DISEÑO DE PAVIMENTO RÍGIDO JIRÓN MOQUEGUA PROYECTO:
“ ME J OR A MIE N TO
V IA L DE D E L C A S C O UR B A N O DE D E L A C I UDA UD A D DE DE PUER TO MALDONADO, MALDONADO, DISTRITO Y PR OVINCIA OVINCIA DE TAMB TAMB OPATA, R EG ION ION MADR MADR E DE DIOS DIOS ” J R . MOQUE MOQ UE G UA
NOMBRE DE VIA:
01.03 INTRODUCCIÓN Jirón Moquegua – de la Ciudad de Puerto Maldonado que forma parte de Casco Urbana del distrito y Provincia de Tambopata – Departamento de Madre de Dios, se encuentra ubicada en la selva baja del sur del país, por el norte colinda con el Departamentos de Ucayali, Por el Sur Con el Departamento de Puno, Por el Este Con el país de Brasil, por el Oeste Con el Departamento de Cusco. El Tramo del Proyecto se ubica específicamente entre el Jirón Cusco y la Av. Ucayali, en su recorrido intersecta las calles: Jr. Cusco, Av. Dos de Mayo, Jr. Gonzales Prada, Jr. Jaime Troncoso, Jr. Tacna, Jr. Ica, Av. Fitzcarrald, el Jr. Cajamarca, el Jr. San Martin, Jr. Amazonas, el Jr. Apurímac, Apurímac, Jr. Libertad, Libertad, Ps los Cedros y Av. Av. Ucayali. Este tramo de vía es de gran importancia para la comunicación ya que corresponde a una vía integrada por las Av. Dos de Mayo, Av. Fitzcarrald y Av. Ucayali, lo que la convierte en una red vial importante para la economía del Departamento de Madre de Dios y el desarrollo del país. Este tramo de vía es de gran importancia para la comunicación ya que corresponde a una vía integrada por las Jr. Dos de Mayo, Jr. Tacna, Jr. Ica, Av. Fiztcarrald, Jr. Cajamarca, Av. Ucayali, lo que la convierte en una red vial importante para la economía y brindar
Adecuadas condiciones de accesibilidad a los servicios públicos del Jr. Moquegua, en la ciudad de Puerto Maldonado. Para garantizar que la vía ofrezca un nivel de serviciabilidad adecuado, que genere bienestar, confort y seguridad tanto al comercio y al transporte urbano, es necesaria una vía que se encuentre en buen estado y que se ajuste a las condiciones tanto del tránsito, nivel de importancia y tipo de terreno. El tipo de pavimento a construir en el Jr. Moquegua será Rígido según la forma en la que se distribuyen las cargas al terreno y según la calidad de los materiales será un pavimento de concreto, el cual se dimensionó siguiendo la metodología de diseño de la ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
PCA (Portland Cement Asociation) y teniendo como comparación a la metodología AASHTO. El que estará constituido por una losa de concreto apoyada sobre una base de material seleccionado y ésta a su vez sobre el terreo de fundación compactado tal como se muestra en la siguiente figura: Grafico N° 01: Estructura del Pavimento
01.03.01
OBJETIVOS
01.03.01.01
OBJETIVO GENERA GENERAL L
Diseñar una estructura de pavimento rígido para 1+176 Km de la vía que comprende dos carriles en cada sentido.
01.03.01.02
OBJETIVO ESPECIFICO
Determinar el tipo tránsito, volumen volumen y las cargas a las que el pavimento pavimento será será sometido durante el periodo de diseño.
Determinar los espesores de las capas del pavimento, por medio de los diferentes métodos de la AASHTO y PCA.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
01.03.02
JUSTIFICACIÓN
El diseño de pavimento rígido para el proyecto Jr. Moquegua de ME “ ME J OR A MIE MI E NTO NT O VIA V IA L
DEL CASCO URBANO DE LA CIUDAD DE PUERTO MALDONADO, DISTRITO Y PR OVINCIA OVINCIA DE TAMBOPATA, TAMBOPATA, R EG IÓN MADR E DE DIOS” se se realizara con el fin de mejorar las condiciones de comunicación vial correspondiente a la arteria urbana de la Ciudad de Puerto Maldonado consolidándose como una vía de gran importancia para el desarrollo económico y esparcimiento esparcimiento familiar.
01.03.03
REFERENCIA
Estudio de Mecánica de Suelos.
Manual de Diseño Método AASHTO-93 AASHTO-9 3
Manual de Diseño PCA
Estudio de Trafico 2015 V01
01.03.04
DEFINICIONES.
PAVIMENTO, elemento estructural, relativamente horizontal apoyada en toda su superficie, superfic ie, diseñado y construido para soportar cargas estáticas y móviles en un periodo de tiempo; constituido por un conjunto de capas superpuestas de espesores y calidades diferentes, diferent es, que se diseñan y construyen técnicamente técnicament e con materiales apropiados y adecuadamente compactados.
PAVIMENTO RÍGIDO. Una estructura de pavimento compuesto de una mezcla de agregados envueltos y aglomerados por un material ligante (Cemento Portland) que se apoyan en una capa denominada subrasante.
CALZADA, sector de la Vía que sirve para la circulación de vehículos, compuesta de dos carriles. terminado. RASANTE, nivel superior del pavimento terminado.
TERRAPLÉN, parte de la plataforma conformada por procesos de relleno. SUB RASANTE, Es la capa de terreno de una carretera que soporta la estructura de pavimento y que se extiende hasta una profundidad que no afecte la carga de diseño que corresponde al tránsito previsto. Esta capa puede estar formada en corte o relleno y una vez compactada debe tener las secciones transversales y pendientes especificadas en los planos finales de diseño. ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
SUB BASE GRANULAR, capa de material con determinadas características que se coloca entre la subrasante y el pavimento rígido.
CBR (CALIFORNIA BEARING RATIO), medida de la capacidad de un suelo para resistir una determinada carga aplicada en el pavimento que soporta. Se determina comparando la carga de penetración del suelo con la de un suelo estándar, de acuerdo con el procedimiento de ensayo ASTM D-1883.
01.03.05
ANALISIS DEL INFORME DE TRÁFICO
Las características de Tráfico 2015 V01 se encuentran definidas en la referencia 1D donde se precisan los valores obtenidos de la totalidad del Tramo desde el punto de vista de proyección del tráfico de Jr. Moquegua – Ciudad de Puerto Maldonado: Para determinar el factor de carga por tipo de vehículo, el estudio de Tráfico 2015 V01 se han aplicado ecuaciones de uso frecuente que correlaciona los pesos por clase de eje medidos en el Censo de Cargas con relación al Eje Estándar de 8200 kilos (8,2 Ton.) los que han sido deducidos en base al cálculo estadístico según lo siguiente: Eje simple: (p/8,200)^4 Eje tándem: (p/15,100)^4 Eje tridem: (p/22,950)^4
01.03.05.01
ESTACIONES DE CONTEO
El estudio de Trafico 2015 V01 se realizó en dos puntos estratégicos según se muestra en el cuadro adjunto, de los cuales para el procedimiento de diseño se consideró el tramo con más afluencia de vehículos, puesto que el tramo se encuentra en mejores condiciones cuyo tráfico se asemejará al tráfico generado en la etapa de operación. Cuadro N° 01: estaciones de Conteo para del Estudio de Trafico 2015 V01.
CÓD. G-1 G-2
ESTACIÓN 0+700 0+100
TRAMO JR. MOQUEGUA / AV. FIZCARRALD JR. MOQUEGUA / AV. DOS DE MAYO
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Cuadro N° 02: Cuadro de Resumen del Estudio de Trafico 2015 V01 estación G-1.
FECHA DE AFORO
MOTO
MOTOCAR
AUTO
CAMIONETAS
STATION WAGON
PICK UP
PANEL
BUS
RURAL
MICRO
Combi
CAMION
SEMI TRAYLER
2E
>=3 E
2E
3E
4E
2S1/2S2
2S3
TRAYLER
3S1/3S2 >= 3S3
2T2
2T3
3T2
>=3T3
TOTAL
DIAGRA.VEH. DIA 1 26/10/2015
1030
222
101
67
39
12
2
0
0
0
7
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1482
DIA 2 27/10/2015
902
189
91
63
57
10
1
0
0
0
4
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1318
DIA 3 28/10/2015
978
184
78
95
33
12
4
0
0
0
3
2
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1390
DIA 4 29/10/2015
1060
255
122
47
25
16
1
0
0
0
9
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1535
DIA 5 30/10/2015
874
312
138
88
73
28
0
0
0
0
14
2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1529
DIA 6 31/10/2015
875
254
122
87
60
6
4
0
0
0
9
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1417
DIA 7 01/11/2015
TOTAL
467
130
107
75
19
5
0
0
0
0
3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
806
6186
1546
759
522
306
89
12
0
0
0
49
6
1
0
1
0
0
0
0
0
0
9477
1
1
0
0
0
0
0
1358
0.00%
0.00%
IMD
884
221
109
75
44
13
2
0
0
0
7
%
65.10%
16. 27%
8. 03%
5. 52%
3. 24%
0. 96%
0. 15%
0. 00%
0. 00%
0. 00%
0. 52%
01.03.06
0.07% 0. 07%
0
1
0
0. 00%
0. 07%
0. 00%
0. 00% 0 .00% 0. 00%
PERIODO DE ANÁLISIS
El periodo de análisis para fines de diseño se encuentra definido en la referencia, que considera diseños para 20 años.
