INFORME DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

ESPECIALISTA EN GEOTECNIA VIAL Y PAVIMENTOS

INFORME DE DISEÑO DE PAVIMENTOS ZONA DE PARQUEO
UNIVERSIDAD DE CORDOBA

CÓDIGO

INF-FTO-01

VERSIÓN

00

FECHA

25

05

2016

Página44Página44
Página44
Página44

DIRECCIÓN: CALLE 25 # 7E-210. SINCELEJO. SUCRE. COLOMBIA.
MÓVIL: 3162946561. FAX: 2760994. CORREO ELECTRÓNICO: [email protected]

DISEÑO DE PAVIMENTOS DE LA VIA DE ACCESO Y PARQUEADERO DE LA PLANTA PILOTO DE LA UNIVERSIDAD DE CORDOBA. SEDE BERASTEGUI. DEPARTAMENTO DE CORDOBA

ELABORADO POR:
LUIS HERNANDEZ TEHERAN
INGENIERO CIVIL

JUNIO DE 2016

TABLA DE CONTENIDO

Contenido
INTRODUCCIÓN 4
1. CARACTERIZACION GEOTECNICA DE LA SUBRASANTE 5
2. DISEÑO VIAS DE ACCESO Y ZONA DE MANIOBRAS –PAVIMENTO EN CONCRETO RIGIDO 6
2.1. DISEÑO ESTRUCTURA PAVIMENTO RÍGIDO – MÉTODO PCA 6
2.1.1. OBTENCION DEL TRANSITO DE DISEÑO 6
2.1.2. CBR DISEÑO 10
2.1.3. MÓDULO DE REACCIÓN DE LA SUBRASANTE 11
2.1.4. MODULO DE ROTURA DEL CONCRETO 12
2.1.5. MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CARGA Y SOPORTE LATERAL 13
2.1.6. FACTOR DE SEGURIDAD DE CARGA 13
2.1.7. PERIODO DE DISEÑO 13
2.1.8. ALTERNATIVAS DE DISEÑO 14
2.1.9. ESPESORES DE DISEÑO 15
2.2. DISEÑO DE LAS JUNTAS DEL PAVIMENTO 17
2.2.1. JUNTAS DE CONSTRUCCIÓN 18
2.2.2. SISTEMA PARA LA TRANSMISIÓN DE CARGAS 19
2.2.3. JUNTAS DE EXPANSIÓN 21
2.3. MODULACIÓN DE JUNTAS 23
2.4. SELLADO DE JUNTAS 24
2.5. REFUERZO DE LOSAS IRREGULARES 24
3.0. CHEQUEO DE LOS ESFUERZOS Y DEFLEXIONES DE LA LOSA 24
4.0. DISEÑO ZONAS DE PARQUEO –PAVIMENTO ARTICULADO (ADOQUIN EN CONCRETO) 36
4.1. SUBRASANTE MEJORADA 37
4.2. SUBBASE GRANULAR 37
4.3. BASE DE SUELO CEMENTO 37
4.4. CAPA DE ARENA Y ESPESOR DE ADOQUIN. 38
4.5. APAREJO. 38
5.0. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 41

INTRODUCCIÓN

El presente informe tiene como objeto desarrollar el diseño de las estructuras de pavimento rígido y Articulado, En la vía de acceso y zona de parqueos, aledañas a la planta piloto, ubicada en la sede Berasategui de la universidad de Córdoba, localizada en el municipio de Montería, departamento de Córdoba.

Imagen 1. Localización del proyecto

Fuente: Google Maps 2016

Actualmente la zona en estudio se encuentra con una superficie en terreno natural, sobre la cual circulan y parquean vehículos de manera irregular. Por tanto se requiere adecuar la geometría establecida a la de un parqueadero, con la infraestructura de pavimento adecuada a estas condiciones de servicio.

CARACTERIZACION GEOTECNICA DE LA SUBRASANTE

Se realizaron tres (3) apiques o calicatas exploratorias ubicadas a lo largo de los tramos viales, con el fin de tomar muestras alteradas e "inalteradas" para realizar los respectivos ensayos de laboratorio y evaluar las características geotécnicas de cada una de las capas que conforman el soporte (subrasante) existente. Estos apiques se realizaron a una profundidad de 1.50 metros, indicando la profundidad del nivel de agua freático NAF. Los apiques de identificaron con la letra "A" seguido de un número, el cual indica el orden en que se desarrollaron estos dentro del sector correspondiente.*

En cada apique se tomó una muestra inalterada de CBR para realizar ensayos de resistencia de la subrasante, obteniendo los módulos de reacción (k) correspondientes, además de las características necesarias para su clasificación por granulometría e índices de plasticidad.

Tabla 1. Caracterización de la Subrasante

APIQUE
PROFUNDIDAD (m)
CBR
(%)
CLASIFICACION
EXPANSION (%)
Apique N°1
1,50
3,48
ML-CL
0,26%
Apique N°2
1,50
2,98
MH-ML
0,21%
Apique N°3
1,50
-
MH
0,26%
Fuente: Elaboración propia

* INFORME DE EXPLORACION SUBRASANTE PARA LA CONSTRUCCION DE PAVIMENTO EN CONCRETO RIGIDO DE LA VIA DE ACCESO Y PARQUEADEROS DE LAS PLANTAS PILOTOS DE LA UNIVERSIDAD DE CORDOBA. SEDE BERASTEGUI.
2. DISEÑO VIAS DE ACCESO Y ZONA DE MANIOBRAS –PAVIMENTO EN CONCRETO RIGIDO

