diseño de pavimento flexible y rígido

DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO Va Aeropuerto EL EDEN

1

DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RGIDO

LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ JESSYCA MAYA GAVIRIA

2012


2

DISEO DE PAVIMENTO FLLEXIBLE Y RIGIDO

LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ

JESSYCA MAYA GAVIRIA

PROGRAMA DE INGENIERA CIVIL

Armenia 2012


3

DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE Y RIGIDO

LINA MERCEDES MONSALVE ESCOBAR 1094914262 LAURA CRISTINA GIRALDO VASQUEZ 1094922194

JESSYCA MAYA GAVIRIA 41954362

REVISADO POR: ING. MARIA ROSA GUZMAN MELENDEZ TITULAR DE LA ASIGNATURA DE PAVIMENTOS

PROGRAMA DE INGENIERA CIVIL

Armenia 2012


4

TABLA DE CONTENIDO

PAG.

1. INTRODUCCIN 10

2. OBJETIVOS 11

2.1. Objetivo General 11

2.2. Objetivos Especficos 11

3. JUSTIFICACIN 12

4. ALCANCE 13

5. METODOLOGA 14

5.1. Mtodo AASHTO para el diseo de pavimentos flexibles 14

5.2. Mtodo racional para el diseo de pavimentos flexibles 14

5.3. Mtodo de la Portland Cement Association (PCA) 15

6. MARCO TERICO 16

6.1. Estudios geotcnicos 16

6.1.1. Caracterizacin geotcnica 16

6.1.1.1. Tamao de las partculas de suelo 16

6.1.1.2. Curva de distribucin granulomtrica 17

6.1.1.3. Consistencia del suelo 18

6.1.1.4. Clasificacin del suelo 18

6.2. Pavimentos 21

6.2.1. Clasificacin de los pavimentos 22 6.3. Diseo Marshall 26 6.4. Diseo de pavimentos rgidos de la Portland Cement Asociation (PCA) 27

6.5. Trnsito 28

6.5.1. Clculo del trnsito de acuerdo al manual de diseo de pavimentos

asflticos para vas con bajos volmenes de trnsito (INVIAS)

28

6.5.1.1. Niveles de trnsito 29

6.5.1.2. Componentes de trnsito 30

6.5.1.3. Determinacin del nivel de confianza en la proyeccin del trnsito 30

6.5.1.4. Conversin de vehculos a ejes equivalentes de 8.2 ton. Factores

de dao por tipo de vehculo

30

6.5.1.5. Trnsito en el carril de diseo en funcin de ancho de la calzada.

Factor direccional (Fd)

31

6.5.1.6. Trnsito acumulado en ejes equivalentes de 8.2 ton, en el carril

de diseo durante el periodo de diseo

31

6.5.1.6.1. Pronstico de la componente de trnsito normal 31

6.5.1.7. Pronstico de la componente de trnsito atrado 34

6.5.1.8. Pronstico de la componente de trnsito generado 34

6.5.2. Clculo del trnsito de acuerdo al manual de diseo de pavimentos de

concreto para vas con bajos, medios y altos volmenes de trnsito

(INVIAS)

35

6.5.2.1. Factor camin (Fc) 38

6.5.2.2. Cuantificacin del trnsito en una va 38

6.5.2.2.1. Trnsito promedio diario (TPD) 38


5

6.5.2.2.2. Periodo de diseo y vida til 38

6.5.2.3. Clasificacin de las vas 39

6.5.2.4. Asignacin del trnsito segn las caractersticas y el ancho de la

va

39

6.5.2.5. Porcentaje de vehculos para el carril de diseo 39

6.6. Ensayo California Bearing Ratio (CBR) 40

6.7. Modulo resiliente 41

6.8. Modulo de reaccin de la subrasante 42

6.9. Modulo dinmico Witczak 43

6.10. Leyes de Fatiga 44

7. DESARROLLO PRCTICO 47

7.1. Descripcin de la va 47

7.2. Estudio de trnsito 48

7.2.1. Trnsito pavimento flexible 48

7.2.2. Trnsito pavimento rgido 60

7.3. Evaluacin de suelos 68

7.3.1. Magnitud del estudio 68

7.3.1.1. Trabajo de campo 68

7.3.1.2. Caractersticas de los sondeos 68

7.3.1.3. Perfil estratigrfico 73

7.4. Caracterizacin estructura del pavimento 75

7.4.1. Subrasante 75

7.4.2. Subbase 76

7.4.3. Base 77

7.4.4. Carpeta asfltica 78

7.5. Diseo del pavimento flexible 82

7.5.1. Mtodo AASHTO 82

7.5.2. Mtodo racional 89

7.6. Diseo de pavimento rgido 94

7.6.1. Diseo de pavimento rgido mediante el mtodo PCA 94

8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 100

9. ANEXOS


6

LISTA DE TABLAS

PAG. Tabla 1. Lmites de tamao de suelos separados 17 Tabla 2. Sistema unificado de clasificacin; smbolos de grupo para suelos arenosos

19

Tabla 3. Sistema unificado de clasificacin, smbolos de grupo para suelos limosos y arcillosos

20

Tabla 4. Niveles de trnsito 28 Tabla 5. Factor dao por tipo de vehculo 30 Tabla 6. Trnsito por adoptar para el diseo segn el ancho de la calzada. Factor direccional (Fd)

30

Tabla 7. Valores del parmetro Zr (suponiendo una distribucin normal) 31 Tabla 8. Porcentaje de trnsito generado como funcin del trnsito normal 34 Tabla 9. Mximo peso por eje para los vehculos de transporte de carga 34 Tabla 10. Carga mxima admisible por vehculo 37 Tabla 11. Cargas patrn y exponenciales para el clculo del Factor de equivalencia

38

Tabla 12. Clasificacin de las vas 39 Tabla 13. Porcentaje de vehculos para el carril de diseo 40 Tabla 14. Valores de esfuerzo en la muestra patrn 41 Tabla 15. Clasificacin del suelo de acuerdo a los valores de CBR 41 Tabla 16. Periodo de diseo (en aos) recomendado 49 Tabla 17. Serie histrica y composicin del trnsito promedio diario semanal (TPDS) de la va Santander de Quilichao Te de Villa Rica, estacin 284

51

Tabla 18. Camiones de conteo total semanal y distribucin porcentual, ao 2008 51 Tabla 19. Factor direccional 53 Tabla 20. Factor carril para vas con diferentes nmeros de carriles 53 Tabla 21. Factor dao por tipo de vehculo 54 Tabla 22. Valores de trnsito equivalente diario 54 Tabla 23. Valores de trnsito equivalente diario calculado 56 Tabla 24. Clculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada ao de la serie histrica y el ao medio de dicha serie histrica

57

Tabla 25. Error pronstico para cada uno de los aos del periodo de diseo 57 Tabla 26. Valores del parmetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado 58 Tabla 27. Valores de correccin para cada ao del periodo de diseo 58 Tabla 28. Ejes equivalentes para todos los aos del periodo de diseo con confiabilidad del 90%

59

Tabla 29. Datos histricos de trnsito (estacin 284) 59 Tabla 30. Correccin de datos histricos 61 Tabla 31. Trnsito promedio diario semanal (TPDS) calculado 62 Tabla 32. Clculo de la sumatoria de las diferencias al cuadrado de cada ao de

la serie histrica y el ao medio de dicha serie histrica

63

Tabla 33. Error de pronstico para cada uno de los aos del periodo de diseo 64

Tabla 34. Valores del parmetro Zr que asegura el nivel de confianza deseado 65


7

Tabla 35. Valores de correccin para cada ao del periodo de diseo 65

Tabla 36. Ejes equivalentes para todos los aos del periodo de diseo, con

confiabilidad del 90%

66

Tabla 37. Nmero de repeticiones de carga 67

Tabla 38. Categoras de subrasante 75

Tabla 39. Datos de entrada para el mtodo de la AASHTO 83

Tabla 40. Niveles de confiabilidad recomendada por AASHTO 83

Tabla 41. Capacidad del drenaje para remover la humedad 84

Tabla 42. Valores mi recomendados para modificar los coeficientes estructurales

de capa bases y subbases sin tratamiento

84

Tabla 43. Datos para calcular espesores por mtodo AASHTO 87

Tabla 44. Espesores mnimos admisibles para las capas asflticas y la base

granular

87

Tabla 45. Espesores pavimento flexible AASHTO 89

Tabla 46. Caractersticas de las capas de la estructura del pavimento asfltico 89

Tabla 47. Coeficientes de Calage 91

Tabla 48. Caractersticas de las capas de la estructura del pavimento asfltico 92

Tabla 49. Comparacin de las deformaciones calculadas con las admisibles 94

Tabla 50. Influencia del espesor de la base en el valor de k 96

Tabla 51. Resistencia que debe alcanzar el concreto 96


8

LISTA DE FIGURAS

PAG. Figura 1. Curvas de distribucin del tamao de partculas (curvas granulomtricas)

