10.1.
CARA CA RAC CTERIZA ZAC CIÓN DE SUBRA RASA SANT NTE E
La caracterización geotécnica está fundamentada en el análisis de la información obtenida en campo, a partir de los datos geológicos y en los registros litológicos obten obtenido idos s en la elabo elaborac ración ión de sond sondeos eos y apique apiques, s, muestr muestreo eo y ensay ensayos os de clasificación, CBR de laboratorio. En el laborato laboratorio rio se clasific clasificaron aron isualment isualmente e las muestras muestras recuperada recuperadas s y, las repre represen sentat tati ias, as, se anali analiza zaron ron para para cono conocer cer sus sus prop propied iedade ades s !ndice !ndice y sus sus caracter!sticas de gradación y plasticidad. "obre las muestras representatias se realizaron los ensayos requeridos para clasificación de los suelos en el sistema ".#.C.". para un total de $% ensayos de clasificación. Los ensayos efectuados se realizaron siguiendo las Especificaciones y &ormas de Ensayos del 'nstituto &acional de (!as. •
)nálisis *ranulométrico *ranulométrico de "uelos por por +amiz +amizado, ado, &orma &orma E-$. E-$.
•
/eterminación del L!mite L!quido de los "uelos, &orma E-$0.
•
Limite plástico e !ndice de plasticidad, &orma E-$1.
•
•
2umedades naturales mediante muestras tomadas espec!ficamente para tal fin, seg3n &orma E-$$. Relación de "oporte del "uelo en el Laboratorio 4CBR de Laboratorio5, &orma E-%6.
10.1. ENSA ENSAYO YOS S DE RESISTENCI RESISTENCIA A MATE MATERIAL RIAL DE DE SUBRASANTE SUBRASANTE La capacidad de soporte de los suelos de la subrasante se determinó de manera indirecta mediante el uso del Cono /inámico y mediante el ensayo de CBR de laboratorio, en el (olumen de Estudio de *eolog!a y *eotecnia se presenta el calculo detallado del CBR a partir de las e7presiones adoptadas para el calculo del CBR, las cuales corresponden a e7presiones desarrolladas por 'nestigadores o 'nstituciones reconocidas en el tema de /ise8o de 9aimentos. :inalmente se adopto la correlación que mas se a;ustara a los alores de CBR de laboratorio.
Cuadro No.2- CBR a partir d E!"a#o E!"a #o d $a%oratorio SITIO NG CO –SERI NTEC 9)+'< =)&' SO I
CBR 1@
SAS?
Con fines de diseño y de seguridad se tomó como 6.0% de CBR de diseño para los dos tramos de pavimento. pavimento.
10.2. 10. 2. EST ESTIMA IMACIÓ CIÓN N DEL TR& TR&NSIT NSITO O DE DISE' DISE'O O Con la palabra tránsito se designa la suma de todos los eA!culos que pasan por una !a durante un tiempo determinado. "in embargo esa definición tan simple encierra algunas implicaciones, la primera tiene que er con el AecAo de tener que predecir para per!odos largos, cuantos eA!culos pasarán por la !a ob;eto de la paimentación, con que caracter!sticas y especialmente cuanto pesan. El dise8o de los paimentos se debe Aacer sabiendo cuanto an a pesar los e;es que an a pasar por la !a durante su ida 3til, esto es imposible de realizar en la práctica. 9or fortuna los métodos de dise8o de paimentos permiten que se Aagan simplificaciones en la determinación del tránsito a traés de proyecciones. En el caso de los paimentos de concreto las cargas que da8an la estructura y por lo tanto las que se deben tener en cuenta son las más grandes, aunque no necesariamente las más frecuentes. La determinación de la ariable >tránsito? se puede Aacer con diferentes grados de apro7ima apro7imación ción.. Las más precisas precisas parten del análisi análisis s de registr registros os Aistóric Aistóricos os de conteos y pesa;es sobre la !a que se a a paimentar. paimentar. Los conteos permiten permiten que se Aaga una proyección con la idea de que el tránsito pasado permite predecir el que pasará. 9or su parte los menos precisos se Aacen teniendo en cuenta el ancAo y el tipo de la !a que se tiene, o con base en algunas consideraciones acerca del sericio que a a prestar la !a.
