Diseño de Pavimento Con AASHTO y PCA, Base Estabilizada y Base Granular

DISEÑO DE PAVIMENTOS DE CONCRETO

DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS: METODO DE DISEÑO AASTHO 93 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO TIPO DE VÍA Carretera Primaria Multicarril, dos carriles por sentido (tramo de CA-1) 3.60 por carril, hombros de concreto de 2.0 metros, confinados. TIPO DE PAVIMENTO JPCP DATOS UTILIZADOS EN EL DISEÑO Tráfico y Cálculo de ESAL’s Período de diseño: 25 años (Dato proporcionado), el cual se encuentra en el rango de valores recomendados para pavimentos de concreto en Autopistas Regionales, según el capítulo 7 del “Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos ”. Tipo de Carretera Período de Diseño (Años) Autopistas Regionales 20 – 40 Troncales suburbanas 15 – 30 Troncales rurales Colectoras Suburbanas 10 – 20 Colectoras rurales Fuente: Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos Espesor estimado del pavimento: Para calcular los ESAL’S que se aplicarán a una estructura de Pavimento Rígido es

necesario asumir en primera instancia, el espesor de la losa que se necesita para las cargas que se van a imponer. Se consideró de 10 pulg. Dado que es una carretera multicarril, con un nivel considerable de tráfico. Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos

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Índice de Serviciabilidad Final (Pt): También se tendrá que elegir el valor del índice de Serviciabilidad final aceptable, de acuerdo con el “Manual Centroamericano para Diseño de Pavimento”, en el cual para

caminos muy importantes presenta un valor de 2.5 Pt = 2.5 (para caminos muy importantes) CÁLCULO DEL FACTOR CAMIÓN PARA CADA TIPO DE VEHICUL0 Utilizando un espesor de Losa asumido de 10 pulgadas y un Índice de Serviciabilidad final de 2.5, obtenemos los factores equivalentes de carga, de tablas encontradas en la Guía AASHTO para el diseño de estructuras de pavimento 1993.

Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos

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Índice de Serviciabilidad Final (Pt): También se tendrá que elegir el valor del índice de Serviciabilidad final aceptable, de acuerdo con el “Manual Centroamericano para Diseño de Pavimento”, en el cual para

caminos muy importantes presenta un valor de 2.5 Pt = 2.5 (para caminos muy importantes) CÁLCULO DEL FACTOR CAMIÓN PARA CADA TIPO DE VEHICUL0 Utilizando un espesor de Losa asumido de 10 pulgadas y un Índice de Serviciabilidad final de 2.5, obtenemos los factores equivalentes de carga, de tablas encontradas en la Guía AASHTO para el diseño de estructuras de pavimento 1993.


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Tasa de crecimiento anual: De la tabla 3-20 del Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos se obtiene que para una tasa de crecimiento anual g = 2% (valor proporcionado) y un período de diseño T = 25 años (Valor proporcionado), el factor f actor de crecimiento de tránsito es de 32.03. Factor de distribución por dirección: El pavimento consta de cuatro carriles, dos en cada dirección por lo que se utiliza un factor de dirección del 45 %. Número de carriles en ambas direcciones

LD

2 50 4 45 6 o más 40 Fuente: Guía para el diseño de estructuras e structuras de pavimento, AASHTO 1993


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Factor de distribución por carril: Ya que se poseen dos carriles por sentido, se ha tomado un valor de 0.9, que es el valor medio del rango propuesto por AASHTO 1993. Número de carriles en una sola dirección

LC

1 1.00 2 0.80 – 1.00 3 0.60 – 0.80 4 0.50 – 0.75 Fuente: Guía para el diseño de estructuras de pavimento, AASHTO 1993. CÁLCULO DEL ESAL’S DE DISEÑO

Tipo de Vehículo Automóvil Pick Up Microbus Liviano Microbus Mediano Autobus Camión C2 C3 C4 T2S1 T2S2 T3S1 Total de Vehículos

