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14A
Y
148 -
A UT OP IS TA A L L LA NO R EL LE NO D O A
J U A N A
O BR AS Y A CfIV ID AD ES P AR A L A M AL LA V IA L A RT ER IA L IN TE RM ED IA
Y L OC AL D EL D IS TR IT O D E C O NS ER VA O N
6 DISEO DE PAVIMENTOS
6.1 CLCULO DEL TRNSITO DE DISEO
6.1.1 Nmero de Ejes Equivalentes a 8.2 Ton
Para la proyeccin del trnsito en cada uno de sus componentes Autos - Buses -
Camiones, se tomar la siguiente expresin que permite determinar el TPD en un
ao determinado, en el periodo de diseo:
l l r n-n-d
1
Donde:
n
Ao i
TPD
=
Trfico promedio diario en el ao i
r
=
Tasa de crecimiento del trnsito.
Para el proyecto se tomar un periodo de diseo de 10 aos. Contados a partir del
ao 2010 considerando que se tendr el ao 2009 para construccin.
Se tomarn los factores dao establecldcs en la encuesta realizada por el INVIAS
en 1996 en donde se obtuvieron lossiguierites valores:
Tipo de Vehculo Factor Dao
Pavimentos Flexibles
Buses
C2P
C2G
C3-C4
C5
>C5
1.0
1.14
3.44
4.00
4.40
4.72
Para pavimentos rgidos se tomarn los factores de equivalencia de la metodologa
AASHTO, los cuales dependen de factores como el espesor de losa, el ndice de
servicio final y el tipo de eje.
Para el clculo del nmero de ejes equivalentes a 8.2 ton NEE , acumulados en el
periodo de diseo, se tomaron los datos de Trnsito Promedio Diario establecidos
anteriormente.
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JUANA
O B RA S V A CT IV ID AD ES P AR A L A M AL LA V IA L A RT ER IA l IN TE RM E DIA
V LO CAL D EL D IST RITO DE C ONS ER VAO N 4
Donde:
NEE= Nmero de Ejes Equivalentes a 8.2 ton en el ao i
TPD l IC
Trnsito Promedio Diario por tipo de vehculo en el ao i
FD
Factor Direccional
FDC = Factor de Distribucin por Carril
FC = Factor camin por tipo de vehculo
En el Anexo 3, se presentan los clculos correspondientes y se resumen a
continuacin:
Retomo Norte - Norte
NEE Pavimento flexible
17.3 millones
NEE Pavimento Rgido = 66.04 millones.
Retomo Sur - Sur
NEE Pavimento flexible
=
16.6.73 millones
NEE Pavimento Rgido
57.8 millones.
6.1.2 Repeticiones Admisibles para Diseo de Pavimento Rgido
Para el diseo de pavimentos rgidos utilizando la metodologa de la Portland
Cement Association - PCA, se requiere del clculo del nmero de repeticiones
esperadas por cada configuracin de ejes.
Se tomarn para los clculos los siguientes parmetros:
Periodo de diseo n
=
20 aos
Tasa de crecimiento i= 3.18
Factor Direccional FD) de 1
Factor de Distribucin por Carril FDC) del 1.0
Factor de crecimiento F = 1+i) -1)/ni
=
1.368
En el Anexo 3, se presentan los clculos correspondientes.
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Y LO CA L D EL D IS TR ITO D E C O NS ER VA O N 4
E STU DIO S Y D lS E O S R ETo RN OS A V. B OY AC Y A UTO PIS TA LL AN O
RETORNOS No.14A Y 148 - AUTOPISTA AL L lANO - RELLENO DOA
JUANA
Tabla 14 Peso de Camiones para Clculo de Repeticiones Admisibles en
Pavimentos Rgidos
Tipo
Esquema
22
52
C2 Pequeo
11
Peso Ton
16
17
28
C2 Grande
39
C3
C4
I
50
11
C5
>C5
Tabla 15 Repeticiones esperadas para diseo de pavimentos rgidos
Retomo
Retomo
Cargas ton
No. 14AN-N NO.14B S-S
Ejes simples
11
7,894,135
7,271,302
6
12,544,518
11,131,887
Ejes Dobles
22
4,650,383
3,906,544
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RETORNOS
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JUANA
O BR AS V AC TIV ID AD ES PA RA LA M ALLA V IA L A RTE RIAL , IN TE RM ED IA
V LOCAL DEL D ISTR ITO DE CONSERVAON 4
6.1.3 Categorizacin del Trnsito
Para definir la calidad de los materiales y las mezclas, en las Especificaciones
Tcnicas del IDU, 2005, se establece la categora de trnsito de acuerdo con la
Tabla 107.1, del Captulo 1.
