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• Joselyn Borja Salazar

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1. INTRODUCCION El presente informe tiene como objetivo mostrar los diseños de los pavimentos rígidos para un periodo de diseño de pavimento flexibles con un periodo de diseño de 10, 15 y 20 años, para la vía de la Av. El triunfo en San juan de Miraflores (aprox. En el Km 13.5 paralela a la panamericana sur) con un periodo de diseño, que permitan sustituir el actual pavimento que no presenta condiciones adecuadas. Para esto se hace necesario un análisis del tránsito proyectado a un periodo de diseño con conversión del tránsito a ejes equivalentes, un estudio de geotécnico el cual se hace por medio de una caracterización de los apiques que permiten determinar las condiciones de las subrasante, incluyendo ensayos de consistencia, granulometría, CBR. 2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVO GENERAL Diseñar una estructura de pavimento rígido y flexible para 17 Km de la vía que conduce de Santander de Quilichao – Te de Villa Rica. OBJETIVOS ESPECIFICOS   

Determinar el tipo tránsito, volumen y las cargas a las que el pavimento será sometido durante el periodo de diseño. Determinar los espesores de las capas del pavimento, por medio método de la AASHTO. Determinar los materiales del diseño de pavimentos.

METODOLOGÍA 5.1. MÉTODO AASHTO PARA EL DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos flexibles, se basa primordialmente en identificar un “número estructural (SN)” para el pavimento, que pueda soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural, el método se apoya en una ecuación que relaciona los coeficientes, con sus respectivos números estructurales, los cuales se calculan con ayuda de un software, (AASHTO 93) el cual requiere unos datos de entrada como son el número de ejes equivalentes, el rango de serviciabilidad, la confiabilidad y el módulo Resiliente de la capa a analizar; esta ecuación se relaciona a continuación:

Donde:

ECUACION DE DISEÑO PARA PAVIMENTO FLEXIBLE

MARCO TEORICO 2. PAVIMENTOS Un pavimento está constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se diseñan y constituyen técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoyan sobre la subrasante de una vía obtenida por el movimiento de tierras en el proceso de exploración y que han de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del tránsito le transmiten durante el periodo para el cual fue diseñada la estructura del pavimento. Un pavimento debe cumplir adecuadamente sus funciones deben reunir los siguientes parámetros:   

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  

Ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el transito Ser resistente ante los agentes de intemperismo Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas de circulación de los vehículos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la seguridad vial. Además, debe ser resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas de los vehículos. Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en función de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulación. Debe ser durable Debe ser económico El ruido de rodadura, en el interior de los vehículos que afectan al usuario, así como en el exterior, que influyen en el entorno, deber ser adecuadamente moderado.



Deber poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramiento y ofrecer una adecuada seguridad al tránsito.

CLASIFICACIÓN DE LOS PAVIMENTOS En nuestro medio los pavimentos se clasifican en: pavimentos flexibles, semirrígido, rígidos y articulados. 

Pavimentos flexibles: Este tipo de pavimentos están formados por una carpeta bituminosa apoyada generalmente sobre dos capas no rígidas, la base y la subbase. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas dependencias de las necesidades particulares de cada obra. Estructura típica de un pavimento asfáltico (flexible)



Pavimento semirrígido:

Aunque este tipo de pavimentos guarda básicamente la misma estructura de un pavimento flexible, una de sus capas se encuentra rigidizada artificialmente con un aditivo que puede ser: asfalto, emulsión, cemento, cal y químicos. El empleo de estos aditivos tiene la finalidad básica de corregir o modificar las propiedades mecánicas de los materiales locales que no son aptos para la construcción de las capas del pavimento, teniendo en cuenta que los adecuados se encuentran a distancias tales que encarecerían notablemente los costos de construcción. 

