Rehabilitación y Mejoramiento de la
Carretera «X»
Diseño de Pavimento Flexible
Estructura del Informe
5.1. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO FLEXIBLE
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5.1.1 Alcance
5.1.2 Método de Diseño
5.1.3 Estimación de las cargas de diseño (Wt18)
5.1.3.1 Tránsito promedio diaria anual (TPDA)
5.1.3.2 Factores de equivalencia de carga
5.1.4 Confiabilidad en el diseño (R)
5.1.5 Variación permisible en la Servicapacidad (Dpsi)
5.1.6 Caracterización del material de la sub-rasante y definición de la Unidad de Diseño
5.1.7 Determinación del Número Estructural (SN) en cada Unidad de Diseño
5.1.8 Materiales y mezclas para las capas de la estructura del pavimento
5.1.9 Alternativas de diseño
5.1.10 Espesores de la estructura de pavimento para cada alternativa
•
5.1.11 Alternativa final a ser seleccionada
1. Alcance del Proyecto de Pavimentos
• Análisis de las variables de diseño y materiales de
construcción para definir la estructura de pavimento para
la Rehabilitación y Mejoramiento de la Carretera.
2. Método de Diseño
• El Método seleccionado es el desarrollado por la
Asociación Americana de Administradores Estadales de
Carreteras y Transporte (AASHTO)
– Guía de diseño AASHTO-93
– Manual SIECA
– Programa de diseño de pavimentos desarrollado por la
Asociación Americana de Pavimentos de Concreto (ACPA),
versión WinPas, aplicación para pavimentos flexibles (1993).
2.1 Ecuación de diseño
  PSI 
10 

 4 .2  1 .5 
log 10 Wt 18  Z R * S o  9 . 36 * log 10 ( SN  1)  0 . 20 
 2 . 32 * log
1094
0 . 40 
 SN  1 5 .19
log
10
M
R
 8 . 07
(Ecuación 1)
Variables independientes:
Wt18 : Número de aplicaciones de cargas equivalentes de 80 kN
acumuladas en el periodo de diseño (n).
ZR : Valor del desviador en una curva de distribución normal,
función de la Confiabilidad del diseño (R) o grado confianza en
que las cargas de diseño no serán superadas por las cargas
reales aplicadas sobre el pavimento.
2.1 Ecuación de diseño
– So: Desviación estándar del sistema, función de posibles variaciones en las
estimaciones de tránsito (cargas y volúmenes) y comportamiento del pavimento
a lo largo de su vida de servicio.
–
PSI: Pérdida de Serviciabilidad (Condición de Servicio) prevista en el diseño,
y medida como la diferencia entre la “planitud” (calidad de acabado) del
pavimento al concluirse su construcción (Serviceabilidad Inicial (po) y su planitud
al final del periodo de diseño (Servicapacidad Final (pt).
–
MR: Módulo Resiliente de la subrasante y de las capas de bases y subbases granulares, obtenido a través de ecuaciones de correlación con la
capacidad portante (CBR) de los materiales (suelos y granulares).
2.1 Ecuación de diseño
– Variable dependiente:
– SN: Número Estructural, o capacidad de la
estructura para soportar las cargas bajo las
condiciones (variables independientes) de
diseño.
3. Estimación de las cargas de diseño (Wt18)
• Wt18=EEo*F
(Ecuación 2)
EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño
EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D
F = Factor de crecimiento
F = {(1 + TC)^n – 1} / TC
TC = tasa de crecimiento interanual
n
= periodo de diseño
3. Estimación de las cargas de diseño (Wt18)
EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño
EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D
TPDA = Tráfico Promedio Diario Anual, para el primer año del periodo de diseño.
%Vp = Porcentaje de vehículos de carga dentro del volumen de tráfico total
FC
= Factor Camión, o carga equivalente total por “camión promedio”
fds
= factor de distribución del tráfico por sentido de circulación
fuc
= factor de utilización del tráfico total por sentido en el canal de diseño
A
= factor de ajuste por tráfico desbalanceado
D
= Días por año en que circulará por el canal de diseño el tráfico definido por
los términos
anteriores (365 días en este proyecto).
3.1 Valores de TPDA y TC
Año
Moto
Pesados de
Pasajeros
Veh.
Liv.
MB
Pesados de Carga
BUS
C2 Liv.
