diseño de via rural
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CONSORCIO VIAS DE
OCCIDENTE
Presenta: CONSULTORIA Y CONSTRUCCIONES
COLOMBIA LTDA
01/09/2010
DISEÑO PAVIMENTO CENTRALIDAD - NAZARETH
CONSULTORIA Y CONSTRUCCIONES COLOMBIA LTDA
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1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 5
2. OBJETIVOS Y ALCANCES .................................................................................................... 5
2.1. OBJETIVOS ................................................................................................................. 5
2.1.1 Objetivo General ........................................................................................................ 5
2.1.2 Objetivos Específicos ................................................................................................. 5
2.2. ALCANCE ..................................................................................................................... 5
3. ESTUDIO GEOTÉCNICO. ...................................................................................................... 6
Tabla 2 Clasificación de las subrasante de acuerdo al IG............................................................. 7
3.1 Reemplazo de materiales de la Subrasante ................................................................ 10
3.1.1 Método de Ivanov ..................................................................................................... 10
3.1.2 Metodología AASHTO ........................................................................................... 11
4. TRANSITO ............................................................................................................................ 15
4.1 Transito Actual ............................................................................................................. 15
4.2 Transito atraído, transito generado, transito actual total ............................................. 15
4.3 Pronostico del Tránsito, proyecciones. ........................................................................ 17
4.3.1 Tasa de crecimiento ................................................................................................. 17
4.4 Volúmenes vehiculares ejes equivalentes a 8.2 ton. ................................................... 18
4.4.1 Volumen vehiculares ................................................................................................ 18
4.4.2 Numero de ejes equivalentes de 8.2 ....................................................................... 19
4.4.3 Encuesta – Carga Total ........................................................................................... 20
5. PERCENTIL DE DISEÑO - CBR DISEÑO ........................................................................... 21
6. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO. ............................................................ 22
6.1 DISEÑO PAVIMENTO FLEXIBLE. .............................................................................. 22
Procedimiento General ......................................................................................................... 23
6.1.1 PARÁMETROS DE DISEÑO. .................................................................................. 25
6.1.2 Verificación analítica ................................................................................................ 34
6.2 DISEÑO PAVIMENTO RIGIDO. .................................................................................. 41
6.1.3 PARÁMETROS DE DISEÑO ................................................................................... 41
Periodo de diseño ................................................................................................................. 41
Números de ejes equivalentes a 20 años ............................................................................ 42
Confiabilidad ......................................................................................................................... 42
Serviciabilidad ....................................................................................................................... 42
Error estándar combinado (So) ............................................................................................ 42
Factor de seguridad por transito ........................................................................................... 42
Coeficiente de drenajes ........................................................................................................ 42
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Coeficiente de transmisión de carga J ................................................................................. 43
Modulo de elasticidad del concreto ...................................................................................... 44
Factor de pérdida de soporte Ls ........................................................................................... 44
Modulo de reacción combinado de la subrasante ................................................................ 45
Modulo de rotura del concreto .............................................................................................. 46
6.1.4 Espesores de diseño ................................................................................................ 47
6.1.2 OTRAS CONSIDERACIONES DEL DISEÑO.............................................................. 48
Modulación de las losa ......................................................................................................... 48
Pasadores de transferencias juntas transversales de contracción ...................................... 48
Juntas longitudinales ............................................................................................................ 48
Esquemas explicativos ......................................................................................................... 48
7. CONCLUSIONES ................................................................................................................. 51
TABLAS
Tabla 1 Resumen ensayos geotécnicos ........................................................................................ 7 Tabla 2 Clasificación de las subrasante de acuerdo al IG............................................................. 7 Tabla 3 Características geotécnicas de los suelos de subrasante ................................................ 9 Tabla 4 Características cualitativas de los suelos de la subrasante ............................................. 9 Tabla 5 Calculo reemplazo IVANOV ............................................................................................ 11 Tabla 6 Coeficiente de drenaje AASHTO .................................................................................... 12 Tabla 7 Número estructural subrasante original .......................................................................... 13 Tabla 8 Numero estructural requerido con material de mejoramiento ........................................ 14 Tabla 9 Estimación del espesor de mejoramiento AASHTO ....................................................... 14 Tabla 10 TPDA de según a conteo .............................................................................................. 15 Tabla 11 Transito total ................................................................................................................. 17 Tabla 12 Tasa de crecimientos estudios Invias ........................................................................... 17 Tabla 13 Numero de vehículos anuales en el carril de diseño .................................................... 19 Tabla 14 Factor daño INVIAS ...................................................................................................... 19 Tabla 15 Numero de ejes equivalentes a 8.2 ton ........................................................................ 20 Tabla 16 Encuesta potenciales usuarios de la vía ...................................................................... 20 Tabla 17 Nomograma estimación modulo de reacción de la subrasante .................................... 21 Tabla 18 Parámetros para cálculo módulo elásticos mezcla asfáltica ...................................... 29 Tabla 19 Modulo de mezcla asfáltica metodología I.A. ............................................................... 29 Tabla 20 Coeficiente estructural AASHTO para subbase granular ............................................. 30 Tabla 21 Coeficiente estructural AASHTO para base granular ................................................... 31 Tabla 22 Coeficientes de drenaje adoptados .............................................................................. 32 Tabla 23 Aporte estructural de capas .......................................................................................... 33 Tabla 30 Deflexión Máxima Admisibles ....................................................................................... 39 Tabla 32 Deformaciones actuante – admisibles – factores de seguridad ................................... 41 Tabla 24 Coeficiente de drenaje .................................................................................................. 43 Tabla 25 Coeficiente de transferencia de carga .......................................................................... 43 Tabla 26 Factor de pérdida de soporte ........................................................................................ 45 Tabla 27 Diseño de estructura pavimento rígido ......................................................................... 47
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GRAFICAS
Grafica 1 Ubicación del proyecto ................................................................................................... 6 Grafica 2 Gradaciones estratos ..................................................................................................... 8 Grafica 3 Clasificación según Abaco de Casagrande ................................................................... 8 Grafica 4 Estructura de diseños Pavimento Asfaltico .................................................................. 34 Grafica 5 Sistema de falla por agrietamiento por tensión ............................................................ 36 Grafica 6 K combinado con aporte de la súbase ......................................................................... 46 Grafica 7 K combinado corregido por perdida de soporte ........................................................... 46 Grafica 8 Ubicación de pasador junta transversal de transferencia ............................................ 48 Grafica 9 Parrilla de soporte de pasadores ................................................................................ 49 Grafica 10 Junta de expansión .................................................................................................... 49 Grafica 11 Sello de junta .............................................................................................................. 50
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1. INTRODUCCIÓN
Se presenta el diseño de la estructura de pavimentos de una vía colectora la Cordialidad –
Nazaret, que unirá dos vías principales y particularmente la antigua vía al Mar. Esto en
cumplimiento de las obligaciones contractuales del Consorcio Vías de Occidente, quien
ejecuta para el Municipio de Medellín el proyecto Construcción de la infraestructura vial:
redes de servicios, vías de acceso y obras complementarias para los barrios Nazaret y
Chagualón y mejoramiento y construcción de vías en el barrio la Aurora, proyectos
ubicados en el plan parcial Pajarito en la ciudad de Medellín.
Se realiza el diseño de una en estructura en concreto asfaltico y concreto hidráulico,
considerando las variables de transito, geotecnia y medioambientales del caso.
La longitud de la vía es de aproximadamente 400m y un ancho de calzada de
aproximadamente 7.0 m.
