Metodos De Diseño De Pavimentos (metodo Aashto. Metodo Shell Metodo Invias)

MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS GRUPO E: CONTRERAS BEDYA CARINA MAYERLY COD. D7300805 CHAPARRO CHAPARRO ARMANDO COD. D7301503 MALDONADO PENAGOS CIRO ANTONIO COD. D7300537 SANCHEZ SALDAÑA JUDY RUBIETH COD. D7301088

PRESENTADO AL ING. LUIS ANGEL MORENO ANSELMI UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA FACULTAD DE EDUCACIÓN A DISTANCIA PROGRAMA DE INGENIERIA CIVIL PAVIMENTOS AGOSTO DE 2015

MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS:

1. Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO. La aplicación del Método AASHTO-72 se mantuvo hasta mediados del año 1983, cuando se determinó que, aún cuando el procedimiento que se aplicaba alcanzaba sus objetivos básicos, podían incorporársele algunos de los adelantos logrados en los análisis y el diseño de pavimentos que se habían conocido y estudiado desde ese año 1972. Por esta razón, en el período 1984-1985 el Subcomité de Diseño de Pavimentos junto con un grupo de Ingenieros Consultores comenzó a revisar el "Procedimiento Provisional para el Diseño de Pavimentos AASHTO-72", y a finales del año 1986 concluye su trabajo con la publicación del nuevo "Manual de Diseño de Estructuras de Pavimentos AASHTO '86“en el cual se introdujeron factores de confiabilidad, drenaje y aspectos climáticos, y su correspondiente versión mejorada de 1993, el método AASHTO comenzó a introducir conceptos mecanicistas para adecuar algunos parámetros a condiciones diferentes a las que imperaron en el lugar del ensayo original, esta basado en los resultados AASHO Road Test. El método AASHTO se diferencia de otros métodos, en la manera en que introduce el concepto de serviciabilidad en el diseño de pavimentos como una medida de su capacidad para brindar una superficie lisa y suave al usuario. En el presente se mostraran sus métodos de diseño de pavimentos rígido y flexible.1 1. Corredor G. Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO. P3-2

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

Pavimento Rígido: Consiste en una losa de concreto simple o armado, que se apoya directamente sobre una base o subbase. La losa tiene como función principal absorber la mayor parte de los esfuerzos a los que es sometida la estructura de pavimento esto se debe a su rigidez y alto modulo de elasticidad. 2.

Fig.1. Pavimento rígido

2. Método AASHTO 93 Para El Diseño De pavimentos Rígidos.PDF

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

Para el diseño de pavimentos rígidos se hace uso de la siguiente ecuación

Ecuación. 1. Manual de diseño de Pavimentos ASSHTO 1993. Ecuación fundamental AASHTO para el diseño de pavimentos rígidos

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

Para el diseño de pavimentos rígidos se hace uso de la siguiente ecuación

TIPOS DE PAVIMENTO DE CONCRETO Los diversos tipos de pavimentos de concreto pueden ser clasificados, en orden de menor a mayor costo inicial, de la siguiente manera : 3 • Pavimentos de concreto simple. - Sin pasadores. - Con pasadores. • Pavimentos de concreto reforzado con juntas • Pavimentos de concreto con refuerzo continuo. 3. Método AASHTO 93 Para El Diseño De pavimentos Rígidos.PDF

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL PAVIMENTO RÍGIDO a) Subrasante La subrasante es el soporte natural, preparado y compactado, en la cual se puede construir un pavimento. La función de la subrasante es dar un apoyo razonablemente uniforme, sin cambios bruscos en el valor soporte, es decir, mucho más importante es que la subrasante brinde un apoyo estable a que tenga una alta capacidad de soporte. Por lo tanto, se debe tener mucho cuidado con la expansión de suelos. 4 b) Subbase La capa de Subbase es la porción de la estructura del pavimento rígido, que se encuentra entre la subrasante y la losa rígida. Consiste de una o más capas compactas de material granular o estabilizado; la función principal de la Subbase es prevenir el bombeo de los suelos de granos finos. La Subbase es obligatoria cuando la combinación de suelos, agua, y tráfico pueden generar el bombeo. Tales condiciones se presentan con frecuencia en el diseño de pavimentos para vías principales y de tránsito pesado. Entre otras funciones que debe cumplir son: • Proporcionar uniformidad, estabilidad y soporte uniforme. • Incrementar el módulo (K) de reacción de la subrasante. • Minimizar los efectos dañinos de la acción de las heladas. • Proveer drenaje cuando sea necesario. • Proporcionar una plataforma de trabajo para los equipos de construcción. 4. Subrasante y Subbase para pavimentos de concreto de la American Concrete Pavement Association (ACPA)

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL PAVIMENTO RÍGIDO c) Losa La losa es de concreto de cemento portland. El factor mínimo de cemento debe determinarse en base a ensayos de laboratorio y por experiencia previas de resistencia y durabilidad. Se deberá usar concreto con aire incorporado donde sea necesario proporcionar resistencia al deterioro superficial debido al hielo-deshielo, a las sales o para mejorar la trabajabilidad de la mezcla.5

5. Método AASHTO 93 Para El Diseño De pavimentos Rígidos.PDF

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

Pavimento Flexible: Consiste en una serie de capas de material seleccionado, las cuales se ordenan así: Subbase la cual se apoya sobre el material de fundación, base y por ultimo la capa de rodamiento . En los pavimentos flexibles, que al tener menor rigidez, transmiten los esfuerzos hacia las capas inferiores lo cual trae como consecuencia mayores tensiones en la subrasante, como se pude apreciar en la figura 2. 6

Fig.2. Pavimento Flexible 6. Método AASHTO 93 Para El Diseño De pavimentos Rígidos.PDF

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

1. Limitaciones de Tiempo Periodo de Desempeño: Se refiere al tiempo en que la estructura inicial de pavimento se encuentre en buenas condiciones antes de necesitar alguna rehabilitación o el tiempo de desempeño entre las operaciones de rehabilitación. Periodo de Análisis: es el periodo de tiempo que cualquier estrategia de diseño debe cubrir, debido a limitaciones en el comportamiento del pavimento, se hace necesario contar con planes de rehabilitación del pavimento dentro del periodo de análisis. Ver figura 3. 7

Fig.3. Representación grafica del periodo de análisis. ASSHTO 1993. 7. Manual de diseño de Pavimentos ASSHTO 1993.

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO. 2.Trafico: El procedimiento de diseño se basa en la cantidad de ejes simples equivalente cargados con 18 Kips (80KN) esperados durante el periodo de diseño.8

Fig. 4.Periodo de Análisis. ASSHTO-93

3. Confiabilidad : Es la adición de algún grado de certeza a los procesos de diseño para asegurar que las diferentes alternativas de diseño se desempeñen adecuadamente durante el periodo de diseño. Este nivel de confianza debe incrementarse con el volumen de trafico.9

8. Manual de diseño de Pavimentos ASSHTO 1993.

Fig. 5. Nivel de Confiabilidad. ASSHTO-93 9. Ibíd.

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO. Cuando se considera etapas de construcción la confiabilidad de cada etapa debe ser calculada para lograr la confiabilidad total. [R etapa = (R total)^(1/n)]Donde n es el numero de etapas a considerar. 4. Efectos ambientales: Los efectos a largo plazo de temperatura y contenido de humedad sobre la reducción del servicio no fueron incluidos. La perdida debido al Medio Ambiente es la suma de las perdidas debido a cambios volumétricos como heladas. 10

Fig. 6. Ejemplo conceptual de la pérdida de servicio del medio ambiente VS tiempo que puede ser desarrollado para una ubicación específica. ASSHTO-93 10. Manual de diseño de Pavimentos ASSHTO 1993.

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

5. Servicialidad: Para calcular el cambio en servicialidad se debe establecer los índices de servicialidad inicial y final, para así poder obtener un PSI que será usado en las ecuaciones de diseño. El índice de diseño es función del tipo de pavimento y de la calidad de su construcción, el valor típico para pavimentos flexibles es de 4.2. El índice de servicialidad final será el índice mas bajo a ser tolerado antes de que la rehabilitación sea necesaria. 11

11. Manual de diseño de Pavimentos ASSHTO 1993.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO. Para el diseño de pavimentos Flexibles se hace uso de la siguiente ecuación para determinar el numero estructural (SN)

Ecuación.2 Ecuación fundamental AASHTO para el diseño de pavimentos Flexibles

Donde: Variables Independientes Wt18 : Número de aplicaciones de cargas equivalentes de 80 kN acumuladas en el periodo de diseño (n) ZR : Valor del desviador en una curva de distribución normal, función de la Confiabilidad del diseño (R) o grado confianza en que las cargas de diseño no serán superadas por las cargas reales aplicadas sobre el pavimento. So: Desviación estándar del sistema, función de posibles variaciones en las estimaciones de tránsito (cargas y volúmenes) y comportamiento del pavimento a lo largo de su vida de servicio. ΔPSI: Pérdida de Serviciabilidad (Condición de Servicio) prevista en el diseño, y medida como la diferencia entre la “planitud” (calidad de acabado) del pavimento al concluirse su construcción (Serviceabilidad Inicial (po) y su planitud al final del periodo de diseño (Servicapacidad Final (pt). MR: Módulo Resiliente de la subrasante y de las capas de bases y sub-bases granulares, obtenido a través de ecuaciones de correlación con la capacidad portante (CBR) de los materiales (suelos y granulares).12 12. Manual de diseño de Pavimentos ASSHTO 1993.

