Cálculo de recapeo según el método AASHTO 93

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CALCULO DE RECAPEO
METODO AASHTO 93
07PAVIMENTOS
Ing. Augusto García

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INTRODUCCIÓN
 Los métodos de rehabilitación de pavimentos
por colocación de una sobrecapa o recapeo
sobre la estructura existente son muy variados,
en función del tipo y deterioro de la estructura y
superficie existente y se tienen los siguientes
casos.
 AC sobre pavimento AC
 AC sobre pavimento fracturado de PCC
 AC sobre JPCP, JRCP o CRCP
 AC sobre AC/JPCP, AC/JRCP o AC/CRCP
 PCC con pasadores sobre pavimento PCC
 PCC sin pasadores sobre pavimento PCC
 PCC sobre pavimento de AC
INTRODUCCIÓN
 La versión de recapeos de la AASHTO 1986 tenia
muchas contradicciones y problemas
 Es por eso que la AASHTO la reformulo y modifico
para la guía de 1993
 Las siguientes abreviaturas fueron establecidas en
esta guía:
 AC = concreto asfaltico (también se le llama HMA)
 PCC = concreto de cemento Portland
 JPCP = pavimento de concreto simplemente unido
 JRCP = pavimento de concreto con uniones reforzadas
 CRCP = pavimento de concreto con refuerzo continuo
 AC/PCC = concreto de cemento Portland con recapeo de
asfalto

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Conceptos de diseño
 Un proyecto de recapeo puede incluir
secciones con longitudes de unos cuantos
metros a varios kilómetros
 Una pregunta crucial a preguntarse es como
se va a dividir el proyecto, ya que esto
determinara el espesor del recapeo para
cada sección
 Dos conceptos a explicar:
 Diseño de Recapeo del Proyecto
 Deficiencia Estructural
Diseño de Recapeo del proyecto
 Dos métodos utilizados, a ser seleccionados en
base a las condiciones especificas del proyecto.
 Método de la Sección Uniforme
 Método Punto por Punto

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Método de sección uniforme
 El proyecto se divide en secciones de
características relativamente uniformes
 Cada sección es considerada y diseñada de
manera independiente y luego el promedio de
todas las secciones se obtiene
 La división de secciones se puede hacer
 Según records históricos de comportamiento (preferido)
 Según relevamientos de fallas(no siempre suficientes) y
estructurales no destructivos:
○ Ensayos de deflexión
○ Condición de pavimento
○ Serviceabilidad
Método de punto por punto
 En vez de trabajar en secciones, se diseñan
recapeos para ciertos puntos con una frecuencia
determinada (por ejemplo, cada 300 pies o 10o
metros).
 Toda la información se consigue en ese punto, y se
realiza el calculo de rediseño.
 Se consiguen diseños por punto y se saca un
promedio a un cierto nivel de confiabilidad.
 Puntos que requieren recapeos mucho mayores al
promedio deberían ser evaluados en campo,
porque de repente requieren reparaciones
extensivas o reconstrucciones

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 El recapeo tiene como objetivo el corregir la
deficiencia estructural e incrementar su
habilidad de soportar cargas por un tiempo
determinado
 Se observa el
descenso de la
serviceabilidad con el
numero de
aplicaciones N
 La serviceabilidad se
puede reemplazar por
la capacidad
estructural
Deficiencia Estructural
 Para pavimentos flexibles, SC es el numero estructural SN
 Para pavimentos rígidos, SC es el espesor del pavimento D
 Para pavimentos compuestos, SC es un espesor equivalente
 El pavimento tiene un SCo
inicial que se deteriora y
llega a un SCeff después
de N repeticiones
 Se requiere proveer una
capacidad estructural
adicional SCOL, provisto
por el recapeo

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 La suma de este SCOL con el existente SCeff es equivalente a la
capacidad estructural Sf para el nuevo pavimento diseñado con el
modulo existente y para el trafico proyectado a resistir por el recapeo.
 La ecuación básica
para rediseño es la
mostrada 
 La AASHTO 93
recomienda:
 n = 2, recapeos
de concreto en
concreto sin
unión
 n = 1 para todos
los otros
pavimentos
Determinación del SCeff
 La parte mas complicada de diseñar un recapeo
es el determinar la SCEFF
 Se usan tres alternativas:
A. Relevamiento de condición visual y ensayo de
materiales
B. Ensayos de deflexión no destructivos
C. Vida remanente del daño por fatiga por el trafico.
 Los métodos no proveen resultados equivalentes,
así que se recomienda realizar los tres (mientras
se pueda) y decidir en base a experiencia el valor
apropiado.