2. OBJETIVOS Y ALCANCES
2.1. OBJETIVOS
2.1.1 Objetivo General
Presentar solución de diseño a la estructura de una vía de bajo volumen de transito
en el acceso a un centro de atención a ancianos.
2.1.2 Objetivos Específicos
• Calcular espesores de estructura de pavimento en concretos asfaltico y rígido.
• Determinar las obras complementarias necesarias para el buen funcionamiento del
sistema estructural
• Generar Conclusiones y recomendaciones constructivas.
2.2. ALCANCE
El diseño se circunscribe a una vía colectora y conectora de dos vías principales, con lo
cual se espera que el flujo vehicular sea considerable y de alta magnitud. En la grafica No.
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1 se observa la ubicación de la vía.
Grafica 1 Ubicación del proyecto
3. ESTUDIO GEOTÉCNICO.
La región se encuentra localizada en su mayor parte sobre la parte Occidental de la
ciudad de Medellín y la geomorfología del entorno es abrupta.
La geología de la región se caracteriza por la presencia de diferentes fallas geológicas
y es una zona compleja por la situación hidrogeológica, donde hay alta presencia de
aguas subsupeficiales y suelos residuales los cuales, en su gran mayoría, presentan
movimientos de reptación hacia los terrenos más bajos del Valle de Aburra.
Se efectuó tres (3) apiques cuyo objetivo principal fue caracterizar los materiales
existentes determinando sus espesores, clasificación geotécnica y resistencia al corte con
ensayo monotónico tipo CBR; además se corrió el PDC en dos sitios de la zona de la vía.
Por ser una vía nueva, sobre terreno natural inalterado y de origen residual se presenta
un solo estrato hasta el nivel requerido para la exploración geotécnica de obras viales.
La subrasante corresponde a suelos plásticos con alto contenido de humedad y baja
capacidad de soporte.
Por las características de humedad, plasticidad y capacidad de soporte
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Tabla 1 Resumen ensayos geotécnicos
Apique No.
Profundidad
Humedades CBR Clasificación
Limite Liquido
Limite Plástico
Humedad Natural
Humedad Natural
Saturado SUCS AASHTO Índice de grupo
1 0.4 67.3 41 46 2.38 1.8 MH A-7-5 26
1 1.5 80.22 61 62 MH A-7-5 16
2 0.4 59 48 52 2.16 1,8 MH A-7-5 16
2 1.5 79.6 54 30 MH A-7-5 30
3 0.4 69 46 45 2.26 1.7 MH A-7-5 15
3 1.5 55 39 23 MH A-7-5 19
De acuerdo al Índice de Grupo (IG) la AASHTO clasifica los suelos como subrasante de
muy baja capacidad soporte cómo se muestra en la Tabla 2.
Tabla 2 Clasificación de las subrasante de acuerdo al IG
En consecuencia y de acuerdo al IG, todos los estratos de fundación son muy pobres.
Se muestra algunas de las características geotécnicas de los suelos donde rombo y
cuadrado son los datos del AP1, circulo y triángulos corresponden a los datos del AP2 y
cruz al apique 3.
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Grafica 2 Gradaciones estratos
Grafica 3 Clasificación según Abaco de Casagrande
Los suelos presentan, en su estado actual, una potenciabilidad media a baja al
colapso, debido a su baja densidad seca y a las características de sus partículas.
La Tabla 3, muestra otros cálculos de las características geotécnicas de los suelos
encontrados en los apiques realizados.
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Tabla 3 Características geotécnicas de los suelos de subrasante
Cualitativamente en la tabla 4, se muestra las condiciones de los suelos de
fundación encontrados.
Tabla 4 Características cualitativas de los suelos de la subrasante
Se deduce, entonces, que los suelos de subrasante presentan una alta
sensibilidad a la compresibilidad, que podrían presentar efectos adversos por su
actividad de contracción y expansión, por lo que se requiere de reemplazos en en
la magnitudes necesaria para evitar las deformaciones de la estructura del
pavimento debido a la baja capacidad de absolver carga de estos suelos, y a sus
Sondeo / cata: 1 1 2 2 3 3
Profundidad inicial (m): 0.00 0.60 0.00 0.60 0.00 0.60
Profundidad final (m): 0.60 1.50 0.60 1.50 0.60 1.50
Profundidad media (m): 0.30 1.05 0.30 1.05 0.30 1.05
LL (%) 67.30 80.22 59.00 79.60 69.00 55.00
LP (%) 41.00 61.00 48.00 54.00 46.00 39.00
IP (%) 26.30 19.22 11.00 25.60 23.00 16.00
Humedad natural (%) 37.00 62.00 52.00 30.00 45.00 23.00
Densidad seca
(gr/cm3) 1.07 1.07 1.40 1.40 1.21 1.21
H/LL 0.55 0.77 0.88 0.38 0.65 0.42
H/LP 0.90 1.02 1.08 0.56 0.98 0.59
Colapsabilidad No colapsable No colapsable No colapsable No colapsable No colapsable No colapsable
2.58 2.53 2.58 2.53 2.58 1.07Indice de consistencia
Ic (C.R.)=
Indice de liquidez
IL=
Indice de compresión
Cc=
Contracción lineal
CL (%)=
2.000
-1.000
0.405
7.51212.347 9.023 5.164 12.019 10.798
0.516 0.632 0.441 0.626 0.531
-0.043-0.9380.3640.052-0.152
1.152 0.948 0.636 1.938 1.043
Sondeo / cata: 1 1 2 2 3 3
Profundidad inicial (m): 0.00 0.60 0.00 0.60 0.00 0.60
Profundidad final (m): 0.60 1.50 0.60 1.50 0.60 1.50
Profundidad media (m): 0.30 1.05 0.30 1.05 0.30 1.05
Consistencia Media Media media media media media
Consolidacion PreconsolidadoPreconsolidadoPreconsolidadoPreconsolidadoPreconsolidadoPreconsolidado
Compresibidad Alta Alta Alta Alta Alta Alta
Actividad contraccion - expansionAlta Alta Alta Alta Alta Alta
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características plásticas, así como a la hinchazón por absorción y retención de
agua.
3.1 Reemplazo de materiales de la Subrasante
3.1.1 Método de Ivanov
Debido a las características poco aptas de los materiales de subrasante y a la
necesidad de realizar reemplazo de los mismos por materiales de mejor
características geotécnicas y particularmente en lo que corresponde a la
plasticidad y sensibilidad a los cambios volumétricos, se debe determinar las
características del suelo de reemplazo y su espesor. Además la capacidad de
soporte de estos suelos es extremadamente baja (1.2% de valor de CBR) y los
principales manuales de diseños de pavimento establecen que el valor de CBR
mínimo a utilizar sea de 5% y mas permisiblemente el 3%, por lo tanto esta es otra
razón para establecer un material de reemplazo previo a desarrollar la estructura
del pavimento.
En el caso de diseño de estructuras con adoquines “Technical Memorando, Núm.
H6/78”, del Departamento de Transporte, recomienda que cuando el valor del CBR
de la sub-rasante sea menor de 5, se hagan reemplazo hasta obtener este valor
mínimo de capacidad de soporte. La técnica utilizada para determinar el material
de reemplazo será la determinada por IVANOV que se resume a continuación.
4. Calcular el modulo de la subrasante de acuerdo a las ecuaciones de
correlación más acertadas.
5. Establecer el valor del modulo del material combinado de acuerdo a la
necesidad del proyecto.
