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FACULTAD DE INGENIERÍA TEMA:

“METODO DEL INSTITUTO DE ASFALTO” CARRERA: INGENIERÍA CIVIL

CURSO: PAVIMENTOS DOCENTE: ING. FERNANDEZ CHOQUEPUMA, Miguel Ángel INTEGRANTES:     

ANCAJIMA TIMANA, Faviana Estefany CAHUANA QUISPE, Carlos Fernando ESCALANTE COTRINA, Mark Stevenson GUERRERO OBREGON, Ferdinan Angel SOLIS JOAQUIN, Angie Zukey 15 de Febrero - 2020 Lima - PERÚ

INTRODUCCION

El método más reciente del Instituto del Asfalto de los Estados Unidos de Norteamérica, editado en 1991 y publicado en 1993, presenta algunos cambios significativos, respecto a los métodos anteriores para el diseño de la sección estructural de los pavimentos flexibles. El método se basa principalmente en la aplicación de la teoría elástica en multicapas, que utiliza resultados de investigaciones recientes por parte de ese organismo. Sin embargo, se reconoce que por los avances en la tecnología de los pavimentos asfálticos, se requieren más conocimientos sobre las propiedades de los materiales para las necesidades actuales de los sistemas carreteros, por lo que el método vigente, probablemente requiera revisión e implementación futuras. El manual presenta un procedimiento de diseño para obtener los espesores de la sección estructural de pavimentos, donde se utilizan el cemento y las emulsiones asfálticos en toda la sección o en parte de ella. Se incluyen varias combinaciones de superficies de rodamiento con concreto asfáltico, carpetas elaboradas con emulsiones asfálticas, bases asfálticas y bases o sub bases granulares naturales.

CAPITULO I MARCO CONCEPTUAL

1.1 MÉTODO DE DISEÑO - INSTITUTO DEL ASFALTO. Este método está basado en el establecimiento de un límite de deflexión a la estructura del pavimento, el cual es función del número e intensidad de aplicaciones de carga. El primer paso para la aplicación del método del Instituto Norteamericano del Asfalto consiste en determinar el número de tránsito para el periodo de diseño. Por otro lado, el método permite el empleo de concreto asfáltico o emulsiones asfálticas en la totalidad o en parte de la estructura del pavimento, e incluye varias combinaciones de capa de rodadura y bases de concreto asfáltico; de capa de rodadura y bases con emulsiones asfálticas, así como capas de rodadura asfáltica con base y sub base granulares. También considera al pavimento como un sistema elástico de varias capas y para su análisis emplea conceptos teóricos, experimentales y corridas de programa de cómputo, sin embargo, con el objeto de simplificar el método, el Instituto de Asfalto propone una serie de ábacos que permiten la aplicación del método en forma rápida y sencilla.

1.2 PAVIMENTO DE CONCRETO AFALTICO- ESTRUCTURA Una estructura de asfalto está compuesta por un curso superficial de asfalto y uno o más cursos de base de asfalto soportados por el suelo nativo. a veces, también se incluyen en la estructura capas denominadas "subbase" o "subbase mejorado", o ambas. estas estructuras pueden ser diseñadas y construidas para soportar los volúmenes de tráfico y carga más pesados. con el aumento de la profundidad, las cargas de las ruedas se extienden sobre áreas más grandes, reduciendo así la intensidad de la carga hasta que la sub base soporte la carga sin daño. Se consideran las dos condiciones de esfuerzo y tensión específicas, como se muestra en las Figuras VI.1 y VI.2. La primera condición se ilustra en la Figura VI.1(a). Aquí, la carga de la rueda, W, se transmite a la superficie del pavimento a través del neumático como una presión vertical uniforme, P0. La estructura del pavimento entonces esparce el esfuerzo de la carga, reduciendo su intensidad hasta que, en la superficie de la subrasante, la presión vertical tenga una intensidad máxima

de P1. La figura VI.1(b) ilustra la manera general en la que la intensidad de la presión vertical máxima disminuye con la profundidad, de P0 a P1. La segunda condición se ilustra en la Figura VI.2. Aquí la carga de la rueda, W, deforma la estructura del pavimento y causa esfuerzo de tensión y de compresión en la capa del asfalto.

