ANALISIS SOBRE DISEÑOS DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

NOMBRE DEL PROYECTO: Construcción de Pistas y Veredas en la Urbanización Los Portales de Mitopampa-Amarilis – Huanuco

DATOS TOMADOS PARA EL DISEÑO: Los estudio de suelos se basaron en la realización de sondeos o calicatas, hasta una profundidad aproximada de 1.50 m, habiéndose muestreado la capa que abarca desde una profundidad de 0.70 m hacia abajo, con descarte de la capa superficial, porque por razones de alineamiento vertical se realizaran cortes superficiales y se eliminarán materiales no aptos para la sub rasante.

Para este proyecto se hicieron 30 calicatas, sacando de cada una estratos para obtener los datos necesarios para el diseño, se hará mención solo de algunos resultados:

CAPACIDAD RELATIVA DE SOPORTE DE LOS SUELOS

Con la finalidad de establecer las características del suelo de soporte, se resume en el siguiente cuadro los valores de los CBR (%) al 100% y al 95% de la máxima densidad seca para una penetración de 0.1”, obtenidos en cada progresiva y a la profundidad activa.

RESULTADOS DE CBR:

CALICATA: C-21

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 36.96 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 32.12 %

CALICATA: C-22

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 23.15 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 18.04 %

CALICATA: C-23

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 24.95 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 23.14 %

CALICATA: C-24

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 11.60 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 9.77 %

CALICATA: C-25

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 11.13 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 9.89 %

CALICATA: C-26

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 20.07 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 18.38 %

CALICATA: C-27

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 10.20 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 8.92 %

CALICATA: C-28

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 8.47 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 7.62 %

CALICATA: C-29

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 7.60 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 6.18 %

CALICATA: C-30

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 11.60 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 9.39 %

Para definir el valor de la capacidad relativa de soporte de diseño, se revisan los criterios existentes. El Instituto del Asfalto (IA) recomienda usar el menor valor por seguridad, mientras que el AASHTO recomienda usar el valor promedio del tramo estudiado.

En nuestro caso se tomará la recomendación del Instituto del Asfalto, estableciéndose como CBR de diseño igual a 6.18%.

MODULO DE RESILENCIA EFECTIVA DEL SUELO DE SOPORTE (MR)

En el Método de Diseño del AASHTO (Guía 1993), el suelo de soporte es caracterizado por su Módulo de Resilencia (MR), que a diferencia del CBR que

LOS DATOS DE CBR SON NECESARIOS PARA LA SUB RASANTE: EN ESTE DISEÑO SE TOMO LOS DATOS RECOMENDADOS POR EL

INSTITUTO DEL ASFALTO QUE ES EL MENOR VALOR POR SEGURIDAD.

CBR AL 100% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 11.60 %CBR AL 95% DE LA DENSIDAD SECA MAXIMA: 9.39 %

reporta su comportamiento al punzonamiento, simula el comportamiento dinámico del suelo por efecto de las cargas de tráfico.

Por la dificultad de realizar ensayos de módulos de resilencia, existen correlaciones entre el CBR y el MR, tal como se encuentra en la Guía AASHTO.

MR (psi)=1500xCBR

En el presente proyecto se usa la primera fórmula, que da como resultado:

MR = 1500x6.18=9270 psi

ESTUDIO DE TRÁFICO

El conteo de tráfico se realiza para tener una estadística real del volumen de tránsito vehicular diario que pasan por un punto predeterminado de acuerdo a la clasificación según su capacidad de carga.

VEHÍCULOS LIGEROS Son vehículos libres con propulsión destinados al transporte, tienen 10 asientos como máximo, este tipo de vehículos comprende: automóviles, camionetas rurales y combis.

VEHÍCULOS PESADOS Son vehículos destinados para transporte de personas y de carga que sobrepasan los 4000 Kg. Entre ellos tenemos omnibuses, camiones, semitraylers y traylers.

ÍNDICE MEDIO DIARIO (I.M.D.)

