Diseño de pavimentos por AASHTO.pdf

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8.10 MÉTODO DE LA GUíA DE DISEÑO DE AASHTO. Para la definición de los espesores de intervención por medio del método de la Guía de AASHTO se debe, en primera instancia, definir ciertas variables de entrada, que se presentan a continuación. 8.10.1 Desviación Estándar Normal ZR De acuerdo con la Tabla 2.2 del AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES 1993 se adopta un nivel de confiabilidad del 90%, obteniendo mediante la Tabla 4.1 del mismo manual una desviación estándar normal (ZR) de 1.282 como se indica a continuación: Tabla 8-8

Niveles de Confiabilidad Sugeridos de Acuerdo con la Clasificación Funcional del Camino

Clasificación funcional

Nivel de Confiabilidad, R, recomendado Urbana

Rural

Interestatales y vías rápidas

85-99.9

80-99.9

Arterias principales

80-99

75-95

Colectoras

80-95

75-95

Locales

50-80

50-80

Fuente: (Tabla 2.2 AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES

Tabla 8-9

1993)

Determinación de la Desviación Estándar Normal ZR a partir de la Confiabilidad

Confiabilidad, R, en porcentaje 50 60 70 75 80 85

90 91 92 93 94 CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 1204091nlo Final Resumen-V2.doc

Desviación estándar normal, ZR

o

-0.253 -0.524 -0.674 -0.841 -1.037 -1.282 -1.34 -1.405 -1.4 76 -1.555 INFORME FINAL RESUMEN Volumen 1 Versión 2 - ABRIL DE 2011

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96

Confiabilidad, R, en porcentaje

Desviación estándar normal, ZR

95 96 97 98 99 99.9 99.99

-1.645 -1.751 -1.881 -2.054 -2.327 -3.09 -3.75

Fuente: (Tabla 4.1 AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES

1993)

8.10.2 Desviación normal del error estándar combinado en la estimación de los parámetros de diseño y el comportamiento del pavimento (SO) Para pavimentos flexibles dicho parámetro oscila entre 0.40 y 0.50, en este caso particular se empleará 0.45 para efectos de la obtención del valor del SN requerido, lo anterior al considerar la intervención por realizar en un alcance de rehabilitación de la estructura. 8.10.3 Diferencia entre el nivel de servicialidad servicialidad terminal de diseño (PT) apsl

inicial (PO) y el índice de

Teniendo en cuenta el cuadro de Serviciabilidad de la vía en función de su calificación se toma un índice inicial igual a 4.0 y uno final de 2.0. Tabla 8-10

índice de Serviciabilidaden Funciónde la Calidad de la Vía Indice de Calificación Serviciabilidad (p) O - 1. Muy mala 1 - 2. Mala 2 - 3. Regular 3 - 4. Buena 4 - 5. Muy buena Fuente: (AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES

1993)

8.10.4 Determinación de coeficientes de drenaje (mi) La determinación de los coeficientes mi se realiza empleando la tabla 2.4 del AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES 1993, teniendo en cuenta un porcentaje del tiempo en que la estructura estará expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación entre el 5 y el 25 %, para el caso que nos CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 120409 Info Final Resumen-V2.doc

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compete se considerará un valor de mi para las capas granulares de 0.9 y para las capas estabilizadas de 1.0. Undice Tabla 8-11

Coeficientes de drenaje mi recomendados

Calidad del drenaje

Porcentaje de tiempo en que la nueva estructura de pavimentos está expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación Más del Menos 5 - 25% 1 - 5% 25% de 1%

Excelente

1.40-1.35

1.35-1.30

1.30-1.20

1.2

Buena

1.35-1.25

1.25-1.15

1.15-1.00

1

Regular

1.25-1.15

1.15-1.05

1.00-0.80

0.8

Pobre

1.15-1.05

1.05-0.80

0.80-0.60

0.6

Deficiente

1.05-0.95

0.95-0.75

0.75-0.40

0.4

Fuente:

8.10.5 Determinación

(Tabla 2.4 AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES

1993)

de parámetros adicionales de intervención

1. Para la capa de mezcla asfáltica se emplea el coeficiente estructural que se obtiene de la siguiente expresión3: a1 = 0.7304 -0.1271 Ln (T ºC aire) Se tiene entonces para una temperatura de 15ºC un coeficiente de aporte estructural a1 = 0.39 Y un módulo de 2700 MPa. 2. Para la determinación del módulo resiliente de la subrasante, se empleó la expresión: MR (PSI)

=

1500*CBR

3. Para la capa de base se procede de manera similar en la determinación del coeficiente estructural, estableciendo en este caso una base del tipo BG-A con un valor de capacidad portante CBR de 100% mínimo para el 100% de

3 AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES, Numeral 2.3.5, Página 11-17 CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 120409 Info Final Resumen-V2.doc


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compactación del Proctor Modificado, cuestión que deberá garantizarse en la obra. Luego de realizado el proceso se obtiene para a2 un valor de 0.14 y el módulo de 30500 Ib/in2 (215 MPa). 4. En cuanto a la capacidad mecánica de la capa de subbase, manifestada en su coeficiente estructural, éste se determina a partir de un valor mínimo de CBR, de acuerdo con las especificaciones del Instituto, el material a utilizar deberá ser una SBG-A para tránsito T5 el valor del CBR deberá ser del orden de 60% para el mismo nivel de compactación, cuestión que deberá garantizarse en la obra mediante el procedimiento y frecuencia que se defina. Los valores del coeficiente a3 Y del módulo se obtienen de la gráfica 2.7 de la página 11-21de la AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES 1993. Luego de realizado lo antes descrito se obtiene para a3 un valor de 0.12 y el módulo de 18000 Ib/in2 (126 MPa) para un CBR de 60%. 5. Para la mezcla estabilizada con asfalto en caliente, se cuenta con una caracterización completa y apropiada, incluyendo la ejecución de módulos dinámicos para los cuales se obtiene un valor superior de 1400 MPa para 20ºC y 5 Hz, con base en éste valor se define un coeficiente estructural para esta capa de 0.30. Con los datos anteriores y con base en el procedimiento de cálculo de la metodología se realiza, con base en lo descrito en la Figura 3.2 del numeral 3.1.5 de la Guía de diseño AASHTO de la página 11-36,la definición de los espesores de diseño para los segmentos que hacen parte del corredor en estudio.

En la formulación anterior el parámetro no conocido es SN el cual se determina mediante un proceso iterativo. Una vez conocido el valor de SN, se procede a determinar el espesor de las capas que conforman la estructura de pavimento a partir de la ecuación:

Para cada corredor que hace parte de este concepto se presentaran dos alternativas estas son las consideradas a continuación. CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 120409 Info Final Resumen-V2.doc


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•

Alternativa en Materiales Granulares: Contempla la colocación de una capa de mezcla asfáltica apoyada sobre capas de granulares de Subbase y Base.

•

Alternativa en Materiales Estabilizados: Contempla el emplazamiento de la capa de mezcla asfáltica de rodadura sobre una capa de mezcla estabilizada con asfalto en caliente y éstas a su vez sobre materiales granulares.

Para las dos alternativas anteriores se recomienda utilizar un mejoramiento de 0.40 m de espesor, conformado por 0.30 m de rajón y 0.10 m de sello. 8.10.6 Alternativa en materiales granulares - periodo de diseño 10 años Tabla 8-12

Verificación de los valores de SN Parciales

SN 1

2.935

SN 2

3.548

SN 3

5.132

3.12

SN* i

3.561

Con la finalidad de ajustar los espesores de diseño a valores que sean viables desde el punto de vista constructivo se define una estructura en términos de capacidad estructural equivalente que cumple con los requerimientos técnicos y de SN.

Tabla 8-13

Espesores de Diseño de la Estructura de Pavimento - AASHTO 1993 Vía

CA

BG A

SBG A

Mejoramiento Rajón + Sello

SN

Gonzalo Ariza

16

25

35

40

5.18

CA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico - BG_A: Espesor en cm de Base Granular SBG_A: Espesor en cm de de subbase granular.

