DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO.
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9. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO.
En este numeral se presenta el dimensionamiento de la estructura de pavimento que
soportará las solicitaciones de diseño aplicadas por el tránsito calculado en el capitulo 6
según las características del suelo de fundación. Como primera medida se debe
determinar la capacidad de soporte de la capa que servirá de apoyo a la estructura de
pavimento, para lo cual se determina su valor de soporte, el valor que se determine
será utilizado para la modelación de las diferentes alternativas de diseño de la
estructura de pavimento.
9.1 Valor de Capacidad de la Capa de Apoyo de la Estructura de Pavimento.
El valor de la capacidad portante se definirá de acuerdo con los lineamientos trazados
por la metodología de AASHTO, donde se indica que éste corresponderá al valor
promedio de los datos de capacidad portante obtenidos en campo, para tal efecto se
utilizarán los valores del CBR en estado sumergido para una penetración de 0.1
pulgadas.
Teniendo como punto de partida lo indicado en el párrafo anterior y con los valores
definidos en el numeral "5.1.3", de este informe para las 2 zonas de comportamiento
mecánico similar comprendidas entre el K33+175 y el K32+725, del 32+125 al 31+320
y del 29+725 al 29+050, son sectores que constituyen la primera zona; para la segunda
zona del K33+550 al K33+250 , K32+600 al K32+200 y del K30+700 al 29+800
corresponde según los valores determinados son 3.85% a 2.51% en condición
sumergida correspondientemente.
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De lo anterior se determina que los valores de CBR de la subrasante para el tramo 2
son aceptables dentro del marco del diseño de estructuras de pavimento, no obstante,
se propone la utilización de un relleno en material granular que obre como capa de
mejoramiento, lo anterior debido a que el diseño geométrico e hidráulico de la vía obliga
al emplazamiento de un terraplén de altura promedio de 1.50m, el cual estaría apoyado
sobre la capa de subrasante, luego el mejoramiento permite una plataforma uniforme
de apoyo que aminora la diferencia de capacidad portante a lo largo del tramo,
constituyendo finalmente la subrasante de apoyo del terraplén sobre el que a su vez se
dispondrá la estructura de pavimento, la capacidad en términos de CBR del material que
se coloque no deberá ser inferior a los especificado en el Numeral 320.2.1 Requisitos de
los materiales de la Sección 320 Rellenos para la conformación de la Subrasante de las
Especificaciones IDU-ET-2005.
Con base en las exploraciones realizadas y teniendo como punto de partida las posibles
expansiones que se puedan presentar, las cuales poseen o desarrollan presiones de
expansión del orden de 4.5 ton/m2, de acuerdo con lo indicado en los informes del área
de Geotecnia, se puede determinar la profundidad mínima necesaria para que el relleno
de material seleccionado satisfaga la condición de diseño, teniendo en cuenta un peso
para este material de 2.0 ton/m3, considerando que por encima de la subrasante la
altura del terraplén en promedio es de 1.5 m y teniendo en cuenta el valor de la
capacidad portante del material de subrasante, se determina que una profundidad
adecuada para el relleno es aproximadamente 0.50 m.
Una vez determinado el espesor del relleno se considera tener en cuenta el
mejoramiento de la capacidad portante del material de apoyo de la estructura de
pavimento, para lo cual se utiliza la ecuación de Ivanov, para determinar el valor de
capacidad equivalente.
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ECUACIÓN 1: FÓRMULA DE IVANOV — CALCULO DE CAPACIDAD PORTANTE EQUIVALENTE.
( \ 25n=E2
Donde:E1_2: Módulo Ponderado de las Capas.E2: Módulo de la Capa Inferior.El: Módulo de la Capa Superior.h1: Espesor de la Capa Superior.2a = 30.14 cm.
Utilizando la Correlación de Shell donde E= 10 CBR en MPa se puede determinar un
valor de CBR de Diseño, donde los valores de El y E2 corresponderían a la capa superior
e inferior correspondientemente donde el espesor de la capa superior (hl) sería de
0.50m como se indicó en los párrafos anteriores, aplicando la ecuación mencionada se
determinan los valores presentados en continuación, dado que, por condiciones
geométricas e hidráulicas la rasante el terraplén debe extenderse a todo lo largo de la
vía entonces se propone extender la colocación de la capa de mejoramiento a todo el
sector.
TABLA 47: RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN DE IVANOV PARA CAPACIDAD PORTANTEEQUIVALENTE.
CBR (%) Esr (kg/cm2) Ege (kg/cm2) Hge (cm) Eeq (kg/cm2) CBR (%)3.85 385 1000 50 860 8.602.51 253 1000 50 767 7.67
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De la tabla anterior se nota claramente que, al realizar el reemplazo por material
granular de 0.50 m de espesor y CBR de 10%, la capacidad portante mejora a valores
que oscilan entre 7.67% y 8.60%, por demás que la estructura de pavimento estará
ubicada sobre la corona del terraplén que para el caso no se tiene en cuenta su aporte
en cuanto a capacidad portante, por lo cual se determina como valor mínimo de diseño
un CBR de 8.0% definiendo un solo sector homogéneo en el tramo 2, Avenida Bosa —
Enlace Américas.
Se resalta que durante los trabajos de construcción se deberá colocar en todo momento
el espesor mínimo de relleno seleccionado y realizar la verificación correspondiente al
valor de CBR de diseño indicado anteriormente.
9.2 Diseño de la Estructura por medio de la Metodología de AASHTO 1993.
De acuerdo con los lineamientos trazados por la metodología, para la vía en estudio los
parámetros de diseño que se consideran cumplen con los requerimientos necesarios,
son los presentados a continuación.
TABLA 48. PARÁMETROS DE DISEÑO ADOPTADOS PARA LA VIA AASHTO 1993
Parámetro de Diseño Valor Referencia*
Nivel de Confiabilidad 95% Tabla 2.2 — Página 11-9
;Zr
1
-1.645 Tabla 4.1 — Página 1-62
Desviación Estándar 0.45 Página 1-6
Serviciabilidad Inicial 4.2 Numeral 2.2.1 - Página II-10
Serviciabilidad Final 2.2 Numeral 2.2.1 - Página II-10
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En cuanto a los coeficientes hidráulicos que se determinan a partir del porcentaje
asumido de tiempo en que la capa permanece con humedades cercanas a la
saturación, se estima que estarán en condición aceptable entre 5% y 25% del tiempo.