Pavimentos Asfalticos en todo su espesor (Full Depht Asphalt Pavement)

Un pavimento de asfalto Full-Depth es en que las mezclas del asfalto son empleadas para todas las capas sobre la subrasante o subrasante mejorada. Además, los pavimentos Full-Depth no encierran agua, la cual puede causar fallas de la base y de la subrasante, cuando las capas de agregado no tratado lo hacen frecuentemente. De hecho, a veces produce una pequeña o ninguna reducción en la resistencia de la subrasante debajo los pavimentos Full-Depth. La humedad en una subrasante de arcilla puede estabilizarse en un contenido de humedad más bajo debajo de un pavimento de asfalto Full-Depth después de la construcción; pero debajo pavimento construido con capas de bases no tratadas no es posible frecuentemente. Sin embargo, construyendo por el método Full-Depth no permite ignorar el drenaje de la sub-superficie. El diseño apropiado del drenaje es una característica esencial del diseño global del pavimento. Incluso cuando los drenajes

de

la

sub-superficie

debajo

del

pavimento

no

son

requeridos,

frecuentemente se exigen drenajes interceptores para desviar aguas subterráneas.

1.3 PRINCIPIOS DE DISEÑO En el procedimiento de diseño, el pavimento se considera un sistema elástico de capas múltiples. Los materiales en cada una de las capas son caracterizados por un módulo de elasticidad y por el módulo de Poisson. El tráfico se expresa en términos de número de aplicaciones de un eje simple de carga equivalente a 80 kN (18,000 lb) aplicado al pavimento en dos juegos de neumáticos duales. Para propósitos de análisis, el neumático dual se aproxima a dos círculos de radio = 115 mm (4.52 in.) espaciado a 345 mm (13.57 in.) de centro a centro, el eje de carga correspondiente a 80 kN (18,000 lb) y la presión del contacto de 483 kPa (70 psi). El procedimiento puede usarse para diseñar pavimentos de asfalto compuesto de varias combinaciones de superficie y base de concreto asfáltico, superficie y base de emulsión asfáltica (con superficie tratada), y base y sub-base de agregado no tratado. Las secciones típicas de pavimento se muestran esquemáticamente en la figura VI.3.

Para los pavimentos compuestos de capas de asfalto Full-Depth, el pavimento se considera como un sistema de tres capas. El pavimento con agregado no tratado es considerado un sistema de cuatro capas. La subrasante, la capa más baja, es asumida infinita en hacia abajo verticalmente y en la dirección horizontal. Las otras capas, de espesor finito, son asumidas infinitas en las direcciones horizontales. La continuidad llena (“fricción llena”) es asumida en las interfaces entre cada una de las capas. 1.4 CRITERIO DE DISEÑO En la metodología adoptada, las cargas en la superficie del pavimento producen dos tensiones que, como se nota en la figura VI.3, son críticas para propósitos de diseño. Estas son (1) la tensión horizontal, εt, en la parte inferior de la capa más baja de asfalto limitado, de concreto asfáltico o de emulsión asfáltica tratada, y (2) el esfuerzo vertical de compresión, εc, en la superficies de la capa de la subrasante. Si la tensión horizontal, εt, es excesiva, la capa tratada se agrietará. Si el esfuerzo vertical de compresión, εc, es excesivo, una deformación permanente

será el resultado en la superficie de la estructura del pavimento por la sobrecarga de la subrasante. La deformación excesiva en las capas tratadas es controlada por los límites en las propiedades de los materiales.

