Metodo diseno-estructural-pavimento-adoquines

Diseño Estructural de Pavimento de Adoquines Diseño: PJCM / EICG – Presentación: PJCM

DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS URBANOS CON ADOQUINES DE CONCRETO

MÉTODO DE DISEÑO

El método de Diseño empleado para el Proyecto es el sugerido en el Anexo F de la Norma Técnica CE. 010 para Pavimentos Urbanos del Ministerio de Vivienda, Construcción y Saneamiento. El procedimiento de diseño está basado en la Guía ASSHTO para el diseño de estructuras de pavimento. Procedimiento que considera la distribución de cargas y modos de fallas del pavimento con adoquines, con un comportamiento similar a los que ocurren en pavimentos flexibles. Por lo tanto, la metodología empleada para el diseño sigue los lineamientos de una estructura de pavimento flexible, como lo indica el reglamento.

MÉTODO DE DISEÑO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE – AASHTO

07.8)(*32.2

)1(10944.0

5.12.420.0)1(*36.9*)( 10

19.5

10

101810 −+

++

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−Δ

+−++= MRLog

SN

PSILogSNLogSoZrWLog

donde:

W18 Número proyectado de carga equivalente de 18 kip (18000 lb) de aplicación de carga axial simples (ESAL)

Zr Desviación estándar normal So Error estándar combinado del tráfico proyectado y del comportamiento proyectado. ∆PSI Diferencia entre índice de serviciabilidad inicial (Po) y el índice de serviciabilidad

terminal (Pt) Mr Módulo Resiliente (psi) SN Número estructural indicativo del espesor total del pavimento requerido INGRESO DE DATOS:

NIVEL DE CONFIANZA (R) R 95

Zr ‐1.645

PROBABILIDAD So So 0.45

ÍNDICE DE SERVICIALIDAD (PSI) Al inicio de la Obra 4.20

Al término de la Obra 2.25

PSI 1.95

EJES DE CARGA EQUIVALENTE (ESAL) W18 494,720

MÓDULO RESILIENTE (Mr) CBR 20

Mr 19,307.36

______________________________________________________________________________________________MEJORAMIENTO DE PISTAS Y VEREDAS EN EL CENTRO HISTÓRICO DE LA CIUDAD DE HUAMANGA – SECTOR CENTRAL


VALOR N DE EJES PROYECTADOS

Año de evaluación del tráfico: 2009 Años de trámites: 1 Año de elaboración del estudio: 2011 Al 1er año de servicio: 2012

DETALLE LIGEROS URBANO CARGA (C3) IMD acum. IMDi 833 143 11 987 FDi 0.0003 0.1267 2.2388

EJES EQUIVALENTES EE = IMDi * Fdi IMD acum.

EE al 2009 0.2499 18.1181 24.6268 43

TASAS (r) 4.1 4.1 4.1

ACTUALIZACIÓN EE (2009) = EE (2003) * (1+ r)^n IMD acum. EE al 2011 0.2708 19.6342 26.6876 47

servicio AÑO (i) N = 365 * (EE 2009) * ((1+r)^n‐1)/r IMD acum. N

0 2012 98.85 7,166.50 9,740.97 17,006.32 1.7E+04 5 2017 657.30 47,654.85 64,774.26 113,086.41 1.1E+05 10 2022 1,340.01 97,152.41 132,053.19 230,545.61 2.3E+05 15 2027 2,174.63 157,663.84 214,302.60 374,141.07 3.7E+05 20 2032 3,194.97 231,639.88 314,853.60 549,688.45 5.5E+05

donde: N Número de ejes equivalentes acumulados

IMD Índice Medio Diario FD Factor Destructivo ∆PSI Diferencia entre índice de serviciabilidad inicial (Po) y el índice de

serviciabilidad terminal (Pt) Mr Módulo Resiliente (psi) SN Número estructural indicativo del espesor total del pavimento

requerido r Tasa de crecimiento n Periodo de diseño EE Ejes equivalentes informados o actualizados

CANTIDAD PRONOSTICADA DE REPETICIONES DEL EJE DE CARGA EQUIVALENTE DE 18 KIPS PARA EL PERIODO ANALIZADO (ESAL = W18)

W18 = DD x DL x EAL = 494,719.60

NÚMERO DE LÍNEAS EN CADA

DIRECCIÓN

PORCENTAJE PARA EJES DE 8.2 TN EN CADA DIRECCIÓN

1 100

EAL: Número de ejes equivalentes a 8.2 tn en el periodo de diseño 2 80 ‐ 100

DD: Distribución direccional crítica (50% del tránsito a cada dirección) 3 60 ‐ 80

DL: Factor de Distribución por carril 4 50 ‐ 60



DESVIACIÓN ESTÁNDAR NORMAL (Zr)

