MÉTODO SHELL PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES.
MÉTODO SHELL (PAVIMENTOS FLEXIBLES) •
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Método de tipo racional. Considera la estructura del pavimento como un sistema multicapa linealmente elástico. Los materiales se encuentran caracteriz caracterizados ados por su módulo de elasticidad e lasticidad de Young Young (E) y su relación de poisson (µ). Los materiales de la estructura se consideran Homogéneos, Isotrópicos y se considera que las capas tienen dimensión infinita en el sentido horizontal. horizontal. El tránsito se expresa en ejes simples equivalente equivalente de 8,2 toneladas.
Método SHELL
El método considera que el pavimento puede fallar por uno de dos motivos: 1. Que la deformación horizontal horizontal de tracción (ԑt) en la fibra
inferior de la capas asfálticas supere cierto límite admisible lo que producirá agrietamiento agrietamiento en esta capa.
2. Que la deformación vertical vertical por compresión (ԑt) de la sub-rasante
supere el límite admitido por ella produciendo su deformación permanente y en consecuencia la deformación de toda la estructura del pavimento.
Método SHELL
El método consiste en elegir la combinación de espesores y características de los materiales (ԑ y µ) de las diferentes capas del pavimento de modo que la deformación horizontal por tracción (ԑt) y y la vertical por compresión (ԑv) permanezcan dentro de límites razonables durante el periodo de diseño del pavimento.
Método SHELL
Los valores admisibles se han hallado a trav través és de investigaciones investig aciones de campo y de laboratorio.
1 =
Ԑt = Deformación por tracción en las capas
1 =
asfálticas. N = Número de repeticiones de carga. - a,b = Coeficientes determinados por experiencias de campo y laboratorio.
Ԑv = Deformación vertical por compresión
N = Número de repeticiones de carga. - c,d = Coeficientes determinados por experiencias de campo y laboratorio.
Método SHELL
En una primera serie presenta una combinación de espesores de las capas asfálticas (h1) y de las capas granulares h2 que satisfacen los criterios de deformación horizontal por tracción (ԑt).
En una segunda serie presenta una combinación de espesores de las capas asfálticas (h1) y de las capas granulares h2 que satisfacen los criterios de deformación vertical por compresión (ԑv).
Método SHELL
PARÁMETROS DE DISEÑO o ñ e s i d e d s o r t e m á r a P
El tránsito La temperatura Las propiedades de: Características de la mezcla asfáltica
Sub--rasante Sub Sub--base Sub Base
Método SHELL
EL TRÁNSITO Se obtiene a través través del número de ejes equivalentes de 8,2 toneladas en el carril de diseño y durante el periodo de diseño.
=∗ ∗ ∗ 365 100 100
1+ 1 ∗ 1+
A: % de vehículos comerciales B: % de vehículos comerciales que utilizan el carril de diseño.
= % ; = ∗
1+ 1 = ∗ % ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ 365 1+
′ = + + La confiabilidad al diseño se da a través del tránsito incrementando el valor obtenido con la fórmula anterior de la siguiente forma:
Método SHELL
LA TEMPERATURA El método concede especial importancia a la temperatura de la zona donde va a quedar construido el pavimento , la cual es influyente en el módulo de la elasticidad elasticidad de las capas asfálticas debido a su susceptibilidad térmica. Por lo anterior anterior se debe debe calcular la Temperatura Media Anual Ponderada del Aire A ire (w-MAAT) (w-MAAT) a partir de las temperaturas medias mensuales del aire (MMA (MMAT). T).
Método SHELL
LAS PROPIEDADES DE LA SUB-RASANTE, LA SUB-BASE Y LA BASE El método exige el conocimiento del módulo dinámico de elasticidad de la sub-rasante que es conocido en nuestro medio como el módulo m ódulo resiliente (MR) evaluado cuando el suelo se encuentre en su densidad de equilibrio. Cuando no sea posible realizar en ensayo de módulo se puede obtener empleando correlaciones con el CBR
= 10 107 ∗
Método SHELL
Características de la mezcla asfáltica La SHELL considera dos propiedades propiedades de la mezcla asfáltica asfáltica como como fundamentales: Su módulo de elasticidad dinámico a cortos tiempos de aplicación de la carga (Stiffness). Resistencia de la mezcla a la fatiga, es decir, al agrietamiento por la acción repetida de las cargas.
