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Diseño de Pavimentos Flexibles: Método Shell

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  1. Diseño de Pavimentos Flexibles: Método Shell • Contenido • Introducción • Solicitaciones • Materiales • Diseños alternativos • Costos • Síntesis

  2. 1. Introducción • Prestaciones de un camino pavimento • Reducción de costos de operación • Transferencia de cargas • Ininterrupción del servicio • Requerimientos • Construcción del camino pavimentado • Diseño geométrico • Diseño estructural • Mantenimiento Fuente de Beneficios

  3. 1. Introducción • Diseño Estructural • Fundación • Solicitaciones • q = g + p • Estáticas • Materiales • Hormigón, acero, madera, suelo.. • Pavimento • Solicitaciones • Carga por eje • Dinámicas • Materiales • Hormigón, asfalto, suelo, etc..

  4. 1. Introducción • Diseño Estructural • Fundación • S serv < S adm • con S adm = S rot . g • Pavimento • N eq = N adm • con N adm = N rot Ratio tensiones Curva de fatiga del material • serv • rot N rot N 10^6 ejes

  5. 1. Introducción datos • Metodología Operaciones TMDA Tipo de veh Ejes Vida Útil Tasa de crecimiento Subrasante, subbase, base mezcla asfáltica,Tº Solicitaciones S eq; N eq Desempeño de los materiales Curvas de diseño Método Shell Soluciones Técnicas Alternativas A, B, C Costos de Alternativas A, B, C Solución Técnica – Económica Menor costo

  6. 1. Introducción • Datos de Tránsito • TMDA=1.560 veh/día • Tasa de crecimiento: 6% acumulativa anual • Vida útil= 20 años • Distribución del tránsito

  7. 1. Introducción • Datos de Tránsito (cont.) • Configuración de ejes por tipo de vehículo • Carga por eje de colectivos y camiones

  8. 1. Introducción • Datos de Materiales • Capacidad portante de la subrasante: CBR = 5% • Datos de Costos • Costo materiales subbase, base y carpeta (ancho 7,50m) • CBR 20 = 1.500$/km.cm • CBR 40 = 3.000$/km.cm • CBR 80 = 7.950$/km.cm • Carpeta asfáltica = 15.240$/km.cm • Costo de mantenimiento: 12.000$/año.km • Tasa de descuento: 12%

  9. Diseño de Pavimentos Flexibles: Método Shell • Contenido • Introducción • Solicitaciones • Materiales • Diseños alternativos • Costos • Síntesis

  10. 2. Solicitaciones • Las repeticiones dependen de la cantidad de vehículos que circularán por el camino. • TMDA inicial = 1.560 veh/día. • Crecimiento del tránsito= 6% anual acumulativo. • Período de análisis= 20 años desde la inauguración. • STMDA.365dias/año= 57.836 . 365= 20.945.716 veh/VU.

  11. 2. Solicitaciones • Las repeticiones dependen de la cantidad de ejes en cada vehículo. • El tránsito está compuesto por distintos tipos de vehículos. • Cada cual tiene un número diferente de ejes {2; 3; 4} • Total de repeticiones = 55.506.146 ejes/VU

  12. 2. Solicitaciones • Los ejes se clasifican según el tipo de eje: simple, tándem o trídem.

  13. TÁNDEM DUAL SIMPLE

  14. DUAL TÁNDEM DUAL

  15. TRÍDEM

  16. 2. Solicitaciones TRÍDEM

  17. 2. Solicitaciones • Los ejes totales obtenidos se clasifican según el tipo de eje: simple, tándem o trídem. • Según los datos disponibles, los ejes correspondientes a autos y camionetas serán 100% ejes simples. • Los ejes de ómnibus serán 30% simples y 70% tándems. • Los ejes de camiones serán 50% simples y 50% tándems. 70% . Ejes un 2

  18. 2. Solicitaciones • El método Shell está diseñado para ejes de 8,2 toneladas. • El efecto de la pasada de un eje de carga W equivale a k pasadas de un eje de carga 8,2 toneladas. K = (W/8,2)^4,5

  19. 2. Solicitaciones • El método Shell está diseñado para ejes de 8,2 toneladas. • Conversión para autos y camionetas: • 25,0 millones de ejes simples se convierten en 2.000 ejes de 8,2 toneladas.

  20. 2. Solicitaciones • Además, cuando los ejes son tándems o trídems, se transforman a ejes simples. • Factores de equivalencia para pavimentos asfálticos • 1 eje tándem (W) = 1,43 ejes simples (W/2) • 1 eje trídem (W) = 1,21 ejes tándems (2.W/3) • 1 eje trídem (W) = 1,63 ejes simples (W/3)

  21. 2. Solicitaciones Conversión tándem a simple • Conversión para ómnibus: • 6,1 millones de ejes se convierten en 8,1 millones ejes de 8,2 toneladas.

  22. 2. Solicitaciones • Conversión para camiones: • 15,7 millones de ejes se convierten en 18,2 millones ejes de 8,2 toneladas.

  23. 2. Solicitaciones • Síntesis de Solicitaciones • A lo largo de la vida útil del pavimento pasarán 47,0 millones de ejes de vehículos cuyo efecto será equivalente al de la pasada de 26,2 millones de ejes 8,2.