(.1. CLASI)ICACIÓN *E+ICULAR "iguiendo los lineamientos regulatios de la clasificación del tipo de eA!culos por peso y por e;es, la resolución %- de $%, e7pedida por el =inisterio de +ransporte, dictamina la siguiente clasificación
(.1.1 Tipo A En esta categor!a se agrupan los automóiles, camperos, camionetas, y microbuses, seg3n la clasificación del 'nstituto &acional de (!as '&(')" este grupo se denomina con la letra ).
(.1.2 Tipo B En esta categor!a se agrupan las busetas y los buses, seg3n el '&(')", este grupo se denomina con la letra B.
(.1., Tipo C Este grupo, que se designa con la letra C, seg3n lo registrado en la resolución %- del $%, en que los eA!culos de carga se designan de acuerdo con la configuración de sus e;es de la siguiente manera
A. Con el primer d!gito se designa el n3mero de e;es del camión o del tractocamión 4Cabezote5. B. La letra " significa semiremolque y el d!gito inmediato indica el n3mero de sus e;es. C. La letra R significa remolque y el d!gito inmediato indica el n3mero de sus e;es. D. La letra B significa remolque balanceado y el d!gito inmediato indica el n3mero de sus e;es. La designación para los eA!culos de transporte de carga en el territorio nacional, de acuerdo con la configuración de sus e;es, se muestra en la :igura .
:igura . :uente resolución %- del $%
(.2 ESO *E+ICULAR Y ESO OR EE Los eA!culos, trasmiten las cargas al paimento a traés de las ruedas, que como se di;o, están dispuestas en e;es. El =inisterio del +ransporte, a traés de la resolución %- de $% reglamenta el peso que pueden transmitir tanto los eA!culos, como los diferentes e;es de carga. ) continuación se registra la información sobre la carga má7ima admisible para los eA!culos más comunes en el pa!s de acuerdo con esta resoluciónD en la :igura % se indica la carga má7ima para los e;es más frecuentes.
:igura %. :uente resolución %- del $%
(.2.1 EE ATRÓN Y DA'O UNITARIO /ada la gran cantidad de cargas que pueden circular por las !as, los métodos de dise8o de paimentos recurren a establecer un e;e patrón al cual se le asigna una carga determinada, la más tradicional es la de 6,$ toneladas para el e;e sencillo de llanta doble. Cuando un e;e pasa por un sector de la !a genera un da8o proporcional a la carga que trasmite al suelo. En el ensayo ial ))"2<, una de las inestigaciones iales más importantes que se Aan desarrollado Aasta el momento, al e;e patrón de 6,$ toneladas se le asignó un alor de da8o igual a la unidad.
(.2.2 )ACTOR DE E/UI*ALENCIA #n concepto desarrollado a partir de la información recolectada en el Ensayo (ial ))"2< fue el de factor de equialencia, que determina el correspondiente da8o proporcionado al paimento a partir de la relación que e7iste entre el peso que e;erce el e;e con una carga cualquiera y el e;e patrón. "e encontró en dicAo
ensayo que el da8o que Aacen los e;es en el paimento no es linealmente proporcional a la carga, sino que es e7ponencial, teniendo un comportamiento como el dado por la Ecuación --
En donde
) :actor de equialencia i Carga en el e;e Carga en el e;e patrón ! E7ponente En el caso particular no se tiene suficientes, y confiables, datos de representación del tránsito actual y proyectado, se puede recurrir al cuadro &o. , en la que se Aace una apro7imación ponderada de los alores para el e7ponencial >n?, dependiendo del tipo de e;e, para un !ndice de sericio final de $,0. Este alor es aplicable solo para los paimentos de concreto.
