Diseño de Pavimento TaDmi Pca

“CONSTRUCCION DE LA PAVIMENTACION DE LAS CALLES 1, 2, 3 Y 7 DE LA A.P.V. EX TRABAJADORES FERROVIARIOS – DISTRITO DE SAYLLA – CUSCO”

6.5 DISEÑO DE PAVIMENTOS

6.5.1 GENERALIDADES

Un pavimento está constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se diseña y construye técnicamente con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoyan sobre la sub rasante de una vía obtenida por el movimiento de tierras y que ha de resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del tránsito le transmiten durante el periodo para el cual fue diseñada.

La parte más importante de una carretera, aeropuerto o calle es el pavimento. Sin esta estructura no se puede pensar en tránsito rápido, cómodo y seguro.

Todas las naciones están haciendo un esfuerzo cada vez más intenso para diseñar, construir, conservar y mejorar sus pavimentos, que puedan soportar adecuadamente el peso cada vez mayor de cargas por eje y la frecuencia, también el aumento de las mismas debido al crecimiento que en los últimos años ha experimentado el transporte automotor.

6.5.2 DEFINICIÓN DE LOS ELEMENTOS QUE CONFORMAN EL PAVIMENTO

Suelo de fundación

Es el terreno, suelo en corte, en relleno, o en corte y relleno compensado cuya porción superior nivelada, perfilada y compactada sirve de soporte al pavimento.

Los terraplenes del terreno en corte pueden encontrarse en la naturaleza en diferentes clases de suelos, los cuales pueden ser:

Bancos uniformes de suelos granulares como las gravas en lechos de ríos y las arenas de los depósitos eólicos en la costa.

Bancos uniformes de suelo cohesivo, como los depósitos lacustres de la sierra o los suelos lateríticas de la selva.

Bancos uniformes de materiales con elevados contenidos de materia orgánica como en los depósitos de turbas cercanas a las lagunas y lagos de la sierra y los aguajales de la selva.

Bancos de materiales heterogéneos de mezclas de materiales anteriormente indicadas en proporciones variables.

El MTC. Recomienda que el material; para formar el terraplén no deba tener restos vegetales y deberá estar exento de material orgánico, debido a que esto dificulta las labores de

Bach. Nilzon Brady Terrazas ValenzuelaBach. Tania Milagros Terrazas Valenzuela


compactación y ocasiona posteriores problemas de asentamientos diferenciales por descomposición de la materia orgánica.

Otra recomendación importante está referida al trabajo previo de limpieza y roce que hay que ejecutar sobre el área de terreno donde se va ha construir el terraplén, eliminando toda materia orgánica y escarificándola a una profundidad no menor de 1m para que se produzca una mejor adherencia con el material nuevo.

De la capacidad de soporte del suelo de fundación dependerá el espesor de la estructura del pavimento donde hay diferentes posibilidades tales como:

Si el suelo de fundación es pésimo con alto contenido de materia orgánica (turba) necesariamente se deberá cambiar este suelo.

Si el suelo de fundación es malo se deberá colocar una capa de sub base. Si el suelo de fundación es bueno podrá prescindirse de la sub base. Si el suelo de fundación es excelente (roca), podrá prescindirse de la sub base y

base.

Sub rasante

Es la línea superior del suelo de fundación, que es nivelada, perfilada y compactada y que servirá de apoyo a la estructura del pavimento.

Dependiendo del volumen de tránsito el MTC recomienda que el espesor compactado varíe entre los siguientes valores:

De 6" a 12" para tráfico ligero. De 12" a 18" para tráfico mediano. De 18" a 24" para tráfico pesado.

Su capacidad de soporte se mide con el ensayo CBR.

Una sub rasante puede ser buena, regular o mala dependiendo del valor del CBR comprendido entre 60 % y 100 %, 10 % y 60 % ó 0 % y 10 % respectivamente.

Si la sub rasante es buena puede servir de apoyo directamente a la capa o carpeta de rodadura, es decir prescindir de la sub base y base; si es mala conviene estudiar la posibilidad de reemplazarla o estabilizarla con materiales de mejor calidad.

Sub base

Es el material de préstamo que se coloca entre la sub rasante y la base de un pavimento flexible o entre la sub rasante y la losa en un pavimento rígido. Su importancia en un pavimento flexible es estructural, pero además sirve como capa drenante y/o anticontaminante para impedir que la base sea saturada por fluctuaciones de la capa freática (por capilaridad) y el arrastre de finos hacia las capas superiores.



La sub base en los pavimentos de concreto tiene una función complementaria de una mala calidad de la sub rasante y se le asigna poco valor estructural.

El MTC recomienda que su espesor deberá estar constituido de suelos granulares con tamaño máximo de 10 cm ó 2/3 del espesor de la capa.

Base

Es el principal elemento estructural de un pavimento flexible. Esta capa tiene por finalidad absorber los esfuerzos transmitidos por la capa de rodadura y transmitirla a un nivel de esfuerzo adecuado y distribuirlo uniformemente a la capa siguiente que puede ser una sub base o una sub rasante.

En la actualidad se consideran dos clases de base que son:

Base tratada, constituida por suelo estabilizado con cemento, cal o asfalto. Base tratada, constituida por suelo granular de grava tratada o mezcla natural de

agregado y suelo.

Capa de rodadura

Es la capa más superficial de un pavimento. Está constituido por una mezcla de agregado grueso y fino, cemento asfáltico, asfalto líquido o emulsiones asfálticas como aglomerante y un sellador o filler en el caso de pavimentos asf álticos; o por una mezcla de agregado grueso y fino, cemento Pórtland y agua, en el caso de pavimentos de concreto.

En un pavimento flexible o asfáltico la carpeta de rodadura solo, sirve para resistir el desgaste, tomar los esfuerzos portantes dados por las cargas de tráfico, proporcionar una superficie no deslizante y más bien suave al deslizamiento confortable del tránsito y para prevenir la penetración del agua hacia las capas inferiores del pavimento. La capa de rodadura no cumple una función estructural.

En pavimentos rígidos, empedrados y adoquinados el elemento estructural es a la vez la capa de rodadura.

