CAPITULO 5

DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE MTODO SHELL 5.1 METODOLOGIA El mtodo SHELL considera la estructura del pavimento como un sistema multicapa linealmente elastico, bajo la accion de las capas del transito. Los materiales de la estructura estan caracterizados por su modulo de elasticidad de Young (E) y su relacin de Poisson , estos materiales se consideran homogneos y las capas horizontales de extensin infinita.1 El mtodo calcula mediante programas de computo diferentes parmetros de diseo y adicionalmente, los esfuerzos y deformaciones y sus magnitudes mximas y admisibles en cualquier parte de la estructura. 5.2 CRITERIOS DE DISEO El mtodo est basado en las caracteristicas de los materiales, supone el pavimento como una estructura tricapa en la que la capa superior corresponde a la carpeta asfaltica, la intermedia a las granulares y la inferior a la subrasante.Figura 5.1 MODELO ESTRUCTURAL TRICAPA CAPAS ASFALTICAS CAPAS GRANULARES

E1 E2

1 2 3

SUBRASANTE

Mr

El mtodo SHELL considera que el pavimento puede fallar por alguna de las siguientes circunstancias: La deformacin vertical de compresin en la subrasante; si sta es excesiva se producir una deformacin permanente en la subrasante, y esto causar la deformacin en la superficie de pavimento.

1

Higuera Sandoval Carlos. Nociones sobre mtodos de diseo de estructuras de pavimentos para carreteras. Volumen 2. UPTC, 2008

La deformacin horizontal de traccin en la capa asfltica, generalmente en la parte inferior; si sta es excesiva, se producir el agrietamiento de la capa. Otro criterio incluye los esfuerzos y las deformaciones de traccin permisibles en cualquier capa de base cementada y la deformacin permanente acumulada en la superficie de pavimento debido a deformaciones en cada una de las capas.

5.3 ESTIMACIN DEL TRNSITO DE DISEO El estudio y estimacin del trnsito de diseo se describe completamente en el capitulo 4. El resultado de esta variable para el diseo es el siguiente: TRANSITO DE DISEO: N Dis = 1.16E+07

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

5.4 DETERMINACIN DE LA TEMPERATURA ANUAL PONDERADA DE DISEO TMAP El procedimiento para estimar la temperatura media anual ponderada del aireTMAP en la regin del proyecto, corresponde al capitulo 2. All se determin que: TMAP = 13.2 C

5.5 DETERMINACIN 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 PSI Mr = 40 MPa 5.6 TIPIFICACION DE LA MEZCLA ASFALTICA

La Shell considera dos propiedades fundamentales que permiten caracterizar una mezcla asfaltica: El mdulo de elasticidad dinmico a cortos tiempos de aplicacin de carga (Stiffness). Tanto del asfalto (Sasf) como de la mezcla (Smix). [S] Resistencia de la mezcla a la fatiga o agrietamiento por su flexin repetida bajo la accin de cargas. [F]

5.6.1 Caractersticas de rigidez. (S): En cuanto al Stiffness, el mtodo 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 que contienen un alto contenido de vacos con aire y un bajo contenido de asfalto (mezclas abiertas).

5.6.2 Caractersticas de resistencia a la fatiga. (F): El mtodo Shell distingue dos tipos de mezclas: Las mezclas de tipo F1: Alta resistencia con cantidades moderadas de vacos con aire y de asfalto. Mezclas con mayor vida en fatiga. Las mezclas de tipo F2: Baja resistencia, con altos volmenes de vacos con aire. Mezclas con menor vida en fatiga.

5.6.3 Caractersticas del cemento asfltico utilizado. El mtodo Shell considera nicamente dos tipos de concreto asfltico para la elaboracin de mezclas asflticas: la penetracin de 50 (1/10 mm) que se emplean en climas calientes y los de penetracin 100 (1/10 mm) que se emplean en climas fros. 50: Asfalto con penetracin 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 penetracin original de 100 1/10 mm de consistencia blanda. (Representa a los asfaltos AC 80-100, AC 85-100 AC 80-120).

5.6.4 Tipo de mezclas: Con base en la combinacin de caractersticas anteriores, el mtodo Shell reconoce para el diseo ocho tipos o cdigos de mezclas asflticas: S1-F1-50 S2-F1-50 S1-F1100 S2-F1100 S1-F2-50 S1-F2-100 S2-F2-50 S2-F2-100

5.7 CLCULO DEL NDICE DE PENETRACIN Y DEL MDULO DINMICO DEL ASFALTO - SASF Se hace uso del software BANDS 2.0 de la Shell para definir estos parmetros, utilizando el Mdulo Bitumen Stiffness (SBIT). 5.7.1 Datos de entrada para el Mdulo Bitumen Stiffness (SBIT), Mtodo con 2 datos de penetracin a determinadas temperaturas. Tiempo de aplicacin de la carga, t . Temperatura de la mezcla, Tmix. Datos de Temperatura C, Penetracin 1/10 mm.