C2
C3
TPDA
(vpd)
Otros
2010
33
23
1
17
11
62
82
1
230
2011
34
24
1
18
12
71
88
1
249
2012
35
25
1
18
12
77
92
1
261
2013
36
26
1
19
12
92
102
1
289
2014
37
26
1
19
13
99
107
1
303
2015
39
27
1
20
13
105
112
1
318
2016
40
29
1
21
14
113
118
1
337
2017
43
30
1
22
14
123
125
1
359
2018
45
31
1
23
15
133
132
1
381
2019
47
33
1
25
16
145
137
1
405
2020
50
37
2
26
17
173
160
2
467
2021
54
39
2
28
19
187
169
2
500
2022
57
42
2
30
20
203
181
2
537
2023
61
44
2
32
21
223
194
2
579
2024
66
47
2
35
23
244
209
2
628
2025
70
50
2
37
24
263
213
2
661
2026
75
53
2
40
26
287
223
2
708
2027
80
57
2
43
28
311
227
2
750
2028
86
63
3
46
30
338
238
3
807
2029
92
67
3
49
32
368
252
3
866
FUENTE: ESTUDIO DE TRÁFICO DEL ASOCIO
Fuente: Estudio de Tráfico Carretera
3.2 Factores de equivalencia de cargas
S N = 4 ,0 y p t = 2 ,5
C a rg a (k ip s )
C a rg a (to n )
F E (s im p le s )
F E (d o b le s )
F E (trip le s )
2
0 .9 1
0 .0 0 0 2
0 .0 0 0
4
1 .8 2
0 .0 0 3
0 .0 0 0 3
0 .0 0 0 1
6
2 .7 2
0 .0 1 3
0 .0 0 1 0
0 .0 0 0 4
8
3 .6 3
0 .0 4 1
0 .0 0 4 0
0 .0 0 1
10
4 .5 4
0 .1 0 2
0 .0 0 9 0
0 .0 0 2
12
5 .4 5
0 .2 1 3
0 .0 1 8 0
0 .0 0 4
14
6 .3 6
0 .3 8 8
0 .0 3 3 0
0 .0 0 8
16
7 .2 6
0 .6 4 5
0 .0 5 7 0
0 .0 1 3
18
8 .1 7
1 .0 0 0
0 .0 9 2 0
0 .0 2 1
20
9 .0 8
1 .4 7 0
0 .1 4 1 0
0 .0 3 2
22
9 .9 9
2 .0 9 0
0 .2 0 7 0
0 .0 4 8
24
1 0 .9 0
2 .8 9 0
0 .2 9 2 0
0 .0 6 8
26
1 1 .8 0
3 .9 1 0
0 .4 0 1 0
0 .0 9 5
28
1 2 .7 1
5 .2 1 0
0 .5 3 4 0
0 .1 2 8
30
1 3 .6 2
6 .8 0 0
0 .6 9 5 0
0 .1 7 0
32
1 4 .5 3
8 .8 0 0
0 .8 8 7 0
0 .2 2 0
34
1 5 .4 4
1 1 .3 0 0
1 .1 1 0 0
0 .2 8 1
36
1 6 .3 4
1 4 .4 0 0
1 .3 8 0 0
0 .3 5 2
38
1 7 .2 5
1 8 .1 0 0
1 .6 8 0 0
0 .4 3 6
40
1 8 .1 6
2 2 .5 0 0
2 .0 3 0 0
0 .5 3 3
42
1 9 .0 7
2 7 .8 0 0
2 .4 3 0 0
0 .6 4 4
44
1 9 .9 8
3 4 .0 0 0
2 .8 8 0 0
0 .7 6 9
46
2 0 .8 8
4 1 .4 0 0
3 .4 0 0 0
0 .9 1 1
48
2 1 .7 9
5 0 .1 0 0
3 .9 8 0 0
1 .1 0 7
50
2 2 .7 0
6 0 .0 0 0
4 .6 4 0 0
1 .2 5 0
Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5
3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes simples)
Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5
3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes dobles)
Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5
3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes triples)
Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5
3.3 Factores camión por tipo de vehículo, para la
combinación de cargas sobre la vía
(Fuente: Estudio de Tráfico, Aparte IV.4.1 y Guía AASHTO-93)
condición de carga
Tipo de
vehiculo
Ejes equivalentes por camión
Total
Mbuses
Buses
C2pesado
C2 Liviano
C3
OTROS
1
17
62
11
82
1
Veh. Livianos
Total
pesados
23
174
%
0.57%
9.77%
35.63%
6.32%
47.13%
0.57%
100%
cargados
0.700
1.674
1.674
0.169
1.469
2.780
50%
cargados
0.178
0.426
0.426
0.038
0.652
0.731
vacios
0.050
0.050
0.050
0.004
0.228
0.104
% 100%
% 50%
% vacios
cargados cargados
61.00%
36.00%
21.00%
21.00%
80.00%
67.00%
27.00%
43.00%
55.00%
55.00%
10.00%
33.00%
12.00%
21.00%
24.00%
24.00%
10.00%
0.00%
Total
100.00%
100.00%
100.00%
100.00%
100.00%
100.00%
Factor
Camión
Ponderado
0.4811
0.7963
0.5975
0.0572
1.2633
2.1035
0.0003
100.00%
3.4 Cargas equivalentes acumuladas en el periodo de
diseño (Wt18)
Veh.