Para este caso se establece que el trnsito corresponde a la categora T5 en los
retornos No. 14.
Nivel de Trnsito
categora de Trnsito
Criterio 1 V P Do
Criterio 2 NAEE 8 millones)
TO VPDo
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E STUD IOS Y D iS EOS R ETORNOS A V. BOYAC
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AUTOP IS TA L LANO
RETORNOS No. 14A Y 148 - AUTOPISTA Al lLANO - REllENO DOA
JUANA
Prof. m)
00
-1 - ----
A 1
05
10
15
A2
A-3
l
R
R
050
l
_
GM
GW
GW Aluvial
Aluvial
l
Figura 5 Esquema del perfil del subsuelo en la zona de estudio
6.2.2 Mdulo Resiliente de la Subrasante
El mdulo resiliente de la subrasante MR) se establecer a partir de las siguientes
correlaciones, en funcin del CBR determinado por ensayos de laboratorio, teniendo
en cuenta adems el tipo de suelo.
Para CBR menor que 10 MR
=
10*CBR MPa)
Para CBR mayor que 10 MR
22.5*CBR
0.55
Tabla 16 Resultados de ensayos de CBR de la Subrasante
Apique
Profundidad
CBR inalterado
m)
Sin inmersin
Con inmersin
Ap-1
0,46 - 0,70
10,1
7,2
Ap-2
0,50 - 1,50
PROMEDIO
10 1
72
El mdulo resiliente para diseo ser:
72 MPa.
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6 3 CARACTERIZACiN DE LOS MATERIALES
Para los anlisis con metodologa AASHTO y por verificacin con mtodos
racionales se tomarn las siguientes caractersticas Teniendo en cuenta que no se
tiene certeza sobre en el momento de los materiales que se emplearn en la obra
durante la construccin se verificarn las condiciones asumidas en el diseo y si es
necesario se entrar a reevaluar los espesores con las caractersticas que se
determinen
Concreto asfltico:
Mdulo de elasticidad E = 2500 MPa
Relacin de poisson u
0 3
Base Estabilizada:
Mdulo de elasticidad E
=
1000 MPa
Relacin de poisson u 0 4
Base granular:
Mdulo de elasticidad E 250 MPa
Relacin de poisson
0 4
Subbase granular:
Mdulo de elasticidad E
=
150 MPa
Relacin de poisson
0 4
Mejoramiento:
Mdulo de elasticidad E
90 MPa
Relacin de poisson
0 45
6 4 ALTERNATIVAS DE PAVIMENTACiN
De acuerdo con los resultados de los estudios y anlisis expuestos en captulos
anteriores se estudiar la alternativa con pavimento flexible con una estructura
convencional con capas granulares y otra alternativa con la inclusin de base
estabilizada con asfalto
Se analizar estructura de pavimento rgido con losas de mdulo de rotura MR45
apoyadas sobre una capa de base granular Teniendo en cuenta que el nivel de
trnsito corresponde a T5 las especificaciones IDU indican que se debe contar con
una capa de control de erosin en este caso se incluir una capa de concreto
asfltico de 5 cm la cual no se considerar con incidencia en el diseo de espesor
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6.5 DISEO DE ESPESORES - METODOLOGA AASHTO PAVIMENTO
FLEXIBLE
Para, dimensionar la estructura del pavimento se selecciono el mtodo de la
MSHTO American Asociation of State Highways and Transportation , el cual est
basadQen variables de: Comportamiento de la estructura del pavimento; trnsito;
subrasante, materiales de construccin; medio ambiente; drenaje; nivel de servicio y
COrlfiabilidad.