2.1. DISEÑO ESTRUCTURA PAVIMENTO RÍGIDO – MÉTODO PCA

Para este proyecto, en especial para las vías de acceso a la planta piloto, se ha establecido conveniente la implementación de una estructura de pavimento en concreto rígido, teniendo en cuenta su alta durabilidad. Para tal fin, se tiene contemplado la utilización del método de la PCA (Portland Cement Association), a través de la implementación del Programa PCA-CALCULO de la Universidad del Cauca.
Para la determinación de las alternativas de diseño, se pasa a continuación a establecer las variables de diseño.
2.1.1. OBTENCION DEL TRANSITO DE DISEÑO

La vía de acceso a la planta piloto y al parqueadero, al igual que la zona de maniobras de cargue y descargue, se pueden considerar como una vía de tipo terciario, ya que el volumen de tránsito que circulara a través de estas zonas tendrán un comportamiento como tal. La zona a intervenir se encuentra en la actualidad sin pavimentar, extendiéndose en un área aproximada de 2206 m2. (Etapa 1: 933,44 m2, etapa 2: 1266,61 m2) de acuerdo a los planos de diseño arquitectónico suministrados.
Sobre las vías proyectadas, predominara el tránsito de vehículos livianos y camiones cargados de insumos a utilizar en el funcionamiento de la plata piloto de la Universidad; sin embargo, para fines de diseño de la estructura del pavimento se tomarán en cuenta los vehículos comerciales que se espera circularán por la misma una vez ésta sea dada al servicio. Estos vehículos comerciales típicos se pueden discriminar de la siguiente manera:
Camiones de 2 ejes: conformados por camiones repartidores de gaseosas y refrescos; camiones de mensajería; camiones recolectores de basura, volquetas transportadoras de materiales de construcción, y demás camiones de este tipo que se esperan hagan uso, en determinado momento de la vía y parqueadero a construir. De igual manera, se considerarán dentro de esta categoría de tránsito los tractores agrícolas que con cierta frecuencia pueden transitar a través de estos sectores, ya sea por su uso en épocas de siembra y cosecha o producto de la ejecución de prácticas de campo de los estudiantes de la facultad de ciencias agropecuarias

Buses de transporte escolar/Universitario: En la actualidad se observa la presencia de este tipo de vehículos, Por tanto deben ser considerados asumiendo que en el futuro se preste este tipo de servicio de parqueadero a los buses de visita escolar, y de los mismos buses de los cuales es propietario la Universidad de Córdoba..

Camiones de tres ejes (C3): En la actualidad se observa la presencia de este tipo de vehículos, a través de los cuales se suministra principalmente el insumo a la planta Piloto; por tanto son considerados principalmente dentro del diseño. Asumiendo también que en el futuro se preste el servicio a camiones del tipo mezcladores y/o transportadores de concreto (mixer), así como volquetas de este tipo, transportadoras de materiales que eventualmente hagan uso de esta zona de la Universidad.
Dado que no existen series históricas sobre aforos vehiculares dentro del sector vial en estudio, para la caracterización del tránsito se seguirán algunas de las recomendaciones efectuadas por el Instituto Nacional de Vías – INVIAS, en el "Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito". En el mencionado manual "las vías se clasifican según la entidad territorial que las administra, las características propias y finalmente por su ancho. Estas clasificaciones tienen como objetivo servir de ayuda a los diseñadores para aproximarse a la selección del tránsito, especialmente para aquellos lugares en los que no se tienen registros históricos o en los que se trata de pavimentar una vía por la que circulan pocos vehículos pesados".
Las vías de acceso a la planta como a los parqueaderos, objeto de la presente consultoría, de acuerdo con sus características, se podrían asimilar dentro de la jerarquía de las vías terciarias, por lo cual, para fines de la estimación del tránsito, se partirá de esa hipótesis, con el fin de darle dicho tratamiento. Por lo tanto, se partirá del hecho de que la vía de acceso y salida va a tener el tránsito característico de una vía terciaria.
En la Tabla 2., se puede observar según INVIAS, para el caso de vías terciarias (categoría de tránsito To), que el tope máximo esperado de repeticiones para el período de diseño (20 años) no deberá superar a 1.000.000 de ejes estándar.
Para este proyecto sin embargo, y teniendo en cuenta observaciones de campo, que permiten deducir que el tránsito de vehículos comerciales es bastante bajo, se podrá trabajar con un valor menor, que no supere el 50% de dicho tope. De aquí resulta como valor de referencia un valor del orden de las 500.000 repeticiones de ejes estándar durante el período de diseño (20 años), valor a tomar en cuenta para la estimación del número de vehículos pesados esperados en el carril de diseño.
Tabla 2. Categorías de tránsito para la selección de espesores

Fuente: Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito-INVÍAS 2008.
Tabla 3. Número de ejes de cada tipo por cada 1000 camiones

Fuente: Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito-INVÍAS 2008.
Por otra parte, en la Tabla 3., se presenta el número de ejes de cada tipo por cada mil camiones para vías con diferentes tránsitos promedios diarios semanal. Para este caso, se considerarán los valores establecidos para ejes sencillos y tándem consignados en la columna correspondiente a un TPDs de 0 a 500. Vale aclarar, que aunque la Tabla 3., hace referencia solamente a camiones, para el presente proyecto se considerará, que el 10% de los vehículos comerciales de dos ejes corresponderán a buses y el otro 90% a camiones.
A partir de las Tablas 2. y 3. , y teniendo en cuenta estudios a nivel nacional sobre espectros de carga por eje, se puede deducir que el número de vehículos comerciales durante los 20 años del período de diseño corresponde aproximadamente a 196.000, los cuales aportarán ejes cargados de los tipos simple y tándem, los que de acuerdo con la Tabla 3, se pueden distribuir de manera relativa de la siguiente manera:
Ejes simples: 375800
Ejes tándem: 27.400
Para abarcar las dos clases de ejes, se trabajará con cuatro vehículos comerciales típicos: buses, camiones C2, C3 y C5. Para tal fin, en la Tabla 4 se presenta el número total de vehículos comerciales de cada clase a considerar en el diseño.

