7872702 Shell Proyecto

5/9/2018 7872702 Shell Proyecto - slidepdf.com

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CAPITULO 5

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLEMÉTODO SHELL

5.1METODOLOGIA

El método SHELL considera la estructura del pavimento como un sistemamulticapa linealmente elastico, bajo la accion de las capas del transito. Losmateriales de la estructura estan caracterizados por su modulo de elasticidad deYoung (E) y su relación de Poisson μ, estos materiales se consideran homogéneosy las capas horizontales de extensión infinita.1 El método calcula mediante

programas de computo diferentes parámetros de diseño y adicionalmente, losesfuerzos y deformaciones y sus magnitudes máximas y admisibles en cualquier parte de la estructura.

5.2CRITERIOS DE DISEÑO

El método está basado en las caracteristicas de los materiales, supone elpavimento como una estructura tricapa en la que la capa superior corresponde a lacarpeta asfaltica, la intermedia a las granulares y la inferior a la subrasante.

Figura 5.1 MODELO ESTRUCTURAL TRICAPA

CAPAS ASFALTICAS E1 μ1

CAPAS GRANULARES

E2 μ2

SUBRASANTE Mr μ3

El método SHELL considera que el pavimento puede fallar por alguna de lassiguientes circunstancias:

La deformación vertical de compresión en la subrasante; si ésta es excesivase producirá una deformación permanente en la subrasante, y esto causarála deformación en la superficie de pavimento.

1 Higuera Sandoval Carlos. Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimentos para carreteras.

Volumen 2. UPTC, 2008



La deformación horizontal de tracción en la capa asfáltica, generalmente enla parte inferior; si ésta es excesiva, se producirá el agrietamiento de lacapa.

Otro criterio incluye los esfuerzos y las deformaciones de tracciónpermisibles en cualquier capa de base cementada y la deformaciónpermanente acumulada en la superficie de pavimento debido adeformaciones en cada una de las capas.

5.3ESTIMACIÓN DEL TRÁNSITO DE DISEÑO

El estudio y estimación del tránsito de diseño se describe completamente en elcapitulo 4. El resultado de esta variable para el diseño es el siguiente:

TRANSITO DE DISEÑO: N Dis = 1.16E+07

El valor de 1,16E+07 corresponde a ejes equivalentes de 8,2 toneladas en el carrilde diseño durante el periodo de diseño.

5.4DETERMINACIÓN DE LA TEMPERATURA ANUAL PONDERADA DE DISEÑO – TMAP

El procedimiento para estimar la temperatura media anual ponderada delaireTMAP en la región del proyecto, corresponde al capitulo 2. Allí se determinóque:

TMAP = 13.2 ºC

5.5 DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE SOPORTE DE LA SUBRASANTE

Este procedimiento se encuentra descrito en el Capitulo 2. El producto final es:

CBR = 4%Mr = 4 * 107 N/m2

Mr = 400 Kg/cm2

Mr = 6000 PSIMr = 40 MPa

5.6TIPIFICACION DE LA MEZCLA ASFALTICA



La Shell considera dos propiedades fundamentales que permiten caracterizar unamezcla asfaltica:

• El módulo de elasticidad dinámico a cortos tiempos de aplicación de carga(Stiffness). Tanto del asfalto (Sasf) como de la mezcla (Smix). [S]

• Resistencia de la mezcla a la fatiga o agrietamiento por su flexión repetidabajo la acción de cargas. [F]

5.6.1 Características de rigidez. (S):

En cuanto al Stiffness, el método distingue dos tipos de mezclas:

• Las mezclas de tipo S1: Mezclas de alta rigidez, mezclas densas –(Mezclas cerradas).

• Las mezclas de tipo S2: Mezclas de baja rigidez, mezclas abiertas quecontienen un alto contenido de vacíos con aire y un bajo contenido deasfalto (mezclas abiertas).

5.6.2 Características de resistencia a la fatiga. (F):

El método Shell distingue dos tipos de mezclas:

• Las mezclas de tipo F1: Alta resistencia con cantidades moderadas devacíos con aire y de asfalto. Mezclas con mayor vida en fatiga.

