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DISEÑO DE PAVIMENTOS DE LA CARRERA 46, ENTRE CALLES 75 Y 77 SUR, SABANETA
YULANIS MARIET SIERRA BOLAÑO
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN
FACULTAD DE MINAS MEDELLÍN
2009
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DISEÑO DE PAVIMENTOS DE LA CARRERA 46, ENTRE CALLES 75 Y 77 SUR, SABANETA
YULANIS MARIET SIERRA BOLAÑO
Trabajo de grado para optar el título de Especialista en Vías y Transporte
DIRECTOR Hernando Eudoro Muñoz Lara
Ingeniero Civil
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN
FACULTAD DE MINAS MEDELLÍN
2009
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AGRADECIMIENTOS
A Dios por ser el guía de mis pasos durante este camino de perseverancia por conseguir mis logros. A mis padres y hermanos por su apoyo incondicional en mi lucha por lograr mis propósitos profesionales. Al ingeniero Hernando Eudoro Muñoz Lara por aportar con su experiencia a mi formación profesional. A Ferney López Zapata porque su compañía y apoyo influyeron sustancialmente en la culminación de este proyecto.
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Contenido
1. INTRODUCCIÓN 10
2. ANTECEDENTES 11
2.1 Recopilación de Información 11
3. OBJETIVOS 12
3.1 Objetivo general 12
3.2 Objetivos específicos 12
4. ALCANCE DEL TRABAJO 13
5. METODOLOGÍA A UTILIZAR 14
6. ASPECTOS GENERALES 15
6.1 Industria 16
6.2 Comercio 16
6.3 Finanzas 17
6.4 Servicios 17
7. ESTUDIOS DE TRÁNSITO Y PROYECCIONES 19
7.1 CARGA EQUIVALENTE DE DISEÑO 20
7.2 FACTORES DE EQUIVALENCIA 21
7.3 RATA DE CRECIMIENTO 22
7.4 DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES DE DISEÑO 23
7.5 CÁLCULO DE LOS EJES EQUIVALENTES: 28
5
8. ESTUDIO DE SUELOS REALIZADO Y PRESENTACIÓN DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS POR EL CONSULTOR DEL PROYECTO 29
8.1 EVALUACIÓN DE SUELOS 29
Suelos de la subrasante 31
8.2 DISEÑO DE PAVIMENTO PRESENTADO POR EL CONSULTOR 32
Variables consideradas por el consultor en el diseño del pavimento 35
9. DISEÑO DEL PAVIMENTO ‐ MÉTODO ASSHTO 93 36
9.1 Número estructural (Sn) 36
9.2 Tránsito 36
9.3 Módulo de la subrasante 36
9.4 Confiabilidad 37
9.5 Criterio de desempeño 37
9.6 Coeficiente de drenaje 38
9.7 Caracterización de los Materiales de las Capas de Pavimento 39
Cálculo de coeficientes de capa 39
9.8 DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA 41
10. DISEÑO DEL PAVIMENTO ‐ MÉTODO SHELL 48
10.1 PARÁMETROS DE DISEÑO 51
Período de Diseño: 51
Tránsito: 52
Temperatura: 52
Resistencia de la subrasante: 54
Resistencia de las capas granulares: 55
Características de la mezcla asfáltica: 55
10.2 DISEÑO ESTRUCTURAL 65
Alternativa 1: 66
Alternativa 2 (Con sub‐base granular de CBR igual o mayor de 40%): 70
Alternativa 3 (Con Base granular de CBR igual o mayor de 80%): 75
Alternativa 4: 80
11. SELECCIÓN DE ALTERNATIVA DE DISEÑO 86
12. CONFRONTACIÓN DE ALTERNATIVA ESCOGIDA CON DISEÑOS APROBADOS POR EL MUNICIPIO DE SABANETA 91
6
12.1 Evaluación del tránsito a partir de los datos considerados por el consultor del proyecto91
12.2 Diseño de pavimento por medio del método ASSHTO 92
13. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES 99
13.1 REFUERZO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO CON GEOTEXTIL 99
13.2 ESTABILIZACIÓN DE SUELOS 100
13.3 DRENAJES 100
14. CONCLUSIONES 101
15. BIBLIOGRAFÍA 104
ANEXO Nº1 106
Resumen de aforos 106
ANEXO Nº2 112
Registros de cono dinámico 112
ANEXO Nº3 134
Diseño de mezcla asfáltica norma INVÍAS MCD‐2 con asfalto 60‐70 normalizado 134
Método Marshall 134
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LISTA DE TABLAS
TABLA 1 FACTORES DE EQUIVALENCIA UNICAUCA. 22 TABLA 2. TENDENCIA DE LA RATA DE CRECIMIENTO DE LA RED DE CARRETERAS DE
COLOMBIA 22 TABLA 3. FACTOR DE DISTRIBUCIÓN PARA EL CARRIL DE DISEÑO. 24 TABLA 4. VOLUMEN SEMANAL DE TRÁNSITO AFOROS VEHICULARES CALLE 68 SUR
BOMBAY NORTE – SUR 25 TABLA 5. DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL TOTAL SEMANAL BUSES Y CAMIONES FACTOR
CAMIÓN CALLE 68 SUR BOMBAY NORTE - SUR. 25 TABLA 6. DISTRIBUCIÓN HORARIA PORCENTUAL SEMANAL CALLE 68 SUR SENTIDO NORTE
- SUR 26 TABLA 7. DATOS DE ENTRADA PARA CÁLCULO DE EJES EQUIVALENTES 28 TABLA 8. CONFIABILIDAD SUGERIDA PARA VARIAS CLASIFICACIONES VIALES. 37 TABLA 9. VALORES DE DESVIACIÓN NORMAL PARA NIVELES SELECCIONADOS DE
CONFIABILIDAD. 37 TABLA 10. COEFICIENTES DE DRENAJE 38 TABLA 11. COEFICIENTES DE CAPA 40 TABLA 12. ESPESORES MÍNIMOS EXIGIDOS EN LAS CAPAS DE PAVIMENTO 45 TABLA 13. REGISTRO DE TEMPERATURAS CORRESPONDIENTES A CADA MES DEL AÑO. 54 TABLA 14. CUADRO DE EVALUACIÓN ECONÓMICA DE AMBAS ALTERNATIVAS
PLANTEADAS 88 TABLA 15. EVALUACIÓN DE COSTOS PARA LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DEFINITIVA 90 TABLA 16. ESPESORES MÍNIMOS PARA LAS CAPAS DE PAVIMENTO 95 TABLA 17. DIMENSIONES DE LAS ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO. LA DISEÑADA Y LA
PROPUESTA POR EL CONSULTOR DEL PROYECTO. 98
8
LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. CARACTERIZACIÓN DE LA CARGA DE REFERENCIA 21 FIGURA 2. VOLUMEN VS TIEMPO (NORTE – SUR) TOTAL SEMANAL. SECTOR 3. CALLE 68
SUR BOMBAY 26 FIGURA 3. VOLUMEN VS TIEMPO (NORTE – SUR) TOTAL SEMANAL. SECTOR 3. CALLE 68
SUR BOMBAY 26 FIGURA 4. VOLUMEN HORARIO SEMANAL. NORTE – SUR. SECTOR 3. CALLE 68 SUR BOMBAY
27 FIGURA 5. DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL TOTAL SEMANAL NORTE - SUR SECTOR 3. CALLE
68 SUR 27 FIGURA 6. LOCALIZACIÓN DE REGISTROS DE CONO DINÁMICO. 30 FIGURA 7. DISTRIBUCIÓN DEL CBR% CON LA PROFUNDIDAD 31 FIGURA 8. DISTRIBUCIÓN ESTADÍSTICA DE LOS CBR%, INDICANDO EL VALOR
CARACTERÍSTICO CON UNA PROBABILIDAD DE EXCEDENCIA DEL 90% 32 FIGURA 9. ALTERNATIVAS DE PAVIMENTO 33 FIGURA 10. DISEÑO BÁSICO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO 33 FIGURA 11. DISEÑO ALTERNO PARA ZONAS BLANDAS 34 FIGURA 12. NOMOGRAMA DE DISEÑO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES. MÉTODO AASHTO
93. 42 FIGURA 13. CÁLCULO DEL NÚMERO ESTRUCTURAL TOTAL 42 FIGURA 14. CÁLCULO DEL NÚMERO ESTRUCTURAL 1 43 FIGURA 15. CÁLCULO DEL NÚMERO ESTRUCTURAL 2 44 FIGURA 16. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO Nº1 46 FIGURA 17. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO PROPUESTA SEGÚN MÉTODO ASSHTO 93 47 FIGURA 18. 48 FIGURA 19. 50 FIGURA 20. 50 FIGURA 21. 51 FIGURA 22. CURVA DE PONDERACIÓN DE TEMPERATURA 53 FIGURA 23. DETERMINACIÓN DE T800 E IP 57 FIGURA 24. NOMOGRAMA DE VAN DER POEL PARA DETERMINAR EL MÓDULO DINÁMICO
DEL ASFALTO. 58 FIGURA 25. RELACIÓN ENTRE TEMPERATURA EFECTIVA DE LAS CAPAS ASFÁLTICAS Y DE
LA MEZCLA. 59 FIGURA 26. NOMOGRAMA PARA EL CÁLCULO DEL MÓDULO DINÁMICO DE HEUKELOM. 61 FIGURA 27. RELACIONES ENTRE LA RIGIDEZ DE LA MEZCLA Y LA RIGIDEZ DEL ASFALTO.
62
9
FIGURA 28. NOMOGRAMA DE FATIGA BASADO EN SMIX Y VB 63 FIGURA 29. CARACTERÍSTICAS DE FATIGA PARA ASFALTO TIPO F1 Y PARA ASFALTO TIPO
F2 64 FIGURA 30. HN17 PARA ALTERNATIVA 1 66 FIGURA 31. HN25 PARA ALTERNATIVA 1 67 FIGURA 32. HN49 PARA ALTERNATIVA 1 67 FIGURA 33. HN57 PARA ALTERNATIVA 1 68 FIGURA 34. NH17 PARA ALTERNATIVA 2 71 FIGURA 35. HN25 PARA ALTERNATIVA 2 71 FIGURA 36. HN49 PARA ALTERNATIVA 2 72 FIGURA 37. HN57 PARA ALTERNATIVA 2 72 FIGURA 38. HN17 PARA ALTERNATIVA 3 76 FIGURA 39. HN25 PARA ALTERNATIVA 3 76 FIGURA 40. HN49 PARA ALTERNATIVA 3 77 FIGURA 41. HN57 PARA ALTERNATIVA 3 77 FIGURA 42. HN17 PARA ALTERNATIVA 4 81 FIGURA 43. HN25 PARA ALTERNATIVA 4 81 FIGURA 44. HN49 PARA ALTERNATIVA 4 82 FIGURA 45. HN57 PARA ALTERNATIVA 4 82 FIGURA 46. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DISEÑADA A PARTIR DEL MÉTODO ASSHTO 93
86 FIGURA 47. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DISEÑADA A PARTIR DEL MÉTODO SHELL 87 FIGURA 48. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DEFINITIVA 89 FIGURA 49. CÁLCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL TOTAL 92 FIGURA 50. CÁLCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL 1 93 FIGURA 51. CÁLCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL 2 93 FIGURA 52. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO VERIFICADA A PARTIR DE SN 96 FIGURA 53. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO SEGÚN LA ASSHTO PARA LOS DATOS DEL
CONSULTOR DEL PROYECTO 97
10
1. INTRODUCCIÓN
El crecimiento y desarrollo que ha presentado el municipio de Sabaneta en los
últimos años ha trascendido en la convergencia del flujo del tránsito hacia algunas
vías colectoras, ocasionando que éstas al aumentar de importancia creen la
necesidad de ser prolongadas. El caso de la carrera 46 es un ejemplo de estos
fenómenos generados. Es por eso que el municipio de Sabaneta por medio de la
Secretaría de Obras Públicas convoca a una licitación pública la construcción de la
carrera 46 entre calles 75 y 77 sur, vías adyacentes y obras complementarias,
bajo los diseños de ejes viales, estructura de pavimento según estudios de suelos,
estructuras y obras de drenaje entre otros.
El proyecto consiste en la conexión de la carrera 46 desde la calle 75 sur hacia la
77 sur, interceptando un lote en 321 m que hace parte de un plan parcial que
contempla un uso de suelo comercial y residencial. El área intervenida incluye la
quebrada San Alejo que en décadas anteriores contaba con un caudal superior al
actual, lo que generó que las zonas aledañas estuvieran conformadas por suelos
arcillosos altamente saturados puesto que además el nivel freático es alto.
Estas razones despiertan el interés de hacer un análisis de los estudios de suelos
realizados y de realizar proyecciones del tránsito que se generará por la
construcción de la vía con base en aforos realizados en la zona o en otras zonas
con características similares en el municipio. Bajo estos dos parámetros se
presenta el diseño de la estructura del pavimento según la metodología AASHTO
93 y SHELL. Se seleccionará aquella estructura que cumplirá con los parámetros
admisibles desde el punto de vista técnico y que sea la más viable
económicamente. Estos resultados serán confrontados con los diseños
presentados por el consultor del proyecto.
