PAVIMENTO RÍGIDO

1.
PAVIMENTO RÍGIDO
1.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO
El método de la American Association of State Highway and Transportation
Officials (AASHTO), versión 1993, establece que la estructura de un pavimento
debe satisfacer un determinado Espesor de capa de Concreto de Cemento
Portland, el cual se calcula en función de: a) El tráfico que transcurrirá por la
vía, durante un determinado número de años (período de diseño); b) La
resistencia del suelo que soportará al pavimento, expresado como módulo de
reacción; y c) Los niveles de serviciabilidad deseados para la vía, tanto al inicio
como al final de su vida de servicio.
1.2 PARÁMETROS DE DISEÑO
1.2.1 Cargas de tráfico vehicular
Las cargas de tráfico vehicular impuestas al pavimento, están expresados en
ESALs o Ejes Equivalentes (EE).
Cuadro 1: Numero de repeticiones acumuladas de ejes equivalentes de 8.2 tn, en
el carril de diseño
Tipos de tráfico pesado
expresado en EE
Rangos de tráfico pesado expresado en
EE
Tp5
> 1 000 000 EE ≤ 1 500 000 EE
Tp6
> 1 500 000 EE ≤ 3 000 000 EE
Tp7
> 3 000 000 EE ≤ 5 000 000 EE
Tp8
> 5 000 000 EE ≤ 7 500 000 EE
Tp9
> 7 500 000 EE ≤ 10 000 000 EE
Tp10
> 10 000 000 EE ≤ 12 500 000 EE
Tp11
> 12 500 000 EE ≤ 15 000 000 EE
Tp12
> 15 000 000 EE ≤ 20 000 000 EE
Tp13
> 20 000 000 EE ≤ 25 000 000 EE
Tipos de tráfico pesado
expresado en EE
Rangos de tráfico pesado expresado en
EE
Tp14
> 25 000 000 EE ≤ 30 000 000 EE
Fuente: Manual de carreteras: Sección suelos y pavimentos
1.2.2 Característica de la sub rasante
Las características de la sub rasante sobre las que se asienta el pavimento,
están definidas en seis categorías de sub rasante, en base a su capacidad de
soporte CBR.
Cuadro 2: Categoría de subrasante
Clasificación Cualitativa del Suelo
CBR
S0: Subrasante Inadecuada
<3
S1: Subrasante Insuficiente
3-6
S2: Subrasante Regular
6 – 10
S3: Subrasante Buena
10 - 20
S4: Subrasante Muy Buena
20 - 30
S5: Subrasante Excelente
> 30
Fuente: Manual de carreteras: Sección suelos y pavimentos
1.2.3 Carga por rueda
De las condiciones descritas y considerando un fuerte incremento en el
desarrollo futuro de estas vías por mayor seguridad tendremos que considerar
una superficie de rodadura resistente al tráfico pesado y un pavimento de
acuerdo a la calidad de la Sub Rasante.
Cuadro 3: Resumen ESAL del proyecto
Cuadro 4: Resumen ESAL del proyecto
Del estudio de tráfico el valor de ESAL (W18) = 1.37 E+07
Se usó el mayor valor que presenta el estudio de tráfico
1.3 MÉTODO AASHTO 1993
El método AASHTO 93 estima que para una construcción nueva el pavimento
comienza a dar servicio a un nivel alto. A medida que transcurre el tiempo, y
con él las repeticiones de carga de tránsito, el nivel de servicio baja. El método
impone un nivel de servicio final que se debe mantener al concluir el periodo
de diseño. Mediante un proceso iterativo, se asumen espesores de losa de
concreto hasta que la ecuación AASHTO 1993 llegue al equilibrio. El espesor
de concreto calculado finalmente debe soportar el paso de un número
determinado de cargas sin que se produzca un deterioro del nivel de servicio
inferior al estimado.
log
log(N18)  Z R * S 0  7.35 log (D  1)  0.06 
1
 PPS 
 4.5  1.5 
1.624 * 10
(D  1)
7
8.46