8.10.7 Alternativa en materiales granulares - periodo de diseño 20 años Tabla 8-14

Verificación de los valores de SN Parciales

SN 1 SN 2 SN 3

3.233 3.897 5.578

SN* i

3.315 3.945

Con la finalidad de ajustar los espesores de diseño a valores que sean viables desde el punto de vista constructivo se define una estructura en términos de capacidad estructural equivalente que cumple con los requerimientos técnicos y de SN. CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 1204091nfo Final Resumen-V2.doc



Tabla 8-15

·riS'¡miTO

~~--"'~ g¡; :"$""'" . ""-

100

Espesores de Diseño de la Estructura de Pavimento - AASHTO 1993

Vía

CA

BG_A

SBG A


SN

Gonzalo Ariza

18

28

35

40

5.64

CA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico - BG_A: Espesor en cm de Base Granular SBG_A: Espesor en cm de sub-base granular.

8.10.8 Alternativa años

en materiales

Tabla 8-16

estabilizados

con asfalto,

periodo

diseño

10

Verificación de los Valores de SN Parciales

SN 1

1.415

SN 2 SN 3

3.548 5.132

1.560

SN* i

3.585

Con la finalidad de ajustar los espesores de diseño a valores que sean viables desde el punto de vista constructivo se define una estructura en términos de capacidad estructural equivalente que cumple con los requerimientos técnicos y de SN. Tabla 8-17


Vía

CA

BMA

SBG A


SN

Gonzalo Ariza

13

20

25

40

5.18

CA: Espesor en cm capa Concreto Asfáltico-BMA,

Espesor en cm capa Estabilizada con Asfalto SBG_A, Espesor en cm capa sub-base granular.

8.10.9 Alternativa en materiales estabilizados con asfalto, periodo años Tabla 8-18 Verificación de los Valores de SN Parciales

SN 1

1.583

SN 2

3.897

SN 3

5.577

SN* i

diseño

20

1.755 3.915

Con la finalidad de ajustar los espesores de diseño a valores que sean viables desde el punto de vista constructivo se define una estructura en términos de capacidad estructural equivalente que cumple con los requerimientos técnicos y de SN.

CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 120409 Info Final Resumen-V2.doc


101


Tabla 8-19


Vía

CA

BMA

SBG A


SN

Gonzalo Ariza

16

20

25

40

5.64

CA: Espesor en cm capa de Concreto Asfáltico-BMA: Espesor en cm capa Estabilizada con Asfalto SBG_A: Espesor en cm capa sub-base granular.

8.11 DISEÑO POR EL MÉTODO MECANICISTA - ANÁLISIS DE ESFUERZOS Y DEFORMACIONES. Partiendo de los espesores obtenidos por la metodología AASHTO, se procede a la obtención de los espesores por medio del método Mecanicista. En esta fase se tienen en cuenta las siguientes ecuaciones. Para la deformación admisible a tracción en la fibra asfáltica inferior existente, se considera la ecuación de Shell, para deflexión admisible Ivanov, en Deformación admisible a compresión en la fibra superior de la subrasante, Shell y para el esfuerzo admisible a compresión en la fibra superior de la subrasante Kerhoven y Dormon:

• •

Shell Ivanov Shell Kerhoven y Dormon

•

•

Et =(0.856Vb + 1.08)E-036 (N/Kro.20 wT =5.248*N-o.12 EZ= 0.0213*N-o.25 az = 0.007MR / (1+0.7Log(N)) en kg/cm2

Dónde: Et: Deformación admisible por tracción en la fibra inferior de la mezcla asfáltica. wT: Deflexión máxima admisible. EZ: Deformación admisible por compresión en la fibra superior de la capa de subrasante. az: Esfuerzo admisible a compresión en la capa de subrasante.

En el caso de la alternativa que contempla el uso de una base estabilizada con emulsión asfáltica la revisión de la deformación admisible por tracción en la fibra inferior de la mezcla asfáltica, se realizara en la fibra inferior de la base estabilizada, debido a que sobre esta es donde se presenta la situación más crítica. Para el cálculo de la resistencia a la fatiga de los materiales asfálticos, el valor de la deformación a tracción en la fibra inferior de la capa debe ser afectado por el factor de Calage (K), mínimo de 10, éste se considera con la finalidad de tener en cuenta las siguientes premisas de diseño: •

En el campo existe un periodo de reposo aleatorio entre aplicaciones sucesivas de carga que le permite al material asfáltico recuperarse.




102

•

Después del paso de cada carga pueden permanecer esfuerzos residuales en la capa asfáltica de rodadura causados por la rueda en movimiento. Estos esfuerzos se relajan con el tiempo y después de cierto lapso, quedan esfuerzos remanentes muy pequeños.

•

Otra consideración es la variación lateral del tránsito. Las huellas de las ruedas difieren de un vehículo a otro.

•

Las mezclas asfálticas tienen la capacidad de autoreparación del bitumen. Tabla 8-20

Coeficientes de Calage

Autoreparacion de Pequeñas Fisuras Diferentes Estados de Tensión

K1

Distribución Lateral de las Cargas

K2

Diferentes Temperaturas de Trabajo de la Mezcla a lo Largo del Día y del Año

K3

Mezclas Abiertas % Bajo de Asfalto 2

Mezclas Densas Ricas en Asfalto 10

Cualquiera 2.5 Espesores Pequeños Temperaturas Bajas 1

Espesores Altos Temperaturas Altas 0.33

Para la ecuación de Kerhoven y Dorman el valor de MR será el correspondiente a la relación MR = 100 CBR, donde MR está en kg/cm2 y el CBR en unidades porcentuales. Para los materiales granulares se utilizará el valor del módulo resiliente definido en el procedimiento de AASHTO. El valor del Número de Ejes Simples Equivalente corresponderá a un periodo de diseño de 10 años y 20 años. Los valores de los esfuerzos y deformaciones admisibles en la avenida Gonzalo Ariza son los presentados a continuación. Tabla 8-21

Valores Admisibles de Esfuerzo y Deformación para Nivel de Tránsito Asociado a un Periodo de Diseño de 10 Años

NESE

Shell

Ivanov (mm/1 00)

Shell

Et

wT

EZ


Kerhoven y Dormon Oz

(Mpa)


103


0.05

73

114,197,0331248E-61

Valores Admisibles de Esfuerzo y Deformación para Nivel de Tránsito Asociado a un Periodo de Diseño de 20 Años

Tabla 8-22

Shell Ivanov (mm/1 00) Shell Kerhoven y Dormon Oz(Mpa) wT ez Et 0.05 297E-6 68 26,389,621 220E-6 NESE.

A continuación se presentan los espesores obtenidos para cada uno de los sectores definidos en este informe, a partir del cumplimiento de los análisis de esfuerzos y deformaciones planteado por el método mecanicista: 8.11.1 Alternativa en Materiales Granulares Revisión de la estructura AASHTO - periodo de diseño 10 años Tabla 8-23

Espesores Metodología MecanicistaMateriales Granulares

Periodo de Diseño 10 Años

Capa

Espesor

Módulo de Elasticidad

Relación de Poisson

Material

(m)

(MPa)

Ratio

Mezcla Asfáltica

0.16

2.70E+03

0.35

Base Granular

0.25

2.15E+02

0.45

Subbase Granular

0.35

1.26E+02

0.45

4.00E+01

0.48

Subrasante (Mejoramiento)

Tabla 8-24

Verificación

de los Valores Admisibles Materiales Granulares

- Periodo de Diseño 10 Años

Shell

Ivanov (mm/1 00)

Shell

Kerhoven y Dormon

et

wT

ez

oz(Mpa)

248E-6

73

347E-6

0.05




104

190E-6

52

268E-6

0.01

Cumple

Cumple

Cumple

Cumple

Con base en las tablas anteriores se puede concluir que los espesores dados por la metodología AASHTO se pueden ajustar por lo tanto se procede a realizar éste ajuste, como se presenta a continuación. Tabla 8-25

Espesores Metodología Mecanicista- Periodo de Diseño 10 Años Materiales Granulares Capa

Espesor



Material

(m)

(MPa)

Ratio

Mezcla Asfáltica

0.15

2.70E+03

0.35

Base Granular

0.25

2.15E+02

0.45

Subbase Granular

0.25

1.26E+02

0.45

4.00E+01

0.48.