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

Variable dependiente: SN: Número Estructural, o capacidad de la estructura para soportar las cargas bajo las condiciones (variables independientes) de diseño. Figura 4. presenta el nomograma recomendado para determinar el número estructural de diseño (SN) que se requieren para condiciones específicas, incluyendo 1) El W18 estimado futuro de tráfico (sección 2 1 2) para el período de ejecución. 2) la fiabilidad, R (sección 2 1 3), que asume toda la entrada es en valor medio, 3) la desviación estándar global, S0 (sección 2 1 3) 4) el módulo resiliente eficaz del material firme, MR (sección 2 3 1), y 5) la pérdida de servicio de diseño, PSI = po - pt (sección 2 2 1)13 13. ASSHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES. Flexible Pavement Design

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

Ecuación de Diseño Pavimento Flexible:

que corresponde al Método de Diseño AASHTO 93, dicha ecuación se resuelve mediante el siguiente Nomograma. Fig. 7 . ASSHTO-93. Nomograma para resolver la Ecuación de pavimento Flexible .

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

C1. Variables de diseño Los factores de diseño que participan en la ecuación (variables independientes) son los siguientes: 1. Cargas equivalentes en el período de diseño (Wt18), estimadas según indica el Aparte B.1.2 AASHTO-93 2. La confiabilidad en el diseño (R), estimado según se indicó en el Aparte B.1.3, AASHTO-93 la cual condiciona que cada una de las otras variables de diseño se correspondan con su valor promedio, es decir no deben ser ajustadas por el Proyectista hacia valores más conservadores, ya que el factor de ajuste se considera en forma global dentro de este concepto de confiabilidad 3. La desviación estándar del sistema (So), determinada según se establece en el Aparte B.1.3 AASHTO-93 4. El valor del Módulo Resiliente Efectivo (Ponderado) del material de subrasante (MR), determinado de acuerdo a lo indicado en el Aparte A.3.1. AASHTO-93 5. El valor del Módulo Resiliente de los materiales granulares empleados como base y/o sub-base. 6. La pérdida de servicapacidad en el período de diseño (PSI), la cual debe ser determinada de acuerdo a lo señalado en el Aparte B.2 AASHTO-93. 14 14. Corredor G. Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO.

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

a. Obtención de los datos W18 = N (Variable de Transito) , R, S0, M R, b. c. d. e. f.

PSI, y con estos se procede a determinar SN (Numero estructural) de la figura 4 (Nomograma), como se muestra en la imagen se localiza el valor de R, luego se ubica S0 y se traza una línea entre los dos puntos, luego se localiza el valor de W18 y se traza una línea partiendo de S0, luego se localiza MR y se traza una línea partiendo de W18, a continuación se localiza PSI y se traza una línea partiendo de MR, la cual finalmente interseca SN en un punto de la grafica de donde observamos el valor de SN.15

15. Corredor G. Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO.

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

C3.Determinación del Número Estructural (SN/i) Una vez que las variables de diseño mencionadas en el Aparte C.1 AASHTO-93 han sido introducidas en la ecuación AASHTO '93, se resuelve la ecuación para obtener el valor de SN. El proceso se simplifica mediante un proceso iterativo, en vez de despejar el valor de SN. Para esto se sustituyen todas las variables de diseño, excepto Wt18, y se van dando valores al término SN, hasta lograr que con un determinado valor de SN se logre obtener un valor para Wt18 igual al que se conoce como variable de diseño.16 Es muy importante señalar que esta ecuación RESUELVE LA POTENCIA ESTRUCTURAL SOBRE LA CAPA CUYO MÓDULO RESILIENTE HA SIDO SUSITITUIDO EN LA ECUACIÓN (SN/i), Y NO PUEDE RESOLVERSE PARA MATERIALES CON MÓDULOS MAYORES A 45.000 psi, lo que es lo mismo que decir que solo se resuelve para materiales a los cuales se les pueda realizar un ensayo del tipo CBR. 16. Corredor G. Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO.

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO. C4. Determinación de los espesores de cada capa Mediante la aplicación de la ecuación indicada anteriormente para SN/i, a saber:

Ecuación.3 Espesores de capa. AASHTO-93

1. Corredor G. Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO.

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

a. Criterio de Análisis multicapa La estructura de un pavimento flexible es un sistema multicapa, y debe ser diseñada en forma que cualquier capa de agregado no-tratado reciba esfuerzos verticales que no resulten en deformaciones permanentes, lo cual es, a su vez, función de las imposiciones del tráfico. 17 a.1 Mediante la aplicación de la ecuación de diseño, o de la Figura 12, se obtiene el valor de SNcalculado/base -tomando como dato de entrada para la calidad del material el Módulo Elástico de la base-. El espesor mínimo de la mezcla asfáltica de rodamiento resulta al dividir el SNcalculado/base, entre el coeficiente estructural de esta mezcla (arod), o sea: erod (mínimo) = (SNcalculado/base) / a rod Debe entonces seleccionarse un valor de espesor de rodamiento que sea igual o mayor al así calculado y que sea posible de construir. Este valor se ha denominado "e©rod", resultando, en consecuencia, que: e©rod ≥ (SN/base) / arod y por lo tanto se tendrá que el valor real (de diseño final o construcción) del Número Estructural sobre la base no tratada (SN©/base), será igual a: (SN©/base) = arod * e©rod ≥ (SNcalculado/base) 17. Corredor G. Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO.

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

a.2 El valor mínimo requerido para espesor de la capa base se determina de una manera similar, a saber: El valor de (SN©/base) se resta del valor del Número Estructural requerido para proteger la sub-base -el cual ha sido calculado por la misma ecuación de diseño pero con la variable del Módulo Elástico de la sub-base como valor de entrada en la ecuación-, y esta cantidad se divide entre el coeficiente estructural de la base notratada y el coeficiente de ajuste por drenaje (mi), resultando un número que será igual al espesor mínimo de capa de base, es decir: 18 ebase(mínimo) = [(SNcalculado/subbase) - (SN©/base)] / abase * mbase El valor seleccionado definitivamente para el espesor de la base debe ser igual o mayor a este mínimo-calculado, también en función de los espesores mínimos de construcción. A este valor se le ha identificado como (e©base), y se debe cumplir que: e©base ≥ [(SNcalculado/subbase) - (SN©/base)] / abase * mbase 18. Corredor G. Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO.

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

a.3 Se tiene, en consecuencia, que el Número Estructural Real (o de construcción) proporcionado por los espesores ya seleccionados de rodamiento y base, será igual a: SN©/subbase = arod * e©rod + e©base * abase * mBase ≥ SNcalculado/subbase a.4 El espesor de la sub-base se determina de una manera similar a las anteriores: a partir de la ecuación de diseño (o del nomograma de la Figura 12), se ha calculado el valor de número estructural sobre la subrasante (empleando para ello el valor de Módulo Resiliente Ponderado de la subrasante), siendo este valor SNcalculado/sr. De este valor se resta el de SN©/subbase, y el resultado se divide entre el coeficiente estructural de la subbase y el coeficiente de ajuste por drenaje (mi), resultando un número que será igual al espesor mínimo de capa de sub-base, es decir : 19 esub-base(mínimo) = (SNcalculado/sr) - [(SN©/base) + (SN©base)] / asubbase * msubbase

19. Corredor G. Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO.

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

Fig. 8. Procedimiento en Método AASHTO-1993 para la determinación de los espesores de las capas de un pavimento flexible

El valor seleccionado definitivamente para el espesor de la subbase debe ser igual o mayor a este mínimocalculado, también en función de los espesores mínimos de construcción. A este valor se le ha identificado como (e©sub-base), y se debe cumplir que 20 e©sub-base ≥ (SNcalculado/sr) - [(SN©/base) + (SN©base)] / asub-base * msub-base 20. Corredor G. Experimento Vial de la AASHO y las Guías de Diseño AASHTO.