Debido a la heterogeneidad de vehículos existentes, se debe primero analizar cada eje del vehículo a fin de encontrar la incidencia de carga que cada uno produce (factor de equivalencia de carga). Como ejemplo para la realidad nacional, un vehículo liviano con ejes simples se conforma de la siguiente manera: el eje delantero con una carga bruta de 2000 lb; el eje trasero con 4000 lb (Según EMAPE). Su conversión a ejes simples es de 0.00018 y 0.00209 respectivamente. Estos valores son altos para un vehículo ligero promedio. Sin embargo, se toma el caso más desfavorable debido a que ellos se encuentran conformados por autos, camionetas y furgonetas. Cada eje puede llevar en sus extremos un neumático, en cuyo caso se designa como neumático simple, o dos neumáticos, en cuyo caso se designa como neumáticos gemelos o duales. 1.5 ANÁLISIS DE TRÁFICO La primera preocupación es el número y pesos de cargas del eje, esperados a ser aplicados al pavimento durante un período de tiempo dado. Típicamente ellos van de ligero (menos de 9 kN [2000 lb]) a pesado (más de los límites legales). Investigaciones

han mostrado que el efecto en el rendimiento del pavimento de una carga del eje de cualquier masa puede representarse por el número de aplicaciones de carga de eje equivalente a 80 kN (18000 lb) (EAL). Por ejemplo, una aplicación de un eje simple de 89 kN (20000 lb) es igual a 1.5 aplicaciones de un eje simple de 80 kN (18000 lb). Recíprocamente, toma casi cuatro aplicaciones de un eje simple de 58 kN (13000 lb) para igualar una aplicación de un eje simple de 80 kN (18000 lb). El procedimiento de análisis de tráfico incorpora cargas de ejes simples equivalentes a 80 kN (18000 lb). Por consiguiente, es necesario saber el número de vehículos, o el número y peso de las cargas del eje, esperadas en la nueva facilidad de la carretera.

1.5.1 ESTIMACIONES DEL VOLUMEN DE TRÁFICO Período de Análisis Al inicio del proyecto se define un Periodo de Análisis, de acuerdo a la importancia de la carretera, la confiabilidad de las proyecciones de tráfico y la disponibilidad de recursos. La vida del pavimento o periodo de análisis puede extenderse indefinidamente, a través de obras de rehabilitación, hasta que la carretera quede por cambios en su geometría. Periodo de Diseño Un pavimento puede diseñarse para soportar los efectos acumulativos del tráfico para cualquier periodo de tiempo. El periodo seleccionado, en años, se llama Periodo de Diseño, al término de éste, se espera que el pavimento requiera alguna acción de rehabilitación mayor, como por ejemplo una sobre-carpeta de refuerzo para restaurar su condición. Carril de Diseño Para calles y carreteras de dos carriles, el Carril de Diseño puede ser cualquier carril de la facilidad del pavimento. Para las calles y carreteras de carriles múltiples es generalmente el carril externo. Bajo algunas condiciones los camiones pueden viajar más en una dirección que en la otra. En muchos lugares, camiones cargados viajarán en una dirección y camiones vacíos en la otra dirección. En la ausencia de datos específicos, la Tabla VI.1 puede usarse para determinar la proporción relativa de camiones a ser esperados para el Carril del Diseño.

CARRIL DEL DISEÑO

Para calles y carreteras de 2 carriles, el carril de diseño puede ser cualquiera de los carriles de la vía, mientras que, para calles y carreteras de carriles múltiples, generalmente es el carril externo. Bajo ciertas condiciones es probable que haya un mayor tráfico de camiones en un sentido que en otro. En muchas localidades, los camiones circulan cargados en un sentido y vacíos en el otro.

Crecimiento de Tráfico El crecimiento puede ser estimado para el diseño usando el Factor de Crecimiento dado en la Tabla VI.2. Estos factores multiplicados por la estimación de tráfico del primer año (EAL) dará el número total de repeticiones de carga esperado durante el Período del Diseño.

1.5.2 ESTIMACIÓN DE EAL El procedimiento de análisis de tráfico recomendado determina el número de aplicaciones de carga equivalente de eje simple de 80 kN (18000 lb) (EAL) a ser usado en la determinación del espesor del pavimento. Estas condiciones son:



Factor de Camión.- El número de aplicaciones de carga equivalente de eje simple de 80 kN (18000 lb) contribuidas por una pasada de un vehículo.



Factor de Equivalencia de Carga.- El número de aplicaciones de carga equivalente de eje simple de 80 kN (18000 lb) contribuidas por una pasada de un eje.