Tabla 8-26

8.11.1.1

Verificación de los Valores Admisibles - Periodo de Diseño 10 Años Materiales Granulares Shell

Ivanov (mm/1 00)

Shell

Kerhoven y Dormon

Et

wT

EZ

az (Mpa)

248E-6

73

347E-6

0.05

206E-6

56

338E-6

0.01

Cumple

Cumple

Cumple

Cumple

Revisión de la estructura dada por el diseño AASHTO - período de diseño 20 años

Tabla 8-27

Espesores Metodología Mecanicista- Periodo de Diseño 20 Años Materiales Granulares Capa

I Espesor I

CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 1204091n10 Final Resumen-V2.doc

Módulo de

Relación de INFORME FINAL RESUMEN Volumen 1 Versión 2 - ABRIL DE 2011

105


Poisson Ratio

Material

(m)

Elasticidad (MPa)

Mezcla Asfáltica

0.18

2.70E+03

Base Granular

0.28

2.15E+02

0.35 0.45

Subbase Granular

0.35

1.26E+02

0.45

4.00E+01

0.48

Subrasante (Mejoramiento) Tabla 8-28

Verificación de los Valores Admisibles - Periodo de Diseño 20 Años Materiales Granulares Kerhoven y Dormon Ivanov (mm/1 00) Shell Shell az (Mpa) wT EZ Et 0.05 297E-6 220E-6 68 0.01 231 E-6 48 165E-6 Cumple Cumple Cumple Cumple

Con base en las tablas anteriores se puede concluir que los espesores dados por la metodología AASHTO se pueden ajustar por lo tanto se procede a realizar éste tal y como se presenta a continuación.

Tabla 8-29

Espesores Metodología Mecanicista- Periodo de Diseño 20 Años Materiales Granulares

Capa Material Mezcla Asfáltica Base Granular Subbase Granular Subrasante (Mejoramiento) Tabla 8-30

Espesor (m) 0.16 0.25 0.30

Módulo de Elasticidad (MPa) 2.70E+03 2.15E+02 1.26E+02 4.00E+01

Relación de Poisson Ratio 0.35 0.45 0.45 0.48

Verificación de los Valores Admisibles - Periodo de Diseño 20 Años Materiales Granulares Shell Et

Ivanov (mm/1 00)

Shell

wT

El:

Kerhoven y Dormon Oz (Mpa)

220E-6

68

297E-6

0.05




191E-6

53

293E-6

0.01

Cumple

Cumple

Cumple

Cumple

8.11.2 Alternativa 8.11.2.1

106

en materiales estabilizados

con asfalto en caliente

Revisión de la estructura dada por el diseño AASHTO - periodo de diseño de 10 años

Tabla 8-31

Espesores Metodología Mecamicista- Periodo de Diseño 10 Años Materiales Estabilizados

Capa

Espesor



Material

(m)

(MPa)

Ratio

Mezcla Asfáltica

0.13

2.70E+03

0.35

Base Estabilizada Con Asfalto En Caliente

0.20

1.40E+03

0.45

Subbase Granular

0,25

1.26E+02

0.45

4.00E+01

0.48


Tabla 8-32

Verificación

de los Valores Admisibles - Periodo de Diseño 10 Años. Materiales Estabilizados

Shell

Ivanov (mm/1 00)

Shell

Kerhoven y Dorman

Et

wT

EZ

220E-6

68

297E-6

0.05

132E-6

45

246E-6

0.01

Cumple

Cumple

Cumple

Cumple

C1z

(Mpa)

Con base en las tablas anteriores se puede concluir que los espesores dados por la metodología AASHTO se pueden ajustar por lo tanto se procede a realizar éstetal y como se presenta a continuación.



107


Tabla 8-33

Espesores Metodología Mecanicista- Periodo de Diseño 10 Años Materiales Estabilizados Espesor Módulo de Elasticidad

Capa


Material

(m)

(MPa)

Ratio

Mezcla Asfáltica

0.10

2.70E+03

0.35


0.18

1.40E+03

0.45

Subbase Granular

0.20

1.26E+02

0.45

4.00E+01

0.48


Tabla 8-34

8.11.2.2

Verificación de los Valores Admisibles - Periodo de Diseño 10 Años. Materiales Estabilizados

Shell

Ivanov (mm/100)

Shell

et

wT

EZ

Kerhoven y Dormon az (Mpa)

248E-6

73

347E-6

0.05

182E-6

51

342E-6

0.02

Cumple

Cumple

Cumple

Cumple

Revisión de la estructura dada por el diseño AASHTO - periodo de diseño de 20 años

Tabla 8-35

Espesores Metodología Mecanicista- Periodo de Diseño 20 Años Materiales Estabilizados

Módulo de Elasticidad Relación de Poisson

Capa

Espesor

Material

(m)

(MPa)

Ratio

Mezcla Asfáltica

0.16

2.70E+03

0.35


0.20

1.40E+03

0.45

Subbase Granular

0.25

1.26E+02

0.45

4.00E+01

0.48




IINSTITUTO DE DESARROLLOURBANO

Tabla 8-36

Verificación

108


Shell

Ivanov (mm/1 00)

Shell

Kerhoven y Dormon

Et

wT

EZ

220E-6 79E-6

68 42

297E-6 171 E-6

0.05 0.01

Cumple

Cumple

Cumple

Cumple

Oz

(Mpa)

Con base en las tablas anteriores se puede concluir que los espesores metodología AASHTO se pueden disminuir por lo tanto se procede disminución de los mismos como se muestra a continuación. Tabla 8-37

dados por la a realizar la

Espesores Metodología Mecanicista- Periodo de Diseño 20 Años Materiales Estabilizados

Capa

Espesor



Material

(m)

(MPa)

Ratio

Mezcla Asfáltica

0.12

2.70E+03

0.35


0.20

1.40E+03

0.45

Subbase Granular

0.20

1.26E+02

0.45

4.00E+01

0.48


Tabla 8-38

Verificación


Kerhoven y Dormon

Shell

Ivanov (mm/1 00)

Shell

Et

wT

EZ

220E-6

68

297E-6

0.05

142E-6

47

278E-6

0.01

Cumple

Cumple

Cumple

Cumple

8.12 MÉTODO DE LA PORTLAND PAVIMENTO RíGIDO CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 1204091nfo Final Resumen-V2.doc

CEMENT

Oz

(Mpa)

ASSOCIATION

PCA-1984

-



109

Para aplicar el método de diseño de pavimentos rígidos de la PCA se debe realizar el siguiente proceso: •

Elegir el tipo de concreto, con referencia a la resistencia a la flexión del concreto a 28 días (módulo de rotura, MR), para el caso se considerará un valor de MR 45.

•

El período de diseño, contrario a los pavimento flexibles, las estructuras en concreto rígido aceptan periodos de diseño de 20 años y mayores, para el caso se determinó un periodo de diseño de 20 años.

•

La clase de material de soporte, Módulo de Reacción Combinado o del conjunto de subrasante - sub-base (K); este análisis se presenta más adelante.

•

La forma de interacción de las juntas y la condición de berma. Para el caso se determina un análisis de juntas con barras de transferencia y sin la condición del efecto berma.

•

Factor de seguridad de carga (FSC), distribución de carga por eje y número esperado de repeticiones de las diversas cargas por eje en el carril de diseño y durante el período de diseño. Dada la condición del corredor se define un valor de 1.1 para este factor de seguridad.

En la aplicación de este método de diseño se llevan a cabo los siguientes tipos de análisis: Análisis de fatiga, Análisis de erosión para controlar la deflexión en los bordes de la losa, Conveniencia del uso de pasadores y comportamiento del diseño frente al Efecto Berma.

8.12.1 Tránsito para el método de la PCA 1984 Para los pavimentos rígidos se recomienda siempre considerar un periodo no menor de 20 años. Para el método de la PCA la solicitación asociada al tránsito se expresa en función del tipo de eje y la carga máxima definida para el mismo de acuerdo con la resolución 004100 del Ministerio de Transporte. Tabla 8-39 Número de Repeticiones por tipo de eje y carga y Número de Ejes simples Equivalentes de 8.2 t para el Corredor de la Avenida Gonzalo Ariza. 20 años

Carga

I E' . I I Eje Jeslmp e Tándem

CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 1204091nlo Final Resumen-V2.doc

Eje Tridem

I INFORME FINAL RESUMEN Volumen 1 Versión 2 - ABRIL DE 2011

110


Carga

Eje simple

5 6

14,551,820 8,582,245 22,908,130

11 22

Eje Tándem

Eje Tridem

225,935

8,760

Posterior a lo indicado se determina el valor del Módulo de Reacción de la Subrasante, que se determina con base en el valor del CBR. Para el caso se definirá el Módulo de Reacción de la Subrasante de acuerdo con el valor definido, para el CBR de 4%. Tabla 8-40

Valor del Módulo de Reacción de la Subrasante

CSR (%)

K (MPa/m~

4.0 ----~~.

34 .