6. Asumir el espesor de la capa de mejoramiento
7. Calcular el modulo de la capa de mejoramiento en base al modulo de la
capa inferior y su espesor
8. Calcular el modulo combinado
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Donde:
a: radio de la huella en mm
Es: modulo de la subrasante (kg/cm2)
hm: espesor del reemplazo en cm
Em: modulo del material de mejoramiento (kg/cm2)
Ecc: modulo del sistema combinado (kg/cm2)
9. Comparar el valor del modulo combinado asumido con el modulo
calculado, si no está dentro de la tolerancia, se debe hacer nuevas
iteraciones.
Tabla 5 Calculo reemplazo IVANOV
CBR capa combinada 5 %
CBR subrasante 1.7 %
Modulo de la subrasante1 (Es) 170 Kg/cm2
Modulo de la subrasante2 (Es) 177.6 Kg/cm2
Modulo de la capa combinada requerida 504.2 Kg/cm2
Altura del reemplazo propuesta 40 cm
Modulo de capa de reemplazo (Em) 519.1 Kg/cm2
N 1.5629
A 107.6 mm
Modulo combinado calculado(Ecc) 451.7 Kg/cm2
De acuerdo a los cálculos la capa de reemplazo debe ser de mínimo 40 cm y el
material debe tener CBR mayor a 10%, con bajo índice de plasticidad el cual
máximo será del 6%, preferiblemente material NP producto de la explotación de
fuente aluvial, para disminuir los efectos adversos de los posibles cambios
volumétricos de los materiales inferiores. Además se debe disponer de una filtros
con capa inferior de geotextil no tejido NT – 2000 o similar.
3.1.2 Metodología AASHTO
A modo de comparación y control se presenta el cálculo del espesor de reemplazo
por metodología AASHTO – 93.
i. Número Estructural (SN), según AASHTO está dado por la siguiente ecuación:
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SNO = a1x D1 + a2 x D2 x m2 + a3 x D3 x m3
ii. Se añade a la ecuación SN la capa de subrasante mejorada, expresada en términos
de a4 x D4 x m4 , donde:
a4: Coeficiente estructural de la capa de subrasante mejorada, se recomienda la
siguiente ecuación, propia para los materiales de subbase donde Em es el modulo del
material de remplazo. Dadas las características del material a utilizar se puede afectar el
valor del coeficiente estructural por un factor de reducción.
D4 : Espesor de la capa de subrasante mejorada.
m4 : Coeficiente que refleja el drenaje de la capa 4, según la tabla 6 se determina el valor
de m4.
Tabla 6 Coeficiente de drenaje AASHTO
Nueva ecuación:
SNr = a1x D1 + a2 x D2 x m2 + a3 x D3 x m3 + a4 x D4 x m4
SNr = SN0 + a4 x D4 x m4
iii. Con los valores determinados a4 y m4, se puede calcular el espesor efectivo D4 de la
subrasante mejorada, con la siguiente expresión:
D4 = (SNr – SN0) / (a4 x m4)
SNr = Número estructural requerido del pavimento con subrasante regular, buena o muy
buena, según se requiera mejorar.
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SN0 = Número estructural del pavimento con subrasante muy pobre o pobre
El modulo resiliente de la subrasante se puede calcular con la formula de la
AASHTO, para CBR menores a 10% y suelos finos.
Mr(psi) = 1500CBR.
Y el Numero Estructural se establece resolviendo la ecuación de la AASHTO -93.
Bajo las condiciones prevista se tiene un CBR de la subrasante del 1.75% y se
pretende tener a nivel de la subrasante mejorada un CBR del 5%.
Los valores de los módulos de resiliencia son:
Mr1 = 2,625 psi
Mrm = 7,500 psi
El tránsito de diseño, de acuerdo al siguiente numeral es de 54,480 ejes
equivalentes a 8.2 ton.
Tabla 7 Número estructural subrasante original
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Tabla 8 Numero estructural requerido con material de mejoramiento
Tabla 9 Estimación del espesor de mejoramiento AASHTO
ACTUAL
Número de repeticiones de 8.2 ton 54,480
Periodo de diseño 10
CBR 1.75
Modulo de resiliencia (psi) 2,625
Numero estructural actual (SN) 5.09
MEJORAMIENTO
CBR mejoramiento 5
Modulo de resiliencia Mejoramiento(psi) 7,500
Numero estructural mejoramiento (SN) 3.6
Diferencia SN requerido 1.49
Coeficiente estructural mejoramiento a4 0.0806
Coeficiente de drenaje mejoramiento m4 1
Espesor mejoramiento (cm) 46.96
Espesor de reemplazo 47 cm.
Se asume el espesor de reemplazo en 40 cm de acuerdo a la metodología de
IVANOV.
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4. TRANSITO
La vía actual no presenta tránsito vehicular, se estima que en el futuro el transito que
tomaría la antigua vía al mar circule por esta vía colectora.
4.1 Transito Actual
De conteos recientes se tiene en la tabla No NN, el transito promedio actual. Por
no disponer de datos anteriores de conteo la fórmula de cálculo a utilizar es la
siguiente:
Donde:
TPDA: transito promedio diario anual
TPDS: transito promedio diario semanal
Zc: confiabilidad para el 95%.
s: Desviación estándar muestral
N: número de días al año
n: número de días de conteo
Tabla 10 TPDA de según a conteo
4.2 Transito atraído, transito generado, transito actual total
El transito atraído corresponde a la componente del tránsito actual, que utilizaría la
vía una vez estén dadas las mejoras sobre la mismas. En el caso de vías nuevas
esté componente del tránsito corresponde al tránsito estimado a utilizar la vía,
C2p C2g C3 C2-S2 C3-S2 C3-S3
Miercoles 04/08/2010 538 57 69 69 55 13 0 0 0 801
Jueves 05/08/2010 660 142 93 143 91 19 0 1 3 1152
Viernes 06/08/2010 550 78 95 147 106 18 1 1 2 998
Sabados 07/08/2010 655 107 155 113 78 14 1 1 1 1125
Domingo 08/08/2010 690 79 87 76 53 15 0 0 0 1000
Lunes 09/08/2010 654 101 104 157 45 19 2 1 1 1084
Martes 10/08/2010 654 123 98 67 39 21 1 2 2 1007
4401 687 701 772 467 119 5 6 9 7167
4621 721 736 811 490 125 5 6 9 7525
660 103 105 116 70 18 1 1 1 1075
59.34 29.13 26.61 39.5 25.25 3 0.76 0.69 1.11 116.52
704 124 125 145 89 20 2 2 2 1161TPDA confiabilidad 95%
FechaDia
Total Semana
Total semana expandido
Promedio semanal
Desviacion estandar
Total DiarioTractorcamionesCamiones
BusesBusetasAutos
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pero además podría estimarse un porcentaje de vehículos que cambiarían su
rutina de utilización de otras vías, por la vía nueva aun cuando el recorrido sea
mayor, pero con menor impedancia. Para el presente proyecto y de acuerdo a las
consideraciones establecidas en el presente estudio se estima que el transito
atraído corresponde al un porcentaje del 3%, considerado normal a bajo para este
tipo de mejoras en la movilidad vehicular.
Este transito generado corresponde al que se realiza únicamente por el hecho de
haber mejorado las condiciones de movilidad en la zona de influencia del nuevo
corredor vial.
La rectificación y pavimentación de un sector de la carretera ocasionará un
incremento de tránsito tan pronto la vía mejorada se dé al servicio, alguno estudios
establecen que este transito se da dos años después de terminadas las obras.