Pavimento rígido:

son aquellos que fundamentalmente están constituidos por una losa de concreto hidráulico, apoyada sobre la subrasante o sobre una capa, de material seleccionado, la cual se denomina subbase del pavimento rígido. Debido a la alta rigidez del concreto hidráulico así como de su elevado coeficiente de elasticidad, la distribución de los esfuerzos se produce en una zona muy amplia. Además como el concreto es capaz de resistir, en ciertos grados, esfuerzos a la tensión, el comportamiento de un pavimento rígido es suficientemente satisfactorio aun cuando existan zonas débiles en la subrasante. La capacidad estructural de un pavimento rígido depende de la resistencia de las losas y por lo tanto, el apoyo de las capas subyacentes ejerce poca influencia en el diseño del espesor del pavimento. Estructura típica de un pavimento rígido

Funciones de las capas de un pavimento flexible:  Subbase granular  Capa de transición: la subbase bien diseñada impide la penetración de los materiales que constituyen la base con los de la subrasante y por otra parte, actúa como filtro de la base impidiendo que los finos de la subrasante la contaminen menoscabando su calidad.  Disminución de la deformación: algunos cambios volumétricos de la capa subrasante, generalmente asociados a cambios en su contenido de agua (expansiones), o a cambios externos de temperatura, pueden absorberse con la capa subbase, impidiendo que dichas deformaciones se reflejen en la superficie de rodamiento.  Resistencia: la subbase debe soportar los esfuerzos transmitidos por las cargas de los vehículos a través de las capas superiores y transmitidas a un nivel adecuado de la subrasante.  Base granular  Resistencia: la función fundamental de la base granular de un pavimento consiste en proporcionar un elemento resistente que transmita a la subbase y a la subrasante los esfuerzos producidos por el transito en una intensidad apropiada.  Carpeta Asfáltica 

 

Superficie de rodadura: la carpeta debe proporcionar una superficie uniforme y estable al tránsito, de textura y color conveniente y resistir los efectos abrasivos del tránsito. Resistencia: su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del pavimento. Impermeabilidad: hasta donde sea posible, debe impedir el paso del agua al interior del pavimento.

Funciones de las capas de un pavimento rígido.  Subbase

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   

La función más importante es impedir la acción del bombeo en las juntas, grietas y extremos del pavimento. Se entiende por bombeo a la fluencia de materiales fino con agua fuera de la estructura del pavimento, debido a la infiltración de agua por las juntas de las losas. El agua que penetra a través de las juntas licua el suelo fino de la subrasante facilitando así su evacuación a la superficie bajo la presión ejercida por las cargas circulantes a través de las losas. Servir como capa de transición y suministrar un apoyo uniforme, estable y permanente del pavimento. Facilitar los trabajos de pavimento Mejorar el drenaje y reducción por tanto al mínimo la acumulación de agua bajo el pavimento. Ayudar a controlar los cambios volumétricos de la subrasante y disminuir al mínimo la acción superficial de tales cambios volumétricos sobre el pavimento.

 Losa de concreto Las funciones de la losa en el pavimento rígido son las mismas de la carpeta en el flexible, más la función estructural de soportar y transmitir en nivel adecuado los esfuerzos que le apliquen.

Funciones de las capas de un pavimento articulado.

 Base  Es la capa colocada entre la subrasante y la capa de rodadura. Esta capa le da mayor espesor y capacidad estructural al pavimento. Puede estar compuesta por dos o más capas de material seleccionado.  Capa de arena: es una capa de poco espesor, de arena gruesa y limpia que se coloca directamente sobre la base; sirve de asiento a los adoquines y como filtro para el agua que eventualmente pueda penetrar por las juntas entre estos.  Sellos de arena: está constituido por aren fina que se coloca como llenante de las juntas entre los adoquines; sirve como sello de las mismas y contribuyen al funcionamiento, como un todo, de los elementos de la capa de rodadura. Factores a considerar en el diseño de pavimentos  El transito: interesa para el dimensionamiento de los pavimentos las cargas más pesadas por ejes esperados en el carril de diseño solicitado, que determinara la estructura del pavimento de la carretera durante el periodo de diseño adoptado. La repetición de las cargas del tránsito y la consecuente acumulación de deformaciones sobre el pavimento son fundamentales para el cálculo. A demás, se deben tener en cuenta las máximas presiones de contacto, las solicitaciones tangenciales en tramos especiales, las velocidades de operación de los vehículos y la canalización del tránsito etc.