01.03.07
CONDICIONES ATMOSFÉRICAS
La temperatura y la precipitación, son variables que incluyen de manera significativa en la durabilidad de los materiales que conforman las capas de pavimento y se definieron de acuerdo a la información disponible en el IDEAM. Temperatura media anual ponderada
(w-MAAT °C)
Precipitación media anual (mm) 01.03.08
w-MAAT = 26 °C P (mm)
= 2,195.7
CARACTERÍSTICAS DE LA SUBRASANTE
De acuerdo a las condiciones de la vía se debe determinar las características actuales de la subrasante. Los resultados de los estudios de suelos, de tránsito, clima de la zona, las condiciones
topográficas
del área de trabajo y los resultados del laboratorio,
permiten definir dos zonas homogéneas se asumen las siguientes características (Ver estudio de suelos del proyecto): Las exigencias técnicas de la subrasante están expresadas en la referencia (Estudio de Suelos). Del análisis de la información contenida en la referencia se extraen las siguientes conclusiones:
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
100. 00%
El Perfil Estratigráfico del tramo en su totalidad muestra que en general el terreno natural estudiado está compuesto predominantemente por un solo estrato. Los tramos Comprendidos entre la Progresiva 0+000 al Km 0+958 presentan valores homogéneos desde el punto de vista del CBR.
Entre las progresivas km 0+958 – 1+176.00 desde el punto de vista del CBR presentan valores superior al primer tramo cuyas características de estrato son variadas como Limos Orgánicos de Plasticidad baja o medio, Arcillosa Arenosa, Arena Limosa y Arenas Arcillosa, Mezclas de Arena Arcillosa, estos tramos serán mejorados para ofrecer una sub rasante mejorada y estable para la estructura del Pavimento.
Entre las progresivas 0+958 al 1+176.00 los suelos predominante son Arenas Arcillosas, cuyos valores de CRB son favorables para una estructura de Pavimento estable
el CBR representativo o de diseño para fines para fines de diseño se elegirán de acuerdo a la composición general de la totalidad del tramo y en función a las recomendaciones contenidas en el informe de estudio de suelos.
Es de mencionar que el tramo no registra niveles freáticos elevados por lo cual no será necesario tomar consideraciones Adicionales.
La composición y proporción por clase de suelos de la primera capa (en la práctica la capa de subrasante si es que recibiera el pavimento) en el Tramo tiene la siguiente distribución:
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Grafico N° 02: Predominancia de tipos de suelos en el Tramo de Jr. Moquegua
01.03.08.01
DETERMINACION DE CBR REPRESENTATIVO.
El ensayo de CBR mide la resistencia al corte del suelo, bajo condiciones de humedad y densidad controladas, y fue desarrollado como una forma de clasificación de la capacidad de un suelo para ser utilizado como sub - rasante o material de base en la construcción de carreteras. De los ensayos del CBR se obtienen gráficos de Esfuerzo vs Penetración y Densidad Seca vs CBR (mayor), obteniéndose el CBR de diseño al 95% de la densidad seca, según se adjunta en el informe del Laboratorio de Control de Calidad. Para el proyecto se opta por este método, ya que este método utiliza un criterio de Percentil Variable con el nivel de tráfico. Cuadro N° 03: Porcentaje del Percentil del CBR de Diseño.
Límites para Selección de Resistencia N° de Ejes de 8.2 Ton en Percentil a Seleccionar para el carril de Diseño (N) 104 o menos
Hallar la Resistencia. 60
104 a 106
75
106 a más
87.5
De acuerdo a nuestro estudio de tránsito se tiene que el ESAL = de Diseño es de 3.99x106, Se tiene que está dentro de los parámetros de 10 4 a 106, por lo tanto el valor de diseño de la sub - Rasante será del 75 %. ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Para el proyecto se tomara percentil 70%.
= .% La caracterización de sectores homogéneos en base al criterio de CBR representativo se muestra a continuación: Grafico N° 03: CBR Vs N° CALICATAS 30
y = -0.0007x5 + 0.0216x4 - 0.2146x3 + 0.76x2 + 0.0423x + 1.6364 R² = 0.7551 25.57
25
20
19.35
16.32
15 11.77
11.64
10.35
10 9.26
CBR 95 % A 1"
5
CBR Representativo
3.00
Poly. (CBR 95 % A 1")
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Para fines del Método AASHTO-93 Y PCA, el valor CBR representativo será valor de CBR mejorado con una capa de material de cantera mezclada y compactada y se aplicara para la totalidad del Tramo considerando la estratigrafía homogénea de una sola capa en la profundidad estudiada. Es de mencionar que existen sectores críticos focalizados cuyas características es el siguiente cuadro. Los Sectores Críticos, el valor de CBR de Sub rasante luego de las medidas de remediación no deberá ser inferior al CBR de diseño aquí establecido. Asimismo los valores de CBR obtenidos se presentan en los
siguientes Cuadros
Resumen: Cuadro N° 04: Cuadro de Resumen del CBR. LIMITES DE
CLASIFICACION NRO CAL. Nº
CALLE
DESCRIPCION DEL MATERIAL SUCS AASHTO
CL A-6 (9)
LL
ARCILLAS INORGANICAS DE BAJA A MEDIA
CBR 100%
CONSISTENCIA LP
S max % w
IP
100% CBR 95 % A 1"
1
C-4
JR. MOQUEGUA/ JR. CUSCO
30.84
17.95 12.89
1.92 13.28
15.27
9.26
2
C-1
JR. MOQUEGUA/ JR. GONZALES PRAD CL A-7 -6 (14) ARCILLA ARENOSA, ARENA LIMOSA
44.86
22.79 22.07
1.78 18.16
23.79
11.77
3
C-5
JR. MOQUEGUA / JR. JA IME TRONCOS
OL A -2 (0)
LIMO ORGANICO Y A RCILLA LIMOS A ORGA
48.20
28.18 20.08
1.77 17.63
3.60
3.00
4
C-2
JR. MOQUEGUA/ JR. ICA
CL A-6 (12)
ARCILLA ARENOSA, ARENA LIMOSA
38.03
19.15 18.88
1.87 16.35
18.47
10.35
5
C-6
JR. MOQUEGUA/ JR. CAJAMARCA
SC A-2-4 (0)
ARENAS ARCILLOSAS, MEZCLAS DE ARENA 20.49
13.47
7.02
2.08 8.74
38.59
25.57
6
C-3
JR. MOQUEGUA/ JR. SAN MARTIN
CL A-6 (8)
ARCILLA ARENOSA, ARENA LIMOSA
31.59
18.06 13.53
1.94 13.12
24.71
11.64
7
C-4
JR. MOQUEGUA/ JR. LIBERTAD
SC A-4 (2)
MEZCLAS DE ARENA ARCILLOSA
21.34
13.88
2.07 9.82
42.07
19.35
7.46
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Del análisis por el parámetro CBR resulta la siguiente en base al CBR representativo: C.B.R. mejorado
01.03.08.02
16.32 %
CALCULO DEL ESPESOR DE BASE - MÉTODO DEL CBR.
Este método fue creado por la California Division of Highways, se basa en el ensayo California Bearing Ratio (C.B.R.). Los diferentes valores de CBR y cargas por rueda o por eje, han determinado sus respectivos espesores de pavimentos, en base a datos experimentales. Los diferentes organismos viales y técnicos, han elaborado curvas para facilitar estos cálculos.
01.03.08.03
PARÁMETROS PARA EL PREDIMENSIONAMIENTO.
C.B.R. de la sub-rasante (valor Representativo de diseño) = 16.32 % C.B.R. del material de cantera o sub base (valor mín. de CBR para sub base) =30% Peso de una llanta de un vehículo de 18 tn por eje: 9 Tn = 19,841.60 Lb. Según el ábaco anexo que interrelaciona el CBR y las cargas por rueda, se tiene: Grafico N° 04: Predimencionamiento de Espesor Combinado.