--

Establecido el valor del módulo de reacción de subrasante se realiza el análisis para determinar el valor del Módulo de Reacción Combinado de toda la estructura sobre la cual se apoyará la losa de pavimento. Para tal efecto se ha definido el extendido de una capa de 0.20 m de espesor de granular, que de acuerdo con la IDU-ET-2005 se determina una capa SBG-A.




Tabla 8-41 Valor de K para Sub-rasante Ib/Pulg3 MPa/m

20 40 60 80

111

Efecto de la Subbase Granular sobre los Valores de K Valor de K para sub-base combinada 225 mm 150 mm Lb/Pulc¡3 Lb/Pulg3 MPa/m MPa/m

100 mm MPa/m

73 147 220 295

23 45 64 87

Lb/Pulc¡3

26 49 66 90

85 165 235 320_~

Lb/Pulg3

38 66 90 117

140 245 330 430

117 210 280 370

32 57 76 100

69 180 245 330

300 mm MPa/m

---Fuente: Tabla 1 - Effect 01 Untreated Subbase on k Values Thickness Design lar Concrete Highway and Street Pavements PCA.

Realizando el cálculo debido con soporte de la tabla anterior y con el valor determinado de Módulo de reacción de la subrasante se obtiene el valor de Módulo de Reacción Combinado de la Estructura (K), éste corresponde a lo presentado en la siguiente tabla. Para la alternativa número 2 se ha definido el apoyo de la losa sobre una capa de mezcla asfáltica de protección de 0.07 m de espesor, que permite un umbral de tolerancia al consumo de erosión del orden de 150% de acuerdo con los documentos técnicos del IDU. Tabla 8-42

Valor del Módulo de Reacción Combinado de la Estructura -

eBR (%) 4.0

K (MPa/m) 46

A continuación se presentan los resultados de espesores de losa de acuerdo con el desarrollo del método de la PCA-1984. Tabla 8-43

Espesor de Diseño - Losas de Concreto - Avenida Gonzalo Ariza

Alternativa Módulo de Rotura (Mpa) Módulo de Elasticidad del Concreto (MPa) Factor de Seguridad de Carga Uso de Barras de Transferencia Consideración del Efecto Berma CBR de la Subrasante (%) Módulo de Reacción Combinado (MPa/m) Consumo por Erosión (%) Consumo Por Fatiga (%) Espesor de la Losa (cm) Mezcla MD 20 (cm) Subbase Granular SBG-A (cm) Espesor de Relleno Seleccionado (30 cm Rajón, 10 cm Sello) (cm) CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 120409 Info Final Resumen-V2.doc

I

4.5 22000 1.1 SI NO 4.0 46 63 O 28

11 4.5

20

22000 1.1 SI NO 4.0 46 101 O 27 7 20

40

40

-

INFORME FINAL RESUMEN Volumen 1 Versión 2 - ABRIL DE 201.1


112

8.12.2 Juntas longitudinales y barras de anclaje Para este diseño se considera el ancho de carril promedio de 3.00 m para tráfico mixto y de 3.25 m para servicio público. Las características de las barras de anclaje se establecen de acuerdo con la metodología peA. A continuación se presenta la recomendación para el refuerzo, teniendo en cuenta que el acero usado deberá cumplir con un esfuerzo de fluencia de 420 MPa. Tabla 8-44

Dimensiones del Acero de Refuerzo

Espesor de losa (m)

Diámetro (in)(m)

Longitud (m)

Espaciamiento (m)

0.27-0.28

11" (0.0349)

0.45

0.30

Las barras de acero no se deben instalar a menos de 40 cm de la junta transversal para evitar que interfieran con el movimiento de las juntas.

8.12.3 Juntas transversales y pasadores Deben cumplir con las separaciones máximas siguientes. Tabla 8-45

Separación Máxima entre las Juntas (Criterio I)

(m)

Separación Máxima de Juntas Longitudinales (m)

Piedra Partida

6.0

4.0

Agregado Redondeado

4.5

4.0

Tipo Agregado Grueso

Separación Máxima de Juntas Transversales

f----------------!---.----------

Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto -Ing.

Cipriano A. Londoño N. ICPC.

Para el espaciamiento entre juntas transversales, hay varias recomendaciones que se consideran en este proyecto: •

Que el espaciamiento en pies entre juntas de contracción para pavimentos de hormigón no supere 2 veces el espesor de la losa en pulgadas, lo que para este diseño sería:

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113


Tabla 8-46

Separación Máxima entre Juntas de Contracción (Criterio 11).

Espesor de la

Espesor de la Losa (in) 10.62 11.02

Losa (cm) 27 28

Fuente: Diseño, Construcción

•

de Pavimentos de Concreto - Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC.

Que el espaciamiento entre juntas sea veinticinco veces el espesor de la losa Tabla 8-47

Espaciamiento entre Juntas (Criterio 111).

Espesor de la Losa (m)

Separación (m)

0.27

6.75

0.28

7.00

Fuente: Diseño, Construcción

•

y Mantenimiento

Separación de las Juntas (m) 6.48 6.48

Separación de Juntas (ft) 21.26 22.04

y Mantenimiento

de Pavimentos de Concreto - Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC

Que la máxima relación de esbeltez de la losa sea de 1,4 veces (se enfatiza que es deseable cumplir con una relación máxima de 1,25): Tabla 8-48

Separación Máxima entre Juntas (Criterio IV)


Cipriano A. Londoño N. ICPC

Por razones constructivas y respetando los criterios anteriores, se ha establecido una separación máxima entre juntas transversales de 4,50 metros. Tabla 8-49

Separación Máxima entre Juntas definitiva

Ancho (m)

Es importante tener en cuenta que mientras mayor número de juntas haya se aumenta la posibilidad de infiltración de agua de escorrentía hacia la estructura de pavimento, pero previendo la presencia de material "impermeable" constituido por la mezcla MD20, el efecto posible de generación de bombeo de finos es mitigado. Por lo tanto, se considera prudente efectuar losas que respeten la modulación de 3,65 m (ancho carril) por 4,50 m de largo, que tiene una relación de esbeltez menor a 1,25, satisfactoria para el desempeño de la estructura de pavimento. CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 120409 Info Final Resumen-V2.doc



114

Se presenta a continuación la geometría de las barras de pasador por utilizar, según lo establece la PCA4, las cuales deberán ser varillas lisas tipo A-37, fy = 420MPa. Tabla 8-50

Geometría de los Pasadores Recomendados

Espesor de la Losa (mm)

Diámetro del Pasador (mm)

Longitud Total del Pasador (mm)

Separación entre centros (mm)

270-280

34.9 (1 3/8")

450

250

8.12.4 Sellado de juntas Las juntas transversales se deben cortar con un equipo autopropulsado de disco diamantado cumpliendo con las siguientes dimensiones: Corte inicial de 1/3 del espesor de la losa, medido desde la superficie, con un ancho máximo de 3 mm. Corte de ensanche de 3 mm de ancho máximo y una profundidad de 30 mm medido desde la superficie de la losa. El ancho total de la junta transversal debe tener 6 mm (±1.5 mm) de ancho, incluido el corte inicial y el corte de ensanche. Se realizará la colocación del sello plástico (cordón de respaldo) para mantener el factor de forma apropiado para las masillas de sello aplicadas. Para la instalación del material de sello con silicón o poliuretano se debe tener especial cuidado en la adecuada limpieza de los bordes de la junta para evitar el desprendimiento prematuro, en el tiempo, del sello. En el momento de colocación del sello, la junta debe estar seca, limpia, libre de partículas. También para evitar el desprendimiento prematuro, el material de sello debe quedar de 3 a 6 mm por debajo de la rasante de las calzadas. Para el sellado de junta debe cumplirse lo siguiente: • • •

4

La tirilla de respaldo debe tener un diámetro de 9 mm ;±:1,5mm. La relación ancho/profundidad del sellador de silicón deberá ser como mínimo 1:1 y máximo 2:1. La ranura inicial de 3 mm para debilitar la sección deberá realizarse en el momento oportuno para evitar el agrietamiento de la losa, la pérdida de agregados en la junta, o el desportillamiento. El corte adicional para formar el depósito de la junta deberá efectuarse cuando menos 72 horas después del vaciado. Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto - Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC, Tabla 64, Página 104

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INFORME FINAL RESUMEN Volumen 1 Versión 2 . ABRIL DE 2011

115


• •

La superficie del sello debe quedar entre 3 y 6 mm por debajo de la superficie de la losa. la cavidad de la junta deberá estar limpia y libre de cualquier material, antes de la colocación del sello. A este respecto es importante anotar que dicha cavidad debe protegerse para que no ingrese polvo y partículas incompresibles, antes de colocar el sello, porque al paso del tránsito se produce desportillamiento de los bordes de las juntas, como efectivamente ha venido ocurriendo en las losas nuevas.