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 Relevamiento Visual
 Incluye la revisión de toda la información relevante
(diseño, construcción e historia de mantenimiento)
 Relevamiento detallado identificando las fallas
existentes, ubicación, tamaño y severidad.
 También se debe levantar la información acerca del
drenaje y los problemas y ubicaciones donde se
pueden mejorar estas condiciones
A. Relevamiento visual y ensayo de materiales
 Ensayo de Materiales
 Diamantinas y otros ensayos que verifiquen / identifiquen
la causa de las fallas levantadas
 Si se realizan NDT, estos ensayos apoyan las
conclusiones de los NDT
 También sirve para determinar el espesor/condición de la
vía
 Las diamantinas también sirven para determinar las
condiciones de los materiales existentes y compararlos
con lo que se propone poner
 También sirve para ver cuan deteriorados han acabado los
materiales y si estos funcionaron como se esperaba

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 Ensayo de Materiales - Ensayos típicos:
 Granulometrías para identificar degradación y
contaminación de materiales granulares por finos
(en AC y PCC)
 Ensayos de extracción para determinar los
contenidos de ligante y granulometría de la mezcla
asfáltica (en AC)
 Determinar problemas de durabilidad del concreto
(en PCC)
 Para determinar el SNeff para pavimentos flexibles
se usa la siguiente ecuación:
 Los valores de m2 y m3 son idénticos a los usados
en diseño de pavimentos flexibles
 Dependiendo de las condiciones del pavimento, los
valores de “a” deberían ser menores que los
asignados a pavimentos nuevos.
 Valores recomendados en la tabla siguiente:

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A. RELEVAMIENTO VISUAL Y ENSAYO
DE MATERIALES  Para determinar el Deff para pavimentos rígidos se usa la
siguiente ecuación:
Donde:
 Fjc = Factor de ajuste por juntas y grietas
 Fdur = Factor de ajuste por durabilidad
 Ffat = Factor de ajuste por daño de fatiga
 El Fjc se puede determinar dependiendo del numero de
juntas transversales deteriorados y las grietas por milla (o
por km) siguiendo la grafica de la siguiente diapositiva

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 Se recomienda que todas las juntas dañadas y las grietas
y cualquier otra discontinuidad en la losa existente sean
reparados en toda su profundidad antes del recapeo, así
se haría que Fjc = 1
 El factor Fdur se aplica cuando hay problemas de
durabilidad o se observan agregados con problemas de
reacción. Valores recomendados de Fdur a continuación:

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 Los factores de
ajuste por daño por
fatiga se determinan
en base a la
extensión de
agrietamiento
transversal (JPCP,
JRCP) y de roturas
(CRCP) que son
causadas
principalmente por
cargas repetidas.
 Los ensayos no destructivos (NDT) son
diferentes entre pavimentos flexibles y los rígidos.
 Para los flexibles, los NDT son usados para
estimar el modulo resiliente de la base granular y
proveer una estimación directa del valor SNeff
 Para los rígidos, los NDT se usan para examinar
la eficiencia en la transferencia de carga en las
juntas y en las grietas, determinar los valores “k”
de la subrasante y E del concreto.
B. Ensayos no destructivos

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 Pavimentos Flexibles
 Se puede determinar el modulo de la subrasante utilizando
los métodos explicados en la clase anterior sobre NDTs
 De manera simplificada, usando la ecuación de
Boussinesq se puede decir:
dr = P (1 – υ2) / (π r MR)
Donde:
dr = deflexión de la superficie a una distancia r de la
carga
P = carga puntual
υ = modulo de Poisson
r = distancia a la carga
MR = modulo resiliente
 Si se asume que υ = 0.5, entonces
MR = (0.24 . P) / (dr . r)

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 De manera empírica, AASHTO recomienda corregir la
ecuación anterior con un coeficiente C = 0.33 o menor
para uso posterior en el método. Entonces la ecuación
se reescribe como:
MR = C (0.24 . P) / (dr . r)
 Para poder calcular el valor del modulo de la
subrasante, es necesario colocar el 5to sensor (grafica
anterior) lo suficientemente lejos como para que no
afecte el HMA ni la base, pero tampoco no muy lejos
como para que no se perciba deflexión alguna.
 La siguiente ecuación se usa para determinar el “r”
necesario
Donde: a = radio del plato de carga
D = espesor total encima de la subrasante
Ep = modulo efectivo de todas las capas
 Ep se calcula con la siguiente ecuación (grafica también):
Donde d0 = deflexión medida debajo del plato de carga