Tabla 4. Transito esperado en el carril de diseño por clase de vehículo

CLASE DE VEHÍCULO COMERCIAL
Nvc
BUS
18.000
C2
161.200
C3
7.400
C5
10.000
VOLUMEN TOTAL VEH. COMERCIALES
196.000
TPD-VC (DURANTE EL PERÍODO)

ESPECTROS DE CARGA PARA DISEÑO

Para fines de diseño, se trabajará con espectros de carga representativos para cada clase de vehículo considerado, tomando como referencia operativos de pesaje realizados a nivel nacional.

En la Tabla 5 se presenta el total de vehículos comerciales de cada clase esperados en el carril de diseño durante el período de diseño y las cargas promedios representativas por eje.

Tabla 5 Número de repeticiones esperadas y espectros de carga promedio

CLASE DE VEHÍCULO
REPETICIONES ESPERADAS
PESO TOTAL TON.(KN)
EJE SIMPLE 1 TON.(KN)
EJE SIMPLE 2 TON.(KN)
EJE TANDEM TON.(KN)
BUS
18.000
9.5 (95)
3.5 (35)
6.0 (60)

C2
161.200
16.0 (160)
6.0 (60)
10.0 (100)

C3
7.400
28.0 (280)
6.0 (60)
-
(220)
C5
10.000
48.0 (480)
6.0 (60)

22.0 (220)
20.0(200)

CBR DISEÑO

Si tenemos en cuenta lo valores de CBR de los 3 apiques encontramos el CBR critico que es de un 2,98%. Sin embargo de acuerdo a las recomendaciones realizadas por el Geotecnista en el informe del estudio de suelos adelantado en la zona y a Criterio propio como diseñador, se recomienda realizar un mejoramiento de la subrasante, a partir de un material de relleno que tenga un valor de CBR mínimo de 10% y que además cumpla con las especificaciones descritas material de relleno, que se indican en el artículo INV 300 -13 y INV 311 – 13 de la norma INVIAS.
El espesor de relleno recomendado será mínimo de 30 cm, en las zonas donde se proyecta construir el pavimento en concreto rígido.

MÓDULO DE REACCIÓN DE LA SUBRASANTE

Imagen 2. RELACION CBR- MODULO REACCION SUBRASANTE K

FUENTE: CHH SANDOVAL .MECANICA DE PAVIMENTOS

La expresión que correlaciona el valor de K con el CBR 10% es la siguiente:

Por tanto
K (kg/cm3) = 4,51+0,89 [Log(10)]4,34

K = 5,4 (kg/cm3)
K (MPa/m) = 46+9,08 [Log(10)]4,34

K = 55,08 (MPa/m)
Las subbases se recomiendan para prevenir el fenómeno de bombeo, sin embargo su presencia tiene como consecuencia un incremento en la capacidad de soporte del pavimento que se puede aprovechar para efectos de diseño porque puede disminuir en algo el espesor de la losa.

Si Consideramos 0,15 m de subbase granular, en la tabla 6, se muestra el incremento que es de esperar, dando como resultado el Modulo combinado de Reacción de la Subrasante.

TABLA 6. Efecto de la subbase granular sobre los valores de k


Interpolando entre los valores señalados en la tabla correspondiente al espesor de la subbase indicado tenemos:

K comb.= 61,75 MPa/m , el cual aproximamos a 62 Mpa/m.
MODULO DE ROTURA DEL CONCRETO

Para este caso se considerarán cuatro alternativas de diseño en función de igual número de valores de resistencia a la flexión del concreto, recomendados por el Instituto Nacional de Vías, a saber: 3.8, 4.0, 4.2 y 4.5 MPa. Sin embargo el uso de concretos con resistencia Mr = 3,8 MPa, se limita a casos especiales; tal es el caso de zonas donde las características de los agregados pétreos no permitan la elaboración de concretos con resistencias superiores.

MECANISMO DE TRANSFERENCIA DE CARGA Y SOPORTE LATERAL

Mecanismo de transferencia de carga: existencia o no de barras de transferencia de carga. En general, se recomienda proveer la transferencia de carga mediante el mecanismo de dovelas (barras lisas pasa juntas) para proyectos con más de 5 millones de repeticiones de ejes estándar equivalentes o con un tránsito de vehículos comerciales superior a los 80 o 120 diarios, ya que se ha encontrado con la experiencia que un tránsito mayor a este produce molestas fallas en las juntas, tales como las diferencias de elevación, es decir, que no empatan ambos lados de la junta. Sin embargo a pesar de ser un proyecto con bajo tránsito vehicular; pero que tendrá zonas de movilidad libre (maniobras para parqueo) se proyectarán dovelas de transferencia de carga a través de las juntas transversales, en la vía de acceso al parqueadero y dovelas tanto en juntas longitudinales como transversales en aquellas zonas donde los vehículos se desplazaran libremente para ingresar o sacar sus vehículos de la zonas de parqueo en Adoquín.

Soporte lateral: existencia o no de bermas de concreto. Para este proyecto No se considerará la existencia de bermas de concreto, aunque se utilizaran sardineles como elementos de confinamiento lateral de la zona en adoquín que colinda con el pavimento rígido.
FACTOR DE SEGURIDAD DE CARGA

El método de diseño exige que las cargas reales esperadas se multipliquen por unos factores de seguridad de carga (F.S.C.), recomendándose los siguientes:
Para tránsito pesado, FSC = 1,2.
Para tránsito medio, FSC = 1,1.
Para tránsito bajo, FSC = 1,0.
En nuestro caso se trata de un tránsito bajo; por tanto el factor de seguridad de diseño es FSC = 1,0.
PERIODO DE DISEÑO

Dado que es difícil predecir el transito con suficiente aproximación para un término demasiado largo, comúnmente se toma un lapso de 20 años, como periodo para el diseño de un pavimento rígido de calle o carrera. En el caso de nuestra vía de acceso a las zonas de parqueo:

T = 20 años
ALTERNATIVAS DE DISEÑO

Se plantean cuatro alternativas de diseño, considerando para ello un análisis de sensibilidad con respecto a los valores de módulo de rotura del concreto recomendados por INVIAS (3.8, 4.0, 4.2 y 4,5 Mpa), resultando entonces un total de cuatro opciones de diseño técnicamente equivalentes.

