Shell Proyecto

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CAPITULO 5 DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE MÉTODO SHELL 5.1 METODOLOGIA El método 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 relación de Poisson μ, estos materiales se consideran homogéneos y las capas horizontales de extensión infinita. 1 El método calcula mediante programas de computo diferentes parámetros de diseño y adicionalmente, los esfuerzos y deformaciones y sus magnitudes máximas y admisibles en cualquier parte de la estructura. 5.2 CRITERIOS DE DISEÑO El método está 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 E 1 μ 1 CAPAS GRANULARES E 2 μ 2 SUBRASANTE Mr 1 Higuera Sandoval Carlos. Nociones sobre métodos de diseño de estructuras de pavimentos para carreteras. Volumen 2. UPTC, 2008

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CAPITULO 5

DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLEMÉTODO SHELL

5.1METODOLOGIA

El método 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 relación de Poisson μ, estos materiales se consideran homogéneos y las capas horizontales de extensión infinita.1 El método calcula mediante programas de computo diferentes parámetros de diseño y adicionalmente, los esfuerzos 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 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  E1 μ1

CAPAS GRANULARES

  E2 μ2

SUBRASANTE  Mr μ3

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

La deformación vertical de compresión en la subrasante; si ésta es excesiva se producirá una deformación permanente en la subrasante, y esto causará la 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

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

Otro criterio incluye los esfuerzos y las deformaciones de tracción permisibles en cualquier capa de base cementada y la deformación permanente acumulada en la superficie de pavimento debido a deformaciones en cada una de las capas.

5.3ESTIMACIÓN DEL TRÁNSITO DE DISEÑO

El estudio y estimación del tránsito de diseño se describe completamente en el capitulo 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 carril de 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 del aireTMAP en la región del proyecto, corresponde al capitulo 2. Allí se determinó que:

TMAP = 13.2 ºC

5.5DETERMINACIÓN 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

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La Shell considera dos propiedades fundamentales que permiten caracterizar una mezcla 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 repetida bajo 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 que contienen un alto contenido de vacíos con aire y un bajo contenido de asfalto (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 de vacíos con aire y de asfalto. Mezclas con mayor vida en fatiga.

Las mezclas de tipo F2: Baja resistencia, con altos volúmenes de vacíos con 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 la elaboración de mezclas asfálticas: la penetración de 50 (1/10 mm) que se emplean en climas calientes y los de penetración 100 (1/10 mm) que se emplean en climas fríos.

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 consistencia blanda. (Representa a los asfaltos AC 80-100, AC 85-100 AC 80-120).

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5.6.4 Tipo de mezclas:

Con base en la combinación de características anteriores, el método Shell reconoce 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 DINÁMICO DEL 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 proyecto requiere 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).

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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 CIndice 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%.

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Porcentaje del volumen de agragados, Vg = 85%.

5.7.2 Resultados del programa.

El formato del programa se ilustra a continuación:

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/m2) y el módulo dinámico 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).

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 mezcla Smix (N/m2), se entra a la Carta M – 2 (Ver Anexo A) y se determina el punto de intersección, luego teniendo en cuenta que la mezcla corresponde a una S1, se determina si correspnde a clasificación S1-50 ó S1-100.

De este procedimiento se encontró que la mezcla clasifica como S1-100 (Mezcla Densa 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).

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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

El formato del programa se ilustra a continuación:

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 mezcla Smix (N/m2), se entra a las cartas M-3 y M-4, se compara el punto de intersección con 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 F1 o 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 mezcla es F1.

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

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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 la subrasante 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 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 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 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 mòdulo dinàmico del material, el cual aparece en circulo en la carta de diseño, con los numeros 2, 4 y 8, que corresponde 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.

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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 rectas que aparecen en la carta de diseño, 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 ilustración de la Carta HN – 45.

Con los espesores definidos y los parámetros de carga se establece el módelo estructural, para comprobar esfuerzos, deformaciones y deflexiones en la estructura 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).

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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 LA ESTRUCTURA UTILIZANDO EL PROGRAMA DEPAV.

5.14.1 DATOS DE ENTRADA

+

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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:

εr1 = -1.97*10-4 strain. Deformación radial de tracción en la base de la capa bituminosa.

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

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

Δo = 0.554 mm. Deflexión del modelo estructural.

5.15 ESFUERZOS, DEFORMACIONES Y DEFLEXIONES ADMISIBLES UTILIZANDO EL PROGRAMA CEDAP.

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RESUMEN DE RESULTADOS

PARAMETROVALOR

ADMISIBLECRITERIO

εr1    2.517*10-4  SHELL

εz4   3.598*10-4   SHELL

σz3 4.619*10-2

MPa DORMOM

KERHOVEN 

Δo   0.498 mm   HUANG 

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5.16 COMPARACIÒN DE SOLICITACIONES SE SERVICIO CON LAS ADMISIBLES.

CAPAPARAMETR

O

VALOR CIRICO O

DE SERVICIO

VALOR ADMISIBLE

CRITERIORELACIÒ

N Vs/Vadm%

COCRETO ASFALTICO εr1  -1.97*10-4  < 2.517*10-4 SHELL 

-0,78

SUBRASANTE εz4  2.47*10-4   <  3.598*10-4 SHELL 0,69

SUBRASANTE  σz31.41*10-2 

MPa < 4.619*10-2

MPaDORMOM

KERHOVEN 0,25

MODELO ESTRUCTURA

LΔo  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 modelando nuevamente 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 el nuevo espesor de carpeta asfàltica (15 cm) nos cumplen todos los criterios a satisfacción y la estructura diseñada queda aprobada.

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5.17 DISEÑO DEL MODELO ESTRUCTURAL DEFINIDO Y APROBADO.