Anexo B - Metodología para el diseño de de pavimentos

Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
ANEXO B
EJEMPLOS ILUSTRATIVOS DE DISEÑO DE PAVIMENTO
EN VIAS DE BAJO VOLUMEN
Se presentan a continuación dos ejemplos para ilustrar el procedimiento de diseño
desarrollado para vías de bajo volumen, o sea aquellas en las que se esperen
menos de 2 millones de Ejes Equivalentes (EE) en el periodo de diseño. El
primero para una vía extraurbana y el segundo para una vía urbana.
Caso 1: Vía extraurbana
Variables de diseño consideradas:
Suelo de subrasante:
Se supone un suelo tipo A-7-6 con CBR saturado 3.2 %, lo que clasifica la
subrasante como Pobre.
Zona climática o condiciones de saturación:
Se considera que la subrasante estaría sometida a niveles de saturación durante 6
meses al año, zona semi-húmeda.
Tráfico:
El nivel de tráfico será determinado mas adelante, con la finalidad de ilustrar mejor
uno de los posibles procedimientos de obtener la información.
Materiales de construcción disponibles:
Con la finalidad de presentar distintas alternativas e ilustrar la versatilidad del
procedimiento se consideran los siguientes materiales:
Material
Concreto Asfáltico
Arena asfalto en caliente
Piedra integral (CBR: 55%)
Grava (CBR: 34%)
Coeficiente
Estructural (ai)
0.40
0.28
0.12
0.10
Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
Análisis de Tráfico:
Los resultados de un conteo manual clasificado, realizado durante 8 hrs (8 am a 4
pm) en un sentido, por 3 días (jueves, viernes y sábado) arrojaron los siguientes
resultados:
Conteo manual de tráfico.
Duración: 8 am a 4pm.
Día
Factor: 0.504
Total
Vehículos
Vehículos
2RD
2RD Bus
en 8 hr
Liviano
pesados %
2RD
Pesado
O3E
Jueves
286
3.1
6.1
18.3
3.2
Viernes
319
5.6
9.3
17.0
1.6
Sábado
270
3.6
4.0
7.0
0.6
Promedio
3 días
292
4.1%
6.5%
14.1%
1.8%
De esta información se deduce:
PDT ~ 292 / 0.504 = 579 vph
% camiones ~ 26.5 %
El procedimiento para la determinación del FC se detalla en la siguiente Tabla.
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Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
Estimación de Factor Camión
Tipo de
vehículo
% Vehi
FCi
(% Vehi x FCi)
/ 100
2RD Bus
16
0.483
0.077
2RD Liviano
24
0.029
0.007
2RD Pesado
53
2.596
1.376
O3E
7
3.841
0.269
Factor
Camión (FC)
1.729
Factor Camión: 1.729 EE/cam
El siguiente paso es la determinación del número de EE esperados en el periodo
de diseño:
Número de EE en el año inicial, EEo:
EEo ~ 579 x 26.5/100 x 1.729 x 360 = 95.504 EE
De esta forma, el número estimado de EE (REE) en el período de diseño de 10
años, para una tasa de crecimiento de 4 % es:
REE = 95.504 x 12.01 ~ 1.147.000 EE
Lo que clasifica el tráfico de la vía como: MEDIO
Finalmente, se decide emplear un factor de confiabilidad de 60 %.
Con esta información, mediante el empleo de la Tabla 8, se determina el Número
Estructural (Total) requerido sobre la subrasante, el cual esta en el rango:
SN = 2.95 a 3.18
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Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
NOTA: Acá el proyectista debe seleccionar un SN dentro de este rango, para ello
compara las variables de diseño con las establecidas en el procedimiento. Por
ejemplo: CBR 3.2 vs 3.0; REE 1.151.800 vs 400.000-1.400.000, y el uso de un
Factor de Confiabilidad de 60 %, que incorpora un pequeño factor de seguridad en
el diseño. Estas consideraciones inducen a emplear un valor bajo dentro del
rango indicado.
De esta forma seleccionamos un SN = 3.00 para la estructura del pavimento.