  24. Diseño de Pavimentos Flexibles: Método Shell • Contenido • Introducción • Solicitaciones • Materiales • Diseños alternativos • Costos • Síntesis

  25. 3. Materiales • Perfil transversal de un pavimento flexible e CA = 10cm Carpeta Asfáltica (CA) e B = 15cm Base (B) eT=45cm e SB = 20cm Subbase (SB) Subrasante (SR)

  26. 3. Materiales • Características mecánicas del suelo de fundación • El parámetro de diseño es el módulo de elasticidad de la subrasante. En general, se obtiene a partir del valor CBR de la subrasante. • Para valores de CBR menores a 10%, vale la siguiente ley: • E SR [kg/cm²] = 100.CBR SR [%] • El suelo de fundación tiene un valor soporte CBR= 5% • Entonces, el módulo de elasticidad es: • E SR = 500 kg/cm² = 50 MN/ m² • Obs.: E H21 = 30.000 MN/ m².

  27. 3. Materiales • Condiciones de exposición durante la vida útil. • El desempeño de las mezclas asfálticas está fuertemente condicionado por la temperatura a la que estará expuesto. • Temperatura media ponderada, w-MAAT. • Datos de una localidad próxima • Impacto en función de las temperaturas: Figura 6.

  28. 3. Materiales 0,46 14º

  29. 3. Materiales • El factor de ponderación es una medida del efecto que causa la temperatura en el desempeño de los materiales asfálticos. • El factor de ponderación promedio es 0,39. • La temperatura asociada es la temperatura representativa de las condiciones de exposición: 12,5º

  30. 3. Materiales • Selección de la mezcla asfáltica {S; F; P} • Parámetro S = Stiffness = Rigidez • Existen dos tipos de rigideces posibles S1 o S2. • S1 es una mezcla densa, rígida, con un contenido medio de agregados, asfalto y vacíos. • S2 es una mezcla con granulometría abierta, con alto contenido de vacíos y bajo contenido de asfalto, o bajo contenido de agregados y alto contenido de asfalto. • Se adopta una mezcla S1.

  31. 3. Materiales • Selección de la mezcla asfáltica {S; F; P} • Parámetro F = Comportamiento a Fatiga • Existen dos tipos de comportamientos F1 o F2. • F1 menor contenido de vacíos, mejor comportamiento a fatiga. • F2 alto contenido de vacíos. • Se adopta una mezcla F1. • Penetración P = {50, 100} • Es un indicador de la viscosidad de la mezcla • Se adopta una mezcla P=100. • Mezcla {S1; F1; 100}

  32. 3. Materiales • Síntesis de Materiales • Calidad de Subrasante: E SR = 500 kg/cm² = 50 MN/ m² • Temperatura de servicio: w-MAAT=12º • Mezcla asfáltica: {S1; F1; 100}

  33. Diseño de Pavimentos Flexibles: Método Shell • Contenido • Introducción • Solicitaciones • Materiales • Diseños alternativos • Costos • Síntesis

  34. 4. Diseños Alternativos • El Método Shell tiene ábacos de diseño. • Los ábacos de diseño de pavimentos están en función de: • El tipo de mezcla asfáltica • Módulo de la subrasante • Temperatura de servicio • Cantidad de pasadas de ejes de 8,2 toneladas • Las variables de decisión para el diseño son: • Espesores de capas ligadas y no ligadas

  35. 4. Diseños Alternativos A B C 3.10^7 ejes 8,2 .

  36. 4. Diseños Alternativos • Se propusieron 3 puntos de diseño: A, B y C. • Los tres son técnicamente óptimos por cuanto la capacidad estructural coincide con las repeticiones.

  37. Diseño de Pavimentos Flexibles: Método Shell • Contenido • Introducción • Solicitaciones • Materiales • Diseños alternativos • Costos • Síntesis

  38. 5. Costos • Cálculo del costo de cada diseño y selección del mínimo.

  39. 5. Costos • Valor Presente Neto de las Erogaciones (VPN) • Idea: Obtener el valor total de las erogaciones a realizar considerando que realizan en diferentes momentos en el tiempo. • Fórmula: • VPN = Sj VPNj • VPNj = Costoj.(1+r)^-j • j: es el período (año). • Costoj: es el costo correspondiente al período j. • r: es la tasa de descuento.

  40. 5. Costos • Diagrama de flujo de fondos • VPN= 415.349 $/km Habilitación Mantenimiento por 20 años Construcción en 2 años

  41. Diseño de Pavimentos Flexibles: Método Shell • Contenido • Introducción • Solicitaciones • Materiales • Diseños alternativos • Costos • Síntesis

  42. 6. Síntesis • Diseño de un pavimento flexible • Para un TMDA de 1.560 veh/día y una participación de camiones y ómnibus de 40% se obtuvieron las repeticiones a lo largo de una vida útil de 20 años y tasa de crecimiento de 6%. • Se propusieron 3 soluciones técnicas (A, B y C) según el Método Shell. • Entre ellas se seleccionó al diseño B como la solución técnico-económica por ser el de menor costo. • El análisis de costos comprende el costo de construcción del paquete y el mantenimiento a lo largo de la vida útil. • El valor presente neto para el diseño elegido fue de, aproximadamente, 400 mil pesos por kilómetro.

  43. Diseño de Pavimentos Flexibles: Método Shell • FIN