El grafico de pre dimensionamiento mostrado, el espesor combinado sale 30 cm, asumiendo un espesor mínimo de 17 cm de losa de concreto tendríamos un espesor de 30 cm de base, pero como se ha verificado in situ, y por los ensayos de plasticidad, el ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
terreno de fundación ( subrasante) es altamente plástico (IP≥15) y con un límite liquido promedio mayor a 33.62, eso hace indicar que al menor contacto con el agua este material se empieza a expandir el cual induciría a asentamiento diferenciales al pavimento, los cuales ya fueron corroborados en experiencia en esta zona. Debido a ello se considera colocar una capa mejorada de 40 cm de sub-base con material seleccionado la finalidad de sellar y permitir una adecuada transmisión de cargas a la sub-rasante, con la que se tendría la siguiente dimensión:
ESPESOR DE SUB-BASE = 40.00 CM. 01.03.08.04
REQUERIMIENTOS TÉCNICOS PARA MATERIAL DE SUB-BASE.
De acuerdo a las Especificaciones Técnicas Generales del Manual de Diseño Geométrico de Carreteras, se propone los siguientes requerimientos técnicos:
GRANULOMETRÍA La composición final de la mezcla de agregados presentará una granulometría continua y bien graduada (sin inflexiones notables) según uno de los requisitos granulométricos que se indican en la Tabla 305-1. Para el caso del proyecto se propone la gradación B.
Tamiz 50 mm
(2”)
25 mm
(1”)
9.5 mm
(3/8”)
4.75 mm (Nº 4) 2.0 mm (Nº 10) 4.25 um (Nº 40) 75 um (Nº 200)
Porcentaje que Pasa en Peso Gradación A Gradación B Gradación C Gradación D 100 100 ------75 – 95 100 100 30 – 65 40 – 75 50 – 85 60 – 100 25 – 55 30 – 60 35 – 65 50 – 85 15 – 40 20 – 45 25 – 50 40 – 70 8 – 20 15 – 30 15 – 30 25 – 45 2 – 8 5 – 15 8 – 15 5 – 15
Fuente: ASTM D 1241
01.03.09
DETERMINACIÓN DE TRANSITO DE DISEÑO
La variable transito necesaria para determinar la estructura del pavimento, es el número de ejes equivalentes a 8.2 toneladas que circularán por el carril de diseño y que se esperan durante el periodo de diseño. El número de ejes equivalentes a 20 años (Ver estudio de tráfico del proyecto): ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Tramo Matriz Jr. Moquegua
01.03.10
TPDA (Vehic/dia)
Puntos de Aforo
ESAL's
JR. Moquegua / AV. Fitzcarral
5,809
832,795.22
Jr. Moquegua / Av. Dos de Mayo
6,739
3,985,944.95
ADTT Cant
%
51
0.88
274
4.06
ANÁLISIS Y DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS
De acuerdo a las exigencias de los TDRs se procederá al dimensionamiento según los Métodos sugeridos AASHTO 93, PCA y un Procedimiento Mecanistico. Es de esperarse diferencias notables entre los dimensionamientos obtenidos de su aplicación principalmente con el Método Mecanistico dada la diferencia conceptual de sus bases teóricas de diseño. Las capas que conforman el pavimento rígido son: Terreno Natural (Subrasante) sub base y losa o superficie de rodadura como se muestra en la Figura: Grafico N° 05:
01.03.10.01 01.03.10.01.01
Pavimento Rígido
MÉTODO AASHTO-93 METODOLOGÍA DE DISEÑO
Para el diseño del pavimento rígido se seguirá el método AASTHO que se presenta a continuación: La fórmula general para el diseño de pavimentos rígidos está basada en los resultados obtenidos de la prueba AASHTO. La fórmula es la siguiente:
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Grafico N° 06: Formula de Diseño de Pavimento Rígido (AASHTO)
01.03.10.01.02
DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS DE DISEÑO
Este diseño está basado en las ecuaciones empíricas obtenida de la prueba AASHTO con futura modificaciones basadas en la teoría y la experiencia. El método de diseño AASHTO-93 como Asphalt Institute requiere para el diseño de nuevos pavimentos la determinación de los siguientes parámetros característicos para las distintas capas estructurales. El procedimiento de diseño normal es suponer un espesor de pavimento e iniciar a realizar tanteos, con el espesor supuesto calcular los ejes equivalentes y posteriormente evaluar todos los factores adicionales de diseño, si se cumple en equilibrio en la ecuación el espesor supuesto es resultado del problema, de lo contrario de debe de seguir haciendo tanteos. Las variables de diseño de un pavimento rígido son: a)
Espesor.
b)
Serviciabilidad
c)
Tránsito
d)
Transferencia de carga
e)
Propiedades del concreto
f)
Resistencia a la subrasante
g)
Drenaje
h)
Confiabilidad.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
a)
ESPESOR, El espesor del pavimento de concreto es la variable que se pretende determinar al realizar un diseño, el resultado del espesor se ve afectado por todas las demás variables que interviene en los cálculos.
b)
SERVICIABILIDAD, La serviciabilidad se define como la habilidad del pavimento de servir al tipo de tráfico (autos y camiones) que circulan en la vía. La serviciabilidad es una medida subjetiva de la calificación del pavimento, sin embargo la tendencia es poder definirla con parámetros medibles.
El índice de serviciabilidad inicial (Po), se define como la habilidad del pavimento de servir al tipo de tráfico (autos y camiones) que circulan en la vía, para su elección es necesario considerar los métodos de construcción, ya que de esto depende la calidad del pavimento. Usando buenas técnicas de construcción, el pavimento de concreto puede tener una serviciabilidad Po = 4.5 para pavimentos Rígidos y 4.2. Para Pavimentos flexibles. Cuadro N° 05: Valores de serviciabilidad inicial (Po) en función del tipo de Pavimento. ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD INICIAL
Po = 4.5 para pavimentos rígidos Po = 4.2 para pavimentos flexibles Para efectos de este Diseño se elegirá un índice de serviciabilidad inicial de
4.5 El índice de serviciabilidad final (Pt), tiene que ver con la calificación que esperamos tenga el pavimento al final de su vida útil, o bien, el valor más bajo que pueda ser admitido, antes de que sea necesario efectuar una rehabilitación, un refuerzo o la reconstrucción del pavimento. Cuadro N° 06: Valores de serviciabilidad Final (Pf) en función del tipo de camino. ÍNDICE DE SERVICIABILIDAD FINAL
Pt = 2.5 o más para caminos muy importantes Pt = 2.0 para caminos de transito menor
Para efectos de este Diseño se elegirá un índice de serviciabilidad final de 2.0 ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
La diferencia entre ambos índices es:
ΔPSI= Po –
Pt, que se define como
pérdida de serviciabilidad del cual obtendremos: ΔPSI= 4.5 – 2.0 ΔPSI= 2.5
c)
TRÁNSITO, El tránsito es una de las variables más significativas del diseño del pavimento y sin embargo es una de las que más incertidumbre presenta al momento de estimarse. Es importante hacer notar que debemos contar con la información más precisa posible del tráfico para el diseño, ya que de no ser así podríamos tener diseños inseguros o con un grado importante de sobre diseño. La metodología AASHTO considera la vida útil de un pavimento relacionada al número de repeticiones de carga que podrá soportar el pavimento antes de llegar a las condiciones de servicio final predeterminadas para el camino. El método AASHTO utiliza en su formulación el número de repeticiones esperadas de carga de Ejes Equivalentes, es decir, que antes de entrar a las fórmulas de diseño, debemos transformar los Ejes de Pesos Normales de los vehículos que circulan por el camino, en Ejes Sencillos Equivalentes de 18 kips (8.2Ton) también conocidos como ESAL´s. La condición es realizar los cálculos para el carril de diseño, seleccionado para estos fines por ser el que mejor representa las condiciones críticas de servicio de la calle o camino. Existen algunos factores que nos ayudan a determinar con precisión el tráfico que circula en el carril de diseño, estos factores se muestran en la tabla siguiente: Cuadro N° 07: Factor De Distribución Por Carril. N° DE CARRIL EN CADA SENTIDO
PORCENTAJE DE W18 EN EL CARRIL DE DISEÑO
1
100
2
80 - 100
3
60 - 80
4 o más
50 - 75
Para efectos de este Diseño se tendrán 2 carriles en cada sentido eligiendo así el porcentaje de w18 en el carril de diseño de 90%. ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
FACTOR DE CRECIMIENTO DE TRÁFICO AASTHO diseña los pavimentos por fatiga. La fatiga se entiende como el número de repeticiones ó ciclos de carga y descarga que actúan sobre un elemento. En realidad al establecer una vida útil de diseño, lo que estamos haciendo es tratar de estimar, en un periodo de tiempo, el número de repeticiones de carga a las que estará sometido el pavimento. La vida útil mínima con la que se debe diseñar un pavimento rígido es de 20 años, es común realizar diseños para 30, 40 ó más de 50 años. Otro factor que hay que tomar en cuenta es la tasa de crecimiento anual, que depende del desarrollo económico – social, de la capacidad de la vía, tipo de vehículo que pueden ser más de un tipo que de otro. Es conveniente prever este crecimiento del tráfico, tomando en consideración una tasa de crecimiento anual con la que se calcula un factor de crecimiento de tráfico. Es importante investigar adecuadamente la tasa de crecimiento apropiada para el caso en particular que se esté considerando. A continuación se presentan algunos valores de tasas de crecimiento, para la Región Madre de Dios, sin embargo estos pueden variar según el caso. r = 2.53% tasa de Crecimiento Anual (Para vehiculos de pasajeros). r = 4.30% tasa de Crecimiento Anual (Para vehiculos de carga).