A continuación se plantean los parámetros de diseño requeridos para correr el programa PCA-CALCULO:

Tabla 7 Resumen de parámetros de diseño

PARÁMETRO

ATRIBUTOS ASIGNADOS PARA LAS DIFERENTES PARÁMETROS
Tránsito
véase Tabla 5
k de diseño
62 MPa/m
Módulo rotura
3.8, 4.0, 4.2 y 4.5 MPa
Soporte lateral
SI
Pasadores de carga

SI
Factor de seguridad

1.0
FUENTE: PROPIA

Consumo de fatiga y erosión: El cálculo del espesor de pavimento se realizará haciendo uso del método de la PCA, en el cual se consideran dos criterios de falla: por fatiga debido a la repetición de cargas y por erosión de las capas de apoyo. Un espesor adecuado será aquel que cumpla de manera simultánea con los dos criterios, es decir, que tanto el consumo de fatiga como el de erosión no superen el 100% disponible, respectivamente.
ESPESORES DE DISEÑO

Para la obtención de los espesores de cada una de las cuatro alternativas consideradas, se hace uso del software PCA-CALCULO de la Universidad del Cauca. Para tal efecto, se tienen en cuenta los parámetros de diseño relacionados en el numeral anterior.
A continuación se presenta en forma tabular (véase la Tabla 8) y esquemática los resultados obtenidos. Para mayor ilustración, como Anexo al presente informe se presentan las hojas de cálculo generadas por el software para cada una de las alternativas propuestas.

Tabla 8. Alternativas de solución para SBG = 150 mm y Kcomb.= 63 Mpa/m

ALTERNATIVA

No.
ESPESOR DE

LOSA (mm.)
MÓDULO DE

ROTURA (Mpa)
CONSUMO POR

FATIGA (%)
CONSUMO POR

EROSIÓN (%)
1
200
3.8
92.93
4.62
2
200
4.0
35.12
4.62
3
190
4.2
55.97
7.38
4
180
4.5
63.47
11.97
FUENTE: PROPIA

De acuerdo con la Tabla 8, se puede plantean las siguientes alternativas de solución técnicamente equivalentes:

Una losa de 200 mm de espesor con un Módulo de rotura de 3.8/4,0 MPa.

Una losa de 190 mm de espesor con un Módulo de rotura de 4.2 MPa.

Una losa de 180 mm de espesor con un Módulo de rotura de 4.5 MPa.

Alternativa No. 1: Mrotura = 3.8/4.0 Mpa; SBG = 0.15 m; Relleno seleccionado = 0.30 m

Alternativa No. 2: Mrotura = 4.2 Mpa; SBG = 0.15 m; Relleno seleccionado = 0.30 m

Alternativa No. 3: Mrotura = 4.5 Mpa; SBG = 0.15 m; Relleno seleccionado = 0.30 m

De las alternativas mostradas en la Tabla 8, conviene escoger la correspondiente a la solución con mezcla de módulo de rotura igual a 4.0 Mpa, por cuanto corresponde a un valor de resistencia a la flexo – tracción mayor a la mínima establecida por INVIAS, lo cual favorece la durabilidad de la mezcla y por otra parte, podría permitir eventualmente que la mezcla sea realizada a pie de obra por parte del contratista, ya que con el cuidado necesario es posible producir este tipo de mezcla con la resistencia de diseño; en tanto que las mezclas de concreto con módulos de rotura de 4.2 y 4.5 Mpa, son más difíciles de conseguir con mezclado manual en obra. En todo caso es preferible utilizar siempre concreto premezclado, como sello de garantía del control de calidad que se debe tener en toda obra civil.

Alternativa de solución recomendada: Mrotura = 4.0 Mpa; SBG = 0.15 m; Relleno seleccionado = 0.30 m

DISEÑO DE LAS JUNTAS DEL PAVIMENTO

Las juntas son parte importante de los pavimentos rígidos y se proyectan con el fin de controlar los esfuerzos que se presentan en el concreto como consecuencia de los movimientos de contracción y de dilatación del material y los generados por los cambios de temperatura y humedad entre la cara superficial y la de soporte de las losas de concreto.

A continuación se hará referencia al tratamiento a seguir a los diferentes tipos de juntas que se deben considerar en el diseño.

JUNTAS DE CONSTRUCCIÓN

Lo más frecuente es construir los pavimentos de concreto por carriles, generando juntas longitudinales. Este es el caso del presente proyecto, en donde se recomienda seguir esta metodología durante la construcción, con el fin de contar con espacio disponible para la circulación del personal de obra y disposición de materiales y equipos Dicha junta cumple también la función de disipar los esfuerzos generados por alabeo en las losas debido principalmente a gradientes térmicos.

Con el fin de impedir el desplazamiento de las losas de un carril, respecto a las del otro, se recomienda dotar las juntas longitudinales con barras de anclaje, cuyo acero debe cumplir con el Artículo INV 500-13 y lo que sea aplicable del Artículo 640-13, admitiéndose aceros con resistencia de 187,5 MPa (40.000 psi) y 280 MPa (60.000 psi). La selección del diámetro, separación, longitud y resistencia de las barras de anclaje, se puede hacer según los criterios indicados en la Tabla 9, tomada del Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito-INVÍAS 2008.