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 La ecuación anterior se puede resolver mediante
métodos iterativos y/o hojas de calculo
 Si a = 5.9 pulgadas (15 cm), AASHTO provee
una figura (mostrada en la siguiente diapositiva)
B. Ensayos no destructivos B. Ensayos no destructivos

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 Las graficas siguientes sirven para determinar:
 Factor de ajuste por temperatura para base
granulares o tratadas con asfalto (Figura 3.18)
 Factor de ajuste para bases tratadas con cemento o
puzolanicos (Figura 3.19)
que se tiene que aplicar al valor de d0 en el
proceso de calculo
Base Granular o Base
Tratada con Asfalto

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Base Tratada con Cemento o
Puzolanico
 Una vez que se determina el valor de Ep, se
puede calcular el valor de SNeff, por la siguiente
ecuación

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dr = P (1 – υ2) / (π r MR)
MR = (0.24 . P) / (dr . r)
La ecuación se puede resolver mediante
métodos iterativos y/o hojas de calculo
Si a = 5.9 pulgadas (15 cm), AASHTO
provee una figura (mostrada en la
siguiente diapositiva)
dr = deflexión de la superficie a una distancia r de la carga
 Se realiza un NDT en un pavimento flexible con un plato de
5.9 in (15 cm). El espesor del AC es de 4.25 in (10.8 cm) y la
base granular es de 8 in (20.3 cm).
 La temperatura del AC en el momento del ensayo es de 80F
 La carga total aplicada es de 9000 lb (40 kN)
 La deflexión en el centro del plato es igual a 0.0139 in (13.9
mil o 0.35 mm)
 La deflexión a 36 in (91 cm) del centro del plato es igual a
0.00355 in (0.09 mm)
 Calcular MR y SNeff

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 Usando la ecuación:
MR = C (0.24 . P) / (dr . r) y C = 0.33
 Entonces:
MR = 0.33 (0.24 . 9000) / (0.00355 . 36)
MR = 5580 psi (38.5 MPa) a usarse en AASHTO
 Usando C = 1.00
MR = 16900 psi
 d0 = 0.0139 que tiene que ser ajustado

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 Usando la ecuación:
MR = 16,900 psi
 d0 = 0.0139 que tiene que ser ajustado
Factor de ajuste = 0.92
d0 = 0.0139 x 0.92 = 0.0128 in (0.33 mm)
0.001 in = 1 mil
0.0128 in = 12.8 mils
 Para usar la grafica siguiente, se tiene que calcular el valor
(MR d0) / P = (16900 x 12.8) / 9000 = 24.0
D = 4.25 + 8 = 12.25 in
Ep / MR = 8.5
Ep = 8.5 x 16,900
Ep = 143,650 psi
SNeff = 0.045 x 12.25 x 1436500.33 = 2.88 que será usado en el diseño de recapeo

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 Y calculando r con la ecuación
 con los valores calculados se tiene
r = 0.7 x { (5.92) + [12.25 x (8.5)0.33]2}0.5 = 17.98 in
 Que esta bien por debajo de la distancia de 36” en la cual se
coloco el 5to geófono para determinar el modulo de la
subrasante
Pavimentos Rígidos
 Para poder calcular la eficiencia en la transferencia en las juntas y
grietas, se coloca el plato en un lado de la junta/grieta teniendo el borde
del mismo tangente a la junta/grieta
 Las deflexiones, una en el centro y otra a 12 pulgadas en el otro lado de
la junta/grieta, se miden y la eficiencia de transferencia se mide como:
ΔLT = 100B (Δul / Δt)
Donde:
ΔLT = Transferencia de carga en porcentaje
Δul = Deflexión en el lado NO cargado
Δt = Deflexión en el lado cargado
B = Factor de corrección por flexión de losa (valores típico de 1.05
a 1.15 son usados y se calculan ensayando en la mitad de la
losa)

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 Pavimentos Rígidos
ΔLT > 70, J = 3.2
50 < ΔLT < 70, J = 3.5
ΔLT < 50, J = 4.0
 Para calcular el valor de “k” y el de Ec, se puede usar las
figuras mostradas a continuación con la siguiente ecuación
Donde:
d0, d12, d24, d36 = deflexiones medidas a 0, 12, 24 y 36 in
del centro del plato de carga
AREA = en pulgadas y es el área de la base de deflexión

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 Pavimentos Rígidos - Ejemplo
Se realizo un ensayo con un FWD en un pavimento de concreto de 10”.
El plato de carga es de 5.9 in y la carga fue de 7792 lb. Los sensores
están ubicados a 0, 12, 24 y 36 in.
Las mediciones respectivas fueron 0.0030, 0.0028, 0.0024 y 0.0021 in.
Si el coeficiente de Poisson del concreto se asume como 0.15
Calcular k y Ec
Solucion:
AREA = 6 [1 + 2(0.0028 / 0.0030) + 2 (0.0024 / 0.0030) + (0.0021 /
0.0030) ] = 30.996