 La subrasante: de la calidad de esta capa depende en gran parte el espesor que deber tener un pavimento, sea este flexible o rígido. Como parámetro de evaluación de esta capa se emplea la capacidad de soporte o resistencia a la deformación por esfuerzo cortante bajo las cargas de transito. Es necesario tener en cuenta la sensibilidad del suelo a la humedad, tanto en lo que se refiere a la resistencia como a las eventuales variaciones de volumen de un suelo de subrasante de tipo expansivo pueden ocasionar graves daños en las estructuras que se apoyen sobre este, por esta razón cuando se construya un pavimento sobre este tipo de suelos deberá tomarse la precaución de impedir las variaciones de humedad del suelo para lo cual habrá que pensar en la impermeabilización de la estructura. Otra forma de enfrentar este tipo de suelo con algún aditivo, en nuestro medio los mejores resultados se han logrado mediante la estabilización de suelos con cal.  El clima: los factores que en nuestro medio más afectan a un pavimento son las lluvias y los cambios de temperatura. Las lluvias por su acción directa en la elevación del nivel freático influyen en la resistencia, la compresibilidad y los cambios volumétricos de los suelos de subrasante especialmente. Este parámetro también influye en algunas actividades de construcción de capas granulares y asfálticas. Los cambios de temperatura en las losas de pavimentos rígidos ocasionan en éstas esfuerzos muy elevados, que en algunos casos pueden ser superiores a los generados por las cargas de los vehículos que circulan sobre ellas.

EL TRAFICO Está basado en las cargas esperadas y acumulativas de un eje equivalente a 18,000 lbs. Durante el periodo de análisis. Para cualquier situación de diseño donde la estructura inicial del pavimento se espera que dure todo el periodo de análisis sin ninguna obra de rehabilitación todo lo que se requiere es el ESAL acumulado en todo el periodo de análisis.

SUELO DE FUNDACION El comportamiento de los suelos Subrasantes (suelo de función) tiene una gran influencia en los pavimentos porque sobre ellos destacan y reciben toda la carga que son trasmitidas por el mismo pavimento. La representación del suelo de fundación en el diseño de estructuras es por medio del módulo de resiliencia (Mr) y por este factor se puede definir el tipo de pavimento que se colocara.

MODULO RESILIENTE (Mr) —Se determina el daño relativo por periodo —Se calcula el daño relativo promedio. —Se halla el módulo resiliente efectivo a partir del daño relativo promedio, usando la misma Ecuaciones de correlación: 1-Para materiales de sub-rasante con CBR igual o menor a 7.2%. Mr=1500.CBR 2-Para materiales con CBR mayor de 7.20% pero menor o igual a 20%. 𝑀𝑟 = 3000. 𝐶𝐵𝑅 0.65 3-Para materiales con CBR mayor 20%. Mr=4326.ln(CBR)+241 El valor resultante de esta correlación se mide en unidades de lb/pulga2-psi. SERVISIABILIDAD Capacidad de un pavimento de servir al tránsito que hace uso de él en un instante determinado, desde el punto de vista del usuario.

El índice de Serviciabilidad es la condición necesaria de un pavimento para proveer a los usuarios un manejo seguro y confortable en un determinado momento. Inicialmente esta condición se cuantificó a través de la opinión de los conductores, cuyas respuestas se tabulaban en la escala de 5 a 1:

-Serviciabilidad inicial (Po). -Es la condición que tiene un pavimento inmediatamente después de la construcción del mismo. Los valores recomendados por AASHTO para este parámetro son: 1-Para pavimento de concreto = 4.5. 2-Para pavimento de Asfalto = 4.2. 3-Usando buenas técnicas de construcción, el pavimento de concreto puede tener una serviciabilidad Po= 4.7 o 4.8. -Serviciabilidad final (Pt). -Tiene que ver con la calificación que esperamos tenga el pavimento al final de su vida útil. Los valores recomendados de serviciabilidad final Pt son: 1-Para Autopistas 2.5. 2-Para carreteras 2.0. 3-Para zona industrial 1.8. 4-Pavimento Urbano Principal 1.8. 5-Pavimento Urbano Secundarios 1.5.