• Las mezclas de tipo F2: Baja resistencia, con altos volúmenes de vacíoscon aire. Mezclas con menor vida en fatiga.

5.6.3 Características del cemento asfáltico utilizado.

El método Shell considera únicamente dos tipos de concreto asfáltico para laelaboración de mezclas asfálticas: la penetración de 50 (1/10 mm) que se empleanen climas calientes y los de penetración 100 (1/10 mm) que se emplean en climasfríos.

• 50: Asfalto con penetración original de 50 1/10 mm de consistencia dura.(Representa a los asfaltos AC 40-50, AC 40-60, AC 45-65).



• 100: Asfalto con penetración original de 100 1/10 mm de consistenciablanda. (Representa a los asfaltos AC 80-100, AC 85-100 AC 80-120).

5.6.4 Tipo de mezclas:

Con base en la combinación de características anteriores, el método Shellreconoce para el diseño ocho tipos o códigos de mezclas asfálticas:

S1-F1-50 S1-F1-100

S1-F2-50 S1-F2-100

S2-F1-50 S2-F1-100

S2-F2-50 S2-F2-100

5.7 CÁLCULO DEL ÍNDICE DE PENETRACIÓN Y DEL MÓDULO DINÁMICODEL ASFALTO - SASF

Se hace uso del software BANDS 2.0 de la Shell para definir estos parámetros,utilizando el Módulo Bitumen Stiffness (SBIT).

5.7.1 Datos de entrada para el Módulo Bitumen Stiffness (SBIT),Método con 2 datos de penetración a determinadas temperaturas.

• Tiempo de aplicación de la carga, t .• Temperatura de la mezcla, Tmix.• Datos de Temperatura ºC, Penetración 1/10 mm.

5.7.1.1 Tiempo de aplicación de la carga (t)

Log (t) = 0,005 x hasf - 0,2 - 0,94 x Log (V)

Se supone un espesor probable de capa asfaltica hasf de 10 cm y el proyectorequiere una velocidad de operación V de 60 KPH.

Log (t) = 0,005 x 10 cm - 0,2 - 0,94 x Log (60 Kph ).t = 0,0151 = 0,02 segundos seg, aproximadamente.

5.7.1.2 Temperatura de la mezcla, Tmix.



Con los datos de la Temperatura media anual ponderada TMAP y el espesor probable de la capa asfaltica se calcula Tmix, con ayuda de la Carta de diseño RT.(Ver Anexo A).

C TmixmmhC TMAP asf º20100º2,13 =⇒==

5.7.1.3 Datos de Temperatura ºC, Penetración 1/10 mm.

Temperatura ºC PENETRACIÓN 1/10 mm20 5025 7728 92

5.7.2 Resultados del programa.

El formato del programa se ilustra a continuación:

RESULTADOS BAND 2.0, Módulo SBITMódulo Dinámico del Asfalto (S asf) 11.6 MPa

Punto de ablandamiento T800 52,1 º C

Indice de Penetración (Ip) 0,4

5.8 DETERMINACIÒN DEL MÒDULO DE LA MEZCLA – S mix.

Se hace uso del software BANDS 2.0 de la Shell para definir este parámetro,utilizando el Módulo Asphalt Mix Stiffness (Smix).



5.7.1 Datos de entrada para el Módulo Asphalt Mix Stiffness (Smix).

• Módulo Dinámico del Asfalto (S mix) = 11.6 MPa• Porcentaje del volumen de asfalto, Vb = 11.0%.

• Porcentaje del volumen de agragados, Vg = 85%.

5.7.2 Resultados del programa.


RESULTADOS BAND 2.0, Módulo SmixMódulo Dinámico de la mezcla (S

mix)2620 MPa

5.9 CLASIFICACIÓN DE LA RIGIDEZ DE LA MEZCLA

Con los datos del módulo dinámico del asfalto (N/m 2) y el módulo dinámico de lamezcla (N/m2), se emplea la Carta M – 1 (Ver Anexo A), para determinar si lamezcla es de alta rigidez alta (S1) o de baja rigidez (S2).