El Factor de Crecimiento del Tráfico considera los años de vida útil más un número de años adicionales debidos al crecimiento propio de la vía.
Dónde:
FCT:
Factor de Tasa de Crecimiento.
g:
Tasa de Crecimiento.(2.98%)
n:
Años de Vida Útil. (20)
Remplazando Valores Obtenemos: FCT = 26.82
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
d)
TRANSFERENCIA DE CARGA, También se conoce como coeficiente de transmisión de carga ( J) y es la capacidad que tiene una losa del pavimento de transmitir las fuerzas cortantes con sus losas adyacentes, con el objetivo de minimizar las deformaciones y los esfuerzos en la estructura del pavimento. Mientras mejor sea la transferencia de cargas, mejor será el comportamiento de las losa del pavimento. La efectividad de la transferencia de carga entre las losas adyacentes depende de varios factores:
Cantidad de tráfico
Utilización de pasa juntas
Soporte lateral de las losas.
La utilización de pasa juntas es la manera más conveniente de lograr la efectividad en la transferencia de cargas, por lo que se recomienda su utilización cuando:
El tráfico pesado sea mayor al 25% del tráfico total.
El número de ejes equivalentes de diseño sea mayor de 5.0 millones de ESAL´s.
Esta transferencia de cargas se realiza a través de los extremos de las losas (juntas o grietas) y su valor depende del tipo de pavimento, del tipo de borde u hombro y de la colocación de los elementos de transmisión de carga. En la siguiente tabla se muestran los valores del coeficiente de transmisión de carga en función de estos parámetros: Cuadro N° 08: Valores de coeficiente de transmisión de carga J.
Tipo de Pavimento No reforzado o reforzado con juntas Reforzado continuo
Hombro Elemento de transmisión de carga Con. Asfáltico Con. Hidráulico SI NO SI NO 3.2 3.8 - 4.4 2.5 - 3.1 3.6 - 4.2 2.9 - 3.2 ---2.3 - 2.9 ----
El coeficiente de transmisión de carga considera el esfuerzo de transferencia a través de la junta o grieta como se observa en las siguientes figuras.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Grafico N° 07:
Figura N° 06: Junta 0% efectiva. La carga la soporta una sola losa.
Grafico N° 08: Junta 100% efectiva. La carga la soportan entre las dos losas.
Las pasa juntas son barras de acero redondo liso ASTM-A-36, la cual no se debe adherir al concreto permitiendo el libre movimiento de las losas longitudinalmente, pero si debe de transferir verticalmente parte de la carga aplicada en una losa adyacente. Se colocan perfectamente alineadas a la mitad del espesor de la losa. Para efectos de este Diseño de una losa de concreto reforzado en las juntas con elementos de transmisión de cargas se adoptara un valor de 3.10
e)
PROPIEDADES DEL CONCRETO, Son dos las propiedades del concreto
que influyen en el diseño y en su comportamiento a lo largo de su vida útil.
Resistencia a la tensión por flexión o Módulo de Ruptura (MR)
Módulo de elasticidad del concreto (Ec).
Debido a que los pavimentos de concreto trabajan principalmente a flexión es recomendable que su especificación de resistencia sea acorde con ello, por eso el diseño considera resistencia del concreto trabajando a flexión, que se conoce como resistencia a la flexión por tensión (S´c) o Módulo de ruptura (MR) normalmente especificada a los 28 días. Existe una prueba normalizada por la ASTM C78 para la obtención del módulo de ruptura la cual consiste en aplicar carga a la viga de concreto en los tercios de su claro de apoyo (Figura N° 05). Se puede realizar otra
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
prueba similar aplicándole carga el centro del claro; los resultados obtenidos son diferentes aproximadamente entre 15% a 20% mayores. Grafico N° 09: Prueba para la obtención de módulo de ruptura.
La desviación normal estándar (Zr ) define que, para un conjunto de variables (espesor de las capas, características de los materiales, condiciones de drenaje, etc.) que intervienen en un pavimento, el tránsito que puede soportar el mismo a lo largo de un periodo de diseño. A continuación se muestra en el Cuadro N° 08 la desviación normal estándar en función de la confiabilidad (R). Cuadro N° 09: Valores para Zr en función de la Confiabilidad R. DESVIACIÓN ESTÁNDAR NORMAL , VALORES QUE CORRESPONDEN A LOS NIVELES SELECCIONADOS DE CONFIABILIDAD CONFIABILIDAD R (%) ( ZR ) ( So ) 50 0.000 0.35 60 -0.253 0.35 70 -0.524 0.34 75 -0.647 0.34 80 -0.841 0.32 85 -1.037 0.32 90 -1.282 0.31 91 -1.340 0.31 92 -1.405 0.30 93 -1.476 0.30 94 -1.555 0.30 95 -1.645 0.30 96 -1.751 0.29 97 -1.881 0.29 98 -2.054 0.29 99 -2.327 0.29 99.9 -3.090 0.29 99.99 -3.750 0.29 Fuente: Guía para el Diseño de estructuras de pavimento, AASHTO, 1993.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
El módulo de elasticidad del concreto ( Ec) está relacionado con su módulo de ruptura y se determina mediante la norma ASTM C469. En su defecto correlacionarlo con otras características del material como puede ser su resistencia a la compresión ( f´c). Esto es: = 57000√ ´. Para efectos de este Diseño se tendrán un concreto de resistencia de
f’c= 245.00
kg/cm2, Ec= 23217 Mpa Para efectos de este Diseño se tendrán un concreto de resistencia de f’c= 245
kg/cm2, con un módulo de rotura Mr= 4.07 Mpa.
RESISTENCIA A LA SUBRASANTE, La resistencia a la subrasante se obtiene mediante el módulo de reacción del suelo (K) por medio de la prueba de placa. El módulo de reacción del suelo corresponde a la capacidad portante que tiene el terreno natural en donde se soportará el cuerpo del pavimento. El valor del módulo de reacción se puede obtener directamente del terreno mediante la prueba de placa ASTM D1195 Y D1196. El resultado de la prueba indica la característica de resistencia que implica la elasticidad del suelo. Esto es igual al coeficiente del esfuerzo aplicado por una placa entre las deformaciones correspondientes, producida por este esfuerzo. Dado que la prueba de placa es tardada y cara, el valor de k, es usualmente estimado por correlación a una prueba simple, tal como la Relación de Soporte de California (CBR). El resultado es válido ya que no se requiere una determinación exacta del valor de k; las variaciones normales de un valor estimado no afectan apreciablemente los requerimientos del espesor del espesor del pavimento. Cuando se diseña un pavimento es probable que tenga diferentes valores de K a lo largo del tramo por diseñar, por lo que se recomienda utilizar el valor promedio de los módulos K para el diseño. Para efectos de este Diseño y realizados los cálculos previos se trabajará con un
K = 214.28 pci f)
DRENAJE, En cualquier tipo de pavimento, el drenaje es un f actor importante en el comportamiento de la estructura del pavimento a lo largo de su vida útil y por lo tanto
en el diseño del mismo. Se puede evaluar mediante el
coeficiente de drenaje ( Cd) el cual depende de:
Calidad del drenaje. Viene determinado por el tiempo que tarda el agua infiltrada en ser evacuada de la estructura del pavimento.
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Exposición a la saturación. Porcentaje de tiempo durante el año en que un pavimento está expuesto a niveles de humedad que se aproximan a la saturación. Este valor depende de la precipitación media anual y de las condiciones del drenaje. Para el caso se definen varias condiciones del drenaje: Cuadro N° 10: Valores para el Coeficiente de drenaje Cd.