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2. ANTECEDENTES
2.1 Recopilación de Información
Se recibió información por parte del Municipio de Sabaneta consignada en medio
impreso, informes de trabajos relacionados al objeto del presente proyecto. En ella
participaron firmas consultoras como Mario D’Amato Bassi ingenieros y Vieco
ingeniería de suelos en el año 2006.
La primera presentó diseños geométricos de la vía, urbanismo, redes de
acueducto, alcantarillado, eléctrica y de telecomunicaciones y de sistemas de
drenaje como filtros, canalizaciones y Box Coulvert; La segunda firma realizó un
estudio de suelos y diseño de la estructura de pavimento mediante el método del
Instituto Norteamericano del Asfalto.
Por otra parte, no se precisa conteos vehiculares, lo que evidencia la presunción
de los datos que involucran el dimensionamiento de la estructura generando la
incertidumbre de la entidad contratante.
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3. OBJETIVOS
3.1 Objetivo general
El objetivo del presente informe es la determinación de los espesores de la
estructura del pavimento para la Carrera 46 entre Calles 75 y 77 Sur y vías
adyacentes en el municipio de Sabaneta, mediante los métodos de diseño
conocidos.
3.2 Objetivos específicos
Calcular y proyectar el flujo de tránsito por la futura vía.
Según un estudio previo de los suelos localizados en la zona que puedan llegar a
ser afectados por las cargas del tránsito actual generar soluciones estructurales
que permitan definir las capas del pavimento necesario para el óptimo
funcionamiento de la vía en estudio, teniendo en cuenta según una evaluación
económica la alternativa más favorable.
Hacer las recomendaciones necesarias para la colocación y conformación de la
estructura de pavimento.
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4. ALCANCE DEL TRABAJO
Con base en los estudios de suelos y proyecciones de tránsito, actividades que se
desarrollarán durante el presente trabajo de grado, se presentará la alternativa de
diseño de pavimentos que optimice los recursos económicos presupuestados, que
satisfaga los requerimientos del tránsito.
La alternativa propuesta se confrontará con los diseños presentados por el
consultor del proyecto aprobados por el municipio para evaluar diferencias,
determinar conveniencia de ejecutar el proyecto bajo los diseños actuales y/o se
harán recomendaciones para optimizarlos.
14
5. METODOLOGÍA A UTILIZAR
Inicialmente, con base en aforos realizados en la zona se determina el crecimiento
vehicular en el municipio, la caracterización del tránsito y porcentaje de
distribución en la vía, con el fin de obtener el número de vehículos equivalentes
que se proyectarán en un periodo de diseño. En caso de no ser posible la
consecución de dichos datos, se realizará análisis de tránsito en una zona muy
similar a la de estudio y se harán correcciones en caso de ser necesario.
Por otra parte, los estudios de suelos que han sido realizados para el proyecto y
que mediante ensayos de laboratorio han determinado capacidad portante y tipo
de suelo serán analizados y evaluados.
Con base en éstas condiciones se emplearán los métodos Shell y AASHTO para
determinar los espesores de las capas de la estructura de pavimento a diseñar.
Adicionalmente, serán tenidos en cuenta elementos que mejoren las condiciones
de la subrasante y de las capas granulares como Geosintéticos y/o estabilizantes.
Luego de haberse planteado las diversas alternativas para el diseño del pavimento
según cada método empleado se hará un cuadro comparativo con los costos que
cada una genera y se escogerá la más económica.
Finalmente, mediante una confrontación entre la alternativa escogida y el diseño
presentado por el consultor se determinan las falencias o excedencias de los
aprobados por el municipio, se analizan las diferencias entre ambas y se hacen
sugerencias o recomendaciones sobre éstos para optimizar el proyecto. Estas
recomendaciones tendrán en cuenta todos los aspectos de impacto socio –
ambiental que se desea minimizar.
15
6. ASPECTOS GENERALES Sabaneta debe su nombre a la expresión derivada de sabana, sustantivo
diminutivo que significa lugar suave y plano, sin vegetación arbórea, fértil para
pastar ganados o plantar un bello pueblo. Sabaneta estuvo habitada inicialmente
por los indios Anaconas (aborígenes provenientes del otro lado de la Aná),
quienes se radicaron en la ladera oriental, partiendo del cerro de Pan de Azúcar.
En el año de 1750, familias de origen español se radicaron en este lugar. Los
Montoya, Restrepo, Vélez, Díaz, Díez, Vásquez, Guzmán, Garcés, Baena,
Salazar, Mejía, Mesas, Álvarez y Soto constituyen el segundo grupo poblador de
esta comarca. En Julio 31 de 1858 se inició la instrucción pública para varones
bajo la guía del maestro Sotero Arango, de quien se dice obraba como seccional
de la Escuela de Varones de Envigado. En 1865, la Señorita Adelaida Correa
Estrada inicia labores como maestra en la escuela que, un siglo después, lleva su
nombre.
Sabaneta se constituyó en corregimiento de Envigado por Acuerdo Nº 11 de enero
de 1899 y fue don Venancio Díaz Vásquez su primer inspector. El 20 de julio de
1911 se inauguró la estación José Félix de Restrepo, dando paso al Ferrocarril de
Antioquia y marcando el cambio de vida en muchos de los pobladores, dedicados
hasta entonces a la arriería y a la agricultura. El Municipio de Sabaneta, hacía
parte del Municipio de Envigado. Gracias a la fertilidad de sus tierras y a lo
propicio del clima, fue adquiriendo día a día mayor importancia y ya en 1964 sus
pobladores se sentían con fuerzas suficientes para emanciparse, pues tenían en
su territorio asiento importantes empresas como Curtidos Sabaneta, Gravetal,
Dyna Industrial, Cerámica Sabaneta y otras más.
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El 25 de octubre de 1964 se promueve la creación de Sabaneta como municipio,
bajo la coordinación del Padre Arcila y de la Sociedad de Mejoras Públicas. En
esta fecha se constituye la Junta Pro Municipio con líderes cívicos de la región.
Tras cumplirse los trámites de rigor se llega al año 1967 y la Asamblea
Departamental de Antioquia dicta el 30 noviembre la Ordenanza No. 7 por la cual
se erige como municipio, la que empieza a regir el 1° de enero de 1968. Así nació
el Municipio de Sabaneta.
6.1 Industria Este sector cuenta con aproximadamente 220 empresas manufactureras
registradas en el sistema de Industria y Comercio, en el cual representan el 60 %
de los ingresos. El alto grado de seguridad y el buen acondicionamiento logístico
que el Municipio brinda, ha estimulado el asentamiento de nuevas empresas. Las
principales actividades realizadas son:
• Fabricación de productos alimenticios, tales como: grasas, pasabocas,
pastelería, salsas sus derivados, conservas, entre otros.
