Diseño Carretera

Diseo de Pavimento

FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL Y ARQUITECTURAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA CIVIL

TEMA: Diseo de Pavimentos

CURSO:Diseo Moderno de Pavimentos.

ALUMNO:

PROFESOR:

CICLO:IX Noveno.

2012

TRABAJO FINAL DE DISEO DE PAVIMENTOS MODERNOS

1. PAVIMENTOS FLEXIBLES:a. Efectuar diseos equivalentes de pavimentos a 25 Aos para una carretera utilizando el mtodo mecanistico. Utilizar el mtodo AASHTO 93 para el pre-diseo.CBR sub rasante= A%CBR base= 100%CBR sub base= 40%

Verificar el diseo con mtodo mecanistico utilizando criterios de falla.GRUPO06

ESAL4.8 x 107

CBR de la Sub rasante12 %

ZonaSierra

El alumno deber sustentar y referenciar los parmetros que utilice en los diseos.La respuesta es la eleccin de la estructura de pavimento recomendada debidamente sustentada.

b. Realice con los mismos datos asumiendo profundidades de rigidez el diseo de pavimentos rgidos y haga un anlisis comparativo con el pavimento flexible diseado.c. Realice un anlisis de sensibilidad a su diseo asumiendo una incertidumbre de +/- 25% en la prediccin del ESAL. Y +/- 25% del CBR de la Sub Rasante.d. Evalu como vara el espesor de la base granular calculado para diferentes valores de CBR de la Sub Rasante, a partir de que valores de CBR no es incidente el aumento del espesor, haga una grfica para 15, 20, 25 aos de periodo de diseo.e. Segn su anlisis obtenido, graficar y disear una seccin tpica de su pavimentof. Ahora que tiene su diseo de pavimento, que otros factores deber tomar en cuenta antes de preparar el Expediente Tcnico para la ejecucin de obra.

RESPUESTA DE LA PREGUNTA 1 - aA. HALLANDO EL MODULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE

1. Parmetros de diseo Modulo Resiliente efectivo de la Sub Rasante:

Mr = 1500*CBR (Suelos Finos con CBR < 10%) Aashto.I

Mr = 4326*lnCBR + 241 (Suelos granulares) Aashto.II

Mr= 1500*CBR ( Para CBR < 7.2% ) Venezuela.III

Mr = 3000*CBR0.65 ( Para CBR de 7.2% a 20% )Sudfrica.IV

2. Por dato del ejercicio, tenemos:

CBR de la sub rasante: 12%Zona: Sierra

Entonces, utilizaremos la frmula de la ecuacin (II)Mr = 4326*lnCBR + 241 (Suelos granulares) AashtoMr = 4326*ln(12) + 241 Mr = 10,990.71 PSI

Tambin, utilizaremos la frmula de la ecuacin (IV)Mr= 3000*CBR0.65 (Para CBR de 7.2% a 20%) SudfricaMr= 3000* 120.65Mr = 15,086.52 PSI.

El Modulo Resiliente de la Sub Rasante es: 10,990.71 PSI.

B. DISEO DE MODULO RESILIENTE PARA SUB RASANTE:

Entonces obtenemos: Y. Good Soil. = Buen Suelo.

C. HALLANDO EL COEFICIENTE DE LA CAPAa1:

HMA (Mezcla Asfltica Convencional) MR = 450,000 PSI. (como mnimo) Entonces, obtenemos el valor de a1 = o.44 pulg.

D. HALLANDO EL COEFICIENTE DE LA CAPA a2:

CBR de la Base 100% Entonces, obtenemos :a2 = o.14 pulg.MR = 30,000 PSI

E. HALLANDO EL COEFICIENTE DE LA CAPA a3:

CBR de la Sub Base 40% Entonces, obtenemos :a3 = o.114pulg.MR = 17,000 PSI

F. PERIODO DE DISEO: 25 Aos

Condiciones de CarreterasPerodo de Anlisis

Vas urbanas con alto volumen30 - 50

Vas rurales con alto volumen20 - 50

Pavimentadas con bajo volumen15 - 25

Superficie granular con bajo volumen10 - 20

Como el periodo de diseo es de 25 aos, entonces segn la tabla se clasificara como Vas rurales con alto volumenG. FACTOR DE CONFIABILIDAD (R):Valores de Confiabilidad recomendados por AASHTO 1993Clasificacin FuncionalNivel Recomendado de Confiabilidad