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

Diseño pavimento Flexible

Fig. 9 INVIAS. Volúmenes de Transito 2010-2011

Datos Vía: Sisga - Guateque Longitud : 45Km Sector: Sisga Guateque Automóviles 57% Buses 12% Camiones 31% TPDS: 1513 Desviación estándar(): 262

INVIAS. Volúmenes de Transito 2010-2011

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

Tipos de vehículos

Fig. 11 INVIAS. Volúmenes de Transito 20102011

Fig. 10 INVIAS. Volúmenes de Transito 2010-2011

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO. Calculo Factor Camión Calcular Variable de Transito

DATOS

% de buses y camiones pequeños

69%

% de Camiones Vía de Tasa de crecimiento anual Período de diseño

31% 2 carriles 1 c/d. 8,0% 10 años a partir del 2011

10

TPD 2011

1513

Tabla 1. Datos de la vía tomados de INVIAS. Volúmenes de Transito 2010-2011 Ejes Simples Carga por eje (Ton)

∑ Ejes

∑ Ejes *1000 / ∑ vehículos pesados

Fe

Buses C - 2P

C - 2G

C-3

C-5

>C - 5

8

1100

650

85

35

46

1916

575,89

2,159

9

1170

2440

271

157

53

4091

1.229,64

3,458

Buses C - 2P

C - 2G

C-3

C-5

>C - 5

15

-

-

133

-

28

161

48,39

1,182

16

-

-

223

384

71

678

203,79

1,530

Buses C - 2P

C - 2G

C-3

C-5

>C - 5

19

-

-

-

-

67

67

20,14

0,447

20

-

-

-

-

32

32

9,62

0,554

NUMERO TOTAL DE BUSES Y CAMIONES

1135

1545

356

192

99

3327

Ejes Tándem Carga por eje (Ton)

∑ Ejes

Ejes Tridem Carga por eje (Ton)

FACTOR CAMIÓN ∑ /1000=

∑ Ejes

Tabla 2. Cálculos Factor Camión (Fc)

∑ Ejes *1000 / ∑ vehículos pesados

∑ Ejes *1000 / ∑ vehículos pesados

Fe

Fe

9,33

Fe * ∑ ejes vehículos pesados * 1000

1.243,16 4.251,78 Fe * ∑ ejes vehículos pesados * 1000

57,20 311,82 Fe * ∑ ejes vehículos pesados * 1000

8,99 5,33 5.878,28

5,88

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

Calculo Variable de Transito

Con los valores de Factor camión, crecimiento anual, periodo de diseño, TPD, %Vehículos pesados A, Factor Carril B, resolvemos la siguiente ecuación de la variable de transito (N) VARIABLE TRANSITO N=

A

X

100

B

X

X

100

( 1 + r ) ^n - 1

X

Días de un año

X

Fc

Ln ( 1 + r)

N=

66 100

X

50 100

X

N=

0,66

x

0,50

x

N = 16.131.717

TPD

1513

X

1,1589 0,0770

X

1.513 x

15,06

x

365

X

365

x

5,88

5,88

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

1. Confiabilidad

Se realizan los cálculos en base al nivel de confianza elegido de la tabla 1.1 determinamos que Numero Estructural. Nivel de confianza (%) 95% Zr -1,645  

Desviación estándar total, So SN 0,43 Sw (del estudio 0,21 de tránsito) So 0,48 Tabla 1. Determinación SN, confianza -0,79 y Zr de x So desviación

Tabla 1.1. Nivel de Confiabilidad. AASHTO-93

Tabla 1.2. Valores Desviación y Varianza. AASHTO-93

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

2. Niveles de servicio Basados en la tabla 2.1. y asumiendo como vía secundaria determinamos el Índice de servicialidad los cuales usamos para obtener los valores de las variables que se consignan en la tabla 2. PSI inicial PSI final Delta de PSI Función Gt

4,20 2,00 2,20 -0,089

Tabla 2. Índice de servicialidad del pavimento

Tabla 2.1. Valores índice de servicialidad según tipo de vía. AASHTO-93

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO. 3. Transito Número de repeticiones de ejes del estándar AASHTO de 18 kips para pavimento flexible. W18

16.131.717

log (W18)

7,208

Tomamos la variable de transito (N) ya calculada y efectuamos su logaritmo base 10 y reemplazamos este valor en la ecuación.

Tabla 3. Numero de repeticiones de ejes estándar.

4. Efecto del agua en las capas granulares de la estructura Se elige la calidad de drenaje y el porcentaje del tipo de exposición cuando el terreno tiende a estar saturado. Calidad del drenaje

Aceptabl e

Porcentaje del tiempo de exposición a humedades 10% cercanas a la saturación Tabla 3.1. Drenaje y %de tiempo humedad presente

Tabla 3.2. Calidad del drenaje. AASHTO-93

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

5. Características no lineales de los materiales granulares Bases granulares

Subbase granulares

Tabla 5. Factor k1 y k2 para Bases granulares bajo condiciones de humedad. AASHTO-93

Tabla 5.1. Factor k1 y k2 para Subbases granulares bajo condiciones de humedad. AASHTO-93

Tabla 5.3. Estado de esfuerzos. AASHTO-93 Tabla 5.2. Modulo resiliente . AASHTO-93

En la Tabla 5.4 se consignan los valores k obtenidos de acuerdo a la condición de humedad de los materiales de cada una de las capas granulares     Base granular Subbase granular

K1

k2

Condición

3.000 2.750

0,6 0,5

Humeda Húmeda

Tabla 5.4 Factores K en condición de humedad

1.Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO. 6. Estructura del pavimento

Asumimos los módulos resiliente para cada capa y calculamos el espesor en pulgadas de cada capa de la estructura. Cap a

Tipo

Mr Coeficie Coefici Espesor Número Espesor θ en las movilizad Módulo nte ente Número redondead estructu calculad capas o en las resilient estructu de estructu oo ral o (D) granular capas e (psi) ral de drenaj ral (SN) mínimo - dispuest (plg.) es (psi) granulare capa (a) e (m) D* - (plg.) o (SN*) s (psi)

Concreto 430.000 0,438   1,913 4,37 4,50 asfáltico Base tratada 2 140.000 0,182 1,00 5,163 17,51 18,00 con emulsión Subbase 3 8.000 0,060 0,95 5,379 2,22 6,00 granular Tabla 6.Subrasante Calculo de numero estructural y espesor  de las capas de pavimento 4 7.000       1

1,971

 

 

3,281

N.A.

N.A.

0,342

5,000

6.149

5,594

 

 

Resumen del diseño de pavimento

Fig. 6. Capas Estructura de Pavimento

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO. Como se trata de una vía secundaria, se asumió un coeficiente de confianza R del 95% con una desviación estándar So de 0.48. El valor de N es de 16 millones de ejes de 8.2 toneladas. Que causarían el mismo daño que por 3327 vehículos durante 10 años. Se asumió el módulo resiliente de la subrasante de 8.000 psi, ya que nos brindaba un espesor de capa de 6 pulgadas, siendo esta una disminución del material granular traduciendo esto a una reducción del factor económico. En condiciones aceptables de drenaje con subrasante húmeda, el espesor de las capas disminuye al aumentarse el modulo de resiliencia, esto se debe al mejoramiento capacidad portante de las capas de material granular. El uso del nomograma es en las ecuaciones de diseño nos brinda soluciones en poco tiempo, pero sus resultados no tienen la precisión que se alcanza al iterar la ecuación mediante un programa de computo. El Método AASHTO para el diseño de pavimentos se acerca mas a la realidad implementando factores de confiabilidad, nivel de servicio, transito etc., es por esto que en el diseño final podemos encontrar que las capas de la estructura de pavimento tienen módulos resiliente muy diferentes y cambiantes según las condiciones de humedad, y que su espesor depende de este tipo de variable, que son en nuestro país muy cambiantes por su topografía y clima.

1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles. Método AASHTO.

En los pavimentos flexibles, los esfuerzos a los que son sometidas la capas superiores se transmiten a las capas inferiores en áreas puntuales debido a que su función es presentar una superficie continua caso diferente a los pavimentos rígidos en los que se encuentran juntas de dilatación entre las losas, lo que trasmite las cargas puntuales sobre la losa en cagas distribuidas sobre toda el área en la que se soporta la losa. Los pavimentos rígidos tienen un tiempo de funcionamiento mayor que los pavimentos flexibles, esto por su capa de concreto que distribuye las cargas sobre una mayor área de la base evitando deterioro de las capas inferiores, como sucede en los pavimentos flexibles en los que aparecen fallas longitudinales fractura y hundimiento de las capas que terminan en baches, impidiendo que el trafico se movilice rápidamente. Se considera que el número estructural es la variable mas importante en el diseño de pavimentos debido a que de esta se pueden obtener los espesores de las capas las cuales transmiten los esfuerzos producidos por las cargas. Cuando la subrasante no alcanza la capacidad portante necesaria para el diseño es indispensable modificarla con una capa de material granular. En vías principales y secundarias los pavimentos flexibles brindan una mejor capa de rodadura para altas velocidades por ser superficies continuas; en vías rurales y urbanas los pavimentos rígidos son mas usuales debido a las bajas velocidades y la duración de la aplicación de las cargas del trafico.

MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS: 2. Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. El método Shell está diseñado para ejes de 8,2 toneladas. Este método considera la estructura del pavimento en tres capas: Capa Asfáltica, ( Todas las capas que se encuentran ligados con asfalto). Capas Granulares, ( De base y subbase ). Subrasante. ( Es infinita en el sentido vertical )

Siendo un sistema multicapa linealmente elástico, homogéneo y de extensión infinita en sentido horizontal, los materiales se caracterizan por su módulo de elasticidad de Young (E) y su relación de Poisson (µ).