El Índice Medio Diario es el volumen de tránsito que circula durante las 24 horas. Para el estudio el conteo de tráfico se ha realizado para un periodo de 07 días (13/08/10 al 19/08/10), durante 12 horas continuas, teniendo en cuenta que la mayor circulación de vehículos por esta zona se produce en horas de la mañana y de la tarde. Los puntos determinados para el conteo vehicular, durante las 12 horas del día, se han establecido teniendo en cuenta las vías de mayor tráfico vehicular, ubicándose así las estaciones siguientes:

EL MODULO DE RESILENCIA ES DE LA SUBRASANTE, ESTE DATO SERVIRA PARA DETERMINAR EL NUMERO ESTRUCTURAL

REQUERIDO.

MR = 1500x6.18=9270 psi

Punto de Control Jr. Considerado para el ETV

1. Esq. Jrs. Las Caobas y Los Sauces Jr. Las CaobasJr. Los Sauces

2. Esq. Vía Colectora y Jr. Los Fresnos Jr. Los Fresnos

Vía Colectora

3.- Esq. Jr. Los Eucaliptos y Vía Colectora Jr. Los Eucaliptos

4.- Esq. Jrs. Las Casuarinas y Los Cerezos Jr. Las CasuarinasJr. Los Cerezos

Para hacer un acopio de datos del movimiento vehicular según el tipo de vehículo que nos permitirá cuantificar con mayor precisión, se ha utilizado el formato de clasificación vehicular, en mismo que contiene los tipos de vehículos clasificados según el uso y el tipo de carga (ligeros y pesados); y el sentido de las vías en el punto de control de conteo vehicular se ha determinado el número de vehículos que circulan en ambos sentidos de las vías a cuantificar.

Como se puede apreciar en el Cuadro Resumen de los IMDA de las calles observadas, estos varían considerablemente de una a otra calle, presentándose rangos que van desde 167 vehíc. /día, como de hasta 4,213 vehíc. /día.

El resumen del conteo de vehículos, así como los resultados obtenidos en el ETV luego del procesamiento realizado, se muestran en los cuadros del Anexo Nº 01 que se adjunta a este informe.

En el presente estudio el procedimiento de análisis de tráfico vehicular empleado, incorpora el concepto de cargas por eje simple equivalente a 18000 Lb (80KN), por lo tanto es necesario determinar en un primer momento el número de vehículos que transitan por las calles de la zona del proyecto y las cargas por ejes de estos.

Se debe precisar que luego de realizado el ETV, se ha podido determinar que el volumen de tráfico varía considerablemente entre calles, tal y como se muestra a continuación:

IMD

- Jr. Las Caobas 1,993 vehículos/día

- Jr. Las Casuarinas 502 vehículos/día- Jr. Los Eucaliptos 610 vehículos/día- Jr. Los Fresnos 3,114

vehículos/día- Jr. Los Nogales 381

vehículos/día- Jr. Los Sauces 1,002

vehículos/día

Como se puede observar en el resumen anterior el volumen de vehículos varía considerablemente por calles, esto debido a que los Jrs. Las Caobas, Los Fresnos y Los

Sauces, son vías por donde se acceden a las urbanizaciones ubicadas al otro lado de la vía regional.

Para cada grupo se procederá a calcular el número de repeticiones por eje equivalente de 18,000 libras.

TRANSITO EQUIVALENTE

Los resultados de la Prueba de Carreteras AASHTO mostraron que el daño que produce un eje con una carga determinada puede representarse por el número de pasadas de un eje simple de 80 KN (8,16Ton.) de rueda doble, considerado como eje patrón, que produce un daño similar. Distintas configuraciones de ejes y cargas inducen daños diferentes en el pavimento, pudiendo asociarse dicho deterioro al producido por un determinado número de ejes convencionales de 80KN de carga por eje simple de rueda doble.

Equivalencia de Cargas: Un determinado eje de peso L hace bajar el índice de serviciabilidad inicial pi a un valor final pf después de NL pasadas. Si se toma un eje de referencia de 18.000 Lbs. se necesitarán N18 pasadas para producir igual efecto destructor. Se dice que ambos tránsitos son equivalentes, porque una pasada del eje de peso L equivale a (N18 / NL) pasadas del eje L18. El factor de equivalencia correspondiente al eje de peso L se conoce como Feq.