17

Figura 2. Carta de plasticidad 21 Figura 3. Estructura tpica de un pavimento asfltico (flexible) 22 Figura 4. Estructura tpica de un pavimento rgido 23 Figura 5. Estructura tpica de un pavimento articulado 23 Figura 6. Esquema de clasificacin de vehculos 29 Figura 7. Representacin esquemtica de los vehculos de transporte de carga ms comunes en el pas

35

Figura 8. Esquematizacin de los diferentes tipos de ejes y su carga mxima 36 Figura 9. Porcentaje de camiones en el carril de diseo 40 Figura 10. Esquema de clasificacin de vehculos 49 Figura 11. Localizacin estaciones de conteo. Estacin 284 50 Figura 12. Perfil estratigrfico 73 Figura 13. Nomograma para calcular el coeficiente estructural de la subbase granular

76

Figura 14. Nomograma para calcular coeficiente estructural de la base granular 77 Figura 15. Indice de penetracin nomogramas Van Der Poel 78 Figura 16. Temperatura de mezcla 79 Figura 17. Nomograma para el clculo del modulo de rigidez de la carpeta asfltica

80

Figura 18. Nomograma para el calculo del modulo de rigidez de la carpeta asfltica

81

Figura 19. Coeficiente estructural de la carpeta asfltica 82 Figura 20. Relacin entre la clasificacin del suelo y los valores de CBR y K 95 Figura 21. Diseo de pavimento rgido espesor 263 (mm) 97 Figura 22. Repeticiones esperadas de ejes simples 97 Figura 23. Repeticiones esperadas de ejes tndem 98 Figura 24. Repeticiones esperadas de ejes tridem 98


9

LISTA DE IMGENES

PAG.

Imagen 1. Ubicacin va de estudio 47

Imagen 2. Va Santander de Quilichao Te de Villa Rica 48

Imagen 3. Nmero estructural 85

Imagen 4. Nmero estructural carpeta asfltica (SN1) 85

Imagen 5. Nmero estructural carpeta asfltica y base (SN2) 86

Imagen 6. Nmero estructural carpeta asfltica, base y subbase (SN3) 86

Imagen 7. Determinacin de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV

para la estructura diseada

89

Imagen 8. Esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseada

90


90

Imagen 10. Determinacin de esfuerzos y deformaciones en el programa DEPAV para la estructura diseada

92


93


93

LISTA DE GRFICOS

PAG.

Grafico 1. Variacin histrica de autos 51

Grafico 2. Variacin histrica de buses 52

Grafico 3. Variacin histrica de camiones 52

Grafico 4. Modelos de regresin 55

Grafico 5. Trnsito equivalente diario del periodo de diseo con confiabilidad de

90%

59

Grafico 6. Regresin lineal de la serie histrica del trnsito 61

Grafico 7. Regresin lineal de la serie histrica cde trnsito corregida 62

Grafico 8. Transito equivalente diario del periodo de diseo con confiabilidad de

90%

67


10

1. INTRODUCCION

El Municipio de Santander de Quilichao, est ubicado en Colombia, en el sector Norte del

Departamento del Cauca, a 97 Km al norte de Popayn y a 45 Km al Sur de Santiago de

Cali, Valle del Cauca Este sector de gran importancia para la comunicacin ya que

corresponde a una va indepartamental y municipal, lo que la convierte en una red vial de

gran importante para la economa y el desarrollo del pas.

Para garantizar que la va ofrezca un nivel de serviciabilidad adecuado que genere

bienestar, confort y seguridad tanto al comercio, al turismo y al transporte urbano, es

necesaria una va que se encuentre en buen estado y que se ajuste a las condiciones

tanto del trnsito, nivel de importancia y tipo de terreno.

Con el objetivo de conseguir una va que se acomode a las condiciones a la cuales es

sometida, se realiza un estudio para el diseo de una pavimento flexible con el mtodo de

la AASHTO y el mtodo racional, junto con un estudio de pavimento rgido por el mtodo

de la PCA.

El presente informe tiene como objetivo mostrar los diseos de los pavimentos rgidos

para un periodo de diseo de y flexibles con un periodo de diseo de 20 aos, para el

municipio Santander de Quilichao con un periodo de diseo, que permitan sustituir el

actual pavimento que no presenta condiciones adecuadas. Para esto l se hace necesario

un anlisis del trnsito proyectado a un periodo de diseo de 20 aos con conversin del

trnsito a ejes equivalentes , un estudio de geotcnico el cual se hace por medio de una

caracterizacin de los apiques que permiten determinar las condiciones de las

subrasante, incluyendo ensayos de consistencia, granulometra, CBR.


11

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GENERAL

Disear una estructura de pavimento rgido y flexible para 17 Km de la va que conduce de Santander de Quilichao Te de Villa Rica.

2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar las condiciones geotcnicas del terreno por medio de ensayos y

anlisis del suelo.

Por medio de apiques caracterizar la subrasante y las capas del terreno.

Determinar el tipo transito, volumen y las cargas a las que el pavimento ser

sometido durante el periodo de diseo.

Determinar los espesores de las capas del pavimento, por medio de los diferentes

mtodos de la AASHTO, mtodo racional, Marshall Shell y PCA

Determinar los materiales del diseo de pavimentos.


12

3. JUSTIFICACIN

El proyecto de diseo de la va Santander de Quilichao Te de Villa Rica, se realizara con

el fin de mejorar las condiciones de comunicacin intermunicipal en el departamento del

Cauca, e interdepartamental con el departamento del Valle del Cauca, debido a que es una

ruta de gran importancia para el desarrollo econmico del departamento.

Una evaluacin funcional realizada al pavimento existente en el tramo de va, hace notoria

la necesidad de realizar una evaluacin estructural del mismo. De la evaluacin estructural

se determin, que la estructura existente presenta elevados ndices de deterioro y no posee

vida residual; por lo que se recomienda la reconstruccin total, y la realizacin de un nuevo

diseo de pavimento, que proporcione seguridad y comodidad a los habitantes de la zona.


13

4. ALCANCE

El proyecto comprende el diseo de la estructura de pavimento para El proyecto

comprende el diseo de la estructura de pavimento para 17 Km de la va que conduce de

Santander de Quilichao Te de Villa Rica.

El diseo consiste en un pavimento flexible por los mtodos de la AASHTO y racional, y un

pavimento rgido por el mtodo PCA (Portland Cement Association). Los lineamientos que

se consideran para el diseo corresponden a los consignados en los manuales de diseo

de pavimentos del Instituto Nacional de Vas (INVIAS), para la realizacin de los estudios

de suelos, trnsito y la caracterizacin de la subrasante.

Para el diseo de la nueva estructura de pavimento no se modifica el diseo geomtrico de

la va, ni las caractersticas del trnsito de la misma.


14

5. METODOLOGA

5.1. MTODO AASHTO PARA EL DISEO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

El mtodo AASHTO-1993 para el diseo de pavimentos flexibles, se basa

primordialmente en identificar un nmero estructural (SN) para el pavimento, que pueda

soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el nmero estructural, el mtodo se

apoya en una ecuacin que relaciona los coeficientes , con sus respectivos nmeros

estructurales, los cuales se calculan con ayuda de un software, (AASHTO 93) el cual

requiere unos datos de entrada como son el nmero de ejes equivalentes, el rango de

serviciabilidad, la confiabilidad y el modulo Resiliente de la capa a analizar; esta ecuacin

se relaciona a continuacin:

Donde:

5.2. MTODO RACIONAL PARA EL DISEO DE PAVIMENTO FLEXIBLE

El mtodo racional consiste en asumir unos espesores para cada una de las capas de la

estructura del pavimento. A partir del mdulo resiliente y los espesores asumidos, se

caracterizan dichas capas. El mdulo resiliente se obtiene mediante la siguiente relacin:

Donde:

El mtodo racional, al igual que el mtodo de la AASHTO, se apoyan en modelos

computacionales, para determinar las deformaciones de la estructura del pavimento ante

las cargas de diseo. Para el mtodo racional se usar el DEPAV y se compararn los

resultados obtenidos, con las leyes de fatiga.