• Fabricación de prendas de vestir para exportar: blue- jeans y ropa para
niño.
• Confección de blue - jeans, ropa interior y medias.
• Industria manufacturera y metalmecánica: doblados, estructuras mecánicas,
productos eléctricos.
• Industrias dedicadas a la fabricación de caucho y plástico.
6.2 Comercio La permanencia del sector en Sabaneta, se debe a la construcción de bodegas
que permiten realizar actividades en Comercio Mayorista de productos alimenticios
especialmente. Los principales productos son:
• Enlatados.
• Prendas de vestir.
• Aseo personal.
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• Implementos deportivos.
El comercio minorista, ha sido uno de los grupos más numerosos en
establecimientos. Las actividades más representativas son:
• Misceláneas.
• Artículos religiosos.
• Comidas rápidas.
• Ventas estacionarias
6.3 Finanzas Actualmente el Municipio cuenta con seis entidades pertenecientes al sector
financiero, fortaleciéndose éste durante los últimos tres años con la ubicación de
nuevas sedes. En los centros comerciales de Sabaneta se encuentra gran
cantidad de sucursales de los principales bancos del país. Se ha dinamizado los
demás sectores de la economía en el municipio; entidades:
• Bancolombia.
• Banco de Bogotá
• Banco BBVA.
• Davivienda.
• Cooperativa Belén.
• Cooperativa Jhon F. Kennedy
6.4 Servicios En este gremio, se cuenta con un interesante grupo de empresas especializadas,
las cuales se concentran en formar cadenas de producción con el sector Industrial
prestando servicios de maquila en empaque, tintura, tiquetes y adhesivos, entre
otros.
18
• De otro lado, hay en el municipio varias empresas constructoras que
adelantan importantes proyectos de vivienda e infraestructura en la
localidad.
• Los estaderos y restaurantes ubicados en la vereda La Doctora y otros
sectores del municipio, han hecho de Sabaneta un atractivo y concurrido
lugar para el esparcimiento y entretenimiento, contando con la seguridad y
tranquilidad que caracteriza a este municipio.
• En cuanto a la educación superior existen en la actualidad 4 instituciones de
educación superior que prestan sus servicios a personas de toda Antioquia.
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7. ESTUDIOS DE TRÁNSITO Y PROYECCIONES Una correcta planificación de las mejoras de un pavimento exige, además del
conocimiento de las condiciones físicas y estructurales de la carretera, una
apropiada valoración del tránsito actual y futuro de la misma. Desde el punto de
vista estructural, la estimación del tránsito requiere conocer el número de ejes por
carril y su distribución en diferentes grupos de carga, para la actualidad y para la
vida futura del diseño.
Las características del tránsito y su distribución son factores determinantes en el
diseño estructural del pavimento. El deterioro de los pavimentos no ocurre, sin
embargo, bajo la aplicación de una sola carga. Es la aplicación repetida de ellas la
que va acumulando efectos hasta producir la falla de la estructura. Los materiales
de comportamiento elástico, tal el caso de las mezclas asfálticas que trabajan a
baja temperatura, suelen fallar por fatiga elástica que se manifiesta
superficialmente en forma de grietas conocidas como “piel de cocodrilo”, mientras
que los materiales granulares y la subrasante suele acumular en el tiempo
deformaciones permanentes que se traducen en ahuellamientos. En ambos casos,
el resultado práctico es el mismo: la incapacidad de la estructura para cumplir en
el futuro la misión para la cual fue construida.
El presente trabajo muestra las composiciones del tránsito en las vías de interés.
De igual manera se identifican las composiciones vehiculares más comunes de
acuerdo a los diferentes rangos de tránsito promedio diario (TPD) y discriminados
por categorías para vehículos comerciales.
20
El estudio del tránsito tiene por objeto establecer las solicitaciones a las que se
verá sometida la estructura del pavimento durante los próximos 10 años,
adoptando una proyección para el tránsito futuro en función del tránsito circulante.
Estructuralmente, la contribución de los automóviles y demás vehículos livianos
resulta despreciable frente a la circulación de aún muy pequeños porcentajes de
cargas pesadas, razón por la cual aquellos se suelen ignorar en los cálculos de
tránsito destinados a la evaluación y diseño de pavimentos.
7.1 CARGA EQUIVALENTE DE DISEÑO
Todo vehículo que hace uso de un pavimento produce en este y en la subrasante,
esfuerzos, deformaciones y deflexiones, infligiendo una cantidad infinitesimal de
daño en la estructura. A medida que las repeticiones de carga se acumulan,
también lo hacen las cantidades de daño, reduciendo así la vida del pavimento.
Diferentes tipos de vehículos y de configuraciones de ejes, producen efectos
diferentes, que se traducen en distintos niveles de deterioro en el pavimento.
El eje de referencia (Figura 1) en Colombia es un eje simple con ruedas gemelas
cuya carga es de 80 kN. El número de ejes equivalente es función de los valores
de los conteos del tránsito en el año de puesta en servicio de este, de la tasa de
crecimiento durante la duración de vida, de la composición del tránsito y de la
naturaleza de la estructura de pavimento.
21
Figura 1. Caracterización de la carga de referencia
7.2 FACTORES DE EQUIVALENCIA
Los factores de equivalencia representan la acción destructiva, comparativamente,
que ocasionan los vehículos comerciales en términos de carga de 8.2 toneladas y
son esenciales para calcular el número de ejes equivalentes. Los factores de
equivalencia que se utilizaron para las diferentes categorías de vehículos que
circulan por la vía, provienen de estudios realizados por la Universidad del Cauca
(1996) para la Investigación Nacional de Pavimentos, y adoptados por el Manual
de Diseño de Pavimentos del Instituto Nacional de Vías.
22
A partir de dichos datos se procede entonces a determinar el número de ejes
equivalentes de 8.2 toneladas haciendo cálculos individuales por vehículo,
aplicando el factor de equivalencia de cada uno:
Tipo de camión Factor de equivalencia
Bus 0.2
C2P 1.14
C2G 3.44
C3 4.4
C4 4.4
C5 4.4
C6 4.72 Tabla 1 Factores de equivalencia Unicauca.
7.3 RATA DE CRECIMIENTO
El cálculo de la rata de crecimiento se obtendría a partir de las series históricas del
sector. Por carecer de dicha información se adoptará de conteos históricos para
las redes viales nacionales de acuerdo al TPDS. De un valor de 3.5% (Según
Tabla 2). De este modo se utilizará el método de tránsito medio alto – nivel 1.
