PROYECTO DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE EN LA VÍA LOJA-MALACATOS PDF

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PROYECTO DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE EN LA VÍA LOJAMALACATOS Cuaspud Ramírez Andrea Alejandra 1 Universidad Técnica Particular de Loja, Escuela de Ingeniería Civil, Loja, Ecuador Resumen: En el presente trabajo se muestra el diseño de Pavimento flexible para la Vía Loja-Malacatos. Como es de con...

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PROYECTO DE DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE EN LA VÍA LOJAMALACATOS Cuaspud Ramírez Andrea Alejandra 1

Universidad Técnica Particular de Loja, Escuela de Ingeniería Civil, Loja, Ecuador

Resumen: En el presente trabajo se muestra el diseño de Pavimento flexible para la Vía Loja-Malacatos. Como es de conocimiento público, esta vía principal que une a la ciudad de Loja con la parroquia Malacatos es de gran importancia debido a la gran demanda de usuarios que transitan por la misma, demanda que genera una mejora en la economía y turismo del sector sur del país. Se desea mejorar el nivel de servicio y seguridad, y de ésta manera ofrecer una vía en óptimas condiciones que satisfaga las necesidades de los usuarios; por este motivo, en el presente informe consta el diseño del pavimento flexible calculado por los tres métodos estudiados: Método del Instituto del Asfalto, Método de la AASHTO y el Método de SHELL, teniendo en cuenta un período de diseño de 20 años y tomando los datos de estudios de suelos realizados por el Municipio de Loja. Es importante recalcar que el diseñador podrá optar por la ejecución de cualquiera de estos métodos según su criterio profesional. Palabras clave: pavimento flexible, ejes equivalentes, tránsito

PROJECT OF FLEXIBLE PAVEMENT DESIGN IN THE LOJA-MALACATOS ROUTE Abstract: In the present work the flexible pavement design for Vía Loja-Malacatos is shown. As is public knowledge, this main

road that connects the city of Loja with the Malacatos parish is of great importance due to the high demand of users who travel through it, demand that generates an improvement in the economy and tourism of the southern sector from the country. It is desired to improve the level of service and security, and in this way offer a path in optimal conditions that meets the needs of users; For this reason, the present report includes the flexible pavement design calculated by the three methods studied: Method of the Asphalt Institute, AASHTO Method and the SHELL Method, taking into account a design period of 20 years and taking the data from soil studies conducted by the Municipality of Loja. It is important to emphasize that the designer may choose to execute any of these methods according to his professional criteria. Keywords: Flexible pavement, equivalent axes, transit

SECCIÓN I En este documento se detallan los tres métodos utilizados para el diseño de pavimento flexible en la vía LojaMalacatos, estos métodos son: Método del Instituto del Asfalto, que emplea emulsiones asfálticas y ciertas combinaciones de capa de rodadura con bases de concreto asfáltico, bases o subbases granulares; Método AASHTO que nos ayuda a determinar el espesor total de nuestro pavimento flexible; y el Método de SHELL que nos muestra la mejor combinación de espesores y características de cada una de las capas del pavimento a diseñar.

social de una civilización, el pavimento utilizado en las diferentes vías está formado por un conjunto de capas casi totalmente horizontales que se apoyan sobre una capa llamada subrasante, dichas capas están constituidas por materiales que cuentan con las características técnicas establecidas. En el presente diseño, el pavimento al ser flexible es formado por una carpeta asfáltica que se apoyan en dos capas: base y subbase; estas estructuras de pavimento flexible tienen el objetivo de absorber y también de disipar las diferentes cargas vehiculares. b) Métodos Estudio de tránsito

SECCIÓN II a)

Introducción

Las vías o carreteras, desde tiempos inmemorables, han sido fundamentales para el desarrollo tanto económico como

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En general, los pavimentos se diseñan para que resistan los efectos de cualquier daño que pueda ocasionar el un eje con cierta carga, al haber un tránsito mixto cuyas pesos y número de ejes varian, se debe transformar a un llamado número de

Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre

ejes equivalentes o ESAL cuyas siglas en inglés es Equivalent simple axial load. Suputación de transito durante el periodo de diseño. El diseño de nuestro pavimento está proyectado para 2 carriles, según la tabla 1 del libro guía Ingeniería de Pavimentos de Alfonso Montejo, el porcentaje de vehículos pesados en nuestro carril de diseño será del 50%. Periodo de Diseño. El período de diseño es un período de cómputo de los costos reales en las carreteras, para determinar nuestro período de diseño se utilizará la tabla 2, de la cual podemos obtener la categoría I; seguidamente con la ayuda de la tabla 3, podemos determinar que el período de diseño recomendado y con el cual vamos a trabajar es de 20 años. Transito Promedio Diario Semanal (TPDS). Se lo ha determinado efectuando un conteo durante 2 días en la zona de estudio, se efectuó el conteo de los vehículos que transitaban categorizándolos en: livianos, buses y camiones siguiente la normativa ecuatoriana, una vez obtenido el conteo total de los vehículos, se procedió a dividirlo para los 2 días.