8.12.5 Juntas de expansión Cuando el pavimento rígido empalme con pavimento flexible se construirá una junta en la cual se aumente el espesor de la losa con la finalidad de absorber los esfuerzos de borde ocasionados por el tráfico, ésta se conoce como junta de expansión. 8.13 COMPARACiÓN ECONÓMICA Con el fin de evaluar la mejor opción a construir en términos economlCOS, a continuación se presentan el resumen de los resultados de los Análisis de los precios unitarios por metro cuadrado de las diferentes alternativas propuestas en este documento. En el análisis solo se tuvieron en cuenta los ítems que varían, dependiendo de la alternativa evaluada (MD20, MD12, BG-A, SBG-A, BEE, MD-7 Y Concreto MR 45), en función del espesor. Los precios utilizados corresponden al valor de materiales y su implementación en obra, tomados de los Precios de Referencia de Actividades de Obra e Insumas del IDU. ($/m2)

Alternativa • • • •

Pavimento Pavimento Alternativa Alternativa

Flexible con Base Granular Flexible con Base Estabilizada con Emulsión Asfáltica I Pavimento Rígido II Pavimento Rígido

521,975 230,920 260,066 319,199

Se concluye que la alternativa más económica es la de pavimento flexible con base estabilizada con emulsión asfáltica, que presenta un valor de $ 230,920 (CaP) por metro cuadrado.



{INSTITUTODE DESARROLLOURBANO

116

8.14 DISEÑO DE LA ESTRUCTURAS DE ESPACIO PÚBLICO El diseño de la estructura para Espacio Público Asociado se aplica de acuerdo con lo estipulado en el diseño geométrico proyectado y lo determinado por el Especialista de Urbanismo. La estructura de pavimento se diseña mediante tres (3) metodologías las cuales corresponden a la Cartilla de Andenes de la Secretaría Distrital de Planeación - SDP y el Instituto de Desarrollo Urbano - IDU, la Guía para el Diseño de Pavimentos de Adoquines de Concreto para Tráfico Vehicular y Peatonal del Instituto Colombiano de Productores de Cemento-ICPC, y finalmente mediante el AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES 1993. En cuanto a la estructura de soporte del Espacio Público en las zonas donde el Informe Urbanístico considera losetas de concreto, se considera que estas presentan un comportamiento equivalente a una estructura de soporte de adoquines en concreto, teniendo en cuenta que el adoquín en concreto presenta un espesor de 0.06 m, igual al espesor de las losetas en concreto contempladas en la Cartilla de Andenes de la Secretaría Distrital de Planeación - SDP y el Instituto de Desarrollo Urbano - IDU. Con base en lo anterior la estructura de soporte a emplear para las losetas de concreto será la obtenida por medio de la Guía para el Diseño de Pavimentos de Adoquines de Concreto para Tráfico Vehicular y Peatonal del Instituto Colombiano de Productores de Cemento - ICPC.

8.15 DISEÑO MEDIANTE LA CARTILLA DE ANDENES (SDP/IDU) El dimensionamiento de la estructura, satisface las especificaciones dadas en la Cartilla de Andenes del Departamento Administrativo de Planeación Distrital - SDP y el Instituto de Desarrollo Urbano - IDU.

8.15.1 Criterios de Diseño Tabla 8-51 Período

Criterios de Diseño para Espacio Público

de Diséñó

20 años

Tipo de Camión

C2

Carga por eje

8.2 toneladas - Eje Simple

Ejes de Diseño

50.000 en el período de diseño

CBR

5%

Confiabilidad

50%

Desviación

0.45

Módulo Elástico

4118 psi




117

Período de Diseño

20 años

SeNiciabilidad Inicial

4.5

Serviciabilidad Final

2.0

~ PSI

2.5

Fuente: Cartilla de Andenes IDU-SDP

8.15.2 Tratamiento del Suelo El suelo existente en la Subrasante deberá tratarse de acuerdo con su calidad, así:

Tabla 8-52

Tratamiento de SlUbrasante para Andenes

Tipo de Suelo de Subrasante Suelos granulares (con predominio de materiales ripiosos o arenosos) Suelos finos (con predominio de arcillas y limos) Suelos Orgánicos (Identificados por su color negruzco y olor)

Proceso a Seguir Rectificar y compactar hasta obtener una densidad especificada, colocando la estructura típica encima de la subrasante. Rebajar y reemplazar por 10 cm de subbase granular y colocar la estructura típica encima. Remover en una profundidad mínima de 30 cm y reemplazar por sub-base granular. Fuente: Cartilla de Andenes

8.15.3 Estructura Típica para Espacio Público La estructura típica de andén se obtiene a partir del CBR de la Subrasante, el cual se tomó del análisis de los materiales extraídos en la exploración geotécnica del subsuelo, realizado para el corredor peatonal en estudio. Teniendo en cuenta que la exploración geotécnica es de carácter puntual, existe la posibilidad de de encontrar sectores con C.B.R. inferior al establecido para diseño (5 %), razón por la cual se presenta el diseño para estructuras soportadas sobre suelos con C.B.R. inferior al valor adoptado para diseño. De acuerdo con lo anterior, se pueden encontrar los siguientes tres tipos de estructura.




Tabla 8-53

118

Espesores Preliminares Estructura de Espacio Público Sector con CBR < 3% Espesor, cm

Capa

Adoquín de Arcilla Capa de Arena Subbase Mejoramiento*

6 4

30 20

'Material de mejoramiento seleccionado INVIAS 2007 Art. 220

Tabla 8-54

Espesores Preliminares Estructura de Espacio Público Sector con 3%
Espesor, cm

Adoquín de Arcilla Capa de Arena Subbase Meioramiento*

6 4

20 20

• Material de mejoramiento seleccionado INVIAS 2007 Art. 220

Tabla 8-55

Espesores Estructura de Espacio Público Sector con CBR ~ 5 % Capa

Espesor, cm

Adoquín de Arcilla Capa de Arena Subbase

6

8.15.4 Diseño Instituto Colombiano

4

30

de Productores

de Cemento

- ICPC

La Guía para el Diseño de Pavimentos de Adoquines de Concreto para Tráfico Vehicular y Peatonal del Instituto Colombiano de Productores de Cemento - ICPC, se basa en el método de diseño de la British Standard Institution (BSI) para tráfico vehicular corriente y en los documentos de Cook y Knapton para tráfico peatonal y vehicular liviano que siguen el mismo patrón de diseño. Los parámetros de diseño requeridos por esta metodología consisten en la capacidad de soporte de la subrasante expresada mediante el C.B.R. y del tráfico vehicular expresado en el Número de ejes equivalentes de 8.2 ton en el periodo de diseño. El espesor obtenido consiste en un Concreto Asfáltico Compactado en Caliente (CACC) a partir del cual se determinan los espesores de las capas de apoyo CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 120409 Info Final Resumen·V2.doc



119

(Base, Subbase, etc) mediante el uso de los factores de equivalencia que se presentan a continuación: Tabla 8-56

Espesores Estructura de Espacio Público Sector con eBR ~ 5 %

Factor de Equivalencia Sugerido Intervalo

Material Rodadura de Adoquines (Espesor de adoquín + capa de arena)

1,10

1,00

1,25

Concreto Asfáltico Compactado en Caliente (CACC)

1,00

0,90

1,10

Subrasante Mejorada (Material con C.B.R. >5%

0,15

0,05

0,15

Material Granular para Subbase sobre material con C.B.R.<=5%

0,25

0,05

1,70

Material Granular para Subbase sobre material con C.B.R.>5%

0,30

Material Granular para base sobre material con C.B.R.<=5%

0,40

0,10 I 0,35 0,45 0,10

Material Granular para base sobre material con C.B.R.>5%

0,45

0,15

0,50

Relleno Fluido Rc 28 días (cilindros)= 1 MPa

0,25


0,40


0,50


0,60


0,65


0,70


0,75

Relleno Fluido Rc 28 días (cilindros)= 8MPa

0,80

Concreto Rc 28 días (cilindro) = 30 Mpa

1,70

1,50

1,90

Suelo cemento Rc 28 días (cilindro)= 5 MPa

0,40

0,20

0,60

Suelo cemento Rc 28 días (cilindro)= 8 MPa

0,50

0,30

0,70

Fuente: Tabla 15 Factores de conversión para materiales

tomando como unidad el CACC.