TPDS Tasa de crecimiento (%)
Total vehículos Vehículos comerciales
< 500 6.0 - 6.5 5.5 - 6.0
500 – 1000 5.7 - 6.3 5.5 - 6.0
1000 – 2500 4.5 - 5.5 4.0 - 5.0
2500 – 5000 4.5 - 5.5 4.0 - 5.0
5000 – 10000 4.5 - 5.5 4.0 - 5.0
> 10000 4.0 - 6.0 3.0 - 5.0 Tabla 2. Tendencia de la rata de crecimiento de la red de carreteras de Colombia
23
7.4 DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES DE DISEÑO
La conversión del tránsito mixto en aplicaciones de carga del eje de referencia
permite hacer estimaciones tanto del tránsito que ya ha circulado sobre el
pavimento, como del previsible hacia el futuro. El cálculo se puede realizar de dos
maneras: aplicando un factor camión promedio para todos los vehículos
comerciales, o haciendo cálculos individuales por vehículo, aplicando el factor de
equivalencia de cada uno.
El número de ejes simples equivalentes de 80 kN (8.2 ton) en el carril de diseño
durante un año “i”, se determina mediante la siguiente expresión:
Donde:
N: Número de aplicaciones de carga del eje de referencia en el carril de
diseño durante el año “i”
TPDi: Tránsito promedio diario durante el conteo “i”
A: Porcentaje estimado de vehículos pesados (buses y camiones)
B: Porcentaje de vehículos pesados que emplean el carril de diseño
R: Rata de crecimiento
FC: Factor camión
La distribución del tránsito de vehículos comerciales por carril depende del número
de carriles que tenga la carretera en cada dirección. Si bien es evidente que
cuando la vía tiene un carril por dirección, este acoge el 100% del tránsito
circulante en dicha dirección, en el caso de vías con más de un carril por dirección,
se encuentra que el carril exterior conduce un mayor número de vehículos
pesados – y consecuentemente un mayor número de ejes simples equivalentes
que el interior, razón por la cual se le denomina carril de diseño. Con base en lo
anterior, considerando que la mayor parte del proyecto se encuentra en dos
carriles (uno en cada dirección), y teniendo en cuenta los factores de distribución
24
que se consignan en la Tabla 3, se adoptará el factor de distribución
correspondiente para cada caso.
Numero total de carriles en cada
dirección
Factor de distribución para el carril de diseño
INVIAS AASHTO
1 1.0 1.0
2 0.9 0.9
3 0.75 0.6
4 Sin información 0.4 Tabla 3. Factor de distribución para el carril de diseño.
Se planea que la vía en proyecto sea principal, sin embargo el municipio de
Sabaneta solicita que se considere un periodo de diseño de 10 años, el cual se
realizó con base en el conteo vehicular mediante aforos en estaciones
estratégicas en la Calle 68 Sur entre Carreras 43C y 46 y en la Carrera 46 entre
Calles 68 Sur y 75Sur, cuyo tráfico se estima aproximado al generado en la vía a
construir, proyectando dicho tránsito a un período de recuperación de
serviciabilidad funcional y estructural.
VOLUMEN SEMANAL DE TRÁNSITO - AFOROS VEHICULARES
CALLE 68 SUR ENTRE CARRERAS 43C Y 46 - CARRERA 46 ENTRE CALLES 68 SUR Y 75 SUR
SENTIDO: NORTE - SUR ESTACIÓN:1 22-Nov-08
HORA LIVIANOS BUSES
CAMIONES
TOTAL HORA C2 - PEQUEÑO
C2-GRANDE C3 Y C4 C5 C6
6:00 - 7:00 454 63 162 16 3 0 0 698
7:00 - 8:00 693 98 227 15 5 0 0 1038
8:00 - 9:00 884 86 231 17 7 0 0 1225
9:00 - 10:00 905 114 235 20 5 0 0 1279
10:00 - 11:00 883 87 233 17 9 0 0 1229
11:00 - 12:00 1013 88 277 17 6 0 0 1401
12:00 - 13:00 1119 87 280 11 10 0 0 1507
13:00 - 14:00 999 86 279 15 6 0 0 1385
25
14:00 - 15:00 849 72 253 12 8 0 0 1194
15:00 - 16:00 867 80 245 15 10 0 0 1217
16:00 - 17:00 921 80 254 11 9 0 0 1275
17:00 - 18:00 929 82 272 7 7 0 0 1297
18:00 - 19:00 1091 72 366 17 8 0 0 1554
19:00 - 20:00 843 44 276 7 6 0 0 1176
TOTAL 12450 1139 3590 197 99 0 0 17475
Tabla 4. Volumen semanal de tránsito aforos vehiculares Calle 68 sur Bombay Norte – Sur
DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL TOTAL SEMANAL CAMIONES Y BUSES
TOTALES BUSES C2-PEQUEÑO C2-GRANDE C3 Y C4 C5 C6 CAMIONES
1139 3590 197 99 0 0 3886
% 6.5179% 92.3829% 5.0695% 2.5476% 0.0000% 0.0000% 100%
FACTORES DE EQUIV. 0.20 1.14 3.44 4.40 4.40 4.72
FACTOR CAMIÓN 105 17 11 0 0 134 1.34
FACTOR BUS 1.30
FCB PONDERADO 1.33174
Tabla 5. Distribución porcentual Total semanal Buses y Camiones Factor Camión Calle 68 sur Bombay Norte - Sur.