Al escoger barras corrugadas de diámetro ½" (fy=60.000 psi), según la Tabla 9, se requieren longitudes mínimas 0.85 m. y separaciones máximas de 1.20 m. para la alternativa de diseño seleccionada. No obstante, para fines constructivos conviene asignar una separación entre barras que sea fácilmente modulable. Por lo tanto, se recomienda la utilización de barras corrugadas de ½" (fy=60.000 psi), de 0.85 m, separadas 1.00 m.

Además de las juntas longitudinales descritas, se presentan juntas de construcción transversales, cuando se suspenden las labores de colocación del concreto, bien sea por la finalización de la jornada laboral, por alguna interrupción en el suministro del material o por averías en alguno de los equipos empleados para su producción, transporte o colocación. En todo caso, el método más común para finalizar las labores de construcción es rematando la obra contra una formaleta de madera que genera una cara lisa, por lo cual es necesario dotar esta junta de pasadores de carga, a través de dovelas con las mismas características a las señaladas en el numeral 2.12 SISTEMA PARA LA TRANSMISIÓN DE CARGAS, y por consiguiente, la formaleta tiene que estar dotada de agujeros que permitan insertar las dovelas. Este tipo de juntas transversales de construcción no necesitan el corte inicial para debilitar la sección, siendo sólo necesaria la realización del corte secundario para conformar la caja en la que se alojará posteriormente el material de sello.
En la Figura 5.1 se muestra el detalle de la junta transversal de construcción y para el sello de la misma se presentan dos alternativas.
SISTEMA PARA LA TRANSMISIÓN DE CARGAS

Para los sectores viales en que tiene aplicación el presente diseño de pavimento, se ha considerado conveniente que la transmisión de cargas de una losa a su vecina se realice a través del mecanismo denominado trabazón de agregados, motivo por el cual no será necesaria la utilización de barras de transferencia de carga a través de las juntas transversales.

Tabla 9. Recomendación para las barras de anclaje

FUENTE: Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito-INVÍAS 2008.

Imagen 3. Detalle de junta transversal de construcción


No obstante lo anterior, para el caso de las juntas de construcción, se deberá disponer de barras de transferencia (dovelas) ubicadas a través de las juntas transversales, las cuales están constituidas por varillas de acero liso y de cortas longitudes, con límite de fluencia mínimo de 60.000 psi, de acuerdo con los artículos INV-500-13 e INV-640-13, metidas dentro del concreto fresco. Los pasadores se instalan en las juntas de tal manera que le permitan a las losas separarse y unirse entre sí, pero no desplazarse verticalmente, y su función está orientada principalmente a absorber los esfuerzos de cortante, generados por las cargas del tránsito al cruzar las juntas y transmitir a la losa adyacente entre el 40 y 45% de la carga de diseño, cuando esta se coloca cerca de la junta.

Las dovelas, para poder cumplir con su objetivo, deben ser fáciles de instalar, lisas y estar recubiertas en toda su longitud con un material antiadherente, con el propósito de no restringir los desplazamientos horizontales de las losas. En la Tabla 10, tomada del Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito-INVÍAS 2008, se indican las dimensiones, espaciamiento y longitud de los pasadores a utilizar en cada caso.
Tabla 10. Recomendaciones para la selección de los pasadores de carga

Atendiendo las recomendaciones dadas en la Tabla 10, para el presente proyecto se instalarán barras de transferencia de carga en las juntas transversales, solo para el caso de las juntas de construcción y estas estarán conformadas por barras lisas de 1" de diámetro y 35 cm de longitud. Estos pasadores se deben colocar en la mitad del espesor de las losas, paralelos entre sí, al eje longitudinal de la vía y a la superficie del pavimento, con una tolerancia medida en el extremo del pasador que no sobrepase los 10 mm respecto a la posición teórica.
JUNTAS DE EXPANSIÓN

La distribución geométrica de las juntas se inicia con la definición de los lugares en los cuales se colocan las juntas de expansión o aislamiento, que por regla general se localizan en la losa anterior al punto en donde se presenta la particularidad (véase la Imagen 4), deberán tener un ancho máximo de 20 mm y entre sus caras se colocará un material compresible, ubicado desde el fondo de la losa y hasta 25 mm por debajo de la superficie final de losa.

Imagen 4. Detalle de junta de expansion

Fuente: Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito-INVÍAS 2008).

Las juntas de expansión alrededor de elementos incorporados dentro del pavimento, tales como sumideros, cámaras de inspección o cajas, deben estar como mínimo a 300 mm de los bordes de dichos elementos y su forma deber ser poligonal, circular, o semicircular, tal como se observa en la imagen 5.

Imagen 5. Juntas de expansión alrededor de elementos incorporados dentro del pavimento.

Fuente: Manual de diseño de pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de tránsito-INVÍAS 2008).

Cuando se trate de juntas de expansión o aislamiento con una forma poligonal, hay que construir juntas longitudinales o transversales, contracción, en cada uno de los vértices del polígono. Si la junta de aislamiento tiene forma circular o semicircular, de ella debe salir al menos una junta longitudinal o transversal de contracción.
MODULACIÓN DE JUNTAS

Los criterios para determinar la longitud de la losa son:
a. Criterio ideal: Longitud = ancho, losas cuadradas
b. Longitud de la losa = 25 D (D = espesor de la losa)
c. Longitud de la losa = ancho del carril x 1.25 (Criterio AASHTO)
Cuando se diseñan losas rectangulares se toma el menor valor de los criterios b. y c.

La relación de esbeltez se define como:

RELACION DE ESBELTEZ= LARGOANCHO<1.25

Tabla 11. Configuración geométrica de las losas
VIA DE ACCESO PARQUEADERO:

Criterio
Ancho (m)
Long. (m)
R. Esbeltez
Cumple
Losas cuadradas
3,0
3,0
1,0
OK!
Espesor de la losa
3,0
5,0
1,66
NO
Aashto.
3.0
3,75
1,25
OK!