Número de Vehículos.- El número total de vehículos involucrados.

EAL es calculado multiplicando el número de vehículos en cada clase de peso por el Factor del Camión apropiado y obteniendo la suma del producto: EAL = Σ (número de vehículos en cada clase del peso x Factor de Camión) El Factor de Camión es determinado de los datos de distribución de eje de peso usando los Factores de Equivalencia de Carga (Tabla VI.3). Un Factor del Camión promedio es calculado multiplicando el número de ejes en cada clase de peso por el Factor de Equivalencia de Carga apropiado y dividiendo la suma de los productos por el número total de vehículos involucrados:

El Factor de Equivalencia de carga puede obtenerse de la Tabla VI.3. La figura VI.4(a) muestra ejemplos de EAL para varios pesos de ejes, y la Figura IV-1(b) ilustra el cálculo de un factor del camión para un camión simple usando el factor

de equivalencia de carga de la Tabla VI.3. El procedimiento para el cálculo de Factores del Camión se ilustra en la Tabla VI.4.

Pueden determinarse los Factores del camión para camiones individuales de cualquier tipo o para combinaciones de tipos de camiones (por ejemplo, unidades simples de 2 ejes, unidades simples de 3 ejes, unidades trailers-tractor de 5 ejes).

Se dan los Factores del Camión típicos en la Tabla VI.5 para una variedad de camiones y clasificaciones de carretera. El Factor de Camión promedio más grande en la Tabla VI.5 es 2,21. Pero, un Factor de Camión en exceso ha sido reportado para caminos sujetados a los volúmenes sumamente altos de camiones muy cargados. Bajo ciertas circunstancias, como caminos de entrada para operaciones comerciales pesadas, operaciones mineras, o caminos de extracción de madera de los bosques, los Factores de Camión para los camiones cargados pueden exceder 5.0. Los datos limitados indican que en algunos casos un grupo de tractores se

como

d

ones

d

muy

ca

mión

P

1.5.3 ESTIMACIÓN DE EAL El procedimiento para determinar el EAL de Diseño es el siguiente:



Determine el número promedio de cada tipo de vehículo esperado en el Carril de Diseño durante el primer año de tráfico.



Seleccione de la Tabla VI.5, un Factor de Camión para cada tipo del vehículo encontrado en el paso (1).



Seleccione, de la Tabla VI.2, un Factor de Crecimiento para todos los vehículos, o Factores de Crecimiento separados para cada tipo del vehículo, apropiado para el período de diseño.



Multiplique el número de vehículos por el Factor de Camión y por el Factor de Crecimiento (o Factores) determinados en los pasos (2) y (3).



Sume los valores determinados para obtener el EAL de Diseño.

Tabla VI.5. Distribución de Factor de Camión para diferentes clases de carreteras

La Tabla VI.6 es un ejemplo de hoja de cálculo que muestra el cálculo de EAL de Diseño para una carretera rural de cuatro carriles.

EL análisis de tráfico recomendado permite determinar el número de aplicaciones de cargas equivalentes a un eje simple de 18,000 lb (EAL), a ser usado en la determinación de los espesores del pavimento. Factor Equivalencia de Carga. - Es el número de aplicaciones equivalentes a una carga por eje simple de 18,000 lb en una pasada de un eje dado. ESAL0= ΣIMDi. Fei ESAL= ESAL0 . 365 . Dd . Dl . Gj

Factor Camión. - Es el número de aplicaciones equivalente a una carga por eje simple de 18,000 lb en una pasada de un vehículo dado. ESAL0= ΣIMDi. fi ESAL= ESAL0 . 365 . Dl . Gj Donde: ESAL IMD Fei Dd Dl Gi fi

: Carga equivalente acumulada de 18,000 lb por eje : transito anual medio diario durante el primer año. : factor equivalente de carga. : Factor de dirección. : Factor de carril. : Factor de crecimiento. : factor camión.