Módulo Dinámico MPa N/m2

Asfalto Sasf 11.6 1.16*107

Mezcla Smix 2620 2.62*109

De este procedimiento se encontró que la mezcla corresponde a una S1.

Con los datos de la temperatura de la mezcla Tmix ºC y el módulo de la mezclaSmix (N/m2), se entra a la Carta M – 2 (Ver Anexo A) y se determina el punto deintersección, luego teniendo en cuenta que la mezcla corresponde a una S1, sedetermina si correspnde a clasificación S1-50 ó S1-100.

De este procedimiento se encontró que la mezcla clasifica como S1-100 (MezclaDensa y Rigida).



5.10 FATIGA DE LA MEZCLA

Para determinar la fatiga de la mezcla asfáltica se debe determinar la deformación

admisible de tracción en la fibra inferior de las capas asfálticas (εfat).Para esto se utilizó el software BANDS 2.0 de la Shell; Módulo Fatigue Life Asphalt(Nfat). El módulo requiere como parámetros:

• Porcentaje del volumen de asfalto de la mezcla, Vb = 11%• Módulo dinámico de la mezcla, Smix = 2620 MPa• Vida de fatiga, Nfat = 1.16 x 107 Ejes de 8.2 toneladas


Deformación horizontal de la capa asfáltica, εr = 165.0 μm/m

εr = 1.65 * 10-4

5.11 CALIFICACIÓN DE LA MEZCLA

Con los datos de deformación de la mezcla, εr y el módulo dinámico de la mezclaSmix (N/m2), se entra a las cartas M-3 y M-4, se compara el punto de interseccióncon la curva de Nfat (Tránsito de Fatiga o de diseño) y el punto que esté más

próximo a la línea Nfat, se toma el código de la carata correspondiente, ya sea F1o F2.

• Deformación horizontal de la capa asfáltica, εr = 1.65 * 10-4

• Módulo dinámico de la mezcla, Smix = 2.62 x 109 N/m2

• Tránsito de diseño, Nfat = 1.16x107 Ejes de 8.2 toneladas



Al final de este proceso se encontró que el código para la calificación de la mezclaes F1.

Por lo tanto el tipo de mezcla a utilizar está designado por el código:

S1-F1-100

5.12 DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

5.12.1 Selección de la carta de diseño.

Con los datos del módulo de la subrasante en N/m2, el código de la mezcla S1-F1-

100 y el tránsito de diseño Ndis, se selecciona la carta de diseño, con ayuda de lacarta HN.

Datos de entrada Carta HN:

• Módulo resiliente de la subrasante = 4 x 107 N/m2• Temperatura medial anual ponderada = 13.2°C• Tránsito de diseño, Ndis = 1.16x107 Ejes de 8.2 toneladas / carril de diseño• Código de la mezcla de diseño S1-F1-100

Como resultado de este procedimiento se encontró que la Carta de diseño: HN-45

es la que más se aproxima en referencia a la TMAP y al módulo resiliente de lasubrasante del diseño en cuestión.

5.12.2 Determinaciòn de los espesores.

Una vez establecido que la carta que más se ajusta a los factores de diseño es laHN-45, se procede a determinar los espesores de las capas de la estructura delpavimento con el siguiente procedimiento:

• Se interpola la curva de Ndis (1.16 * 107).• La curva Ndis presenta dos secciones: La secciòn circular representa la

deformación vertical de la subrasante y la sección recta la deformación por tracción de las capas asfalticas.

• De la curva interpolada Ndis se determina el punto de quiebre, donde lacurva pasa de circulara a tangente, este punto de quiebre se lleva a lasabcisas y se determina el espesor total de las capas granulares h2 (450mm).

• El punto de quiebre se proyecta a las ordenadas y se determina el espesor total de la capa asfaltica h1 (120 mm).