6.5.3 ESTUDIO Y ANALISIS DE ALTERNATIVAS DE PAVIMENTOS FACTIBLES

6.5.3.1 Pavimento rígido

Aquellos pavimentos que son construidos en base a una mezcla de agregado gruesa y fina, cemento y agua son los que se llaman pavimentos rígidos, éstos se diferencian bastante de los de tipo flexible. El comportamiento estructural de un pavimento rígido se caracteriza por que al recibir la carga de los vehículos se reparte en un área mayor de la sub rasante. Podemos afirmar que siendo la rigidez bastante alta



de la losa del pavimento y así mismo teniendo un módulo elástico bastante alto, se comporta estructuralmente como si fuera una viga siendo esta la que absorbe la totalidad de la carga por tener una extensión considerable de área de apoyo en la sub rasante. Es decir que el alto grado de rigidez, así como la capacidad de desarrollar resistencia a flexo tracción, se determina que las tensiones que se transmiten a las capas subyacentes (más vecinas) a una losa de hormigón, sean muy pequeñas y la posibilidad de deformación plástica sea mínima.

Debido a que el suelo de la sub rasante es deformable, puede suceder que la losa por ser rígida no pueda descansar uniformemente sobre el suelo sub rasante, produciéndose condiciones no deseables de deflexión que podrían superar la resistencia a la deflexión de la losa.

La debilidad que tienen los pavimentos rígidos son las juntas que se tienen que diseñar y construir para poder controlar los cambios de volumen que necesariamente se presenta por los cambios de temperatura.

Para lograr un rendimiento satisfactorio de servicio en los años de vida útil considerados, será necesario tener en consideración algunos aspectos como:

Debe poseer un valor de soporte de la sub rasante bastante razonable y uniforme de acuerdo a las normas y especificaciones técnicas.

Se debe construir una capa de sub base en el caso de que la calidad de la sub rasante sea regular o mala, definida esta, mediante ensayos de granulometría y límite de consistencia, clasificados por el método de la AASHTO y la SUCS.

Se deberá diseñar y distribuir adecuadamente las juntas. Se tiene que diseñar una losa para poseer una resistencia estructural adecuada de

tal forma que asimile las solicitaciones externas al que estará expuesta.

Las capas que normalmente forman o pueden formar un pavimento rígido son:

Terreno de Fundación. Sub base. Losa de concreto

6.5.3.2 Pavimento flexible

Pavimentos flexibles son aquellos que tienen una base flexible o semi-rígida, sobre la cual se ha construido una capa de rodamiento formada por una mezcla bituminosa de alquitrán o asfalto.

Para distribuir estas presiones y reducir el valor máximo sobre el eje de carga es preciso aumentar el espesor de los pavimentos. Estas consideraciones son la base de todos los métodos de cálculo de los pavimentos flexibles que relacionan el



espesor requerido con la presión máxima admisible sobre el suelo para una carga dada.

Las características principales son las siguientes:

a) Resistencia Estructural

Es la primera condición que debe cumplir un pavimento. Debe soportar las cargas impuestas por el tránsito dentro del nivel de deterioro y paulatina destrucción previstos por el proyecto.

b) Deformabilidad

Es una característica que deriva de la naturaleza que forma la capa del pavimento es así que la deformación interesa desde dos puntos de vista; porque las deformaciones excesivas están asociadas a estados de falla y porque un pavimento deformado puede dejar de cumplir sus funciones, independientemente que las deformaciones no hayan dado lugar a estados de falla.

c) Durabilidad

Está limitada a una serie de factores de orden económico y social del pavimento.

Las capas que normalmente forman o pueden formar un pavimento flexible son:

Terreno de Fundación. Sub Rasante. Sub base. Base. Carpeta de Rodadura.

6.5.3.3 Fundamentación y elección del tipo de pavimento

Para elegir el tipo de pavimento para este proyecto se ha tomado en cuenta aspectos prioritariamente técnicos, con los cuales bajo una adecuada relación costo-beneficio se ha elegido el tipo de pavimento más adecuado para la topografía, calidad de suelo y volumen de servicio, es así que se ha analizado bajo los siguientes criterios:

6.5.3.3.1 Comparación técnica



PAVIMENTO RIGIDO PAVIMENTO FLEXIBLEV

ENT

AJA

S

Debido a su rigidez requieren poco espesor para distribuir la carga sobre la superficie.

Este pavimento presenta buenas condiciones de superficie de rodadura, ya que el promedio del coeficiente de rodamiento longitudinal es de 0,7 y el transversal de 0,6.

La losa de concreto no requiere espesores grandes de base y sub-base.

El costo de conservación es pequeño, su vida es larga, su valor de recuperación es alto.

La visibilidad en las noches es buena por su color claro.

Su diseño es evidentemente racional más no empírico.

Presenta una uniforme superficie de rodadura, lo cual da comodidad al tránsito vehicular.

Bajo costo inicial de construcción.

La liberación del tránsito se produce en 24 horas, y además este tránsito favorece a la compactación de la carpeta.

DES

VEN

TA

JAS

Es su elevado costo inicial, lo cual limita su uso; técnicamente es más significativo su inconveniente, radica en que se le debe dotar de juntas de dilatación y contracción, los cuales son necesarios de mantener.

Requiere mayor supervisión técnica durante el proceso constructivo, así como un adecuado tratamiento y mantenimiento de juntas.

Baja resistencia al ataque por sulfatos, pues éstos reaccionan con la cal libre resultante del proceso de hidratación del concreto.

Requiere un tiempo de curado (28 días), lo que puede ocasionar perjuicios en la circulación de los vehículos.

Mayor resistencia al ataque por sulfatos

Menor resistencia al intemperismo, resultado inconveniente en una topografía muy accidentada porque se vuelve erosionable, lo que requiere mayor mantenimiento.

Ya que los espesores están determinados en función de la calidad de la base y sub-base, son mayores que los requeridos en pavimentos rígidos.

Susceptible a cambios bruscos de temperatura.

Menor vida útil

Se debe considerar sistemas de drenaje más exigentes, porque es un factor determinante para su conservación.