Este incremento se justifica porque los usuarios tienen menor resistencia
(impedancia) para realizar un viaje si el tiempo de viaje o su costo se disminuyen
con respecto a la vía existente que es de muy bajas condiciones. Este tránsito
generado se estima como un porcentaje de incremento con respecto al tránsito
existente del 5% al 25%1. Este porcentaje es mayor a medida que los tiempos de
viaje se reduzcan en más proporción con el uso del proyecto en comparación con
la vía existente. Igualmente, al mejorar las condiciones de transitividad, estimula la
generación de adquisición de vehículos por parte de los pobladores de la zona.
No hay datos que nos determinen en forma exacta estas características del
tránsito generado, por lo tanto la rata de crecimiento se debe estimar en base a la
rata de crecimiento de la población y a la situación socio- económico de la zona.
Considerando que el uso del suelo no cambia en la zona de influencia del proyecto
y que, que la rata de crecimiento de la población en el departamento es de 1.56%,
según el DANE y que la vía sirve a un núcleo de alta densidad se puede esperar
que el trafico generado sea de un mediano valor. En vías similares en las cuales se
han mantenido las estaciones de aforo en Antioquia, se ha detectado porcentaje
de transito generado del orden del 10% al 30%. No teniendo mayor información y
debido a la clasificación del tipo de vía considerando los proyectos viales y de
desarrollo comercial, turístico y urbanístico de la zona del proyecto, estimaremos
un porcentaje de tránsito generado del 10%.
Bajo las anteriores premisas en el Tabla 11, se muestra el transito actual total del proyecto. 1 Ingeniería de Transito Fundamentos y Aplicaciones Cal y Mayor – James Cardenas G
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Tabla 11 Transito total
4.3 Pronostico del Tránsito, proyecciones.
Los datos de proyección de tránsitos, generalmente son los más inciertos y que
generan mayor incertidumbre en un diseño de pavimento, por lo tanto,
normalmente, estos datos se tratan en base a análisis probabilísticos y
estadísticos.
Para el diseño de la estructura de pavimento en concreto asfaltico se utilizara un
periodo de diseño de 10 años y para la estructura de pavimento con concreto de
hormigón se proyecta con un periodo de diseño de 20 años.
4.3.1 Tasa de crecimiento
La tabla No. 12, muestra las tasas de crecimiento de vías nacionales de acurdo a un estudio realizado por la Ing. María Fernanda García A, en base a las series históricas del INVIAS. Tabla 12 Tasa de crecimientos estudios Invias
Se puede observar en las zonas en donde el TPD es medio entre 1000 y 2500, las
tasas de crecimiento para autos son altas (8,6%), moderadas para buses (3,99) y
muy variables para camiones (entre 2,89% y 6,39%) Considerando, en el proyecto,
C2p C2g C3 C2-S2 C3-S2 C3-S3
704 124 125 145 89 20 2 2 2 1161
21 4 4 4 3 1 0 0 0 35
70 12 13 15 9 2 0 0 0 116
795 140 142 164 101 23 2 2 2 1312
Descripcion Total Diario
TPDA confiabiliad 95%
Transito atraido 3%
Transito generado 10%
Total transito Actual
Autos Busetas BusesCamiones Tractorcamiones
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que la mejoras a la vía deben inducir a mayor utilización de la misma y además en
base a la mejora en las condiciones de seguridad en las vías nacionales y
regionales a la potenciabilidad comercial, turística y urbanisticas de la zona de
influencia, a que el PIB en el sector transporte ha aumentado considerablemente
(más del 8% anual) en años de no crisis, se tomara una tasa de crecimiento anual
acorde con el promedio de la rata de crecimiento de los camiones del 3.5%.
Esta rata de crecimiento, considera que la situación socio – económica del país,
mejorar en el mediano plazo.
4.4 Volúmenes vehiculares ejes equivalentes a 8.2 ton.
4.4.1 Volumen vehiculares
El volumen del tránsito vehicular esta dado por la siguiente expresión:
VT = TPDA*365*G*Fd*Fc
Donde:
VT: volumen total de vehículos que se esperan que operen en el periodo de
diseño, en el carril de diseño.
TPDA: Transito promedio diario anual
Fd: Factor direccional igual a 0.50
Fc: Factor carril igual a 1.0
G: Factor de crecimiento (1+r)n
n: Periodo de diseño
De acuerdo a esto el número total de vehículos en el periodo de diseño y en el
carril de diseño se muestra en la tabla No. 13
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Tabla 13 Numero de vehículos anuales en el carril de diseño
4.4.2 Numero de ejes equivalentes de 8.2
Las cargas vehiculares en el diseño del pavimento corresponden al número total
de ejes equivalentes a 8.2 ton en el periodo de diseño.
La tabla No. 14 muestra los factores daños establecidos para el INVIAS por la
Universidad del Cauca y de común utilización para mostrar el efecto daño de los
vehículos que operan en la red nacional de carreteras. Tabla 14 Factor daño INVIAS
C2p C2g C3 C2-S2 C3-S2 C3-S3
1 145,088 25,550 25,915 29,930 18,433 4,198 365 365 365
2 150,166 26,444 26,822 30,978 19,078 4,345 378 378 378
3 155,422 27,370 27,761 32,062 19,746 4,497 391 391 391
4 160,862 28,328 28,733 33,184 20,437 4,654 405 405 405
5 166,492 29,319 29,739 34,345 21,152 4,817 419 419 419
6 172,319 30,345 30,780 35,547 21,892 4,986 434 434 434
7 178,350 31,407 31,857 36,791 22,658 5,161 449 449 449
8 184,592 32,506 32,972 38,079 23,451 5,342 465 465 465
9 191,053 33,644 34,126 39,412 24,272 5,529 481 481 481
10 197,740 34,822 35,320 40,791 25,122 5,723 498 498 498
11 204,661 36,041 36,556 42,219 26,001 5,923 515 515 515
12 211,824 37,302 37,835 43,697 26,911 6,130 533 533 533
13 219,238 38,608 39,159 45,226 27,853 6,345 552 552 552
14 226,911 39,959 40,530 46,809 28,828 6,567 571 571 571
15 234,853 41,358 41,949 48,447 29,837 6,797 591 591 591
16 243,073 42,806 43,417 50,143 30,881 7,035 612 612 612
17 251,581 44,304 44,937 51,898 31,962 7,281 633 633 633
18 260,386 45,855 46,510 53,714 33,081 7,536 655 655 655
19 269,500 47,460 48,138 55,594 34,239 7,800 678 678 678
20 278,933 49,121 49,823 57,540 35,437 8,073 702 702 702
21 288,696 50,840 51,567 59,554 36,677 8,356 727 727 727
TractorcamionesId Autos Busetas Buses
Camiones
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La tabla No. 15 muestra el total de ejes equivalentes de 8.2 de cada año en el
periodo de diseño. Tabla 15 Numero de ejes equivalentes a 8.2 ton
De acuerdo a lo anterior para 10 años el número total de ejes equivalentes de 8.2 ton es de 1,839,210 y para 20 años de 4,433,623.
4.4.3 Encuesta – Carga Total
Debido a que la vía del proyecto está en etapa de construcción se realizó encuesta
para estimar los potenciales usuarios de la vía.