Con respecto al Stiffness se reconocen dos tipos de mezclas : S1:: Mezclas S1 Mezclas con cementos cementos asfálticos de alta rigidez y con con contenidos normales o promedios de agregados, de asfalto asfalto y de vacíos con aire. S2:: Mezclas de baja rigidez , mezclas abiertas que tienen un alto S2 contenido de vacíos con aire y un bajo contenido de asfalto. •
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Método SHELL
Características de la mezcla asfáltica En cuento a la fatiga el método considera dos tipos de mezclas: F1:: Alta resistencia y cantidades moderadas de vacíos con F1 aire y asfalto. F2:: De baja resistencia y con altos volúmenes de vacíos con F2 aire. •
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Se consideran únicamente dos tipos de cemento asfáltico, asfáltico, los de penetración 50 (1/10 mm) mm ) que se emplean en climas cálidos y los de penetrac penetración ión 100 (1/10 mm) mm ) que se emplean en climas fríos.
Método SHELL
Pasos para determinar el tipo de mezcla asfáltica (código): Índice de penetración (IP) y Temperatura emperatura T800 Stiffness del asfalto (temperatura (temperatura en obra) : r a n i m r e t e d e r e i u q e r e S
Stiffness de la mezcla asfáltica asfáltica Código de rigidez de la mezcla (S1 o S2) Deformación máxima admisible (Ԑt)
Código de fatiga de la mezcla. Código total de la mezcla
Método SHELL
1. Determinación del índice de penetración penetración y la temperatura temperatura T800 del asfalto.
Para utilizar el nomograma se requiere conocer la penetración del asfalto (1/10 mm) a diferentes temperaturas.
Método SHELL
2. Determinar el Stiffness St iffness del asfalto a la temperatura temperatura de trabajo en obra Se utiliza el nomograma de Van Der Poel, para lo cual se requieren requieren como datos de entrada: Índice de penetración. Tiempo de aplicación de la carga (La SHELL recomienda tomar 0,02 seg., que corresponde a una velocidad del vehículo de (50-60 Km/hora). ∆T = T800 – Tmezcla. (Tmezcla se obtiene en función de la temperatura ambiente y utilizando el diagrama RT. • •
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Método SHELL Nomograma de Van Der Poul
Método SHELL
Gráfico RT
Método SHELL
3. Determinación del Módulo Elasticidad de la mezcla asfáltica. Se requiere como información de entrada: •
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Módulo (Stiffness) del asfalto. Composición volumétrica de la mezcla : (%) de asfalto, agregados pétreos y aire)
Método SHELL
4. Identificación del código de rigidez de la mezcla (S1 o S2).
Datos de entrada: •
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Módulo de rigidez de la mezcla. Módulo de rigidez del
Método SHELL
5. Determinación de la deformación deformación máxima admisible específica de tracción en la fibra inferior inferior de las la s capas asfálticas. Parámetros de entrada: Stiffness de la mezcla %Volumen de asfalto Número de ejes equivalente de 8,2 ton. •
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Método SHELL
6. Identificación del código de fatiga de la mezcla. Parámetros: - Stiffness Stiffnes s de la mezcla. -Deformación por fatiga (ԑ fatiga).
Método SHELL
7. Tipo de asfalto .
Se determina con base en la penetración obtenida en el ensayo de penetración. De acuerdo a este valor se clasifica como de penetración 50 o de penetración 100.
Método SHELL
7. Identificación del código total de la mezcla. 50
S1-F1-50
100
S1-F1-100
50
S1-F2-50
100
S1-F2-100
50
S2-F1-50
100
S2-F1-100
50
S2-F2-50
100
S2-F2-100
F1 S1 S A L C Z E M E D S O P I T
F2
F1 S2 F2
Método SHELL
DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO.
En una gráfica SHELL los espesores necesarios de cada una de las capas del pavimento pavimento se hallan con base en cuatro parámetros: • •
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El tránsito esperado: N (Varia de 104 a 108). El clima (evaluado por la temperatura media anual ponderada del aire): aire): (4° - 12° - 20° - 28° C.) Módulo de elasticidad de la sub-rasante. (si es en términos de CBR para 2,5%, 5% 10% y 20%). Código de la mezcla.
