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MÉTODO AASHTO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES

Presentado por: FREDY HARBEY CABRERA ALVARO ANDRES MUTIS

SONIA YAKELINE PERENGUEZ FREDY DARIO PORTILLA

UNIVERSIDAD DE NARIÑO FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA CIVIL PAVIMENTOS

2010

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MÉTODO AASHTO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES

Presentado por: FREDY HARBEY CABRERA ALVARO ANDRES MUTIS

SONIA YAKELINE PERENGUEZ FREDY DARIO PORTILLA

Presentado a: ING. ANA CRISTINA VELA

UNIVERSIDAD DE NARIÑO FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA CIVIL PAVIMENTOS

2010

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TABLA DE CONTENIDOS

1. MARCO TEORICO........................................................................................................................................5 1.1. PAVIMENTO FLEXIBLE.......................................................................................................................5 1.2. SUPUESTOS .........................................................................................................................................6 1.3. ENTRADAS ............................................................................................................................................7 1.4. PRODUCTOS ........................................................................................................................................8

2. MÉTODO AASHTO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES.........................................................................9 2.1. COEFICIENTE DE LA CAPA AI .........................................................................................................10 2.2. COEFICIENTE DE DRENAJE MI.......................................................................................................11

3. ECUACION ESAL .......................................................................................................................................12 3.1. FIABILIDAD .........................................................................................................................................13 3.2. COEFICIENTES DE CAPA ................................................................................................................15 3.3. COEFICIENTES DE DRENAJE ........................................................................................................15

4. EJERCICIO ..................................................................................................................................................16 5. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................................20

INDICE DE TABLAS

TABLA 1. RANGO DE VALORES RECOMENDADOS (1/PUL) PARA LOS COEFICIENTES A1, A2, A3, PARA DIFERENTES MATERIALES ......................................................................................................11

TABLA 2. CONDICIONES DE DRENAJE ...................................................................................................11 TABLA 3. VALORES DE COEFICIENTE DE DRENAJE MI RECOMENDADOS ...............................12

TABLA 4. NIVELES SUGERIDOS DE LA FIABILIDAD DE VARIAS CLASIFICACIONES FUNCIONALES DE AASHTO, 1993. ...........................................................................................................14 TABLA 5. LA PÉRDIDA DE SERVICIO DE DISEÑO ................................................................................15

TABLA DE FIGURAS

FIGURA 1: 1. CARPETA ASFÁLTICA, 2. BASE, 3. SUBBASE ...............................................................5

FIGURA 2: SECCIÓN DE LA ESTRUCTURA CON SUS RESPECTIVOS COEFICIENTES DE CAPA .................................................................................................................................................................10

FIGURA 3: ESFUERZOS EN TENSIÓN FRECUENTES EN LAS CAPAS DE SUPERFICIE, CAUSANTES DE AGRIETAMIENTO...........................................................................................................13

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INTRODUCCION

El diseño de pavimento flexible según el método de la AASHTO sufre constantes modificaciones según las nuevas condiciones en las que trataban al pavimento asfáltico, es así que el surge el primero AASHO Road Test entre 1958-1960, del cual se obtuvo información para el AASHO-1962 basados en modelos empíricos, apareciendo después la AASHTO-1972 y a partir de 1983 se realizan mas estudios y así en 1986 surge la “AASHTO Guide for the Design of Pavement Structures” la cual tiene ya bastantes variables de entrada y por ultimo surge la de 1993 usada actualmente.

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1. MARCO TEORICO El pavimento es la capa o conjunto de capas comprendido entre la subrasante y la superficie de rodamiento, cuya finalidad es proporcionar una superficie de rodamiento uniforme, resistente al tránsito de los vehículos y al intemperismo producido por agentes naturales. Existen dos tipos de pavimentos: los flexibles (de asfalto) y los rígidos (de concreto hidráulico), la diferencia entre estos tipos de pavimentos es la resistencia que presentan a la flexión. En este trabajo profundizaremos en el pavimento flexible y su diseño estructural, según la AASTHO. 1.1. PAVIMENTO FLEXIBLE Formado por una carpeta asfáltica protegida o por un riego de sello, apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas la base y la sub-base.