Tabla 16 Encuesta potenciales usuarios de la vía
C2p C2g C3 C2-S2 C3-S2 C3-S3
1 7,665 25,915 34,120 63,410 15,784 1,248 1,606 1,723
2 7,933 26,822 35,315 65,628 16,337 1,293 1,663 1,784
3 8,211 27,761 36,551 67,926 16,909 1,337 1,720 1,846
4 8,498 28,733 37,830 70,303 17,499 1,385 1,782 1,912
5 8,796 29,739 39,153 72,763 18,112 1,433 1,844 1,978
6 9,104 30,780 40,524 75,308 18,747 1,484 1,910 2,048
7 9,422 31,857 41,942 77,944 19,405 1,536 1,976 2,119
8 9,752 32,972 43,410 80,671 20,086 1,590 2,046 2,195
9 10,093 34,126 44,930 83,496 20,789 1,645 2,116 2,270
10 10,447 35,320 46,502 86,420 21,518 1,703 2,191 2,351
11 10,812 36,556 48,130 89,443 22,270 1,761 2,266 2,431
12 11,191 37,835 49,815 92,574 23,049 1,823 2,345 2,516
13 11,582 39,159 51,558 95,814 23,857 1,888 2,429 2,605
14 11,988 40,530 53,362 99,168 24,692 1,953 2,512 2,695
15 12,407 41,949 55,230 102,639 25,557 2,021 2,600 2,790
16 12,842 43,417 57,163 106,231 26,452 2,093 2,693 2,889
17 13,291 44,937 59,164 109,949 27,377 2,165 2,785 2,988
18 13,757 46,510 61,234 113,799 28,335 2,240 2,882 3,092
19 14,238 48,138 63,377 117,782 29,328 2,319 2,983 3,200
20 14,736 49,823 65,596 121,903 30,354 2,401 3,089 3,313
21 15,252 51,567 67,892 126,169 31,419 2,486 3,199 3,431
Busetas BusesCamiones Tractorcamiones
Id
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En base a eso el número de ejes equivalentes de 8.2 ton que utilizaran la vía son
los siguientes:
Para un periodo de diseño de 10 años: 1,612,053
Para un periodo de diseño de 20 años: 3,886,044
5. PERCENTIL DE DISEÑO - CBR DISEÑO
Los diseños se realizaran con metodología AASTHO – 93, con lo cual la unidad
homogénea de diseños, que en este caso por la longitud del proyecto es única, se
caracteriza con el promedio del CBR.
CBR promedio: 1.75%.
Dadas las condiciones de capacidad de soporte del suelo de la subrasante, a la
necesidad de hacer reemplazos con materiales de mejores condiciones
geomecanicas, a que el área a pavimentar es relativamente pequeña y que solo se
realizaron tres apiques, se adopta como resistencia de diseño el correspondiente al
modulo combinado de 504.2 kg/cm2 o un la CBR del 5%, lo anterior determina
coeficiente de reacción de la subrasante de 4.0 kg/cm2/cm
Tabla 17 Nomograma estimación modulo de reacción de la subrasante
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K=4.0 kg/cm2/cm
6. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO.
6.1 DISEÑO PAVIMENTO FLEXIBLE.
Actualmente existen un sinnúmero de metodología de diseños dentro de las
cuales se califican como empíricas o mecanicistas, dependiendo de los insumos
que utilizan para establecer algunas variables de diseño y de la forma como se
obtiene el resultado final de los espesores de la estructura y de su características
de comportamiento mecánico, cuando estas se pueden establecer.
En el país el INVIAS ha establecido Manuales de Diseño para pavimentos,
distinguiendo el rango de carga esperado en el periodo de diseño, estos tienen
como plataforma el método AASHTO – 93 y las condiciones regionales de clima,
carga y tipo de materiales viales. La tendencia moderna es a utilizar métodos
mecanicistas y sistemas de diseños como el AASHTO 2002, donde,
dependiendo del nivel de detalle de la información primaria, se utilizan sistemas
mecánicos multicapas basados en las ecuaciones de Boussinesq de 1885 y
refinadas las soluciones posteriormente por Burmister en 1945.
La metodología a utilizar en este diseño corresponde a la establecida por la
AASTHO -93 y actualizada o complementada en el año de 1998. Posteriormente
se hace un análisis mecánico de la estructura diseñada, para determinar si
cumple con los esfuerzos y deformaciones admisibles de las funciones de
transferencias como la de la Shell de acuerdo a consideraciones
medioambientales predominantes en la zona del proyecto. Además se chequera
la deflexiones máximas en base a datos tomados en forma experimental y
reseñada en la literatura técnica.
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Procedimiento General
El diseño estructural se basa en la determinación de los números estructurales
de las distintas capas del pavimento, considerando las condiciones de drenaje
(coeficiente mi, el aporte estructural de los materiales (coeficiente ai) y los
espesores de las capas estructurales (Di).
SN=a1*D1+a2*m2*D2+a3*m3*D3+a4*m4*D4
SN = SN1+SN2+SN3+SN4
Donde SN1 corresponde a la carpeta asfáltica, SN2 a la base granular, SN3 a
subbase granular y SN4 a los materiales granulares remanentes u otra capa de
material de aporte. La ecuación anterior no determina una solución única; de las
posibles combinaciones de espesores se debe escoger la solución más viable
desde el punto de vista técnico y económico.
El número estructural SN se debe calcular con la ecuación modificada de la
AASTHO:
07.8log32.2)1/(10944.0
))5.12.4/(log(20.0)1log(36.9log
19.5018
RR M
SN
PSISNSZW
El procedimiento para determinar los espesores de diseño usualmente inicia con
las capas superiores.
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FIGURA 2. Esquema general de diseño
Fuente: elaboración propia
1.0 Usando E2 como MR se determina el SN1, necesario sobre la base granular y
se calcula el espesor de la carpeta asfáltica.
1
11
a
SND
2.0 Usando E3 como MR se determina el SN2, necesario sobre la subbase
granular y se calcula el espesor de base granular.
22
1122
ma
DaSND
3.0 En base al módulo resiliente de la subrasante MR, se resuelve la ecuación de
la AASHTO y se determina SN3 y con esto el espesor de la capa de subbase.
33
2221133
ma
mDaDaSND
Anotamos aquí, que es técnicamente inadecuado, cuando se sique el proceso de
diseño, disminuir o modificar los espesores de la estructura obtenida en el
diseño, por consideraciones de análisis con otros sistemas de diseño o de
comprobación. Se aceptan ajustes de espesores en base a redondeo de los
espesores de acuerdo a secciones técnicamente construibles. Los espesores
obtenidos por el método AASHTO son llamados por algunas personas
“económicamente desbalanceados”, por lo cual manipulan el espesor del
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concreto asfáltico a valores mínimos, lo cual es violatorio del análisis de capas y
constituye un diseño viciado. Esto se encuentra con frecuencia en publicaciones
publicitarias sobre productos para la estabilización o el refuerzo de algunos
componentes de los pavimentos2.
6.1.1 PARÁMETROS DE DISEÑO.
Los parámetros de diseños básicos son:
6.1.1.1 Modulo de la Mezcla Asfáltica
Carpeta asfáltica: dada las condiciones climáticas y de trafico de la región se
debe garantizar un adecuado comportamiento de la carpeta asfáltica, y cumplir
con lo establecido en la especificación 450-07 del INVIAS. Se recomienda, en lo
posible y si se considero inicialmente utilizar asfaltos de penetración 60 -70 con
respecto a las deformaciones plásticas permanentes.