Método SHELL
DISEÑO ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO. En cualquier gráfica de diseño tres de los valores son constantes constantes y el otro variable. variable. Deberá escogerse escogerse una gráfica gráfica de diseño apropiada en función de los datos disponibles. La SHELL presenta los juegos de gráficas: HN: Parámetro HN: Parámetro variable el tránsito. HT:: Variable la temperatura. HT TN: Permiten TN: Permiten interpolar entre valores de N y la Temperatura. • • •
Cuando los valores para diseño numéricos coinciden con los que presentan las gráficas gráficas los espesores se toman directamente de la gráfica gráfica respectiva, de lo contrario contrario se deben hacer interpolaciones sucesivas.
Método SHELL
CARTAS DE DISEÑO
Método SHELL
EJERCICIO
Método SHELL – Confiabilidad del diseño
ADENDO AL MANUAL MANUAL DE DISEÑO DE PA PAVIMENTO VIMENTOSS SHELL (1985). Tránsito: Las incertidumbre en este parámetro pueden ser considerados mediante el uso de altos estimativos. Temperatura. Generalmente Generalmente los datos utilizados son los promedios de valores obtenidos de largos periodos de observación. Durante Durante la vida de servicio del pavimento pavimento el valor valor de la temperatura MMAT puede desviarse del promedio de estos valores . Para periodos de diseño cortos estas variaciones deben tenerse en cuenta mediante la estimación de valores MMAT mas altos, especialmente para el periodo de verano. Sin embargo el margen apropiado de usar depende de varias particularidades del clima por lo cual no es posible generalizar sobre este este parámetro.
Método SHELL – Confiabilidad del diseño
Sub-rasante: La incertidumbre de este parámetro parámetro puede ser considerada mediante el uso de bajos estimativos estimativos de resistencia. resistencia. Como está basado en datos experimentales, significa que el 50% de los valores pueden estar por encima y 50% por debajo.
El criterio de deformación de la sub-rasante está definido por la deformación permitida de la sub-rasante y el número de repeticiones de carga; por lo cual, para garantizar garantizar una mayor confiabilidad el criterio de ha pasado a:
Para NC del 85%
3 = 2,8 ∗ 10− ∗ −,
Para NC del 85%
3 = 2,1 ∗ 10− ∗ −,
Para NC del 95%
3 = 1,8 ∗ 10− ∗ −,
Método SHELL – Confiabilidad del diseño
Cuando se utilizan las cartas de diseño se debe: Para Para diseños gobernados por el criterio de deformación de la sub-rasante (izquierda (izquierda de las cartas HN y HT) las cartas deben ser leídas para un periodo de diseño (en términos de N) de tres veces para un nivel de confianza del 85% o de seis veces para un nivel de confianza del 95%. Para diseños gobernados por el criterio de deformación de la capa asfáltica (derecha asfáltica (derecha de las cartas HN y HT) no es relevante relevante la corrección por el criterio de deformación de la sub-rasante sub-rasante .
Método SHELL – Confiabilidad del diseño
Procedimiento cuando se diseña por el criterio de deformación de la fibra inferior de la capa asfáltica.
1. Obtener Obtener los espesore espesoress de las capas capas asfáltic asfálticas as para para una confiabilidad del 50% 2. Para Para dar una confi confiabili abilidad dad del 85% ó del 95% 95% se debe: debe: Definir el valor de la relación E2 real/E2 asumido (0,50 ó 0,75 ) De la gráfica SHELL (para E2real/E2asumido) y el espesor de capas granulares real (h2) obtener h2 ficticio. Hallar N’ como N’ = 3 ó 6 veces N (según nivel de confianza deseado) •
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De la gráfica HN correspondiente con h2 ficticio y N’
hallar el espesor de la capa asfáltica.
Método SHELL – Confiabilidad del diseño
Procedimiento cuando se diseña por el criterio de deformación de la sub-rasante.
1. Obtener Obtener los espesore espesoress de las capas capas asfáltic asfálticas as para para una confiabilidad del 50% con el espesor dado de capas granulares. 2. Para Para dar una confiabil confiabilidad idad (85% ó 95%) se debe: Partir de la igualdad: E3 ficticio/ E3 real = E2 real /E2 asumido. Definir el valor de la relación E2 real/E2 asumido (0,75 ó 0,50) De la primera igualdad hallar E3 ficticio . De las gráfica HN correspondientes hallar el espesor de concreto asfáltico asfáltico (h1), entrando con el espesor de capas granulares (h2) y con el E3 ficticio. (Si es necesario se deben hacer interpolaciones) •
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