ESTRUCTURA DE UN PAVIMENTO FLEXIBLE

Figura 1: 1. Carpeta asfáltica, 2. Base, 3. Subbase

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Un pavimento flexible debe satisfacer los siguientes. Propósitos:

Resistir y distribuir adecuadamente las cargas producidas por el transito. Ser impermeable. Resistir la acción destructora de los vehículos. Tener resistencia ante los agentes atmosféricos. Poseer superficie de rodamiento cómoda segura y fácil para los

vehículos. Presentar flexibilidad para adaptarse a algunas fallas de base o sub-

base

1.2. SUPUESTOS Desde la AASHO Road Test, las ecuaciones que se desarrollaron teniendo en cuenta las limitaciones en la pérdida de capacidad de servicio, el tráfico, y el espesor del pavimento para las condiciones específicas tienen algunos puntos importantes como son:

Las ecuaciones se han desarrollado sobre la base de los materiales del pavimento actual del suelo específico y firme.

Las ecuaciones se desarrollaron con base en el medio ambiente. Las ecuaciones se basan en un período de prueba acelerada de dos años

en lugar de una vida útil del pavimento, que generalmente es de más de 20 años. Puesto que los factores ambientales son difíciles o imposibles de extrapolar a un período más largo.

Se tiene en cuenta las cargas utilizadas para desarrollar las ecuaciones identificando los vehículos con idénticas cargas por eje y configuraciones, en comparación con el tráfico mixto.

Con el fin de aplicar las ecuaciones desarrolladas como resultado de la AASHO Road Test, algunos supuestos básicos son necesarios:

La caracterización de sub-base de apoyo se puede extender a otros suelos como el subsuelo mediante una escala de apoyo del suelo abstracto.

En cuestión de carga se puede aplicar a tráfico mixto mediante el uso de ESALs.

La caracterización de materiales se puede aplicar a otras superficies, bases y subbases mediante la asignación de coeficientes adecuados por capa.

Las pruebas aceleradas hechas en la prueba de AASHO Road (2 años de plazo) se puede extender a un período de diseño más largo.

Cuando se utiliza la ecuación empírica de Guía AASHTO o cualquier ecuación empírica de otra parte, es muy importante conocer las limitaciones y supuestos básicos de la ecuación. De lo contrario, es muy fácil de utilizar una ecuación con condiciones y materiales para los que no estaba previsto. Esto puede conducir a resultados no válidos y en el peor de los casos los resultados serian incorrectos.

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1.3. ENTRADAS La ecuación de Guía AASHTO 1993 requiere un número de entradas relacionadas con las cargas, la estructura del pavimento y el apoyo al subsuelo estas entradas son:

Las previsiones de carga . La carga prevista es simplemente el número previsto de 80 kN (18.000 libras) ESALs que en el pavimento será una experiencia más de su vida de diseño.

Fiabilidad . Es la probabilidad de que una sección de pavimento diseñada

usando el proceso se realice de manera satisfactoria teniendo en cuenta factores como el medio ambiente y las condiciones del tráfico en el período de diseño (AASHTO, 1993). En otras palabras, debe haber alguna seguridad en el pavimento que se pretende realizar dada la variabilidad en las cosas tales como la construcción, el medio ambiente y los materiales. La Z y R o son variables para la confiabilidad.

Estructura de pavimento. La estructura del pavimento se caracteriza por

los Números de fondos estructurales (SN). El Número Estructural es un número abstracto que expresa la resistencia estructural de un pavimento requerido para combinaciones dadas de apoyo del suelo (M R),

El tráfico total expresado en ESALs, mantenimiento de terminales y el medio ambiente. El número estructural se convierte en espesores de capa real (por ejemplo, 150 mm (6 pulgadas) de HMA) con un coeficiente de capa (a) que representa la fuerza relativa de los materiales de construcción en esa capa. Además, todas las capas por debajo de la capa de HMA se les asigna un coeficiente de drenaje (m) que representa la pérdida relativa de la fuerza en una capa por sus características de drenaje y el tiempo total que se expone a condiciones de humedad cercanos a la saturación.