6.5.3.3.2 Comparación por el tipo de vía y estructura del pavimento



Es necesario analizar bajo estos criterios para poder seleccionar el tipo de pavimento que se adoptará en el presente proyecto, los criterios seguidos son los siguientes

6.5.4 ADOPCIÓN DEL TIPO DE PAVIMENTO



Conforme a las comparaciones realizadas tanto técnicas como económicas y las debidas a la estructura del pavimento y tomando en consideración experiencias similares dentro del ámbito, para el presente proyecto se ha elegido el Pavimento Rígido que es el que se adecua a nuestra zona, a su topografía, condiciones de suelo y esto contrastado con las ventajas que se presentan a continuación:

Los costos iniciales son mayores que un pavimento flexible pero los costos de mantenimiento son mucho menores lo que hace que un pavimento rígido sea mucho más económico.

Facilidad en la construcción; requiriendo solo personal técnico de la zona, tampoco se requiere de equipos sofisticados, por lo que durante el proceso constructivo se puede trabajar con personal de la zona generando puestos de trabajo cumpliendo así con uno de los objetivos del proyecto.

Presenta una mayor durabilidad frente a la acción de agentes químicos y también del fuego.

Buenas condiciones de visibilidad y reflexión, requiere menor número de luminarias lo que puede permitir ahorros sustantivos en el costo de energía. Este tipo de pavimentos ofrece adecuadas condiciones de seguridad por ofrecer mejor visibilidad tanto de día como de noche debido a la mejor condición de la reflexión de la luz, producto al color claro que tiene.

Debido a su gran rigidez este tipo de estructura de pavimento requiere poco espesor para la distribución de cargas sobre la sub rasante, es así que en algunos casos no es necesaria la capa de sub base. Además presenta gran capacidad de absorción de incrementos de carga.

Presenta mejores condiciones de drenaje fluvial que los pavimentos flexibles; así mismo el mantenimiento de un pavimento de concreto resulta más sencillo debido a la facilidad de adquisición de los insumos y al equipo.

6.5.5 DISEÑO DEL ESPESOR DEL PAVIMENTO

6.5.5.1 Generalidades

Un significativo avance en la Ingeniería de Caminos ha sido la demostración de que el diseño estructural de pavimentos es un problema similar al de diseñar cualquier otra estructura compleja de la Ingeniería. El diseño estructural, a diferencia de otros métodos anteriores que solo establecían correlaciones entre los espesores provistos y la comodidad de manejo durante el periodo de diseño, controla los deterioros en el pavimento tales como agrietamientos, descamados, levantamientos, etc.



El diseño estructural establece relaciones entre las características de la flexo-tracción versus el comportamiento del pavimento, frente a la acción del tráfico vehicular.

6.5.5.2 DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDO POR EL METODO DE LA P.C.A.

6.5.5.2.1 PERIODO DE DISEÑO

Un pavimento rígido tiene una vida usual entre 20 y 40 años, además se presenta la siguiente tabla que nos ayuda a elegir el periodo de diseño. Se escogió el diseño para 25 años; el cual se requerirá para proyectar la cantidad de tránsito futuro que deberá resistir el pavimento,

TABLA Nº 6.5.1

PERIODOS DE ANALISIS

Guía AASHTO “Diseño de estructuras de pavimentos, 1993”

6.5.5.2.2 DETERMINACION DE LA CARGA DE DISEÑO

Para el diseño consideraremos la trasmisión de carga por eje simple debido a que el área de contacto es menor en este, a comparación a los ejes tándem o tridem; y se sabe que el esfuerzo producido por una carga es mayor si el área de transmisión es menor (σ = F/A).

TABLA Nº 6.5.2

Tipo de TDI EJES TIPO DE PESO



Vehiculos EJES BRUTO(Kg)

Camionetas 7

Eje Delantero Simple 1080

Eje Posterior Simple 1620

Microbus 2



Camion C2 1



Camion C3 1


Eje Posterior Tanden 18000

La carga de diseño, que es la carga por eje simple promedio que se repite con más frecuencia y no produzca fatiga; en nuestro proyecto tomando en consideración el aforo vehicular realizado en la zona tomamos como carga de diseño 11 ton por eje simple.

CD=11.0 tonelada.

6.5.5.2.3 DETERMINACION DEL FACTOR DE SEGURIDAD “F.S”

El factor de seguridad F.S aumenta la carga del tráfico, este factor de seguridad de la carga que se considera depende de la importancia de las carreteras o calles, a continuación se muestran los valores recomendados:

TABLA Nº 6.5.3

Para vías interestatales y otros proyectos de vías múltiples de tráfico elevado y volumen de tráfico de camiones (Tráfico Pesado).

F.S = 1.20

Para carreteras y calles arteriales donde haya un volumen moderado de tránsito de camiones (Tráfico Moderado).

F.S = 1.10

Para carreteras, calles residenciales, y otras calles que llevan un bajo volumen de tráfico de camiones (Tráfico Normal).

F.S = 1.00

La vía en estudio cuenta con un bajo volumen de tráfico de camiones, llegando a ser este de tráfico normal, por lo que usaremos FS=1.00 como factor de seguridad.



6.5.5.2.4 DETERMINACION DEL MODULO DE REACCION DE LA SUBRASANTE “K”

El módulo de reacción (K) de la superficie en que se apoya el pavimento de concreto o modulo efectivo de la sub rasante, es el valor de la capacidad de soporte del suelo, la cual depende del módulo de resilencia de la sub rasante y sub base.

Gráfico Nº 6.5.1

Este valor de (K) puede obtenerse directamente por correlación a partir de la relación soporte de california (CBR).

Ábaco Nº 6.5.1:

Relación entre el módulo de reacción de la subrasante “k” y el CBR

1 10 100

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

f(x) = − 0.00000000554425 x⁶ + 0.00000122867 x⁵ − 0.00010685 x⁴ + 0.00455011 x³ − 0.0962736 x² + 1.1304 x + 0.133995

RELACIÓN ENTRE EL MODULO DE REACCIÓN DE LA SUB RASANTE "K" Y EL VALOR SOPORTE DE CALIFORNIA (CBR).

Valor Soporte de California (CBR) en % para 0.254 cm (0.1") de penetración.

Mód

ulo

de R

eacc

ión

de l

a S

ub R

asan

te "

k"

(Kg/

cm3)

par

a un

a P

enet

raci

ón d

e 0.

127

cm

(0.0

5").