Cantidad de vehículos al año 6239 4257 1474 355 524 1165 106 43 25 2 3

ESAL's Factor de Crecimiento 32.03 32.03 32.03 32.03 32.03 32.03 32.03 32.03 32.03 32.03 32.03

Tránsito de diseño 72939837 49768374 17232460 4150287 6126058 13619957 1239241 502711 292274 23382 35073

14193

Factor de Dirección Factor de Carril ESAL's por carril de tránsito

ESAL's de diseño 0.00076 55434 0.01698 845067 0.01797 309667 LEF

0.9718 3.5944 2.508 2.704 1.898 3.172 3.918 3.918

ESAL's de diseño

4033249 22019502 34158852 3350907 954145 927092 91610 137415

66827507

0.45 0.90 27,065,140


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Diseño del pavimento: Confiabilidad (R): Se considera para el diseño un valor de 90 tomado de la tabla siguiente para Autopistas regionales, el cual se encuentra en el rango propuesto. Niveles de confiabilidad R Suburbanas Rurales Autopista Regional 85 – 99.9 80 – 99.9 Troncales 80 - 99 75 – 95 Colectoras 80 - 95 50 – 80 Fuente: Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos Tipo de Carretera

Desviación estándar (So): Para pavimentos de concreto hidráulico se recomienda un valor entre 0.3 y 0.4, para pavimentos nuevos se recomienda usar un valor 0.35, tomando un valor medio de estas recomendaciones se utiliza para este diseño el valor de la desviación estándar de 0.35. Módulo de Ruptura del Concreto (MR): Dada las condiciones de tráfico para esta carretera, se considera el módulo de ruptura de 45 Kg/cm 2 a los 28 días (640 PSI). Módulo de Elasticidad del concreto (Ec): Para un módulo de ruptura del concreto de 45 Kg/cm2 a los 28 días (640 PSI) y utilizando la siguiente tabla de correlación entre MR y Ec, encontramos que Ec es de 4, 320,000 PSI. Módulo de Elasticidad (PSI) Módulo de Ruptura (PSI) 3,400,000 500 3,700,000 550 4,100,000 600 4,400,000 650 4,700,000 700 5,100,000 750 5,400,000 800 Fuente: Guía para el diseño de estructuras de pavimento, AASHTO 1993. Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos

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Coeficiente de Transmisión de Carga (J): Para pavimento de concreto hidráulico en el que la transferencia se de carga se genere por el uso de dovelas, con hombros (soporte lateral), y los ESAL’s están entre 10 y 30 millón adoptamos una valor para “J” de 2.7, como

lo podemos ver en la tabla siguiente: Con dovela y

Fricción entre

Con refuerzo

Soporte lateral

Soporte lateral

Soporte lateral

No

Si

No

Si

No

Si

Hasta 0.3

3.2

2.7

3.2

2.8

-----

-----

0.3 a 1

3.2

2.7

3.4

3.0

-----

-----

1a3

3.2

2.7

3.6

3.1

-----

-----

3 a 10

3.2

2.7

3.8

3.2

2.9

2.5

10 a 30

3.2

2.7

4.1

3.4

3.0

2.6

Más de

3.2

2.7

4.3

3.6

3.1

2.6

ESAL´s (Millones)

Tipo de pavimento Calles y caminos vecinales Caminos principales y autopistas

Fuente: Guía para Diseño de Estructuras de Pavimento, AASHTO 1993 Coeficiente de drenaje (Cd): Este valor se obtiene a partir del tipo de suelo que existe en este tramo de carretera; por lo cual, supondremos que la calidad del drenaje es Excelente. Calidad del drenaje Tiempo en que tarda el agua en ser evacuada Excelente 2 horas Bueno 1 día Mediano 1 semana Malo 1 mes Muy malo El agua no evacua Fuente: Guía para Diseño de estructuras de Pavimento, AASHTO 1993 Para definir el porcentaje de tiempo en que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad próximos a la saturación, tomamos como un promedio de 15 días consecutivos durante la época lluviosa en el que la estructura estará en saturación, Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos

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representando esto el 4.11% del total de días al año, ubicándonos en la columna 2 de la tabla siguiente “Valores de coeficiente de drenaje” para valores de Cd con humedades cercanas a la saturación del 1% al 5% y definido anteriormente la calidad del drenaje como excelente se considera un valor de coeficiente de drenaje de 1.15. % de tiempo en que la estructura del pavimento está expuesta a Calidad del drenaje

niveles de humedad próximos a la saturación Menos del 1%

1% - 5%

5% - 25%

Mas del 25%

Excelente 1.25 – 1.20 1.20 – 1.15 1.15 – 1.10 1.10 Bueno 1.20 – 1.15 1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00 Mediano 1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90 0.90 Malo 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90 0.90 – 0.80 0.80 Muy malo 1.00 – 0.90 0.90 – 0.80 0.80 – 0.70 0.70 Fuente: Guía para Diseño de estructuras de Pavimento, AASHTO 1993

Variación del Índice de Serviciabilidad ( ΔPSI): Pt = 2.5 (para carreteras muy importantes) ; Po = 4.5 (Para pavimentos de concreto) ΔPSI =Po – Pt = 4.5 – 2.5 = 2.0

Módulo de reacción K de la sub rasante: Se determina a partir de los valores de módulo resiliente de la sub rasante y del módulo resiliente de la sub base y el espesor de la misma. -

Módulo resiliente de la Sub rasante: Se calcula como una correlación del CBR de diseño. El cual se ha seleccionado del rango entre 200 a 450 psi, ya que en los datos proporcionados en la tarea el valor de k = 200 psi, por lo que se elige un valor de CBR = 20%


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Fuente: Guía para Diseño de estructuras de Pavimento, AASHTO 1993 La Guía de Diseño AASHTO (1993), permite calcular El Modulo de Resilencia de la sub-rasante a partir del CBR de Diseño obtenido en la Campaña Geotécnica. Para este proyecto se ha calculado bajo la siguiente correlación:      



         

UTILIZANDO UNA BASE GRANULAR -

Espesor de la sub base: Se propone para la construcción de este pavimento un espesor de 6 pulg. de sub base granular.

-

Módulo resiliente de la sub base: corresponde a una base granular por lo que se establece un valor de 30,000 PSI, el cual se encuentra en el rango de 15, 000 a 45, 000 PSI.


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Fuente: Programa WinPas, Diseño de Pavimentos Rígidos. Otra manera de comprobar que este valor se encuentre dentro del rango, es a través de la ecuación de módulo de resilencia:

     



              


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NOMOGRAMA PARA DETERMINAR EL MÓDULO DE REACCIÓN COMPUESTO DE LA SUBRASANTE Con el espesor asumido de la subbase = 6 pulgadas; el módulo resilente de la subrasante = 17, 380 PSI y el módulo de Elasticidad de la subbase = 30,000 PSI. Se obtiene un Módulo de reacción compuesto de la subrasante (k) = 900 PCI.

FUENTE: GUIA PARA DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS, AASHTO, 1993.


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NOMOGRAMA PARA CORREGIR EL MÓDULO DE REACCIÓN EFECTIVO POR PÉRDIDA POTENCIAL DE SOPORTE EN LA BASE: -

Pérdida de soporte (Ls): Para una sub base granular se considera la utilización de un valor de 1 .00 según la tabla que se presenta a continuación “Valores del factor de pérdida de soporte Ls, por el tipo de sub base”.