Porcentaje del tiempo en que la estructura del Tiempo pavimento esta transcurrido para que el expuesta a niveles de humedad próximos a la Calidad suelo libere el saturación del 50% de su más del drenaje Menos de 1% 1 % 5 % 5 % 25 % agua libre 25% Excelente 2 horas 1.25 - 1.20 1.20 - 1.15 1.15 - 1.10 1.10 Bueno 1 día 1.20 - 1.15 1.15 - 1.10 1.10 - 1.00 1.00 Mediano 1 semana 1.15 - 1.10 1.10 - 1.00 1.00 - 0.90 0.90 Malo 1 mes 1.10 - 1.00 1.00 - 0.90 0.90 - 0.80 0.80 Muy malo Nunca 1.00 - 0.90 0.90 - 0.80 0.80 - 0.70 0.70 Fuente: Guía para el Diseño de estructuras de pavimento, AASHTO, 1993. Cd
Es importante evitar que exista presencia de agua, dado que en caso de presentarse afectará en gran medida a la respuesta estructural del pavimento. El agua atrapada puede producir efectos nocivos como:
Reducción de la resistencia de materiales granulares.
Reducción de la resistencia de la subrasante.
Expulsión de finos.
Levantamientos diferenciales de suelos expansivos.
Para efectos de este Diseño y de acuerdo a las configuraciones de la zona, calidad del drenaje se Diseñara con un Cd= 1.00
CONFIABILIDAD,
g)
Los
factores
estadísticos
que
influyen
en
el
comportamiento de los pavimentos son:
Confiabilidad R
Desviación estándar
La confiabilidad está definida como la probabilidad de que el sistema de pavimento se comporte
de manera satisfactoria
durante su vida útil en condiciones
adecuadas para su operación.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Otra manera de interpretar este concepto sería aquélla que la probabilidad de que los problemas de deformación y resistencia estén por debajo de los permisibles durante la vida de diseño del pavimento. Cuadro N° 11: Valores recomendados del nivel de confianza atendiendo al tipo de camino. TIPO DE CARRETERA
NIVELES DE CONFIABILIDAD R Suburbanas
Rurales
85 - 99.9
80 - 99.9
Troncales
80 - 99
75 - 95
Colectoras
80 - 95
50 - 80
Autopista Regional
La confiabilidad puede relacionarse con un Factor de Seguridad y va asociada con la desviación estándar ( So) ó también llamado error estándar. Este último representa el número de ejes que puede soportar el pavimento hasta que su índice de serviciabilidad descienda por debajo de un determinado índice de servicio final (Pt) La desviación estándar ( So) relacionada con la confiabilidad ( R) se muestra a continuación: Cuadro N° 12: Desviación estándar y confiabilidad.
TIPO
( So )
Pavimentos Rígidos
0.30 - 0.40
Construcción Nueva
0.35
En Sobre Capas
0.40
Para efectos de este Diseño se emplearan un factor de confiabilidad para una construcción Nueva So= 0.35 ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Cuadro N° 13: determinacion del espesor de pavimento por la formula AASHTO. DATOS:
K= Ec = S'c = Mr = J= Cd =
103.80 23217 4.07 3.10 1.00
Mpa/m Mpa Mpa
So = R= Pt =
0.35 85 % => ZR = 2 2.5 3.99E+06 ??? mm
ΔPSI =
W82 = D= D=
197.69
-1.037
por tanteo
mm mm
ASUMIENDO
245
RESOLVIENDO:
1er mienbro 6.60
= =
2do miembro -0.36295
6.6005
=
6.6005
+
6.871328761
+
-0.067714278
+
0.159859992
ok!!!
Grafico N° 10: determinación del espesor de pavimento por el Abaco AASHTO. DATOS:
K= Ec = S'c = J= Cd =
103.80 23216.9 4.07 3.10 1.00
Mpa/m Mpa Mpa
So = R=
0.35 85 % => ZR = 2.5 3.99 x 10 ^ 6 200 mm
ΔPSI =
W80 = D=
-1.037
3870000 191 ASUMIENDO
mm
245
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
01.03.11
DISEÑO DEL PAVIMENTO MÉTODO DEL PCA -84
01.03.11.01
METODOLOGÍA DEL DISEÑO
En atención a lo indicado en los TDRs y para fines comparativos este procedimiento se aplicara el diseño del pavimento mediante la aplicación del método del PCA - 84 para una etapa de servicio de 20 años. El presente Método es una aplicación de la Portland Cement Association de los Estados Unidos, para determinar los espesores de losas
que
sean apropiados para
soportar las cargas de tráfico en calles, caminos y carreteras de hormigón. El propósito de diseño es el mismo que para otras estructuras de ingeniería: obtener el espesor mínimo que resultará en el costo anual más bajo, para los costos de inversión inicial y de mantenimiento. Si el espesor es mayor de lo necesario, el pavimento prestará un buen servicio con bajos costos de mantenimiento, pero el costo de inversión inicial será alto. Si el espesor no es el adecuado, los costos prematuros y elevados de
mantenimiento e interrupciones en el tráfico sobrepasarán los bajos
costos iníciales. Una correcta ingeniería requiere que los diseños
de
espesores,
balanceen apropiadamente el costo inicial y los costos de mantenimiento. Las Aplicaciones de los Procedimientos de Diseño Los procedimientos de diseño dados en este método se aplican a los siguientes tipos de pavimentos de hormigón: simple, simple con pasa juntas, con refuerzo discontinuo, y con refuerzo continuo.
01.03.11.02
DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS DE DISEÑO
Se mantienen las características enumeradas para los componentes del pavimento presentados bajo el Método AASHTO. Los métodos de diseño de espesores presentados, se basan en el conocimiento de la teoría de pavimentos, en su comportamiento, y en
experiencias de investigación de las
siguientes fuentes: Estudios teóricos del comportamiento de las losas del pavimento Westergaard, Picket y Ray, y recientes análisis de
realizados por
cómputo desarrollados por
elementos finitos, uno de los cuales es usado como la base para éste procedimiento de diseño.
01.03.11.03
FACTORES DE DISEÑO
Después de seleccionar el tipo de pavimento de hormigón (pavimento simple con ó sin pasa juntas, pavimento reforzado con juntas con
pasa juntas, o pavimento
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
continuamente reforzado), tipo de sub-base si es necesaria, y tipo de berma (con ó sin berma de hormigón, sardinel y
cuneta o sardinel integral); el espesor de diseño es
determinado en base a los cuatro factores siguientes:
Resistencia del concreto a la flexión (módulo de rotura MR).
Resistencia de la subrasante, ó subrasante y subbase combinadas (k).
Los pesos, frecuencias, y tipos de cargas axiales de camión que el pavimento soportará.
El periodo de diseño, que en éste y otros procedimientos usualmente es considerado como de 20 años, pudiendo ser más ó menos.
RESISTENCIA DEL HORMIGÓN A LA FLEXIÓN. La resistencia del hormigón a la flexión es considerada en el procedimiento de diseño mediante el criterio de fatiga, que controla el agrietamiento del pavimento bajo las cargas repetitivas de camiones. El pandeo de un pavimento de hormigón bajo cargas axiales produce esfuerzos de compresión y flexión. Sin embargo, las relaciones de los esfuerzos y resistencias de compresión son demasiado pequeñas para influenciar en el diseño del espesor de la losa. Las relaciones de los esfuerzos y resistencias de flexión son mucho más altas, excediendo a menudo valores de 0.5. Como resultado, los esfuerzos flexores y la resistencia a la flexión del hormigón son usados en el diseño de espesores. La resistencia a la flexión es determinada. Para proyectos específicos, la dosificación del hormigón debería ser
diseñada para
proporcionar adecuada durabilidad y resistencia flexora, al menor costo posible. Los procedimientos de diseño de mezclas son descritos en la publicación PCA.
PERIODO DE DISEÑO El término periodo de diseño es usado en este texto en vez de vida del pavimento, porque éste último no está sujeto a una definición
precisa.