Cofiabilidad R en

porcentaje Desviación estándar normal

Zr 90 ‐1.282 92 ‐1.405 93 ‐1.476 95 ‐1.645 Valores de la desviación estándar normal, Zr, correspondiente a los niveles de confiabilidad

Nivel de confiabilidad R, recomendado Clasificación funcional

URBANA RURAL Colectoras 80 ‐ 95 75 ‐ 95

Locales 50 ‐ 80 50 ‐ 80

valores sugeridos de confiabilidad de acuerdo a la clasificación funcional del camino

MÓDULO RESILIENTE (Mr)

007.0)0624.0/()(

176.11

BCRpsiMr = NÚMERO ESTRUCTURAL INDICATIVO DEL ESPESOR TOTAL DEL PAVIMENTO REQUERIDO (SN) Memoria de cálculo:

07.820.0*)( 18101 ++−= SoZrWLogK )1(*36.9 101 += SNLogJ

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−Δ

=5.12.4102

PSILogK

19.5

22

)1(109440.0+

+=

SN

KJ

)(*32.2 103 MrLogK =

19.5

21031

)1(109440.0

)1(*36.9

++

++=−

SN

KSNLogKK

2131 JJKK +=− Determinación de las constantes:

K1 K2 K3 K1 ‐ K3

14.70460912 ‐0.141329153 9.94287709 4.761732029



ITERACIÓN SN J1 J2 J1+J2 CONTROL

1 2.400 4.9746427 ‐0.061227 4.9134156 ‐0.1517

2 2.380 4.9506603 ‐0.059693 4.8909676 ‐0.1292

3 2.350 4.9144194 ‐0.057432 4.8569871 ‐0.0953

4 2.320 4.8778525 ‐0.055222 4.8226304 ‐0.0609

5 2.300 4.8532905 ‐0.053777 4.7995138 ‐0.0378

6 2.280 4.8285792 ‐0.052354 4.7762252 ‐0.0145

7 2.260 4.8037167 ‐0.050954 4.7527627 0.0090

8 2.261 4.8049635 ‐0.051024 4.7539399 0.0078

9 2.262 4.8062098 ‐0.051093 4.7551168 0.0066

10 2.263 4.8074558 ‐0.051163 4.7562932 0.0054

11 2.264 4.8087014 ‐0.051232 4.7574692 0.0043

12 2.265 4.8099466 ‐0.051302 4.7586447 0.0031

13 2.266 4.8111914 ‐0.051372 4.7598198 0.0019

14 2.267 4.8124359 ‐0.051441 4.7609945 0.0007

15 2.2676 4.8131824 ‐0.051483 4.761699 0.0000

DIMENSIONADO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO Transformación del SN a Capas Estructurales:

ai: coeficiente estructural de la capa i Di: espesor de la capa i mi: coeficiente de drenaje de la capa i

33322211 mDamDaDaSN ++=

Coeficientes Estructurales:

COMPONENTE DEL PAVIMENTO OBSERVACIÓN ai CAPA SUPERIOR

Carpeta concreto asfáltico tipo superior 0.17 /cm.

BASE

Base granular ‐ grava arenosa CBR = 80% 0.06 /cm.

SUB BASE

Grava arenosa CBR = 40% 0.045 /cm.

Coeficientes de Drenaje:

% del tiempo donde la estructura del pavimento está expuesta a humedad cercanos a la saturación Calidad Drenaje

menos de 1% 1 ‐ 5% 5 ‐ 2 5% Más de 25%

Buena 1.35 ‐ 1.25 1.25 ‐ 1.15 1.15 ‐ 1.00 1.00

Regular 1.25 ‐ 1.15 1.15 ‐ 1.05 1.00 ‐ 0.80 0.80

Pobre 1.15 ‐ 1.05 1.05 ‐ 0.80 0.80 ‐ 0.60 0.60



Números Estructurales:

SN diseño = 2.2676

SN requerido = 2.2676

Alternativa de Diseño:

a1 = 0.17 D1 = 6.7 a2 = 0.06 D2 = 20.0 m2 = 0.60 a3 = 0.045 D3 = 15.0 m3 = 0.60

CARPETA ASFÁLTICA 7.00 cm BASE GRANULAR 20 cm, para un CBR de 80% SUB BASE 15 cm, para un CBR de 40% Espesor Total = 41.70 cm CONVERSIÓN DEL MODELO DISEÑADO A UNA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO SEMI‐ARTICULADO DE ADOQUINES DE CONCRETO Definición ‐ Pavimento de Adoquines Pavimento formado, típicamente por una base granular, una capa o cama de arena de asiento, los adoquines intertrabados de concreto, la arena de sello, los confinamientos laterales y el drenaje, construido sobre una sub‐rasante de suelo preparado para recibirlo. Dichos pavimentos se construyen de tal forma que las cargas verticales de los vehículos se transmitan a los adoquines intertrabados adyacentes por corte a través de la arena de sello de las juntas.