15

5.3. MTODO DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATION (PCA)

El propsito de este mtodo al igual que el de los anteriores es determinar los espesores

mnimos de pavimento que permiten optimizar costos en una obra.

Este mtodo consiste en una hoja de clculo que rene una serie de datos para el anlisis

de la estructura por fatiga y por erosin. El anlisis de fatiga se basa en el clculo de

esfuerzos por caga en el borde de las losas y el anlisis de erosin se basa en que la

deflexin mas critica ocurre en la esquina de la losa.


16

6. MARCO TERICO

6.1. ESTUDIOS GEOTECNICOS

Al evaluar un pavimento existente la exploracin del suelo y los ensayos de laboratorio

realizados a los distintos materiales utilizados en las capas del pavimento juegan un papel

muy importante, debido a que stos proporcionan informacin de gran valor a la hora de

tomar decisiones con respecto al estado en que se encuentran los materiales de la

estructura de pavimento.

Para la obtencin de la informacin geotcnica bsica de las propiedades del suelo,

deben efectuarse ensayos de campo y laboratorio que determinen su distribucin y

propiedades fsicas. Una investigacin de suelos debe comprender:

Determinacin del perfil del suelo: La cual consiste en ejecutar perforaciones en el

terreno, con el objeto de determinar la cantidad y extensin de los diferentes tipos

del suelo, la forma como estos estn dispuestos en capas y la determinacin de

aguas freticas. Lgicamente, la ubicacin, profundidad y nmero de perforaciones

deben ser tales que permitan determinar toda variacin importante de la calidad de

los suelos.

Toma de muestras de las diferentes capas de suelos: En cada perforacin deber

tomarse muestras representativas de las diferentes capas encontradas. Las

muestras pueden ser de dos tipos: Alteradas e inalteradas.

En vas se recomienda hacer sondeos con espaciamientos entre 350 y 600 m, teniendo

en cuenta las semejanzas del material a partir de uno de los cortes presentes.

En general, las muestras obtenidas sirven para determinar las propiedades y clasificacin

del material extrado valindose de los siguientes ensayos:

Humedad natural

Granulometra

Limites de consistencia.

Humedad Natural

6.1.1. CARACTERIZACIN GEOTCNICA

6.1.1.1. Tamao de las partculas de suelos

Los tamaos de las partculas que conforman un suelo, varan en un amplio rango. Los suelos, en general, son llamados grava, arena, limo o arcillas, dependiendo del tamao predominante de las partculas. La tabla 1 muestra los lmites de tamao de suelo


17

separado desarrollados por el Instituto tecnolgico de Massachusetts y la Asociacin de Funcionarios del Transporte y Carreteras Estatales (AASHTO).

Tabla 1. Lmites de tamao de suelos separados

Nombre de la organizacin Tamao del grano (mm)

Grava Arena Limo Arcilla

Instituto Tecnolgico de Massachusetts (MIT)

>2 2 a 0.06 0.06 a 0.002 2 2 a 0.05 0.05 a 0.002


18

6.1.1.3. Consistencia del suelo

Albert Mauritz Atterberg desarrollo un mtodo para describir la consistencia de los suelos

de grano fino con contenidos de agua variables a muy bajo contenido de agua, el suelo se

comporta mas como un slido frgil. Cuando el contenido de agua es muy alto, el suelo y

el agua fluyen como un lquido. Por tanto, dependiendo del contenido de agua, la

naturaleza del comportamiento del suelo se clasifica arbitrariamente en cuatro estados

bsicos, denominados slidos, semislido, plsticos y liquido.

Limite liquido (LL): Se define como el contenido de agua de un suelo fino, para el

cual su resistencia al corte es aproximadamente de 25 g/cm2

Limite platico (PL): Se define como el contenido de agua, en porcentaje, con el

cual el suelo, al ser enrollado en rollitos de 3.2 mm de dimetro, se desmorona. Es

el lmite inferior de la etapa plstica del suelo.

Limite de contraccin (SL): La masa de suelo se contrae conforme se pierde

gradualmente el agua del suelo. Con una prdida continua de agua, se alcanza

una etapa de equilibrio en la que ms prdida de agua conducir a que no haya

cambio de volumen.

6.1.1.4. Clasificacin del suelo

Los suelos con propiedades similares se clasifican en grupos y subgrupos basados en su

comportamiento ingenieril. Los sistemas de clasificacin proporcionan un lenguaje comn

para expresar en forma concisa las caractersticas generales de los suelos, que son

infinitamente variadas sin una descripcin detallada. Actualmente, dos sistemas de

clasificacin que usan la distribucin por tamao de grano y plasticidad de los suelos son

usados comnmente por los ingenieros de suelos. Estos son el sistema de clasificacin

AASHTO y el sistema unificado de clasificacin de suelos. Los ingenieros geotcnicos

usualmente prefieren el sistema unificado.

Sistema unificado de clasificacin de suelos

La forma original de este sistema fue propuesto por Casagrande en 1942 para usar en la

construccin de aeropuertos emprendida por el cuerpo de ingenieros del ejrcito durante

la segn guerra mundial. El sistema unificado de clasificacin se presenta en las

siguientes tablas; clasifica los suelos en dos amplias categoras:


19

1. Suelos de grano grueso, tipo grava o arenosos con menos del 50% pasando por

la malla No. 200. Los smbolos de grupo comienzan con un prefijo G o S.G

significa grava o suelo gravoso y S significa arena o suelo arenoso.

2. Suelos de grano fino, con el 50% o ms pasando por la malla No. 200. Los

smbolos de grupos comienzan con un prefijo M, que significa limo inorgnico, C

para arcilla inorgnica u O para limos y arcillas orgnicos. El smbolo Pt se usa

para turbas, lodos y otros suelos altamente orgnicos.

Otros smbolos son tambin usados para la clasificacin:

W: bien graduado

P: mal gradado

L: baja plasticidad (limite liquido menor que 50)

H: alta plasticidad (limite liquido mayor que 50)

Tabla 2. Sistema unificado de Clasificacin; smbolos de grupo para suelos arenosos


20

Tabla 3. Sistema unificado de Clasificacin, smbolos de grupo para suelos limosos y

arcillosos

Para la clasificacin apropiada con este sistema, debe conocerse algo o todo de la

informacin siguiente:

1. Porcentaje de grava, es decir, la fraccin que pasa la malla de 76.2 mm y es

retenido en la malla No. 4 (abertura de 4.75mm)

2. Porcentaje de arena, es decir, la fraccin que pasa la malla No. 4 (abertura de

4.75mm) y es retenido en la malla, No. 200 (abertura de 0.075mm)

3. Porcentaje de limo y arcilla, es decir, la fraccin de finos que pasan la malla No.

200 (abertura de 0.075 mm)

4. Coeficiente de uniformidad (Cu) y coeficiente de curvatura (Cz)

5. Limite lquido e ndice de plasticidad de la porcin de suelo que pasa la malla No.

40.

Los smbolos de grupo para suelos tipo grava de grano grueso son GW, GP, GM, GC,

GC-GM, GW-GM, GW-GC, GP-GM, y GP-GC. Similarmente, los smbolos de grupos para

suelos de grano fino son CL, ML, OL, CH, MH, OH, CL-ML y Pt.


21

Figura 2. Carta de plasticidad

6.2. PAVIMENTOS

Un pavimento est constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente

horizontales, que se disean y constituyen tcnicamente con materiales apropiados y

adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoyan sobre la

subrasante de una va obtenida por el movimiento de tierras en el proceso de exploracin

y que han de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del trnsito le

transmiten durante el periodo para el cual fue diseada la estructura del pavimento. Un

pavimento debe cumplir adecuadamente sus funciones deben reunir los siguientes

parmetros:

Ser resistente a la accin de las cargas impuestas por el transito

Ser resistente ante los agentes de intemperismo

Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de

circulacin de los vehculos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la

seguridad vial. Adems debe ser resistente al desgaste producido por el efecto

abrasivo de las llantas de los vehculos.