Algunos
ingenieros y agencias de carreteras consideran que la vida de un pavimento de hormigón finaliza cuando se coloca la primera sobrecapa. La vida de los pavimentos de hormigón pueden variar desde menos de 20 años en algunos proyectos con tráfico mayor de lo originalmente estimado o que han tenido defectos de diseño, materiales o construcción defectuosa; a más de 40 años en otros proyectos donde no
existan
defectos. ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
El término periodo de diseño es considerado algunas veces como sinónimo del término periodo de análisis de tráfico. Debido a que el tráfico puede no ser predicho con mucha precisión para un periodo largo, comúnmente se utiliza un período de diseño de 20 años en procedimientos de diseño de pavimentos. Sin
embargo,
existen a menudo casos donde el uso de períodos de diseño más cortos o
más
largos, pueden ser económicamente justificados, tal como en una carretera de transporte especial que será usada sólo por pocos años, o una construcción muy cara donde se desea un alto nivel de servicio por un periodo largo, con escaso o sin mantenimiento. Algunos ingenieros
creen que el periodo de diseño para carreteras
rurales y urbanas puede estar en un rango de 30 a 35 años. El periodo de diseño seleccionado afecta al espesor de diseño, ya que cuántos años, y por lo tanto a cuántos camiones,
debe
servir
el
determina pavimento. La
selección de un periodo de diseño para un proyecto específico está basado en criterios ingenieriles y en el análisis económico de los costos del pavimento y los servicios obtenidos en todo el periodo. Para efectos de este Diseño de acuerdo a lo establecido en la metodología antes descrita se tendrá un periodo mínimo de Diseño de 20 años.
TRÁFICO La cantidad y los pesos de las cargas axiales pesadas esperadas durante la vida de diseño son los factores principales en el diseño
de
espesores
de pavimentos de
hormigón. Estos se derivan de las estimaciones de:
Tráfico
promedio
diario
en
ambas direcciones, de todos los vehículos
(average daily traffic-ADT)
Tráfico promedio diario de camiones en ambas direcciones (average daily truck traffic-ADTT)
Cargas axiales de camiones.
Información sobre el ADT es obtenida de conteos especiales del tráfico o de mapas del
volumen de tráfico del estado o de
ciudades. Este ADT es denominado como el
ADT presente o corriente. El ADT de diseño es estimado por los métodos comúnmente usados discutidos aquí. Sin embargo, cualquier otro método que dé una estimación razonable del tráfico esperado durante la vida de diseño puede ser utilizado.
PROYECCIÓN ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Un método para obtener el dato del volumen de tráfico (ADT de diseño), requiere el uso de las tasas anuales del crecimiento de tráfico y
factores
de proyección del tráfico.
El cuadro 02 muestra las relaciones entre las tasas anuales de crecimiento y los factores de proyección para períodos de diseño de 20 y 40 años. En un problema de diseño, el factor de proyección es multiplicado por el ADT presente para obtener el ADT de diseño que representa el valor promedio para el período de procedimientos, diseño. Éste En algunos es llamado el promedio anual del tráfico diario (average annual daily traffic- AADT). 1. Tráfico atraído o desviado - es el incremento sobre el tráfico existente, debido al
mejoramiento de un camino existente.
2. Crecimiento normal del tráfico - es el incremento debido al aumento del número y uso de vehículos motorizados. 3. Tráfico
generado- es el incremento debido a la llegada de los vehículos
motorizados, que no se hubiera realizado si no se
hubieran construido los
nuevos servicios. 4. Desarrollo del tráfico - es el incremento debido al cambio de uso del suelo por la construcción de los nuevos servicios. La combinación de efectos origina tasas anuales de crecimiento entre el 2% y 6%. Aproximadamente. Estas tasas corresponden a factores de proyección de tráfico en 20 años son de 1.2 a 1.8.
CAPACIDAD El otro método de estimar el ADT de diseño, está basado en la capacidad - el número máximo de vehículos que puede usar el pavimento sin demora irracional. Este método de estimación del volumen de tráfico es descrito en el
Apéndice D y
debería ser verificado para proyectos específicos donde el volumen de tráfico proyectado es alto; pueden ser necesarios más carriles de tráfico si se desea un flujo de tráfico razonable.
ADTT (Average Daily Truck Traffic - Tráfico Diario Promedio de Camiones) El tráfico diario promedio de camiones en ambas direcciones (ADTT) es necesario en el procedimiento de diseño. Puede
ser expresado como un porcentaje del ADT ó
como un valor actual. Los valores de ADTT incluyen solamente camiones con seis ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
ruedas o más, y no incluye camiones panel ni pickup ni otros vehículos de cuatro ruedas. Los datos de los mapas de volumen de tráfico estatales, de los condados, o de las ciudades pueden incluir, en adición al ADT, el porcentaje de camiones con el que puede ser calculado el ADTT. Para el diseño de proyectos mayores y en los Sistemas Interestatales Primarios, la sección de planeamiento e investigación de los departamentos estatales de transportes, generalmente llevan a cabo estudios específicos de tráfico. Estos datos son luego usados para
determinar las relaciones porcentuales entre el ADTT y el ADT.
Los porcentajes de ADTT y otros datos esenciales de tráfico, pueden
también ser
obtenidos de investigaciones conducidas por el departamento de carreteras en localizaciones específicas del sistema vial.
DISTRIBUCIÓN DIRECCIONAL DE CAMIONES En la mayoría de los problemas de diseño, se asume que los pesos y volúmenes de los camiones que viajan en cada dirección son casi iguales - distribución 50 y 50 y que el pavimento toma en cada dirección la mitad del ADTT total. Esto puede no ser cierto
en
casos
especiales
donde
la mayoría de los camiones van totalmente
cargados en una dirección y retornan vacíos en la otra dirección. Si tal es el caso, debe hacerse un ajuste apropiado.
DISTRIBUCIÓN DE CARGAS POR EJE los datos de la distribución de cargas por eje del tráfico de camiones son necesarios para computar el número de ejes simples y tándem de diversos pesos esperados durante el periodo de diseño. Estos datos pueden ser determinados por una de tres maneras: 1. A partir de estudios especiales de tráfico para establecer los datos de medición de cargas para el proyecto específico. 2. Por recopilación de los datos de las estaciones de medición de cargas de los departamentos
cargas
en
movimiento en rutas representativas de los pesos y tipos de camiones,
que
se
espera
de
carreteras
(Peajes) o estudios
de
sean similares al proyecto bajo diseño.
3. A partir de los métodos basados en categorías de datos representativos para diferentes tipos de pavimentos, cuando los
datos de distribución de cargas por
eje no estén disponibles. ______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
FACTORES DE SEGURIDAD DE CARGA En el procedimiento de diseño, las cargas por eje determinadas en la sección previa, son multiplicadas por un factor de seguridad de carga
(Load
Safety
Factor- LSF).
Recomendándose los siguientes factores: Para proyectos Interdepartamentales y otros de múltiples carriles donde el flujo
de tráfico será ininterrumpido y donde habrán altos volúmenes
de tráfico de
camiones, LSF = 1.2. Para carreteras y vías Provinciales donde el volumen de tráfico
de camiones
será moderado, LSF = 1.1. Para carreteras, calles residenciales, y otras que soportarán
pequeños
volúmenes de tráfico de camiones, LSF 1.0. Además de los factores de seguridad de carga, se introduce un cierto grado de conservadorismo en el procedimiento de diseño, para compensar las sobrecargas no
previstas
de
camiones
sobrecargados y
las variaciones normales en las
propiedades espesores de de los materiales capas en y las construcciones. Por encima del nivel básico de conservadorismo (LSF = 1.0), los factores de seguridad de carga de 1.1 á 1.2, proporcionan una gran tolerancia a la posibilidad de cargas de
camiones pesados y volúmenes no revistos, y un alto nivel de serviciabilidad,
apropiado en caminos mayores con pavimentos de tipos. Calculamos los factores que intervienen en la tabla para determinar el espesor del pavimento de Concreto:
Capacidad de soporte del suelo. CBR
16.32 %
K
6.45 Kg/cm3
e
40 cm
Kc
10.07 Kg/cm3
Periodo de Diseño. T Carga de Diseño. CD Factor de Seguridad. FS Módulo de Diseño del Concreto.
= 20 años. = 2 97 Tn. = 1.10
RESULTADO kg
MR
53.90 cm2
MD
26.95 cm2
kg
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Estudio de Trafico.
MEDIO DE TRANSPORTE
IMDA
PESO TOTAL (Tn)
PESO POR EJES (Tn) EJE
%
Lx
Del. Post. 01 Del. Post. 01 Del. Post. 01 Del. Post. 01 Del. Post. 01
50.0% 50.0% 50.0% 50.0% 50.0% 50.0% 50.0% 50.0% 50.0% 50.0%
1.50 1.50 1.75 1.75 2.50 2.50 2.50 2.50 3.50 3.50
Del.