CONFIABILIDAD EN EL DISEÑO (R) Y DESVIACIÓN ESTÁNDAR DELSISTEMA DE PAVIMENTOS (SO) El Método AASHTO-93 presenta, para el valor (R) la Tabla 36, que se transcribe acontinuación como Tabla 3 Valores de Confiabilidad recomendados por la AASHTO

El nivel de confianza es uno de los parámetros importantes introducidos por la AASHTO al diseño de pavimentos, porque establece un criterio que está relacionado con el desempeño del pavimento frente a las solicitaciones exteriores. La confiabilidad se define como la probabilidad de que el pavimento diseñado se comporte de manera satisfactoria durante toda su vida de proyecto, bajo las solicitaciones de carga e intemperismo, o la probabilidad de que los problemas de deformación y fallas estén por debajo de los niveles permisibles. Para elegir el valor de este parámetro se considera la importancia del camino, la confiabilidad de la resistencia de cada una de las capas y el tránsito de diseño pronosticado.

La esquematización del comportamiento real del pavimento y la curva de diseño propuesta por la AASHTO tienen la misma forma pero no coinciden. La falta de coincidencia se debe a los errores asociados a la ecuación de comportamiento propuesta y a la dispersión de la información utilizada en el dimensionamiento del pavimento. Por esta razón la AASHTO adoptó un enfoque regresional para ajustar estas dos curvas. De esta forma los errores se representan mediante una desviación estándar So, para compatibilizar los dos comportamientos. El factor de ajuste entre las dos curvas se define como el producto de la desviación normal ZR, por la desviación estándar So. Los factores de desviación normal ZR se muestran en la siguiente tabla: TABLA IV.5. Factores de Desviación Normal

VALORES DE DESVIACIÓN ESTÁNDAR NORMAL, Zr, Correspondiente a los niveles de confiabilidad, R La confiabilidad en el diseño (R)puede ser definida con la probabilidad de que la estructura tenga un comportamiento real igual o mejor que el previsto durante la vida del diseño adoptada.

Valores Del Nivel De Confianza R De Acuerdo Al Tipo De Camino.

ERROR ESTANDAR COMBINADO (So) Capacidad conjuga la desviación estándar de la ley de predicción del tránsito en el periodo de diseño en la desviación estándar de la ley de predicción de comportamiento del pavimento, es decir el número de ejes que pueden soportar el pavimento hasta que tu índice descienda por debajo de un determinado valor.

La capacidad del pavimento de concreto para transmitir la carga atreves de la juntas (discontinuidad).

COEFICIENTES ESTRUCTURALES Los materiales usados en cada una de las capas de la estructura de un pavimento flexible, de acuerdo a sus características ingenieriles, tienen un coeficiente estructural “a1”. Este coeficiente representa la capacidad estructural del material para resistir las cargas solicitantes. Estos Coeficientes están basados en correlación es obtenidas a partir de la prueba AASHO de 1958-60 y ensayos posteriores que se han extendido a otros materiales y otras condiciones para generalizar la aplicación del método.

(Figura 2.5, se conoce el módulo de elasticidad de la mezcla asfáltica en psi o la figura 00, si se conoce la Estabilidad Marshall en libras)

COEFICIENTE ESTRUCTURALPARA LA CAPA BASE (a2)

COEFICIENTE ESTRUCTURAL PARA LA CAPA SUB-BASE (a3)

NUMERO ESTRUCTURAL

 La resistencia del pavimento se representa por SN, el cual es función del espesor de las capas, de los coeficientes estructurales de ellas y del coeficiente de drenaje.

 El número estructural total del pavimento está dado por :

 D1,2,3 = espesores de capas asfálticas, base y subbase respectivamente (pulgadas).  ai = coeficiente estructural de capa i, dependiente de su módulo.  mi = coeficientes de drenaje para capas no estabilizadas, dependiente del tiempo requerido para drenar y del tiempo en que la humedad se encuentre en niveles cercanos a la saturación.

a) Capa de rodadura asfáltica 

A1 = 0.44 para el AASHO Road Test



Este valor corresponde a 450,000psi (3.1 GPa)



Se tiene que tener cuidado con extrapolar con mayor valores porque puede generar fallas térmicas y por fática.

b) Bases sin/ con tratamiento 

Se pueden usar las gráficas previamente mostradas



También se puede usar la siguiente ecuación (E2 es MR para bases).