Cemento asfaltico:
Penetración a 25ºC, 199g y 5 s : 70 (0.1mm)
Punto de ablandamiento: 48 ºC
Índice de penetración (IP): -0.82
Pérdida de masa por calentamiento en película delgada: 0.29
Penetración del residuo después de calentamiento % de penetración original: 39
Mezcla densa en caliente:
Contenido optimo de asfalto: 5%
Peso unitario compacto: 2.403 kg/cm3
2 Curso de Actualización en Pavimentos – Ing. Luis Ricardo Vásquez Varela - 2002.
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Estabilidad 1,236 kg
Fluencia: 2.9 mm
Huecos en agregados minerales: 15.1%
Huecos llenos de asfaltos: 70%
Volumen de asfalto (Vb): 10.51%
Volumen de agregados (Vg): 85.03%
Volumen con aire (Va): 4.46 %
Pasa tamiz No. 200: 6%
Modulo de la mezcla asfáltica – coeficiente estructural
Para determinar el numero estructural de la mezcla asfáltica se requiere conocer
el modulo elástico de la carpeta asfáltica a 20ºC.
Donde Eca, es el modulo elástico de la mezcla asfáltica a 20ºC y el coeficiente
estructural de esta debe ser mayor a 0.20 y menor a 0.44.
Se adopta la metodología propuesta por el Instituto del Asfalto para determinar el
valor del modulo elástico de la mezcla a la temperatura de 20ºC y a la
temperatura de operación de la vía.
110*00,100* E
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1.1
2231 00189.0000005.0 f
55.0
42
T
02774.01703.0
2003 931757.0070377.003476.0)(028829.0553833.0 fVfP a
bV483.04
flog49825.03.15
1939.2
º77 )(2.508,29 FP
Donde: b1 a b5 son variables temporales f : frecuencia en Hz T: es la temperatura del pavimento en ºF l: es la viscosidad del asfaltos a 70ºF P77ºF: Penetración en asfalto original a 77ºF P200: es el pasa 200 de la gradación de la mezcla. Va: es el volumen de los huecos con aire. Vb: es el volumen de asfalto. IE*I: es el modulo de la mezcla asfáltica en psi.
Temperatura de las mezclas asfálticas (Tmix): se considera que las variaciones de
la temperatura de la zona del proyecto tienen influencia directa sobre las
características mecánicas y dinámicas de los materiales asfálticos (modulo de
elasticidad dinámico). La temperatura media anual ponderada del aire en el
sector de influencia es de 21 °C.
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FIGURA 3. Temperatura de la mezcla asfáltica
Fuente: Teoría de los Pavimentos Tomo I. H. L. Arenas
Tmix = 31 ºC Índice de penetración y temperatura T800 del asfalto: Utilizando asfalto de
Barrancabermeja el cuales tiene las siguientes características reportadas de
ensayos elaborados por Corasfaltos:
Penetración: 70 0.01 mm
Punto de ablandamiento: 48 °C
Índice de penetración: –0.82
Penetración al asfalto envejecido TFOT(0.1 mm): 45
Para la mezcla de la planta del proyecto tenemos:
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Tabla 18 Parámetros para cálculo módulo elásticos mezcla asfáltica
Parámetro Valor
Volumen de vació (Vv) % 4.5
Volumen de asfalto (Va) % 10.5
Clasificación del asfalto AC 20
Frecuencia de aplicación de carga (hz.) 6.0
Duración de la carga (seg.)3, para una frecuencia aproximada de 6.5 Hz
0.026
Temperatura media de la mezcla (ºC) 31
Temperatura de reblandecimiento (anillo y bola) ºC
48.0
Pasa 200 (%) 6.0 FUENTE: PROPIA
Tabla 19 Modulo de mezcla asfáltica metodología I.A.
Datos
Frecuencia (Hz) 8
Temperatura del pavimento (ºF) 87.87
P200 (pasa 200 de la mezcla) 6
Vv (% de volumen de vacíos con aire) 4.5
Vb (% de volúmen de asfalto) 10.5
Penetración 70
Y (viscosidad a 70ºF in 106 poise) - 29,508.2(P77ºF)
Resultados
Viscosidad del asfalto (Poise * 106) 2.64
Beta 5 1.750
Beta 4 5.0715
Beta 3 1.584
Beta 2 5,678.3
Beta 1 0.523
Modulo dinámico (psi) 333,458.82 FUENTE: PROPIA
A este modulo de la mezcla asfáltica corresponde un coeficiente estructural de 0.39
3 De acuerdo a la metodología propuesta por la Shell un tiempo de carga de 0.02 s corresponde a una
frecuencia de 8 Hz y equivalente a la velocidad de vehículos entre 48 a 64 km/h. – Pavement Analysis and
Design – Yang H. Huang Second Edition pag. 302
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6.1.1.2 Coeficiente estructural de base y súbase.
La subbase granular a utilizar debe tener un CBR de 30% a lo que le corresponde
un coeficiente estructural de 0.11(Msubbase=15,158 psi) y la base granular será
de CBR mínimo del 80%, a lo que le corresponde un coeficiente estructural de
0.13 (Mbase = 27,912 psi).
Tabla 20 Coeficiente estructural AASHTO para subbase granular
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Tabla 21 Coeficiente estructural AASHTO para base granular
Otros parámetros de diseño.
6.1.1.3 Confiabilidad y Serviciabilidad
En esta metodología, se considera como factor importante de diseño el índice de
serviciabilidad y la pérdida de serviciabilidad en el transcurso de la vida útil del
pavimento. Para efecto de este diseño se considera un índice inicial de 4.1 y un
índice final de 2.0. Se anota que el índice de serviciabilidad inicial del ensayo
AASHO fue de 4.2 y que para vías secundarias se recomienda utilizar una
serviciabiliad final de 2.0, con lo cual se tiene:
1.20.21.4 PSI
La confiabilidad de un proceso de diseño – desempeño de un pavimento es la probabilidad de que una sección de pavimento, diseñada mediante ese proceso, se desempeñe de forma satisfactoria para las condiciones de tránsito y medio ambiente imperantes durante el período de diseño. El período de diseño
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corresponde al lapso de tiempo transcurrido en el cual el pavimento se deteriora y pasa de una serviciabilidad inicial a una terminal.
La confiabilidad asumida debido al tipo de vía es de 90%, con un error estándar
de 0.45 y una desviación estándar de -1.645
6.1.1.4 Coeficiente de drenaje
Considerando que los materiales a utilizar para base y súbase sean limpios, bien
gradados y que además se incorpore un sistema de drenaje y subdrenaje adecuado, de tal
manera que las aguas no permanezcan más del 25% del tiempo en la estructura se
propone los siguientes coeficientes de drenaje.
Tabla 22 Coeficientes de drenaje adoptados Capa Coeficiente de
drenaje
Base (m1) 1,0
Subbase (m2) 1.0
6.1.1.5 Estructura de Diseño
Espesores mínimos
La Guía de diseño de AASHTO4 recomienda los siguientes espesores mínimos
para carpeta asfáltica y base granular de acuerdo al nivel de transito del proyecto.
Tabla 21 Espesores mínimos AASHTO
Capa Espesor cm
Carpeta asfáltica 7.5
Base granular 15.0 FUENTE: NOTA PIE DE PAGINA No. 3
6.1.1.6 Espesores de diseño
Basado en los datos anteriores y utilizando una rutina que resuelve la ecuación
AASHTO - 93 se muestra los cálculos correspondientes a los espesores de
4 Aashto Guide for Design of Pavement Structures Pag – II-35 Table “Minimum Thickness (inch)”
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diseño.
En la tabla 8, se muestra el requerimiento de número estructural de las
condiciones de carga y transito de este diseño.
SN = 3.60
En la tabla 23, se muestras los espesores de las distintas capas de la estructura
del pavimento, según la ortodoxia del sistema, y su aporte a la misma.