0.75
S' c *C d D
 1.132

 (4.22  0.32p t ) * log

 0.75
18.42
 215.63 * JD

0.25

(E

c /k)







 
Donde:
N18 :
Número Total de Ejes Equivalentes, para el período de diseño
Ec
:
Módulo de elasticidad del concreto
S’c
:
Módulo de rotura del concreto
Cd
:
Coeficiente de drenaje
J
:
Factor de transferencia de carga
Pi
:
Serviciabilidad inicial
Pt
:
Serviciabilidad final
D
:
Espesor requerido según diseño
k
:
Módulo de Reacción de la subrasante
Zr
:
Desviación Estándar Normal
S0
:
Desviación Estándar Total
1.3.1
Serviciabilidad
La serviciabilidad de un pavimento está definida como su habilidad para servir
al tipo de tráfico (automóviles y camiones) que usa la vía. La medida
fundamental de la serviciabilidad, tal como fue establecida en el Experimento
Vial de la AASHTO, es el Índice de Serviciabilidad Presente (PSI- Present
Serviciability Index), que varía entre 0 (camino intransitable) a 5 (camino
perfecto).
El Índice de serviciabilidad Inicial (p0) es función del diseño de pavimentos y
del grado de calidad durante la construcción, para el presente proyecto
adoptaremos el valor de p0= 4.5.
El Índice de serviciabilidad Final (pt), es el valor más bajo que puede ser
tolerado por los usuarios de la vía antes de que sea necesario el tomar acciones
de rehabilitación, reconstrucción o repavimentación, y generalmente varía con
la importancia o clasificación funcional de la vía cuyo pavimento se diseña, de
acuerdo a los términos de referencia del estudio, la serviciabilidad final debe
ser pt= 3.0.
Por lo tanto, los valores de serviciabilidad empleados para el diseño de
pavimento rígido se resumen en la siguiente tabla:
Cuadro 5: Índice de serviciabilidad inicial
Fuente: Manual de carreteras: Sección suelos y pavimentos
1.3.2
Confiabilidad “R”
La confiabilidad es un parámetro relacionado con el grado de incertidumbre, la
variación en las predicciones del tráfico, la respuesta del pavimento y la
importancia de la vía; los valores fluctúan entre 50% para vías locales a 99.9%
en vías nacionales, tal como se aprecia en la siguiente tabla:
Cuadro 6: Valores recomendados del nivel de confiabilidad
Fuente: Manual de carreteras: Sección suelos y pavimentos
1.4 CALIDAD DE LOS MATERIALES A EMPLEARSE
Para el diseño del pavimento se consideró el uso de los siguientes materiales:
1.4.1
Módulo de Rotura (S’c)
La resistencia a la compresión (f’c) de la losa de concreto es 350 kg/cm2, valor
utilizado para el cálculo del módulo de rotura y elasticidad del concreto.
S 'c  8  10 f c' ( psi )
El módulo de rotura a flexión a los 28 días expresada en Kg/cm2 tiene el valor
de 50; expresada en psi le corresponde el valor de 706.
1.4.2
Módulo de Elasticidad (Ec)
E c  57,000 fc' ( psi )
Ec = 4’021,631.8 psi (350 kg/cm2)
Donde:
E c = Módulo de elasticidad del concreto
f’ c = Resistencia a la compresión en psi (4,978)
El módulo de rotura promedio a los 28 días se obtiene con la siguiente relación:
𝑆𝑐′ = 10√f′c (𝑝𝑠𝑖)
S’ c = 706 psi (350 kg/cm2)
1.5 CONSIDERACIONES DE DRENAJE
El drenaje está considerado dentro del diseño como un factor que afecta
directamente el coeficiente de capa y se estima en función del porcentaje de
tiempo que la estructura está próximo a la saturación y de acuerdo a la calidad
del drenaje.
La saturación de la estructura está en función de las características
granulométricas de los componentes del pavimento y de la porosidad, así como
del caudal de agua que pueda ingresar por precipitaciones fluviales, capilaridad
o nivel freático.
Las siguientes tablas resumen el criterio aplicado para calificar la calidad del
drenaje:
Cuadro 7: Coeficiente de calidad de drenaje
CALIDAD DEL
TIEMPO QUE DEMORA
DRENAJE
EN DRENAR EL 50%
Excelente
2 horas
Bueno
1 día
Regular
1 semana
Malo
1 mes
Muy malo
No drena
Fuente: Manual de carreteras: Sección suelos y pavimentos
Cuadro 8: Valores de coeficiente de drenaje (mi) para pavimentos rígidos
PORCENTAJE DE TIEMPO QUE LA ESTRUCTURA DE
PAVIMENTO ESTÁ EXPUESTA A NIVELES DE HUMEDAD
CERCANOS A LA SATURACIÓN
<1%
1-5%
5-25%
>25%
Excelente
1.25-1.20
1.20-1.15
1.15-1.10
1.1
Bueno
1.20-1.15
1.15-1.10
1.10-1.00
1.0
Regular
1.15-1.10
1.10-1.00
1.00-0.90
0.9
Malo
1.10-1.00
1.00-0.90
0.90-0.80
0.8
Muy malo
1.00-0.90
0.90-0.80
0.80-0.70
0.7
Fuente: Manual de carreteras: Sección suelos y pavimentos
CALIDAD
DEL