Para poder hallar de manera más exacta los módulos de reacción en los diferentes casos de las sub rasantes se determinó las ecuaciones de la curva logarítmica de la siguiente manera:

a) Para CBR ≤ 18%


K=2.1366∗Ln ( X )+0 . 4791


b) Para CBR > 18%

Usaremos la segunda ecuación para CBR > 18%

CBR (%) K (Kg/cm3)21.16 7.41

6.5.5.2.5 MODULO DE REACCION COMBINADO “Kc”

EL valor de “k” se modifica debido a la colocación de una sub base granular o de suelo-cemento, determinando un Módulo de Reacción Combinado “Kc” del suelo y sub base, donde:

Base GranularKC=K+0.02∗(1 .20∗e+ e2

12)

Base suelo – cementoKC=K+ e2

18Dónde: K =Módulo de reacción de la sub rasante (Kg/cm3)Kc= Módulo de reacción combinado de la sub base (Kg/cm3)e =Espesor de la sub base en cm.

Con respecto a la sub base se adopta una sub base de 15 cm básicamente por tres factores:

Con el espesor de 15 cm de base, el módulo de reacción combinado Kc (base y subrasante), mejora notablemente.

El espesor de 15 cm en la base cumple satisfactoriamente con la función de drenaje que debe cumplir la capa de base granular.

El MTC recomienda un espesor de la sub base de 2/3 de la capa de rodadura en pavimentos rígidos.

El proyecto contempla el uso de un base de 15 cm de espesor para el tratamiento de la sub rasante, y se realiza el cálculo del módulo de reacción de la Subrasante combinada Kc de la siguiente fórmula:


K=−0 .0009∗X2+0 .2985∗X+1 . 4950


KC=K+0.02∗(1 .20∗e+ e2

12)

KC=7 .41+0 .02∗(1.20∗15+152

12)

6.5.5.2.6 DETERMINACION DEL MÓDULO DE ROTURA DEL CONCRETO “Mr” Y DEL MODULO DE DISEÑO “Md”

La resistencia mecánica del concreto es un factor de primera importancia en el diseño de pavimentos rígidos, desde este punto de vista interesa fundamentalmente la resistencia a la flexo-tracción.

El criterio en pavimentos es que se debe utilizar la resistencia a la flexo-tracción del concreto para el diseño a los 28 días; en otros países toman para el diseño a la resistencia del concreto a los 90 días, criterio que queda justificado por el escaso número de pasadas iníciales en relación a la vida total del pavimento.

Para nuestro caso emplearemos concreto de f´c=210 kg/cm2 a los 28 días.

Para calcular el Módulo de Diseño del concreto usamos la siguiente expresión:

6.5.5.2.7 DETERMINACION DEL ESPESOR DEL PAVIMENTO

Para calcular el espesor del pavimento rígido con los datos obtenidos anteriormente ingresamos al ábaco siguiente:

Ábaco Nº 6.5.2

INFLUENCIA PARA CARGA EN JUNTURA TRANSVERSAL


KC=8 . 14 kg /cm3

M r=0.2 f ' c(28días )

M r=0.2∗210

M r=42 kg /cm2

M D=0.5 M r ¿¿

M D=21 kg /cm2


El espesor calculado es: e = 17.5 cm =18.5 cm

6.5.5.2.8 VERIFICACION DEL CONSUMO

TABLA Nº 6.5.4

ANALISIS POR FATIGA Y EROSION

Espesor estimado: 17.5 cm Factor de Seguridad: 1


e = 17.5 cm17.5


Kcombinado: 8.14 Kg/cm3Módulo de Rotura: 42 Kg/cm2 Acotamiento de

concreto:No

Módulo de Diseño: 21 Kg/cm2Periodo de Diseño: 25 años Existe base : Sí

La base es de 15 cm y es granularEJE SIMPLE

1 Esfuerzo Equivalente: 18.84 (Ver cuadro Nº 6.5.5)2 Factor Esf. Equiv.: 0.45 (1/Mr)3 Factor de Erosión: 3.14 (Ver cuadro Nº 6.5.6)4 5 6 7 8 9 10 11

Carga/eje Simple

Carga/eje x F.S.

Repeticiones Esperadas

Análisis por Fatiga Análisis por Erosión

Repeticiones Permisibles

(Gráfico Nº7.4.3)

Consumo de Fatiga (7*100/8)


(Gráfico Nº7.4.2)

Daños por Erosión

(7*100/10)Diarias En 25 años

(Ton) (Ton) Nº Nº Nº % Nº %5.40 5.40 7 63875 Ilimitado 0.00% 45000000 0.14%9.70 9.70 2 18250 290000 6.29% 800000 2.28%

11.00 11.00 1 9125 33000 27.65% 360000 2.53%EJE TANDEM

1 Esfuerzo Equivalente: 15.45 (Ver cuadro Nº 6.5.5)2 Factor Esf. Equiv.: 0.37 (1/Mr)3 Factor de Erosión: 3.25 (Ver cuadro Nº6.5.6)4 5 6 7 8 9 10 11

Carga/eje Simple

Carga/eje x F.S.

Repeticiones Esperadas

Análisis por Fatiga Análisis por Erosión


(Gráfico Nº6.5.3)

Consumo de Fatiga (7*100/8)


(Gráfico Nº6.5.4)

Daños por Erosión

(7*100/10)Diarias En 25 años

(Ton) (Ton) Nº Nº Nº % Nº %18.00 18.00 1 9125 Ilimitado 0.00% 590000 1.55%

% fatiga 33.94% % Erosión 6.50%

Los totales de consumo por fatiga y daño por erosión son de 33.94 % y 10.17%

respectivamente y ambos menores a 100% lo cual indica que el espesor asumido de 18,00 cm

es adecuado.