• El espesor de las capas granulares h2 (450 mm), se puede descomponer en capas dependiendo del valor del mòdulo dinàmico del material, el cualaparece en circulo en la carta de diseño, con los numeros 2, 4 y 8, quecorresponde al mòdulo del material granular en 108 N/m2. para el proyecto

suponemos que disponemos de material de base granular con módulo de 8* 108 N/m2.• El espesor de cada una de las capas granulares se determina proyectando

en las abcisas el punto de intersecciòn de la curva de Ndis con las rectasque aparecen en la carta de diseño, de manera que h2 se puededescomponer en hsbg de la subbase granular y en hbg de la base granular.

El procedimiento se puede visualizar en la siguiente ilustración de la Carta HN – 45.

Con los espesores definidos y los parámetros de carga se establece el módeloestructural, para comprobar esfuerzos, deformaciones y deflexiones en laestructura diseñada.

5.13 MODELO ESTRUCTURAL.

• Radio de carga, a = 10.8 cm = 0.108 m• Presiòn de contacto, q = 5.6 Kg/cm2 = 549 MPa



• Separaciòn entre ejes, s = 32.4 cm = 0.324 m• Nc para calcular εz adm = 85% (Criterio Shell).

CORRELACIÒN DE UNIDADES PARA LOS MODULOS DE LAS CAPASMÒDULO N/m2 MPa Kg/cm2

E1 2.62*109 2620 26707E2 8*108 800 8155E3 2*108 200 2039E4 4*107 40 408

5.14 ESFUERZOS, DEFORMACIONES Y DEFLEXIONES DE LAESTRUCTURA UTILIZANDO EL PROGRAMA DEPAV.

5.14.1 DATOS DE ENTRADA

+



5.14.2 DATOS DE SALIDA

A = BAJO UNA RUEDA SIMPLEB = BAJO UNA DE LAS LLANTAS DE LA RUEDA DOBLEC = BAJO EL CENTRO DE LA RUEDA DOBLE

Valores de servicio calculados a través de DEPAV:

εr 1 = -1.97*10-4 strain. Deformación radial de tracción en la base de la capabituminosa.

εz4 = 2.47*10-4 strain. Deformación vertical de compresión sobre la capade Subrasante.

σz3 = 1.44*10-1 Kg/cm2 = 1.41*10-2 MPa. Esfuerzo de compresión vertical sobre lacapa de subrasante.

Δo = 0.554 mm. Deflexión del modelo estructural.

5.15 ESFUERZOS, DEFORMACIONES Y DEFLEXIONES ADMISIBLESUTILIZANDO EL PROGRAMA CEDAP.



RESUMEN DE RESULTADOS

PARAMETROVALOR

ADMISIBLECRITERIO

εr1 2.517*10-4 SHELL

εz4 3.598*10-4 SHELL

σz3 4.619*10-2

MPaDORMOM

KERHOVEN

Δo 0.498 mm HUANG



5.16 COMPARACIÒN DE SOLICITACIONES SE SERVICIO CON LASADMISIBLES.

CAPA PARAMETRO

VALORCIRICO O

DESERVICIO

VALORADMISIBLE

CRITERIORELACIÒNVs/Vadm%

COCRETOASFALTICO εr 1 -1.97*10-4 < 2.517*10-4 SHELL

-0,78

SUBRASANTE εz4 2.47*10-4 < 3.598*10-4 SHELL0,69

SUBRASANTE σz31.41*10-2

MPa < 4.619*10-2

MPaDORMOM

KERHOVEN0,25

MODELOESTRUCTURAL Δo 0.554 mm > 0.498 mm HUANG

1,11

La estructura no cumple con el criterio de deflexiòn admisible.

Aumentando el espesor de la capa asfáltica de 12 cm a 15 cm, y modelandonuevamente la estructura en DEPAV, como se muestra en la siguiente ilustración ,se tiene que la deflexión de servicio nos disminuye de 0.554 mm a 0.462 mm.

De esta manera encontramos que 0.462 mm < 0.498 mm (93%). Así que con elnuevo espesor de carpeta asfàltica (15 cm) nos cumplen todos los criterios asatisfacción y la estructura diseñada queda aprobada.



5.17 DISEÑO DEL MODELO ESTRUCTURAL DEFINIDO Y APROBADO.

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