Tipo de Sub base o Base Subbases granular tratada con cemento (Mr de 7,000 a 14,000 MPa) Subbases tratadas con cemento (Mr de 3,500 a 7,000 MPa) Bases asfálticas (Mr de 2,500 a 7,000 MPa) Subbases estabilizadas con asfalto (Mr de 300 a 2,000 MPa) Estabilización con cal (Mr de 150 a 1,000 MPa) Materiales granulares sin tratar (Mr de 100 a 300 MPa) Suelos Finos y sub rasantes naturales (Mr de 20 a 300 MPa)

Factor de pérdida de soporte 0.00 a 1.00

0.00 a 1.00

0.00 a 1.00

0.00 a 1.00

1.00 a 3.00

1.00 a 3.00

2.00 a 3.00

Fuente: Guía para Diseño de Estructuras de Pavimento, AASHTO 1993

-


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Utilizando los valores anteriores el valor del módulo de reacción K de la sub rasante nos da de 260.0 PCI. UTILIZANDO UNA BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO AL 4 % -

Espesor de la sub base: Se propone para la construcción de este pavimento un espesor de 6 pulg. de sub base estabilizada con cemento.


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-

Módulo resiliente de la sub base: corresponde a una base estabilizada con cemento por lo que se establece un valor de 700,000 PSI, el cual se encuentra en el rango de 500, 000 a 1, 000, 000 PSI.

-

Fuente: Programa WinPas, Diseño de Pavimentos Rígidos.

NOMOGRAMA PARA DETERMINAR EL MÓDULO DE REACCIÓN COMPUESTO DE LA SUBRASANTE


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Con el espesor asumido de la subbase = 6 pulgadas; el módulo resilente de la subrasante = 17, 380 PSI y el módulo de Elasticidad de la subbase = 700,000 PSI. Se obtiene un Módulo de reacción compuesto de la subrasante (k) = 1500 PCI. NOMOGRAMA PARA CORREGIR EL MÓDULO DE REACCIÓN EFECTIVO POR PÉRDIDA POTENCIAL DE SOPORTE EN LA BASE: -

Pérdida de soporte (Ls): Para una sub base estabilizada con cemento, se considera la utilización de un valor de 1.00 según la tabla que se presenta a continuación “Valores del factor de pérdida de soporte Ls, por el tipo de sub base”.

Tipo de Sub base o Base Subbases granular tratada con cemento (Mr de 7,000 a 14,000 MPa) Subbases tratadas con cemento (Mr de 3,500 a 7,000 MPa) Bases asfálticas (Mr de 2,500 a 7,000 MPa) Subbases estabilizadas con asfalto (Mr de 300 a 2,000 MPa) Estabilización con cal (Mr de 150 a 1,000 MPa) Materiales granulares sin tratar (Mr de 100 a 300 MPa) Suelos Finos y sub rasantes naturales (Mr de 20 a 300 MPa)

Factor de pérdida de soporte 0.00 a 1.00

0.00 a 1.00

0.00 a 1.00

0.00 a 1.00

1.00 a 3.00

1.00 a 3.00

2.00 a 3.00

Fuente: Guía para Diseño de Estructuras de Pavimento, AASHTO 1993 Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos

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Utilizando los valores anteriores el valor del módulo de reacción K de la sub rasante nos da de 375.0 PCI.


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NOMOGRAMA AASHTO: DISEÑO DE PAVIMENTO DE CONCRETO CON BASE GRANULAR.


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DATOS: K = 260 PCI

Cd = 1.15

J = 2.7

EC = 4, 320, 000 PSI

∆PSI = 2.0

R = 90

MR = 640 PSI

SO = 0.35

ESAL’S = 27 Millones.

Espesor de la LOSA DE CONCRETO = 10 pulgadas y una BASE GRANULAR = 15 cm Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos

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NOMOGRAMA AASHTO: DISEÑO DE PAVIMENTO DE CONCRETO CON BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO AL 4%.


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DATOS: K = 375 PCI

Cd = 1.15

J = 2.7

EC = 4, 320, 000 PSI

∆PSI = 2.0

R = 90

MR = 640 PSI

SO = 0.35

ESAL’S = 27 Millones.

