Diseño De Pavimento Rigido 664o5v

CAPITULO V: DISEÑO DE LA VIA

5.1.4. DISEÑO DEL PAVIMENTO RIGIDO POR EL MÉTODO PCA 5.1.4.1. FACTORES DE DISEÑO: a.

RESISTENCIA A LA FLEXIÓN DEL CONCRETO

Para el control del agrietamiento del pavimento ante la acción repetida de las cargas de los vehículos pesados, es usado el módulo de rotura del concreto por el procedimiento de diseño PCA (análisis de fatiga). Los valores de resistencia a flexión, usados en la metodología de diseño AASHTO, también son usados para el presente método.

fr =

b.

fr =

CAPACIDAD SOPORTE DE LA SUB RASANTE Ó DE LA SUB BASE (K)

Este valor se estima generalmente por correlación con pruebas como el CBR, resultando valido debido a que no es necesario conocer con exactitud el valor de K, ya que variaciones no muy grandes de este no afectan los espesores necesarios de pavimento. Los valores de CBR asumidos para sub rasante y sub base son similares a los usados para el diseño por el método AASHTO, 11% y 44% respectivamente, con un espesor de capa de sub base de 20 cm, se obtuvo un valor de K del conjunto sub rasante – sub base de:

Kc =

c.

Kc =

PERÍODO DE DISEÑO

El término de período de diseño es algunas veces considerado sinónimo del término período de análisis de tráfico. Dado que el tráfico muy probablemente no puede ser supuesto con precisión por un período muy largo, el período de diseño

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de 20 años es el comúnmente empleado en el procedimiento de diseño de pavimentos. El período de diseño seleccionado afecta el espesor de diseño ya que determina por cuantos años y por ende cuantos camiones deberá servir el pavimento. Para el caso de nuestro proyecto se asume un Periodo de diseño = 20 años d.

NUMERO DE REPETICIONES ESPERADAS PARA CADA EJE O N° DE VEHÍCULOS COMERCIALES EN CARRIL DE DISEÑO.

Toda la información referente al tráfico termina siendo empleada para conocer el número de repeticiones esperadas durante todo el período de diseño de cada tipo de eje.

Para poder conocer estos valores tendremos que conocer varios

factores referentes al tránsito como lo es el tránsito promedio diario anual (TPDA), el % que representa cada tipo de eje en el TPDA, el factor de crecimiento del tráfico, el factor de sentido, el factor de carril y el período de diseño. Repeticiones Esperadas. Re = TPDA x %Te x FS x FC x Pd x FCA x 365 Donde: Re

= NVC (N° de vehículos comerciales en carril de diseño)

TPDA = Tránsito Promedio Diario Anual. % Te

= % del TPDA para cada tipo de eje.

FS

= Factor de Sentido.

FC

= Factor de Carril.

Pd

= Período de Diseño.

FCA

= Factor de Crecimiento Anual.

365

= días de un año.

- Tránsito promedio diario anual (TPDA)

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El TPDA puede obtenerse de aforos especializados o de algún organismo relacionado con el transporte. Lo importante es que se especifique la composición de este tráfico, es decir que se detalle el tráfico por tipo de vehículo, para que de esta manera se pueda identificar los tipos y pesos de los ejes que van a circular sobre el pavimento. El método de diseño de la PCA recomienda que considera únicamente el tráfico pesado, es decir que se desprecie todo el tráfico ligero como automóviles. Sin embargo no es tan importante el hacer caso a esta recomendación debido a que el tráfico ligero no influye demasiado en el diseño de espesores. - Factor de Crecimiento Anual (FCA) Para conocer el factor de crecimiento anual se requiere únicamente del período de diseño en años y de la tasa de crecimiento anual. Con estos datos podemos saber el factor de crecimiento de manera rápida con la ayuda de la tabla 5.8 que presenta relaciones entre tasas de crecimiento anual y factores de crecimiento anual para períodos de diseño de 20 y 40 años. Tabla N° 5.8: Tasas anuales de crecimiento con sus correspondientes factores de proyección. Tasas de crecimiento anual de tránsito, % 1 1 1/2 2 2 1/2 3 3 1/2 4 4 1/2 5 5 1/2 6

Factores de proyección 20 años

40 años

1.1 1.2 1.2 1.3 1.3 1.4 1.5 1.6 1.6 1.7 1.8

1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.7 2.9 3.2

Fuente: Ingeniería de Pavimentos para carreteras, Ing. Alfonso Montejo Fonseca, Tomo I, Año 2002.