22

Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal,

que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en funcin de las longitudes

de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulacin.

Debe ser durable

Debe ser econmico

El ruido de rodadura, en el interior de los vehculos que afectan al usuario, as

como en el exterior, que influyen en el entorno, deber ser adecuadamente

moderado.

Deber poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramiento y ofrecer

una adecuada seguridad al trnsito.

6.2.1. CLASIFICACIN DE LOS PAVIMENTOS

En nuestro medio los pavimentos se clasifican en: pavimentos flexibles, semirrgido,

rgidos y articulados.

Pavimentos flexibles: Este tipo de pavimentos estn formados por una carpeta

bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rgidas, la base y la subbase. No

obstante puede prescindirse de cualquiera de estas dependencias de las necesidades

particulares de cada obra.

Figura 3. Estructura tpica de un pavimento asfltico (flexible)

Pavimento semirrgido: Aunque este tipo de pavimentos guarda bsicamente la misma

estructura de un pavimento flexible, una de sus capas se encuentra rigidizada

artificialmente con un aditivo que puede ser: asfalto, emulsin, cemento, cal y qumicos. El

empleo de estos aditivos tiene la finalidad bsica de corregir o modificar las propiedades

mecnicas de los materiales locales que no son aptos para la construccin de las capas

del pavimento, teniendo en cuenta que los adecuados se encuentran a distancias tales

que encareceran notablemente los costos de construccin.


23

Pavimento rgido: son aquellos que fundamentalmente estn constituidos por una losa

de concreto hidrulico, apoyada sobre la subrasante o sobre una capa, de material

seleccionado, la cual se denomina subbase del pavimento rgido. Debido a la alta rigidez

del concreto hidrulico as como de su elevado coeficiente de elasticidad, la distribucin

de los esfuerzos se produce en una zona muy amplia. Adems como el concreto es capaz

de resistir, en ciertos grados, esfuerzos a la tensin, el comportamiento de un pavimento

rgido es suficientemente satisfactorio aun cuando existan zonas dbiles en la subrasante.

La capacidad estructural de un pavimento rgido depende de la resistencia de las losas y

por lo tanto, el apoyo de las capas subyacentes ejerce poca influencia en el diseo del

espesor del pavimento.

Figura 4. Estructura tpica de un pavimento rgido

Pavimento articulado: los pavimentos articulados estn compuestos por una capa de

rodadura que est elaborada con bloques de concreto prefabricado, llamados adoquines,

de espesor uniforme e iguales entre s. Esta puede ir sobre una capa delgada de arena la

cual, a su vez, se apoya sobre la capa de base granular o directamente sobre la

subrasante, dependiendo de la calidad de esta y de la magnitud y frecuencia de las

cargas por dicho pavimento.

Figura 5. Estructura tpica de un pavimento articulado


24

Funciones de las capas de un pavimento flexible:

Subbase granular

Capa de transicin: la subbase bien diseada impide la penetracin de los

materiales que constituyen la base con los de la subrasante y por otra parte,

acta como filtro de la base impidiendo que los finos de la subrasante la

contaminen menoscabando su calidad.

Disminucin de la deformacin: algunos cambios volumtricos de la capa

subrasante, generalmente asociados a cambios en su contenido de agua

(expansiones), o a cambios externos de temperatura, pueden absorberse con

la capa subbase, impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la

superficie de rodamiento.

Resistencia: la subbase debe soportar los esfuerzos transmitidos por las

cargas de los vehculos a travs de las capas superiores y transmitidas a un

nivel adecuado de la subrasante.

Base granular

Resistencia: la funcin fundamental de la base granular de un pavimento

consiste en proporcionar un elemento resistente que transmita a la subbase y a

la subrasante los esfuerzos producidos por el transito en una intensidad

apropiada.

Carpeta Asfltica


25

Superficie de rodadura: la carpeta debe proporcionar una superficie uniforme y

estable al trnsito, de textura y color conveniente y resistir los efectos

abrasivos del trnsito.

Resistencia: su resistencia a la tensin complementa la capacidad estructural

del pavimento.

Impermeabilidad: hasta donde sea posible, debe impedir el paso del agua al

interior del pavimento.

Funciones de las capas de un pavimento rgido.

Subbase

La funcin ms importante es impedir la accin del bombeo en las juntas,

grietas y extremos del pavimento. Se entiende por bombeo a la fluencia de

materiales fino con agua fuera de la estructura del pavimento, debido a la

infiltracin de agua por las juntas de las losas. El agua que penetra a travs de

las juntas licua el suelo fino de la subrasante facilitando as su evacuacin a la

superficie bajo la presin ejercida por las cargas circulantes a travs de las

losas.

Servir como capa de transicin y suministrar un apoyo uniforme, estable y

permanente del pavimento.

Facilitar los trabajos de pavimento

Mejorar el drenaje y reduccin por tanto al mnimo la acumulacin de agua bajo

el pavimento.

Ayudar a controlar los cambios volumtricos de la subrasante y disminuir al

mnimo la accin superficial de tales cambios volumtricos sobre el pavimento.

Losa de concreto

Las funciones de la losa en el pavimento rgido son las mismas de la carpeta

en el flexible, mas la funcin estructural de soportar y transmitir en nivel

adecuado los esfuerzos que le apliquen.

Funciones de las capas de un pavimento articulado.

Base

Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura. Esta capa le da

mayor espesor y capacidad estructural al pavimento. Puede estar compuesta

por dos o ms capas de material seleccionado.

Capa de arena: es una capa de poco espesor, de arena gruesa y limpia que se

coloca directamente sobre la base; sirve de asiento a los adoquines y como

filtro para el agua que eventualmente pueda penetrar por las juntas entre estos.


26

Sellos de arena: est constituido por aren fina que se coloca como llenante de

las juntas entre los adoquines; sirve como sello de las mismas y contribuyen al

funcionamiento, como un todo, de los elementos de la capa de rodadura.

Factores a considerar en el diseo de pavimentos

El transito: interesa para el dimensionamiento de los pavimentos las cargas ms

pesadas por ejes esperados en el carril de diseo solicitado, que determinara la

estructura del pavimento de la carretera durante el periodo de diseo adoptado. La

repeticin de las cargas del trnsito y la consecuente acumulacin de

deformaciones sobre el pavimento son fundamentales para el clculo. A dems, se

deben tener en cuenta las mximas presiones de contacto, las solicitaciones

tangenciales en tramos especiales, las velocidades de operacin de los vehculos

y la canalizacin del trnsito etc.

La subrasante: de la calidad de esta capa depende en gran parte el espesor que

deber tener un pavimento, sea este flexible o rgido. Como parmetro de

evaluacin de esta capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia a la

deformacin por esfuerzo cortante bajo las cargas de transito. Es necesario tener

en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la

resistencia como a las eventuales variaciones de volumen de un suelo de

subrasante de tipo expansivo pueden ocasionar graves daos en las estructuras

que se apoyen sobre este, por esta razn cuando se construya un pavimento

sobre este tipo de suelos deber tomarse la precaucin de impedir las variaciones

de humedad del suelo para lo cual habr que pensar en la impermeabilizacin de

la estructura. Otra forma de enfrentar este tipo de suelo con algn aditivo, en

nuestro medios los mejores resultados se han logrado mediante la estabilizacin

de suelos con cal.

El clima: los factores que en nuestro medio ms afectan a un pavimento son las

lluvias y los cambios de temperatura. Las lluvias por su accin directa en la

elevacin del nivel fretico influyen en la resistencia, la compresibilidad y los

cambios volumtricos de los suelos de subrasante especialmente. Este parmetro

tambin influye en algunas actividades de construccin de capas granulares y

asflticas. Los cambios de temperatura en las losas de pavimentos rgidos

ocasionan en stas esfuerzos muy elevados, que en algunos casos pueden ser

superiores a los generados por las cargas de los vehculos que circulan sobre

ellas.

6.3. DISEO MARSHALL


27

El concepto del mtodo Marshall para diseo de mezclas de pavimentacin fue formulado

por Bruce Marshall, ingeniero de asfaltos del Departamento de Autopistas del estado de

Mississippi. El cuerpo de ingenieros de Estados Unidos, a travs de una extensiva

investigacin y estudios de correlacin, mejor y adicion ciertos aspectos al

procedimiento de prueba Marshall y desarrollo un criterio de diseo de mezclas.

