico es de 5” en función del apoyo de esta capa. Teniendo en cuenta que los espesores inferiores a 4” no poseen soporte estructural pero pueden ser considerados para bajos volúmenes de tránsito. El espesor de la carpeta asfáltica en un diseño de pavimento está en función de las características de resistencia de los materiales de la estructura de apoyo. Por lo cual se debe hacer un análisis de costos para determinar la mejor opción en el diseño. Cuando hay mejores condiciones en las características de resistencia de los materiales de la estructura de apoyo soportará mayores repeticiones de carga antes de presentar la falla por fatiga; en función de los espesores del concreto asfáltico. A menor espesor del concreto asfáltico la falla por fatiga (bottom-up) se presenta más temprano que en espesores gruesos. El coeficiente de corrección K1 se mantiene constante en espesores superiores a seis pulgadas (6”).


Luego de las modelaciones tanto para los distintos espesores del concreto asfáltico como para distintos valores de subrasante, indica que el desempeño de la estructura ante la fatiga (top-Down) de la mezcla asfáltica es mejor cuando se tienen espesores delgados o gruesos, siendo críticos el empleo de espesores intermedios de 4” a 5” donde el fenómeno por fatiga (top-Down) es más vulnerable.


5. RECOMENDACIONES

Los modelos de desempeños de la mePDG para la fatiga, basado en el modelo del instituto del asfalto y calibrado mediante gran cantidad de ensayos en campo, permite involucrar el efecto del espesor de la capa asfáltica en este parámetro, lo cual es importante en el campo de los pavimentos, dado las experiencias vistas en Colombia, donde se encuentran estructuras las cuales fallan antes de su periodo de diseño, aún cuando los espesores de concreto asfáltico son considerables. Es indispensable entonces una actualización de los parámetros que se tienen en cuenta para el diseño de pavimentos en el ámbito local, esto para dar mejor solución a lo encontrado en las carreteras de Colombia.

El material de la capa del concreto asfáltico debe ser homogéneo, isotrópico y linealmente elástico y está caracterizado por su módulo elástico (E) y relación de Poisson (µ).

Para una determinada presión de contacto, el esfuerzo vertical aumenta con el radio de contacto y con la disminución del espesor de la capa superior.

Se recomienda tener en cuenta la revisión por fatiga longitudinal para espesores de concretos asfálticos gruesos (superiores a 6 pulgadas), dado que estos pavimentos son vulnerables ante el fenómeno por fatiga Top Down.

Se recomienda actualizar los modelos de falla por fatiga en el concreto asfáltico, teniendo en cuenta las recomendaciones del nuevo método de diseño de pavimentos mecánico empírico mePDG.


6. BIBLIOGRAFÍA

Guide for Mechanistic – Empírica Design, OF NEW AND REHABILITATED PAVEMENT

STRUCTURES. Part 3. Design analysis, Champaign, Illinois. National Cooperative

Highway Research Program Transportation Reseach Board National Research Council,

March 2004.

Guía Metodológica para el diseño de Rehabilitación de Pavimentos asfalticos de

carreteras En el Anexo B: Instructivo para la Inspección visual y la evaluación de los

deterioros de los pavimentos asfalticos de carreteras del Instituto Nacional de Vías

Norma Técnica Icontec, 1486, Sexta Actualización

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