TABLA Nº 6.5.5

ESFUERZOS EQUIVALENTES, ACOTAMIENTOS SIN PAVIMENTAR



TABLA Nº 6.5.6

FACTOR DE EROSION, JUNTA SIN PASAJUNTAS-ACOTAMIENTO SIN PAVIMENTAR



ÁBACO Nº 6.5.3

METODO PCA 1984, ANALISIS POR FATIGA-ACOTAMIENTO CON Y SIN PAVIMENTO



ÁBACO Nº 6.5.4

METODO PCA 1984, ANALISIS POR EROSION-ACOTAMIENTO SIN PAVIMENTAR



6.5.5.3 METODO DE LA AASHTO

Este diseño está basado en las ecuaciones empíricas obtenidad de la prueba AASHTO con futuras modificaciones basadas en la teoría y la experiencia

Factores de diseño:



Tráfico Confiabilidad Serviciabilidad Módulo de rotura del concreto Drenaje Transferencia de Carga Resistencia de la Sub rasante

6.5.5.3.1 TRAFICO (ESAL)

El método AASHTO utiliza en su formulación el número de repeticiones esperadas de carga de Ejes Equivalentes, es decir que antes de entrar al monograma de diseño, debemos trasformar los ejes de pesos normales de los vehículos en Ejes Sencillos Equivalentes de 18 kip (8.15 Tn) también conocidos como ESAL.

Ejes equivalentes Estimados de 11 Tn ESAL de 2.08x105

6.5.5.3.2 CONFIABILIDAD (R)

La confiabilidad está definida como “la probabilidad de que un pavimento desarrolle su función durante su vida útil en condiciones adecuadas para su operación.

TABLA Nº 6.5.7

Para nuestro proyecto se tomará una confiabilidad de 50%.

6.5.5.3.3 DESVIACION ESTANDAR (So)

Tomando en consideración que el tráfico vehicular no se realizó durante u año, sino se determinó a partir del aforo semanal, mediante criterios estadísticos, las variaciones con respecto al valor real del ESAL son altas; Debido a ello se considera una Desviación Estándar So=0.35 obtenido de la siguiente tabla:

TABLA Nº 6.5.8



6.5.5.3.4 INDICE DE SERVICIALIDAD (∆PSI)

La serviciabilidad se define como la habilidad del pavimento de servir al tipo de tráfico (autos y camiones) que circulan en la vía, se mide en una escala de 0 a 5 en donde 0 (cero) significa una calificación para pavimentos intransitable y 5 (Cinco) para un pavimento excelente.

Serviciabilidad Inicial (Po): Es la condición d que tiene un pavimento inmediatamente después de la construcción del mismo. Los valores recomendados por AASHTO para este parámetro son:

Para pavimentos de concreto=4.5 Para pavimentos de asfalto = 4.2

Serviciabilidad Final (Pt): La serviciabilidad final tiene que ver con la calificación que esperamos tenga el pavimento al final de su vida útil.

Carreteras de primer orden (alto tránsito) = 2.5 Carreteras de menos importantes (bajo tránsito) = 2.0

Entonces:

Para nuestro proyecto se tomará lo siguiente:

Serviciabilidad Inicial Po = 4.5

Serviciabilidad Ffinal Pt = 2.0

∆PSI=4.5-2.0

∆PSI=2.5

6.5.5.3.5 COEFICIENTE DE DRENAJE (Cd)

El valor del coeficiente de drenaje está dado por dos valores:

a. La calidad de drenaje, que viene determinado por el tiempo que tarda el agua infiltrada en ser evacuada de la estructura del pavimento.



b. Exposición a la saturación, que es el porcentaje de tiempo durante el año en que un pavimento está expuesto a niveles de humedad próximos a la saturación. Este porcentaje depende de la precipitación media anual y de las condiciones de drenaje.

TABLA Nº 6.5.9

Cd=1

6.5.5.3.6 COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CARGA (J)

La transferencia de carga es la capacidad que tiene una losa del pavimento de transmitir fuerzas cortantes con sus losas adyacentes, con el objeto de minimizar las deformaciones y los esfuerzos en la estructura del pavimento, mientras mejor sea la transferencia de cargas mejor será el comportamiento de las losas del pavimento.

Su valor depende de varios factores como:

Tipo de pavimento (en masa reforzando en las juntas, de armadura continua, etc.) El tipo de borde ú hombro (berma de asfalto o de concreto unida al

pavimento principal) La colocación de elementos de transmisión de carga (pasadores en los

pavimentos con juntas, acero en los armados continuos, etc.)

La función de estos parámetros, se indican en la siguiente tabla los valores del coeficiente J.

TABLA Nº 6.5.10



Para nuestro proyecto el valor de J será 2.80

6.5.5.3.7 MODULO DE REACCIÓN DE LA SUBRASANTE

CBR=21.16 %

Para CBR > 18%

Usando la ecuación para CBR > 18%

CBR (%) K (Kg/cm3)21.16 7.41

La capacidad portante de un suelo se expresa en términos de la reacción de la sub rasante del suelo K; este valor se modifica debido a la colocación de una base granular o de una base suelo cemento determinando un valor de reacción combinado Kc del suelo mejorado, el cual se calcula con las siguientes fórmulas:

Para Base Granular

KC=K+0. 02∗(1 .20∗e+ e2

12)

KC=7 . 41+0 . 02∗(1. 20∗15+152

12)

6.5.5.3.8 MODULO DE ELASTICIDAD DEL CONCRETO

El Módulo de elasticidad del concreto (E) se puede determinar conforme el procedimiento descrito en la norma ASTM C- 469 ó correlacionarlo con otras características del material como es la resistencia a la compresión. En algunos códigos se indica que para cargas instantáneas, el valor del Modulo de Elasticidad (E) se puede considerar conforme de la siguiente tabla:


KC=8 . 14 kg /cm3

K=−0 .0009∗X2+0 .2985∗X+1 . 4950


TABLA Nº 6.5.11

EC=17000 √ f ' c

EC=17000 √210

EC=246353 kg/cm2

EC=2. 46∗105 kg/cm2

6.5.5.3.8 MODULO DE ROTURA DEL CONCRETO (Sc o Mr)

Debido a que los pavimentos de concreto trabajan principalmente a flexión es recomendable que su especificación de resistencia sea acorde con ello, por eso el diseño considera la resistencia del concreto trabajando a flexión, que se le conoce como resistencia a la flexión por tensión (S'c) o Módulo de Ruptura (MR) normalmente especificada a los 28 días.