Para determinar el espesor de la capa equivalente se emplea la tabla 11 de la Guía, mediante el cruce entre el e.B.R. y el tráfico esperado. Tabla 8-57 Desde Hasta Suelo (CBR%)

Espesores de Diseño

101 1.001 10.001 50.001 100.001 500.001 1.000.001 1.500.001 4.000.001 8.000.001 1 100 1.000 10.000 50.000 100.000 500.000 1.000.000 1.500.000 4.000.000 8.000.000 12.000.000 Base: Espesor de concreto

asfáltico

compactado

en caliente CACC (mm)

1

114

122

137

151

185

285

315

333

375

405

423

2

90 80

98 88

113

127

133

174

207

220

252

289

103

117

123

145

160

176

195

275 214

70

78

93

107

113

135

150

166

178

196

209

65

73

88

102

108

130

145

161

173

191

204

3 4 5

CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 1204091nlo Final Resumen·V2.doc

226



Desde Hasta Suelo (CBR%)

120

1 101 1.001 10.001 50.001 100.001 500.001 1.000.001 1.500.001 4.000.001 8.000.001 100 1.000 10.000 50.000 100.000 500.000 1.000.000 1.500.000 4.000.000 8.000.000 12.000.000 Base: Espesor de concreto

asfáltico

compactado

en caliente CACC (mm)

6 7 8 9 10 15 20 30

63 60 59 57 55 54 52 50

71 68 67 65 63 62 60 58

86 83 82 80 78 77 75 73

100 97 96 94 92 91 89 87

106 103 102 100 98 97 95 93

128 125 124 122 120 119 117 115

143 140 139 137 135 134 132 130

159 156 155 153 151 150 148 146

171 168 167 165 163 162 160 158

189 186 185 183 181 180 178 176

202 199 198 196 194 193 191 189

Capa de Arena

40

40

40

40

40

40

40

40

40

40

40

Adoquín de Concreto

60

60

60

60

80

80

80

80

80

80

80

Los parámetros de entrada a la metodología de diseño se presentan a continuación:

Período de Diseño

20 años

Tipo Camión

C2

Carga por eje

8.2 toneladas - Eje Simple

Ejes de Diseño

50.000 en período de diseño

CBR

5.0%

Se procede a determinar cuatro (4) estructuras de pavimento asfaltico teniendo en cuenta la posibilidad de encontrar sectores con C.B.R. inferior al de diseño adoptado en este documento:




121

Tabla 8-58

Cálculo de la Estructura de Pavimento

Subbase (mm)

C.B.R.% Saturado

Base CACC

Calculo inicial

5.0

102

408

4.0

107

356.67

º

3.0

117

2.0

127

Real

Base (mm)

I

Capa de Adoquín Arena Real (mm) (mm)

CACC

Calculado

102.0

255

260

40

o

107.0

267.5

270

40

60

390.00

200

67.0

167.5

170

40

60

423.33

200

77.0

171.1

180

40

60

60

A continuación se presentan las estructuras de Pavimento diseñadas en función del C.B.R. Tabla 8-59

Estructuras

de Pavimento para cada Sector

C.B.R.%

5.0 Material Adoquín C. de Arena Base Subbase

4.0

Espesor (mm) 60 40 260 O

Material Adoquín C.de Arena Base Subbase

Espesor (mm) 60 40 270

O

3.0 Espesor Material (mm) Adoquín 60 C. de 40 Arena Base 170 200 Subbase

2.0 Espesor Material (mm) Adoguín 60 C.de 40 Arena Base 180 200 Subbase

8.16 AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES 1993 El diseño mediante este método se realiza para la determinación de la estructura de pavimento a implementar en la ciclo ruta diseñada según el área de urbanismo. Los parámetros de diseño son presentados en la siguiente tabla: Tabla 8-60

Criterios de Diseño para Cicloruta

Período de Diseño Ejes Equivalentes CBR Confiabilidad CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 120409 Into Final Resumen-V2.doc

20 años 50.000 en período diseño* 5% 90 % INFORME FINAL RESUMEN Volumen 1 Versión 2 . ABRIL DE 2011


122

Período de Diseño Desviación Estándar Normal ZR

20 años -1.282

Desviación Normal del error Estándar So

0.45

Coeficiente de Drenaje

0.9

Serviciabilidad Inicial

4.0

Serviciabilidad Final

2.0

óPSI

2.0 'Mínimo adoptado por la AASHTO para estructuras de pavimento (1993)

•

Parámetros adicionales de diseño.

1. Para la capa de mezcla asfáltica se emplea el coeficiente estructural que se obtiene de la siguiente expresión: a1 = 0.7304 -0.1271 Ln (TºCaire) Se tiene entonces para una temperatura de 15ºC un coeficiente de aporte estructural a1 = 0.39 Y un módulo de 2700 MPa (Este valor deberá verificarse en obra). 2. Para la determinación del módulo resiliente de la subrasante, se emplea la expresión: MR (PSI)

=

1500*CBR

3. La capacidad mecánica de la capa de subbase, manifestada en su coeficiente estructural, se determina a partir de un valor mínimo de CBR, de acuerdo con las especificaciones del INVIAS. El material a utilizar deberá ser una SBG-1 presentando un valor de CBR de 40%, para el 95% de compactación del Proctor Modificado. Los valores del coeficiente a3 Y del módulo se obtienen de la gráfica 2.7 de la página 11-21 de la AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES 1993. Luego de realizado lo descrito se obtiene para a3 un valor de 0.12 y el módulo de 17000 Ib/in2 (120 MPa). 4. Para la capa de base se procede de manera similar en la determinación del coeficiente estructural, estableciendo en este caso una base del tipo BG-1 y BG-2 con un valor de capacidad portante mínimo de CBR de 100% mínimo, para el 100% de compactación del Proctor Modificado, luego de lo cual los CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 1204091nfo Final Resumen-V2.doc



123

valor de a2 y del módulo se obtienen empleando la gráfica 2.6 de la página 1119.

Luego de realizado el proceso se obtiene para a2 un valor de 0.14 y el módulo de 30500 Ib/in2 (215 MPa). El procedimiento de cálculo se realiza con base en lo descrito en la Figura 3.2 del numeral 3.1.5 de la Guía de diseño AASHTO de la página 11-36.

El parámetro no conocido es SN el cual se determina mediante un proceso iterativo. Una vez conocido el valor de SN, se procede a determinar el espesor de las capas que conforman la estructura de pavimento a partir de la ecuación:

A continuación se presentan las alternativas obtenidas para C.B.R. % de 5.0, 4.0, 3.0 Y 2.0, mediante la utilización del método de diseño de la AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES 1993:

8.16.1 Estructura Convencional

C.B.R. 5.0%

Verificación de los valores de SN Parciales.

Tabla 8-61

SN 1

1.164

SN 2

1.541

SN 3

2.094

SN* i

1.170 1.548

Espesores de Diseño de la Estructura de Pavimento - AASHTO 1993 Estructura Convencional C.B.R. 5.0% Balanceados Carpeta Asfáltica

Base Granular

Subbase Granular

6

12

15

Espesores en cm CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CAlZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 120409 Info Final Resumen-V2.doc



124

8.16.2 Estructura Convencional C.B.R. 4.0% Verificación de los valores de SN Parciales.

Tabla 8-62

SN 1

1.169

SN 2

1.511

SN 3

2.279

SN* i

1.240 1.555


Base Granular

Subbase Granular

6

15

20

Espesores en cm

8.16.3 Estructura Convencional C.B.R. 3.0% Verificación de los valores de SN Parciales.

Tabla 8-63

SN 1

1.169

SN 2

1.511

SN 3

2.537

SN* i

1.240 1.555


Base Granular

Subbase Granular

6

15

25

Espesores en cm




125

8.16.4 Estructura Convencional Verificación

Tabla 8-64

C.B.R. 2.0% de los valores de SN Parciales

SN 1

1.169

SN 2

1.511

SN 3

2.945

1.240

SN* i

1.555

Espesores de Diseño de la Estructura de Pavimento - AASHTO 1993Estructura Convencional C.B.R. 2.0% Balanceados

Carpeta Asfáltica

Base Granular

Subbase Granular

6

20

30

Espesores en cm

A continuación se presenta el resumen de la estructura de pavimento diseñada para lacicloruta. Tabla 8-65

Espesores de Diseño para Estructura de Pavimento en Cicloruta Espesor (cm)

C.B.R.%

Material

5.0

4.0

3.0

2.0

Mezcla Asfáltica

6

6

6

6

Base Subbase

12 15

15 20

15 25

20 30

En caso de presentarse subrasantes arcillosas con CBR menor a 3% se debe utilizar geotextil de separación BX 40 o equivalentes.