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. El pavimento puede fallar por dos causas: 1.Que la deformación horizontal por tracción (ET) en la fibra inferior de las capas asfálticas, al reflexionar ellas bajo la acción de las cargas, supere ciertos límite admisible. 2.Que la deformación vertical (Ev) por compresión de la subrasante supere el límite admitido por ella. 3.Deformación permanente de las mezclas asfálticas.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

¿En qué consiste este método? Consiste en elegir la combinación de espesores y características de los materiales (E y µ) de las diversas capas del pavimento, de modo que las deformaciones, horizontal por tracción (ET) y vertical por compresión (Ev) , permanezcan dentro de límites admisibles durante el período de diseño del pavimento. Durante estudios realizados se hallaron que (ET) es inversamente proporcional al tránsito (N), esta relación se expresa con la siguiente ecuación:

ET = Deformación por tracción en las capas asfálticas. N = Número de repeticiones de carga. a,b = Coeficientes determinados por experiencias de campo y laboratorio.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

ET es inversamente proporcional al tránsito (N), y se representa así:

EV = Deformación vertical por compresión. N= Número de repeticiones de carga. c,d, = Coeficientes determinados de campo y laboratorio. Los cálculos de esfuerzos y deformaciones se realizan con el programa BISAR. La determinación de espesores se realiza a través de un módulo del programa Windows SPDM 3.0

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

Parámetros que se deben tener en cuenta para el diseño El tránsito. La temperatura. Las propiedades de la subrasante, subbase y base. Características de la mezcla asfáltica. El tránsito: Este dato se efectúa a través del numero acumulado de ejes equivalentes

de 8.2 toneladas, por eje sencillo, que se espera circulen sobre el pavimento durante el período de diseño., su ecuación es:

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

Parámetros que se deben tener en cuenta para el diseño

:

La temperatura

Se tiene en cuenta la temperatura de la zona donde se construirá el pavimento, las variaciones diarias y estacionales no influyen en los módulos de elasticidad de las capas granulares, pero si influyen en las propiedades de las capas asfálticas a causa de la susceptibilidad térmica del asfalto que las compone. Una mezcla asfáltica de igual composición, es diferente en su comportamiento en clima frío y en clima caliente. Este procedimiento sirve para estimar la temperatura media anual ponderada del aire (w-MAAT) en la región del proyecto, la cual se define a partir de la temperaturas medias mensuales del aire (MMAT).

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

Con el promedio de los factores de ponderación 1.09 se entra en la ordenada, con el fin de obtener la temperatura.

W- MAAT = 21°C

CURVA DE PONDERACION DE TEMPERATURA

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

 Las propiedades de la subrasante, subbase y base: Se exige conocer el modulo

dinámico de elasticidad de la subrasante que es el mismo módulo de resiliencia (MR), se puede hallar en ensayos de laboratorio de tipo triaxial, con aplicación dinámica de carga sobre muestras con condiciones apropiadas de humedad y densidad. Con los ensayos de resistencia (CBR y prueba de placa) se puede determinar en forma indirecta el módulo dinámico, aplicando la siguiente ecuación:

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

 Características de la mezcla asfáltica: La Shell considera dos propiedades

fundamentales:

 Su módulo de elasticidad dinámico a cortos tiempos de aplicación de carga

(Stiffness), existen dos tipos de mezclas: Las S1, mezclas corrientes de cemento asfáltico de lata rigidez y con contenidos normales o promedios de agregados de asfalto y de vacíos con aire.

Las S2, mezclas de baja rigidez, abiertas que tienen un alto contenido de vacíos con aire y un bajo contenido de asfalto.

 Resistencia de la mezcla a la fatiga, existen dos tipos de mezclas Las F1, tienen alta resistencia, cantidades moderadas de vacío con aire y de asfalto. Las F2, de baja resistencia y con altos volúmenes de vacios con aire.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. El método Shell, considera dos tipos de cemento asfáltico para las mezclas asfálticas:  

Los de penetración 50 (1/100 mm), para climas cálidos Los de penetración 100 (1/10 mm), para climas fríos.

De acuerdo a lo anterior se reconoce 8 tipos de mezclas asfálticas y se grafican los diseños para cada una de ellas, así:

Para determinar la tipo de mezcla asfáltica o código la Shell realizó una serie de gráficas en función de ensayos de laboratorio.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. El procedimiento consta de los siguientes pasos: 1. Determinación del índice de penetración y la temperatura T800 del asfalto., consiste en realizar ensayos que determinen la susceptibilidad térmica a diferentes temperaturas y con la ayuda de la gráfica de Heukelom, se halla el índice de penetración (IP), el T800 es la temperatura de penetración de 800 décimas de milímetro.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. 2. Determinación del Stiffness del asfalto a la temperatura de trabajo en obra., Se emplea la gráfica de Van Deer Poel, es necesario contar con: * el Índice de Penetración, * Tiempo de aplicación de carga, recomendable emplear (0.02sg), velocidad del vehículo de 50-60 km/hora. * ΔT = T800 – T mezcla.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. 3.

Determinación del Stiffness de la mezcla asfáltica., Se emplea la gráfica de Heukelom, es necesario conocer la composición volumétrica de la mezcla asfáltica y el Stiffness del asfalto, ejemplo de dosificación: Agregados 81%, Asfalto 10%, Aire 9%

Con el valor del Stiffness del asfalto = 2 x 10 7 N/m 2 en la gráfica, se prolonga horizontalmente hasta interceptar con las curvas del porcentaje del asfalto= 10 %, a partir de este punto se sube hasta interceptar con la curva correspondiente al porcentaje de los agregados = 81 %, desde este punto trazamos una recta horizontal hasta interceptar la escala vertical del Stiffness de la mezcla con un valor de 2,2x 10 9 N/m 2.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. . 4.

Identificación del código de rigidez dela mezcla (tipo S1 o S2)., se ubica el punto de confluencia del Stiffness del asfalto y del mezcla en una grafica, si el punto se halla mas cerca del a curva S2, es el tipo de mezcla aceptable para el proyecto.

Determinamos el punto de fluencia con el Stiffness del asfalto 2 x 10 Determinamos 7 el punto de fluencia con el Stiffness del asfalto 2 x 10 N/m 2, y con el de la mezcla 2,2 x 10 9 N/m 2, determinándose que este punto está más cerca de la curva S 1, por lo tanto el tipo de mezcla es S 1.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. . 5.

Determinación de la deformación máxima admisible específica de tracción en la fibra inferior de las capas asfálticas. Para determinar la deformación horizontal por tracción se necesita conocer:



El Módulo de rigidez de la mezcla, Volumen de asfalto de la mezcla y el Número de ejes equivalentes de 18 kips (80KN).

6. Identificación del código de fatiga de la mezcla. En la siguiente gráfica se busca el punto de confluencia entre el Stiffness de la mezcla (7 x 10^8 N/m2) y la deformación por tracción ET (4x10^4). Se adopta el F1, está más cerca de los ejes equivalentes

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. . 7.

Identificación del código total de la mezcla. Hasta este punto se ha determinado que la mezcla es del tipo S1 – F1, por lo que resta determinar la penetración para completar el código total de la mezcla. Como este método sólo permite la elección de dos penetraciones 50 y 100, en este caso se escoge el de 50 (1/10 mm) a una temperatura de 25 °C. Por lo tanto el código total de la mezcla es: S 1 – F 1 – 50 Una vez determinado el código total de la mezcla se procede a determinar los espesores de las capas del pavimento.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

Diseñar un pavimento flexible por el método Shell, para los siguientes parámetros de diseño: Temperatura w – MAAT = 20°C CBR de la subrasante = 9 % N = 2,58 x 106 ejes equivalentes de 80 kN. Código de la mezcla = S1 – F1 – 50 Solución 1.Determinamos el módulo resiliente de la subrasante con la siguiente fórmula: Mr (N/m2) = 107 x CBR

Mr (N/m2) = 9x 107

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. 2. Determinar la gráfica a utilizar que cumpla con los requisitos de temperatura, módulo resiliente y código de la mezcla, mezcla, en la siguiente gráfica.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. Alternativa 2: En el punto 2, se determina el espesor de una capa asfáltica y una granular que tiene un CBR = 20%. En este punto se obtienen dos espesores:

Alternativa 3: En el punto 3, se determina el espesor de una capa asfáltica y una granular que tiene un CBR = 20%, y otra que tiene un CBR = 40% . En este punto se obtienen los siguientes espesores:

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

Alternativa 3: Capa de material granular h2 = 250 mm, este espesor se debe dividir en dos materiales para CBR de 20 y 40%. Para dividir estos dos materiales, se traza una horizontal desde el punto 3 que cruce por las líneas entrecortadas para dividir los materiales en CBR = 20 % y CBR = 40 %, determinándose el espesor de 150 mm para un CBR = 20 %. El espesor para el material de CBR = 40% será la diferencia 250 – 160 = 90 mm. Los espesores obtenidos son:

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. Alternativa 4: En el punto 4, se determina el espesor de una capa asfáltica, y una granular con CBR de 20%, 40% y 80%. Se parte desde este punto sobre la curva de tránsito y se obtiene los siguientes espesores:

Capa asfáltica h1 = 50 mm Capa de material granular h2 = 425 mm, este espesor se debe dividir en dos materiales para CBR de 20, 40 y 80%. Para dividir estos tres materiales, se traza una horizontal desde el punto 4 que cruce por las líneas entrecortadas para dividir los materiales en CBR = 20 %, CBR = 40 % y CBR = 80% determinándose el espesor de 150 mm para un CBR = 20 %. El espesor para el material de CBR = 40% será la diferencia 225 – 150 = 75 mm y el espesor de la capa con CBR = 80% será la diferencia entre 425 ‐ 225 = 200 mm.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell. Alternativa 4: Los espesores obtenidos son:

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

Capa asfáltica h1 = 50 mm Capa de material granular h2 = 425 mm, este espesor se debe dividir en dos materiales para CBR de 20, 40 y 80%.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

Los diseños de pavimentos están en función del tipo de mezcla asfáltica, el modulo de la subrasante, la temperatura o clima y la cantidad de pasadas de ejes de 8.2 toneladas. Cuando las capas asfálticas están constituidas por una capa de rodadura, una base asfáltica y una base negra, en las que se tienen diferencias de Stiffness muy grandes, se calculan los espesores requeridos en las graficas correspondientes a los códigos respectivos, con estas se obtienen las relaciones de sustitución.

MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS: 3. Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Instituto de Asfalto.

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

El método más eficiente del instituto de asfalto de los estados unidos, editado en 1991 y publicado en 1993, presenta algunos cambios significativos respecto a los métodos anteriores para el diseño de la sección estructural de los pavimentos flexibles. El método se basa principalmente en la aplicación de la teoría elástica en multicapas que utiliza resultado de investigación reciente por parte de ese organismo. Sin embargo se reconoce que por los avances en la tecnología de los pavimentos asfalticos, se requieren más conocimientos sobre las propiedades de los materiales para las necesidades actuales de los sistemas carreteros por lo que el método vigente probablemente requiera revisión e implementación futura.

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

El sistema se basa en un tráfico probable durante un periodo de Diseño, de 20 años referido a su carga por eje sencillo “de 18000 libras ( 8280 Kg aprox. ), que es la “carga por eje “y considera además el valor portante del terreno de fundación, la calidad de los materiales de base, sub - base y capa de rodamiento que empleen, y los procesos de construcción a seguirse. Dicho transito pasado en 20 años y referido a una carga por 18000libras, se denomina “valor de tránsito para el diseño“ y es determinado en función del “transito diario inicial”, que es el promedio de más direcciones, estimado para el año 1 de servicio.

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

Este método está basado en el establecimiento de un límite de deflexión a la estructura del pavimento, el cual es función del número e intensidad de aplicaciones de carga. El primer paso para la aplicación del método del Instituto Norteamericano del Asfalto consiste en determinar el número de tránsito para el periodo de diseño. Por otro lado, el método permite el empleo de concreto asfáltico o emulsiones asfálticas en la totalidad o en parte de la estructura del pavimento, e incluye varias combinaciones de capa de rodadura y bases de concreto asfáltico; decapa de rodadura y bases con emulsiones asfálticas, así como capas de rodadura asfáltica con base y Subbase granulares.

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

Carril del diseño. Para calles y carreteras de 2 carriles, el carril de diseño puede ser cualquiera de los carriles de la vía, mientras que para calles y carreteras de carriles múltiples, generalmente es el carril externo. Entonces para el cálculo del porcentaje de camiones en el flujo vehicular sobre el carril de diseño, el actual método recomienda los siguientes valores:

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

A continuación se visualiza la tabla, para la conversión de cualquier carga y/o combinación de ejes y de neumáticos en un número total de pasadas del eje estándar.

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

se presenta la relación entre la taza de crecimiento anual. Afectando el índice medio diario anual por la taza de crecimiento se estima el crecimiento del volumen vehicular proyectado para los años que se diseño el pavimento.

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

La tasa de crecimiento para diferentes tipos de vehículos puede ser estimada variando el crecimiento normal entre 3 y 5% por año. No obstante, carreteras nuevas o nuevos desarrollos pueden generar incrementos de mayor magnitud, los cuales pueden alcanzar valores de hasta 10%.

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Es sabido que la carga puede causar mas daño si la presión del neumático es alta (por la menor área de contacto). Tener en cuenta pues, que la presión del neumático no siempre es igual a la presión de contacto. el método incorpora factores de ajuste de los ejes equivalentes de diseño, para diferentes presiones de contacto de las llantas sobre el pavimento, en función de su presión de inflado y de los espesores de la carpeta asfáltica, donde contempla desde cuatro hasta diez pulgadas de espesor

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

Para obtener el índice medio diario o tráfico diario promedio, es necesario contar con una estación de control, la cual recoja los diferentes datos del volumen vehicular a fin de agruparlos por categorías según las normas propuestas para cada país. Ya teniendo esa información se afecta cada grupo vehicular por un factor de equivalencia de carga. El número de repeticiones para producir igual daño se basa en factores de equivalencia entre la carga real (volumen vehicular) y la carga estándar (eje simple 18,000lb).

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

Para el diseño de los espesores de una sección estructural del pavimento flexible, el método actual del Instituto del Asfalto, considera como parámetro fundamental, dentro de la evaluación de los materiales, la obtención del Módulo de Resilencia (Mr) de la subrasante. Sin embargo, reconocen que no todos los organismos tienen el equipo adecuado para llevar a cabo tal prueba, por lo que han establecido factores de correlación entre Mr y la prueba estándar de Valor Relativo de Soporte CBR .Señalan que los resultados son bastante aproximados; sin embargo, para un diseño preciso, se recomienda llevar a cabo la prueba del Módulo de Resiliencia para la subrasante.

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

Para el diseño de los espesores de una sección estructural del pavimento flexible, el método actual del Instituto del Asfalto, considera como parámetro fundamental, dentro de la evaluación de los materiales, la obtención del Módulo de Resiliencia (Mr) de la subrasante. Sin embargo, reconocen que no todos los organismos tienen el equipo adecuado para llevar a cabo tal prueba, por lo que han establecido factores de correlación entre Mr y la prueba estándar de Valor Relativo de Soporte CBR .Señalan que los resultados son bastante aproximados; sin embargo, para un diseño preciso, se recomienda llevar a cabo la prueba del Módulo de Resiliencia para la subrasante.

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

Un pavimento debe ser diseñado para soportar los efectos acumulados del tránsito para cualquier período de tiempo. El período seleccionado que dura el pavimento antes que requiera rehabilitación, se define como “Período de Diseño”. Al término de éste, se espera que el pavimento requiera alguna rehabilitación mayor, como puede ser una sobre carpeta de refuerzo para restaurar su condición original.

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

Luego de la primera intervención la vida útil del pavimento, o “Período de Análisis”, puede ser estendido indefinidamente, a través de mejoramientos sucesivos de rehabilitación, hasta que el pavimento sea obsoleto por cambios significativos en pendientes, alineamiento geométrico y otros factores.

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recomienda los siguientes valores para las diferentes pruebas a realizarse con materiales de bases y subbases

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Las bases estabilizadas con emulsiones asfálticas corresponden a tres tipos de mezcla, según la clase de agregados utilizados, se tiene: Tipo I: Mezcla elaborada con agregados procesados de gradación densa. Tipo II: Mezcla elaborada con agregados semi-procesados. Tipo III: Mezcla elaborada con arenas o arenas limosas.

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Para superficies de concreto asfáltico construidas sobre bases estabilizadas con emulsión asfáltica:

*Podrá usarse concreto asfáltico o mezclas asfálticas emulsificadas Tipo I con un tratamiento superficial, sobre bases asfálticas tipo II o III.

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Para superficies de concreto asfáltico construido sobre bases granulares sin estabilizar:

Para pavimentos con espesor pleno de concreto asfáltico o con base estabilizada con emulsión asfáltica, se requiere un espesor mínimo de 10cm El método más reciente del Instituto del Asfalto, proporciona para el diseño final de los espesores, 18 cartas de diseño en sistema métrico y 18 en sistema inglés.

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Es importante hacer notar que el método contempla factores de medio ambiente y varios tipos o clases de asfalto según las necesidades particulares del diseño. A continuación ver la tabla.

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Variables de entrada •CBR – Subrasante = 37.5% •ESAL= 7 1.23x10 vehículos/año •20%*ESAL= 6 2.46x10 vehículos/año •Periodo de diseño (n)= 20 años •Taza de crecimiento anual (r) = 2 %

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Paso 1: Hallar el Mr de la subrasante

Mr =1500*CBR Mr =1500*37.50 Mr = 56,250 psi

Paso 2: Con el Mr de la subrasante y el ESAL, se ingresa al ábaco 5.18 (espesor de concreto asfáltico). Luego el espesor es 12.5cm o 5pulgadas

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Paso 3: Con el mismo módulo resiliente de la subrasante y el ESAL, se ingresa al ábaco 5.19 (Base estabilizada con emulsión Tipo I) Luego el espesor es 16.5 cm o 7 pulgadas Luego: Concreto asfáltico = 5 pulgadas Base estabilizada, Tipo I = 7 pulgadas Subbase granular = 6 pulgadas

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

Vía colectora secundaria CBR – Subrasante = 23.5% Mr (Subrasante) = 35250 psi ESAL = 7 1.23x10 vehículos/año 20%*ESAL = 6 2.46x10 vehículos/año El resto de variables de entrada son las mismas así como los pasos a seguir. Espesor de concreto asfáltico: 17.20 cm o 7pulgadas Espesor de base estabilizada Tipo I:19 cm o 7.5 pulgadas

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

Luego: Concreto asfáltico = 7.0 pulgadas Base estabilizada, Tipo I = 7.5 pulgadas Subbase granular = 6.0 pulgadas

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• En los dos diseños de vías se usa el mismo grosor de base, Subbase y

subrasante para dar un CBR en la vía primaria de 37,5% y en la vía secundaria de 23,5%. • La razón anual de tráfico , el periodo de diseño en años y la tasa de crecimiento son de valores iguales en la vía principal y en la vía secundaria. • En el análisis se toma cuatro muestras donde se usa la vía primaria y la vía secundaria en diferente horario analizando la variable. • Por la cantidad de trafico de las dos vías se evidencia que hay mayor esfuerzo en la subrasante

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la mezcla básica Técnico de Capacitación (BMT) curso proporciona información detallada, formación práctica de laboratorio para ambos técnicos con experiencia y sin experiencia para agregados de pruebas y mezclas asfálticas. Instrucción cubrirá las normas AASHTO y ASTM más actuales utilizados en el proceso de diseño de mezcla. El curso se centra en dar a los estudiantes un conocimiento profundo de cada prueba y los procesos relacionados, mientras que instruir a los estudiantes sobre los procedimientos y técnicas que maximicen la precisión y la repetibilidad de pruebas.