Vida útil. La diferencia en el índice de capacidad de servicio actual (PSI) y

la construcción al final de su vida es la vida de servicio. La ecuación compara los valores por defecto de 4,2 para el inmediatamente después de la construcción y el valor 1,5 para el final de su vida útil. (Servicio de Terminal) Los valores típicos utilizados en la actualidad son:

1. Posterior a la construcción: 4,0 a 5,0 dependiendo de construcción de

calidad, suavidad, etc. 2. Al final de su vida (llamado "servicio de Terminal"): 1,5 a 3,0 dependiendo

de su uso en carretera (por ejemplo, la autopista interestatal, urbano arterial, residencial.

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Sub-base de apoyo. Apoyo subrasante se caracteriza por la subrasante de módulo de resiliencia (MR). Intuitivamente, el importe de la ayuda estructural ofrecida por la sub-base debe ser un factor importante para determinar la estructura del pavimento requerido.

1.4. PRODUCTOS En 1993 la AASHTO ecuación Guía determina que se puede resolver por cualquiera de las variables cualquier trabajo, siempre y cuando todos los datos que se suministran sean reales. Para ser más precisos, la ecuación de pavimento flexible que se describe en este trabajo debe ser resuelta al mismo tiempo que la ecuación ESAL para pavimento flexible. Este método de solución es un proceso iterativo que resuelve para ESALs en ambas ecuaciones, variando el número estructural. Es iterativo ya que el número estructural (SN) tiene dos influencias clave:

El Número estructural (SN) determina el número total de ESALs que un pavimento especial puede necesitar. Esto es evidente en la ecuación de diseño de pavimento flexible presentado en esta sección.

El número estructural también determina lo que 80 kN (18.000 libras) ESAL

es para una carga dada. Por lo tanto, el número estructural necesario para determinar el número de ESALs de diseño para antes de que el pavimento se haya diseñado procede de la siguiente manera:

Determinar y recoger las entradas del diseño del pavimento flexible (Z R o S, la ISP Δ M y R).

Determinar y recopilar la ecuación ESAL (L x, 2x L, G). Supongamos que se tiene un número estructural (SN). Determinar el factor de equivalencia para cada tipo de carga por la

solución de la ecuación ESAL con el SN que se supone para cada tipo de carga.

Estimar la cantidad de tráfico para cada tipo de carga para la vida de diseño de todo el pavimento y se multiplica por la ESAL calculada para obtener el número total de ESALs.

Inserte el supuesto SN en la ecuación de diseño y calcular el número total de ESALs que el pavimento tendrá de apoyo en su vida de diseño.

Si están razonablemente cerca (digamos dentro de 5 por ciento) utiliza el SN asumido. Si no están razonablemente cerca, asumir otro SN, y se repite el proceso.

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2. MÉTODO AASHTO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES El método AASTHO se basa a partir de ecuaciones empíricas, estas se utilizan para relacionar o medir los fenómenos observados como las características del pavimento, y el rendimiento del mismo La Guía 1993 de diseño básico AASHTO ecuación flexible para formar pavimentos es ampliamente utilizado y es la siguiente:

(1)

El número estructural requerido se convierte en los espesores reales de concreto asfáltico, base y subbase multiplicado cada uno, por los coeficientes de capa respectivos representando el esfuerzo relativo de los materiales de construcción y la capacidad de drenaje. La ecuación de diseño usada es la siguiente:

(2) Donde: ai = Coeficiente correspondiente a la capa i (1/Pulg) Di = Espesor correspondiente a la capa i (Pulg) Mi = Coeficiente de drenaje de la capa i Los subíndices 1, 2 y 3 se refieren a la capa de concreto asfáltico, base y subbase (si esta aplica), respectivamente. Los coeficientes de capa son basados en el módulo de elasticidad del suelo MR y son determinados con base en cálculos de esfuerzos y deformaciones en un sistema de pavimento multicapa.