8.17 MÉTODO DE LA PORTLAND PAVIMENTO RíGIDO. Dentro del proyecto urbanístico contempla la construcción de 3 medio de concreto estampado. de la estructura de pavimento Cement Association PCA 1984.

CEMENT

ASSOCIATION

PCA-1984

-

del espacio público de la avenida Gonzalo Ariza, se pompeyanos, los cuales se recomienda construir por A continuación se presenta el desarrollo del diseño de estas estructuras, por el método de la Portland




126

Para aplicar el método de diseño de pavimentos rígidos de la PCA se definen los siguientes factores: • • •

Elegir tipo de concreto. Para el caso se considera un valor de MR 45. El período de diseño, por ser en concreto rígido se determinó en 20 años. Factor de seguridad de carga (FSC), dada la condición del corredor se define un valor de 1.1.

8.17.1 Tránsito para el método de la PCA 1984 Para los pavimentos rígidos se recomienda considerar un periodo no menor de 20 años, por lo que se determina utilizar este lapso de tiempo como mínimo para la definición del volumen de vehículos que circularan a lo largo del corredor; el tránsito de diseño se considerara como el 20.0% del tránsito esperado en la Avenida Gonzalo Ariza, debido a que los pompeyanos se dan en la intersecciones de transición entre la avenida principal y vías de los barrios aledaños. Es importante mencionar que para el método de la PCA la solicitación asociada al tránsito se expresa en función del tipo de eje y la carga máxima definida para el mismo de acuerdo con la resolución 004100 del Ministerio de Transporte. Tabla 8-66

Número de Repeticiones por tipo de eje y carga para los Pompeyanos Proyectados

Carga 5 6 11 22

Eje simple 2,910,364 1,716,449 4,581,626

Eje Tándem

Eje Tridem

45,187

1,752

Posterior a lo indicado se determina el valor del Módulo de Reacción de la Subrasante, con base en un CBR de 5%. Una vez establecido el valor del módulo de reacción de subrasante se realiza el análisis para determinar el valor del Módulo de Reacción Combinado de toda la estructura sobre la cual se apoyará la losa de pavimento. Para tal efecto se ha definido el extendido de una capa de 0.20 m de espesor de granular, para el tipo de tránsito, de acuerdo con la IDU-ET-2005 se determina una capa SBG-A.




Tabla 8-67 Valor de K para Sub-rasante MPa/m 20 40 60 80

Ib/Pulg3 73 147 220 295

Efecto de la subbase granular sobre los valores de K

100 mm MPa/m 23 45 64 87

127

Lb/Pulg3 85 165 235 320

Valor de K para subbase combinada 150 mm 225 mm 3 MPa/m Lb/Pulg MPa/m Lb/Pulg3 26 69 32 117 49 180 57 210 66 245 76 280 90 330 100 370

300 mm MPa/m Lb/Pulg3 38 140 245 66 90 330 117 430

Fuente: Tabla 1 - Effect 01 Untreated Subbase on k Values Thickness Design lar Concrete Highway and Street Pavements PCA.

Realizando el cálculo debido con soporte de la tabla anterior y con el valor determinado de Módulo de reacción de la sub rasante se obtiene el valor de Módulo de Reacción Combinado de la Estructura (K), que corresponde a lo presentado en la siguiente tabla. Tabla 8-68

Valor del Módulo de Reacción Combinado de la Estructura

eSR (%)

K (MPa/m)

5.0

51

A continuación se presentan los resultados desarrollo del método de la PCA-1984. Tabla 8-69

de espesores

de losa de acuerdo con el

Espesor de Diseño - Losas de Concreto - Pompeyanos Avenida Gonzalo Ariza Alternativa Módulo de Rotura (MPa) Módulo de Elasticidad del Concreto (MPa) Factor de Seguridad

de Carga

Uso de Barras de Transferencia Consideración del Efecto Berma CBR de la Subrasante (%) Módulo de Reacción Combinado (MPa/m) Consumo por Erosión (%) Consumo Por Fatiga (o/J Espesor de la Losa (cm) Subbase Granular SBG-A (cm)


I

4.5 22000 1.1 SI NO 5.0 51 72

O 24 20



128

8.17.2 Juntas longitudinales y barras de anclaje Para este diseño se considera el ancho de carril promedio de 3.00 m. Las características de las barras de anclaje se establecen con la metodología peA, teniendo en cuenta que el acero deberá cumplir con un esfuerzo de fluencia de 420 MPa. Tabla 8-70

Espesor de

Dimensiones del Acero de Refuerzo

losa (m)

Diámetro (in)(m)

Longitud (m)

Espaciamiento (m)

0.24-0.25

No 10(0.0318)

0.45

0.3

Las barras de acero no se deben instalar a menos de 40 cm de la junta transversal.

Juntas transversales y pasadores. Deben cumplir las siguientes separaciones máximas. Tabla 8-71

Separación Máxima entre las Juntas (Criterio I)

Tipo de Agregado Grueso

Separación Máxima de Juntas Transversales (m)

Separación Máxima de Juntas Longitudinales (m)

Piedra Partida

6.0

4.0

Agregado Redondeado

4.5

4.0

Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto - Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC.

Para el espaciamiento entre juntas transversales, hay varias recomendaciones que podrían considerarse en este proyecto:

Tabla 8-72

Espesor de la Losa (cm) 24

Separación Máxima entre Juntas de Contracción (Criterio 11)

Espesor de la Losa (in)

Separación de Juntas (ft)

Separación de las Juntas (m)

9.45

18.89

5.75

Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto - Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC. CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 120409 Info Final Resumen·V2.doc



129

Tabla 8-73

Espaciamiento entre Juntas (Criterio 111) Separación (m)

Espesor de la Losa (m)

0.24

6.00


Tabla 8-74


Espaciamiento entre Juntas (Criterio IV)

Ancho (m) ~ ,__s_e_p_a_ra_c~i~ó~n~ O _ máxima (m) Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto -Ing.


Por razones constructivas y respetando los criterios anteriores, se ha establecido una separación máxima entre juntas transversales de 4,50 metros. Tabla 8-75

Separación Máxima entre Juntas Definitiva

Ancho (m)

3.00

Separación máxima (m)

3.75

Se considera prudente efectuar losas que respeten la modulación de 3,00 m (ancho de carril) por 3,75 m de largo, el cual tiene en cuenta una relación de esbeltez menor a 1,25. Se presenta a continuación la geometría de las barras de pasador a utilizar, según la peAs, estas varillas deberán ser lisas tipo A-37 con fy = 420MPa. Tabla 8-76

Geometría de los Pasadores Recomendados

Espesor de la Losa (mm)

Diámetro del Pasador (mm)

Longitud Total del Pasador (mm)

Separación entre centros (mm)

270-280

28.57 (1 1/4")

460

300

8.18 GEOTECNIA 5

DE REDES

Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto - Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC, Tabla 64, Página 104 CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 1204091nlo Final Resumen-V2.doc



130

8.18.1 Investigación Geotécnica

8.18.1.1

Localización de sondeos

La exploración geotécnica se basa en la exploración realizada para el diseño de pavimentos en la cual se registró la variación de los estratos y se extrajeron muestras para su caracterización geomecánica. La exploración del subsuelo efectuada cumple con lo solicitado en el Cuadro 3 del numeral 4.5.2 de la NS-010, donde se establece que para redes secundarias de acueducto, los sondeos deben hacerse cada 250 m, y para redes de alcantarillado deben realizarse cada 200 m si el diámetro es menor a 24", y cada "tramo" si el diámetro es mayor a 24". Entiéndase como tramo una longitud no mayor a 120 m. La investigación del subsuelo para redes hidráulicas se basa fundamentalmente en los apiques realizados para el diseño de la estructura de pavimentos de la Av. Gonzalo Ariza. En el sector de diseño hay homogeneidad estratigráfica de los materiales a profundidad por lo que se considera válida la investigación del subsuelo adelantada.