Cuadro &o. :uente =anual de dise8o de paimentos en concreto pag. 00
(.2., )ACTOR CAMIÓN )C /ado que los eA!culos comerciales 4camiones y buses5 tienen dos o más e;es, a la suma de los factores da8o de cada uno de sus e;es se le conoce como :actor Camión :c. El :actor camión se puede entender como el n3mero de aplicaciones de e;es sencillos cargados con 6-.6- & 46.$ toneladas5 que es necesario que circulen por un paimento para Aacer el mismo da8o que un camión con una carga cualquiera.
Como se tienen datos de transito calculados en campo pues las !as a paimentar se encuentran intransitable se partirá de los datos de transito y calculo de e;es equialentes se8alados en la pagina -$ del manual de dise8o de paimentos en concreto. (er cuadro &o. %
Cuadro &o. % :uente =anual de dise8o de paimentos en concreto pag. -$
9ara este caso espec!fico se tomo como referencia para el dise8o la categor!a +con -.0. e;es acumulados de 6.$ +on. "e considera un periodo de dise8o de $ a8os para todos los análisis estructurales, el cual ba;o premisas teóricas debe coincidir como m!nimo con la ida 3til del paimento, en el caso que e7ista una buena certidumbre en el análisis de las ariables de dise8o y su respectia proyección.
11.1.
DISE'O DE A*IMENTOS
Las ariables que interienen para el dise8o de paimentos r!gidos son tomadas en base a un conocimiento emp!rico, por lo que es importante conocer y entender las consideraciones que tienen que er con cada una de ellas. La fórmula que propone la gu!a ))"2+< F para el dise8o del espesor de la losa de paimento r!gido se muestra en la ecuación -.$
Las ariables que interienen en la ecuación -.$ se detallan a continuación
a5 Espesor de losa de paimento de concreto Aidráulico. 4/5 b5 &3mero de e;es equialentes del e;e patrón de -6, libras 4E")LGs5, representado por el tráfico 4H-65. c5 Coeficiente de confiabilidad 4R5, representado por la desiación normal estándar 4IR5 y por el error estándar combinado 4"5. d5 =ódulo de reacción de la subrasantesubbase 4J5. e5 9érdida de sericiabilidad 4K9"' 9 9t5. f5 9ropiedades del concreto =ódulo de ruptura 4=R5 y =ódulo de elasticidad 4E5. g5 Coeficiente de transferencia de carga 4M5. A5 Coeficiente de drena;e 4Cd5.
) continuación se describen de manera general las ariables inolucradas en el dise8o de espesores de losa de paimentos r!gidos
a) Espesor. (). Es la ariable que se pretende determinar al realizar un dise8o de una estructura de paimento, el espesor se refiere solamente a la capa de concreto Aidráulico que se coloca sobre la subbase yNo subrasante. 9ara nuestro caso se propuso un espesor de losa de $0. cm.
!) "r#fico. Los resultados de la ))"2< Road +est mostraron que el efecto da8ino del paso de un e;e de cualquier peso puede ser representado por un n3mero de repeticiones de carga, equialentes a 6.$ toneladas ó -6 Jips 4E")LGs5, aplicadas en el carril de dise8o durante el periodo de dise8o del paimento. Esta simplificación se realizó debido a que en la época en que se desarrolló la ))"2< Road +est, a principios de -F1, era mucAo más sencillo utilizar un solo n3mero para representar toda la carga por tráfico en las ecuaciones usadas para predecir la ida del paimento. 9ara nuestro caso se estimó el alor de -.0. e;es acumulados de 6.$ +on.
c) Coeficiente de confia!ilidad. (R) Es la probabilidad que la sericiabilidad o desempe8o de la !a se mantenga en nieles adecuados para las cargas del tráfico y condiciones ambientales, as! como también se mantenga en nieles adecuados desde el punto de ista del usuario durante todo el periodo de dise8o. Lo anterior no obstante a que los paimentos pueden sufrir da8os en su estructura debido a las cargas impuestas del tráfico y condiciones ambientales, por lo que deben llearse a cabo interenciones que permitan que la !a se comporte en un niel de operación óptimo. El cuadro -.$ se muestra los de alores de la confiabilidad seg3n el tipo de !a.