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k = 210
EcD3 = 6 x 109
Si D = 10 in
Ec = 6 x 106

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 Pavimentos Rígidos
k del NDT es el k dinamico
k estatico = k dinamico / 2
 La vida remanente (RL) se calcula (al 50% de confiabilidad) de la
siguiente manera:
RL = 100 ( 1 – Np / N1.5)
Donde:
Np = trafico que ha sobrellevado el pavimento al dia de hoy
N1.5 = trafico que se espera que el pavimento sobrelleve hasta llegar a
fallar (PSI = 1.5)
 Con RL conocido, se puede calcular una factor de condición CF de la
figura de la diapositiva siguiente y con eso se puede calcular
SCeff = CF x SCo
C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico

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 Ejemplo:
 Un pavimento de concreto de 10 in con un PSI inicial de 4.5
ha estado sujeto a 14.5 millones de 18-kip ESAL antes de
ser recapeado.
 Si k = 72 pci, Ec = 5 x 106 psi, Sc = 650, J = 3.2, y Cd = 1.0
 Determinar la capacidad estructural efectiva SCeff del
pavimento siguiendo el método de la vida remanente

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 Ejemplo:
 Np = 14,500,000
 N1.5 = ??
 Se calcula el N1.5 con el método AASHTO para pavimentos
rígidos con los datos provistos
R = 50% (Z = 0) So = N/A D = 10.0 in
ΔPSI = 4.5 – 1.5 = 3.0 Sc = 650 psi Cd = 1.0
J = 3.2 k = 72 pci Ec = 5 x 106 psi
N1.5 = 31.5 millones
k = 72 pci
Ec = 5 x 106 psi
Sc = 650 psi
J = 3.2
Cd = 1.0
ΔPSI = 3.0
D = 10.0 in
R = 50% (Z = 0)

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 Ejemplo:
 Np = 14,500,000
 N1.5 = 31,500,000
 RL = 100 (1 – Np / N1.5) = 100 (1 – 14500000/31500000) =
0.54
CF = 0.9

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 Ejemplo:
 Np = 14,500,000
 N1.5 = 31,500,000
 RL = 100 (1 – Np / N1.5) = 100 (1 – 14500000/31500000) = 0.54
 CF = 0.9
 SCeff = CF x SCo
 En pavimentos rígidos SC esta definido por el espesor D
 Entonces
Deff = CF x Do
9 = 0.9 x 10 …. Deff = 9 pulgadas
C. vida remanente después de daño de fatiga por trafico Análisis de capacidad estructural futura
 El objetivo principal de todo este análisis es determinar la capacidad
estructural total (SCf) que permita sostener un pavimento nuevo para Nf
repeticiones
 Esto se puede hacer tranquilamente con un rediseño para un pavimento
nuevo flexible o rígido, con algunas ligeras modificaciones para estos 7
casos

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Método de diseño de recapeo
 La guía AASHTO provee de procedimientos paso a paso para cada
uno de estos 7 casos de recapeo, incluyendo pasos para
 Análisis costo-beneficio
 Reparaciones antes del recapeo
 Control de reflexión de grietas
 Subdrenaje
 Diseño de espesores
 Estos pasos se repiten para cada caso, a pesar de ser casi idénticos.
 En la tabla anterior se puede observar si es que se calcular el diseño
con valores SN o D, y si se requiere NDT para determinar valores MR
o k, y que métodos se usan para calcular SCeff
CASO I: AC sobre AC
 El espesor requerido de recapeo DOL se puede calcular
con la siguiente ecuación:
DOL = SNOL / aOL = (SNf – SNeff) / aOL
Donde:
aOL = coeficiente estructural del material de recapeo
 Se sugiere utilizar los tres métodos (si esto se puede)
para calcular el SNeff y el valor mas apropiado usarse
según la experiencia ingenieril.