8.18.1.2

Perfil y parámetros de diseño Tabla 8-77

Parámetros de Diseño del Perfil de Diseño

Profundidad m

Tipo de material Material granular

O

Materiales Cohesivos Tipo Cl, CH

0.6

-

Peso Unitario

Cu

(ton/m3)

(ton/m2)

0.6

1.5

2.9

1.7

-

1.65

C (ton/m2)

q, (")

O

18

2

16

8.18.2 Análisis Geotécnico De Estabilidad Dentro del informe del área Hidráulica del proyecto se encuentra la proyección de renovación de redes de alcantarillado, para lo cual es necesario realizar excavaciones de una profundidad variable entre 2.83 y 1.50 m, dentro de la tabla también se presenta el diámetro de la tubería que se planea ubicar dentro de las excavaciones.




Tabla 8-78

131

Profundidad de Excavaciones Proyectadas

UBICACiÓN Cota de Rasante DE

Cota de Clave

A

Diámetro Externo

Cota Fondo Zanja

Profundidad a Clave

Recubrimiento

L01

L02

2546.08

2545.99

2545.08

2544.97

0.40

2544.57

2544.46

1.00

1.02

1.50

1.52

L02

L03

2545.99

2545.88

2544.95

2544.84

0.40

2544.44

2544.33

1.04

1.04

1.54

1.54

L03

L04

2545.88

2545.82

2544.78

2544.7

0.40

2544.27

2544.19

1.10

1.12

1.60

1.62

L04

L05

2545.82

2545.68

2544.71

2544.6

0.50

2544.11

2544

1.11

1.08

1.71

1.68

L05

L06

2545.68

2545.56

2544.54

2544.43

0.50

2543.94

2543.83

0.90

1.13

1.50

1.73

155

156

2545.49

2545.01

2544.14

2544.01

0.73

2543.32

2543.19

1.35

1.00

2.23

1.88

156

L07

2545.01

2544.76

2543.86

2543.77

0.73

2543.04

2542.95

1.15

0.99

2.03

1.87

L07

R1

2544.76

2545.01

2543.74

2543.66

0.73

2542.92

2542.84

1.02

1.35

1.90

2.23

R1

R2

2545.01

2544.8

2543.66

2543.64

0.73

2542.84

2542.82

1.35

1.16

2.23

2.04

N01

N02

2,545.89

2,545.74

2,544.89

2,544.50

0.20

2,544.59

2,544.44

1.54

N03

2,545.74

2,545.50

2,544.50

2,544.08

0.20

2,544.20

2,543.96

1.24 1.42

1.30

N02

1.00 1.24

1.54

1.72

N03

13

2,545.50

2,545.49

2,544.08

2,544.05

0.20

2,543.78

2,543.77

1.42

1.44

1.72

1.74

Con base en la investigación del subsuelo, se analizará excavaciones en zanja, para lo cual se analizara la posibilidad paredes. Además se proporcionarán recomendaciones de contención a partir de los diagramas de presiones de tierras, metodología establecida por Peck.

la estabilidad de las de fallas de fondo y de obras temporales de definidos a partir de la

1" Cohesión y Peso Unitario Promedio: Para calcular estos valores se emplearan la ecuaciones propuestas por Peck (1943)

Dónde: H:

Altura total del Corte

Ys:

Peso específico del material granular

Ye:

Peso específico saturado del estrato de arcilla

Hs:

Altura del estrato granular

Ks:

Coeficiente de presión lateral de tierras para el estrato de material granular

~'s:

Ángulo de fricción efectivo de la arena

qu:

Resistencia a la compresión no confinada de la arcilla




n': Tabla 8-79

132

Coeficiente de falla progresiva Peso Unitario y Cohesión Promedio para las Diferentes Excavaciones Zanja Proyectadas UBICACiÓN

H

Peso Unitario Promedio

en

CPromedio

DE

A

(m)

(ton/m3)

L01

L02

1.52

1.59

0.81

L02

L03

1.54

1.59

0.81

(ton/m2)

L03

L04

1.62

1.59

0.83

L04

L05

1.71

1.59

0.86

L05

L06

1.73

1.59

0.86

155

156

2.23

1.61

0.95

156

L07

2.03

1.60

0.92

L07

R1

2.23

1.61

0.95

R1

R2

2.23

1.61

0.95

N01

N02

1.54

1.59

0.81

N02

N03

1.72

1.59

0.86

N03

13

1.74

1.59

0.86

2. Altura Crítica: Después de ejecutado el corte en suelos ocurre una redistribución de esfuerzos de la presión de poros, razón por la cual la resistencia al corte no drenada puede llegar a ser crítica. En tal sentido, se presenta la altura máxima de corte vertical en suelos que presentan una condición drenada (debido al material granular que se presenta en los primeros 1.20 m), Hc, sin que haya necesidad aparente de estructuras temporales de contención . ti c=

.~""i~-;>'}J-~;;1"" "r') r

1" ,-

__

J..J

'1"

.p'

')

:....:.".::..c:.:..._--'---'--...,..

}/PT'C'Tf: (

1-

~.(l

SEr(-

,.'

(iP) )

Dónde:

He:

Altura Critica Cohesión Promedio Yprom: Peso específico promedio <1>: Angula de fricción interna del estrato granular El cálculo de la altura critica de las perforaciones proyectadas se presentan con un factor de seguridad de 2.0. Se puede concluir que será necesario el uso de estructuras de contención temporales que deben cumplir con las Norma de servicio 072 de la EAAB. Cprom:




Tabla 8-80

133

Altura Crítica de las Excavaciones Proyectadas UBICACiÓN

H

He

(m)

M

DE

A

L01

L02

1.52

0.80

L02

L03

1.54

0.80

L03

L04

1.62

0.82

L04

L05

1.71

0.84

L05

L06

1.73

0.85

155

156

2.23

0.93

156

L07

2.03

0.90

L07

R1

2.23

0.93

R1

R2

2.23

0.93

N01

N02

1.54

0.80

N02

N03

1.72

0.85

N03

13

1.74

0.85

3. Altura de la Grieta de Tracción - Zc. Se emplea la siguiente expresión. 2Cprom Zc=---YProm Ka De igual forma que la altura critica, la profundidad de la grieta a tracción se presenta a una profundidad inferior que la profundidad de excavación lo cual indica la necesidad de emplear estructuras de contención temporales, para brindar estabilidad a las excavaciones proyectadas. Tabla 8-81

Altura de la Grieta a Tracción de las Excavaciones Proyectadas

UBICACiÓN

H

Ze

A

(m)

m

L01

L02

1.52

0.80

L02

L03

1.54

0.80

L03

L04

1.62

0.82

L04

L05

1.71

0.84

L05

L06

1.73

0.85

155

156

2.23

0.93

156

L07

2.03

0.90

L07

R1

2.23

0.93

R1

R2

2.23

0.93

DE




134

UBICACiÓN

4.

H

Ze

DE

A

(m)

m

N01

N02

1.54

0.80

N02

N03

1.72

0.85

N03

13

1.74

0.85

Falla de Fondo: Bjerrum y Eide (1956) estudiaron el problema del levantamiento del fondo de corte apuntalados en arcilla. Como factor de seguridad propusieron: FS= eNe ¡fl +q

Con una sobrecarga adicional de 1.0 ton/m2, fondo se presentan en la siguiente tabla.

los factores de seguridad contra falla de

Para excavaciones que presenten alturas de corte mayores a 3.00 m se presentarán problemas de levantamiento del fondo de la excavación, por lo que no se requerirán empotramientos para garantizar estabilidad del fondo de la excavación, debido a que a máxima profundidad de excavación es de 2.83 m.

Tabla 8-82

Factores de Seguridad contra falla de Fondo para Diferentes Alturas UBICACiÓN

H FC

DE

A

(m)

L01

L02

1.52

2.56

L02

L03

1.54

L03

L04

1.62

2.54 2.44

L04

L05

1.71

2.35

L05

L06

1.73

2.32

155

156

2.23

1.91

156

L07

2.03

2.05

L07

R1

2.23

1.91

R1

R2

2.23

1.91

N01

N02

1.54

2.54

N02

N03

1.72

2.34

N03

13

1.74

2.31

I

Se concluye que en todos los tramos es indispensable la construcción de estructuras de contención temporales con el fin de brindarle a las excavaciones la estabilidad necesaria. Estas estructuras deben de cumplir las especificaciones exigidas por la EAAB en su Norma de seNicio NS072 CONSORCIO ESTUDIOS 2009 ESTUDIOS Y DISEÑOS DE LA CALZADA OCCIDENTAL DEL PAR VIAL DE LA AVENIDA GONZALO ARIZA ENTRE LA CALLE 73 Y SU EMPALME CON LA CARRERA 111C. 1204091nlo Final Resumen-V2.doc


Diseño de pavimentos por AASHTO.pdf

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