Cuadro No. - Ni$ d Co!3ia%i$idad a adoptar ! 3u!4i5! d $a 4arrtra
9ara el dise8o se tomó carretera local urbana con un niel de confianza del 6@.
La confiabilidad depende de diersas circunstancias que interienen en su selección, como lo es la incertidumbre del olumen del tráfico en los incrementos que pudiesen surgir en el periodo para el cual se dise8e una !a. La confiabilidad es la ariable en la cual se introduce un grado de certidumbre en el dise8o y un niel de seguridad o factor de seguridad 4:R5 para que el paimento resista las cargas del tráfico en el periodo de dise8o. El factor de seguridad 4:R5 depende del niel de confiabilidad 4R5 y del error estándar combinado 4"o5D tal como se puede obserar en la ecuación -..
Ecuación-.
El error estándar combinado 4"o5 depende de las condiciones locales y de los demás factores que afectan el comportamiento de un paimentoD entre dicAos factores podemos mencionar incertidumbre en el modelo, tránsito, medio ambiente, materiales de construcción, entre otros. "e debe emplear un alor del error estándar de . a .% para paimentos r!gidos, seg3n recomendaciones de la sección %. de la gu!a ))"2+< edición -FF. "e recomienda también alores de .0 para construcción nuea y .F para sobre capas. $e asumió un valor de 0.& para $o (construcción nueva). Con el valor confia!ilidad del '0% se contiene un valor de *0.'+,
d 6 -ódulo de reacción de la su!rasantesu!!ase. (/)
El módulo de reacción de la subrasantesubbase, es una constante elástica que define la rigidez del material o resistencia a la deformación. Es la relación entre carga por unidad de área de superficie Aorizontal del suelo con el asentamiento correspondiente de la superficieD este parámetro representa la capacidad portante que posee un suelo en estado natural o con la combinación de una subbase, siendo éste el que serirá para colocar la estructura de paimento. Lo anterior lo propuso Hestergard en -F$1 al suponer que la subrasantesubbase no admite esfuerzos de corte y la reacción de la subrasante sobre la losa es igual a la defle7ión de la subrasante multiplicada por una constante 4J5, la cual es el módulo de reacción de la subrasantesubbase. 9ara efectos de dise8o de paimentos r!gidos se determina el alor calculando la relación entre la carga, por unidad de área, que es necesario aplicar para generar una penetración, de ,-$O cm de la placa en el terreno. En la ecuación -.% se muestra como determina el alor de
Ecuación -.% En donde 9 carga unitaria gNcm$ correspondiente a la penetración indicada. Es com3n usar la prueba de CBR 4California Bearing Ratio5 o alor relatio de soporte, desarrollado por la /iisión de Carreteras de California para determinar la resistencia del suelos. La prueba del CBR es un ensayo normalizado 4&orma '&( E -%6O, ))"2+< +-F5, en el cual un ástago penetra, en el suelo compactado en un molde, con una presión y a una elocidad controladaD se establecen un con;unto de penetraciones prefi;adas y se determina la presión e;ercida correspondiente a cada una de ellasD el ástago tiene un área de -F,% cm$ y penetra la muestra a una elocidad de ,-$O cmNmin. El alor relatio de soporte 4CBR5 se e7presa en porcenta;e y se define como la relación entre la carga unitaria aplicada que produce cierta deformación en la muestra de suelo requerida, para producir igual deformación en una muestra patrón. /ada la dificultad de realizar el ensayo para determinar el módulo de reacción de la subrasante, y teniendo en cuenta que para el dise8o de los paimentos de concreto se admiten apro7imaciones en la determinación de la capacidad de
soporte del suelo, se puede recurrir a correlaciones entre el alor con el del CBR y la clasificación de suelos, siguiendo las indicaciones en el cuadro &o.1
Cuadro &o. 1 fuente 9