UrbanoRural

Autopistas85 - 99,985 - 99,9

Arterias Principales80 - 9975 - 95

Colectoras80 - 9575 - 95

Locales50 - 8050 - 80

Como se clasifico la Va Rural de Autopistas, entonces tomaremos el valor de R = 96%Valores de desviacin estndar normal de acuerdo a la confiabilidadConfiabilidad (R%)Desviacin Estndar Normal (ZR)

50%- 0.000

60%- 0.253

70%- 0.524

75%- 0.674

80%- 0.842

85%- 1.036

90%- 1.282

91%- 1.341

92%- 1.405

93%- 1.476

94%- 1.555

95%- 1.645

96%- 1.751

97%- 1.881

98%- 2.054

99%- 2.326

99.9%- 3.090

99.99%- 3.719

Como R = 96%, obtenemos de la tabla ZR = -1,751H. DESVIACION ESTADAR TOTAL (SO):AASHTO recomienda adoptar para pavimento flexible valores entre (0.40 0.50); el MTC recomienda el valor de 0.45

I. PRDIDA DE SERVICIABILIDAD (PSI):

Serviciabilidad Inicial (p0) = 4.5 a 3.8

Prdida de Serviciabilidad

Serviciabilidad Final (pt)= 3.0, 2.5, 2.0

Se recomienda utilizar p0 = 4.5 y pt =2.5PSI = p0 - ptPSI = 4.5 2.5PSI = 2J. COEFICIENTE DE DRENAJE(mi):CALIDAD DEL DRENAJEAGUA ELIMINADA EN

Excelente 2 Horas

Bueno1 Da

Regular1 Semana

Malo1 Mes

Muy maloAgua no drena

Condicin de Drenaje:Estuvo saturado 2 das; entonces la calidad de drenaje es:Bueno (2/7)*100% = 28.57%Coeficiente de Drenaje de bases y sub base granulares:CALIDAD DEL DRENAJE% del tiempo que la estructura del pavimento est expuesta a niveles de humedad prximas a la saturacin.

< 1%1 - 5%5 - 25%> 25%

Excelente1.40 - 1.351.35 - 1.301.30 - 1.201.20

Bueno1.35 - 1.251.25 - 1.151.15 - 1.001.00

Regular1.25 - 1.151.15 - 1.051.00 - 0.800.80

Malo1.15 - 1.051.05 - 0.800.80 - 0.600.60

Muy malo1.05 - 0.950.95 - 0.750.75 - 0.400.40

Entonces el coeficiente de drenaje, tanto para la Base y Sub Base es: 1.00m2 = m3 = 1.00

K. ESPESORES MINIMOS (AASHTO 1993)

Segn el ESAL = 48,000,000 Obtengo los siguientes espesores :

ESAL, TraficoConcreto Asfaltico(Pulg)Base Granular(Pulg)

< 50,0001.04.0

50,001 - 150,0002.04.0

150,001 - 500,0002.54.0

500,001 - 2, 000, 0003.06.0

2,000,001 - 7, 000, 0003.56.0

> 7,000,0004.06.0

L. RESUMEN DE LOS PARAMETROS DE DISEO OBTENIDOS:

VA RURAL CON ALTO VOLUMEN

ESAL (W18)4.8 x 107

Confiabilidad (R%)96%

Desviacin Estndar Normal (ZR)-1.751

Desviacin Estndar Total (S0)0.45

Serviciabilidad Inicial (p0)4.5

Serviciabilidad Final (pt)2.5

Prdida de Serviciabilidad (PSI)2.0

CAPACBR (%)MR (PSI)Coeficiente de Capa (ai)Coeficiente de drenaje (mi)

Carpeta Asfltica450,000 a1 = 0.44

Base1030,000a2 = 0.14m2 =1.00

Sub base4017,000a3 = 0.12m3 =1.00

Subrasante1210,990.71

La mejor opcin sera la alternativa 2

En la siguiente tabla podemos comparar los espesores mnimos recomendados por el AASTHO 93 y ver el ms econmico y cumpla con las deformaciones y deflexiones del paquete estructural del pavimento flexible.

M. CONVERSION DE LOS MODULOS RESILIENTES DE PSI A KG/CM2Mdulo ResilientePSIKg/cm2

Carpeta asfltica450,00031,645.57

Base30,0002,109.70

Sub Base17,0001,195.50

Sub Rasante10,990.71772.91

Verificando la Primera Alternativa

Falla por Fatiga: et = - 309x10-6 (Traccin)

Falla por Ahuellamiento: ez= 48x10-6 (Compresin)

Verificando la Segunda Alternativa



Entonces el diseo no cumple: falla por traccin y no falla por compresin.