El mtodo original de Marshall, slo es aplicable a mezclas asflticas en caliente para

pavimentacin que contengan agregados con un tamao mximo de 25 mm (1) o menor.

El mtodo modificado se desarroll para tamaos mximo arriba de 38 mm (1.5). Est

pensado para diseo en laboratorio y control de campo de mezclas asflticas en caliente

con graduacin densa. Debido a que la prueba de estabilidad es de naturaleza emprica,

la importancia de los resultados en trminos de estimar el comportamiento en campo se

pierde cuando se realizan modificaciones a los procedimientos estndar. El mtodo

Marshall utiliza especmenes de prueba estndar de una altura de 64 mm (2 ) y 102

mm (4) de dimetro. Se preparan mediante un procedimiento especfico para calentar,

mezclar y compactar mezclas de asfalto-agregado. (ASTM D1559). Los dos aspectos

principales del mtodo de diseo son, la densidad-anlisis de vacos y la prueba de

estabilidad y flujo de los especmenes compactados. La estabilidad del espcimen de

prueba es la mxima resistencia en N (lb) que un espcimen estndar desarrollar a 60C

cuando es ensayado. El valor de flujo es el movimiento total o deformacin, en unidades

de 0.25 mm (1/100) que ocurre en el espcimen entre estar sin carga y el punto mximo

de carga durante la prueba de estabilidad.

6.4. DISEO DE PAVIMENTOS RGIDOS DE LA PORTLAND CEMENT ASOCIATION

(PCA)

El procedimiento de diseo de la PCA est basado en informacin obtenida de diferentes

fuentes, incluyendo investigaciones, desarrollos tericos, ensayos de pavimentos a escala

real, y el monitoreo de la performance de pavimentos en servicio. Un programa de

investigacin llevado a cabo por la Portland Cement Association correlacion la

informacin de diseo de estas fuentes obteniendo como resultado un procedimiento

desarrollado nicamente para pavimentos suelo cemento.

Bases para el Procedimiento de Diseo de Espesores

Desde 1935 ms de 140,000 km de pavimentos suelo-cemento han sido construidos en

Norteamrica. La performance demostrada por estos pavimentos a travs de los aos

provee una valiosa informacin para el diseo, para los niveles de espesor que fueron

utilizados. La mayora de estos pavimentos en servicio son de 15 cm de espesor. Este

espesor ha probado ser satisfactorio para las condiciones de servicio de caminos


28

secundarios, calles residenciales y pistas de aterrizaje de trfico ligero. Algunos

pavimentos de 10 cm y 12.5 cm han sido construidos y han dado un buen servicio bajo

condiciones favorables de trfico ligero y fuerte resistencia del suelo. Muchos kilmetros

de pavimentos de 17.5 cm y 20 cm de espesor estn en servicio en caminos principales y

vas secundarias de alto trfico. Pavimentos con suelo cemento con espesores de 22.5

cm o mas no son numerosos, aunque algunos proyectos de aeropuertos han sido

construidos con espesores de hasta 40 cm. En carreteras interestatales en algunas reas

de trfico comparativamente ms bajos, un amplio rango de espesores de suelo cemento,

de 10 a 30 cm, han sido incorporados en la estructura total de los pavimentos. Se ha

obtenido tambin informacin valiosa de diseo de ensayos de caminos a escala real y de

investigaciones de laboratorio conducidas por universidades, departamentos de

carreteras, y por la Portland Cement Association.

Propiedades Estructurales Bsicas

Las propiedades estructurales del suelo-cemento dependen del tipo de suelo, condiciones

de curado, y edad. Los rangos tpicos para una amplia variedad de tipos de suelo-

cemento, a sus respectivos contenidos de cemento requeridos para durabilidad, son:

Tabla 4. Propiedades estructurales Bsicas

PROPIEDAD VALORES A 28 DAS

Resistencia a la compresin,

saturada 400 - 900 psi

Mdulo de ruptura 80 - 180 psi

Mdulo de elasticidad (mdulo

esttico a la flexin)

600,000 - 2000,000 psi

Relacin de Poisson 0.12 0.14^1

Radio de curvatura crtico^2, en

viga de 6 x 6 x 30 pulg 4,000 7,500 pulg.

6.5. TRANSITO.

6.5.1. CLCULO DEL TRNSITO DE ACUERDO AL MANUAL DE DISEO DE

PAVIMENTOS ASFLTICOS PARA VAS CON BAJOS VOLMENES DE TRNSITO

(INVIAS)


29

Para el dimensionamiento de los pavimentos interesan las cargas por eje esperadas en el

carril de diseo, estas me determinarn la estructura del pavimento para el periodo de

diseo adoptado. Es por esto que, probablemente, la variable mas importante en el diseo

de un pavimento de una va es el transito; ste se define como la determinacin del

nmero, tipo y peso de vehculos que transitan por determinada ella. Es necesario

cuantificar la variable transito existente ya que sta genera cargas y deformaciones

sobre el pavimento.

El Instituto Nacional de Vas INVIAS ha designado la siguiente terminologa para los

vehculos que circulan en el pas:

A: Vehculos livianos (automviles)

B: Buses

C: Camiones

Adems se ha clasificado el tipo de vehculos de acuerdo con el nmero y disposicin de

los ejes, como se muestra en la figura 6

Figura 6. Esquema de clasificacin de vehculos


30

FUENTE: Manual de diseo de pavimentos asflticos para vas con bajos volmenes de trnsito,

INVIAS

6.5.1.1. Niveles de trnsito

El Instituto Nacional de Vas (INVIAS) en su manual de diseo de pavimentos asflticos

para vas con bajos volmenes de trnsito clasifica el trnsito de diseo en dos niveles, en

funcin del nmero de ejes equivalentes de 8.2 ton previstos durante el periodo de diseo

en el carril. En la tabla 4 se indican las categoras adoptadas.


31

Tabla 5. Niveles de trnsito


INVIAS

6.5.1.2. Componentes de trnsito

Para cuantificar adecuadamente los volmenes de transito, se divide en:

Transito normal: Trnsito que circulara por la red si no se realizara el proyecto

Trnsito atrado: Trnsito que utilizar el proyecto, por las ventajas o beneficios

que ofrece.

Trnsito generado: Se origina por el proyecto debido a mejores condiciones de

oferta (trnsito nuevo por efecto del desarrollo del rea de influencia).

6.5.1.3. Determinacin del nivel de confianza en la proyeccin del trnsito

El proyectista deber considerar en el clculo del nmero de ejes equivalentes de 8.2 ton

para el diseo, el nivel de confiabilidad que considere pertinente.

En el caso en que existe serie histrica del trnsito, el modelo estadstico que se adopte,

a travs de los errores estndar del modelo y de prediccin para cada uno de los aos del

periodo de diseo, considerara la confiabilidad indicada por el proyectista.

6.5.1.4. Conversin de vehculos a ejes equivalentes de 8.2 ton. Factores de dao

por tipo de vehculo

Los factores de dao se indican en la tabla 5, y sern los que se debern aplicar para calcular los ejes equivalentes de 8.2 ton.

Tabla 6. Factor dao por tipo de vehculo


32


INVIAS

6.5.1.5. Trnsito en el carril de diseo en funcin del ancho de la calzada. Factor

direccional (Fd)

En la tabla 6 Se indica el factor direccional (Fd) por adoptar para el diseo segn el ancho

de la calzada.

Tabla 7. Trnsito por adoptar para el diseo segn el ancho de la calzada

Factor Direccional (Fd)


INVIAS

6.5.1.6. Trnsito acumulado en ejes equivalentes de 8.2 ton, en el carril de diseo

durante el periodo de diseo

6.5.1.6.1. Pronostico de la componente de trnsito normal

Cuando existe serie histrica de trnsito: Cuando en el tramo de va analizado se

encuentra una estacin de conteo de trnsito, con informacin continua de por lo

menos 5 aos. El procedimiento para la determinacin del trnsito normal se

describe a continuacin:

1. Identificacin de la serie histrica del trnsito en la estacin de conteo

seleccionada

2. Conversin de la serie histrica del trnsito a ejes equivalentes de 8.2 ton

Donde:


33

3. Anlisis estadstico de la serie histrica: se establecen los modelos de

crecimiento factibles para las condiciones del estudio.