Estos valores se adoptan no obstante se haya considerado dentro del diseño la
construcción de un sistema de drenaje, el cual en algún momento puede llegar a
presentar problemas que induzcan la acumulación de agua en la estructura, o,
simplemente que ésta ingrese como consecuencia de la formación de fisuras que lo
permitan, cuestión por demás siempre posible en un pavimento, los valores asumidos
indicados para cada capa en la Tabla 49.
TABLA 49 COEFICIENTES HIDRÁULICOS - MI – DE LOS MATERIALES
Capa
Coeficiente
Referencia*
Base Granular
1.0
Subbase Granular
0.9
Tabla 2.4-Página II-25
*AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES
9.2.1 Propiedades mecánicas de los elementos estructurales de pavimento
1. Para la subrasante, se emplea la expresión:
MR (psi) = 1500*CBR Ecuación 2
2. En cuanto a la capacidad mecánica de la capa de subbase, manifestada en su
coeficiente estructural, éste se determina a partir de un valor mínimo de CBR, de
acuerdo con las especificaciones IDU-ET 2005 para estos materiales, documento que
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rige el desarrollo de este proyecto, definido en la Sección 400-05, y de acuerdo con
el nivel de Tránsito de la vía, T4-T5, el material a utilizar deberá ser una SBG_A
presentando un valor de CBR de 60%, para el 95% de compactación del Proctor
Modificado, cuestión también que deberá garantizarse en la obra mediante el
procedimiento y frecuencia que se defina. Los valores del coeficiente a3 y del módulo
se obtienen de la gráfica 2.7 de la página II-21 de la AASHTO GUIDE FOR DESIGN
OF PAVEMENT STRUCTURES 1993.
Luego de realizado lo antes descrito se obtiene para a3 un valor de 0.125 y el
módulo de 18000 psi.
3. Para la capa de base se procede de manera similar en la determinación del
coeficiente estructural, estableciendo en este caso una base del tipo BG_A con un
valor de capacidad portante mínimo de CBR de 100%, para el 100% de
compactación del Proctor Modificado, cuestión que deberá garantizarse en la obra,
luego de lo cual los valor de a2 y del módulo se obtienen empleando la gráfica 2.6 de
la página II-19.
Luego de realizado el proceso se obtiene para a2 un valor de 0.140 y el módulo de
30000 psi.
4. El valor del coeficiente estructural de la capa asfáltica se obtiene a partir de la
relación que establece el método, entre el valor del módulo de la elasticidad de la
mezcla asfáltica, en psi, con el valor del coeficiente estructural. Para las condiciones
de solicitación de la vía se adoptó un valor de 3500 MPa a 20ºC y 10 Hz, para este
valor corresponde un coeficiente estructural a1 de 0.42, tomado de la figura 2-5
página II-18 de la AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES 1993.
5. Dentro de las alternativas propuestas se presenta la de tener en cuenta un material
estabilizado con emulsión, que de acuerdo con lo indicado por las especificaciones
IDU-ET 2005 en la sección 440-05 para este tipo de material se define un coeficiente
estructural ai de 0.20 y un módulo de 150000 psi.
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9.2.2 Resultados
Una vez adoptados los coeficientes estructurales, se procede a calcular los espesores de
las diferentes capas para lo cual se determina el Número Estructural requerido que
satisfaga las condiciones de tránsito de la vía a partir de la Ecuación 3:
Log10 (W18 ) = Z R (S0 ) + 9.36Log10 (SN + 1) − 0.20 +
Log ⎡
10 ⎢⎣
ΔPSI ⎤ 4.2 − 1.5 ⎥⎦
1094 + 2.31Log10 (MR) − 8.07
0.40 + (SN + 1)5.19
ECUACIÓN 3
El procedimiento de cálculo se realiza con base en lo descrito en la Figura 3.2 del
numeral 3.1.5 de la Guía AASHTO de la página II-36.
Con base en lo indicado en los apartados anteriores se desarrollan dos (2) alternativas
de diseño para cada uno de los escenarios de tránsito planteados, éstas se describen a
continuación:
• Alternativa 1: En Materiales Granulares – Constituida por Subbase Granular,
Base Granular y Mezcla Asfáltica.
• Alternativa 2: En Base Estabilizada con Emulsión Asfáltica – Constituida por
Subbase Granular, Base Estabilizada con Emulsión y Mezcla Asfáltica.
9.2.3 Alternativa 1: En Materiales Granulares.
Para el sector en estudio el número de ejes simples equivalentes calculado se presenta
a continuación. (Ver Tabla 50).
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TABLA 50: NUMERO DE EJES EQUIVALENTES DE DISEÑO PARA EL TRAMO 2 AVENIDA ALO – DE ACUERDO CON
CADA ESCENARIO PLANTEADO . Escenario Periodo de Diseño Tramo NESE (8.2 Ton)
20 Avenida Bosa - Enlace Américas 28,239,819
1 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 12,629,911
Escenario Periodo de Diseño Tramo NESE (8.2 Ton) 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 20,065,730
2 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 9,675,695
Siguiendo el procedimiento descrito para el cálculo de resultados se obtienen los
espesores para cada una de las condiciones de diseño determinadas.
Escenario 1 – Periodo de Diseño de 20 Años.
TABLA 51: VERIFICACIÓN DE LOS VALORES DE SN PARCIALES PARA EL TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE
AMÉRICAS – ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.
SN 1
3.64
3.78
SN 2
4.34
SN* i
4.35
SN 3
4.96
TABLA 52: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 MATERIALES GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS – ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 20
AÑOS.
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
Avenida Bosa - Enlace Américas
22.9
10.2
14
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Se puede establecer una estructura de pavimento equivalente, que no corresponde al
cálculo de espesores como lo indica la metodología de AASHTO, dado que los espesores
obtenidos indicados con anterioridad no son óptimos desde el punto de vista
constructivo, esta estructura en términos de capacidad estructural puede cumplir con los
requerimientos técnicos y de SN, fijando los espesores de las capas granulares en 25 cm
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y 22 cm de subbase y base correspondientemente, se puede definir una estructura de
pavimento como la que se presenta a continuación.
TABLA 53: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 MATERIALES
GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS – ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
SN
Avenida Bosa - Enlace Américas
16
22
25
4.96
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Escenario 1 – Periodo de Diseño de 10 Años.
TABLA 54: VERIFICACIÓN DE LOS VALORES DE SN PARCIALES PARA EL TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE
AMÉRICAS – ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 10 AÑOS.