Los valores recomendados para el Módulo de Ruptura varían desde los 41 kg/cm2 hasta los 50 kg/cm a 28 días dependiendo del uso que vayan a tener. En seguida se muestran valores recomendados:

TABLA Nº 6.5.12

En nuestro proyecto se tomará el valor de Mr= 42 kg/cm2

6.5.5.3.8 CALCULO DEL ESPESOR DE PAVIMENTO



TABLA Nº 6.5.13

RESUMEN DE LOS DATOS

ESAL 2.08x105R 50%So 0.35∆PSI 2.50Cd 1.00J 2.80K 7.41 kg/cm3Kc 8.14 kg/cm3 294.07 PciEc 2.46x105 kg/cm2 3.50 x106 PsiMr o Sc 42.00 kg/cm2 597.38 Psi

ABACO Nº 6.5.5



Entonces asumimos: e=8.00 cm

ADOPCION DEL ESPESOR FINAL DEL PAVIMENTO

METODO ESPESOR HALLADO ESPESOR FINAL ASUMIDO



PCA 17.5.00 cm 20.00 cmAASHTO 8.00 cm

Como se observa en el procedimiento de cálculo, los espesores hallados por el Método de la PCA es de 17.5.00 cm y por el Método AASHTO es de 8.00 cm, por procesos constructivos asumiremos como diseño final un espesor de losa de 20.00 cm.

Gráfico Nº 6.5.2

6.5.6 DISEÑO DE JUNTAS

El diseño de juntas en los pavimentos de concreto es el responsable del control del agrietamiento, así como de mantener la capacidad estructural del pavimento y su calidad de servicio en los más altos niveles al menor costo anual. Además las juntas tienen funciones más específicas, como lo son:

El control del agrietamiento transversal y longitudinal provocado por las restricciones de contracción combinándose con los efectos de pandeo ó alabeo de las losas, así como las cargas del tráfico.

Dividir el pavimento en incrementos prácticos para la construcción (por ejemplo los carriles de circulación)

Absorber los esfuerzos provocados por los movimientos de las losas.

Proveer una adecuada transferencia de carga.

Darle forma al depósito para el sellado de la junta.

Una construcción adecuada y a tiempo, así como un diseño apropiado de las juntas incluyendo un efectivo sellado, son elementos claves para el buen comportamiento del sistema de juntas.


15.00 cm

20.00 cm


6.5.6.1 Esfuerzos debidos a las variaciones de humedad del concreto y la retracción del fraguado y endurecimiento.

En la elaboración de obras de concreto de cemento Portland, para que este sea trabajable es necesario un exceso de agua requerida para la hidratación del cemento en un 50 al 100%. Al producirse el proceso de fraguado y endurecimiento del concreto, el exceso de agua es eliminado, con la consiguiente disminución del volumen o retracción. A esto se añaden contracciones de origen térmico.

Si se diera la condición ideal en la que no hubiera fricción entre la subrasante y la losa, estas se acortaran libremente y no se producirán esfuerzos. Pero realmente, la fricción existe, y la resistencia que el terreno presenta a la libre contracción es función de las dimensiones de las losas, de su peso por unidad de superficie, de la rugosidad de la superficie de contacto entre la subrasante y la losa, y de la resistencia del terreno a la deformación.

Gráfico Nº 6.5.3

ESFUERZOS DEBIDOS A LA RETRACCION DEL CONCRETO

(a) Patrón de Agrietamiento provocado por la retracción del concreto al no contar con un adecuado dimensionamiento de las juntas de retracción del concreto.

(b) Diseño adecuado de las juntas para controlar la retracción del concreto.

6.5.6.2 Esfuerzos debidos a las variaciones de temperatura.

Si se construye una losa de concreto sin juntas y se la deja expuesta al medio ambiente se producirán por el solo efecto de retracción por fraguado grietas transversales a distancias que varían entre 18 y 50 metros.

Por el espesor que tiene la losa y por su alta conductibilidad térmica se presentaran, además efectos debidos a las variaciones de temperatura del medio



exterior. En el día se calentara la cara superior del concreto mas que la inferior y la losa tendera a expandirse arriba mas que abajo, y en la noche ocurrirá lo contrario esto ocasionara el alabeo de la losa en ambas direcciones como de forma convexa durante el día y cóncava durante la noche.

Una losa ideal, sin peso no se opondría a las deformaciones y no se producirían esfuerzos.

Pero el peso de la losa se opondrá al alabeo y se producirán esfuerzos de tracción en la cara inferior y compresión en la cara en la superior durante el día y al contrario durante la noche.

Gráfico Nº 6.5.4

ESFUERZOS DEBIDOS A LAS VARIACIONES DE TEMPERATURA

6.5.6.3 Esfuerzos por acción del tráfico

Los esfuerzos de tracción, producidos por flexión de la losa debida a las cargas de las ruedas, son los que determinan los espesores de las losas de concreto. Los esfuerzos debidos al tránsito se han estudiado en tres posiciones de las ruedas.

a.- En esquina

Una rueda cargada actuando íntegramente sobre la esquina rectangular de una losa, con la carga distribuida unifórmenle sobre un área circular. El esfuerzo principal es una tensión en la parte superior de la losa y la carga tiende a producir una rotura de esquina

b.- En el borde

Una rueda actuando en el borde, pero a considerable distancia de cualquier esquina, con la carga distribuida uniformemente sobre un área



semicircular. El esfuerzo principal es una tensión en la parte inferior de la losa, debajo de la carga.

c.- En el interior

Una rueda cargada actuando a considerable distancia de los bordes, con carga distribuida uniformemente en un área circular. El esfuerzo principal es una tensión en la parte inferior de la losa debajo de la carga.

Gráfico Nº 6.5.5

ESFUERZOS POR ACCION DEL TRÁFICO

Atenuación de los esfuerzos producidos por el tránsito

6.5.6.4 Tipos de juntas

a) Juntas Longitudinales



Las juntas longitudinales son paralelas al borde o al eje de la vía, básicamente son juntas de construcción y se les hace coincidir con el ancho de la vía. Se emplean para evitar la formación de grietas longitudinales irregulares y para permitir la construcción de los carriles, espaciándose a intervalos de 2,5 m a 4 m, coincidiendo generalmente con las líneas divisorias de los carriles.

La profundidad de la ranura superior de estas juntas no debe ser menor de ¼ del espesor de la losa del pavimento y un ancho variable de 2 cm, que será sellado con material bituminoso.