Espesor de la LOSA DE CONCRETO = 9.5 pulgadas o 10.0 pulgadas y una BASE ESTABILIZADA CON CEMENTO AL 4% = 15 cm Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos

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DISEÑO DE PAVIMENTO CON LA METODOLOGÍA PCA UTILIZANDO SUBBASE GRANULAR 1. Consideraciones para el diseño 1.1 Módulo de Ruptura del concreto: MR = 45 Kg/cm 2 1.2 Módulo de Reacción compuesto:

El módulo de reacción de la subrasante es de 200 PCI y proponiendo una base granular de 15 cm de espesor, el valor compuesto del suelo en el que estará la losa de concreto se incrementa a un valor de 225 PCI igual a 61 MPa/m según la siguiente tabla:

1.3 Período de diseño: 25 años (Valor solicitado) 1.4 Tránsito: 1.4.1 Tasa de crecimiento anual: 2% 1.4.2 Factor de proyección: 1.275, el cual se saca de la tabla siguiente


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1.5 Factor de seguridad de carga:

1.6 Esfuerzo equivalente Eje sencillo: Utilizando una espesor de losa de 210 mm y un K del conjunto subrasante/subbase de 61 MPa/m, obtenemos de la siguiente tabla un esfuerzo equivalente de 1.28.


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Eje tándem: Utilizando una espesor de losa de 210 mm y un K del conjunto subrasante/subbase de 61 MPa/m, obtenemos de la siguiente tabla un esfuerzo equivalente de 1.09.


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1.7 Relación de Esfuerzos: Es la relación que existe entre el esfuerzo equivalente y el módulo de ruptura, quedando valores de 0.28 y 0.24 para ejes sencillos y ejes tándem respectivamente.


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1.8 Factor de Erosión Ejes sencillos: Utilizando un espesor de losa de 210 mm y un K del conjunto subrasante/subbase de 61 MPa/m, obtenemos de la siguiente tabla un factor de e r o s i ó n

d e

2 . 3 1 .


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Ejes tándem: Utilizando un espesor de losa de 210 mm y un K del conjunto subrasante/subbase de 61 MPa/m, obtenemos de la siguiente tabla un factor de erosión de 2.40.


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1.9 Cargas por Eje

Los automóviles, pickup y microbús liviano no se consideran para el diseño por este método ya que las cargas que transmiten al pavimento son bastante bajas y prácticamente no generan daño alguno.

Microbús mediano: No se toma en cuenta el eje direccional por su bajo peso, solo se considera el eje trasero que tiene un peso de 8 Ton equivalente a 79 KN, siendo este un eje simple.

Autobús: Solamente se considera el eje trasero con una carga de 10.80 Ton equivalente a 106 KN, eje simple.

C2: Eje trasero con peso de 10 Ton equivalente a 99 KN, eje simple.

C3: Eje trasero con peso de 16.50 Ton equivalente a 162 KN, eje tándem.

C4: Eje trasero con peso de 20 Ton equivalente a 196.2 KN, eje Tridem. Ya que el nomograma no trae para ejes Tridem esta carga se divide entre tres y se utiliza la escala de un eje simple. Para este caso la carga nos da 20/3 = 6.667 Ton, lo que hace que en el nomograma la repeticiones de cargas admisibles sean ilimitadas, es por eso que no aparecerá en la tabla del diseño.

T2S1: El eje direccional no se toma en cuenta por tener bajo peso, solamente se utilizan los ejes simple trasero del cabezal y el eje simple del remolque con la misma carga 9 Ton equivalente a 89 KN.


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T2S2: El eje direccional no se toma en cuenta por tener bajo peso, solamente se utilizan los ejes simple trasero del cabezal con peso de 9 Ton equivalente a 89 KN y el eje tándem del remolque con un peso de 16 Ton equivalente a 157 KN.

T3S1: El eje direccional no se toma en cuenta por tener bajo peso, solamente se utilizan los ejes tándem trasero del cabezal con peso de 16 Ton equivalente a 157 KN y el eje simple del remolque con un peso de 9 Ton equivalente a 89 KN.

1.10

Repeticiones esperadas

Se calcula para cada tipo de eje según los pesos que se mostraron en el numeral anterior.