DISTRIBUCIÓN HORARIO TOTAL PORCENTUAL SEMANAL DE VOLUMENES DE TRANSITO
CALLE 68 SUR ENTRE CARRERAS 43C Y 46 - CARRERA 46 ENTRE CALLES 68 SUR Y 75 SUR
SENTIDO: NORTE - SUR ESTACIÓN:1 22-Nov-08
HORA %
LIVIANOS %
BUSES
% CAMIONES TOTAL HORA C2 - PEQ C2-GRAN C3 Y C4 C5 C6
6:00 - 7:00 65.0430% 9.0258% 23.2092% 2.2923% 0.4298% 0% 0% 100%
7:00 - 8:00 66.7630% 9.4412% 21.8690% 1.4451% 0.4817% 0% 0% 100%
8:00 - 9:00 72.1633% 7.0204% 18.8571% 1.3878% 0.5714% 0% 0% 100%
9:00 - 10:00 70.7584% 8.9132% 18.3737% 1.5637% 0.3909% 0% 0% 100%
10:00 - 11:00 71.8470% 7.0789% 18.9585% 1.3832% 0.7323% 0% 0% 100%
11:00 - 12:00 72.3055% 6.2812% 19.7716% 1.2134% 0.4283% 0% 0% 100%
12:00 - 13:00 74.2535% 5.7731% 18.5800% 0.7299% 0.6636% 0% 0% 100%
13:00 - 14:00 72.1300% 6.2094% 20.1444% 1.0830% 0.4332% 0% 0% 100%
14:00 - 15:00 71.1055% 6.0302% 21.1893% 1.0050% 0.6700% 0% 0% 100%
15:00 - 16:00 71.2408% 6.5735% 20.1315% 1.2325% 0.8217% 0% 0% 100%
16:00 - 17:00 72.2353% 6.2745% 19.9216% 0.8627% 0.7059% 0% 0% 100%
17:00 - 18:00 71.6268% 6.3223% 20.9715% 0.5397% 0.5397% 0% 0% 100%
18:00 - 19:00 70.2059% 4.6332% 23.5521% 1.0940% 0.5148% 0% 0% 100%
26
19:00 - 20:00 71.6837% 3.7415% 23.4694% 0.5952% 0.5102% 0% 0% 100%
TOTAL 993.361% 93.318% 288.998% 16.427% 7.8935% 0% 0% 1400%
Tabla 6. Distribución horaria porcentual semanal Calle 68 sur Sentido Norte - Sur
Figura 2. Volumen vs Tiempo (Norte – Sur) Total semanal. Sector 3. Calle 68 sur Bombay
Figura 3. Volumen vs Tiempo (Norte – Sur) Total semanal. Sector 3. Calle 68 sur Bombay
27
Figura 4. Volumen horario semanal. Norte – Sur. Sector 3. Calle 68 sur Bombay
Figura 5. Distribución porcentual total semanal Norte - Sur Sector 3. Calle 68 sur
28
7.5 CÁLCULO DE LOS EJES EQUIVALENTES:
Las tablas presentadas anteriormente abarcan un total de vehículos aforados los
días 18, 19, 20 y 21 de noviembre de 2008, y su respectivo porcentaje de
distribución vehicular. Para hallar un promedio se divide la totalidad de vehículos
aforados entre los días de aforo, en este caso 4. Para un TPD de 4369.
Adicionalmente se tienen los siguientes parámetros:
TPD* 4369
%Buses 6.5179%
%Camiones 22.2375%
A 28.755%
B 100.00%
r 3.500%
n 10
FC 1.33174 Tabla 7. Datos de entrada para cálculo de ejes equivalentes
Que introducidos en la fórmula de cálculo de ejes equivalentes se obtiene:
N = 7’288.377,74
Para un índice de confiabilidad de 90%, teniendo en cuenta que se trata de una
vía colectora urbana, se obtiene que Zr = -1,282; de modo que:
N’ = 100.05* Zr x 7’288.377,74
N’ = 6’288.265,64≈ 6.3 E+06
Los aforos realizados en los días mencionados se presentan en el Anexo 1.
29
8. ESTUDIO DE SUELOS REALIZADO Y PRESENTACIÓN DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS POR EL CONSULTOR DEL PROYECTO
8.1 EVALUACIÓN DE SUELOS
Para la obtención de la información geotécnica básica del suelo constituyente de
la sub – rasante, se realizaron investigaciones de campo y de laboratorio por la
firma de consultoría “Vieco ingeniería de Suelos”, quien además desarrolló los
diseños de la estructura de pavimento del proyecto.
Los estudios de suelos realizados estuvieron orientados hacia la determinación del
CBR. Este parámetro es una medida de la resistencia al esfuerzo cortante de un
suelo, bajo condiciones de densidad y humedad cuidadosamente controladas. Se
usa en el diseño de pavimentos flexibles. Su valor se expresa en porcentaje, como
la razón de la carga unitaria que se requiere para introducir un pistón a la misma
profundidad en una muestra tipo de piedra partida. Este ensayo requiere de un
molde con borde cortante para facilitar la penetración del mismo en el terreno. Se
hinca aplicándole una carga (si el suelo es lo suficientemente blando) o
golpeándolo, no sin antes ubicar un bloque de madera sobre el cilindro de CBR
para evitar dañar su borde superior. Los datos de C.B.R. fueron obtenidos por
métodos no destructivos.
Pero en este caso, la investigación de la sub – rasante de la vía fue realizada
mediante la ejecución de 21 penetraciones con cono dinámico hasta
profundidades de 1,0m de acuerdo con la localización mostrada en la figura 6.
30
Figura 6. Localización de registros de cono dinámico.
Los registros de nuestro interés corresponden a los números 5, 15, 17, 18, 20 y 21
que son los ejecutados en la Carrera 46 entre Calles 75 y 77 Sur, y los 19 y 18 en
la Calle 76 Sur entre Carreras 46 y 46B que se adjuntan en el Anexo 2. La
ejecución de los conos se realizó a partir del nivel de la sub – rasante en los sitios
donde se realizarán cortes, y a partir del terreno actual, donde se construirán
rellenos.
La investigación con conos dinámicos permite una mejor aproximación a las
características locales de la sub – rasante, porque permite evaluar en muchos
puntos, tanto en extensión como en profundidad, las condiciones mecánicas de los
suelos de apoyo en la estructura de pavimento.
31
Para la determinación del CBR el consultor empleó la correlación publicada por la
Universidad del Cauca entre el valor de penetración con cono dinámico y el CBR
(California Bearing Ratio).
Figura 7. Distribución del CBR% con la profundidad
Suelos de la subrasante Los suelos del sector corresponden a depósitos de inundación, limos arcillosos
con zonas arenosas, presencia de materia orgánica, en general blandos a muy
blandos, con niveles freáticos a profundidades medias entre 1 y 2m.
De la exploración se observó que los valores mínimos de CBR se encuentran
alrededor del 1.23%, sin embargo, como se trata del diseño de una vía de varios
centenares de metros, es conveniente adoptar un valor más representativo de
32
todo el universo de datos, y para ello se emplea la distribución estadística con una
probabilidad de excedencia del
90%, para el cual corresponde
a un CBR = 3.4%.
DISTRIBUCIÓN
ESTADÍSTICA DE
PARÁMETROS
Valor característico: 3,4%
Con excedencia del: 90%
Media: 7,004
Mínimo: 1,23
Máximo: 12,407
Número de datos: 371
Desviación normal: 2,823
Varianza: 7,97 Figura 8. Distribución estadística de los CBR%, indicando el valor característico con una probabilidad de
excedencia del 90%
8.2 DISEÑO DE PAVIMENTO PRESENTADO POR EL CONSULTOR
En el diseño de pavimentos intervienen dos aspectos fundamentales como son las
características mecánicas de las sub – rasantes y el tráfico esperado a lo largo de
la vida útil del pavimento.