SN 1
3.22
3.36
SN 2
3.86
SN* i
3.92
SN 3
4.43
TABLA 55: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 MATERIALES GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS – ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 10
AÑOS.
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
Avenida Bosa - Enlace Américas
20.3
10.2
12.7
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Se puede establecer una estructura de pavimento equivalente, que no corresponde al
cálculo de espesores como lo indica la metodología de AASHTO, dado que los espesores
obtenidos indicados con anterioridad no son óptimos desde el punto de vista
constructivo, esta estructura en términos de capacidad estructural puede cumplir con los
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requerimientos técnicos y de SN, fijando los espesores de las capas granulares en 25
cm y 22 cm de subbase y base correspondientemente, se define una estructura de
pavimento como la que se presenta a continuación.
TABLA 56: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 MATERIALES
GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS – ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 10 AÑOS.
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
SN
Avenida Bosa - Enlace Américas
13
22
25
4.46
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Escenario 2 – Periodo de Diseño de 20 Años.
TABLA 57: VERIFICACIÓN DE LOS VALORES DE SN PARCIALES PARA EL TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE
AMÉRICAS – ESCENARIO 2 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.
SN 1
3.46
3.57
SN 2
4.13
SN* i
4.20
SN 3
4.73
TABLA 58: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 MATERIALES GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS – ESCENARIO 2 – PERIODO DE DISEÑO DE 20
AÑOS.
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
Avenida Bosa - Enlace Américas
21.6
11.4
12.7
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Se puede establecer una estructura de pavimento equivalente, que no corresponde al
cálculo de espesores como lo indica la metodología de AASHTO, dado que los espesores
obtenidos indicados con anterioridad no son óptimos desde el punto de vista
constructivo, esta estructura en términos de capacidad estructural puede cumplir con los
requerimientos técnicos y de SN, fijando los espesores de las capas granulares en 25 cm
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y 22 cm de subbase y base correspondientemente, se define una estructura de
pavimento como la que se presenta a continuación.
TABLA 59: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 MATERIALES
GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS – ESCENARIO 2 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
SN
Avenida Bosa - Enlace Américas
15
22
25
4.80
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Escenario 2 – Periodo de Diseño de 10 Años.
TABLA 60: VERIFICACIÓN DE LOS VALORES DE SN PARCIALES PARA EL TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE
AMÉRICAS – ESCENARIO 2 – PERIODO DE DISEÑO DE 10 AÑOS.
SN 1
3.09
3.15
SN 2
3.70
SN* i
3.71
SN 3
4.26
TABLA 61: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 MATERIALES GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS – ESCENARIO 2 – PERIODO DE DISEÑO DE 10
AÑOS.
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
Avenida Bosa - Enlace Américas
19.1
10.2
12.7
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Se puede establecer una estructura de pavimento equivalente, que no corresponde al
cálculo de espesores como lo indica la metodología de AASHTO, dado que los espesores
obtenidos indicados con anterioridad no son óptimos desde el punto de vista
constructivo, esta estructura en términos de capacidad estructural puede cumplir con los
SN 1
2.01
2.10
SN 2
4.34
SN* i
4.40
SN 3
4.95
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requerimientos técnicos y de SN, fijando los espesores de las capas granulares en 25 cm
y 22 cm de subbase y base correspondientemente, se define una estructura de
pavimento como la que se presenta a continuación.
TABLA 62: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 MATERIALES
GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS – ESCENARIO 2 – PERIODO DE DISEÑO DE 10 AÑOS.
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
SN
Avenida Bosa - Enlace Américas
12
22
25
4.30
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular. 9.2.4 Alternativa 2: En Base Estabilizada con Emulsión.
Siguiendo el mismo procedimiento pero reemplazando la capa de base granular por una
capa de base estabilizada con emulsión se obtienen los espesores que se presentan en
las tablas a continuación, es importante mencionar que el proposito de la colocación de
una base estabilizada con emulsión es permitir la reducción de la capa de mezcla
asfáltica.
Escenario 1 – Periodo de Diseño de 20 Años - Base Estabilizada con Emulsión.
TABLA 63: VERIFICACIÓN DE LOS VALORES DE SN PARCIALES PARA EL TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.
SN 1
1.76
1.89
SN 2
3.85
SN* i
3.89
SN 3
4.43
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TABLA 64: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES
ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.
Tramo
MA
GEE_A
SBG_A
Avenida Bosa - Enlace Américas
12.7
29.21
12.7
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Se puede establecer una estructura de pavimento equivalente, que no corresponde al
cálculo de espesores como lo indica la metodología de AASHTO, dado que los espesores
obtenidos indicados con anterioridad no son óptimos desde el punto de vista
constructivo, esta estructura en términos de capacidad estructural puede cumplir con los
requerimientos técnicos y de SN, fijando los espesores de las capas granulares en 20 cm
y 24 cm de subbase y base estabilizada con emulsión correspondientemente, se puede
definir una estructura de pavimento como la que se presenta a continuación.
TABLA 65: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN. TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS ESCENARIO 1 – PERIODO DE
DISEÑO DE 20 AÑOS.
Tramo
MA
GEE_A
SBG_A
SN
Avenida Bosa - Enlace Américas
14
20
24
4.95
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Escenario 1 – Periodo de Diseño de 10 Años – Base Estabilizada con Emulsión.
TABLA 66: VERIFICACIÓN DE LOS VALORES DE SN PARCIALES PARA EL TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 10 AÑOS.
SN 1
1.90
2.1
SN 2
4.13
SN* i
4.2
SN 3
4.73
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TABLA 67: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 1 – PERIODO DE
DISEÑO DE 10 AÑOS.
Tramo
MA
GEE_A
SBG_A
Avenida Bosa - Enlace Américas
11.4
25.4
12.7
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Se puede establecer una estructura de pavimento equivalente, que no corresponde al
cálculo de espesores como lo indica la metodología de AASHTO, dado que los espesores
obtenidos indicados con anterioridad no son óptimos desde el punto de vista
constructivo, esta estructura en términos de capacidad estructural puede cumplir con los
requerimientos técnicos y de SN, fijando los espesores de las capas granulares en 20 cm
y 24 cm de subbase y base estabilizada con emulsión correspondientemente, se puede
definir una estructura de pavimento como la que se presenta a continuación.
TABLA 68: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN. TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS ESCENARIO 1 – PERIODO DE
DISEÑO DE 10 AÑOS.