Como se aprecia los resultados obtenidos en el Software WINDEPAV, el clculo de los esfuerzos y deformaciones mximas.

El esfuerzo horizontal en el fondo de la capa asfltica inferior es excesivo depende de la deformacin horizontal de tensin que se produce en la interface de la fibra inferior de la Carpeta Asfltica y la fibra superior de la Base Granular denominada Falla por Fatiga (TRACCIN) t, este dato obtenido del software y es verificado por el Anlisis De Dao Por Fatiga y no cumple con estos espesores para tal carga de trfico.

La Falla por ahuellamiento o deformacin permanente (COMPRESIN) ocurre en la superficie del pavimento debido a la sobrecarga de la subrasante, si el esfuerzo vertical de compresin sobre dicha capa es excesivo deformacin vertical de compresin en la superficie de la capa subrasante (z) y tambin es verificado por el Anlisis De Dao Por Deformacin Permanente y cumpleLos esfuerzos verticales a cualquier profundidad se reducen al aumentar la velocidad de aplicacin de la carga.

Se establece el criterio de agregar una base estabilizada con cemento para satisfacer el diseo de pavimento por la Falla a Traccin.

UTILIZANDO BASE ESTABILIZADA

44 000 kg/cm2 x 14.22 = 625 680 = 6.3 x 105 a2 = .165Mdulo ResilientePSIKg/cm2


Base Estabilizada625,68044,000

Base30,0002,109.70

Sub Base17,0001,195.50

Sub Rasante10,990.71772.91

Verificando la Primera y Segunda Alternativa con Base Estabilizada



Entonces el diseo cumple por traccin y por compresin, se establece criterios aceptables para el desempeo del pavimento del periodo de diseo (niveles aceptables de Fatiga y Deformacin permanente). RESPUESTA DE LA PREGUNTA 1 - bA. PARAMETROS DE DISEO:

Calcular el modulo de rigidez para un pavimento Rgido Asumir el espesor de Sub Base de 15 cm (6 Pulg.) y La superficie rgida a nivel de la Subrasante se encuentra a 12 pies.

ESAL (W18)4.8 x 107

FC280 Kg/cm2

Coeficiente de Transferencia de carga (J)3.2







CAPACBR (%)MR (PSI)ProfundidadCoeficiente de drenaje (Cd)

Sub base4017,00015 cm.1.00


Superficie Rgida12 Pies.

K = 520 pciB. MODULO DE ELASTICIDAD DEL CONCRETO (EC)EC = 57,000 ( FC )0.5EC = 57,000 ( 280*14.22)0.5EC = 3,596,695.48 PSIC. MODULO DE ROTURA DEL CONCRETO (MR)

MR = 9 * (FC)0.5MR = 9 * (240*14.22)0.5MR = 567.90 PSI

D. ANALISIS COMPARATIVO ENTRE EL PAVIMENTO FLEXIBLE Y PAVIMENTO RIGIDO

Para poder escoger cual de las alternativas es la ms adecuada se debe tener en cuenta el costo de cada una de las capas involucradas en diseo estructural del pavimento y se podra elegir la de menor costo y por ende que cumpla el Mtodo Emprico (AASHTO 1993), donde Su criterio de falla es el ndice de servicio final(pt), Falla del pavimento es funcin del nmero estructural y el Mtodo Emprico- Mecanistico (AASHTO 2002), generalmente, se reconocen dos tipos de criterios de falla de los pavimentos asflticos: uno relacionado con el agrietamiento por fatiga y el otro con el inicio del ahuellamiento en la subrasante. Un tercer criterio (deflexin) se usa en aplicaciones especficas.

El agrietamiento por fatiga (Traccin) (t), se desarrolla bajo cargas repetidas si el esfuerzo horizontal en el fondo de la capa asfltica inferior es excesivo depende de la deformacin horizontal de tensin en la fibra inferior de las capas asflticas

El ahuellamiento o deformacin permanente (Compresin) (z), ocurre en la superficie del pavimento debido a la sobrecarga de la subrasante, si el esfuerzo vertical de compresin sobre dicha capa es excesivo deformacin vertical de compresin en la superficie de la capa subrasante

Los pavimentos flexibles se utilizan principalmente en las principales autopistas y aeropuertos, en zonas de operacin de vehculos pesados, deben estar diseadas para soportar cargas de trfico y evitar fallas por fatiga del pavimento debido a las cargas repetidas, adems se debe considerar el efecto del gradiente trmico que generan esfuerzos de traccin que puede ocasionar la Falla del Concreto por su Baja Resistencia a la Tensin, este problema es controlado con la eleccin adecuada de las dimensiones de la losas, se considera la colocacin de refuerzo para controlar las fisuras y espaciamiento de grietas, mediante el diseo Mecanistico de transferencia de carga en la juntas.