Tabla 23 Aporte estructural de capas
Capa Espesor
(cm) Coeficiente estructural
Coeficiente de drenaje
Numero estructural
Mezcla densa en caliente
14.5 0.39 1 2.23
Base 11.5 0.13 1 0.59
Subbase 18.5 0.11 1 0.80
Total aporte estructural 3.62
Haciendo ajuste de acuerdo para efecto de disponer una estructura en donde la transición de esfuerzos sea más adecuada y de acuerdo a la filosofía de las estructuras de pavimentos asfaltico se propone la siguiente estructura de diseño. Tabla 24 Espesores de diseño
Capa Espesor
(cm) Coeficiente estructural
Coeficiente de drenaje
Numero estructural
Mezcla densa en caliente
10 0.39 1 1.54
Base 20 0.13 1 1.02
Subbase 25 0.11 1 1.08
Total aporte estructural 3.64
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Grafica 4 Estructura de diseños Pavimento Asfaltico
6.1.2 Verificación analítica
A modo de chequeo se presenta el análisis mecánico del sector, y se verifica que
cumplan con las funciones de transferencias que regulan los esfuerzos de
tracción en la fibra inferior de las capas con ligantes y los esfuerzos de
compresión en la fibra superior de la subrasante, así como el control de la
deflexión máxima.
6.1.2.1 Modulo resiliente de la subrasante – modulo de capas
granulares
Para la verificación mecánica de la estructura se tomara el percentil 87.5 como
recomienda el Instituto del Asfalto para este nivel del tránsito
CBRdiseño= 1.72
Modulo resiliente de la subrasante
Mr = 100*CBR
Mr = 172 kg/cm2
10.0 cm mezcla densa en caliente
20 cm base granular CBR > 80%
25 cm Subbase granular CBR > 30%
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Modulo elástico de capas granulares
Los módulos de las capas intermedias granulares se determinan en base a las
ecuaciones propuesta por Barber, partiendo del modulo de la subrasante.
ESB= ESR(5.35 log hSB + 0.62 log ESR – 1.56 log hSB log ESR – 1.13)
EB= ESB(8.05 log hB + 0.84 log ESB – 2.10 log hB log ESB – 2.21)
En donde:
ESR: Es el módulo de elasticidad de la subrasante en Kg/cm2.
hSB: Es el espesor de la capa de subbase en cm.
ESB: Es el módulo de elasticidad de la subbase en Kg/cm2.
hB: Es el espesor de la capa de base en cm.
EB: Es el módulo de elasticidad de la base en Kg/cm2.
Modulo elástico del relleno: 473.7 kg/cm2 Modulo elástico de la subbase: 1029.4 kg/cm2 Modulo elástico de la base: 2710.7 kg/cm2
Funciones de transferencia – valores admisibles
En pavimentos asfálticos, los principales deterioros se asocian a fenómenos de
agrietamiento por tensión en la fibra inferior de la mezcla asfáltica y deformación
permanente por compresión de la fibra superior de la subrasante.
Los orígenes del agrietamiento más considerado es el generado por la aplicación
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de cargas repetidas que induce la fatiga del material; donde la carga repetida la
puede inducir el tránsito vehicular (propagación ascendente), o los ciclos de
temperatura existentes en el sitio (propagación descendente).
Grafica 5 Sistema de falla por agrietamiento por tensión
Fuente: Concepto mecanicista de pavimentos SCT.
Las deformaciones permanentes se originan por la compresión y consolidación
del material ante la acción de los esfuerzos normales y cortantes, transmitidos
por el flujo vehicular.
La deformación permanente que observamos en la superficie de rodamiento, es
la suma acumulada de la contribución de todas las capas de la sección
estructural en un pavimento. Sin embargo, es práctica común para fines de
diseño, que la componente principal se debe al terreno de cimentación, y que la
que resulta de las otras capas se puede controlar con una buena selección de
materiales y prácticas constructivas adecuadas.
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6.1.2.2 Deformación máxima admisible a tracción en la carpeta
asfáltica
Para efecto de los diseños se utilizaran las expresiones matemáticas resultante
de los ensayos de la Shell (basados, principalmente, de los resultados de la pista
de la AASHTO).
Formula Shell para confiabilidad del 95%
20.036.05 )10)(08.1856.0( xNfatxSmixVbt
Donde:
εt : Deformación unitaria admisible a tracción en la base de la carpeta asfáltica.
Smix : Modulo dinámico de la mezcla asfáltica en kg/cm2
rShiftFacto
NfdiseñoNfat
Vb: Volumen de asfalto en la mezcla asfáltica: 10.1%
Shift Factor = K1xK2xK3
K1 = 10 por mezcla densa rica en asfalto
K2 = 2.5 por distribución lateral de carga
K3 = 0.33 por espesor alto y temperatura.
Shift Factor = 8.25
εt = -3.71x10-4 (mm/mm)
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Deformación máxima admisible en la subrasante
Formula de la Shell confiabilidad del 95%
25.02 *10*8.1 Nz
εz: Deformación unitaria admisible a compresión en la subrasante.
Para los datos de diseño tenemos un valor de εz = 5.05x10-4 (mm/mm)
6.1.2.3 Control de ahuellamiento esfuerzo vertical en subrasante
Formula de Dormon y Kerhoven
N
Ez
log*7.01
*007.0 3
E3 : Módulo de la subrasante
2/22.0 cmkgz
6.1.2.4 Control de deflexión (deflexión máxima admisible)
Para efecto del control de la deformación máxima se utiliza la siguiente ecuación5
5 Diseño y Evaluación de Pavimentos Flexibles – Ing. José Melchor A – Perú –2004.
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100/8.73
738.0
029.0
42
15.11
12
mmDadm
mmD
pulD
K
K
D
KN
adm
adm
K
adm
A modo de comparación se calcula la deflexión máxima admisible por el método
Rumano6
100/4.63
))log(0275.0248.0(10
mmY
Np
Y
adm
adm
Donde p es la carga patrón, en toneladas y N, es el numero repeticiones
esperadas en el periodo de diseño.
A modo de referencia se presenta la tabla de deflexiones máximas admisibles del
Manual de diseño de Pavimentos de Centroamérica.
Tabla 25 Deflexión Máxima Admisibles
A efecto de este diseño se adopta el valor de 63.4 mm/100, como deflexión
máxima admisible considerando su similitud con el valor reportado por el Manual
6 Tendencias Modernas en el Dimensionamiento de Firmes K Kucera- 1970
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de Diseño de Pavimento de Centroamérica.
Esfuerzos y deformaciones actuantes. Para el cálculo de las respuestas estructurales (esfuerzos, deformaciones y
deflexiones) en la sección estructural de un pavimento flexible, se considera una
serie de puntos críticos a fin de calcular los valores más desfavorables. La
práctica más común consiste en fijar un punto para estimar el agrietamiento por
fatiga de la mezcla asfáltica en el contacto con la capa de base, y otro punto
crítico para el cálculo de deformaciones permanentes situado en la parte superior
del terreno de cimentación.
Figura 3 Puntos de control en diseño de pavimento asfáltico
Fuente: Concepto mecanicista de pavimentos SCT
El cálculo se realiza a través de la teoría de Burmister para medios elásticos
estratificados, en donde el material se caracteriza por su módulo de elasticidad y
por la relación de Poisson. Para la mezcla asfáltica, el módulo que se debe
emplear es el dinámico, y para suelos y materiales granulares, el módulo
resiliente.