Determinación de Espesores de capas:
Con la finalidad de ilustrar la flexibilidad del procedimiento se presentan 4
alternativas empleando los materiales que se consideran para la construcción del
pavimento, estos son:
Material
Coeficiente
Estructural (ai)
Concreto Asfáltico (CA)
0.40
Arena asfalto en caliente (AAC)
0.28
Piedra integral (CBR: 55%) (PI)
0.12
Grava (CBR: 34%) (GR)
0.10
ALTERNATIVA A:
Considera el uso de Concreto Asfáltico (CA) y Piedra integral (PI) como capa
base:
El espesor mínimo de CA, seleccionado, de la Tabla 10 es de 12.5 cm.
El espesor de la capa 2, de base se determina mediante la ecuación:
e2 = 2.5 ((SNT – 0.16 x eCAmin) / a2)
Donde:
e2 = espesor requerido de base granular (cm)
SNT = Número Estructural Total
eCAmin = espesor mínimo seleccionado de CA, Tabla 10 (cm).
a2 = coeficiente estructural del material granular, Tabla 6.
Con el siguiente resultado:
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Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
e2 = 2.5 ((3.00 -0.16 x 12.5) / 0.12 = 20.8 cm de PI
ALTERNATIVA B:
Considera el uso de Concreto Asfáltico (CA) y la Grava (GR) como capa base:
El espesor mínimo de CA, es de 13.5 cm.
El espesor de la capa 2, empleando el mismo procedimiento de la alternativa
anterior es:
e2 = 2.5 ((3.00 -0.16 x 13.5) / 0.10 = 21 cm de GR
ALTERNATIVA C:
Considera el uso de Arena Asfalto en Caliente (AAC) como capa asfáltica inferior y
4 cm de Concreto Asfáltico (CA) como capa de rodamiento, además de la Grava
(GR) como capa base granular:
En este caso el espesor de GR se mantiene en 21 cm. Para reemplazar parte del
espesor de CA por la AAC se emplea la siguiente ecuación:
ema = (eminCA – eCA ) x (0.40/ ama)
Donde:
ema = espesor requerido de la mezcla seleccionada para sustituir CA (cm)
eminCA = espesor mínimo de CA según tabla 10 en cm.
eCA = espesor de CA a emplear en cm.
Así el espesor de AAC es:
ema = (13.5 – 4.0 ) x
(0.40/ 0.28) = 13.6 cm (con rodamiento de 4 cm de CA)
ALTERNATIVA D:
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Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
Considera el uso de Arena Asfalto en Caliente (AAC) como capa asfáltica en toda
la estructura, además de la Grava (GR) como capa base granular:
En este caso el espesor de CA es 0. Empleando la misma ecuación obtenemos el
espesor requerido si sólo se usa AAC.
eAAC = (13.5 – 0.0) x
(0.40/ 0.28) = 19.3 cm de AAC
La siguiente figura muestra las soluciones prácticas de las distintas alternativas
consideradas.
Alternativa
A
B
C
D
CA
4
CA
12.5
PI
20
CA
13.5
AAC
19
AAC
13.5
GR
20
GR
20
GR
20
Subrasante CBR 3.2 %
CA: Concreto Asfáltico AAC: Arena Asfalto Caliente
Espesores en cm
PI: Piedra Integral
Soluciones prácticas: Casos ilustrativos.
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G: Grava
Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
Caso 2: Vía urbana
Variables de diseño consideradas:
En este caso se considera una avenida en la que se espera un importante
volumen de tráfico. Sin embargo debe considerarse que las vías urbanas tienen,
por lo general, reducido porcentaje de vehículos de carga.
Suelo de subrasante:
Se supone un suelo tipo A-7-6 con CBR saturado 2.6 %, lo que clasifica la
subrasante como Muy Pobre.
Zona climática o condiciones de saturación:
Se considera que la subrasante estaría sometida a niveles de saturación durante 4
meses al año, zona semi-seca.
Materiales de construcción disponibles:
Se consideran los siguientes materiales:
Material
Coeficiente
Estructural (ai)
0.40
0.12
0.08
Concreto Asfáltico
Piedra integral (CBR: 62%)
Grava (CBR: 28%)
Tráfico:
El nivel de tráfico se determina en base al siguiente análisis.