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Figura 2: Sección de la estructura con sus respectivos coeficientes de capa

2.1. COEFICIENTE DE LA CAPA ai La contribución estructural de un material de relleno para la resistencia de un pavimento, esta representado por el adecuado coeficiente de capa, el cual mide el esfuerzo relativo del material en construcción. De acuerdo con la ecuación (2) el diseñador necesita seleccionar valores significativos para los coeficientes de las capas a1, a2 y a3 de asfalto, base y sub-base en la sección de pavimento a diseñarse. En la siguiente tabla se dan los valores típicos de la contribución estructural de los materiales de relleno. Las regulaciones locales o prácticas estándar pueden sugerir factores superiores para los materiales a utilizarse.

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Tabla 1. Rango de valores recomendados (1/pul) para los coeficientes a1, a2, a3, para diferentes materiales

2.2. COEFICIENTE DE DRENAJE mi El método AASHTO asume que la resistencia de la subrasante y la base se mantendrán en forma constante sobre el diseño de la vida útil del pavimento. Para que esta suposición sea correcta, la estructura del pavimento debe tener un sistema de drenaje adecuado. El nivel de drenaje para un pavimento flexible es cuantificado por medio del uso de los coeficientes modificados de cada capa que conforma la estructura del pavimento. Por ejemplo un alto coeficiente de drenaje en una capa, se usaría para mejorar las condiciones de drenaje. El factor para modificar el coeficiente de drenaje es referido como mi y es integrado al número estructural (SN) como se muestra en la ecuación (2). El posible efecto de drenaje en la superficie de la capa del concreto asfáltico no es considerado.

Tabla 2. Condiciones De Drenaje

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Los valores recomendados para mi en función de la calidad de drenaje y del porcentaje del tiempo en el año en el cual la estructura de pavimento estará expuesta a un nivel de humedad mostrados en la siguiente tabla.

Tabla 3. Valores de coeficiente de drenaje mi recomendados

3. ECUACION ESAL Los pavimentos se proyectan para que resistan determinado número de cargas durante su vida útil. El transito esta compuesto por vehículos de diferente peso y número de ejes, y a los efectos de cálculo, se los transforma en un número equivalente de ejes tipo de 80 KN con el nombre de ESALs (Carga de eje simple equivalente). Las diferentes cargas actuantes sobre un pavimento producen diferentes tensiones y deformaciones en el mismo. Además, diferentes espesores de pavimentos y diferentes materiales responden de diferente manera a una misma carga. Debido a esta diferente respuesta en el pavimento, las fallas serán distintas según la intensidad de la carga y las características del pavimento. Para tener en cuenta esta diferencia, el transito es reducido a un numero equivalente de ejes de una determinada carga que producirá el mismo daño que toda la composición de transito. Esta carga tipo AASHO es de 80 KN. La conversión se hace a través de los factores equivalentes de carga.

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Figura 3: Esfuerzos en tensión frecuentes en las capas de superficie, causantes de agrietamiento En la práctica, la ecuación de pavimento flexible de diseño se suele resolver de forma independiente de la ecuación ESAL utilizando un valor de ESAL que se supone independiente del número estructural. Aunque este supuesto no es cierto, la profundidad calculada utilizando la estructura de pavimento es razonablemente precisa.

.ESALs futuro Toma el tráfico inicial y se multiplica por un factor que depende de la tasa de crecimiento mediante la siguiente ecuación para determinar este factor:

Donde: g: Tasa de crecimiento como un decimal n: número de períodos en la vida de diseño (por lo general, los años se utilizan)

3.1. FIABILIDAD

AASHTO utiliza el concepto de fiabilidad para dar cuenta de las incertidumbres de diseño;. Básicamente, el pavimento es una estructura diseñada con precisión, los datos de entrada de la mayoría de los datos disponibles no son manipulados o inflados (ni son valores conservadores utilizados) para compensar la variabilidad estimada. Todos los pavimentos de diseño son un proceso estructural de la variabilidad teniendo en cuenta la "fiabilidad" como el factor de las variables.