Tramo
MA
GEE_A
SBG_A
SN
Avenida Bosa - Enlace Américas
11
20
24
4.45
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Escenario 2 – Periodo de Diseño de 20 Años – Base Estabilizada con Emulsión.
TABLA 69: VERIFICACIÓN DE LOS VALORES DE SN PARCIALES PARA EL TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 2 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.
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Hoja A-129
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TABLA 70: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES
ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 2 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.
Tramo
MA
GEE_A
SBG_A
Avenida Bosa - Enlace Américas
12.7
26.7
12.7
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Se puede establecer una estructura de pavimento equivalente, que no corresponde al
cálculo de espesores como lo indica la metodología de AASHTO, dado que los espesores
obtenidos indicados con anterioridad no son óptimos desde el punto de vista
constructivo, esta estructura en términos de capacidad estructural puede cumplir con los
requerimientos técnicos y de SN, fijando los espesores de las capas granulares en 20 cm
y 24 cm de subbase y base estabilizada con emulsión correspondientemente, se define
entonces lo indicado a continuación.
TABLA 71: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN. TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS ESCENARIO 2 – PERIODO DE
DISEÑO DE 20 AÑOS.
Tramo
MA
GEE_A
SBG_A
SN
Avenida Bosa - Enlace Américas
13
20
24
4.52
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Escenario 2 – Periodo de Diseño de 10 Años.
TABLA 72: VERIFICACIÓN DE LOS VALORES DE SN PARCIALES PARA EL TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 2 – PERIODO DE DISEÑO DE 10 AÑOS.
SN 1
1.68
1.68
SN 2
3.71
SN* i
3.78
SN 3
4.26
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-130
Rev.: 0
TABLA 73: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES
ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 2 – PERIODO DE DISEÑO DE 10 AÑOS.
Tramo
MA
GEE_A
SBG_A
Avenida Bosa - Enlace Américas
10.2
26.7
11.4
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Se puede establecer una estructura de pavimento equivalente, que no corresponde al
cálculo de espesores como lo indica la metodología de AASHTO, dado que los espesores
obtenidos indicados con anterioridad no son óptimos desde el punto de vista
constructivo, esta estructura en términos de capacidad estructural puede cumplir con los
requerimientos técnicos y de SN, fijando los espesores de las capas granulares en 20 cm
y 24 cm de subbase y base estabilizada con emulsión correspondientemente, se puede
definir una estructura de pavimento como la que se presenta a continuación.
TABLA 74: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN. TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS ESCENARIO 2 – PERIODO DE
DISEÑO DE 10 AÑOS.
Tramo
MA
GEE_A
SBG_A
SN
Avenida Bosa - Enlace Américas
10
20
24
4.29
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Una vez determinados los espesores de diseño para cada escenario de tránsito, periodo
de diseño y alternativa de base, granular o estabilizada, se presenta a continuación el
resumen de espesores para cada caso determinado.
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-131
Rev.: 0
TABLA 75: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – A PARTIR DEL DISEÑO POR AASHTO 1993 MATERIALES GRANULARES DE ACUERDO AL ESCENARIO Y AL PERIODO DE DISEÑO.
Escenario Periodo de Diseño (Años)
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
SN
1
20 Avenida Bosa - Enlace Américas
16
22
25
4.960
1
10 Avenida Bosa - Enlace Américas
13
22
25
4.460
2
20 Avenida Bosa - Enlace Américas
15
22
25
4.800
2
10 Avenida Bosa - Enlace Américas
12
22
25
4.300
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
TABLA 76: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – A PARTIR DEL DISEÑO AASHTO 1993
MATERIALES ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN DE ACUERDO AL ESCENARIO Y AL PERIODO DE DISEÑO.
Escenario Periodo de
Diseño (Años)
Tramo
MA
GEE_A
SBG_A
SN
1
20 Avenida Bosa - Enlace Américas
14
20
24
4.950
1
10 Avenida Bosa - Enlace Américas
11
20
24
4.450
2
20 Avenida Bosa - Enlace Américas
13
20
24
4.780
2
10 Avenida Bosa - Enlace Américas
10
20
24
4.290
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada
SBG_A: E SPESOR EN CM DE CAPA DE SUBBASE GRANULAR . Los espesores indicados anteriormente deberán ser verificados por medio de métodos
que contemplen el análisis de la estructura teniendo en cuenta los valores de esfuerzo y
deformación admisibles.
9.3 Diseño por el Método Mecanicista de Shell.
Otra alternativa para la determinación de los espesores del pavimento es aplicar la
metodología Shell solicitada dentro de los términos de referencia del contrato, ésta se
presenta a continuación.
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-132
Rev.: 0
9.3.1 Consideraciones del método
Para la determinación de los espesores del pavimento, se soportará sobre la plataforma
del programa Shell Pavement Desig Method SPDM 3.0, el cual incorpora factores de
confiabilidad con relación a las deformaciones por compresión en la subrasante y fatiga
de las capas asfálticas, las cuales y con el fin de ser convergentes con lo planteado por
el método AASHTO se maneja un nivel de confianza del 95%.
Este método considera que la estructura del pavimento está constituida por un sistema
tricapa homogéneo, isotrópico, lineal elástico e infinito longitudinalmente, con espesores
determinados de tal forma que no se supere ni la deformación a tracción admisible en la
fibra inferior de la capa asfáltica, ni la deformación a compresión producida en la
subrasante.
El diseño del pavimento flexible contempla una estructura con una carpeta asfáltica
apoyada sobre una capa de materiales granulares y la subrasante dada por la corona
del terraplén.
9.3.2 Parámetros de Diseño
Para el diseño de espesores se utilizaron los siguientes parámetros:
• Tránsito
• Valor de Soporte
• Temperatura (TMAP)
• Características de las Capas Granulares
• Características de la Mezcla Asfálticas
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-133
Rev.: 0
Las capas de materiales granulares de la estructura del pavimento base y subbase
deberán cumplir los requisitos de calidad y construcción de acuerdo con las
especificaciones de construcción exigidas por el IDU, para el caso son las IDU-ET 2005.
Los asfaltos que se utilicen deberán ser del tipo 60-70 convencional para las capas de
mezcla diferentes a la rodadura para la cual se deberá utilizar asfaltos modificados,
estos materiales tendrán que cumplir con lo especificado por el documento IDU-ET-2005
en la sección 200-05.