DRENAJE
Para las condiciones propias de la zona, donde las precipitaciones son escasas
y considerando una vía de buen drenaje por ser nueva, el coeficiente de drenaje
(Cd) es 1.00, cuyo valor corresponde a una calidad de drenaje buena con una
estructura de pavimento expuesta a niveles de humedad que se aproximan a
la saturación que varían entre 5 a 25%.
1.6 TRANSFERENCIA DE CARGA
El valor de J es directamente proporcional al valor final del espesor de losa de
concreto. Es decir a menor valor de J, menor espesor de concreto.
Cuadro 9: Valores de coeficiente de transmisión de carga J
Fuente: Manual de carreteras: Sección suelos y pavimentos
El valor de J asumido es de 3.2.
1.7 PASADORES (Dowells)
Los pasadores incrementan mecánicamente la transferencia de carga aportada
por la trabazón de los agregados y son necesarios para pavimentos con un
número de repeticiones de ejes equivalentes mayores a 4 millones en el
periodo de diseño.
Los pasadores son barras de acero lisas insertadas en la mitad de las juntas
con el propósito de transferir cargas sin restringir el movimiento de las losas y
permitiendo el alineamiento horizontal y vertical.
El empleo de pasadores disminuye las deflexiones y los esfuerzos del concreto
reduciendo el escalonamiento, bombeo y las fallas de esquina.
Para determinar tanto el espaciamiento entre barras, así como su longitud, de
acuerdo con la Guía AASHTO, Parte 1. Sección 1.6.2, se requiere definir el
diámetro de la barra; la resistencia característica del acero; El tipo de la capa
base, espesor de capa base, separación entre juntas transversales y espesor
adoptado de la losa.
Cuadro 10: Diámetros y longitudes recomendados en pasadores
Fuente: Manual de carreteras: Sección suelos y pavimentos
1.8 BARRA DE AMARRE
Las barras de amarre son aceros corrugados colocados en la parte central de
la junta longitudinal con el propósito de anclar carriles adyacentes, mejorando
la trabazón de los agregados y contribuyendo a la integridad del sello
empleado. También se utiliza para vincular una berma de hormigón al carril
contiguo. Estas barras se colocan en el hormigón fresco hincadas por equipo
deslizante o bien a mano en caso de utilizar moldes. Algunos diseñadores
indican que no debería; vincularse más de 12 m2 de ancho de pavimento, es
decir cuatro carriles.
En los casos de pavimentos urbanos que estén confinados mediante bordillos
o cunetas adecuadamente anclados a la subrasante, las barras de amarre
pueden obviarse, sin embargo, en el caso de curvas cerradas. Por ejemplo,
donde la acción de la fuerza centrífuga añade un importante esfuerzo horizontal
en las losas, estas barras deberían utilizarse de todos modos.
Para determinar tanto el espaciamiento entre barras, así como su longitud, de
acuerdo con la Guía AASHTO, Parte 1. Sección 1.6.2, se requiere definir el
diámetro de la barra; la resistencia característica del acero; la distancia desde
la junta longitudinal al borde libre más próximo (es decir el ancho de la losa de
borde); el espesor de la losa; el factor de fricción; y el porcentaje de diseño de
tensión de fluencia para la barra de acero de amarre.
Cuadro 11: Diámetros y longitudes recomendados en barras de amarre
Fuente: Manual de carreteras: Sección suelos y pavimentos
1.8.1
Calculo del espesor del pavimento rígido
Para el cálculo del espesor del pavimento rígido, para el proyecto en mención,
se necesitan las siguientes variables:
Cuadro 12: Parámetros para el cálculo:
Cargas de tráfico vehicular impuestos al
pavimento
CBR de la subrasante (%)
Módulo de reacción de la subrasante (Mpa/m)
ESAL(N18)
13 600 000
CBR =
23.57 %
Mr
19306.39
Tipo de trafico
Número de etapas
Nivel de confiabilidad
Coeficiente estadístico de desviación estándar
normal
Desviación estándar combinado
Índice de serviciabilidad Inicial según rango de
tráfico
Índice de serviciabilidad final según rango de
tráfico
Diferencial de serviciabilidad según rango de
tráfico
ESPESOR DE LA LOSA=30 cm
Tipo:
TP11
Etapas
1
Conf.
90.0 %
ZR
-1.282
So
0.350
Pi
4.3
Pt
2.5
Δ PSI
1.8
2.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Para la elaboración de presente informe se usaron los datos proporcionados por
las diversas especialidades involucradas en el diseño, el estudio de mecánica
de suelos y los estudios de tráfico y tránsito.