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El Factor de fiabilidad está compuesto por:

Z R = desviación normal estándar. El valor normal o tabla estándar es equivalente a una probabilidad de excedencia del nivel deseado. Por ejemplo, un diseñador puede especificar que sólo debe haber una probabilidad del 5% que el diseño no dura un número determinado de años (por ejemplo, , 20 años)%. Este es el mismo que indica que debe haber un 95% la posibilidad de que el diseño no especificado por última vez el número de años (por ejemplo, 20 años -). Entonces, la confiabilidad es del 95% (100 5%) y el correspondiente valor Z R -1.645.1

S0 = error estándar combinado de la predicción del tráfico y la

predicción del rendimiento. Esta variable define la extensión de las dos entradas de diseño básico, el tráfico y el rendimiento, puede variar. Por ejemplo, el tráfico puede estimarse en 2.000.000 ESALs más de 20 años. Sin embargo, el tráfico real puede llegar a ser 2.500.000 ESALs más de 20 años debido al crecimiento de la población no prevista. Del mismo modo, el diseño de los factores de pavimento puede llegar a ser diferentes a las previstas. Lo que estos dos breves ejemplos están expresando es que el diseño estructural de los valores de entrada puede variar de los inicialmente elegidos y la ecuación debe tener en cuenta esto de alguna manera. Cuanto más estos valores varían, mayor sera el valor de So.

Tabla 4. Niveles sugeridos de la fiabilidad de varias clasificaciones funcionales de AASHTO, 1993.

Recomendaciones del grado de fiabilidad Clasificación Funcional Urbano Rural Interestatales y autopistas Otros 85-99,9 80-99,9 Arterias principales 80-99 75-95 Coleccionistas 80-95 75-95 Local 50-80 50-80

Desviación estándar general. A menos que la información del proyecto

específico disponible sugiere lo contrario, el uso S0 = 0.50. La pérdida de servicio de diseño. hay que dos tomar decisiones, la

selección de un primer ISP (p o) y la terminal de PSI (t). Un ISP nivel terminal de 3.0 se basa, en parte, en la capacidad de servicio del pavimento original de los datos de rendimiento reportado por Carey y Irick (1960). Se encontró que aproximadamente la mitad del grupo de evaluadores que se encuentran un PER de 3,0 aceptable y un PER de 2,5 inaceptable. Por lo tanto, se sugiere lo siguiente:

1 Guía AASHTO 1993, cuadro 4.1, p. I-62

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Tabla 5. La pérdida de servicio de diseño Pavimento Uso / Tipo po pt ΔPSI Cualquier uso 4.5 3.0 1.5

Capa de balasto módulo de resiliencia efectivo (MReff). Esta es una función de la capa de balasto de temporada (subsuelo) módulos resistentes. Si los módulos específicos estaciónales del sitio no están disponibles, a continuación, los módulos siguientes relaciones (relación de módulos de temporada de "verano" módulos) se sugieren:

Tabla 6. Módulos Resiliencia efectivos

. 3.2. COEFICIENTES DE CAPA

Para HMA Clase A y B, así como mezclas Súper pave mezclas, los valores típicos son a = 0,44 o menos. Por supuesto, para la superficie de base triturada, valores típicos son a = 0,14 o menos. Para otros materiales, los resultados de las pruebas (como M R, R-valor o CBR) debe ser utilizado y se correlacionó con una capa de coeficiente de uso de la Guía AASHTO. 3.3. COEFICIENTES DE DRENAJE Si se van a utilizar, los coeficientes de drenaje se puede obtener de las condiciones específicas y se ocupa de cuestiones de drenaje por separado.

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4. EJERCICIO

Diseño de un nuevo pavimento flexible para una importante carretera interestatal con las siguientes condiciones (cuatro carriles en cada dirección):

Ubicación del pavimento: Urbano

Pavimento clasificación funcional: Interestatal

Número de vías: 3 carriles en cada sentido

Distribución del tráfico : Suponga que el 80% de la carga tenga lugar en el carril de diseño

Tasa de crecimiento anual: Suponga que un 2%

Diseño período: Investigar 20, 30 y 40 períodos de diseño del año

Materiales de construcción: Por supuesto Superficie : 12,5 mm (0,5 pulgadas) Superpave con E = 3.447 MPa (500.000 psi) Cuaderno de campo : de alta densidad graduada mezcla HMA con un nominal total de tamaño máximo de 25 mm (1 pulgada)). Utilice E = 3.447 MPa (500.000 psi Por supuesto Base : agregado triturado con M R = 193 MPa (28.000 psi) Por supuesto subbase : Ninguno utilizados