Las características de la subrasante se obtuvieron mediante los ensayos de
campo y relaciones con el CBR% estimados anteriormente.
El diseño básico de consultor del proyecto siguió las recomendaciones del Instituto
Norteamericano del Asfalto, y consideró un NDT (Núm. diseño relativo tránsito) >
33
1700 vehículos para el primer año, con un CBR = 3,0%. Con estos valores se
dedujo un espesor equivalente de asfalto de 35.9 cm. En estas condiciones
planteó las siguientes alternativas:
Figura 9. Alternativas de pavimento
Con base en éstos resultados, y teniendo en cuenta que a lo largo de las vías
existen zonas con suelos más blandos que los considerados en el diseño, el
consultor propuso el siguiente diseño básico para los suelos de mejores
condiciones:
Figura 10. Diseño básico de la estructura del pavimento
34
Y en los sitios donde la sub – rasante sea muy blanda (dificultad para movilizar los
equipos) se intercalará un geotextil tejido tipo T-2400 o similar entre la sub –
rasante y la sub – base, y a continuación colocar una capa de 15 cms de sub –
base granular, compactar y cubrir con otro geotextil tejido de especificaciones
similiares. De esta forma se refuerza la zona inferior de la estructura del
pavimento, para cumplir los requisitos estructurales. Se emplearán los materiales
especificados por el Área Metropolitana del Valle de Aburrá.
Figura 11. Diseño alterno para zonas blandas
35
Variables consideradas por el consultor en el diseño del pavimento Tránsito y Subrasante
Total de vehículos 6000 veh / Dir
Porcentaje de vehículos comerciales 6%
Número de vehículos comerciales 360 Veh / Dir
Factor camión equivalente a ejes de 8.2
tn
4,2
Tasa de aumento de tráfico 1,5 %
Periodo de diseño en años 20 Años
FPT (Factor de proyección del tráfico) 1.156
Número de ejes equivalentes 12.76 ejes x 106
NDT (Número diseño relativo tránsito) 1748 Veh / Dir
CBR 3%
Diseño básico:
Carpeta Asfáltica 7.5 cm
Base Granular 25 cm
Sub – Base arenilla 45 cm
36
9. DISEÑO DEL PAVIMENTO - MÉTODO ASSHTO 93
Después de muchos años de investigación, la AASHTO, definió una metodología
de diseño, en la que ha integrado varios factores o variables entre las cuales se
encuentran:
9.1 Número estructural (Sn) El número estructural, SN, es un número abstracto que expresa la resistencia
estructural requerida del pavimento para un soporte del suelo (MR), tránsito total
expresado en ejes equivalentes de 8.2 Ton, serviciabilidad final y medio ambiente.
El SN debe convertirse en espesores de rodadura, base y subbase mediante el
uso de los coeficientes que representan la resistencia de los materiales de
construcción.
9.2 Tránsito Representado por el número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas que utilizarán
la vía en el carril de diseño durante un período determinado de tiempo.
9.3 Módulo de la subrasante De acuerdo con lo descrito anteriormente, el CBR de diseño corresponde 3.4% El
módulo de la subrasante se obtuvo con base en la ecuación de la AASHTO:
ESBR = 1500*CBR (psi), con la cual,
ESBR = 1500*3.4 = 5100 (psi)
37
9.4 Confiabilidad Se refiere al nivel de probabilidad que tiene una estructura de pavimento diseñada
para durar a través del período de análisis, tomando en cuenta las posibles
variaciones del tráfico previstas así como las del modelo de comportamiento
AASHTO, proporcionando un nivel de confiabilidad R que asegure que las
secciones del pavimento duren el período para el cual fueron diseñadas. De
acuerdo con el tipo de vía (Vía colectora urbana), el valor adoptado de
confiabilidad es del 90% con el cual el valor de Desviación Normal Zr será de –
1.282, así como se ilustra en las siguientes tablas:
Tabla 8. Confiabilidad sugerida para varias clasificaciones viales.
Tabla 9. Valores de desviación normal para niveles seleccionados de confiabilidad.
9.5 Criterio de desempeño Para el diseño de pavimento flexible se aplica el criterio de “pérdida de
serviciabilidad”. Se recuerda que los pavimentos flexibles del Ensayo Vial AASHO
tenían una serviciabilidad inicial, p0, de 4.2, mientras que la serviciabilidad
38
terminal, pt, debe establecerse en consideración al tipo de vía, por ejemplo, 3 para
grandes autopistas y menores a 2.0 para carreteras con un tránsito menos
pesado. Para efectos de diseño se aplica la ecuación:
ΔPSI = PSIo – PSIf
Siendo:
Po: Índice de Serviciabilidad inicial = 4.2
Pf: Índice de serviciabilidad final = 2.0
El desempeño funcional del pavimento trata sobre lo bien que se sirve al usuario.
En este contexto la característica dominante es el confort al viajar. Para cuantificar
el confort del viaje se desarrolló el concepto de serviciabilidad – desempeño, el
cual se usa como medida de desempeño en la ecuación de diseño.
9.6 Coeficiente de drenaje Por las condiciones de humedad en el terreno, se considerará la construcción de
sistemas de subdrenaje adecuados en los diseños, que mejoren la calidad del
drenaje en la estructura del pavimento. Es por ello, que se estima que la
calificación será buena para la calidad del drenaje. Por lo tanto se emplearán los
siguientes coeficientes de drenaje:
Tipo de material Coeficiente de drenaje (mi)
Base granular 1.0
Subbase granular 1.0 Tabla 10. Coeficientes de drenaje
Los coeficientes de drenaje adoptados corresponden a materiales con una
capacidad drenante media que tendrán un nivel de humedad cercana a la
saturación durante un tiempo comprendido entre el 5 y 25% de la vida útil.
39
9.7 Caracterización de los Materiales de las Capas de Pavimento Las diferentes capas que conforman la estructura del pavimento están
caracterizadas por el “Coeficiente de Capa” que corresponde a una medida de la
habilidad relativa de una unidad de espesor de un material dado para funcionar
como componente estructural del pavimento.
Cálculo de coeficientes de capa Este es método estimativo de los coeficientes estructurales de capa (valores ai). El
coeficiente de capa de un material convierte su espesor en un número estructural;
por lo tanto, dicho coeficiente es una medida de la capacidad relativa del material
para funcionar como un componente estructural del pavimento, además de una
relación de espesores.
SN = a1D1 + a2 D2m2 + a3D3m3
Donde:
ai = Coeficiente de capa.
Di = Espesor de cada capa del pavimento.
mi = Efecto de drenaje.
El coeficiente de capa no refleja únicamente la capacidad del material de distribuir
esfuerzos sino que también se constituye, de cierta forma, en una medida de la
resistencia de dicho material.