e) 1rdida de servicia!ilidad. (2$3 0 * t) La sericiabilidad se define como la capacidad del paimento de desempe8arse adecuadamente ante todo tipo de tráfico que circula en la !a, se mide en una escala del al 0, en donde 4cero5 significa paimento intransitable y 0 significa paimento en e7celentes condiciones. P))"2+<, -FF, p ''-Q. Este factor es una medida sub;etia de la calificación del paimentoD sin embargo, la tendencia es definirla usando parámetros como el !ndice de regularidad internacional 4'R'5. La sericiabilidad inicial 49o5 es la condición de un paimento inmediatamente después de la construcción de éste. La gu!a ))"2+< recomienda para paimentos r!gidos un 9o %.0, mediante el uso de adecuadas técnicas de
construcción. La sericiabilidad final 49t5 es la capacidad funcional que se espera tenga un paimento al final del periodo de dise8o. La ))"2+< sugiere que para carreteras principales se utilice un alor de 9t $.0 ó . y para carreteras de ba;o niel un alor de sericiabilidad final de $.. P))"2+<, -FF, p ''-Q. El cambio total en el !ndice de sericiabilidad 4K9"'5 iene dado por
9ara el dise8o se tomaron los alores de SER*ICIABILIDAD indice ser. inicial 4po5
%.0
indice ser. final 4pt5
$.0
36 ropidad" d$ 4o!4rto. 7M5du$o d $a"ti4idad # 85du$o d ruptura6 Las propiedades del concreto que influyen en el dise8o de una estructura de paimento se detallan a continuación El módulo de elasticidad del concreto 4Ec5, es la relación que e7iste entre el esfuerzo y la deformación unitaria a7ial al estar sometido el concreto a esfuerzos de compresión dentro del comportamiento elástico, es la pendiente de la l!nea definida por dos puntos de la cura del esfuerzodeformación, dentro de esta zona elástica. El alor del módulo de elasticidad del concreto de peso normal se puede obtener seg3n )"+= CF ó ))"2+< +$$, +-%D o en función del esfuerzo a compresión 4fc5 a una edad de $6 d!as, seg3n el )merican Concrete 'nstitute, 4)C'5.
El concreto Aidráulico que se utiliza en los paimentos se especifica por su resistencia a la fle7ión, medida por el =ódulo de Rotura a :le7ión, a los $6 d!as. (MR) expresada en kg/cm2 y generalmente varía entre los siguientes valores: 40 ≤ MR ≤ 0
En avimentos de Concreto 4idr#ulico se e5ige -R 7 +0 /g8cm9 o sea f:c 7 9'0 /g8cm9.
ara nuestro caso escogeremos un módulo de rotura de +& /g8cm9 g) Coeficiente de transferencia de carga. (;)
El coeficiente M representa la eficiencia de transferencia de carga que tiene una losa del paimento al transmitir fuerzas cortantes a las losas adyacentes, esto tiene por ob;eto minimizar las deformaciones y los esfuerzos en la estructura del paimento. La gu!a ))"2+< edición -FF e7plica este factor en su sección $.%.$. La transferencia de carga com3nmente se da por medio de barras de acero lisas incrustadas en las losas en las ;untas transersales, 4aunque puede Aaber otros tipos de mecanismos de transferencia de carga, como la transferencia a partir de la trabazón de agregados5, tal como lo muestra la figura 0.
:igura 0 esquema de transferencia de carga entre losas ecinas )daptado del 'nstituto del cemento portland argentino 'C9), presentación de dise8o de paimentos r!gidos. 'ng. /iego 2. Calo P$6 9.$0Q.
ara el diseño se adoptó un valor de .,
<) Coeficiente de drena=e. (Cd)
El coeficiente de drena;e fue incorporado en la gu!a ))"2+< para dise8o de paimentos r!gidos a ra!z de los efectos del drena;e en el desempe8o de la estructura de paimento, tales como el efecto de la Aumedad en la resistencia de la subrasante y en la erosionabilidad de la subbase.
Cuadro &o. O calidades de drena;e
Cuadro &o.O calidades de drena;e, combinación de ariables
ara el diseño se adoptó el valor de ,.
#na ez obtenidas las ariables de dise8o se procedió a realizar los respectios cálculos y cAequeos que a continuación se muestran
12.1.