Estas juntas pueden o no llevar barras de unión de acero corrugado; en juntas rectas o de tope se aconseja el empleo de dowels.

b) Juntas Transversales

Son las que se sitúan perpendicularmente a las juntas longitudinales y sirven para los esfuerzos producidos por las contracciones y las dilataciones.

Estas juntas son:

Juntas de contracción Juntas de dilatación Juntas de construcción.

La tendencia es convertir las juntas de construcción en juntas de contracción y dilatación.

c) Juntas de Contracción

Las ranuras para debilitar tienen la función de direccionar la rajadura por contracción ya que siempre el pavimento se rajará por el fenómeno de la contracción.

Según el RNE. Norma CE.010 Pavimentos Urbanos, el refuerzo en las juntas transversales de contracción, dependerá del servicio al que estará sometido el pavimento. El refuerzo no se requiere en pavimentos residenciales o en calles con tráfico ligero, pero pueden ser requeridos en calles arteriales que soportan grandes volúmenes y pesos de tráfico de camiones. En nuestro proyecto no será necesario refuerzo en las juntas transversales de contracción, por tratarse de calles con tráfico ligero.

La junta de contracción podrá ser de tipo acerada, sin alterar la superficie del pavimento en el lugar de la junta. La profundidad de la junta será de ¼ del espesor de la losa como mínimo, su ancho será de 6 mm a 10 mm lleno de bitumen.

d) Juntas de Dilatación

Sirven para absorber las dilataciones que sufre el concreto con los cambios de temperatura y de humedad.

Permite que el concreto se extienda por el aumento de la temperatura, esta junta trabaja a flexión y corte, a mayor abertura mayor flexión.



La separación de estas juntas son generalmente 100 m a 120 m, dependiendo del clima y la temperatura donde se encuentra el pavimento; su ancho varía de ½” a ¾”. Se les hace generalmente a tope y conviene el uso en ellas de dowels.

6.5.6.5 DISEÑO DE JUNTAS

El espaciamiento “L” de las juntas transversales de contracción está dado por:

Donde:

L = Espaciamiento de Juntas de Contracción Transversal

Sc = Esfuerzo resistente a la tracción del concreto, evaluada a edad temprana;

1,5 ≤ Sc ≤ 3,0 kg/cm²

f = Coeficiente de fricción entre el concreto y el suelo, varia de 0,5 a 2,5.

γ= Peso Volumétrico del concreto.

Para los datos siguientes:

Sc = 1,5 kg/cm² f = 2,0 γ = 0,0024 kg/cm³

L= 2×1,50,0024 × 2,0

L=625 cm=6,25m

De acuerdo a experiencias, en la ciudad del Cusco es recomendable hacer las juntas cada 3

metros.

Por lo expuesto las juntas transversales de contracción y alabeo se espaciaran cada 3,00 m en promedio y tendrán una profundidad de h/3 y se realizarán por cortado (inicial) de un espesor de 3mm

Gráfico Nº 6.5.6


L=2 × Scf × γ c

20


Entonces se determina para el presente proyecto

Separación Juntas Transversales (L):

L = 3 m.

Separación Juntas Longitudinales(a):

a = 3 m.

Juntas de Dilatación.

Su finalidad es disminuir los esfuerzos de compresión en los pavimentos de concreto, dejando un espacio entre placas para permitir su libre movimiento, cuando por aumento de temperatura tiende a expandirse, de esta manera la losa trabaja a flexión y corte, a mayor abertura mayor flexión.

Para el caso de Cusco sea demostrado mediante la experiencia constructiva que para nuestro contexto que el espaciamiento recomendado entre pavimentos de concreto sea de 3 m.

También se cumple que: La relación entre largo y ancho de un tablero de losas no deberá estar fuera de estos límites: 0,71 a 1,40.

0.71< XY

<1.4

Gráfico Nº 6.5.7


h/3

EJE LONGITUDINAL


Para el caso del proyecto usaremos losas de 3.00 m x 3.00 m de dos carriles

0.71< 3.003.00

=1.00<1.4 ; cumple.

A) DISEÑO DE JUNTAS LONGITUDINALES.

Diseño de pasadores.

1. Espaciamiento de pasadores en juntas longitudinales.

El espaciamiento entre pasadores y longitud de pasadores en juntas longitudinales se calcula mediante las siguientes fórmulas:

Donde:

S : Separación entre pasadores o varillas (cm.)

d : Diámetro de la varilla (cm.)

f s : Esfuerzo de trabajo a tensión, del acero empleado como pasador en kg/cm2

f s=0.5∗Fy

γ : Peso volumétrico del concreto (kg/m3)

h : Espesor de la losa (cm.)



a : ancho la losa (cm.)

f : Coeficiente de rozamiento entre el suelo y la losa, varia de 1 a 2,5 con fines de diseño se usará 2.

Usando una varilla de 3/8”

Para los datos:

f s=0.5∗4200=2100 kg /cm 2

γ=2400 kg/m3 =0.002400 kg/cm3

h = 20 cm

a = 300 cm

Aplicando la Fórmula

S=π∗¿¿

S = 51.95cm

La PCA recomienda S < 75 cm

Entonces asumimos un espaciamiento de

S = 50 cm.

2. Longitud del pasador en juntas longitudinales.

Para el cálculo de la longitud del pasador se tomaran en cuenta las siguientes fórmulas:

d : diámetro de la varilla

f s : esfuerzo de trabajo del acero

u : adherencia entre el concreto y el acero

Usando una varilla de 3/8”

f s=2100 kg/cm 2



Según R . N . C :u=1.6√ f ' c

u=1.6√210

u=23.19 kg/c m2

b=0.9525∗21004∗23.19

b=21.56 cm

Longitud Total =2*b+0.3 = 2*21.56 +0.3 =43.42 cm

Sumimos: Longitud Total = 45cm

Entonces, en base a los datos de espaciamiento y longitud, se asume varilla corrugada de 3/8” @ 0,50m, con una longitud de 45 cm.