Asimismo, la posición del material en la estructura y el modo de daño (mecanismo
de falla) pueden influir la relación entre el coeficiente de capa y el módulo elástico.
Dichos coeficientes son una relación empírica entre el número estructural y
espesores y son una medida de la capacidad relativa de los materiales para
funcionar como un componente de la estructura de pavimento.
En la publicación “Pavement Analysis" (Ullidtz, 1987) se presenta la ecuación para
determinar el coeficiente de capa a1 en función del modulo elástico. La ecuación
es semilogarítmica y se utiliza un modulo de referencia de 3,000 MPa.
40
Carpeta asfáltica:
Para 0.20 < a1 < 0.44.
Base granular:
Para 0.06 < a2 < 0.20.
Sub - Base granular:
Para 0.06 < a3 < 0.20.
Las anteriores ecuaciones emplean módulos elásticos de Carpeta Asfáltica, Base
Granular, y Subbase Granular en PSI, cuyos valores serán tomados como los
máximos de la norma ASSHTO:
Carpeta asfáltica: 435.000 psi
Base granular: 28.000 psi
Sub-base granular: 15.000 psi
A continuación se anexan los coeficientes de capa, calculados con los módulos
elásticos mencionados anteriormente.
Tipo de material Coeficiente de capa (ai)
Concreto asfáltico 0.434
Capa granular tipo base 0.130
Capa granular tipo sub - base 0.11 Tabla 11. Coeficientes de capa
41
9.8 DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA
Las variables de entrada son:
• Desempeño del pavimento: ΔPSI = PSIo – PSIf = 4.2 – 2.0 = 2.2
• Tránsito estimado, W18: 6.3+E06.
• Módulo resiliente de la subrasante, MR: 5100 psi
• Materiales de las capas estructurales. (Tabla)
• Factores ambientales. (Tabla)
• Confiabilidad, R: 90%
Ecuación que determina el SN:
Donde:
W18: Número predicho de repeticiones de ejes equivalentes de carga de 18
kips (80 kN).
ZR: Desviación normal estándar.
S0: Error estándar combinado de la predicción del tránsito y la predicción
del desempeño, 0,49.
PSI: Diferencia entre el índice de diseño inicial de serviciabilidad, p0, y el
índice de diseño final de serviciabilidad, pt.
MR: Módulo resiliente (psi).
SN: Es igual al número estructural indicativo del espesor total requerido de
pavimento.
En el gráfico siguiente se presenta el nomograma de diseño para resolver la
ecuación anterior y obtener el número estructural SN.
42
Figura 12. Nomograma de diseño para pavimentos flexibles. Método AASHTO 93.
En este caso se hará uso del software disponible para los cálculos del número
estructural, SN, con el programa Ecuación AASHTO 93 ingresando los datos de
entrada mencionados anteriormente.
Figura 13. Cálculo del Número Estructural total
43
De este modo, con el SN = 4,99 calculado se procede a hallar el SN1 teniendo en
cuenta que en este caso la subrasante es tomada como la Base Granular, con
módulo elástico de 28000 psi:
Figura 14. Cálculo del Número Estructural 1
Ahora se halla el valor del Número Estructural SN2 con módulo elástico de la
subrasante de 15000 psi, tomada como la Subbase Granular:
44
Figura 15. Cálculo del Número Estructural 2
Con estos valores, se halla el valor de los espesores de la estructura del
pavimento:
Calculo de SN1*:
SN1 = 2.82
D1 = SN1 / a1 = 2.82 / 0.434 = 6.4977 ≈ 6.5” = D1*
SN1* = D1*.a1 = 2.821
Calculo de SN2*:
SN2 = 3.51
D2 = (SN2 - SN1*) / (a2.m2) = (3.51 - 2.821) / (0.130 x 1.0)
= 5.3 ≈ 6.0” = D2* (Se aproxima a 6.0 para cumplir con el
espesor mínimo establecido por la norma)
SN2* = D2*.a2.m2= 0.78
Calculo de SN3*:
SN3 = SN = 4.99
D3 = (SN3 - SN2* - SN1*) / (a3.m3)
= (4.99 – 0.78 – 2.821) / (0.11 x 1.0) = 1.389 / 0.11
45
= 12.63 ≈ 13.0” = D3*
SN3* = D3*.a3.m3= 1.43
Cabe resaltar que los espesores D1*, D2* y D3*, cumplen con los mínimos
establecidos por la norma:
ESPESORES MÍNIMOS (en pulgadas)
No. de ejes
equivalentes Concreto Base
(millones) asfáltico granular
� � 1,0 o TSD 4.0
0,05 - 0,15 2.0 4.0
0,15 - 0,50 2.5 4.0
0,50 - 2,00 3.0 6.0
2,00 - 7,00 3.5 6.0
> 7,00 4.0 6.0 Tabla 12. Espesores mínimos exigidos en las capas de pavimento
Verificando el SN* total, se tiene que:
SN* = SN1*+ SN2* + SN3* = 2.821 + 0.78 + 1.43 = 5.031 > 4.99 O.K. √
Esta estructura se puede representar de la siguiente forma:
46
ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
Carpeta Asfáltica (6.5")
Base Granular (6.0")
Sub-base Granular
(13.0")
Figura 16. Estructura de pavimento Nº1
Sin embargo, claramente se puede notar que las dimensiones de la carpeta
asfáltica son altas en comparación con la de la base granular y la de la Sub-Base
granular, lo que hace un diseño altamente costoso. Se propone reducir el espesor
de la carpeta asfáltica a su dimensión mínima de 3.5” y aumentar el espesor de la
Base Granular a 12”. El dimensionamiento sería el siguiente:
Calculo de SN1*:
SN1* = D1*.a1 = 3.5” x 0.434 = 1.519
Calculo de SN2*:
SN2* = D2*.a2.m2= 12” x 0.13 = 1.56
Calculo de SN3*:
SN3 = SN = 4.99
D3 = (SN3 - SN2* - SN1*) / (a3.m3)
= (4.99 – 1.519 – 1.56) / (0.11 x 1.0) = 1.911 / 0.11
= 17.37 ≈ 17.5” = D3*
SN3* = D3*.a3.m3= 1.925
47
Así, el nuevo número estructural será:
SN* = SN1*+ SN2* + SN3* = 1.519 + 1.56 + 1.925 = 5.004 > 4.99 O.K. √
Y la estructura de pavimento propuesta:
ESTRUCTURA DE PAVIMENTO
Carpeta Asfáltica
(3.5")
Base Granular (12")
Sub-base Granular
(17.5")
Figura 17. Estructura de pavimento propuesta según método ASSHTO 93