5.7.1.1 Tiempo de aplicacin 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 proyecto requiere una velocidad de operacin 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 diseo RT. (Ver Anexo A). TMAP = 13,2 C hasf = 100mm Tmix = 20 C

5.7.1.3

Datos de Temperatura C, Penetracin 1/10 mm.Temperatura C 20 25 28 PENETRACIN 1/10 mm 50 77 92

5.7.2 Resultados del programa. El formato del programa se ilustra a continuacin:

RESULTADOS BAND 2.0, Mdulo SBIT Mdulo Dinmico del Asfalto (S asf) 11.6 MPa Punto de ablandamiento T800 52,1 C Indice de Penetracin (Ip) 0,4

5.8

DETERMINACIN DEL MDULO DE LA MEZCLA S mix.

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

5.7.1 Datos de entrada para el Mdulo Asphalt Mix Stiffness (Smix). Mdulo Dinmico 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. El formato del programa se ilustra a continuacin:

RESULTADOS BAND 2.0, Mdulo Smix Mdulo Dinmico de la mezcla (S 2620 MPa mix)

5.9

CLASIFICACIN DE LA RIGIDEZ DE LA MEZCLA

Con los datos del mdulo dinmico del asfalto (N/m 2) y el mdulo dinmico de la mezcla (N/m2), se emplea la Carta M 1 (Ver Anexo A), para determinar si la mezcla es de alta rigidez alta (S1) o de baja rigidez (S2).Mdulo Dinmico MPa Asfalto Sasf 11.6 Mezcla Smix 2620 N/m2 1.16*107 2.62*109

De este procedimiento se encontr que la mezcla corresponde a una S1. Con los datos de la temperatura de la mezcla Tmix C y el mdulo de la mezcla Smix (N/m2), se entra a la Carta M 2 (Ver Anexo A) y se determina el punto de interseccin, luego teniendo en cuenta que la mezcla corresponde a una S1, se determina si correspnde a clasificacin S1-50 S1-100. De este procedimiento se encontr que la mezcla clasifica como S1-100 (Mezcla Densa y Rigida).

5.10

FATIGA DE LA MEZCLA

Para determinar la fatiga de la mezcla asfltica se debe determinar la deformacin admisible de traccin en la fibra inferior de las capas asflticas (fat). Para esto se utiliz el software BANDS 2.0 de la Shell; Mdulo Fatigue Life Asphalt (Nfat). El mdulo requiere como parmetros: Porcentaje del volumen de asfalto de la mezcla, Vb = 11% Mdulo dinmico de la mezcla, Smix = 2620 MPa Vida de fatiga, Nfat = 1.16 x 107 Ejes de 8.2 toneladas

El formato del programa se ilustra a continuacin:

Deformacin horizontal de la capa asfltica, r = 165.0 m/m r = 1.65 * 10-4 5.11 CALIFICACIN DE LA MEZCLA

Con los datos de deformacin de la mezcla, r y el mdulo dinmico de la mezcla Smix (N/m2), se entra a las cartas M-3 y M-4, se compara el punto de interseccin con la curva de Nfat (Trnsito de Fatiga o de diseo) y el punto que est ms prximo a la lnea Nfat, se toma el cdigo de la carata correspondiente, ya sea F1 o F2. Deformacin horizontal de la capa asfltica, r = 1.65 * 10-4 Mdulo dinmico de la mezcla, Smix = 2.62 x 109 N/m2 Trnsito de diseo, Nfat = 1.16x107 Ejes de 8.2 toneladas

Al final de este proceso se encontr que el cdigo para la calificacin de la mezcla es F1. Por lo tanto el tipo de mezcla a utilizar est designado por el cdigo: S1-F1-100 5.12 DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

5.12.1 Seleccin de la carta de diseo. Con los datos del mdulo de la subrasante en N/m2, el cdigo de la mezcla S1-F1100 y el trnsito de diseo Ndis, se selecciona la carta de diseo, con ayuda de la carta HN. Datos de entrada Carta HN: Mdulo resiliente de la subrasante = 4 x 107 N/m2 Temperatura medial anual ponderada = 13.2C Trnsito de diseo, Ndis = 1.16x107 Ejes de 8.2 toneladas / carril de diseo Cdigo de la mezcla de diseo S1-F1-100