Nmero estructural requerido SN
La ecuacin bsica de diseo empleada para pavimentos flexibles en este mtodo
es la siguiente:
O { flPS
log I Z
s
+9.36xloISN+ 1)-0.20+ 4.2; +2.32xlogMR-8.07
0.40+,.( ')'
19
.SN+I"
W
=
Z R
So
=
APSI
Nmero previsto de ejes eq iyalent s de 8.2 ton, acumulados durante el
perodo de diseo por el c,arril studiado (NEE).
Variable estndar de cJisb ib'ucin normal para diferentes rangos de
confiabilidad. Confiabilidad liDiseQ para este proyecto: 90%.
Desviacin estndar genie al, 0..40
0.50 para pavimentos flexibles. Se
tomar el valor recomen a qRara pavimentos nuevos de 0.47.
Diferencia entre el nd ce il' liti lde lservicio (Pi) y el ndice final de servicio
(Pr) del pavimento. Para el' presente proyecto se ha seleccionado un valor
inicial de 4.2 y final de 2.0. ' .
Mdulo de resiliencia delasubrasante (psi).
Nmero estructural indk tivo del total de pavimento requerido.
Nmero Estructural Efectivo - SNe
El nmero estructura efectivo del pavimento est en funcin del espesor de cada
capa en pulgadas , del aporte estructural de cada tipo de material y el coeficiente
de drenaje. La ecuacin general es la siguiente:
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Material
Coeficiente Coeficiente de
estructural drenaje
Capa asfltica
0.35 1.0
Base asfltica gruesa
0.25
Base granular
0.14 1.0
Base
Estabilizada
con
0.18 1.0
emulsin
Subbase granular
0.12
0.9
Mejoramiento
0.08 0.9
El coeficiente de drenaje se asigna para una calidad de drenaje regular, con una
exposicin del pavimento a la saturacin mayor del 25 para las capas ms
profundas
entre 5
25 para la base granular.
Calidad De
Drenaje
Porcentaje de Tiempo Estructura Pavimento Cerca Saturacin.
25
Excelente
Bueno
Regular
Malo
Deficiente
1.40-1.35 1.35-1.30 1.30- 1.20 1.20
1.35-1.25
1.25-1.15 1.15-1.00
1.00
1.25-1.15 1.15-1.05
1.00-0.80
0.80
1.15-1.05
1.05-0.
0.80-0.60
0.60
1.05-0.95
0.75-0.40 0.75-0.40 0;40
En el Anexo 3 se presentan los clculos realizados, los cuales se resumen en la
siguiente Tabla:
Tabla 17 Resultados Metodologa AASHTO - Retomo 14A NN) Y 14B SS)
Retomo
ESPESORES cm)
Tipo deanlss
apa ase granular
asfltica estabilizada
Subbase
Total
14A Norte-
Estructura
18
20
23 61
Norte
Convencional
Estructura con base
10
25
17
52
estabilizada
14ASur-Sur
Estructura
Convencional
18
20
23
61
Estructura con base
10
25
17
52
estabilizada
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JUA NA
6.6 EVALUACiN MECANICISTA - PAVIMENTO FLEXIBLE
Con la aplicacin de mtodos mecanicistas se pretende verificar el comportamiento
de la estructura determinada inicialmente por el mtodo MSHTO, bajo dos criterios:
a) agrietamiento por fatiga y b) deformacin permanente.
En este caso se emplear el programa DEPAV desarrollado por la Universidad del
Cauca. Con el programa se determina el estado de esfuerzos y deformaciones en la
interfase de las diferentes capas que hacen parte del modelo estructural analizado,
los cuales se comparan con valores admisibles a partir de ecuaciones obtenidas de
pruebas de laboratorio, conocidas en la bibliografa.