El efecto que produce el paso de un determinado eje sobre la estructura de un pavimento, expresado en el efecto que produce un eje tipo, se denomina Tránsito Equivalente

Tránsito Equivalente Acumulado: Corresponde al número total de ejes equivalentes acumulados que teóricamente solicitarán al pavimento durante su vida de diseño. Se obtiene al expresar las repeticiones de ejes esperadas en un eje patrón de 18.000 Lbs.

CÁLCULO DEL ESAL (Número de Repeticiones por Eje Equivalente)La resistencia de un pavimento depende no solamente de las cargas máximas

actuantes, sino también del número de veces que éstas se aplican. El número de solicitaciones que se acumularán durante la vida de diseño se analiza por estrato y por tipo de vehículo.

Para el cálculo del ESAL de diseño, se han tomado las siguientes consideraciones:

Clasificación de la calle: Sistema Local de Calles – Sistema Urbano (Según la clasificación propuesta por el Instituto del Asfalto).

Factor de Crecimiento “G”: Determinado por el período de diseño y por la tasa de crecimiento del tráfico vehicular G =

[ 1+(1+r )y

2 ] Período de Diseño “Y”: Por tratarse de un proyecto que incluye vías

del sistema local de calles, se considerará un período de diseño de 20 años.

Tasa de Crecimiento Anual “r”: 5% porque se considera que la vía es de servicio local de calles, para un uso típico que no variará considerablemente con el actual

Factor de Distribución de

Dirección “D”: Por tratarse de vías de dos sentidos se considera 50%.

Factor de Distribución porCarriles “L”: Por tratarse de vías de 01 carril se considera 100%.

Factor de Carga Equivalentedel total de vehículos ∑ Fi Ni: El valor calculado de muestra en el cuadro

anterior y se obtuvo del producto del factor de carga equivalente (EALF) con el número de repeticiones por tipo de vehículo.

Con los datos indicados se procede a calcular el ESAL de diseño, empelando

para ello la siguiente expresión:

ESAL = ∑ Fi Ni x G x D x L x Y x 365

A continuación se presenta los valores optenidos por el estudio de transito cálculo del ESAL para cada una de las calles en las que se realizó el conteo de tráfico vehicular.

ESAL: Jrs. Los Sauces : 240,180.04ESAL: Jrs. Los Nogales : 2,275.36ESAL: Jrs. Los Eucalipos : 18,853.05ESAL: Jrs. Los Fresnos : 37,978.51ESAL: Jrs. Las Casuarinas : 1,341.65ESAL: Jrs. Las Caobas : 355,717.81

DISEÑO DEL PAVIMENTO

Previo a la presentación del presente diseño, que establece la estructura del pavimento compuesto por una carpeta asfáltica fabricada en caliente, se han analizado otras alternativas como el tratamiento superficial de agregados y de asfalto, por el nivel tráfico proyectado, las condiciones climáticas y la disponibilidad de los materiales. Quedando como una mejor alternativa la que posee una capa de concreto asfáltico como superficie de rodadura, con elementos de base y sub base conformados por suelos seleccionados de cantera.

Esta forma de pavimento es conocido como pavimento flexible, por las características de deformación y la forma de transmisión de esfuerzos hacia el interior.

Para el diseño estructural se ha aplicado la metodología conocida como “AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES” básicamente en lo referente al Capítulo 4 “LOW VOLUMEN ROAD DESIGN” del año 1993.

APLICACION DEL METODO AASHTO

Para aplicar el Método expuesto, se establecerán los parámetros del presente estudio por tener distintos y extremos valores de ESAL, en este estudio se estableceran dos diseños, los cuales corresponderan a las calles señaladas.