38.9%
7.00
PESO Lx POR TOTAL EJES (Kips) (Kips)
FACTOR EALFi CAMIÓN (POR EJE) FC=SEALF i
L2
Bx
3.304 3.304 3.855 3.855 5.507 5.507 5.507 5.507 7.709 7.709
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1.000 1.000 1.000 1.000 1.001 1.001 1.001 1.001 1.002 1.002
15.419
1
1.064 0.5237197
24.229
1
1.598 3.2955994
15.419
1
1.064 0.5237197
39.648 15.419
2 1
1.707 3.3751121 1.064 0.5237197
50.661
3
1.634 2.9140408
FC*IMDA
VEHIC. MAYOR CATEGORIA " M" AUTOMOVILES
2592
1988
3.00
STATION WAGON
337
3.50
CAMIONETA PICK UP
197
5.00
PANEL
61
5.00
COMBI
9
7.00
6.608 7.709 11.013 11.013 15.419
0.0011087 0.0011087 0.0019336 0.0019336 0.0074809 0.0074809 0.0074809 0.0074809 0.0287471 0.0287471
0.002217
4.4082432
0.003867
1.3032704
0.014962
2.9474610
0.014962
0.9126656
0.057494
0.4944502
VEHICULOS PESADOS CATEGORIA " N"
51
C=CAMION
CAMION (C2)
37
18.00
5
25.00
CAMION (C4) 1-3
5
30.00
CAMION (C4) 2-2
0
CAMION (C3)
Pos t. 01 61.1% Del.
28.0%
11.00 7.00
Pos t. 01 72.0% 18.00 Del. 23.3% 7.00 Pos t. 01 76.7%
Del. Post. 01
23.00
39.648 55.066 66.079
3.819319 139.7870779 3.898832
18.7143924
3.437761
16.5012504
2
14.00 18.00
2
Determinación del Espesor de Pavimento.
Calculamos los factores que intervienen en la tabla para determinar el espesor del pavimento de Concreto: Cuadro N° 14: Datos para el Cálculo del espesor del Pavimento
CD*FS
3.27 Ton
Kc
10.07
MD
26.95
h
20.00 cm
e
40.00 cm
CRITERIOS DE ANÁLISIS POR FATIGA Y EROSION
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Cuadro N° 15: Verificación del Espesor por Fatiga y Erosión h=20.00 cm VERIFICACION DEL ESPESOR DL PAVIMENT O POR FATIGA Y EROSION
Espesor estimado
20.00 cm
Modulo de rotura (MR) K sub base - sub rasante Periodo de Diseño
Factor de Seguridad de Carga (F.S.)
1.1
Junta con pasadores Acotamientos de concreto Existe sub base
SI NO SI
53.90 kg / cm2 10.07 kg / cm3 20 Años
Nota: La sub base es de 40cm, y es granular Análisis de fatiga Cargas por F. Repeticiones Cargas de ejes (tn) S. C. (1xF.S.C) esperadas
1
2
8 Esfuerzo equivalente
3
Repeticione s Consumo permisibles de fatiga (Gráfico (3x100/4) 12.7.4)
Análisis de erosión Daños por Repeticiones permisibles (Gráfico 12.7.5)
(3x100/6)
5
6
7
0.8% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%
440000.00 10000000.00 ILIMITADO ILIMITADO ILIMITADO ILIMITADO
3.6% 0.3% 0.0% 0.0% 0.0% 0.0%
4
erosión
16.44 kg/cm2 Ver Cuadro 12.7.9
9 Factor de Proporción de 10 Factor de erosión
0.31 2.94
(8/MR) Ver Cuadro 12.7.10
EJE SIMPLE 11.92 7.29 5.30 3.32 2.43 1.54
13.12 8.02 5.83 3.65 2.67 1.70
8 Esfuerzo equivalente 9 Factor de Relación de Esfuerzos 10 Factor de erosión
15643 26071 24768 41714 43018 87339
2,000,000.00 ILIMITADO ILIMITADO ILIMITADO ILIMITADO ILIMITADO
12.94 kg/cm2 Ver Cuadro 12.7.9 0.24 (8/MR) Ver Cuadro 12.7.10 2.99
EJE TANDEM 18.00 8.57
19.80 9.42
10429 3911
ILIMITADO ILIMITADO
0.0% 0.0%
2000000.00 LIMITADO
0.5% 0.0%
% Fatiga
0.8%
% Erosión
4.3%
Con un espesor de 20.00 cm de espesor del pavimento, se tiene un consumo por fatiga de 0.80%, por otro lado el daño provocado por erosión es de 4.30 %, se encuentra en lo permisible.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Cuadro N° 16: Esfuerzos Equivalentes -Acotamientos Sin Pavimentar K - Módulo de reacción sub-rasante [Kg/cm 3] 2
Espesor losa [ cm. ]
4
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6
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12
43.0
35.6
37.8
30.1
35.1
28.1
33.1
26.8
31.7
25.7
29.1
24.3
27.4
23.5
13
38.4
32.3
33.8
27.3
31.4
25.3
29.7
24.0
28.4
23.0
26.1
21.6
24.6
20.8
14
34.6
29.6
30.5
24.9
28.3
22.9
26.8
21.6
25.6
20.8
23.7
19.4
22.3
18.5
15
31.4
27.2
27.7
22.9
25.7
20.9
24.4
19.7
23.3
18.8
21.6
17.5
20.4
16.7
16
28.7
25.2
25.3
21.2
23.5
19.3
22.3
18.1
21.3
17.3
19.7
16.0
18.7
15.2
17
26.3
23.5
23.3
19.7
21.6
17.9
20.5
16.7
19.6
16.0
18.1
14.7
17.2
13.9
18
24.3
22.0
21.5
18.4
19.9
16.6
18.9
15.5
18.1
14.8
16.8
13.6
15.9
12.8
19
22.5
20.7
19.9
17.2
18.5
15.6
17.5
14.5
16.8
13.8
15.6
12.6
14.8
11.9
20
21.0
19.5
18.5
16.2
17.2
14.6
16.4
13.6
15.6
12.9
14.5
11.8
13.8
11.1
21
19.6
18.5
17.3
15.3
16.1
13.8
15.2
12.9
14.6
12.2
13.6
11.1
12.8
10.4
22
18.3
17.5
16.2
14.5
15.0
13.1
14.2
12.2
13.7
11.5
12.8
10.5
12.0
9.8
23
17.2
16.7
15.2
13.8
14.1
12.4
13.3
11.5
12.8
10.9
12.0
9.9
11.3
9.2
24
16.2
15.9
14.3
13.1
13.3
11.8
12.5
11.0
12.1
10.4
11.3
9.4
10.7
8.8
25
15.3
15.2
13.5
12.5
12.6
11.2
11.9
10.5
11.4
9.9
10.7
8.9
10.1
8.3
26
14.5
14.5
12.8
12.0
11.9
10.7
11.3
10.0
10.8
9.4
10.1
8.5
9.5
8.0
27
13.8
13.9
12.1
11.5
11.3
10.3
10.7
9.5
10.3
9.0
9.5
8.1
9.0
7.6
28
13.1
13.4
11.5
11.0
10.7
9.9
10.2
9.1
9.8
8.6
9.0
7.8
8.6
7.3
29
12.5
12.9
11.0
10.6
10.2
9.5
9.7
8.8
9.3
8.3
8.6
7.5
8.2
6.9
30
11.9
12.4
10.5
10.2
9.7
9.1
9.2
8.5
8.9
8.0
8.2
7.2
7.8
6.6
31
11.3
12.0
10.0
9.9
9.3
8.8
8.8
8.1
8.4
7.7
7.8
6.9
7.4
6.4
32
10.9
11.6
9.6
9.5
8.9
8.5
8.4
7.8
8.0
7.4
7.5
6.7
7.1
6.2
33
10.4
11.2
9.2
9.2
8.5
8.2
8.0
7.6
7.7
7.1
7.2
6.4
6.8
6.0
34
10.0
10.8
8.8
8.9
8.1
7.9
7.7
7.3
7.3
6.9
6.9
6.2
6.6
5.8
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Cuadro N° 17: Factor De Erosión, Junta Con Pasa Juntas – Acotamiento sin Pavimentar. K - Módulo de reacción sub-rasante [Kg/cm3] 2
Espesor losa [ cm. ]
4
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12
3.51
3.61
3.50
3.57
3.49
3.54
3.48
3.52
3.48
3.51
3.47
3.49
3.45
3.47
13
3.41
3.53
3.39
3.48
3.39
3.45
3.38
3.43
3.38
3.41
3.37
3.39
3.35
3.37
14
3.32
3.45
3.30
3.39
3.29
3.36
3.28
3.34
3.28
3.33
3.27
3.30
3.25
3.28
15
3.23
3.37
3.21
3.31
3.20
3.28
3.19
3.26
3.19
3.24
3.18
3.22
3.16
3.20
16
3.15
3.30
3.12
3.24
3.12
3.21
3.10
3.18
3.10
3.17
3.09
3.14
3.08
3.12
17
3.07
3.24
3.05
3.17
3.04
3.14
3.02
3.11
3.02
3.10
3.01
3.07
3.00
3.04
18
2.99
3.18
2.97
3.11
2.96
3.07
2.95
3.05
2.94
3.03
2.93
3.00
2.92
2.97
19
2.93
3.12
2.90
3.05
2.89
3.01
2.88
2.98
2.87
2.97
2.86
2.93
2.85
2.91
20
2.86
3.06
2.83
3.00
2.83
2.95
2.81
2.92
2.80
2.91
2.79
2.87
2.79
2.84
21
2.80
3.01
2.77
2.93
2.76
2.89
2.74
2.86
2.74
2.85
2.73
2.81
2.72
2.78
22
2.74
2.96
2.71
2.88
2.70
2.84
2.68
2.81
2.68
2.80
2.67
2.76
2.66
2.73
23
2.68
2.91
2.65
2.83
2.64
2.79
2.62
2.76
2.62
2.74
2.61
2.70
2.59
2.67
24
2.63
2.87
2.60
2.78
2.59
2.74
2.57
2.71
2.56
2.69
2.55
2.65
2.54
2.62
25
2.58
2.83
2.54
2.74
2.54
2.69
2.52
2.67
2.51
2.65
2.50
2.60
2.49
2.57
26
2.53
2.79
2.50
2.70
2.49
2.65
2.47
2.62