VIA ACCESO ZONAS DE CARGUE Y DESCARGUE:

Criterio
Ancho (m)
Long. (m)
R. Esbeltez
Cumple
Losas cuadradas
3,33
3,33
1,0
OK!
Espesor de la losa
3,33
5,0
1,5
NO
Aashto.
3.33
4,16
1,25
OK!

Teniendo en cuenta los criterios anteriores, Para la vía de acceso a parqueaderos resulta un espaciamiento mínimo entre juntas transversales de 3.00 m. y máximo de 3.75 m. Ahora bien, considerando que la implementación de las juntas genera un costo, así como potenciales problemas, si estas no se desempeñan de manera adecuada, conviene entonces minimizar el número de juntas presentes en el proyecto. Así las cosas, para el caso en que no se presenten restricciones, se recomiendan implementar una separación de 3.50 m. entre juntas transversales adyacentes. Sin embargo, en las zonas aledañas a las intersecciones, pozos de inspección u otras estructuras, será necesario modular las losas de tal forma que la longitud entre juntas oscile entre 3.00 y 3.75 m.
En la vía de acceso a las zonas de cargue y descargue de la planta piloto se recomienda la construcción de losas de 3,33 x 3,5. Sin embargo se puede implementar una separación máxima entre juntas transversales hasta de 4,15 m.
SELLADO DE JUNTAS

El ancho de corte de las juntas en su parte superior deberá ser de 6 mm. Especial cuidado deberá dársele al menisco o espacio libre entre el sello y el tope de la junta, con el fin de poder garantizar una adecuada durabilidad, dado que un exceso en el material de sello ocasionará desgarres del mismo debido a la acción del tránsito. Se recomienda que el material de sello lo constituya una masilla de poliuretano monocomponente de bajo módulo u otro material de características adecuadas, la cual debe ser contenida en la cavidad de la junta. En la imagen 3 se presenta un detalle de la geometría y el sellado de una junta de contracción con dos alternativas diferentes para la escogencia del material de sellado.
REFUERZO DE LOSAS IRREGULARES

Todas aquellas losas cuya forma sea irregular (ángulos diferentes a 90º o que contengan tapas de pozos, sumideros, etc.), deberán ser de tipo reforzado. Para ello se recomienda la colocación de una doble parrilla, a los tercios de la losa, conformadas con barras de acero corrugado, de diámetro ½ pulgada, con separación de 0.20 metros, en sentido transversal y longitudinal.
CHEQUEO DE LOS ESFUERZOS Y DEFLEXIONES DE LA LOSA

Imagen 6. Puntos de evaluación de esfuerzos en la losa.


Diseñada la losa en cuanto su espesor y dimensiones, se debe realizar el chequeo del modelo estructural de manera, que los esfuerzos y deflexiones en el borde, esquina y en la parte interna de la losa no superen los valores admisibles (MR=4,0 MPa) y por lo tanto la losa se comporta estructuralmente de manera adecuada ante las solicitaciones de la cargas impuestas por el tránsito y el medio ambiente.

El modelo estructural de referencia que será evaluado es el siguiente:

Imagen 7. Modelo estructural pavimento en concreto rígido.


Para lo cual utilizaremos el software CEDEL 3.0 y UNA LOSA.

Se tiene que Mr=2,2 Fc , y módulo de elasticidad del concreto Ec= 11500 Fc, en Kg/cm2 para concretos a base agregados grueso y de origen sedimentario.

Tabla 12. Valores parámetros de evaluación de esfuerzos
Parámetro
Valor asignado
Espesor Losa (mm)
200
Módulo de Elasticidad Concreto Ec (MPa)
21000
Módulo de Reacción subrasante K (MN/m3)
64
Relación de Poisson Concreto µ
0.15
Densidad del Concreto ˠ (MN/m3)
0.0236
Carga P (N)
40000
Radio de Carga (a) (cm)
15.27
Ancho Losa (cm)
300/500
Longitud Losa (cm)
350/500
Coeficiente de fricción Losa/Subrasante
1.5
Coeficiente de dilatación T° (/°C)
9.0 E-06
Diferencial de Temperatura T° (°C/cm)
0,545
FUENTE: PROPIA

Tabla 13. Valores de resistencia admisibles
VALORES ADMISIBLES
Valor asignado
Modulo Rotura (Mr)
4,0 MPa
Deflexión Maxima
2 mm

FUENTE: PROPIA

Las losas objeto de evaluación serán de las dimensiones recomendadas, es decir de 3 x 3,50 y 3,33 x 3,5.

PROGRAMA CEDEL 3.0

ESFUERZOS POR FRICCION:

LOSAS 3,0 X 3,5 m
Dirección X:

Dirección Y:

LOSAS 3,33 X 3,5 m

Dirección X:

Dirección Y:

ESFUERZOS POR ALABEO

LOSAS 3,0 X 3,5 m

LOSAS 3,33 X 3,5 m

ESFUERZOS A TENSION Y DEFLEXIONES POR CARGA

LOSAS 3,0 x 3,5 m y 3,33 x 3,5 m

Dirección X:

PROGRAMA UNA LOSA

LOSAS 3,0 X 3,5

3,33 x 3,5 m

Tabla 14. Chequeo de Esfuerzos.