Valores Admisibles - Criterio de Agrietamiento por Fatiga
El parmetro utilizado para los estudios de fatiga es la deformacin por traccin en
la base de la capa asfltica, la cual. est en funcin de la rigidez Smde la mezcla y
el nmero de ciclos N. En este caso se emplear la expresin propuesta por la Shell
en el manual de diseo:
St
= O . S5 6 * V +1.0S Sm-036N020
11)
Donde N es el nmero de ciclos del ensayo en el laboratorio
Contenido de asfalto =
Densidad =
Volumen de asfalto V
b
=
Modulo dinmico Sm=
5.2
2.3 gm/cm
11,96
2500 MPa
El parmetro N corresponde al nmero de ciclos en el laboratorio, por lo tanto se
debe afectar el nmero de ejes equivalentes que se presentan en el terreno porque
las condiciones en el laboratorio son ms agresivas. En este caso se utilizar el
Factor de Calage de 8,25 que corresponde a los valores de K1=10, K2=2,5 y
K3=O,33.
Valores Admisibles - Criterio de Deformacin Permanente
Para determinar el valor de esfuerzo admisible en la subrasante se tom la ecuacin
de Kenhover y Dormon:
7 aJm
O.007xMR kg/cm
1 0.7xlogNEE
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oz admisible kglcnr
450
630
720
580
0,491
0,688
0,786
0,633
La deformacin admisible en la subrasante de acuerdo con la SHELL ser:
G_ O.
0021x o
con una confiabilidad del 85
Determinacin de Estado de Esfuerzos - Programa DEPAV
Carga aplicada:
Radio de.carga = 10.8 cm
Presin de contacto
=
5.6 kg m
Distancia entre ejes de llantas = 32.4 cm
Eje equivalente de 8.2 ton
Los resultados que se obtienen de analizar las estructuras con el programa DEPAV
se incluyen en el Anexo 3 yse resumen en la Tabla 18.
Se analiz la condicin de ..nterfase ligada y no ligada de la capa asfltica para
utilizar el artificio en el clculo de deformaciones en la base de la capa como el
promedio de estos dos criterios de liga, lo cual refleja en mejor forma las
condiciones de reales del pavimento. Las dems capas se consideraron ligadas,
teniendo en cuenta que' el contenido de cemento es bajo y se espera que se tenga
continuidad en los esfuerzos y deformaciones.
Tabla 18 Estado de esfuerzos y deformaciones obtenidos con el programa DEPAV
Anlisis
t
x 10
st x 10
Z X 10
rz kglcm
Deflexin
Radio de
rodadura
baseasfltica
1/100 mm
Curvatura
1,73
1,77
0,092
45,8
342,5
2 1,79
1,82
0,136
41,0
340,0
3 1,71 2,00 0,180 37,3 343,0
4
1,78
1,79
0,121
41,7
341,5
1
1,52
0,80
1,50
0,201
42,0
433,0
2
1,49
0,80
1,40
0,138
35,0
420,0
3
1,45
0,80
1,30
0,178
32,0
432,0
4
1,50
0,80
1,40
0,127 37,0
420,0
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RETO RN O S N o.l4A V
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Se puede observar que los valores calculados de deformacin por traccin
E t ,
esfuerzo y deformacin por compresin en la subrasante no son superiores a los
admisibles.
6.7 MTODO peA-84 PARA PAVIMENTO RGIDO
Se utiliz la metodologa de.la Portland Cernent Association - PCA de .1984,ta cual
se basa en dos criterios: (a) Fatiga, con lo cual se busca mantener losesfu rzos en
el pavimento ocasionados por 'la repeticin de .cargas dentro de un lmite de
seguridad. (b) Erosin, se busca eontrelar el efecto de deflexinen los bordes por
prdida de.soporte causada por erosin de labase.
Para cada eje se obtiene el consumo de fatiga y Ia erosin y el.acumulado para
cada uno no debe superar el 100 .
Mdulo de reaccin de diseo
Para el diseo de pavimentos rgidos se utliza como parmetro de resistencia de la
subrasante el mdulo de reaccin de la.capa de apoyo de las losas, con.un valor
combinado de resistencia, de la cap granular o estabilizada y el suelo natural.
Mdulo de Reaccin de la Subrasante =4.8kg/cm
3
Mdulo de Reaccin Conjunto
=
6.8
kg /6m
3
Trnsito de diseo
El diseo se har para un periodo de
2
aos, que es el tiempo normal que se toma
para pavimentos rgidos.