Liv.
Pesados de
Pasajeros
MBus
Totales
FE
fds
DIAS
fuc
A
773
0.0003
Bus
32 568
0.4811 0.7963
1.0
REE
REEtotal
44
2,922 85,848
Pesados de Carga
C2 Liv.
C2
Otros
372
3,617 3,161
32
0.0572
0.5975
1.2633 2.1035
0.52
365.00
1.0
1.0
4,036
410,183
1273,748
•RESUMEN:
VIDA UTIL (años)
20
15
10
C3
Cargas de diseño
CONSIDERACIONES:
•fds = 0.52 (Fuente: Estudio de Tránsito)
• fuc = 1.0 (Fuente: Guía AASHTO-93)
• A = 1.0 (Fuente: Guía AASHTO-93)
1,273,748
779662
415113
757,939
12,776
4 . Confiabilidad en el diseño (R)
• La Confiabilidad y el
Factor de Seguridad
Valor de la
Confiabilidad
50
60
70
75
85
95
Zr
0.000
- 0.253
- 0.524
- 0.674
- 1.037
- 1.645
So
0.45
Factor de
seguridad
1.00
1.30
1.72
2.01
2.93
5.50
5. Variación permisible en la Servicapacidad
(Dpsi)
• Servicapacidad inicial (po) = 4.2
– Condición de servicio de un pavimento al concluir
su construcción
• Servicapacidad final (pt) = 2.00
– Condición de servicio de un pavimento en una vía
rural principal al final de su vida de servicio
Ambos valores son recomendados por el Manual SIECA y la Guía AASHTO-93
Dpsi = 4.2 – 2.0 = 2.2
6. Caracterización del material de sub-rasante
• Fueron ensayadas 21 muestras del material de
fundación sobre la línea.
(Estudio de suelos para revisión de estructura de pavimentos, ASOCIO, enero 2009)
• Estos resultados fueron analizados bajo el
procedimiento del Instituto del Asfalto, para
determinar el CBR de Diseño”.
6. Caracterización del material de sub-rasante
RESULTADO DE ENSAYOS
N°
ANALISIS
CBR menor a
mayor
CBR
FRECUENCIA
NUMERO DE
ENSAYOS,
IGUALES O
MAYORES
PERCENTIL
3.00
21.00
100.00
1
3.18
2
3.73
2.69
2.69
3
3.18
2.69
4
3.18
2.9
1.00
18.00
85.71
5
3.18
3.08
10.00
17.00
80.95
6
3.08
3.08
3.08
3.08
3.08
3.08
13.85
3.08
4.8
2.69
2.69
2.69
3.08
3.08
2.9
3.08
3.08
3.08
3.08
3.08
3.08
3.08
3.08
3.08
3.08
4.00
7.00
33.33
1.00
1.00
1.00
21.00
3.00
2.00
1.00
14.29
9.52
4.76
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Nt
PERCENTIL
10^8
95
90
85
75
10^7
10^6
10^5
3.18
3.18
3.18
3.18
3.73
4.8
13.85
CBR DE
DISEÑO
OBSERVACIONES
3.05%
COMO LOS EJES EQUIVALENTES SON 1,273,748 ESTA
ENTRE 10^6 Y 10^7, EL PERCENTIL DE DISEÑO ES EL
85% y POR LO TANTO EL CBR DE DISEÑO ES 3.05%.
NOTAS:
Nt es cargas equivalentes totales o ejes equivalentes (EE)
6. Caracterización del material de sub-rasante
6. Unidades de diseño en función de los CBR
• Correlación entre valores de CBR y Módulo Resiliente
(MR)*
* Ecuación de correlación integrada dentro del Programa Winpas de la APCA
Valores requeridos de Número Estructural (SN) sobre la sub-rasante
7. Número Estructural (SN/sr)* sobre la SR
VIDA UTIL (años)
20
15
10
Cargas de diseño
1,273,748
779662
415113
MR sub-rasante psi
4,211.7
SN/sub-rasante
3.82
3.56
3.24
* Solución de la Ecuación AASHTO-93 para las diferentes variables independientes
8. Calidad de materiales para capas del
pavimentos
• Material para sub-base
– Los resultados de los ensayos ejecutados sobre los materiales
encontrados en los bancos a lo largo del trazado, permiten concluir que
no se encontrarán materiales aptos para ser empleados como “subbase granular”, ya que, en los bancos analizados se han obtenido
valores de CBR muy bajos.