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 Ejemplo:
 Estructura Original
AC = 4.25 in Base = 8 in
 MR = 5634 psi (calculado vía NDT, arena limosa/arena
gravosa)
 Calcular el diseño de recapeo para que el pavimento
soporte 2,400,000 ESALs adicionales a un nivel de
confiabilidad de R = 50% para un So = 0.45, con p1 = 4.2,
p2 = 2.5
 Se sabe que el pavimento ya sostuvo Np = 400,000
ESALs, su a1 = 0.44, a2 = 0.14
 Considerar aOL = 0.44
CASO I: AC sobre AC
 Ejemplo:
 Calcular SNeff
Método NDT = 2.88 (ejemplo presentado anteriormente)
Método de relevamiento, usando tablas 13.7 presentado antes
a1 = 0.35 a2 = 0.14
m1 = 1.00 m2 = 1.00
SNeff = 0.35 x 4.25 + 0.14 x 8 = 2.61
Método de vida remanente
RL = 100 ( 1 – Np / N1.5)
Se necesita calcular N1.5, y se hace usando el nomograma
para pavimentos de asfalto, resultando N1.5 = 1,140,161
RL = 65, CF = 0.93, y SNeff = 0.93 x 2.99 = 2.78
CASO I: AC sobre AC

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N1.5 = 1.140 millones
 Ejemplo:
 Calcular SNeff
De los tres métodos se puede escoger cualquiera según la
experiencia, o ante la falta de la misma, se puede analizar los
resultados con los tres o el promedio
Si se usa el menor, 2.61, con el valor de aOL = 0.44
 DOL = SNOL / aOL = (SNf – SNeff) / aOL
 Falta calcular SNf
 Aplicando el nomograma para R = 95%, So = 0.45, p1 = 4.2, p2 =
2.5 y el trafico adicional de Nf = 2,400,000
 SNf = 4.69
 Entonces
 DOL = (4.69 – 2.61) / 0.44 = 4.73 in de AC sobre AC
CASO I: AC sobre AC

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CASO III: AC sobre PCC
 El espesor requerido para un recapeo de concreto
sobre concreto (con unión) se calcula como
DOL = Df - Deff
Donde
DOL = espesor del PCC
 Sin embargo, si el recapeo es con asfalto, el espesor
obtenido con concreto debe reconvertirse a un
espesor equivalente AC
DOL =A (Df - Deff)
Donde
A = factor de conversión entre los espesores de
concreto y asfalto
 Se uso el programa BISAR para calcular el valor de A en
base a los esfuerzos de tensión en la parte baja de la losa
 Se encontró que
A = 2.2233 + 0.0099 (Df – Deff)2 – 0.1534 (Df – Deff)
 Donde Deff se calcula por cualquiera de los métodos
previamente presentados

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 Ejemplo
 Recapeo de AC sobre un JRCP existente
 Losa de 10 pulgadas
 k = 150 pci, CBR = 5
 So = 0.35
 p1 = 4.2
 p2 = 3.0 al momento de decidir el recapeo
 J = 3.2
 Cd = 1.00
 Ec = 4 x 106 psi
 Sc = 650 psi
 Se requiere soportar 10,050,000 ESAL adicionales
 Ejemplo
 Recapeo de AC sobre un JRCP existente
 Losa de 10 pulgadas
 k = 150 pci, CBR = 5
 So = 0.35
 p1 = 4.2 p2 = 3.0 al momento de decidir el recapeo
 J = 3.2 Cd = 1.00
 Ec = 4 x 106 psi Sc = 650 psi
 Se requiere soportar 10,050,000 ESAL adicionales
 De un relevamiento en campo se encontro:
 Ffat = 0.98 Fdur = 0.98 Fjc = 0.95

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 Ejemplo
 Se requiere calcular
 Deff = D x Ffat x Fjc x Fdur = 10 x 0.98 x 0.95 x 0.98 = 9.12 in
 Se necesita Df
 Df se calcula del nomograma
DISEÑO - NOMOGRAMA
 R = 95% So = 0.35 D = 10.0 in
 ΔPSI = 4.2 – 3.0 = 1.2 Sc = 650 psi Cd = 1.0
 J = 3.2 k = 150 pci Ec = 4 x 106 psi

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DISEÑO -
NOMOGRAMA Df = 11.40
 R = 95%
 So = 0.35
 D = 10.0 in
 ΔPSI = 4.2 – 3.0 =
1.2
 Sc = 650 psi
 Cd = 1.0
 J = 3.2
 k = 150 pci
 Ec = 4 x 106 psi
 Se requiere calcular
 Deff = D x Ffat x Fjc x Fdur = 10 x 0.98 x 0.95 x 0.98 = 9.12 in
 Se necesita Df
 Df se calcula del nomograma = 11.40
 Se calcula DOL = Df – Deff
DOL = 11.40 – 9.12 = 2.28 in de concreto
 Aplicando la ecuación que modifica asfaltos en vez de
concreto
A = 2.2233 + 0.0099 (Df – Deff)2 – 0.1534 (Df – Deff)
A = 1.93
 Entonces
DOL = 1.93 x 2.28 = 4.4 in de AC

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