B) DISEÑO DE JUNTAS DE DILATACION

1. Número de Barras necesarias (n):

n= Peso por llantaCapacidad de transmisiónde carga por barra

Dónde:

n: Número de barras necesarias en la longitud 1.8 L

Peso por llanta=CD∗F . S2

(Eje Simple)

Peso por llanta=CD∗F . S2∗1.78

(EjeTandem)

Dónde:

CD: Carga de diseño

F.S: Factor de seguridad

1.78: Relación eje tándem/eje simple

Usaremos varillas de ¾”

De la tabla obtenemos Capacidad de transmisión de carga = 600



TABLA Nº 6.7.14

Fuente: Manual centroamericano para diseño de pavimentos

Remplazando valores:

Peso por llanta=11,000∗12

Peso por llanta=5,500

n=5500600

n=9

2. Cálculo del espaciamiento

e=1.8∗Ln−1

Donde:

l = Modulo o radio de rigidez relativa.

n = Numero de barras necesarias

Calculo de Radio de Rigidez Relativa

l=4√ E∗h3

12 (1−u2 )∗k

Donde:

E = Módulo de elasticidad del hormigón; 280000 Kg/cm2

u = Coeficiente de Poisson; 0.15h = Espesor de losa; 20 cm.Kc = Coeficiente de reacción de la sub rasante (Kg/cm3); 8.14 Kg/cm3.

Reemplazando en la fórmula se tiene:



l=4√ 280000∗183

12 (1−0.152 )∗8.14;

l = 69.60 cm

Luego en la fórmula: e=1.8∗69.609−1

e = 15.66 cm;

Asumimos 15 cm por cuestiones de procesos constructivos.

3. Longitud del Pasador

La PCA recomienda que la longitud debe ser menor a 50 cm; y de acuerdo con la capacidad de carga de transmisión de cargas según los pasadores; la longitud recomendada para ø ¾” sería de 30.00 cm.

Entonces se asume varilla Lisa de ø ¾” @ 15 cm de 30 cm de longitud.

C) Diseño de Juntas de Transversales de Contracción, Construcción

Las juntas de Construcción se practicarán cuando el trabajo se interrumpa por más de 30 minutos o a la terminación de cada jornada de trabajo; se procurará que las juntas se construcción coincidan con las juntas de contracción.

Las juntas inclinadas representan una forma màs para abordar el problema de las juntas. La idea es que con juntas inclinadas sòlo cruce una rueda en un instante de tiempo, logrando que la fallas sean reducidas (Yoder and Witczak 1975:609).

La guía de diseño (AASHTO 1993 : II-49), menciona que las juntas inclinadas pueden reducir los esfuerzos y deflexioned además de permitir una circulación màs suave de vehículos.

Y. Huang (2004:179) propone la solución de diseñar las juntas en forma sesgada o inclinada con referencia al eje longitudinal de la vía. Esto evita que el vehículo impacte sobre la junta con las dos ruedas simultáneamente, reduciendo a la mitad dicho impacto en beneficio de la estructura y el confot en el manejo.

La ACPA (1991:9) a través de su publicación “Desing and Construction of joints for concrete Highways”, menciona que las juntas inclinadas son una variante de juntas de contracción transversal usadas a menudo en pavimentos de concreto simple sin pasa juntas. La inclinación recomendada ees de 4ft en 24ft (1:6) y su orientación es como se muestra a continuación:

Gráfico Nº 6.5.8



DISTRIBUCION DE JUNTAS DE CONTRACCION INCLINADAS

Por todo lo mencionado anteriormente se usarán juntas inclinadas en relación 1:6, para mejorar la interacción de agregados en las juntas transversales, reducir deflexiones y esfuerzos con un efecto posterior de reducir pumping.

Gráfico Nº 6.5.9

DETALLE DISTRIBUCION DE JUNTAS

6.5.7 CONSTRUCCIÓN DE VEREDAS Y SARDINELES



6.5.7.1 AcerasLas aceras se construirán sobre la sub base, teniendo en cuenta previamente

las conexiones de las diferentes redes de saneamiento básico (tuberías de agua potable, desagüe, instalaciones eléctricas y sistemas de drenaje).

Se eliminarán del terreno el material excedente, de tal manera que quede por debajo del nivel de las sub-base, en el espesor indicado en los planos. Del material afirmado se eliminaran las piedras de 1 ½”. Se colocaran encofrados de madera o metal previamente engrasados, los cuales se fijaran firmemente con estacas, manteniendo el alineamiento, rigidez y la elevación correspondiente.

El espesor de la vereda será de 20 cm. y estará compuesto por una capa de 7.5 cm. de concreto la cual presentará una superficie uniforme, rugosa y compacta, y una capa de empedrado de 12.5 cm. El acabado de la superficie se hará inicialmente con paleta de madera, alisándolo luego con plancha de metal. Se dejará cierta aspereza en el acabado y se harán bruñas espaciados a cada metro, la inclinación de la losa hacia la pista será del 1%. El curado se iniciará aproximadamente a las 8 horas del vaciado, y esta se llevará a cabo durante un período de siete días.

La losa de concreto simple tendrá una resistencia a la compresión a los 28 días de f ‘c = 175 Kg/cm2; el asentamiento o Slump Test tendrá el valor de 3”. Se utilizará material granular (agregados).

Figura 6.5.7.1

Se colocarán juntas de contracción a intervalos de 3.00 metros, bruñas espaciadas a 1.00 metro las cuales tendrán una separación



de ½” para permitir la expansión térmica una profundidad de 2”. Las juntas se emplearán en los casos en que se debe interrumpir el trabajo y para el empalme con veredas y sardineles existentes.

SardinelesLos sardineles se construirán solidarios a la losa de la vereda, dándoles la forma que se indican en los planos y se iniciaran antes de construir las veredas.

Primeramente se prepara una superficie horizontal, donde ha de apoyarse el sardinel, este nivel deberá encontrarse 10 cm. por debajo del nivel de base y/o sub rasante y tendrá un ancho de 15cm. Al colocarse los encofrados se deberá tener cuidado en el alineamiento y rigidez, inmediatamente se procederá al llenado de las formas, colocando juntas de dilatación de 2 cm. de espesor cada 3.00 metros, el que posteriormente será sellado con mezcla asfáltica. El vaciado se hará con un concreto f ‘c = 175 Kg. /cm2 y compactado adecuadamente con vibrador mecánico (chuceado) a fin de evitar presencia de cangrejeras en su superficie.


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