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Fórmula del Instituto del Asfalto DB = 25.64*N-0.2383 N = número admisible de aplicaciones de carga hasta la falla, para una determinada deflexión Benkelman característica (DB) en milímetros. Si el Tipo I es seleccionado, sólo un tratamiento de superficie es requerido. Para el Tipo II o III, el espesor mínimo de concreto asfáltico o mezcla de emulsión asfáltica Tipo I con un tratamiento de superficie es 75 mm (3 in.) para EAL = 10 La diferencia entre el espesor total y 75 mm (3 in.) determina el espesor de la base de emulsión asfáltica

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Tipo I 240 mm del Ábaco A-8 Tipo II 290 mm del Ábaco A-9 Tipo III 370 mm del Ábaco A-1 Al inicio del proyecto se define un Periodo de Análisis, de acuerdo a la importancia de la carretera, la confiabilidad de las proyecciones de tráfico y la disponibilidad de recursos. La vida del pavimento o periodo de análisis puede extenderse indefinidamente, a través de obras de rehabilitación, hasta que la carretera quede por cambios en su geometría

3. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método del Instituto de Asfalto

La primera preocupación es el número y pesos de cargas del eje, esperados a ser aplicados al pavimento durante un período de tiempo dado. Típicamente ellos van de ligero (menos de 9 kN [2000 lb]) a pesado (más de los límites legales). Investigaciones han mostrado que el efecto en el rendimiento del pavimento de una carga del eje de cualquier masa puede representarse por el número de aplicaciones de carga de eje equivalente a 80 kN (18000 lb)(EAL). Por ejemplo, una aplicación de un eje simple de 89 kN (20000 lb) es igual a 1.5aplicaciones de un eje simple de 80 kN (18000 lb). Recíprocamente, toma casi cuatro aplicaciones de un eje simple de 58 kN (13000 lb) para igualar una aplicación de un eje simple de 80 kN (18000 lb)

MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS: 4. Método INVIAS : 4.1 Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. 4.2 Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito.

4. Métodos de diseño de Pavimentos:. Método INVIAS.

El Instituto Nacional Vías INVIAS, ha preparado documentos, con los cuales quiere brindar a los Ingenieros bases solidas para realizar el diseño de un pavimento. En primera instancia se tiene un manual para el diseño de pavimentos asfalticos para vías rurales con escasos volúmenes de tránsito pesado y un segundo manual para el diseño de pavimentos en concreto para carreteras “de diversa índole, desde caminos rurales, hasta vías de primer orden”.

4. Métodos de diseño de Pavimentos: Método INVIAS .

Transito: Suma de todos los vehículos que pasan por una vía durante un tiempo determinado. Periodo de diseño estructural: Teniendo en cuenta que este método va dirigido vías rurales y considerando las limitaciones de tipo operativo que puedan presentar las entidades encargadas de su construcción y mantenimiento, se adopta un periodo de diseño estructural de 10 años. Niveles de transito: Al igual que los demás métodos, la variable transito se considera como el numero de repeticiones de ejes de 8,2 Tn (80 KN) en el carril de diseño, sin embargo este método clasifica el transito en dos niveles así:

4.Métodos de diseño de Pavimentos:. Método INVIAS.

Transito Normal: Corresponde al que circulara por la red así no se realice el proyecto, se puede determinar con una serie histórica o un conteo vehicular. Transito atraído: Es el que utilizará el proyecto por las ventajas del miso, y que actualmente transita por otro corredor. Transito generado: Es el transito nuevo por efecto al desarrollo del área de influencia.

4. Métodos de diseño de Pavimentos: Método INVIAS.

Factor Daño FD: Teniendo en cuenta la discriminación de vehículos por tipo, para este método se tiene establecidos los factores de daño, con los cuales se debe determinar la conversión de vehículos a ejes equivalentes de 80KN, y surgieron del análisis de cargas por eje de aproximadamente 300 mil vehículos , efectuados por el INVIAS en las vías a su cargo entre el 2000-2006:

4.Métodos de diseño de Pavimentos: Método INVIAS.

Factor Direccional Fd: Al igual que los demás métodos aquí se diseña usando el carril mas cargado o carril de diseño, sin embrago el transito por adoptar para el diseño según el ancho de calzada es el siguiente:

4.Métodos de diseño de Pavimentos:. Método INVIAS.

Periodo de diseño estructural: En este manual se considera un periodo de diseño de 20 años para todos los análisis estructurales, el cual bajo premisas teóricas debe coincidir como mínimo con la vida útil del pavimento.

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Para el diseño de pavimentos se debe tener en cuenta las siguientes variables: Transito, clima y suelo de subrasante, para determinar el diseño de la estructura. 1. TRANSITO: Se debe determinar el tránsito normal, el tránsito

atraído y el generado: 1.1 Pronostico del Transito normal, durante el periodo de diseño: Se presentan dos casos: Caso 1: En el tramo de vía existe estación de conteo con serie histórica de transito ( vías a cargo del INVIAS). Caso 2: En el tramo de vía no existe serie histórica de transito ( vías que no están a cargo del INVIAS)

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Caso 1. Determinación del transito Normal cuando se tiene serie histórica: a. Tener identificada la serie histórica del transito para la estación seleccionada. b. Se convierte la serie histórica del tránsito a E.S.E de 80 KN.

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Para el calculo de los E.S.E de la serie histórica, se tiene:

N80 KN diario años i= Numero de E.S.E de 80 KN en cada año i de la serie histórica (ambas direcciones). TPDS año i= TPD semanal en cada año i de la serie histórica (ambas direcciones). %V k año i = Porcentaje de cada vehículo K en cada año i, (tanto por uno). FD k año i= Factor daño del tipo de vehículo k para cada año i

c. Análisis estadístico de la serie histórica: Se realiza un análisis estadístico para establecer modelos de crecimiento factibles , descartando de l serie histórica los valores de los años con condiciones anormales.

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

d. Selección del modelo factible de crecimiento del transito en función de los coeficientes estadísticos: r, r 2, σ. e. Estimación del transito proyectado para el periodo de diseño, en el carril de diseño y considerando un nivel de confianza predeterminado: Se estima el transito futuro en cada uno de los años del periodo de diseño: Calculo del error estándar σ del modelo de crecimiento del transito seleccionado :

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Donde: σ= Error estándar del modelo seleccionado. Yi= Valor observado en el año i. Yi modelo: Valor calculado con el modelo, en el año i n`= Numero de años analizados de la serie histórica i= Varia de 1 a n`. Calculo del error estándar σ en la predicción del y transito, error de pronostico (año a año).

4.1 . Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Donde: i= años de la serie histórica. J= Años de proyección en el periodo de diseño σ pronostico j= Error estándar de la estimación del tránsito, en el año j del periodo de diseño. σ= Error estándar del modelos seleccionado. Xj= Cada uno de los años del periodo de diseño. Xi: Cada año de la serie histórica. X = Año medio de la serie histórica n`= Numero de años analizados de la serie histórica. Calculo de los valores de corrección Cj por el transito equivalente proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño Nj, con base ene le nivel de confianza deseado.

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Calculo del numero de E.S.E de 80 KN corregidos por confiabilidad, en cada uno de los años del periodo de diseño (N`j).

Donde: N`j: Ejes equivalentes diarios corregidos para el año j del periodo de diseño

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Donde: Nj: Ejes equivalentes diarios calculados por el modelo seleccionado, para el año j Cj: Corrección para el año j, en ejes equivalentes, que permite asegurar el nivel de confianza deseado. Calculo del numero de E.S.E de 80 KN acumulados durante el periodo de diseño (en ambas direcciones)

Calculo del numero de E.S.E de 80 KN acumulados en el carril de diseño durante el periodo de diseño, por concepto del la componente normal del transito.

Donde: Fd: Factor de distribución direccional

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Caso 2. Determinación del transito Normal cuando NO existe serie histórica: a. La componente de transito normal se estima mediante la ejecución de conteos de tránsito. b. Los resultados de dicho conteo se corrigen por estacionalidad. c. Se define los demás parámetros del diseño como: Periodo de diseño (n); Tasa de crecimiento anual (r ); Ancho de la calzada; Factor direccional (Fd), composición de los vehículos comerciales; Factor daño (FD) y confiabilidad del pronostico. d. Se calcula el número de E.S.E en el carril de diseño (transito normal), en el año:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Caso 2. Determinación del transito Normal cuando NO existe serie histórica: d. Se calcula el número acumulado de E.S.E en el carril de diseño (transito normal), para el periodo de diseño (n):

e. Se calcula el número de E.S.E en el carril de diseño (transito normal), durante el periodo de diseño (n) con el nivel de confianza dado:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

1.2 Pronostico del Transito atraído: a. Se requiere de los siguientes métodos para estimar el transito atraído: Estudios de origen – destino; estudio de utilización del proyecto por usuarios potenciales. 1.3 Pronostico del Transito generado: a. Se requiere realizar un detallado análisis de la producción y la necesidad de transporte que se requiere así como el incremento que se presenta debido al mejoramiento en la calidad de vida de los habitantes del área de influencia directa.