LOSAS 3,0 X 3,5
PUNTO
VR SERVICIO (MPa)
VR ADMISIBLE (MPa)
% CONSUMO
Esquina
2,517

4,0
62,92%
Borde
3,01

75,25%
Interior
2,175

54,37%

LOSAS 3,33 X 3,5
PUNTO
VR SERVICIO (MPa)
VR ADMISIBLE (MPa)
% CONSUMO
Esquina
2,696

4,0
65,56%
Borde
3,01

75,25%
Interior
2,195

54,87%
FUENTE: PROPIA

Tabla 15.Chequeo de Deflexiones:

PUNTO
VR SERVICIO (mm)
VR ADMISIBLE (mm)
% CONSUMO
Esquina
0,174

2,0
8,7%
Interior
1,16

58%
FUENTE: PROPIA

Imagen 8. Combinación de esfuerzos en la losa de concreto
LOSAS 3,0 X 3,5

LOSAS 3,33 X 3,5

FUENTE: PROPIA

De acuerdo al cuadro de chequeo de esfuerzos se puede deducir que la zona donde se da mayor solicitud del módulo de rotura del concreto (MR=4,0 MPa) está en los bordes, Es en este sector de la losa analizada donde se da la máxima concentración de esfuerzos de servicio (3,708 MPa), aproximadamente un 75% del MR.

De acuerdo al cuadro de chequeo de Deflexiones se puede decir que la zona donde se producen mayores deflexiones por acción de una carga (circular) es en la esquina de la losa analizada, ya que en este sector se da la máxima deflexión (1.16 mm) por la acción de una carga de servicio (40000 N), que no supera la deflexión máxima permitida (2mm).

Teniendo en cuenta el análisis de la losa bajo las especificaciones de servicio descritas y propiedades del concreto suministradas (Modulo de rotura y deflexión máxima permitida) se puede decir que este diseño de losa satisface los criterios de la mecánica de pavimentos.

DISEÑO ZONAS DE PARQUEO –PAVIMENTO ARTICULADO (ADOQUIN EN CONCRETO)

Imagen 9. Procedimiento de diseño para vías en adoquín- ICPC

FUENTE: Ingeniería De Pavimentos, Fundamentos, Estudios Básicos y Diseños

Para el diseño de la zona de parqueo utilizaremos la metodología propuesta por el ingeniero Alfonso Montejo Fonseca, en su libro Ingeniería De Pavimentos, Fundamentos, Estudios Básicos y Diseños el cual propone el diagrama de flujo anterior bajo el cual elegimos los espesores de las distintas capas que conformaran la estructura de pavimento articulado de acuerdo a valores de CBR y niveles de tránsito.
SUBRASANTE MEJORADA

De acuerdo a la caracterización de la subrasante tenemos que el CBR de diseño es aproximadamente 3%, y de acuerdo al flujo de diseño se encuentra en el rango de 2-4%; por tanto se requiere de una capa de subrasante mejorada, cuyo espesor debe ser mínimo de 35 cm.
SUBBASE GRANULAR

Teniendo en cuenta que la subrasante tiene un espesor de mejoramiento y que esta capa no será utilizada como capa de rodadura de acceso a esta zona de la obra, se recomienda un espesor de subbase granular de 15 cm.
BASE DE SUELO CEMENTO

No se requiere capa de Base de suelo cemento. De acuerdo a la Tabla 2., se puede observar según INVIAS, para el caso de vías terciarias (categoría de tránsito To), que el tope máximo esperado de repeticiones para el período de diseño (20 años) no deberá superar a 1.000.000 de ejes estándar., por tanto este es inferior a 1,5 x 106 ejes de 8,2 ton. Además las señalizaciones verticales y horizontales en las zonas de parqueo funcionaran como mecanismos de canalización del tránsito.
CAPA DE ARENA Y ESPESOR DE ADOQUIN.

De acuerdo al nivel del tránsito de diseño y los espesores de las capas de base de suelo cemento, subbase granular y espesor de mejoramiento de la subrasante, se recomienda una capa de arena de 5 cm y espesor de adoquín en concreto de 8 cm, los cuales deben cumplir con las especificaciones técnicas del articulo Invias 510-13.

Por tanto la estructura de pavimento articulado es la siguiente:
8 cm8 cmAdoquín en ConcretoAdoquín en Concreto
8 cm
8 cm
Adoquín en Concreto
Adoquín en Concreto
35 cm35 cm15 cm15 cm5 cm5 cmCapa de arenaCapa de arenaSubbase GranularSubbase GranularSubrasante MejoradaSubrasante MejoradaSubrasante naturalSubrasante natural
35 cm
35 cm
15 cm
15 cm
5 cm
5 cm
Capa de arena
Capa de arena
Subbase Granular
Subbase Granular
Subrasante Mejorada
Subrasante Mejorada
Subrasante natural
Subrasante natural

APAREJO.

El aparejo (laying) constituye la forma en que se distribuyen los adoquines en el sentido predominante del tránsito. La Figura 3.13 muestra los cuatro aparejos típicos más utilizados. Shackel y Lim (2003) fundamentan este hecho en los resultados experimentales de Shackel (1980), quien midió las deformaciones verticales para distintos aparejos y obtuvo las menores en tramas espina de pescado a 45° y las mayores con la trama de corredor.

Imagen 10. Procedimiento de diseño para vías en adoquín- ICPC

FUENTE: MANUAL DE DISEÑO DE PAVIMENTOS DE ADOQUINES DE HORMIGON. ICH

Imagen 11. Efecto del aparejo en las deflexiones de pavimentos


Por tanto el aparejo recomendado para la zona de parqueos en adoquín es en espina de pescado 45°. De igual manera se recomienda el aparejo espina de pescado a 45° teniendo en cuenta que es el más eficiente para limitar las deformaciones horizontales tal como lo podemos observar en la imagen 12.