PARA LOS JIRONES LAS CAOBAS Y LOS SAUCES

EJES EQUIVALENTES (ESALs = W18)

Del estudio de tráfico, EALs = 355,000.00

MODULO DE RESILENCIA DE LA SUB RASANTE (MR)

Del estudio de Mecánica de Suelos, MR=9,270

NIVEL DE CONFIABILIDAD O RELIABILITY LEVELS (R)

Que se puede tomar de los valores tabulados y recomendados por el AASHTO indicados en los cuadros siguientes. De ellas se escoge un nivel de confiabilidad R del 80% para carreteras rurales. A él se relaciona un ZR

= -0.841

ERROR ESTANDAR (SO)

Para pavimentos asfálticos, el AASHTO recomienda usar entre 0.40 y 0.50. En este caso escogemos un valor intermedio de 0.49

PERDIDA DE SERVICIABILIDAD (∆PSI)

El AASHTO considera que la serviciabilidad inicial de un pavimento asfáltico es 4.2 y la serviciabilidad final para un pavimento es 2.0, entonces la pérdida de serviciabilidad resulta 2.2

NUMERO ESTRUCTURAL DE DISEÑO (SN)

Usando el nomograma del AASHTO, que se muestra luego de los cuadros de datos, se obtiene el número estructural requerido del pavimento para proteger la sub rasante. Resultando:

SN=2.49 (flechas color rojo)

DIMENSIONAMIENTO DE CAPAS

PASO N° 1

Número Estructural

El número estructural SN, es un valor estructural abstracto que representa la resistencia total de la estructura del pavimento, para una determinada calidad de la sub rasante, magnitud de tráfico e índice de servicio al final del período de diseño, se distribuye a las diferentes capas mediante la siguiente expresión, que relaciona el SN con los parámetros de las capas a incluir.

SN=a1D1+a2D2m2+a3D3m3

Donde:

a1 =Coeficiente estructural de la carpeta asfáltica D1 =Espesor de la carpeta asfáltica (cm) a2 =Coeficiente estructural de la capa de base granular D2 =Espesor de la capa de base granular (cm) m2 =Coeficiente de drenaje de la capa de base granular a3 =Coeficiente estructural de la capa de sub base granular D3 =Espesor de la capa de sub base granular (cm) m3 =Coeficiente de drenaje de la capa de sub base granular

Estos parámetros permiten definir la capacidad estructural requerida, en términos del número estructural del paquete del pavimento. Cada una de las capas proporciona una capacidad en base a su aporte estructural que está en función de la calidad del material a usar.

SN=2.49 (flechas color rojo)

PASO N° 2

Coeficientes Estructurales

Los coeficientes estructurales de las capas del pavimento propuestos por la Guía AASHTO, luego de sus experimentos de campo, se muestran en el siguiente cuadro.

Coeficientes estructurales (Guía AASHTO, 1993)

CAPA DE PAVIMENTO APORTE ESTRUCTURAL

Capa 1.- Capa de rodadura a1Concreto Asfáltico tipo superior – alta estabilidad 0.170/cmMezcla asfáltica en frio, con asfalto emulsionado 0.100/cmTratamiento superficial ---

Capa 2.- Base a2Base granular, CBR 80% compactada al 100% de la MDS

0.052/cm

Base granular, CBR 100% compactada al 100% de la MDS

0.056/cm

Base granular tratada con asfalto 0.135/cmBase granular tratada con cemento 0.120/cmBase granular tratada con cal 0.060 –

0.120/cm

Capa 3.- Sub base a3Sub base granular, CBR 25% compactada al 100% de la MDS

0.039/cm

Sub base granular, CBR 30% compactada al 100% de la MDS

0.043/cm

Sub base granular, CBR 40% compactada al 100% de la MDS

0.047/cm

Sub base granular, CBR 60% compactada al 100% de la MDS

0.050/cm

En el presente diseño se toman:

a1=0.170/cm (para concreto asfáltico en caliente)a2=0.052/cm (para agregados con 80% de CBR)a3=0.043/cm (para agregados con 30% de CBR)

Coeficiente de drenaje

El coeficiente de drenaje está relacionado con la capacidad de evacuación de las aguas de infiltración en la estructura del pavimento, siendo mayor cuando la retención es por poco tiempo. La Guía AASHTO propone los valores que se señalan en el siguiente cuadro.

