diseño de via rural

CONSORCIO VIAS DE

OCCIDENTE

Presenta: CONSULTORIA Y CONSTRUCCIONES

COLOMBIA LTDA

01/09/2010

DISEÑO PAVIMENTO CENTRALIDAD - NAZARETH

CONSULTORIA Y CONSTRUCCIONES COLOMBIA LTDA

2 CARRERA 80 No44 – 93 TELEFONO 411 31 18 MEDELLIN

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



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



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



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.



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



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.



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.



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



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



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:



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.



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



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.



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



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



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



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



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



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



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



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.



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.



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



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.



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



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.



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:



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



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



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



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)”



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



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%



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



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.



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)



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.



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



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.



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



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.



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



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.



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



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



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



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



Grafica 9 Parrilla de soporte de pasadores

Grafica 10 Junta de expansión



Grafica 11 Sello de junta



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.

diseño de via rural

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