En el AASHO Road Test, a2 = 0.14 para bases. Esto corresponde a un valor MR=30,000psi (207 GPa)

c) Bases sin/con tratamiento.  Recordar que el valor MR tiene una relación no lineal con el esfuerzo (tarea elaborada)

 Valores típicos de K1,K2 y el esfuerzo invariante a continuación si es que no se tiene información del laboratorio.

d) Subbases granular.  La relación entre E3 (MR respectivo ) y a3 es la siguiente

 Valor típico de a3 = 0.11, que corresponde a un valor MR = 15000psi (104 MPa).



También se puede usar valores.

COEFICIENTE ESTRUCTURAL (Mi) Se establecen a partir de la calidad del drenaje y del tiempo que se considera que el pavimento puede encontrarse con una cantidad de agua cercana a la saturación El valor de este coeficiente depende de dos parámetros: la capacidad del drenaje, que se determina de acuerdo al tiempo que tarda el agua en ser evacuada del pavimento, y el porcentaje de tiempo durante el cual el pavimento

está puesto a niveles de humedad próximos a la saturación, en el transcurso del año. Dicho porcentaje depende de la precipitación media anual y de las condiciones de drenaje, la AASHTO define cinco capacidades de drenaje, que se muestran en la siguiente tabla: Drenaje Excelente Bueno Regular Pobre Malo

Agua eliminada en 2 horas 1 día 1 semana 1 mes (el agua no drena)

Tomando las capacidades de drenaje AASHTO establece los factores de corrección m2 (bases) y m3 (sub-bases granulares sin estabilizar), en los cuales están dados en la Tabla siguiente, todo en función del porcentaje de tiempo a lo largo de un año, en el cual la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación.

Una vez calculado el Número Estructural, el siguiente paso es definir las diferentes capas de la estructura del pavimento, las que de acuerdo a sus características estructurales satisfagan el N.E. La estructuración no tiene una solución única, se pueden establecer variadas combinaciones de capas que satisfacen la ecuación del N.E.En la elección de las capas se deben considerar los materiales disponibles y su costo.

REQUERIMIENTO DE DISEÑO. 

VARIABLE DE DISEÑO A RESTRICCION DEL TIEMPO En este aparte se incluye la escogencia de los datos de entrada para los períodos de análisis (período de diseño — periodo de análisis) que afectarán o restringirán el diseño del pavimento desde el punto de vista del tiempo. Es decir, permiten seleccionar diversas estrategias de diseño, desde estructuras construidas para que dure todo el período de análisis hasta construcción por etapas con una estructura inicial y colocación de sobre capas programadas. Período de diseño: Es el tiempo que dura una estructura inicial de pavimento antes de que requiera rehabilitación. También se refiere al lapso entre dos rehabilitaciones sucesivas. Período de análisis: Se refiere al período para el cual se va a adelantar el análisis, es decir, el transcurso de tiempo que cualquier estrategia de diseño debe cubrir. El periodo de análisis es análogo al término “período de diseño’.  TIEMPO MINIMO DE PERFORMANCE: Mínima cantidad de tiempo en el cual la siguiente etapa se puede considerar iniciada (eje: 5 años de tiempo para que un pavimento no tenga rehabilitación).

 TIEMPO MAXIMO DE PERFORMANCE: Máxima cantidad de tiempo que el usuario espera para la siguiente etapa (eje. Se diseñó para 10 años, máx. A los 8 años requiere rehabilitación). El resultado es una perdidas del PSI debido a factores ambientales o desintegración de la superficie. La selección de un periodo largo de diseño puede llevar a diseñar lineales.

DETERMINACIÓN DE ESPESORES 

DISEÑO DE ESPESORES DE CAPAS DEL PAVIMENTO 

TABLAS Y ABACOS PARA PROCEDIMIENTO

PROCEDIMIENTOS RESULTADOS OBTENIDOS OBSERVACIONES CONCLUSIONES ANEXOS