TPD=

6192 (1) 2

TPD =3096 vehiculos Factor Camión. Este factor es un número de aplicaciones de ejes sencillos cuya carga equivalente es de 8.2 toneladas, esta carga corresponde a un vehículo que se encuentra en la categoría de pesados. Por el método de Mopt-Ingeroute:

Método del Instituto de asfalto. Este método nos permite emplear en nuestro pavimento un asfalto sólido o emulsiones asfálticas además, podemos hacer una combinación de capa de rodadura que puede combinarse con bases de concreto, con algún tipo de emulsión asfáltica o con alguna subbase granular. Este método, además, nos permite calcular los espesores y las características del material de las diferentes capas; tal que las deformaciones por tracción y las deformaciones verticales no sobrepasen los valores estipulados admisibles. Diseño Número de ejes equivalentes. 7

N=3.75 ×10 ejes equivalentes Módulo de resilencia del suelo de subrasante a partir del CBR. Primeramente, se debe determinar el CBR de diseño de la subrasante, para ellos hemos tomado valores de CBR obtenidos por el Municipio de Loja, los datos son: 1, 1, 2, 2, 24, 33, 37. El cálculo de porcentajes de valores iguales se grafica conjuntamente con los CBR, se obtiene una ecuación y se determina el CBR en el porcentaje del 75%. Se obtiene:

CBR=7.25 Con el CBR obtenido se procede a calcular el Módulo de resiliencia del suelo subrasante mediante la fórmula que nos dé un valor en unidades de kg/cm2:

Mr=725.39

Kg cm2

Con estos datos, podemos calcular los espesores de las distintas capas para las distintas alternativas. El concreto asfáltico tendrá un mínimo de espesor de 12.5cm

FC=1.01 Por el método de la Universidad del Cauca:

FC=2.4

Alternativa 1: Única capa de concreto asfáltico

Espesor=27.5 cm

De éstos dos valores se debe considerar el valor más crítico, en este caso se tomará como FC a 2.4.

Alternativas 2:

Determinamos el número de ejes equivalentes (N).

Con una emulsión asfáltica tipo I

Es necesario realizar una conversión de la cantidad de vehículos ya determinado a un número de ejes equivalentes cuya carga es de 8.2 toneladas mediante el factor camión ya calculado.

N=3.74 × 106 ejes equivalentes Cálculo mediante hoja de cálculo: 7

N=3.75 ×10 ejes equivalentes

Emulsión Asfáltica Tipo I =16.5 cm

Concreto Asfáltico=12.5 cm Alternativas 3: Con una emulsión asfáltica tipo II

Emulsión Asfáltica Tipo II =20.5 cm

Concreto Asfáltico=12.5 cm

Tasa de crecimiento.

Alternativa 4:

Según el Ministerio de Transporte y Obras Públicas, la tasa de crecimiento vehicular anual es del 3%.

Con una emulsión asfáltica tipo III

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Emulsión Asfáltica Tipo III =29.5 cm

Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre

Concreto Asfáltico=12.5 cm

N=3.75 ×10 7 ejes equivalentes

Alternativa 5: Con una sola capa de base granular de 10cm

Base granular =10 cm

Concreto Asfáltico=14 cm Alternativa 6: Con base granular de 15cm

Base granular =15 cm

Concreto Asfáltico=12.5 cm Alternativa 7: Con base granular de 20cm

Base granular =20 cm

Concreto Asfáltico=11 cm Alternativa 8: Con base granular de 25cm

Base granular =25 cm

Concreto Asfáltico=10.5 cm Alternativa 9: Con base granular de 30cm

Base granular =12.5 cm

Concreto Asfáltico=10 cm Método AASHTO Nos permite determinar el espesor total del pavimento flexible tomando en cuenta diferentes factores, tales como: módulos de elasticidad de las distintas capas, confiabilidad, temperatura ambiente, humedad del ambiente, drenaje, estc. Diseño estructural Antes de empezar el desarrollo del método AASHTO, es necesario tener en consideración algunas variables que intervienen en el diseño. Restricciones de tiempo En esta variable está incluida la escogencia de datos con los que se va a entrar para el período de análisis, es necesario recalcar que este período interviene directamente en el diseño del pavimento flexible ya que tiene que se relaciona con el tiempo. El Transito.