4. Seleccin del modelo factible de crecimiento de trnsito: se acepta o rechaza

un modelo sobre la base de los resultados de los coeficientes estadsticos, del

anlisis de las variables independientes adoptadas y de consideraciones

acerca de las particularidades del proyecto.

5. Estimacin del trnsito proyectado para el periodo de diseo, en el carril de

diseo y considerando un nivel de confianza predeterminado.

a. Clculo del error estndar () del modelo de crecimiento del trnsito

seleccionado.

Donde:

b. Clculo del error estndar en la prediccin del trnsito, error de pronstico

( ao por ao en el periodo de diseo

(

Donde:

(


34

c. Clculo de los valores de correccin para el trnsito equivalente

proyectado en cada uno de los aos del periodo de diseo , con base

en el nivel de confianza deseado. En la tabla 7 se muestran los valores de

Zr para diferentes niveles de confianza

Tabla 8. Valores del parmetro Zr (suponiendo una distribucin normal)


INVIAS

d. Clculo del nmero de ejes equivalentes de 8.2 ton diarios, corregidos por

confiabilidad, en cada uno de los aos del periodo de diseo

Donde:

e. Clculo del nmero de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados durante el

periodo de diseo.


35

f. Clculo del nmero de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril

de diseo durante el periodo de diseo, por concepto de la componente

normal del trnsito.

6.5.1.7. Pronstico de la componente de trnsito atrado

Para iniciar la discusin de este tipo de anlisis, se debe estar seguro que el proyecto vial si ocasionar cambios en el comportamiento de los usuarios. Entre los mtodos para estimar el trnsito atrado, se cuentan los siguientes:

a. Estudio de origen y destino: Aplicacin de un estudio de origen y destino

que permita establecer los flujos entre pares origen-destino, flujos bsicos,

que en forma potencial, podran utilizar el proyecto en el futuro.

b. Estudio de utilizacin del proyecto por usuarios potenciales: Se lleva a cabo

a travs de una encuesta a usuarios potenciales, en las que se indaga si

haran uso o no del nuevo proyecto.

6.5.1.8. Pronstico de la componente de trnsito generado

Crecimiento que se presenta por el incremento que se presenta por el incremento

que en la produccin agrcola, pecuaria, minera, industrial, comercial o turstica

que se genera en una zona por la construccin de una nueva carretera o el

mejoramiento y/o pavimentacin de una va existente.

Cuando no se dispone de informacin detallada, se puede hacer uso de los

factores relacionados en la tabla 8, obtenidos del seguimiento a proyectos de

pavimentacin en vas de bajo transito en el pas.

Tabla 9. Porcentaje de trnsito generado como funcin del trnsito normal


36


INVIAS

6.5.2. CLCULO DEL TRNSITO DE ACUERDO AL MANUAL DE DISEO DE

PAVIMENTOS DE CONCRETO PARA VAS CON BAJOS, MEDIOS Y ALTOS

VOLMENES DE TRNSITO (INVIAS)

La determinacin de la variable trnsito se puede hacer con diferentes grados de

aproximacin. Las ms precisas parten del anlisis de registros histricos de conteos y

pesajes sobre la va que se va a pavimentar. Los conteos permiten que se haga una

proyeccin con la idea de que el trnsito pasado permite predecir el que pasar. Por su

parte los menos precisos se hacen teniendo en cuenta el ancho y el tipo de la va que se

tiene, o con base en algunas consideraciones acerca del servicio que va a prestar la va.

La clasificacin vehicular se acoge a los lineamientos regulativos de la regulacin 4100 de

2004, expedida por el Ministerio de Transporte. Los vehculos se clasifican as:

A: Automviles, camperos, camionetas y microbuses

B: Busetas y buses

C: Vehculos de carga

Los vehculos de carga se designan de acuerdo a la configuracin de sus ejes de la

siguiente manera:

Con el primer dgito se designa el nmero de ejes del camin o del tracto

camin

La letra S significa semirremolque y el dgito inmediato indica el nmero de sus

ejes

La letra R significa remolque y el dgito inmediato indica el nmero de sus ejes

La letra B significa el remolque balanceado y el dgito inmediato indica el

nmero de sus ejes

Figura 7. Representacin esquemtica de los vehculos de transporte de carga ms

comunes en el pas


37

FUENTE: Resolucin 4100 de 2004

En la tabla 9 se registra la carga mxima admisible para los vehculos ms comunes en el pas de acuerdo con la resolucin 4100 de 2004, en la figura 8 se indica la carga mxima para los ejes ms frecuentes

Tabla 9. Mximo peso por eje para los vehculos de transporte de carga


Figura 8. Esquematizacin de los diferentes tipos de ejes y su carga mxima


38


NOTA: Por ley, los vehculos deben cumplir simultneamente con las condiciones de

mxima carga vehicular y mximo peso por eje.

Los mtodos de diseo de pavimentos recurren a establecer un eje patrn, debido a la

gran cantidad de cargas que pueden circular por una va. El caso ms representativo (eje

patrn) es una carga de 8.2 ton para el eje sencillo de llanta doble.

La relacin que existe en el dao proporcionado al pavimento por el peso ejercido por una

carga cualquiera y el eje patrn, se determina a partir del factor de equivalencia.

Donde:


39

Tabla 10. Carga mxima admisible por vehculo


En la tabla 11 Se encuentran los valores de las cargas patrn y exponenciales para el

clculo del factor de equivalencia, dependiendo del tipo de eje, para un ndice de servicio

final de 2.5, aplicable para los pavimentos de concreto.

Tabla 11. Cargas patrn y exponenciales para el clculo del Factor de equivalencia

FUENTE: Manual de diseo de pavimentos de concreto para vas con bajos, medios y altos volmenes

de trnsito

6.5.2.1. Factor camin (Fc)

El factor camin se puede entender como el nmero de aplicaciones de ejes sencillos cargados con 8.2 toneladas que es necesario que circulen por un pavimento para hacer el mismo dao que un camin con una carga cualquiera. El factor camin equivale a la sumatoria de los factores de equivalencia calculados para cada eje. 6.5.2.2. Cuantificacin del trnsito en una va

6.5.2.2.1. Trnsito promedio diario (TPD)


40

El TPD se hace contando, durante un lapso establecido, todos los vehculos que pasan por una seccin de la va (todos los carriles y ambas direcciones), luego se saca un promedio diario que se conoce con el nombre de TPD. La informacin del TPD se refina estableciendo el porcentaje de vehculos clase A, B C.

6.5.2.2.2. Periodo de diseo y vida til

Por las caractersticas funcionales de los pavimentos de concreto, se recomienda que el periodo de diseo sea igual o superior a 20 aos. La vida til es el nmero de aos en que el pavimento est en condiciones de permitir la circulacin de los vehculos en unas condiciones buenas de operacin. 6.5.2.3. Clasificacin de las vas

Tabla 12. Clasificacin de las vas

CRITERIO DE CLASIFICACIN

CLASIFICACIN

Segn entidad territorial de que depende la va

Vas nacionales primarias (Vp)

Vas departamentales secundarias (Vs)

Carreteras municipales

terciarias (Vt)

Se pueden considerar como las carreteras ms

importantes y hacen parte de la red primaria de vas

Hacen parte de la red secundaria. Unen

municipios de uno o ms departamentos

Pueden unir dos o mas municipios isn

llegar a ser departamentales

Por sus caractersticas

Autopistas (AP) Carreteras multi

carriles (MC) Carreteras de dos direcciones (CC)

Vas en las que no se interrumpe el trnsito. Los vehculos pueden circular

en una direccin determinada, separados,

Vas divididas, con dos o ms carriles por

sentido, con control parcial o total de acceso y salida

Vas de dos carriles, uno por cada sentido de circulacin, con

intersecciones a nivel y accesos directos


41

por algn tipo de elemento fsico de los vehculos que

viajan en otra direccin, en dos o ms carriles

desde sus mrgenes.