Coeficiente de drenaje (Guía AASHTO, 1993)

CONDICION DE DRENAJE

% DE TIEMPO QUE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO ESTA EXPUESTA A HUMEDAD PROXIMA A LA SATURACIONMenos de 1%

1-5% 5-25% Más de 25%

Excelente 1.40-1.35

1.35-1.30

1.30-1.20

1.20

Bueno 1.35-1.25

1.25-1.15

1.15-1.00

1.00

Regular 1.25-1.15

1.15-1.05

1.00-0.80

0.80

Pobre 1.15-1.05

1.05-0.80

0.80-0.60

0.60

Muy pobre 1.05-0.95

0.95-0.75

0.75-0.40

0.40

En el diseño del presente estudio se toma en cuenta que la zona es de sierra, con lluvias no muy permanentes en el año, que saturan al suelo entre un 5 - 25%, con una condición de drenaje de Regular a Bueno

Por ello se escogen:

m2=1.00 (para la base granular)m3=1.00 (para la sub base granular)

PASO N° 3

Espesores de las capas

Usando la fórmula del número estructural, se obtienen los espesores de las capas (D1, D2 y D3). Se tomará en cuenta la recomendación del AASHTO con respecto a los espesores mínimos que se indican en el cuadro adjunto.

Espesores mínimos sugeridos

NUMERO DE ESALs

CARPETA ASFALTICA (cm)

BASE GRANULAR (cm)

Menos de 50,000 3.0 10.050,000 – 150,000 5.0 10.0150,000 – 500,000

6.5 10.0

500,000 – 7.5 15.0

2,000,0002,000,000 – 7,000,000

9.0 15.0

Mas de 7,000,000 10.0 15.0Fuente: Guía para la estructura de pavimentos, AASHTO, 1993

De esta manera, se tendrá como espesor mínimo de entrada el valor de la carpeta asfáltica.

D1=6.5 cm (para un ESALs de 355,000)

Finalmente se calculan los demás espesores, que se resumen en el cuadro siguiente.

Obtención de los espesores de las capas

a1/cm

D1 (cm)

a1*D1

a2/cm

D2 (cm)

m2

a2*D2*m2

a3/cm

D3 (cm)

m3

a3*D3*m3 SN

0.17 6.5 1.105 0.052 10 1 0.52 0.043 25 1 1.075 2.7

0.17 6.5 1.105 0.052 15 1 0.78 0.043 20 1 0.862.745

0.17 6.5 1.105 0.052 20 1 1.04 0.043 15 1 0.645 2.79

0.17 6.5 1.105 0.052 25 1 1.3 0.043 10 1 0.432.835

Las alternativas que satisfacen al requerimiento estructural son los achurados en amarillo, que proporcionan números estructurales totales de 2.745 que son mayores al requerido de 2.49

De esta forma se resumen:

Se toma como diseño para las calles Las Caobas y Los Sauces

D1= 6.5 cm (Carpeta asfáltica en caliente)D2= 15 cm (Base granular)D3= 20 cm (Sub base granular)

ANALISIS:

El diseño del pavimento flexible fue realizado por el método AASHTO.

Los cálculos de CBR fueron tomados mediante las teorías recomendados

por el instituto del asfalto que es el menor valor por seguridad en este caso

no se considero el método AASHTO, solo en este caso.

Se tomo en cuenta las variables en función del tiempo, dando como

periodo de diseño de 20 años.

También se hizo un estudio de trafico mediante el aforo, para hallar el

factor ESAL´s

Se obtuvo todos los datos pedidos en la teoría:

La cantidad estimada de ejes equivalentes.

La confiabilidad (R)

La desviación estándar (So)

El modulo de resilencia

Para hallar los coeficientes estructurales se hizo uso de un programa

(nomograma del AASHTO 93), también se pudo hacer uso de la Figura 7-1

Diseño del Número Estructural, realizados en clase.

Se siguió los pasos 1,2 y 3 para calcular los espesores de cada capa.

En este diseño se siguió en gran parte a la teoría realizada en clases, solo

que para algunos casos se hizo uso de programas, que en gran parte nos

benefician para poder realizar un cálculo más exacto y en menos tiempo.