Imagen 12. Efecto del aparejo en las deformaciones horizontales de pavimentos


CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El pavimento de concreto rígido, como cualquier otra solución, tiene su justificación cuando la suma de los costos de construcción y mantenimiento a largo plazo, son inferiores a los de otras aplicaciones. Está demostrado que el costo de operación de los vehículos circulando sobre pavimentos de concreto hidráulico es menor que el que tienen cuando circulan sobre pavimentos de asfalto, existen estudios en los que se muestra que el consumo de combustibles es menor en los pavimentos de concreto, las distancias de frenado son más cortas y con ello los accidentes de tránsito son menos graves. También está demostrado que el consumo de energía para iluminar los pavimentos de concreto son menores, lo cual a largo plazo genera ahorros que pueden ser muy importantes cuando se trata de áreas urbanas.
Para la vía de acceso al parqueadero y zona de maniobras al interior de este la estructura de pavimento obtenida por el método de la PCA y recomenda es la siguiente:
GEOTEXTIL NT 1600. ART 231-13 INVIAS GEOTEXTIL NT 1600. ART 231-13 INVIAS ART 220/230-13 INVIAS ART 220/230-13 INVIASCLASE C, ART 320-13 INVIASCLASE C, ART 320-13 INVIASMR= 4,0 MPa, ART 500-13 INVIASMR= 4,0 MPa, ART 500-13 INVIAS
GEOTEXTIL NT 1600. ART 231-13 INVIAS
ART 220/230-13 INVIAS
ART 220/230-13 INVIAS
CLASE C, ART 320-13 INVIAS
MR= 4,0 MPa, ART 500-13 INVIAS
MR= 4,0 MPa, ART 500-13 INVIAS

Se recomienda conformar la base granular con una densidad igual o mayor al 100% del próctor modificado y cumplir con las demás disposiciones de la especificación INV 320-13.
Se recomienda que el pavimento rígido cumpla con las siguientes especificaciones mínimas discriminadas así:
Espesor losa de pavimento:
0,20 m
Espesor base granular
0,15 m
Módulo de rotura (Mr) concreto:
4,0 MPa (40.0 kg/cm2)
Barras lisas transferencia carga:
Ø1"@0,30 m Long. 0,35 m.
Barras corrugadas o anclaje:
Ø1/2"@1,20 m Long. 0,85 m

Se recomienda un control de calidad en la etapa constructiva, de forma tal que garantice que los materiales cumplan con las normas y especificaciones técnicas tenidas en cuenta en el diseño.
A una altura promedio del e/2 se colocará el refuerzo de transferencia de carga apoyado en una canastilla, con el fin garantizar la horizontalidad del pasador y su correcta posición después de fundida la losa.
Se recomienda utilizar tecnología de la construcción compactando y vibrando el concreto mediante una regla vibratoria, complementariamente se deberá utilizar el vibrador de aguja teniendo en cuenta que el espesor de la losa es mayores a 17 cm, de tal manera que se minimicen defectos y vacíos.

Cuando empiece el fraguado inicial se procederá a efectuar el primer corte (ancho de corte=3mm, profundidad=e/3) con el fin de inducir las juntas transversales de contracción. El tiempo exacto de éste corte depende del estado del tiempo en que se construya (temperatura ambiente y humedad), por lo tanto debe tenerse especial cuidado al definir el momento propicio para ésta actividad.
El sellado de las juntas debe garantizar la hermeticidad del espacio sellado, la adherencia del sello a las caras de la junta, la resistencia a la fatiga por tracción y compresión, el arrastre por las llantas de los vehículos, la resistencia a la acción del agua, los solventes, los rayos ultravioletas, la acción de la gravedad y el calor, con materiales estables y elásticos. El espacio de la junta a sellar debe estar seco y completamente limpio ya sea con lavado, barrido y luego soplado con compresor. Para sellar las juntas se pueden emplean llenantes elastoméricas autonivelantes a base de poliuretanos o siliconas vaciadas en frío (Sikarod y Sika flex15msl o similar).

Se debe remover la estructura de pavimento que existe en la actualidad hasta una profundidad tal, que al momento de reemplazarla por la estructura propuesta se conserve la cota de la rasante actual.

Para las zonas de parqueo la estructura de pavimento la estructura obtenida y recomenda es la siguiente:

8 cm8 cm5 cm5 cm15 cm15 cm35 cm35 cm ART 510-13 INVIAS ART 510-13 INVIASCLASE C, ART 320-13 INVIASCLASE C, ART 320-13 INVIASMAT. SELECC. ART 220/230-13 INVIASMAT. SELECC. ART 220/230-13 INVIAS GEOTEXTIL NT 1600. ART 231-13 INVIAS GEOTEXTIL NT 1600. ART 231-13 INVIAS
8 cm
8 cm
5 cm
5 cm
15 cm
15 cm
35 cm
35 cm
ART 510-13 INVIAS
ART 510-13 INVIAS
MAT. SELECC. ART 220/230-13 INVIAS
MAT. SELECC. ART 220/230-13 INVIAS

Para la buena ejecución del pavimento, es necesario que previamente a la Colocación de los adoquines se hayan colocado los bordes de confinamiento o bordillos perimetrales, a fin de tener la alineación y soporte necesarios para la realización del pavimentado, conteniendo el empuje exterior que produce el pavimento y evitando que la arena pueda dispersarse.
Para garantizar la fijación necesaria, los bordes de confinamiento deben Apoyarse 15 cm, como mínimo, por debajo del nivel inferior de los adoquines.
La junta ideal entre adoquines estará comprendida entre 3 y 5 mm. No se colocarán en ningún caso piezas a tope. Sobre estas dimensiones, el colocador podrá realizar ligeras modificaciones al objeto de mantener las alineaciones correctas.

A la hora de elaborar la base se cuidará de forma especial la nivelación de la rasante de proyecto, evitando al máximo las posibles desviaciones. De otra forma pueden producirse discontinuidades en la cama de arena que afectaran al comportamiento homogéneo del adoquinado, sobre todo durante su proceso de compactación.

Se recomienda un control de calidad en la etapa constructiva, de forma tal que garantice que los materiales cumplan con las normas y especificaciones técnicas tenidas en cuenta en el diseño.

LUIS HERNANDEZ TEHERAN
INGENIERO CIVIL

ANEXOS

INFORME DE DISEÑO DE PAVIMENTOS

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