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Tabla 26 Deformaciones actuante – admisibles – factores de seguridad
En conclusión se observa que la estructura es competente en lo que respecta a
soportar los esfuerzos de tensión y compresión producto de las cargas
vehiculares. Además se podría predecir la falla, en la proximidad del
cumplimiento del periodo de diseño, por tensiones en las fibras inferiores de la
carpeta asfáltica, representadas en fisuras. Los esfuerzos a la compresión en la
subrasante se minimizan, aun cuando la capacidad de soporte de la subrasante
natural es extremadamente baja, por efecto del reemplazo con lo cual se podría
predecir bajas deformaciones permanetes por efecto de los cambios
voluemtricos de la subrasante o su baja capacidad de carga. Las deflexiones
actuantes son superiores a las admisibles según las fórmulas empíricas de
control, pero no afectan la estabilidad y funcionabilidad de la estructura, por lo
cual no se requiere de mayor “rigidizacion” por el solo efecto de control de las
deformaciones recuperables.
6.2 DISEÑO PAVIMENTO RIGIDO.
Las metodologías más utilizadas para el diseños de estructuras de pavimento en
concreto rígidos son las de la AASHTO y la de la PCA, en este diseño se utilizara
la primera dada la facilidad de estimar las cargas en base a conteos o estimación
del tránsito, sin disponer de datos específicos de pesos por ejes de los vehículos.
6.1.3 PARÁMETROS DE DISEÑO
Periodo de diseño
El periodo de diseño es de 20 años.
Tension
carpeta
Compresion
subrasante
Tension
carpeta
Compresion
subrasanteAdmisible Actuante Admisible Actuante Tension Compresion
Unico -3.71E-04 5.05E-04 -2.79E-04 5.90E-05 0.22 0.07 63.4 109.57 1.33 8.56
Tramo
Deformaciones admisibles Factor de seguridadDeflexion maxima
(mm/100)
Esfuerzo compresion
subrsante (kg/cm2)Deformaciones actuantes
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Números de ejes equivalentes a 20 años
N= 3,886,044
Confiabilidad
90%
Serviciabilidad
Serviciabilidad inicial 4.1
Serviciabilidad final: 2.0
Error estándar combinado (So)
0.35
Factor de seguridad por transito
El factor de de seguridad por transito se asume igual a 1.0, debido a los factores
antes inducidos en la cuantificación del tránsito de diseño.
Coeficiente de drenajes
La AASHTO recomienda los siguientes valores en base a la capacidad de drenaje
del sistema.
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Tabla 27 Coeficiente de drenaje
En este estudio se asigna un valor de Cd de 1.0
Coeficiente de transmisión de carga J
Este factor se introduce para tener en consideración la capacidad de transmitir
carga del sistema de losas rígidas. El valor del mismo depende de factor como:
tipo de bermas, tipo de pavimento, tipo de pasadores.
Tabla 28 Coeficiente de transferencia de carga
El valor asumido en este diseño es de 2.7, considerando que no habrá un
confinamiento lateral dado por las bermas – cunetas o por los sardineles.
ESAL´S
En Millones
Si No Si No
0.0 - 0.3 3.2 2.7 3.2 2.8
0.3 - 1.0 3.2 2.7 3.4 3.0
1.0 - 3.0 3.2 2.7 3.6 3.1
3.0 - 10.0 3.2 2.7 3.8 3.2
10.0 - 30.0 3.2 2.7 4.1 3.2
Sobre 30 3.2 2.7 4.3 3.6
Confinamiento
e
Intermunicipales
Arterias
Locales
Colectoras
y
TRANSFERENCIAS DE CARGAS DE LA AASHTO MODIFICADAS POR
Confinamiento
RECOMENDACION DE LA PORTLAND CEMENT ASSOCIATION
Con Pasadores Trabazon Agregados Tipo de Pavimento
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Modulo de elasticidad del concreto
Se estima que se utilizará concreto 300 kg/cm2, entonces el valor del modulo de
elasticidad de la mezcla de concreto fabricada con materiales metamórficos será:
Ec = 259,808kg/cm2.
Factor de pérdida de soporte Ls
Este factor, básicamente, es un factor de minoración del modulo de reacción de la
subrasante y depende del tipo de material de soporte utilizado; en el caso
particular de este diseño el apoyo de la losa será subbase granular con CBR
mayor a 30%.
Se establece Ls igual a 1.0, por ser material granular no tratado.
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Tabla 29 Factor de pérdida de soporte
Modulo de reacción combinado de la subrasante
El modulo de reacción de la subrasante K, fue establecido con las condiciones de
soporte con material de mejoramiento. La AASHTO recomienda que:
El valor obtenido es de 386.7pci en base a un módulo de la subrasante de 7,500
psi (525 kg/cm2), se debe corregir en base al soporte de la losa correspondiente a
una súbase de 15 cms de espesor con modulo de 15,800 psi, además se debe
hacer la reducción del mismo valor en base a la perdida de soporte por la
erodabilidad de la súbase. Lo anterior utilizando los nomogramas de la AASHTO.
El valor de K combinado corregido por aporte de la súbase es de 400 pci y K
combinado corregido por perdida de soporte es de 150 psi
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Grafica 6 K combinado con aporte de la súbase
Grafica 7 K combinado corregido por perdida de soporte
Modulo de rotura del concreto
Debido a que se utilizara concreto premezclado, a que por correlaciones
establecidas el modulo de rotura se encuentra entre 0.10f’c y 0.17 f’c se adopta
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un valor de rotura del concreto, ensayo a la flexo-tracción a los 28 días de 4.0
mPa.
6.1.4 Espesores de diseño
Basado en los datos anteriores y utilizando una rutina que resuelve la ecuación
AASHTO - 93 se muestra los cálculos correspondientes a los espesores de
diseño.
Tabla 30 Diseño de estructura pavimento rígido
El espesor de diseño de la losa de concreto es de 20 cm, sobre 15 cm de
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subbase granular
6.1.2 OTRAS CONSIDERACIONES DEL DISEÑO
Modulación de las losa
Las losa deberán, preferiblemente, serán cuadradas o en su defecto el largo de
las mismas no será 1.2 veces superior al ancho. Además el ancho máximo será
de 3.50 m.
Pasadores de transferencias juntas transversales de contracción
El diámetro mínimo de los pasadores de las losas será de 1”, con una longitud
mínima de 350 cm y separadas centro a centro máximo 300 cm.
Este refuerzo sea liso y de baja fricción.
Las juntas serán selladas con cordón de respaldo y silicona.
Juntas longitudinales
El diámetro mínimo de los pasadores de las juntas longitudinales será de 3/8”
corrugadas, separada cada 60 cm y acero de resistencia de 40,000 psi.
Esquemas explicativos
Grafica 8 Ubicación de pasador junta transversal de transferencia
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Grafica 9 Parrilla de soporte de pasadores
Grafica 10 Junta de expansión
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Grafica 11 Sello de junta
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7. CONCLUSIONES
Se presenta el diseño del pavimento de una vía de colectora y conectora de dos vías
principales.
Se realizaron dos estructuras en diferentes materiales, la primera con pavimentos en
concreto asfaltico y la segunda con pavimento de concreto de hormigón.
Debido a la baja capacidad de soporte de la subrasante se debe realizar reemplazos de los
materiales, y dispone de otros de mejor calidad. El reemplazo debe ser de mínimo 40 cm y
debe cumplir con disponer un CBR mayor a 10% e I.P menor a 6%.
En el caso de utilizar pavimento de hormigón, se debe disponer de subbase granular
de apoyo tipo INVIAS y de acuerdo a lo establecido en este diseño.
Se debe diseñar un sistema de subdrenaje de tal manera que las capas granulares
permanezcan en un estado de humedad constantes y se evite el ablandamiento de
las capas estructurales.
Preparó
JOSE JOAQUIN LARA RUIZ
Especialista en Vías.