Sub-base : M R = 103 MPa (15.000 psi) en los meses secos de mayo a octubre. M R = 86 MPa (12.500 psi) en los meses lluviosos de noviembre a abril

La pérdida de capacidad de servicio global:

p - t p = 4,5 - 3,0 = 1,5

Fiabilidad : Investigar tres niveles:. R = 90%, R = 95%, R = 99%, lo que representa un rango típico de los niveles de fiabilidad encontrados para carreteras interestatales.

[[S o]]: 0.50

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Tráfico cuenta: Camiones sola unidad (0,40 asumir ESALs por camión) = 1872/day Doble camiones de la unidad (1,00 asumir ESALs por camión) = 1762/day Trenes camiones - camiones con más de 2 unidades (1,75 asumir ESALs por camión) = 247/day

Solución

Al mirar en varios períodos de diferente diseño y los niveles de fiabilidad de este ejemplo da una idea de la influencia relativa de estas entradas. El trabajo puede ser verificado mediante el pavimento flexible de diseño estructural de utilidad .

ESALs al año

Este paso implica la conversión del volumen de tráfico diario en un importe anual de ESAL. Pavimentos generalmente están diseñadas para el carril de la crítica o "carril de diseño", que representa la distribución del tráfico .

ESALs por año = (vehículos / día) (Lane Distribución Factor) (días / año) (ESALs / vehículo)

Individuales: (1872/day) (0,8) (365) (0.40) = 218.650 ESALs / año Dobles: (762/day) (0,8) (365) (1.00) = 514.504 ESALs / año Trenes: (247/day) (0,8) (365) (1.75) = 126.217 ESALs / año Total = 859.371 ESALs / año Total redondeado = 860.000 ESALs / año

Diseño ESALs

El multiplicador estándar para calcular el crecimiento compuesto es:

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20 años de vida de diseño :

30 años de vida de diseño :

40 años de vida de diseño :

Calcular la subrasante de apoyo eficaz

Tenga en cuenta que en este ejemplo hay dos valores diferentes de subrasante módulo resiliente dado:. Uno de los meses secos y húmedos durante meses una manera realista, el apoyo subsuelo varía aún más que esta suposición simplista, sin embargo, el mismo método para la estimación de un módulo de subrasante diseño resistente se puede utilizar para hipótesis más precisas.

El método estándar en la Guía AASHTO 1993 para el Diseño de Estructuras de Pavimentos implica el cálculo de una sub-base promedio ponderado de módulo de resiliencia se basa en el daño del pavimento relativo. Dado que los valores más bajos de la subrasante resultado de módulo resiliente en los daños del pavimento más baja valores de módulo resiliente subsuelo tienen un mayor peso. La ecuación de daño relativo utilizado en la Guía AASHTO 1993 para el Diseño de Estructuras de Pavimentos es:

donde: u f = factor de daño relativo M R = módulo de elasticidad en psi

Por lo tanto, más de un año los cálculos serían:

Mes M R u f u f enero 86 MPa (12.500 psi) 0.037 febrero 86 MPa (12.500 psi) 0.037 marzo 86 MPa (12.500 psi) 0.037 abril 86 MPa (12.500 psi) 0.037 mayo 103 MPa (15.000 psi) 0.024

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junio 103 MPa (15.000 psi) 0.024 julio 103 MPa (15.000 psi) 0.024 agosto 103 MPa (15.000 psi) 0.024 septiembre 103 MPa (15.000 psi) 0.024 octubre 103 MPa (15.000 psi) 0.037 noviembre 86 MPa (12.500 psi) 0.037 diciembre 86 MPa (12.500 psi) 0.037

Daños relativa media =

Reorganizar la ecuación de daño relativo y recibe

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5. BIBLIOGRAFIA

GUIA AASHTO TENAX, TDS006: Design Of Flexible Road Pavements With Tenax

Geogrids WHITE, George; http://pavementinteractive.org/