RESPUESTA DE LA PREGUNTA 1 - c

+ 25 % ESALESAL4.8 x 107= 48,000,000+ 25 % = 6 x 107 = 60,000,000

A. RESUMEN DE LOS PARAMETROS DE DISEO:


ESAL (W18)6 x 107

Confiabilidad (R%)96 %







Carpeta Asfltica450,000a1 = 0.44

Base10030,000a2 = 0.14m2 =1.00

Sub base4017,000a3 = 0.12m3 =1.00


B. CONVERSION DE LOS MODULOS RESILIENTES DE PSI A KG/CM2Mdulo ResilientePSIKg/cm2


Base30,0002,109.70

Sub Base17,0001,195.50

Sub Rasante10,990.71772.91







Entonces el diseo no cumple: falla por traccin y no falla por compresin





Base30,0002,109.70

Sub Base17,0001,195.50

Sub Rasante10,990.71772.91




Entonces el diseo cumple por traccin y por compresin, se establece criterios aceptables para el desempeo del pavimento del periodo de diseo (niveles aceptables de Fatiga y Deformacin permanente). - 25 % ESALESAL4.8 x 107= 48,000,000- 25 % = 3.6 x 107 = 36,000,000

A. RESUMEN DE LOS PARAMETROS DE DISEO:


ESAL (W18)3.6 x 107









Base100%30,000a2 = 0.14m2 =1.00

Sub base40%17,000a3 = 0.12m3 =1.00

Subrasante12%10,990.71

B. CONVERSION DE LOS MODULOS RESILIENTES DE PSI A KG/CM2Mdulo ResilientePSIKg/cm2


Base30,0002,109.70

Sub Base17,0001,195.50

Sub Rasante10,990.71772.91












Base30,0002,109.70

Sub Base17,0001,195.50

Sub Rasante10,990.71772.91




Entonces el diseo cumple por traccin y por compresin, se establece criterios aceptables para el desempeo del pavimento del periodo de diseo (niveles aceptables de Fatiga y Deformacin permanente). + 25 % CBRCBR de la Sub rasante12 %el+ 25 % = 15 %

A. HALLANDO EL MODULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE







CBR de la sub rasante: 15%Zona: Sierra


Tambin, utilizaremos la frmula de la ecuacin (IV)Mr= 3000*CBR0.65 (Para CBR de 7.2% a 20%)SudfricaMr= 3000* 150.65Mr = 17,441.37 PSI.

El Modulo Resiliente de la Sub Rasante es: 11,956.03 PSI.

B. DISEO DE MODULO RESILIENTE PARA SUB RASANTE:

Entonces obtenemos: Y. Good Soil = Buen Suelo

C. RESUMEN DE LOS PARAMETROS DE DISEO:


ESAL (W18)4.8 x 107









Base10030,000a2 = 0.14m2 = 1.00

Sub base4017,000a3 = 0.12m3 = 1.00


D. CONVERSION DE LOS MODULOS RESILIENTES DE PSI A KG/CM2Mdulo ResilientePSIKg/cm2


Base30,0002,109.70

Sub Base17,0001,195.50

Sub Rasante11,956.03840.79












Base30,0002,109.70

Sub Base17,0001,195.50

Sub Rasante11,956.03840.79




Entonces el diseo cumple por traccin y por compresin, se establece criterios aceptables para el desempeo del pavimento del periodo de diseo (niveles aceptables de Fatiga y Deformacin permanente). - 25 % CBRCBR de la Sub rasante12 %el- 25 % = 9 %

A. HALLANDO EL MODULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE







CBR de la sub rasante: 9 %Zona: Sierra

Entonces, utilizaremos la frmula de la ecuacin (I)Mr = 1500*CBR (Suelos Finos con CBR < 10%) AashtoMr = 1500* 9 Mr = 13,500 PSI


Tambin, utilizaremos la frmula de la ecuacin (IV)Mr = 3000*CBR0.65 (Para CBR de 7.2% a 20%) SudfricaMr = 3000* 90.65Mr = 12,513.50 PSI.