La Superficie de rodadura será una capa asfáltica, con un espesor de 10 cm,
según el cálculo por el método de AASHTO de 1993.

Para calcular el espesor del pavimento (base y sub-base) se aplicó El método
de diseño de pavimentos flexibles de la American Association of State Highways
and Transportation Officials (AASHTO) de 1993. que considera como
parámetros de diseño el valor de soporte del terreno de fundación (CBR) y la
intensidad de tráfico.

El pavimento, la Base y sub base Granular tendran un espesor de 60 cm en total.
dividido en tres capas, paviemnto de 10cm, 20 cm de Base y 30 cm de Sub base,
construirá de acuerdo a las especificaciones técnicas generales. El material de
afirmado será colocado y compactado en las condiciones de M.D.S. y O.C.H.,
alcanzando el 100 % del MDS del Proctor Modificado; también el Afirmado
deberá cumplir ciertas granulometrías propuestas por el MTC.

Control de Compactación.
Se ejecutarán controles de la compactación mediante ensayos de densidad de
campo, siguiendo las siguientes recomendaciones
 Base Granular: Cada 200 m², al 100% de la MDS del Proctor
Modificado.
 Sub Base Granular: Cada 200 m², al 100% de la MDS del Proctor
Modificado.
 Sub Rasante: Cada 250 m², al 98% de la MDS del Proctor
Modificado.

Espesor del Pavimento flexible.
Del método analizado se obtiene un espesor de pavimento de 60.00 cm.
Que Sub dividiremos en:
Superficie de Rodadura
=
10.0 cm. Carpeta asfáltica en caliente
Base granular
=
20.0 cm. de material granular
Sub Base granular
=
30.0 cm. de material de Afirmado no
menor 80% del CBR.

Espesor del Pavimento Rígido.
Del método analizado se obtiene un espesor de pavimento de 50.00 cm.
Que Sub dividiremos en:
Superficie de Rodadura
=
30.0 cm. Losa de concreto
Sub Base granular
=
20.0 cm. de material de Afirmado no
menor 80% del CBR.