Segn el ancho de la va

Estrechas (E) Medias (M) Anchas (A)

Ancho inferior a los 5m Ancho que va de 5m

a 6m

Pueden tener ms de dos carriles y cada uno de ellos tienen

ms de 3.5m de ancho

6.5.2.4. Asignacin del trnsito segn las caractersticas y el ancho de la va

En las carreteras de dos direcciones, la asignacin del trnsito para el carril de diseo depender del ancho de la va as:

Para vas estrechas: la totalidad del trnsito

Para vas de ancho medio: 75%

Para vas anchas: 50%

En la figura se tiene un grfico con el que se puede definir el porcentaje de vehculos

que circulan en el carril de diseo en funcin del trnsito promedio diario anual, sin tener

en cuenta los vehculos que tienen menos de 6 llantas.

6.5.2.5. Porcentaje de vehculos para el carril de diseo

Los factores de distribucin vehicular por carril se establecen en la tabla 13

Tabla 13. Porcentaje de vehculos para el carril de diseo


42

Figura 9. Porcentaje de camiones en el carril de diseo

6.6. ENSAYO CALIFORNIA BEARING RATIO (CBR)

La finalidad de este ensayo, es determinar la capacidad de soporte de suelos y agregados

compactados en laboratorio, con una humedad ptima y niveles de compactacin

variables. El ensayo mide la Resistencia al cortante (punzonamiento) de un suelo bajo

condiciones de humedad y densidad controladas, permitiendo obtener un % de relacin

de soporte.

El ensayo ms utilizado es el CBR, el cual representa la relacin, en porcentaje, entre el

esfuerzo requerido para penetrar un pistn a cierta profundidad dentro del suelo ensayado

y el esfuerzo requerido para penetrar un pistn igual, a la misma profundidad, dentro de

una muestra patrn de piedra triturada.

La muestra patrn fue elegida y ensayada por O.J. Poter, en California, en 1929,

presentando los siguientes esfuerzos para diferentes profundidades de penetracin del

pistn:

Tabla 14. Valores de esfuerzo en la muestra patrn


43

Para cada muestra preparada se debe dibujar una grafica relacionando esfuerzo vs

penetracin del pistn y se calcula el valor de CBR para penetracin de 0.1 (2.5mm) y

0.2 (5mm) con las siguientes expresiones

Los valores de ndice de CBR oscilan entre 0 y 100. Cuando mayor es su valor, mejor es

la capacidad portante del suelo. Valores por debajo de 6, deben descartarse

Tabla 15. Clasificacin y usos del suelo de acuerdo a los valores de CBR

CBR Clasificacin cualitativa del suelo Uso

2-5 Muy mala Sub-rasante

5-8 Mala Sub-rasante

8-20 Regular-buena Sub-rasante

20-30 Excelente Sub-rasante

30-60 Buena Sub-base

60-80 Buena Base

80-100 Excelente Base

6.7. MODULO RESILIENTE

El modulo resiliente se define, como aquel que relaciona las tensiones aplicadas y las

deformaciones recuperables (AASHTO, 1993). Se introdujo el termino modulo resiliente

como la relacin que existe entre la magnitud del esfuerzo desviador cclico en

comprensin triaxial y la deformacin axial recuperable (Rondon & Reyes 2007).

Matemticamente la ecuacin del modulo resiliente est dada por:

Donde:


44

Sobre las capas del pavimento se producen deformaciones permanentes y recuperables o

resilientes. Despus de un cierto nmero de ciclos de carga, el material tiende a poseer

casi en su totalidad deformaciones resilientes.

En la teora elstica tradicional el modulo de elasticidad (E) y la relacin de possion define

las propiedades elsticas de un material. Para describir el comportamiento recuperable de

un material sujeto a cargas cclicas cargado en un aparato triaxial se utiliza . El modulo

resiliente es no lineal y dependiente del esfuerzo

Factores que afectan el modulo resiliente

Como se ha observado en los estudios llevados a cabo sobre modulo resiliente, este

parmetro no es una propiedad constante del pavimento, sino que depende de muchos

factores.

Factores que afectan el modulo resiliente en pavimentos asfalticos

Existen diversos factores que afectan al modulo resiliente del pavimento asfaltico. A

continuacin se muestra un resumen de estos factores:

Nivel de esfuerzos

Frecuencia de carga

Contenido de betn

Tipo de agregado

Contenido de vacios

Tipo y contenido de modificadores

Tipo de prueba

Temperatura

6.8. MODULO DE REACCIN DE LA SUBRASANTE

Ensayo de placa

Modulo de reaccin de subrasante , se define como:

Donde


45

Los ensayos de placa de carga permiten determinar las caractersticas resistencia -

deformacin de un terreno. Consisten en colocar una placa sobre el suelo natural, aplicar

una serie de cargas y medir las deformaciones. El resultado del ensayo se representa en

un diagrama tensin deformacin.

A partir de este ensayo se pueden obtener numerosos datos entre los que se destacan:

Obtencin de la capacidad de carga del suelo para un asentamiento determinado

Determinacin del modulo de reaccin o coeficiente de balasto (K)

Determinacin de las caractersticas de la curva carga contra deformacin del

suelo

Realizacin de estudios sobre la estabilidad de pavimentos o bases de caminos ya

existentes.

La informacin proporcionada es posible usarla en la evaluacin y diseo de pavimentos

de tipo rgido o flexible de carreteras y aeropuertos y aplicarse tanto a suelos en estado

natural como compactados.

6.9. MODULO DINMICO WITCZAK

Se determina con la ecuacin predictiva de Witczak, la cual se basa en la frecuencia de

aplicacin de la carga, la composicin volumtrica de la mezcla compactada, la viscosidad

del ligante y la granulometra de los agregados

Donde:

La ecuacin de Witczak tambin puede ser expresada en la forma de una curva maestra,

como:


46

Conocida la viscosidad del ligante en cualquier instante ( ), el sistema determina el

modulo dinmico de la mezcla para cualquier tiempo de aplicacin de carga, tanto en la

ecuacin de la curva maestra, como en la ecuacin de Witczak, utilizando un valor

apropiado. Para ello, emplea una expresin obtenida en el sistema de envejecimiento

Global

6.10. LEYES DE FATIGA

En el modelo tradicional de fatiga las fisuras se originan en la fibra inferior de la mezcla

bituminosa (zona donde la tensin de traccin es mayor) y se propaga verticalmente hacia

la superficie del pavimento.

Dao por fatiga significa que un estado de tensin provocado por una solicitacin, muy

alejada del valor de rotura, llega a producir por acumulacin (es decir, por repeticin de la

solicitacin un nmero muy elevado de veces) el agotamiento del material, agotamiento

que se manifiesta por la fisuracin del mismo.

Ensayos de laboratorio han verificado que la relacin entre la deformacin, 1, (producida

por la solicitacin) y la duracin o vida de la fatiga del material representada por el nmero

N de veces que soporta la solicitacin antes de romperse por fatiga. y N estn ligadas

por la expresin:

Donde N representa el nmero de ciclos de carga hasta la fatiga del material al nivel de

deformacin , que es la deformacin unitaria de traccin (en micro deformaciones m/m)

y k1 y k2 constantes que describen el comportamiento a fatiga del material.


47

Numerosos estudios se han realizado para establecer que parmetros de la mezcla

intervienen de manera significativa en la determinacin de los valores de k1 y k2. Se ha

comprobado que estn principalmente afectados por:

El mdulo de la Mezcla

El contenido de betn

La viscosidad del betn (medida por el ndice de Penetracin, IP)

La granulometra y la naturaleza de los ridos

El contenido de aire (huecos en la mezcla)

La temperatura del pavimento

La acumulacin de dao de fatiga D en cada punto a lo largo de la carretera debido al

paso de los vehculos se estima mediante la aplicacin de la ley de Miner de acumulacin

lineal del dao.

Donde es el nmero de ciclos al nivel de deformacin i, es el nmero de

ciclos a rotura al nivel de deformacin y es el nmero de niveles diferentes de

deformacin.

Mtodos de estimacin de leyes de fatiga

La determinacin de la ley de fatiga de una mezcla bituminosa es una cuestin compleja que requiere muchos y costosos ensayos de laboratorio y calibraciones y calados posteriores del modelo in situ. Por ello se suele recurrir a los estudios genricos realizados por laboratorios nacionales o por organizaciones con grandes recursos. Para el caso que nos ocupa se describen los dos mtodos ms conocidos aunque solo se aplica el mtodo del Instituto del Asfalto para determinar las caractersticas de fatiga de la mezcla de Alto Mdulo.

El mtodo desarrollado por la SHELL.