• Factores de Diseño
La confiabilidad en el diseño de una estructura de pavimento es la probabilidad que el
pavimento diseñado, se comporte satisfactoriamente en el periodo de diseño bajo las
cargas esperadas del tráfico, los parámetros geotécnicos y condiciones ambientales
previstas.
Para este informe se adoptó un criterio de confiabilidad del 95%, como se indicó al
inicio del numeral de diseño por el Método de Shell.
9.3.3 RESULTADOS DEL METODO SHELL
Tal y como se indicó se utiliza para el cálculo de los espesores la metodología
programada dentro del SPDM 3.0, software de diseño de la casa Shell precursora del
método. El procedimiento de cálculo se indica a continuación.
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-134
Rev.: 0
• Temperatura.
La obtención de la temperatura media del aire se realiza a partir del análisis de registros
de temperatura media mensual de la estación 2120623 – Hacienda las Vegas del IDEAM
la cual tiene como fecha de instalación Agosto de 1987 y presenta los registros de
temperaturas medias mensuales entre los años de 1987 y 2006, para el análisis
presentado se toman los valores máximos ocurridos durante el periodo mencionado.
Una vez realizado el análisis de la temperatura se define un valor de w-MAAT en grados
Celsius de 14.3 ºC como se indica en la Figura 19.
Posterior al cálculo de la temperatura se define el Número de Ejes Simples Equivalentes.
FIGURA 19: CÁLCULO DE LA W -MAAT ( ºC) SPDM 3.0. TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS.
• Número de ejes simples equivalentes.
Del numeral correspondiente al tránsito se define que el valor del número de
repeticiones de ejes simples equivalentes de 8.2 toneladas para el tramo comprendido
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-135
Rev.: 0
entre el cruce con el Río Bogotá y la Avenida Bosa se determinaron 2 escenarios de
tránsito con diferentes periodos de diseño, 10 y 20 años. Para lo cual se establecen los
tránsitos presentados en la Tabla 50, éstos son un valor de entrada del programa
teniendo en cuenta dos variables fundamentales adicionales dentro del programa que
son:
• Lateral Distribution Factor for the traffic in the lane.
• Healing Factor for the Pavement under Traffic Conditions.
Las variables indicadas en las anteriores viñetas se relacionan con el factor de calage el
cual sostiene las premisas que se indican:
En el campo existe un periodo de reposo aleatorio entre aplicaciones sucesivas de
carga que le permite al material asfáltico recuperarse.
Después del paso de cada carga pueden permanecer esfuerzos residuales en la
capa asfáltica de rodadura causados por la rueda en movimiento. Estos esfuerzos
se relajan con el tiempo y después de cierto lapso, quedan esfuerzos remanentes
muy pequeños.
Otra consideración importante es la variación lateral del tránsito. Las huellas de
las ruedas difieren de un vehículo a otro. (Primera Viñeta Negra)
Las mezclas asfálticas tienen la capacidad de autoreparación del bitumen.
(Segunda Viñeta Negra), ocurre en niveles bajos de deformación.
Definido lo anterior dentro del SPDM 3.0 el valor de estas variables corresponde a lo que
se presenta en la figura siguiente.
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-136
Rev.: 0
FIGURA 20: TRÁNSITO TENIENDO EN CUENTA EL FACTOR DE CALAGE – TRAMO 2 - AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS
Una vez definido el tránsito se procede a la definición de las características de los
materiales granulares.
• Materiales Granulares.
Como se ha indicado los materiales granulares que conformen la estructura de
pavimento deberán cumplir con los requerimientos que se solicitan para este tipo de
tránsitos de acuerdo con lo especificado por la normativa del documento IDU-ET-2005,
adicionalmente el método de Shell permite tener un nivel de confianza del 95, con lo
que se obtienen los resultados indicados en la figura siguiente, para el cálculo de la
estructura de diseño por medio del método de Shell solo se contemplará la alternativa
que comprende el uso de materiales granulares.
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
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Hoja A-137
Rev.: 0
FIGURA 21: VALORES CARACTERÍSTICOS PARA LOS MATERIALES GRANULARES .
Para la definición de las características del asfalto y de la mezcla asfáltica se utilizaron
los valores predeterminados por los nomogramas y los criterios de diseño de la casa
Shell, se resalta que se tiene en todo momento en cuenta que los valores indicados
cumplen los requisitos de IDU-ET-2005.
FIGURA 22: CARACTERÍSTICAS DE LA MEZCLA ASFÁLTICA – TRAMO 2 – AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS
Una vez determinados los valores anteriores se realiza la correspondiente corrida del
programa, donde se determina el espesor de la mezcla asfáltica necesaria para
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-138
Rev.: 0
satisfacer las premisas de diseño, de acuerdo a cada escenario y periodo de diseño
mencionado.
Espesores de Diseño para la Mezcla Asfáltica Tramo 2 Avenida Bosa - Enlace Américas.
En Materiales Granulares.
Escenario Periodo de Diseño (Años)
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
1 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 17 22 25
1 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 15 22 25
2 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 16 22 25
2 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 14 22 25
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
9.4 Verificación de Esfuerzos y Deformaciones - Método Mecanicista.
Partiendo de los espesores obtenidos por la metodología AASHTO y Shell, se procede a
la evaluación mecanicista de la estructura obtenida. En esta fase se tienen en cuenta las
siguientes ecuaciones.
Para la deformación admisible a tracción en la fibra asfáltica inferior, se considera la
ecuación de Nottingham, para deflexión admisible Ivanov, en Deformación admisible a
compresión en la fibra superior de la subrasante, Shell y para el esfuerzo admisible a
compresión en la fibra superior de la subrasante Kerhoven y Dormon:
• Nottingham εt =0.00348*N-0.204
• Ivanov ωT =5.248* N-0.12
• Shell εz = 0.028 *N-0.25
• Kerhoven y Dormon σz = 0.007MR / (1+0.7Log(N)) en kg/cm²
Donde:
εt: Deformación admisible por tracción en la fibra inferior de la mezcla asfáltica.
ωT: Deflexión máxima admisible.
Nottinhgham Ivanov (mm/100) Shell Kerhoven y Dormon
Escenario
Periodo de Diseño εt ωT εz σz (Mpa)
1 20 Años 168E-6 67 384E-6 0.090 1 10 Años 198E-6 74 470E-6 0.094 2 20 Años 180E-6 70 418E-6 0.092 2 10 Años 209E-6 76 502E-6 0.095
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-139
Rev.: 0
εz: Deformación admisible por compresión en la fibra superior de la capa de subrasante.