Análisis de Tráfico:
Los resultados de un conteo manual clasificado, arrojaron los siguientes
resultados:
PDT = 5.350 vph por sentido
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Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
El procedimiento para esta determinación del FC se detalla en la siguiente Tabla.
Estimación de Factor Camión
Tipo de
vehículo
Automóviles
FCi
% Vehi
(% Vehi x FCi)
/ 100
92.4
Autobuses
2.6
34%
0.483
0.164
2RD Liviano
3.8
50%
0.029
0.015
2RD pesado
1.2
16%
2.596
0.415
Factor
Camión (FC)
0.594
Determinación del número de EE esperados en el periodo de diseño:
Número de EE en el año inicial, EEo:
EEo ~ 5.350 x 7.6/100 x 0.594 x 360 = 86.950 EE
Se considera un periodo de diseño de 12 años, y una tasa de crecimiento de 4 %,
a lo que corresponde un factor de crecimiento, Fcr = 16.87
De esta forma, el número estimado de EE (REE) en el período de diseño es:
REE = 86.950 x 16.87 ~ 1.466.800 EE
Lo que clasifica el tráfico de la vía como: ALTO
Finalmente, se decide emplear un factor de confiabilidad de 70 %.
Con esta información, mediante el empleo de la Tabla 9, se determina el Número
Estructural (Total) requerido sobre la subrasante, el cual esta en el rango:
SN = 3.63 a 3.73
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Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
En este caso se selecciona un SN = 3.63 para la estructura del pavimento.
Determinación de Espesores de capas:
Se presentan 3 alternativas empleando los materiales que se consideran para la
construcción del pavimento, estos son:
Material
Coeficiente
Estructural (ai)
Concreto Asfáltico (CA)
0.40
Piedra integral (CBR: 62%) (PI)
0.12
Grava (CBR: 28%) (GR)
0.08
ALTERNATIVA 1:
Considera el uso de Concreto Asfáltico (CA) y Piedra integral (PI) como capa
base:
En este caso el espesor mínimo de CA, seleccionado, es de 12.0 cm (Tabla 10).
El espesor de la capa 2, de base se determina mediante la ecuación:
e2 = 2.5 ((SNT – 0.16 x eCAmin) / a2)
Donde:
e2 = espesor requerido de base granular (cm)
SNT = Número Estructural Total
eCAmin = espesor mínimo seleccionado de CA, Tabla 10 (cm).
a2 = coeficiente estructural del material granular, Tabla 6.
Con el siguiente resultado:
e2 = 2.5 ((3.63 -0.16 x 12.0) / 0.12 = 35.6 cm de PI
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Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
ALTERNATIVA 2:
Considera el uso de Concreto Asfáltico (CA) y la Grava (GR) como capa base:
El espesor mínimo de CA, es de 14.0 cm.
El espesor de la capa 2, empleando el mismo procedimiento de la alternativa
anterior es:
e2 = 2.5 ((3.63 -0.16 x 14.0) / 0.08 = 41.7 cm de GR
ALTERNATIVA 3:
En este caso se ilustra una alternativa en la se incrementa el espesor de CA, por
encima del mínimo indicado, y la consecuente reducción de la capa base granular.
Se decide modificar la alternativa 1, llevando el espesor de CA a 15 cm, por lo que
el espesor de Base granular puede calcularse empleando este nuevo espesor, en
la ecuación usada para determinar el espesor e2:
e2 = 2.5 ((SNT – 0.16 x eCAmin) / a2)
Sólo que el espesor eCAmin es reemplazado por espesor realmente usado.
Así, si se decide emplear 15 cm de CA, en lugar de los 12 cm antes considerados,
el espesor de base de PI se reduce a:
e2 = 2.5 ((3.63 -0.16 x 15) / 0.12 = 25.6 cm de PI
Las soluciones prácticas de las distintas alternativas analizadas se ilustran en la
siguiente figura.
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Diseño de Pavimentos en Vías de Bajo Volumen
Anexo B
Alternativa
1
2
3
CA
14
CA
15
CA
12
GR
40
PI
35
Subrasante CBR 2.6 %
CA: Concreto Asfáltico
Espesores en cm
PI: Piedra Integral
GR: Grava
Soluciones prácticas: Casos ilustrativos.
11
PI
25