– Con base en lo anterior se recomienda que el actual rodamiento se
estabilice en 20 centímetros con cemento y sea considerada la
subbase, en función de ello se estima un coeficiente estructural (a3) de
0.10 y un “coeficiente de drenaje (cm3)” de 1.0
asub-base = 0.10 y coeficiente de drenaje = 1.0
8. Calidad de materiales para capas del
pavimentos
• Material para base granular
•
Como material de base granular se recomienda una mezcla de materiales
granulares, debidamente triturados y gradados, que resulten con un CBR mínimo de
80%. La correlación PAS para este tipo de material arroja un MR de 38,971 psi. La
Guía de Diseño AASHTO-93 asigna a estas mezclas un coeficiente estructural (a2)
de 0.14 y un coeficiente de drenaje (cm2) de 1.00
.
aBase = 0.14 y coeficiente de drenaje = 1.00
* Según Ecuación de correlación del ACPA
8. Calidad de materiales para capas del
pavimentos
Mezclas asfálticas para pavimento
•
Para la capa asfáltica debe emplearse mezcla de concreto asfáltico densamente
gradadas, mezcladas en planta en caliente, de las características que se indican en
la Tabla 11, determinadas de acuerdo al Ensayo Marshall (AASHTO T-245)
TABLA 11
Requisitos de calidad de las mezclas asfálticas
Capa
Rodamiento
Granulometría Tipo
Estabilidad
(lbs)
Flujo
(0.01
pulg)
Vacíos
totales
(%)
VAM
(%)
Vacíos
llenados
(VFA), (%)
TNM 12
> 1.800
8 – 14
3–5
> 13
65 - 75
arodamiento = 0.43 y coeficiente de drenaje = 1.0
9. Determinación de los espesores de capas
SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado
(Ecuación 5)
ESCENARIO 1: vida útil de 20 años
ALTERNATIVA
MEZCLA
ASFALTICA
EN
CALIENTE (MAC)
DOBLE
TRATAMIENTO
SUPERFICIAL
ASFALTICO (DTS)
ADOQUIN
Espesor
capa de
rodamiento
(cm)
10.0
Espesor capa
de base
granular (cm)
25.0
Espesor capa de
sub-base
estabilizada con
cemento (cm)
20.0
0.00
50.0
35.0
10
(MAS 5
CMS DE
ARENA)
25.0
20.0
9. Determinación de los espesores de capas
SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado
(Ecuación 5)
ESCENARIO 2: vida útil de 15 años
ALTERNATIVA
Espesor capa de
rodamiento (cm)
Espesor capa de
sub-base
estabilizada con
cemento (cm)
8.5
Espesor
capa de
base
granular
(cm)
25.0
MEZCLA
ASFALTICA
EN
CALIENTE (MAC)
DOBLE
TRATAMIENTO
SUPERFICIAL
ASFALTICO (DTS)
ADOQUIN
0.00
44.0
35.0
10
(MAS 5 CMS DE
ARENA)
19.0
20.0
20.0
9. Determinación de los espesores de capas
SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado
(Ecuación 5)
ESCENARIO 3: vida útil de 10 años
ALTERNATIVA
MEZCLA
ASFALTICA
EN
CALIENTE (MAC)
DOBLE
TRATAMIENTO
SUPERFICIAL
ASFALTICO (DTS)
ADOQUIN
Espesor
capa de
rodamiento
(cm)
6.5
Espesor capa
de base
granular (cm)
25.0
Espesor capa de
sub-base
estabilizada con
cemento (cm)
20.0
0.00
38.0
35.0
10
(MAS 5
CMS DE
ARENA)
15.0
17.5
Espesores de pavimento. Alternativa de concreto.
9. Determinación de los espesores de capas
ESCENARIO 4: Espesores de pavimento Alternativa de concreto.
VIDA UTIL (años)
20
15
10
Espesores de diseño (cm)
Losa de concreto
Base
Sub-base
estabilizada estabilizad
con cemento
a con
cemento
15.00
15
20
14.00
15
20
12.00
15
20
12. Alternativa recomendada
• El análisis de la información anterior, en cuanto a
espesores y tipos de materiales, conjuntamente con los
precios unitarios estimados para cada tipo de material,
permitirá la selección de la alternativa más conveniente
para el tramo
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ejemplo diseño pavimentos