σz: Esfuerzo admisible a compresión en la capa de subrasante.
Se debe tener en cuenta que para el cálculo de la resistencia a la fatiga de los
materiales asfálticos, el valor de la deformación a tracción en la fibra inferior de la capa
debe ser afectado por el factor de calage, mínimo de 10, como se indicó en el método
de Shell.
Para la ecuación de Kerhoven y Dormon el valor de MR será el correspondiente a la
relación MR = 100 CBR, donde MR está en kg/cm2 y el CBR en unidades porcentuales.
El módulo resiliente de la subrasante calculado es 95 MPa, para los materiales
granulares se utilizará el valor del módulo resiliente obtenido para cada una de las capas
por medio del método de AASHTO. A continuación se presentan los valores admisibles
a tener en cuenta en los puntos de control de la estructura, de acuerdo a cada
escenario y periodo de diseño indicado en la Tabla 50. (Ver Tabla 77)
TABLA 77. VALORES ADMISIBLES PARA LAS CONDICIONES MECÁNICAS , ESCENARIOS DE TRÁNSITO Y PERIODO
DE DISEÑO PREVISTAS – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS.
Una vez calculados los valores presentados en la tabla anterior se procede a realizar la
determinación de los espesores requeridos por medio del análisis tensodeformacional
mediante el análisis elástico de sistemas multicapa, los resultados se indican a
continuación, primero el análisis de la alternativa que contempla el uso de materiales
granulares en la capa de Subbase y Base y posteriormente la alternativa que contempla
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-140
Rev.: 0
el uso de materiales estabilizados con emulsión asfáltica en la capa de Base, de acuerdo
con los Escenarios de Tránsito y Periodos de Diseño preestablecidos.
TABLA 78. VALORES ADMISIBLES Y ACTUANTES PARA LAS ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CALCULADAS POR EL
MÉTODO MECANICISTA. EN MATERIALES GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. Nottinhgham Ivanov (mm/100) Shell Kerhoven y Dormon Escenario -
Periodo de Diseño
Deformación - Esfuerzo εt ωT εz σz (Mpa) Admisible 168E-6 67 384E-6 0.090 Actuante 167E-6 38 238E-6 0.020
1 - 20 Años
Cumple Ok Ok Ok Ok Admisible 198E-6 74 470E-6 0.094 Actuante 190E-6 41 267E-6 0.022
1 - 10 Años
Cumple Ok Ok Ok Ok Admisible 180E-6 70 418E-6 0.092 Actuante 177E-6 40 252E-6 0.021
2 - 20 Años
Cumple Ok Ok Ok Ok Admisible 209E-6 76 502E-6 0.095 Actuante 205E-6 43 284E-6 0.024
2 - 10 Años
Cumple Ok Ok Ok Ok
Los espesores de estructura que cumplen los requerimientos de esfuerzo y deformación
para las solicitaciones a las cuales se verá sometida la estructura de pavimento son los
indicados a continuación. (Tabla 79).
TABLA 79: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – MÉTODO MECANISCISTA MATERIALES
GRANULARES DE ACUERDO AL ESCENARIO Y AL PERIODO DE DISEÑO. Escenario Periodo de Diseño (Años) Tramo MA BG_A SBG_A
1 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 16 22 25 1 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 14 22 25 2 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 15 22 25 2 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 13 22 25
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
Para la estructura de pavimento que contempla la estabilización de la capa de base con
emulsión se realiza el análisis de esfuerzo y deformación actuante de lo cual se obtienen
los valores indicados en la tabla a continuación.
Nottinhgham Ivanov (mm/100) Shell Kerh oven y
Dormon
Escenario - Periodo de Diseño
Deformación - Esfuerzo
εt ωT εz σz (Mpa) Admisible 168E-6 67 384E-6 0.090 Actuante 84E-6 30 196E-6 0.017
1 - 20 Años
Cumple Ok Ok Ok Ok Admisible 198E-6 74 470E-6 0.094 Actuante 92E-6 33 227E-6 0.019
1 - 10 Años
Cumple Ok Ok Ok Ok Admisible 180E-6 70 418E-6 0.092 Actuante 87E-6 32 205E-6 0.018
2 - 20 Años
Cumple Ok Ok Ok Ok Admisible 209E-6 76 502E-6 0.095 Actuante 93E-6 34 238E-6 0.020
2 - 10 Años
Cumple Ok Ok Ok Ok
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-141
Rev.: 0
TABLA 80. VALORES ADMISIBLES Y ACTUANTES PARA LAS ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CALCULADAS POR EL MÉTODO MECANICISTA. EN MATERIALES DE BASE ESTABILIZADO CON EMULSIÓN – TRAMO 2 AVENIDA BOSA -
ENLACE AMÉRICAS.
Los espesores de estructura que cumplen los requerimientos de esfuerzo y deformación
para las solicitaciones a las cuales se verá sometida la estructura de pavimento son los
que se presentan a continuación.
TABLA 81: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – MÉTODO MECANICISTA MATERIALES
DE BASE ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN DE ACUERDO AL ESCENARIO Y AL PERIODO DE DISEÑO.
Escenario Periodo de Diseño (Años) Tramo MA GEE_A SBG_A 1 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 14 20 24 1 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 11 20 24 2 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 13 20 24 2 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 10 20 24
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
De la Tabla 78 y la Tabla 80 se puede advertir que los espesores son similares a los
obtenidos por el Método de AASHTO y cumplen ampliamente con los requerimientos de
esfuerzo y deformación admisibles en especial para el caso de la base estabilizada, esta
Consultoría considera que los espesores reportados son pertinentes para los
requerimientos de solicitación de la Avenida por tanto no se realizan ajustes adicionales,
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-142
Rev.: 0
adicionalmente se determina que la estructura apropiada para cumplir los
requerimientos de diseño es la que contempla el emplazamiento de la mezcla asfáltica
sobre los materiales granulares, para el escenario uno (1) en un periodo de diseño de
20 años.
TABLA 82: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RECOMENDADA METODO AASTHO – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS – TRAMO 2 AVENIDA BOSA – ENLACE AMÉRICAS.
Tramo
MA
BG_A
SBG_A
Avenida Bosa - Enlace Américas
16
22
25
MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular
SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.