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

2 . CLIMA: Esta variable tiene gran efecto en el desempeño de los

pavimentos, factores internos como la susceptibilidad de los materiales a la humedad, el drenaje de las capas asfálticas, la infiltración de la estructura, definen la manera en la cual el pavimento reaccionara a la aplicación de las condiciones ambientales externas. 2.1 Categoría del clima por temperatura: Criterios de evaluación: Se basa en la temperatura media diaria del aire de los siete (7) días consecutivos mas calientes del año T7 días, el INVIAS adopta los siguientes valores:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

3. SUBRASANTE: En vías de bajo volúmenes de transito se puede presentar dos situaciones generales: El mejoramiento de una vi existente (esta en afirmado) o la construcción completa del corredor desde el principio. Dentro del proceso de estudio de la capacidad de soporte de la subrasante se debe tener en cuenta lo siguiente:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

a. Selección de unidades homogéneas de suelo.

b. Determinación del perfil estratigráfico. c. Determinación de las propiedades físicas del suelo. d. Definir la resistencia característica del suelo de la unidad homogénea. e. Categorías de subrasante: Se utilizan para establecer los tipos de estructura de pavimento mas compatibles con la capacidad de soporte de la subrasante:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

4. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA: El método presenta varias alternativas estructurales compuestas por las siguientes capas:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Dichas estructuras también varan teniendo en cuenta dos situaciones: a. Alternativas estructurales en donde no existe o no es posible utilizar el afirmado existente:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

b. Alternativas estructurales que involucran el afirmado existente, ya que cumple con las condiciones para que haga parte de la estructura:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

c. Algoritmo de diseño: Este método utiliza un programa de computador denominado PAV-NT1, el cual hace los cálculos del espesor de la capas teniendo en cuenta el algoritmo del Método AASHTO-93, que es el siguiente:

Donde: N80 KN : Numero acumulado de ejes equivalentes de 80KN en el carril de diseño durante el periodo de diseño. Zr, So: Parámetros de confiabilidad en el diseño: Para vías de bajo transito se sugiere adoptar un nivel de confiabilidad en el diseño del 70%, y el programa maneja una incertidumbre So= 0,44. SN: Numero estructural. ∆PSI: Perdida de serviciabilidad, Se toma 2,2. Mr.: Modulo resiliente de la subrasante, en Psi.

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Se tiene un tramo de vía correspondiente al tramo Samacá-El Infierno, localizado en el departamento de Boyacá. Presenta datos históricos de TPD hasta el año 2006 . Vía en firmado: ancho de 5m Periodo de diseño: 10 años a partir del 2015. Clima: Frio. Temperaturas entre 12 ºC – 16 ºC.

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Determinación del transito en el carril de diseño: teniendo en cuenta los datos de la serie histórica se tiene:

Dicho tramo no cuenta con discriminacion del porcentaje de camiones , se va a utilizar la composición típica de la tabla 2.2 de INVIAS, y con estos datos se va a extrapolar la distribucion de camiones.

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Ahora se va a realizar la conversión de la serie histórica del transito a ESE de 80KN,en ambas direcciones, con la expresión.

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Se continua con el análisis estadístico de la serie histórica, mediante una regresión para obtener una ecuación lineal o una ecuación exponencial: Se utilizó el método de mínimos cuadrados. Gráficamente el comportamiento de transito se ve de la siguiente manera:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Inicialmente con los diez datos se realizó la regresión y se obtuvo una ecuación lineal y exponencial:

Ecuación lineal Y= 79,22+6,17 X; R= 0,51

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Ecuación exponencial Y= 86,90*(1,05^X), R= 0,45 Posteriormente se tomo la ecuación lineal para la continuación del ejercicio, como modelo factible de crecimiento del transito : Ecuación lineal Y= 79,22+6,17X; y con ella se pasó a calcular el error estándar

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

σ = 33,67

Ahora se calcula el error estándar en la predicción el transito, error de pronostico, para cada año del periodo de diseño:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Ahora se procede con el calculo de los valores de corrección (Cj) para el transito equivalente proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño (Ni), con el nivel de confianza deseado, en este caso se asume 70%, luego Zr= 0,524.Asi mismo se hace el calculo del número de ESE de 80 KN diarios, corregidos por confiabilidad, para cada uno de los años de diseño (N`j).

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

De esta manera ya se conoce el transito a para para el periodo de diseño, ahora se calcula el número de ESE de 80 KN acumulados durante el periodo de diseño, en el carril de diseño, afectando el valor de ∑N`j, por los 365 días de un año y el factor direccional de 0,75, ya que la calzada presente se indico de 5m. N80 KN acumulados carril de diseño = 365 * 2900,48 * 0,75 = 794006 ESE de 80 KN= 7,94x105

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Hasta el momento solo se ha determinado el tránsito normal de la vía durante el periodo de diseño, siembro se debe tener en cuenta el transito atraído y el generado. Para el caso del tránsito atraído, como no se cuenta con un estudio de origen –destino, se va a utilizar el Criterio del Instituto de Ingenieros de Estados Unidos que se señala “el tránsito atraído se le asignan porcentajes entre el cinco (5%) y el veinticinco (25%) del transito normal.” En este caso se va a tomar un promedio del 15%. N80 KN atraído= 794006 ESE de 80 KN * 0,15 = 119101 ESE de 80 KN = 1,19x105 En el caso del tránsito generado, como tampoco se dispone de información, se va hacer uso de los factores de la siguiente tabla:

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

El municipio de Samacá dentro de sus actividades principales tiene la explotación de carbón y a la producción agrícola de productos como papa, maíz, cebolla, arveja, por lo tanto se va a sumir los siguientes factores N80 KN generado= 794006 ESE de 80 KN * (0,03+0,025) = 43670 ESE de 80 KN = 4,36x104 Por lo tanto el transito final de diseño será la suma del tránsito normal , el atraído y el generado así: N80 KN total = (794006 + 119101 + 794006) ESE de 80 KN = 956777 ESE de 80 KN = 9,56x105 ESE de 80KN, en el carril de diseño. Continuando con el diseño, para el caso de la subrasante, se va asumir con un CBR de 4, luego es una subrasante regular cuya categoría será S2. Ahora retomando la variable transito al compararla con el nivel de transito que aplica para el manual de bajos volúmenes, N esta por encima de T2.

4.1. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Luego no se podría diseñar una estructura bajo estos criterios. Pero si se hiciera solo como ejercicio académico y N se colocara en el rango de T2, teniendo en cuenta las alternativas estructurales que ofrece el manual, la que mejor se ajusta, teniendo en cuenta que además el afirmado existente va hacer parte de la estructura corresponde a: Convención MDC-2 BG SBG AFR CRS

Capa Mezcla densa en caliente Tipo 2 Base Granular Subbase granular Afirmado Capa subrasante

Espesor (mm) 75 200 200 existente existente

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Para el diseño de pavimentos en concreto se debe tener en cuenta las siguientes variables: Transito, clima y suelo de subrasante, para determinar el diseño de la estructura. 1. TRANSITO: Las categorías de tránsito, para el diseño de

pavimentos en concreto, se obtuvieron a partir de los espectros de carga obtenidos con la distribución de pesos para los diferentes tipos de eje por cada 1.000 camiones, en diferentes estaciones de peaje en el país, afectados por los respectivos factores de equivalencia establecidos por la AASHTO, y son los siguientes:

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

2. SUBRASANTE: Para el proceso de diseño se contemplan cinco (5) tipos de suelo, clasificados de acuerdo a su capacidad de soporte CBR y correlacionados con el modulo de reacción de la subrasante :

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4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

3. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA: Inicialmente se debe definir la capa de soporte de las placas de concreto, se tienen en cuenta tres (3) tipos:

3.1.Tipo de concreto para el pavimento: En este manual se tiene en cuenta cuatro (4) categorías, conforme a su resistencia a la flexión a los 28 días medido mediante el ensayo de flexión en vigas simplemente cargadas en los tercios de la luz.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

3.2.Juntas: Su función es controlar los esfuerzos internos que se presentan en el concreto debido a los procesos de contracción y dilatación del material , cambios de temperatura y humedad, entre la cara superficial y la de soporte de la losa. 3.3.Dimensiones de las losas: Ancho: corresponde al ancho del carril, Longitud: Debe estar entre 3,6 y 5,0 m, Relación largo/ ancho: entre 1 y 1,3.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

3.4.Espesor de la losa: Dos factores influyen en la determinación del espesor de las losas de concreto: 1. La presencia de pasadores de carga (dovelas) en las juntas transversales y 2. los confinamientos laterales del pavimento, como son las bermas, los bordillos o los andenes. INVIAS presenta este diseño para losas, sin refuerzo estructural, solo tiene en cuenta el acero de las dovelas en las juntas transversales, (acero liso, diámetro mayor a 15mm) y las barras de anclaje (acero corrugado, diámetro menor de 15mm).