Peso de Eje

Tipo de Eje

Cantidad de repeticiones diarias en ambas direcciones

79

Sencillo

355

89

Sencillo

55

99 106

Sencillo Sencillo

1165 524

157

Tándem

5

162

Tándem

106


Eje de Vehículos considerados Eje trasero Microbús mediano Dos ejes del T2S1 (trasero del cabezal y del remolque) y un eje del T2S2 (trasero del cabezal) y un eje del T3S1 (del remolque). Eje Trasero del C2 Eje trasero del Autobús Eje del remolque del T2S2 y eje trasero del cabezal T3S1 Eje trasero del C3

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Afectando este valor por los siguientes factores: -

Factor de dirección: Para carreteras de 4 carriles es de 0.45.

-

Factor carril: Para dos carriles en una dirección y un TPDA por sentido de 6387 es de 0.84

-

Factor de crecimiento anual: Para una tasa de crecimiento del 2% es de 1.2812.

 

-

       

 

Período de diseño: La cantidad en años es multiplicada por la cantidad de días al año, es decir: 25 años multiplicado por 365 días.

Por lo tanto cada valor de repetición esperado para cada tipo de eje será multiplicado por: 0.45x 0.84 x 1.2812 x 25 x 365, quedando los resultados de la siguiente manera: Cantidad de repeticiones Peso de Eje

Tipo de Eje

esperadas en el carril de diseño al final de la vida útil.

79

Sencillo

1568809

89

Sencillo

243055

99

Sencillo

5148344

106

Sencillo

2315650

157

Tándem

22096

162

Tándem

468433


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1.11

Repeticiones admisibles

Fueron encontradas a partir del nomograma y colocadas en la tabla que a continuación se presenta:

CÁLCULO DE ESPESOR DE PAVIMENTO

Proyecto:

Diseño de pavimento, Diplomado en Ingeniería de Pavimentos Rígidos

Espesor de tanteo: Módulo de reacción compuesto: Módulo de Ruptura: Factor de seguridad, Fsc

Carga por Eje KN

Juntas con dovela Berma de Concreto Período de diseño

Análisis por fatiga Análisis por erosión Carga por Repeticiones Fsc Repeticiones Porcentaje Repeticiones Porcentaje esperadas KN admisibles de fatiga admisibles de daño Esfuerzo equivalente Relación de esfuerzos

Eje Sencillos 106 99 89 79

127.2 118.8 106.8 94.8

2315650 5148344 243055 1568809

194.4 188.4

468433 22096

1.28 0.28

Ilimitado Ilimitado Ilimitado Ilimitado

Esfuerzo equivalente Relación de esfuerzos

Ejes Tándem 162 157

210 mm 61 MPa/m 4.5 MPa 1.2

SI _X_NO__ SI_X_NO__ 25 años

Ilimitado Ilimitado Total


Factor de erosión

5000000 18000000 Ilimitado Ilimitado 1.09 0.24

2.31

46.31 28.60

Factor de erosión

2.4

Ilimitado Ilimitado 0

74.91

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Se realizaron varias iteraciones para llegar al espesor de losa de concreto de 210 mm, el cual es el valor que se considera para este diseño el que me genera un porcentaje de daño más cercano a 100% e inferior a este. Por lo tanto para las condiciones de la carretera y proponiendo una base granular de 15 cm de espesor se debe construir una losa de concreto de 210 mm para soportar las cargas y ser funcional en las condiciones existentes.

DISEÑO DE PAVIMENTO CON LA METODOLOGÍA PCA UTILIZANDO SUBBASE CEMENTADA

Se realiza de la misma manera que lo mostrado en el diseño anterior, las variaciones están el valor del módulo de reacción compuesto que nos da de 640 PCI equivalente a 174 MPa/m utilizando la subbase cementada al 4% de un espesor de 15 cm. Este valor también modifica los valores de esfuerzos equivalentes y por consiguiente la relación de esfuerzos así como el valor del factor de erosión, pero estos se calculan de la misma manera mostrada en el diseño anterior, obteniendo como resultados lo que se muestra en la siguiente tabla:


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Diseño de Pavimento Con AASHTO y PCA, Base Estabilizada y Base Granular

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