9.5 Diseño por el Método de la Pórtland Cement Association 1984.
El diseño de las calzadas en pavimento de concreto hidráulico se realizó conforme al
método de la PCA-84, considerando el efecto de erosión y fatiga, teniendo en cuenta los
parámetros mínimos de diseño.
Luego de elegir el tipo de concreto, el período de diseño, la clase de material de
soporte, la forma de interacción de las juntas y la condición de berma, el diseño se
realiza a partir de los siguientes factores:
• Resistencia a la flexión del concreto a 28 días (módulo de rotura, MR) de 4.5 MPa.
• Modulo de Reacción Combinado o del conjunto de subrasante subbase (K Modulo
de reacción).
• Factor de seguridad de carga (FSC), distribución de carga por eje y número
esperado de repeticiones de las diversas cargas por eje en el carril de diseño y
durante el período de diseño.
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-143
Rev.: 0
En la aplicación de este método de diseño se llevan a cabo los siguientes tipos de
análisis:
• Análisis de fatiga.
• Análisis de erosión para controlar la deflexión en los bordes de la losa.
• Conveniencia del uso de pasadores.
• Comportamiento del diseño frente al Efecto Berma.
Para el cálculo del valor del módulo de reacción de la subrasante se utiliza la Figura 23,
con base en ésta, y en el valor del CBR establecido igual a 8.0% se obtiene el Módulo
de Reacción Combinado cuya magnitud es 50 MPa/m.
FIGURA 23 CORRELACIÓN APROXIMADA ENTRE LA CLASIFICACIÓN DE SUELOS, EL VALOR DE CBR Y EL VALOR DE MÓDULO DE REACCIÓN
DE LA SUBRASANTE.
Fuente: Figura 2 – Approximate interrelationship of soil classification and bearing values Page 7, Thickness Design for Concrete Highway and Street Pavements.
Una vez establecido el valor del módulo de reacción de subrasante se realiza el análisis
correspondiente para determinar el valor del Módulo de Reacción Combinado de toda la
Estructura sobre la cual se apoyará la losa de pavimento.
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-144
Rev.: 0
TABLA 83 EFECTO DE LA SUBBASE GRANULAR SOBRE LOS VALORES DE K
Valor de K para subbase combinada Valor de K para
Sub-rasante
100 mm
150 mm
225 mm
300 mm
MPa/m
Lb/Pulg³
MPa/m
Lb/Pulg³
MPa/m
Lb/Pulg³
MPa/m
Lb/Pulg³
MPa/m
Lb/Pulg³
20
73
23
85
26
69
32
117
38
140
40
147
45
165
49
180
57
210
66
245
60
220
64
235
66
245
76
280
90
330
80
295
87
320
90
330
100
370
117
430
Fuente: Tabla 1 – Effect of Untreated Subbase on k Values Thickness Design for Concrete Highway and Street Pavements PCA.
A partir de la Tabla 83 se establece que para un espesor de materiales granulares de
470 mm el valor de K de la estructura es 110 MPa/m. Dadas las condiciones del tránsito
de la Avenida y de acuerdo con la tabla 400.1 de las Especificación IDU-ET-2005 se
recurrirá a colocar sobre la capa base granular una mezcla asfáltica del tipo MD12 de
espesor de 7.5 cm, dentro del diseño se considera que esta capa no presenta aporte
estructural y permite la función de proteger y mejorar la capacidad del sistema a la falla
por erosión causada por fenómenos de bombeo, el consumo por erosión se limitará al
150% de acuerdo con lo indicado por las Especificaciones IDU ET 2005 y por los
Términos de Referencia del Contrato.
El número de repeticiones de carga por eje fue definido en el capitulo de tránsito y se
presenta a continuación.
TABLA 84: REPETICIONES POR TIPO DE EJE Y ESCENARIO DE TRÁNSITO TRAMO 2.
Sector/Carga
6 ton
11 ton
22 ton
24 ton
Escenario 1
12,984,874
9,744,309
3,240,565
1,766,251
Espesor de la Losa
27 cm
Consumo por Fatiga
Consumo por Erosión
Módulo de Reacción Combinado
110
MPa/m
Módulo de Rotura
4.5
MPa
Factor de Seguridad de Carga
1.2
Uso de Barras de Transferencia
SI
Consideración del Efecto Berma
NO
0%
150%
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
CEI S.A.
Hoja A-145
Rev.: 0
TABLA 84: REPETICIONES POR TIPO DE EJE Y ESCENARIO DE TRÁNSITO TRAMO 2.
Sector/Carga
6 ton
11 ton
22 ton
24 ton
Escenario 2
10,612,043
8,514,663
2,097,380
1,278,972
Para el Tramo 2 se toma el número de repeticiones indicado en el sector entre Chusacá
– Américas, dentro del cual se encuentra comprendido el tramo 2 Avenida Bosa –
Avenida Américas, de acuerdo con el nivel de tránsito se determina un factor de
seguridad por carga (FSC) de 1.2. Una vez definidos los datos anteriores se determina
el espesor de losa adecuado que cumpla con las premisas de diseño indicadas.
TABLA 85: ESPESOR Y PREMISAS DE DISEÑO PLANTEADAS PARA LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RÍGIDO PCA
1984 – ESCENARIO 1.
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Hoja A-146
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TABLA 86: ESPESOR Y PREMISAS DE DISEÑO PLANTEADAS PARA LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RÍGIDO PCA
1984 – ESCENARIO 2.
Espesor de la Losa
27 cm
Consumo por Fatiga
Consumo por Erosión
Módulo de Reacción Combinado
110
MPa/m
Módulo de Rotura
4.5
MPa
Factor de Seguridad de Carga
1.2
Uso de Barras de Transferencia
SI
Consideración del Efecto Berma
NO
0%
116%
9.5.1 Juntas Longitudinales y Barras de Anclaje
Entre otras funciones la junta longitudinal controla el agrietamiento producido por
alabeo. En la construcción del pavimento, la junta debe ser marcada con una ranura
que separe los carriles y proporcione alojamiento para el sellado, unida por una barra de
anclaje que se encarga de asegurar que no haya desplazamiento relativo de las losas.
Si el pavimento se construye carril por carril, la junta longitudinal es del tipo junta de
construcción. Para este diseño el ancho de carril es 3,50 m.
Las características de las barras de anclaje se establecen de acuerdo con la metodología
PCA. En la Tabla 87 se presenta la recomendación para el refuerzo, teniendo en cuenta
que el acero usado deberá cumplir con un esfuerzo de fluencia de 420MPa
TABLA 87. DIMENSIONES DEL ACERO DE REFUERZO
Espesor de losa
(m)
Diámetro (in)-
(m)
Longitud
(m)
Espaciamiento
(m)
0.27
½” (0.0127)
0.85
1.2
Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto – Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC.