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

3.5.Resumen de las variables presentes en el diseño: INVIAS resume las variables necesarias para realizar el diseño de un pavimento rígido en el presente cuadro.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Tablas de espesores de losa de concreto (cm) de acuerdo con la combinación de variables y el tránsito como factor principal: Luego de definir las variables anteriores, el INVIAS dispone de siete (7) tablas con las cuales se hallan los espesores requeridos:

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Datos de entrada: Vía: Territorial Cundinamarca: Estación No5 Sector Calle 232- La Caro, longitud 7 Km, los datos de transito son los siguientes:

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Datos de entrada: Vía: Territorial Cundinamarca: Estación No5 Sector Calle 232- La Caro, longitud 7 Km, los datos de transito son los siguientes: • Vía de 6 carriles: 3 por sentido. •Periodo de diseño 20 años a partir del 2015 •Tipo de suelo: Lacustre A: Arcillas limosas muy blandas. • Clima: Promedio 14ºC.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Inicialmente se va a calcular el TPD, para el año cero 2015 mediante una regresión, se usará el método de mínimos cuadrados, además se calculará con un nivel de confianza del 95%. La grafica muestra el comportamiento del tránsito en la serie histórica.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Se escogió para representar el modelo la ecuación lineal.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Ecuación lineal Y= 45356,67+1550,25 X; R= 0,52

σ = 11709,8

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Ecuación lineal Y= 45356,67+1550,25 X; R= 0,52

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

De lo anterior se obtiene un TPD para el año cero , año 2015 es 88.187 y corresponde a una vía tipo.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Para la distribución del transito se va a utilizar la correspondiente al año 2011, de la información del INVIAS

Ahora para la variable subrasante se conoce el tipo de suelo, pero no su capacidad de soporte, se va a utilizar la siguiente tabla donde se correlaciona el tipo de suelo con el CBR y el Modulo de Reacción de la Subrasante. •Tipo de suelo: Lacustre A: Arcillas limosas muy blandas.

Además teniendo en cuenta el tipo de suelo se hace necesario colocar las losas sobre una capa de base granular.

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

CBR = 5% MR subrasante = 40 Mpa/m

Le corresponde un tipo de suelo S2

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

Se decide usar un concreto MR45 y el uso de dovelas y berma, para garantizar un mejor comportamiento de la estructura, ahora se procede a utilizar la tabla 4,7, donde indica:

4.2. Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos de concreto para vías con bajos, medios y altos volúmenes de transito. Método INVIAS.

El espesor de la losa para un MR45, con el uso de dovelas y berma, así como de una capa de base granular, será de 28 cm, pero también se puede tener la opción de usar una base granular estabilizada donde el espesor de la losa se reduce a 25 cm. Por lo tanto se debe pasar a un análisis de costos par determinar la alternativa más factible.

MÉTODOS DE DISEÑO DE PAVIMENTOS: 5. Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método PCA

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método PCA.

Este método fue publicado en 1984, consiste en hallar los espesores mínimos de pavimento que se traduzcan en menores costos anuales., el procedimiento PCA es aplicable al diseño de pavimentos de concreto con juntas. También es conocido como mecanicista, es utilizado para el diseño de espesores en calles y carreteras con pavimentos de concreto. La filosofía básica del método de la PCA es la de la denominada "Ley de Miner", formulada por dicho investigador en 1945. Cada pavimento tiene una cierta resistencia a la fatiga frente a las tensiones de tipo mecánico provocadas por las distintas cargas. 

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método PCA

TIPOS DE PAVIMENTOS RIGIDOS a.Los pavimentos de concreto simple se construyen sin acero de refuerzo o varillas de transferencia de carga en las juntas. b.Los pavimentos de concreto simple con varillas de transferencia de carga (pasadores), se construyen sin acero de refuerzo. c.Los pavimentos reforzados contienen acero de refuerzo y pasadores en las juntas de construcción, se construyen con separaciones entre juntas superiores a las utilizadas en pavimentos convencionales. d.Los pavimentos de refuerzo continuo, se construyen sin juntas de construcción, debido a su relativamente pesado y continuo refuerzo en dirección longitudinal.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

CONDICIONES QUE ANTES NO SE HABIAN CUBIERTO POR OTRO MÉTODO El grado de transferencia de carga proporcionado en las juntas transversales, por los

diferentes tipos de pavimentos descritos.  El efecto de usar bermas de concreto, adyacentes al pavimento, las cuales reducen los esfuerzos de flexión y las deflexiones producidas por las cargas de los vehículos.  El efecto de usar una subbase de concreto pobre, la cual reduce los esfuerzos y las deflexiones, proporciona un soporte considerable cuando los camiones pasan sobre las juntas y además proporción resistencia a la erosión que se produce en la subbase a causa de las deflexiones repetidas del pavimento.

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

CRITERIOS DE DISEÑO a.Fatiga, para proteger al pavimento contra la acción de los esfuerzos producidos por la acción repetida de las cargas.La resistencia a la fatiga se basa en la relación de esfuerzos: Esfuerzo producido por la carga por eje Módulo de rotura del concreto. Se considera que la resistencia a fatiga no consumida por una carga queda disponible para ser consumida por las repeticiones de otras cargas (Ley de Miner)

Métodos de diseño de Pavimentos: Diseño de Pavimentos asfalticos para vías con bajos volúmenes de transito. Método Shell.

b. Erosión, para limitar los efectos de la deflexión del pavimento en los bordes de las losas, juntas y esquinas y controlar así la erosión de la fundación y de los materiales de las bermas. La deflexión en la esquina de la losa se reduce si la berma está anclada al pavimento o si la losa es lo suficientemente ancha como para que las llantas circulen lejos del borde de la losa El análisis de erosión controla el diseño de los pavimentos espesos para tránsito medio y pesado cuando la transferencia de carga es por trabazón de agregados y controla el diseño para tránsito pesado cuando la transferencia es por varillas

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FACTORES DE DISEÑO Después de elegir el tipo de pavimento, la subbase y el tipo de berma , el diseño se realiza a partir de los siguientes factores: Resistencia a la flexión del concreto (MR) Resistencia de la subrasante o del conjunto subrasante subbase (K). Los tipos, frecuencias y magnitudes de las cargas por eje esperadas. El período de diseño, que usualmente se toca como 20 años, puede ser mayor o menor.

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FACTORES DE DISEÑO DEL PAVIMENTO

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CONSIDERACIONES DE DISEÑO – Soporte del pavimento La resistencia de cada suelo se debe expresar en términos del módulo de reacción (k). No se requiere realizar correcciones de “k” por efectos estacionales. Se permite la determinación de “k” por correlación con el CBR.

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EL TRÁNSITO Los principales factores que inciden en el diseño de un pavimento rígido son el numero y la magnitud de las cargas por eje mas pesadas, estos valores se obtienen a partir de estimativos de: •TPD •TPDVC •Cargas por eje de los vehículos comerciales. PROYECCION DEL TRÁNSITO Para obtener el dato necesario de transito para el diseño, consiste en el empleo de tasas de crecimiento anual y factores de proyección.

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 Factores de seguridad de carga. Para tránsito pesado, F.S.C = 1.2. Para tránsito medio, F.S.C. = 1.1. Para tránsito bajo, F.S.C. = 1.0.

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Proyecto y Datos de Tráfico Camino local de 2 carriles (Tabla W-4 disponible, Tabla 8) SueloCemento granular Suelo de fundación débil, k = 125 lb./pulg3 Periodo de diseño = 20 años TPD actual = 1,046 Factor de proyección = 1.5 Tráfico de Camiones12 = 16 por ciento del TPD Cálculos del Tráfico TPD de diseño = 1,046 x 1.5 = 1,569 Tráfico de Camiones = 1,569 x 0.16 = 251 ► Cada carril : 251/2 = 126 ► Para el periodo de diseño : 126 x 365 x 20 = 919,800 En la Tabla 9, se calcula el número esperado de cargas por eje multiplicando 919,800 camiones por las cargas por eje para 1,000 vehículos dadas en la Tabla W- 4, y Tabla 8. La Tabla 10 muestra el cálculo del Factor de Fatiga. Empezando con las categorías de cargas mas pesadas, se observa que los efectos de fatiga disminuyen rápidamente cuando las cargas decrecen. Esto usualmente hace innecesario emplear las categorías de cargas bajas en los cálculos. El Total es redondeado para obtener el Factor de Fatiga de 268,000.

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Este método PCA sirve para evaluar la resistencia frente a la erosión de un pavimento o de la superficie de apoyo de las losas de concreto. El análisis de la fatiga del método de la PCA se basa en modelos teóricos haciendo uso del método de los elementos finitos, por la que su utilización no presenta ningún tipo de restricciones. Cuando las capas asfálticas están constituidas por una capa de rodadura, una base asfáltica y una base negra, en las que se tienen diferencias de Stiffness muy grandes, se calculan los espesores requeridos en las graficas correspondientes a los códigos respectivos, con estas se obtienen las relaciones de sustitución.

Métodos de diseño de Pavimentos.

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