EJEMPLO Nº 01 Calcular la carga acumulada de ejes equivalentes en una arteria menor de dos carriles de una zona rural, si su IMD= 12,000, su tasa de crecimiento es de 4% y el periodo de diseño es 20 años. Automóviles = 50% Camiones de eje simple: de 2 ejes y 4 ruedas = 33% (10,000 lb) de 3 ejes o más = 17% (16,000 lb) Determinar: a) b)

El Esal acumulado usando factor equivalente de carga. El Esal acumulado usando factores camión.

a) SOLUCION Caminos de eje simple: de 2 ejes y 4 ruedas (33%) = 0.087x2 = 0.174 de 3 ejes o más (17%) = 0.623x3= 1.869 i) Calculo del ESAL. Automoviles ESAL0= ΣIMDi. fi ESAL= ESAL0 . 365 . Dl . Gj =12000x365x0.50x0.50x0.25x29.78x0.00002 = 163.04

Caminos de eje simple: de 2 ejes y 4 ruedas (33%) = 12000x365x0.33x0.5x 0.25x29.78x 0.174 = 936,207 de 3 ejes o más (17%) = 12000x365x0.17x0.50x0.25x29.78x 1.869 = 5’180,444 ESAL = 6’116,651 b) SOLUCION Como no se menciona las cargas por eje, se usará el factor de camión para calcular las Esal respectivas. ESAL0= ΣIMDi. fi ESAL= ESAL0 . 365 . Dl . Gj i) Cantidad de vehículos en el primer año Automóviles ( 50%) =12,000x365x0.50x0.25 = 547,500

Caminos de eje simple: de 2 ejes y 4 ruedas (33%) = 12,000x365x0.33x0.25 = 361,350 de 3 ejes o mas (17%) = 12,000x365x0.17x0.25 = 186,150

1.6 CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES Para el diseño de los espesores de una sección estructural del pavimento flexible, el método del Instituto del Asfalto considera importante caracterizar los materiales mediante la determinación del Módulo de Resiliencia (MR). En orden de facilitar el uso de los ábacos de diseño con otros ensayos ampliamente usados, se han establecido correlaciones con el Índice de Soporte California (CBR). El módulo de resiliencia puede ser aproximado de los valores de los ensayos CBR según la relación: MR (MPa) = 10.3 CBR o MR (psi) = 1500 CBR. Las correlaciones anteriores solo se aplican a materiales de la subrasante, no así a materiales granulares utilizados en las capas de sub-bases o base. Para la caracterización de los materiales se recomienda el uso de métodos de ensayos establecidos por las normas AASHTO y ASTM:

El módulo de resiliencia de la subrasante de diseño está definido como el valor del módulo de resiliencia de la subrasante que es menor del 60, 75, ó 87,5 por ciento de todos los valores del ensayo en la sección. Estos porcentajes se relacionan a los niveles de tráfico como se muestra en la Tabla. Valor Percentil del MR para Diseño de la Subrasante, de acuerdo al nivel del Tránsito.

El procedimiento gráfico para determinar el Módulo de Resiliencia de la Subrasante de Diseño, MR, es el siguiente: 

Seleccione el Tráfico de Diseño EAL.



Pruebe seis a ocho muestras de subrasante. Convierta los datos de ensayo del CBR al valor del módulo de resiliencia de la subrasante.



Coloque todos los valores en forma descendiente al orden numérico.



Para cada cambio en el valor del ensayo, empezando con el valor más bajo, calcule el porcentaje del número total de valores al que son iguales, o mayor que el valor del ensayo.



Trace los resultados en el papel de sección de cruz.



Dibuje una curva lisa que mejor se ajuste a través de los puntos trazados. (Nota: si los datos del ensayo están bien distribuidos, la curva debe tener una forma de “S” y el valor del 50 por ciento debe caerse cerca del promedio de los datos.)



(7) Lea de la curva el valor de resistencia de la subrasante en el valor del porcentaje apropiado mostrado en la Tabla VI.8. Éste es el valor de resistencia de la subrasante de diseño.

Requisitos de Calidad de Base y Sub-base de Agregado no tratado

Ejemplo. Determine el Módulo de Resiliencia de la Subras...