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Hoja A-147
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Las barras de acero no se deben instalar a menos de 40 cm de la junta transversal para
evitar que interfieran con el movimiento de las juntas.
9.5.2 Juntas Transversales y Pasadores
Las juntas transversales o juntas de contracción son juntas de alabeo (Tipo B), es decir,
controlan las grietas causadas por la retracción de fraguado del hormigón y por las
acciones climáticas (temperatura y humedad) cumpliendo una función mecánica
esencial constituyendo un medio de transferencia de la carga. Se deben cumplir las
separaciones máximas de la Tabla 88.
TABLA 88. SEPARACIÓN MÁXIMA ENTRE LAS JUNTAS (CRITERIO I)
Tipo de Agregado
Grueso
Separación Máxima de
Juntas Transversales (m)
Separación Máxima de
Juntas Longitudinales
(m)
Piedra Partida
6,0
4,0
Agregado Redondeado
4,5
4,0
Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto – Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC.
Para el espaciamiento entre juntas transversales, hay varias recomendaciones en la
literatura técnica que podrían considerarse en este proyecto:
• Que el espaciamiento en pies entre juntas de contracción para pavimentos de
hormigón no supere 2 veces el espesor de la losa en pulgadas, lo que para este diseño
sería lo que se presenta en la Tabla 89.
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Hoja A-148
Rev.: 0
TABLA 89. SEPARACIÓN MÁXIMA ENTRE JUNTAS DE CONTRACCIÓN (CRITERIO II)
Espesor de la Losa (in)
Separación de Juntas (ft)
Separación de las Juntas (m)
10.63
21.25
6.48
Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto – Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC.
• Que el espaciamiento entre juntas sea veinticinco veces el espesor de la losa. (Véase
Tabla 90).
TABLA 90. ESPACIAMIENTO ENTRE JUNTAS (CRITERIO III)
Espesor losa (cm)
27
Separación máxima (m)
6.75
Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos
de Concreto – Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC
• Que la máxima relación de esbeltez de la losa sea de 1,4 veces:
TABLA 91. SEPARACIÓN MÁXIMA ENTRE JUNTAS (CRITERIO IV)
Ancho (m)
3.50
Separación máxima (m)
4.90
Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos
de Concreto – Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC
Por razones constructivas y respetando los criterios anteriores, se ha establecido una
separación máxima entre juntas transversales de 4,5 metros.
Es necesario complementar la eficiencia de la trabazón de agregados mediante el
empleo de barras de acero liso, denominadas pasadores, que conectan entre sí las losas
separadas por juntas. Este tipo de mecanismo transmite tanto fuerzas de cizalladura
como momento flector, pero debe permitir el libre movimiento horizontal de las losas,
Doc. Nº: 50.31-002-650-012
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Hoja A-149
Rev.: 0
por lo cual al menos una mitad del pasador debe no adherir con el concreto que lo
rodea. Asimismo, esta libertad de movimiento horizontal exige que los pasadores de
una junta sean todos paralelos al eje de la calzada y que se encuentren ubicados en el
eje neutro de la losa.
Según lo establecido por la PCA1, para las losas de 26 a 28 cm de espesor, el diámetro
del pasador (varillas lisas tipo A-37 con fy=240MPa) debe ser de 34.9 mm (1 3/8”) de
45 cm de longitud y con separación entre centros de 30 cm.
9.5.3 Corte y Sellado de Juntas
Las juntas transversales se deben cortar con un equipo autopropulsado de disco
diamantado cumpliendo con las siguientes dimensiones:
• Corte inicial de 1/3 del espesor de la losa, medido desde la superficie, con un
ancho máximo de 3 mm. Corte de ensanche de 3 mm de ancho máximo y una
profundidad de 30 mm medido desde la superficie de la losa.
• El ancho total de la junta transversal debe tener 6 mm (±1.5 mm) de ancho, incluido
el corte inicial y el corte de ensanche.
Se deben ejecutar los cortes de las juntas transversales y el sello de las juntas de
acuerdo con el detalle de la Figura 24.
1 Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto – Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC, Tabla 64, Página 104
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Hoja A-150
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FIGURA 24. DETALLE DE CONSTRUCCIÓN DE LAS JUNTAS
D/3
3-6 mm
6 mm Junta sellada con silicón o poliuretano Sello plástico no adherente de polietileno (Baker Rod) (9mm de diámetro± 1,5 mm)
3 mm
Se incluye la colocación del sello plástico (cordón de respaldo) para mantener el factor
de forma apropiado para las masillas de sello aplicadas. Para la instalación del material
de sello con silicón o poliuretano se debe tener especial cuidado en la adecuada limpieza
de los bordes de la junta para evitar el desprendimiento prematuro en el tiempo del
sello. En el momento de colocación del sello, la junta debe estar seca, limpia, libre de
partículas. También para evitar el desprendimiento prematuro, el material de sello debe
quedar de 3 a 6 mm por debajo de la rasante de las calzadas.
Para el sellado de junta debe cumplirse lo siguiente:
• La tirilla de respaldo debe tener un diámetro de 9 mm ± 1,5 mm.
• La relación ancho/profundidad del sellador de silicón deberá ser como mínimo 1:1 y
máximo 2:1. • La ranura inicial de 3 mm para debilitar la sección deberá ser en el momento oportuno
para evitar el agrietamiento de la losa, la pérdida de agregados en la junta, o el
desportillamiento. El corte adicional para formar el depósito de la junta deberá
efectuarse cuando menos 72 horas después del colado.
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• La superficie del sello debe quedar entre 3 y 6 mm por debajo de la superficie de la
losa.
• La cavidad debajo de la junta siempre debe permanecer limpia y libre de cualquier tipo
de material.
9.5.4 Juntas de Expansión
Al comienzo y fin del tramo de estudio, cuando el pavimento rígido empalma con el
pavimento flexible, se construye una junta, en la cual se aumenta el espesor de la losa
para absorber los esfuerzos de borde ocasionados por el tráfico, ésta se conoce como
junta de expansión.
Finalmente dado que la vía se encuentra atravesando en una zona de clima frío se
recomienda al diseño de la mezcla de concreto adicionarle los adictivos correspondientes
que garanticen un buen fraguado y posterior curado.