Confiabilidad. En el método AASHTO se considera a la confiabilidad como la probabilidad de que alguna parte o sección del pavimento diseñado tenga un comportamiento positivo frente a las condiciones que puedan alterar su período de diseño. Existen niveles de confiabilidad recomendados, para vías de mayor flujo se usa un porcentaje de confiabilidad de más del 80% y de para vías de nivel más bajo, se usa un porcentaje de menos del 50%. Para este diseño en específico, se ha utilizado un nivel de confiabilidad de 90% ya que estamos diseñando una arteria principal. Serviciabilidad. Este criterio se lo puede definir como la idoneidad que tiene el pavimento para cumplir con las características para clas cuales fue diseñado. El método de la AASHTO nos recomienda valores de:

Po=4.2 cm

Pf =2.5 cm Este Po se lo utiliza para vías principales (nuestro caso de estudio es una vía principal) y este Pf para cualquier carretera. Por esta razón, se ha tomado los valores recomendado por el método. CBR. El CBR nos permite determinar la resistencia de los diferentes estratos de suelos, hemos tomado los CBR obtenidos por el Municipio de Loja para el diseño de la vía de Integración Barrial, con estos CBR calculamos el CBR de diseño de la subrasante utilizando el percentil de 75% debido a que tenemos un número de ejes equivalentes de más del 106. Módulo resiliente de la subrasante. Este método pide calcular el módulo resiliente o elástico de la subrasante para hacer la caracterización del material, se ha desarrollado correlaciones para determinar este módulo, para el presente cálculo hemos utilizado la siguiente fórmula, y obtenido el siguiente módulo de resiliencia:

Mr=725.39 Con este dato, obtuvimos:

a 1=0.43 Módulo resiliente de las capas de subbase y base granular.

Es importante recordar que el tránsito se compone por vehículos que tienen diversos pesos y por ende diversos números de ejes, por este motivo se lo convierte a un número de ejes equivalentes de 18 kip que equivalen a 80kN.

Para determinar el módulo de resiliencia o elástico de la capa de subbase y de la base granular mediante las figuras 8 y 9 del libro guía.

En este caso, nuestro número de ejes equivalentes es:

Los valores obtenidos son:

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Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre

de la base, además de las características de la mezcla asfáltica. Tabla 1: Valores Obtenidos de la Base

Para iniciar el cálculo se debe establecer el número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas. En nuestro trabajo es:

N=3.75 ×10 7 ejes equivalentes Tabla 2: Valores Obtenidos de la subbase

Determinación del SN o volumen estructural del pavimento. El valor de SN o número estructural es un número abstracto, que permite expresar la resistencia estructural que posee cualquier pavimento flexible. Para el este cálculo hemos considerado oportuno utilizar el programa de la AASHTO 93 y algunos ábacos; el valor obtenido por el programa de la AASHTO es de 4, y el valor obtenido por los ábacos es de 4.2. Para un mejor diseño se ha optado por el valor obtenido del programa: 4. Determinación del espesor necesario del concreto asfaltico a partir del módulo resiliente de la base, de la base granular y de la sub-base granular. Primeramente, debemos tener en consideración el módulo de resiliencia de la base y con este valor, obtener el SN, de igual manera, se determina los espesores de las distintas capas mediante el SN o número estructural y la lectura en los distintos ábacos, los resultados obtenidos son:

Tabla 3: Números estructurales

Determinación del índice de penetración y la temperatura T800 del asfalto. Primeramente, se debe estimar la temperatura media anual ponderada del aire, se ha tomado las temperaturas medias presentadas en la cuenca Malacatos. Con las cuales se obtiene:

w−MMAT =25 ° Y los valores de penetración serán de 30 y 70 con una temperatura correspondiente a 20 y 30; para los porcentajes de la mezcla será: 72% de agregados, 17% de asfalto y 11% de aire. Con todos estos valores obtenidos, y con ayuda de la figura 11 del libro guía; obtenemos:

T 800=58 ° IP=0.7

∆ T =34.8 Determinación del Stiffness del asfalto a la temperatura de trabajo en obra. Con la ayuda de la figura 11 del texto guía, determinamos el Stiffnes o rigidez del asfalto a la temperatura de trabajo en obra. Con la utilización de 0.02 segundos según lo que recomiendo el método, se obtiene: 6

Stiffnes del asfalto=5 (10 ) N /m 2 Determinación del Stiffness de la mezcla asfáltica. Tabla 4: Espesores de las capas

Método de SHELL para el diseño de espesores de pavimentos flexibles. Es necesario recalcar que éste método lo que hace es considerar a la estructura del pavimento flexible como un sistema multicapa que además es elástico; y caracteriza a sus diferentes materiales tomando en cuenta su módulo de elasticidad o también llamado módulo de Young (E) y Pisson (μ). Además, considera los materiales del pavimento como homogéneos e isotrópicos, es decir, que no pierden sus características mecánicas ni térmicas. Se considera dos fallas que puede ocurrirle al pavimento: deformación horizontal por tracción (Et) y deformación vertical por compresión (Ev).