El Modulo Resiliente de la Sub Rasante es: 9,746.19 PSI.B. DISEO DE MODULO RESILIENTE PARA SUB RASANTE:

Entonces obtenemos: Good Soil = Buen Suelo

C. RESUMEN DE LOS PARAMETROS DE DISEO:


ESAL (W18)4.8 x 107









Base10030,000a2 = 0.14m2 = 1.00

Sub base4017,000a3 = 0.12m3 = 1.00


D. CONVERSION DE LOS MODULOS RESILIENTES DE PSI A KG/CM2Mdulo ResilientePSIKg/cm2


Base30,0002,109.70

Sub Base17,0001,195.50

Sub Rasante9,746.19685.39












Base30,0002,109.70

Sub Base17,0001,195.50

Sub Rasante9,746.19685.39




Entonces el diseo cumple por traccin y por compresin, se establece criterios aceptables para el desempeo del pavimento del periodo de diseo (niveles aceptables de Fatiga y Deformacin permanente). RESPUESTA DE LA PREGUNTA 1 - dEvalu como vara el espesor de la base granular calculado para diferentes valores de CBR de la Sub Rasante, a partir de que valores de CBR no es incidente el aumento del espesor, haga una grfica para 15, 20, 25 aos de periodo de diseo. Asumir tasa de crecimiento r=3.5%Datos:n = 25 aosr = 3.5%ESAL = 4.8x107 solucin

n = 20 aos

n = 15 aos

RESPUESTA DE LA PREGUNTA 1 - e El diseo de pavimento flexible que acontinuacion se describe en la seccin tpica satisface los cricterios de desempeo (niveles aceptables de Fatiga y Deformacin permanente), se considera viables desde el punto de vista Estructural y Funcional y puede ser ms considerado para otras evaluaciones, tales como anlisis de costos de ciclo de vida.

RESPUESTA DE LA PREGUNTA 1 - f

Los pavimentos son diseados para obtener en forma econmica un buen comportamiento durante una larga vida de servicio. Diversos factores deben analizarse para obtener el diseo del ms bajo costo anual. Estos factores son: Trnsito considerando las cargas por eje o rueda y su frecuencia Resistencia de los materiales Subrasante Drenaje Accin de las heladas (clima) Vida til para el diseo Influencia del trnsito en la aplicacin de las cargas en pavimentosLa caracterizacin de las solicitaciones producidas por el trnsito sobre una infraestructura carretera es bastante compleja, debido no slo a la variabilidad de los distintos vehculos existentes, sino tambin a las interacciones vehculo-pavimento que producen fenmenos con solicitaciones adicionales a las propias cargas estticas del trnsito.

Naturaleza cclica de las cargas que actan en un pavimentoEl diseo, anlisis y evaluacin estructural de las condiciones de los pavimentos comnmente se basan en el anlisis de la teora elstica multicapas; este acercamiento ofrece la posibilidad de una solucin racional al problema de diseo. El xito de esta aproximacin depende de la precisin y la manera en que las propiedades de los materiales son evaluadas y utilizadas.

Estado de esfuerzos que producen las cargas en funcin de la magnitud y tipologaLos neumticos de los vehculos se apoyan sobre el pavimento produciendo una huella de forma distinta para cada tipo de neumtico, presin de inflado, carga por rueda, velocidad y estado de la superficie. Cuando est en movimiento, adems de variar la forma de la huella, aparecen solicitaciones distintas a las verticales, que son las que existen cuando el vehculo esta detenido o con movimiento uniforme

Velocidad del vehculo y tiempo de solicitacin en un punto.Otro aspecto del vehculo que hay que considerar es la velocidad. Si se utiliza la teora viscoelstica, la velocidad est directamente relacionada con la duracin de la carga. Si se utiliza la teora elstica, debe seleccionarse adecuadamente el mdulo de resiliencia de los materiales para el pavimento, en proporcin con la velocidad del vehculo. (Huang,1993)

Estudios sobre interaccin dinmica vehculo-pavimentoMedicin del nivel de impacto sobre el pavimento como funcin de la velocidadPara el desarrollo de estas pruebas se utiliz un sensor de impacto de tipo resistivo desarrollado en el Instituto Mexicano del Transporte.Se llevaron a cabo una serie de pruebas a tres velocidades y tres niveles de carga. La prueba de cada combinacin carga - velocidad, fue realizada seis veces, de tal forma que se obtuvo un valor promedio para cada tipo de condiciones.

La Figura 1-12 muestra una seal de salida tpica para el dispositivo de impacto, para una velocidad de 50 km/hr y 100% de carga. Los valores de impacto mostrados corresponden, de izquierda a derecha, al eje frontal y a los ejes tndem del tractor y de la plataforma. La Figura 1-13 muestra los valores de impacto relativos para estas pruebas.

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