Para la metodologa PCA, el dato de entrada en trnsito son las repeticiones
esperadas por cada tipo de eje. Lo parmetros de distribucin y crecimiento son los
establecidos en los Anlisis de Trns.ito.
Resistencia a la flexin del concreto
:Seconsider un concreto con mdulo de rotura del concreto MR = 45.kg/cm
2
que
corresponde aproximadamente a un concreto de 4500 psi (31MPa). En obra se
debe determinar la correlacin entre el mdulo de rotura y la resistencia a la
compresin para facilitar el control de la mezcla.
Factor de Seguridad de cargas
Para vas en las que se espera un volumen moderado de trnsito de vehculos
pesados (391 camiones), se la PCA recomienda un factor de seguridad por carga de
FC=1.1
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Y LO CA L DE L DIS TR ITO D E C O NSE RVA O N 4
Transferencia de carga
El tipo de transferencia de cargas entre losas podr ser con pasadores o por
trabazn de agregados. Para las condiciones de esta va se debe tener
transterenca de carga con Pasadores.
Tamb\n influye en la determinacin del espesor de las losas, la presencia o no de
berma, En este caso se tomar para el diseo la condicin: Sin berma.
Verificacin de consumo de fatiga
y
erosin
Los clculos se realizan con una hoja. electrnica adaptada para el mtodo por la
misma PCA;se realizan tanteos con diferentes espesores hasta obtener un
consumo de fatiga y de erosin inferior a 100 .
Se tie en los siguientes resultados:
Retomo
Espesor de Josa (cm)
Retomo Norte - Norte No.
14A
28
Retorno Sur - Sur No. 148
28
Se consider una subbase granular de 22.5 cm.
8 MTODO AASHTO PARA PAVJMENTO RGJDO
Se realizar una verificacin con mtodo AASTHO, previendo que los espesores
que se obtienen normalmente son mayores que los obtenidos con PCA.
La metodologa AASTHO est basada en los resultados de ejercicios empricos
realizados para el paso de vehculos de diferentes configuraciones y pesos, sobre
pavimentos de diferentes caractersticas. La ecuacin para determinar el espesor
de losa es la siguiente:
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Coeficiente de confiabilidad = 90
Desviacin estndar combinada
0.35
Coeficiente por transferencia de carga en las juntas P
t
=
3.2 con pasadores, sin
berma)
Coeficiente de drenaje C
d
= 1.0 Se asume un buen drenaje del pavimento con una
exposicin mayor al 25 a la humedad de saturacin)
PSI
=
ndice de Servidalidad: Nivel de servicio inicial
=
4.2; Nivel de servicio terminal
2.2
Se tienen los siguientes resultados.
Espesor de losa
34 cm Retomo Norte - Norte
Espesor de losa
33 cm Retomo Sur - Sur
Los espesores con esta metodologa generalmente son muy superiores a los
obtenidos con peA
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RETORNOS No.
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OBRA S Y A CT IV IDADES PA RA LA M ALLA V IAL ARTERIAL INTERMEDIA
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A lC AlD Il M A YOR
lC M IO rA
D .C .
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ESMIIOUO l.NAIIO
8 RECOMENDACIONES
8.1 ALTERNATIVAS DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS
Los anlisis de trnsito se realizaron con base en las condiciones actuales de
funcionamiento de los pasos sobre el separador de la Av. Boyac y la Autopista al
Llano hacia el sur, considerando el cierre de los que se encuentran entre la Av.
Caracas y la Kr 16. Sin embargo se tiene incertidumbre sobre el funcionamiento
futuro de los retornos, por el desarrollo industrial de la zona y el manejo de rutas
alimentadoras, entre otros aspectos; en este sentido, se considera conveniente para
los retornos, que en el anlisis registran un trnsito menor, adoptar unas
condiciones mnimas y unificar el diseo para stos..
Se realizar la comparacin econmica de las alternativas para seleccionar la ms
conveniente desde este punto de vista y se seleccionar la ms conveniente con la
aprobacin de la Interventora.
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