La expresin simplificada que establece la SHELL para definir una ley de fatiga de una

mezcla bituminosa es:

Donde es el porcentaje de betn en volumen y es el mdulo de la mezcla en Mega

Pascales.

El mtodo anterior permite estimar el comportamiento a fatiga de cualquier tipo de Mezcla

bituminosa, incluidas las Mezclas de Alto Mdulo.


48

Mezcla convencional:

Mezcla alto modulo:

7. DESARROLLO PRCTICO


49

7.1. DESCRIPCION DE LA VIA

La va Santander de Quilichao - Te de Villa Rica est ubicada dentro del permetro rural

del departamento del Valle del Cauca, forma parte de la va que de Cali conduce al

municipio de Santander de Quilichao.

Las vas primarias, arterias principales son corredores viales que garantizan la integracin

de las principales zonas de produccin y consumo del pas. Las secciones transversales

de stas, permiten los desplazamientos de altos volmenes vehiculares.

Imagen 1. Ubicacin va de estudio

La va objeto de estudio, es una va arteria principal est compuesta por dos (2) carriles

cada uno de 4 metros (m).

Te de Villa Rica

Santander de Quilichao


50

7.2. ESTUDIO DE TRANSITO

Imagen 2. Va Santander de Quilichao-Te de villa Rica

Para el diseo de pavimentos es importante tener en cuenta elementos, entre los que se

cuentan como los ms importantes: la capacidad de soporte del suelo, el trnsito que

circular sobre la estructura durante su periodo de diseo, las condiciones climticas y los

materiales con que ser construida.

El trnsito es una de las variables ms determinantes y/o importantes en el diseo de una

estructura de pavimento o una va, ya que las dimensiones de los vehculos influyen en el

diseo geomtrico, mientras que el nmero de ejes y peso de estos son factores

determinantes para el diseo de la estructura.

7.2.1. TRNSITO PAVIMENTO FLEXIBLE

Estudio de volmenes vehiculares

Como parte de los resultados generados del anlisis de este estudio, se debe establecer

el volumen de vehculos que se movilizan y su distribucin por tipo de vehculo, con lo

cual es posible determinar la carga que debe soportar la estructura de pavimento durante

su periodo de diseo.

Te de Villa Rica

Santander de Quilichao


51

El periodo de diseo de la estructura de pavimento depende tanto de la categora de la

va, como del rango de trnsito promedio diario (TPD) inicial de la misma. A continuacin,

en la tabla 16 se muestran los valores de periodo de diseo recomendados por el Instituto

Nacional de Vas (INVIAS) para los pavimentos asflticos.

Tabla 16. Periodo de diseo (en aos) recomendado

La va Santander de Quilichao Te de Villa Rica, por ser una va arteria principal, se

considera en la categora I de la tabla anterior, por lo tanto, el periodo de diseo del

pavimento flexible toma como 20 aos.

Variables medidas

Para el estudio de volmenes vehiculares se hace mayor nfasis en la determinacin de la distribucin vehicular tpica de la zona y la estimacin del volumen de vehculos pesados, para lo cual se consideran los siguientes tipos:

Figura 10. Esquema de clasificacin de vehculos


52

FUENTE: manual de diseo de pavimentos asflticos para vas con bajos volmenes de trnsito

Series histricas

En la tabla 17 se presenta la informacin existente entre los aos 1997 y 2008 del Instituto Nacional de Vas (INVIAS), en la cual se presentan los datos de la informacin de la serie histrica y composicin del trnsito promedio diario semanal (TPDS) de la estacin 284, ubicada en la va Santander de Quilichao Te de Villa Rica. En la figura 11 se observa la localizacin de las estaciones de conteo.

Figura 11. Localizacin estaciones de conteo. Estacin 284


53

FUENTE: instituto nacional de vas, volmenes de trnsito

La tabla 17 muestra la informacin correspondiente al trnsito promedio diario semanal y el porcentaje de automviles, buses y camiones entre los aos 1997 y 2008, a partir de los cuales se puede determinar el porcentaje de crecimiento anual del trnsito y establecer mediante modelos matemticos de regresin, el comportamiento del flujo vehicular en aos futuros. Se presentan tambin, las grficas 1, 2 y 3 Con las variacin histrica del trnsito discriminadas por tipo de vehculo.

Tabla 17. Serie histrica y composicin del trnsito promedio diario semanal (TPDS) de la va Santander de Quilichao-Te de Villa Rica, estacin 284

AO TPDS AUTOS BUSES CAMIONES

% A % B % C

1997 5792 66 8 26

1998 7109 63 12 25

1999 6595 60 13 27

2000 6214 59 14 27


54

2001 5110 60 13 27

2002 5452 60 13 27

2003 6611 57 16 27

2004 5394 56 19 25

2005 7618 55 16 29

2006 9080 56 18 26

2007 9500 57 19 24

2008 8989 55 17 28

FUENTE: instituto nacional de vas, volmenes de trnsito

Tabla 18. Camiones de conteo total semanal y distribucin porcentual, ao 2008

CATEGORA VEHCULO

CANTIDAD PORCENTAJE

C2-P 4079 22.96%

C2-G 5271 29.67%

C3 Y C4 3674 20.68%

C5 2556 14.39%

>C5 2186 12.30%

FUENTE: instituto nacional de vas, volmenes de trnsito 2008

Grafico 1. Variacin histrica de autos

Grafico 2. Variacin histrica de buses

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

VO

LUM

EN

AO

VARIACIN HISTRICA DE AUTOS


55

Grafico 3. Variacin histrica de camiones

La informacin obtenida de las grficas anteriores sirve para establecer unos parmetros

iniciales que permiten evaluar el comportamiento de los volmenes de trfico sobre la va

Santander de Quilichao Te de Villa Rica; adems, para la proyeccin de los volmenes

y el clculo de las cargas mediante el mtodo de ejes equivalentes segn las series

histricas.

Calculo ejes equivalentes

Se hace la conversin de la serie histrica del trnsito a ejes equivalentes de 8.2 (Ton). El

clculo del nmero de ejes equivalentes de 8.2 (Ton) se realiza de la siguiente manera:

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

VO

LUM

EN

AO

VARIACIN HISTRICA DE BUSES

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

AO

VARIACIN HISTRICA DE CAMIONES


56

Donde:

Para determinar el factor direccional se toma como referencia el manual de diseo de

pavimentos asflticos para bajos volmenes de trnsito del INVIAS, donde se apoyan en

el ancho de calzada para determinar el (Fd) a utilizar.

Tabla 19. Factor direccional


Al tener la va un ancho de calzada mayor a 6m, el factor de direccin adoptado para el

clculo del nmero de ejes equivalentes a 8.2 Ton es de 0.5.

El factor carril se determina basado en la tabla 20 de la gua metodolgica para el diseo

de obras de rehabilitacin de pavimentos asflticos de carreteras, basado en el nmero

de carriles que presenta la va.

Tabla 20. Factor carril para vas con diferentes nmeros de carriles.


Al tener la va un carril por sentido, el factor carril adoptado para el clculo del nmero de

ejes equivalentes a 8.2 Ton es de 1.0.


57

Los vehculos por su variedad en tamao y configuracin de ejes, generan diferentes

efectos sobre la estructura del pavimento. Por esto, establecemos la proporcin como

factor del dao provocado por cada tipo de vehculo sobre la estructura.

Tabla 21. Factor dao por tipo de vehculo


NOTA: Los valores que se toman del factor dao, corresponden a los valores

consignados en la tabla anterior para cada vehculo cargado.

Tabla 22. Valores de trnsito equivalente diario

En la tabla 22 Se resumen los valores de trnsito equivalente en ejes simples de 8.2

toneladas calculados para cada ao de la serie histrica.

En la grfica 4 se observa un anlisis de regresin realizado a los datos de la tabla 22,

con el fin de determinar el modelo que mejor se ajuste al comportamiento de los datos de

trnsito equivalente observado.

AOAo Relativo

(ao-1996)

N 8.2 Ton (Diario

observado) Yi

1997 1 5212.637129

1998 2 6458.060861

1999 3 6473.05357

2000 4 6161.238542

2001 5 5015.512319

2002 6 5351.188486

2003 7 6687.087718

2004 8 5277.675693

2005 9 8186.181064

2006 10 9079.74467

2007 11 8995.52264

2008 12 9465.836247

diseño de pavimento flexible y rígido

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