Como resultado de este procedimiento se encontr que la Carta de diseo: HN-45 es la que ms se aproxima en referencia a la TMAP y al mdulo resiliente de la subrasante del diseo en cuestin. 5.12.2 Determinacin de los espesores. Una vez establecido que la carta que ms se ajusta a los factores de diseo es la HN-45, se procede a determinar los espesores de las capas de la estructura del pavimento con el siguiente procedimiento: Se interpola la curva de Ndis (1.16 * 107). La curva Ndis presenta dos secciones: La seccin circular representa la deformacin vertical de la subrasante y la seccin recta la deformacin por traccin de las capas asfalticas. De la curva interpolada Ndis se determina el punto de quiebre, donde la curva pasa de circulara a tangente, este punto de quiebre se lleva a las abcisas y se determina el espesor total de las capas granulares h2 (450 mm). 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 mdulo dinmico del material, el cual aparece en circulo en la carta de diseo, con los numeros 2, 4 y 8, que corresponde al mdulo del material granular en 108 N/m2. para el proyecto suponemos que disponemos de material de base granular con mdulo de 8 * 108 N/m2. El espesor de cada una de las capas granulares se determina proyectando en las abcisas el punto de interseccin de la curva de Ndis con las rectas que aparecen en la carta de diseo, de manera que h2 se puede descomponer en hsbg de la subbase granular y en hbg de la base granular.

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

Con los espesores definidos y los parmetros de carga se establece el mdelo estructural, para comprobar esfuerzos, deformaciones y deflexiones en la estructura diseada. 5.13 MODELO ESTRUCTURAL. Radio de carga, a = 10.8 cm = 0.108 m Presin de contacto, q = 5.6 Kg/cm2 = 549 MPa

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

CORRELACIN DE UNIDADES PARA LOS MODULOS DE LAS CAPAS MDULO N/m2 MPa Kg/cm2 9 E1 2.62*10 2620 26707 E2 8*108 800 8155 8 E3 2*10 200 2039 E4 4*107 40 408

5.14

ESFUERZOS, DEFORMACIONES Y DEFLEXIONES ESTRUCTURA UTILIZANDO EL PROGRAMA DEPAV.

DE

LA

5.14.1 DATOS DE ENTRADA

+

5.14.2 DATOS DE SALIDA

A = BAJO UNA RUEDA SIMPLE B = BAJO UNA DE LAS LLANTAS DE LA RUEDA DOBLE C = BAJO EL CENTRO DE LA RUEDA DOBLE

Valores de servicio calculados a travs de DEPAV:

r1 = -1.97*10-4 strain. Deformacin radial de traccin en la base de la capabituminosa.

z4 = 2.47*10-4 strain. Deformacin vertical de compresin sobre la capade Subrasante.

z3 = 1.44*10-1 Kg/cm2 = 1.41*10-2 MPa. Esfuerzo de compresin vertical sobre lacapa de subrasante. o = 0.554 mm. Deflexin del modelo estructural. 5.15 ESFUERZOS, DEFORMACIONES Y UTILIZANDO EL PROGRAMA CEDAP. DEFLEXIONES ADMISIBLES

RESUMEN DE RESULTADOSPARAMETRO r1 z4 z3 o VALOR ADMISIBLE 2.517*10-4 3.598*10 4.619*10-2MPa -4

CRITERIO SHELL SHELL DORMOM KERHOVEN HUANG

0.498 mm

5.16

COMPARACIN DE SOLICITACIONES SE SERVICIO CON LAS ADMISIBLES.VALOR CIRICO O DE SERVICIO -1.97*10-4 2.47*10-4 1.41*10-2MPa

CAPA COCRETO ASFALTICO SUBRASANTE SUBRASANTE MODELO ESTRUCTURAL

PARAMETRO

VALOR ADMISIBLE < < < > 2.517*10-4 3.598*10-4 4.619*10-2MPa

CRITERIO SHELL SHELL DORMOM KERHOVEN HUANG

RELACIN Vs/Vadm% -0,78 0,69 0,25 1,11

r1 z4z3o

0.554 mm

0.498 mm

La estructura no cumple con el criterio de deflexin admisible. Aumentando el espesor de la capa asfltica de 12 cm a 15 cm, y modelando nuevamente la estructura en DEPAV, como se muestra en la siguiente ilustracin , se tiene que la deflexin de servicio nos disminuye de 0.554 mm a 0.462 mm.

De esta manera encontramos que 0.462 mm < 0.498 mm (93%). As que con el nuevo espesor de carpeta asfltica (15 cm) nos cumplen todos los criterios a satisfaccin y la estructura diseada queda aprobada.

5.17

DISEO DEL MODELO ESTRUCTURAL DEFINIDO Y APROBADO.