Para la determinación del Stiffness o rigidez de la mezcla asfáltica se utiliza la gráfica 11 de Heukelom, también toma en cuenta el Stiffness del asfalto y además, la composición volumétrica de la mezcla asfáltica. Se obtiene el siguiente resultado: 8N

Stiffnes de mezcla=3.8 ( 10 ) /m 2 Identificación del código de rigidez de la mezcla. Una vez obtenidos los valores de rigidez de la mezcla asfáltica y de la mezcla, hacemos uso de la figura 15 del libro guía, y cuando el valore se encuentre más cerca a la curva, tomamos el código de dicha curva. Nuestro código es:

S2

Diseño estructural del Pavimento.

Determinación de la deformación máxima admisible especifica de tracción en la fibra interior.

Los parámetros que toma en cuenta el método de SHELL son: el tránsito, la temperatura, las propiedades de la subrasante, las propiedades de la subbase y las propiedades

Para la deformación máxima consideramos el módulo de rigidez o Stiffnes de la mezcla y el número de ejes

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Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre

equivalentes. Con la ayuda de la figura 16 del libro guía encontramos la siguiente deformación:

Et=6(10)−3 Identificación del código de la fatiga. Para determinar el código de fatiga de la mezcla haremos uso de las figuras 17 y 18 para obtener el punto de confluencia entre el Stiffness de la mezcla y la deformación por tracción. Cuando ya se encuentran trazadas las líneas en los ejes, y ahí se puede observar que el punto de convergencia está más cercano al número de ejes equivalentes en la primera gráfica, es decir el resultado da un código de tipo:

F1 Identificación del código total de la mezcla. Cuando se hayan obtenido los códigos de inicio que son: S2F1, podemos observar q está incompleto por lo que hay que adicionarle el tipo de asfalto con base de penetración obtenida. La base de penetración obtenida es de 58, por lo que tomamos el valor de 50 debido a que se acerca mas al 50 y que solo hay 2 valores (50-100). Con este resultado el código queda completo:

S 2−F 1−50 SECCIÓN III Conclusiones En el desarrollo se pudo establecer algunos criterios y resultados que lo vamos a detallar a continuación: El diseño por método del instituto de asfalto nos da un espesor de asfalto igual a 36 cm, también un espesor de material granular igual a 37 cm, no se va a tomar en consideración los valores de los espesores granulares de tipo II que tienen 42,5 cm y III de 52,5 cm, ya que los espesores del asfalto son iguales a 12,5 cm a diferencia del encontrado en la figura 2. La estructura del pavimento quedará conformada de la siguiente manera: 36 cm de asfalto y 37 cm de espesor granular, de los cuales 15 cm vamos a considerar de subbase y 12 cm de base. Para el método de la AASHTO se pudo observar que los espesores de cada una de las estructuras están dentro de los límites que establece dicha norma, además es uno de los métodos más completos, ya que toma en consideración el numero estructural de la vía, la confiabilidad, características de los materiales y módulo de resiliencia que es de gran importancia para determinar las características de los materiales. Los resultados obtenidos en este método se representan a continuación. Estructura del pavimento Concreto Asfáltico 7 pulg Base granular 6 pulg Sub-base granular 6 pulg

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Hay que tener en consideración que el estrato de la sub-base granular era inferior al mínimo, por se adoptó el valor de 6 pulg. Podemos decir también que el método de Shell es muy importante para establecer las características de los materiales, ya que utiliza el módulo de Young y la relación de Poisson: además de que nos permite determinar las posibles fallas que se pueden producir, esto debido a que en la metodología vimos que considera en gran parte el análisis de los elementos en donde va a ir apoyada la carpeta y también del asfalto. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre; Apellido Nombre

Corredor., I. G. (2008). Experimento vial y guías de diseño de la AASHTO. Experimental, Lima. Fonseca, A. M. (2006). Ingeniería de Pavimentos. Bogota: Panamericana Formas e Impresos S.A. MAGAP. (2013). GENERACIÓN DE GEOINFORMACIÓN PARA LA GESTIÓN TERRITORIAL. Investigativo, Loja. MURCIA, A. M. (2013). DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE. Tesis Pregrado, Bogota.

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