UNTAS
Los efectos de retracción y de gradientes térmicos en las losas de concreto producen, ineitablemente 4e7cepto en el pretensado5, fisuramiento, que sólo podemos controlar o dirigir, precisamente, por medio de l!neas de roturas impuestas, llamadas >;untas?. "e distinguen % tipos de Muntas • • • •
/e /ilatación /e Construcción Longitudinal /e Retracción :le7ión /e Construcción +ransersal
> ;unta de ilatación /e $ a mm 4t!pico $0 mm5 "on ;untas transersales ó longitudinales 4paimentos de !a ancAa5 que permitirán el moimiento de las losas, a traés de un material compresible intermedio, si estas se dilatan por efecto de la temperatura, eitando los desplazamientos no deseables. B ;unta de Construcción ?ongitudinal Resultan del sistema constructio del paimento, mediante bandas de ancAo fi;o. C ;unta de Retracción * @le5ión /e a 1 mm de ancAo. "on ;untas transersales ó longitudinales constituidas por una ranura en la parte superior de las losas. La profundidad de la ranura debe estar comprendida entre -N y -N% del espesor de la losa. ;unta de Construcción "ransversal Resultan en las paradas prolongadas 4más de - Aora de traba;o5 de la puesta en obra, ó al fin de la ;ornada. Como son preisibles debe Aacerse coincidir con las de contracción. Las Muntas, son muy importantes en la duración de la estructura, siendo una de las pautas para calificar la bondad de un paimento. En consecuencia, la conseración y oportuna reparación de las fallas en las ;untas es decisia para la ida de sericio de un paimento. 9or su ancAo, por la función que cumplen y para lograr un rodamiento suae, deben ser rellenadas con materiales apropiados, utilizando técnicas constructias especificadas.
/imensiones de ;untas de retracción y ubicación de pasadores de carga
9.1 UNTAS DIMENSIONES M:NIMAS DE LOS ASADORES DE CAR;A 7a4ro tra!"r"a$6. A6 Barra d a4ro ! pa"a
+abla de diámetros y longitudes recomendados en pasa ;untas.
a"ador" "i la cimentación de la estructura del paimento no es estabilizada con cemento, el riesgo de la presencia del fenómeno del bombeo está dada, por lo queD se recomienda, siempre, el uso de pasadores de acero, con las siguientes caracter!sticas ?ongitud +& cm Espaciamiento 0 cm i#metro f 9.& cm (espesor de losa A 9& cm) isposición ,89 del espesor de la losa (a la mitad o e=e neutro) ara nuestro caso se toma el acero de refuero , D con longitud de +& cm espaciado cada 0 cm centro a centro de la !arra.
B6 Barra" d u!i5!. Las ;untas de retracciónfle7ión yNo de construcción son atraesadas por las cargas, se recomienda, en estos casos, que la ;unta quede cerrada 4coser la ;unta5 con barras de unión de acero, con las siguientes caracter!sticas ?ongitud 0.'& cm Espaciamiento ,.9 cm i#metro f ,.9 cm isposición ,89 del espesor de la losa (a la mitad)
#bicación , espaciamiento y longitudes de barras de unión
9lanta de ubicación de pasadores de cargas y barra de unión.
/e la tabla anterior se obtiene que para un ancAo de carriles de %. m y un espesor de losa de .$0 m, en las ;untas longitudinales, se emplearán barras corrugadas de -N$ pulgada de diámetro, con una longitud de .60 m, de fy 1 9"' y una separación entre barras de -.$ m má7imo.
*ri3i4a4i5! d$ :!di4 d E"%$t= /ebido a la presencia de ancAos de carriles de diferente magnitud, se busca determinar la longitud de la losa de concreto tratando de enmarcarse con la siguiente e7presión -, T Longitud de losa N )ncAo de losa T -.$0 /onde se tiene Relación de Esbeltez %, N %, -, T -,$0D por lo cual el ancAo geométrico y la longitud geométrica establecidas por las áreas dispuestas para la plataforma de parqueo corresponden a lo tolerado por el rango de Esbeltez.