TIPO DE PAVIMENTO

ELEMENTO ADOQUINES 95% de compactación:

Suelos granulares‐Proctor Modificado Suelos cohesivos‐Proctor Estándar

Espesor compactado: ≥ 250 mm ‐ Vias locales y colectoras

SUB‐RASANTE

≥ 300 mm ‐ Vias arteriales y expresas CBR ≥ 30%

100% compactación Proctor Modificado CBR ≥80%

SUB‐BASE _________________________________________________

BASE 100% compactación Proctor Modificado

Imprimación/cama de apoyo Cama de arena, de espesor comprendido entre 25 y 40 mm.

Vías locales ≥ 60 mm Vías colectoras ≥ 80 mm

Espesor de la capa de rodadura

Vías colectoras (380 kg/cm2) Vías colectoras (380 kg/cm2)

Requisitos Mínimos para Pavimento de Adoquines ‐ Norma CE.010 Diseño de adoquines para tráfico vehicular Se ha tomado la aproximación desarrollada por Knapton, Norma BS 7533 (Reino Unido ‐ publicación de 1992) – Guía para el Diseño Estructural de Pavimentos Construidos con Adoquines de Concreto de Arcilla. Este es uno de los pocos métodos de diseño disponibles en la actualidad y su principal virtud radica en la sencillez de su aplicación. La metodología propuesta para la concepción y diseño de pavimentos sigue los mismos principios del método de diseño para pavimentos en general, pero se presenta al diseñador de una manera tal que le sea más práctica y directa para utilizar.

Espesores para pavimentos de adoquines de concreto para tráfico vehicular urbano

Capa de Rodadura de Adoquines Las primeras investigaciones de Knapton dieron como resultado que una capa de rodadura de adoquines 80mm de espesor y 40mm de arena tenía una capacidad de distribución de carga de 1.3 veces la de una capa de concreto asfáltico de 100mm. de espesor. Por ello, en países como Colombia y Honduras trabajaban con factores de hasta 1.6; sin embargo, se ha reducido este factor a una cifra más cercana a 1, con el fin de poder dar cabida a las imprecisiones de diseño, de caracterización de los materiales y constructivas que se puedan presentar.



Según este factor de 1, la equivalencia es de: 100mm de concreto asfáltico para adoquines de 60mm y capa de arena de 40mm 120mm de concreto asfáltico para adoquines de 80mm y capa de arena de 40mm Espesores mínimos Desde el punto de vista constructivo, se sugieren los siguientes espesores mínimos en función de la capacidad portante de la subrasante o capa inferior, de acuerdo a la siguiente tabla:

Propuesta de Diseño En nuestra alternativa de diseño, para un pavimento con un tráfico esperado de 20 años de 550,000 ejes estándar (vía colectora), se propone:

CAPA DE ADOQUINES 80mm CAPA DE ARENA 40mm

BASE GRANULAR 200mm, para un CBR de 80% SUB BASE 150mm, para un CBR de 40% Espesor Total = 470mm = 47.0 cm Considerando los espesores mínimos acostumbrados para los materiales de base y sub‐base de vías colectoras, de nuestro reglamento. CONSIDERACIONES FINALES Lo expuesto en el presente diseño para el cálculo del espesor de la capa de rodadura de adoquines, se ha realizado de manera comparativa en función a la información recabada del método de diseño de pavimentos de adoquines utilizados en el Reino Unido (Norma BS 7533), que se fundamenta en pruebas de laboratorio con adoquines de 80mm de espesor con una cama de arena de 40mm. Por lo que la propuesta se ciñe a dichos principios base. Sin embargo, este no es el único método de diseño existente, ya que cada país tiene desarrollado sus propios métodos; realidad con la que no contamos en la actualidad en nuestro país, razón por la cual como se recomienda en nuestro reglamento hacemos



BIBLIOGRAFÍA

• NORMA CE.010 – PAVIMENTOS URBANOS Reglamento Nacional de Edificaciones ‐ RNE Publicación Oficial / Lima, Perú – 2010

• DISEÑO DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES DE CONCRETO PARA DIFERENTES CONDICIONES DE TRÁFICO Instituto Colombiano de Productores de Cemento – XI Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos Germán Guillermo Madrid Mesa – ICPC Medellín, Colombia – Mayo, 2000.

• GUIDE FOR A STRUCTURAL DESING OF PAVEMENTS CONSTRUCTED WITH CLAY OR CONCRETE BLOCK PAVERS British Standard Institution John Knaptpon Londres, Reino Unido – 1992.

• GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENTS STRUCTURES American Association of State Highway and Transportation Officials ‐ AASHTO Edición 1993


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