2.46
2.61
2.45
2.56
2.44
2.53
27
2.48
2.75
2.45
2.66
2.44
2.61
2.42
2.58
2.41
2.57
2.40
2.52
2.39
2.49
28
2.43
2.72
2.40
2.63
2.39
2.57
2.37
2.54
2.37
2.53
2.35
2.48
2.34
2.45
29
2.39
2.69
2.36
2.59
2.35
2.54
2.33
2.51
2.32
2.49
2.31
2.44
2.30
2.41
30
2.34
2.65
2.31
2.56
2.30
2.50
2.28
2.47
2.28
2.45
2.26
2.41
2.25
2.37
31
2.30
2.62
2.27
2.52
2.26
2.47
2.24
2.43
2.24
2.42
2.22
2.37
2.21
2.34
32
2.26
2.59
2.23
2.49
2.22
2.43
2.20
2.40
2.19
2.38
2.18
2.33
2.17
2.30
33
2.22
2.56
2.19
2.46
2.18
2.40
2.16
2.37
2.15
2.35
2.14
2.30
2.13
2.27
34
2.18
2.53
2.15
2.43
2.14
2.37
2.12
2.33
2.12
2.32
2.10
2.27
2.09
2.24
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Grafico N° 11: Método PCA 1984, Análisis Por Esfuerzo Para un espesor de 0.20 m.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Grafico N° 12: Método PCA 1984, Análisis Por Erosión Para un espesor de h=0.20 m.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
01.03.12
ALTERNATIVA Y DIMENSIONES (COMPARATIVO)
El balance dimensional entre lo obtenido por la vía del Método AASHTO-93 y el Método PCA, sacando promedió de los valores obtenidos para obtener espesor más óptimo. Cuadro N° 18: Comparativo de los Métodos de Calculo.
MÉTODO DE CALCULO
RESULTADO
Método AASHTO - 93
200.00 mm
Método PCA
200.00 mm
Dimensionamiento con un espesor de 200 mm se tienen valores de erosión y fatiga de 4.30 % y 0.80 % lo cual indica que el espesor propuesto PCA cumple las solicitaciones de fatiga y erosión, siendo acorde con las dimensiones comunes adoptadas para el proceso constructivo y presentando suelos de baja a mediana plasticidad a nivel de sub rasante.
Se adoptará un espesor total de losa de Concreto de 20.00 cm, con un espesor de 40.00cm de sub - base.
Las juntas serán varillas de acero entre paños de Concreto de acuerdo a las especificaciones mostradas en los planos de Estructura del Pavimento Rígido. Grafico N° 13: Diseño Final del Pavimento.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Espesor del Pavimento H=0.20 m Espesor de la Base Granular e= 0.40 m
01.03.13
DIMENSIONAMIENTO DE PAÑOS.
Criterios de dimensionamiento en función a espesor de pavimento y ancho del carril:
Ancho de Carril tipo 1 = 3.60 m.
Espesor de Pavimento = 20.00 cm
Procedimiento De Calculo Longitud de la losa = 25 D = 25x20.00 cm = 500.00 cm = 5.00 m. Longitud de la losa = ancho del carril x 1.25 = 3.60 m x 1.25 = 4.50 m Longitud Adoptado = 4.50 m. Relación de esbeltez = largo/ancho = 4.50/3.60 = 1.25 ≤ 1.25... Ok!!
01.03.14
CALCULO DE PASADORES Y LAS BARRAS DE ANCLAJE
01.03.14.01
JUNTAS LONGITUDINALES Y BARRAS DE ANCLAJE
Entre otras funciones la junta longitudinal controla el agrietamiento producido por alabeo. En la construcción del pavimento, la junta debe ser marcado con una ranura que separe los carriles y proporcione alojamiento para el sellado, unida por barras de anclaje corrugadas, que se encarguen de asegurar que no haya desplazamiento relativo de las losas. Para este diseño se consideró el ancho de carril de 3.60 m.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
Las características de las barras de anclaje se establecen de acuerdo con la metodología PCA. En la tabla siguiente se presenta la recomendación para el refuerzo, teniendo en cuenta que el acero usado deberá cumplir con un esfuerzo de fluencia de 4200 kg/cm2 = 420 Mpa. Las barras de acero no se deben instalar a menos de 40 cm de junta transversal para evitar que interfieran con el movimiento de las juntas. Cuadro N° 19: Cuadro de Barras de Anclaje Vs Espesor de losa.
S e utilizará vari llas Φ 5/8”, longitud de varilla 1.0 m, separados a cada 1.20 m. 01.03.14.02
JUNTAS TRANSVERSALES Y PASADORES
Las juntas transversales o juntas de contracción son juntas de alabeo es decir, controlan las grietas causadas por la retracción de fraguado del hormigón y por las acciones climáticas (temperatura y humedad) cumpliendo una función
mecánica esencial
constituyendo un medio de transferencia de la carga. Se debe cumplir las separaciones máximas de la siguiente tabla. Cuadro N° 20: Juntas transversales en función a espesor del Pavimento.
S e utilizara pasador de diámetro 1”, centros 0.30 m.
con longitud total = 0. 40
m, separados entre
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos
01.03.15
CONCLUSIONES
En la presente fase de dimensionamiento se han examinado las posibles soluciones empleando los Métodos AASHTO 93 y PCA (complementariamente) requeridos por los TDRs.
La elección del dimensionamiento corresponde al promedio obtenido por la vía del Métodos AASHTO 93 y PCA, se considera un espesor de 20.00 cm, siguiendo la práctica y experiencia de los proyectos viales en nuestro medio ejecutados en su totalidad con el citado Método bajo los siguientes criterios:
Periodo de Diseño
:
20 años
Clase de Concreto
:
245.00 kg/cm2
Base Granular
:
CBR min ≥ 30%
Subrasante
:
CBR 16.32%
El Tramo presenta Sectores Críticos de sub rasante altamente plástico (IP≥15) y con un límite liquido promedio mayor a 33.62, eso hace indicar que al menor contacto con el agua este material se empieza a expandir el cual induciría a asentamiento diferenciales al pavimento, los cuales ya fueron corroborados en las vías existentes en la ciudad de Puerto Maldonado.
Se mejorará la sub rasante en un espesor de 40.00 cm con material granular con un CBR min de 30%.de modo que se uniformice la capacidad de soporte y permita una adecuada transmisión de cargas.
Para garantizar la estabilidad en suelos blandos de compactaran los tramos indicados con rodillo pata de cabra, los controles en el material de base se harán realizando ensayos in situ de modo que el rango aceptable mínimo sea a un 95% de compactación.
Las juntas longitudinales constaran de varillas lisas de Acero de fluencia de 4200 kg/cm2 = 420 Mpa. De Φ 5/8”, longitud de 1.0 m, separados a cada 1.20 m.
Las juntas transversales y pasadores contaran de varillas lisas de Acero de fluencia de 4200 kg/cm2 = 420 Mpa. De Φ 1”, con longitud de varilla = 0.40 m, separados entre centros 0.30 m.
Las condiciones climáticas y temperatura condicionan el óptimo comportamiento del concreto y se requerirán adicionar fibra sintética a razón de 0.60 kg/m3 de concreto.
______________________________________________________ ________________________ Jr. Moquegua – Diseño de Pavimentos