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Para una tasa de crecimiento de 3% y un periodo de diseño de 20 años, se tiene un factor de proyección igual a 1.3. - Factor de Sentido El factor de sentido se emplea para diferenciar las vialidades de un sentido de las de doble sentido, de manera que para vialidades en doble sentido se utiliza un factor de sentido de 0.5 y para vialidades en un solo sentido un factor de 1.0 En el caso de vialidades de doble sentido generalmente se asume que el tránsito (en sus diferentes tipos y pesos) viajan en igual cantidad para cada dirección (FS=0.5). Sin embargo esto puede no aplicar en algunos casos especiales en que muchos de los camiones viajan cargados en una dirección y regresan vacíos, Si éste es el caso, se deberá hacer el ajuste apropiado y tomar en cuenta el sentido con mayor tráfico. Para nuestro caso, se tiene un factor de sentido de 1.0. - Factor de Carril Después de verse afectado el tráfico por el factor de sentido, también debemos de analizar el número de carriles por sentido mediante el factor de carril. El factor de carril nos va a dar el porcentaje de vehículos que circulan por el carril de la derecha, que es el carril con más tráfico. Para esto, la PCA recomienda emplear la figura 5.5 en donde este factor depende del número de carriles por sentido o dirección del tráfico y del tránsito promedio diario anual en un solo sentido. Figura N° 5.5: Porcentaje de camiones en el carril de diseño en una carretera de varios carriles.

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Fuente: Ingeniería de Pavimentos para carreteras, Ing. Alfonso Montejo Fonseca, Tomo I, Año 2002.

Para nuestro caso el factor carril es igual a 1.00 - Factor de Seguridad de Carga Una vez que se conoce la distribución de carga por eje, es decir ya que se conoce cuantas repeticiones se tendrán para cada tipo y peso de eje, se utiliza el factor de seguridad de carga para multiplicarse por las cargas por eje. Los factores de seguridad de carga recomendados son: 1.3

Casos especiales con muy altos volúmenes de tráfico pesado y cero mantenimiento.

1.2

Para Autopistas ó vialidades de varios carriles en donde se presentará un flujo ininterrumpido de tráfico y altos volúmenes de tráfico pesado.

1.1

Autopistas y vialidades urbanas con volúmenes moderados de tráfico pesado.

1.0

Caminos y calles secundarias con muy poco tráfico pesado.

En nuestro caso se tiene un tráfico bajo, por lo que el Factor de Seguridad de Carga es igual a 1.0.

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5.1.4.2. ESTIMACION DEL TRANSITO DE DISEÑO a) Estimación del tránsito y de las cargas de diseño Con los datos que se muestran a continuación, se calcularon el capítulo Estudio de Tránsito Vehicular. Cuadro N° 5.1: Índice Medio Diario Anual o Tránsito Promedio Diario Anual.

Del cuadro anterior se tiene: IMDA = TPDA = 24 Vehículos en ambas direcciones % Vehículos comerciales = 56%

Cuadro N° 5.2 Configuración de las cargas de los vehículos comerciales.

TIPO DE VEHICULO

EJE SIMPLE

CARGA TOTAL

1ER EJE

2DO EJE

TN 11

EJE TANDEM

3ER EJE

B2

TN 18

KN 176.58

TN 7

KN 68.67

KN 107.91

TN -

KN -

TN -

KN -

B3 - 1

23

225.63

7

68.67

C2

18

176.58

7

68.67

-

-

-

-

16

156.96

11

107.91

-

-

-

-

C3

25

245.25

7

68.67

-

-

T2S1

29

284.49

7

68.67

11

107.91

-

-

18

176.58

11

107.91

-

-

b) Número de vehículos comerciales diarios en el carril de diseño

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Cuadro N° 5.3: Distribución del número de los vehículos comerciales diarios en el carril de diseño por tipo de vehículo. N° DE EJES % VEHICULOS COMERCIALES COMERCIALES POR DIA/CARRIL (2) (1)*(2)*FS*FC

TIPO DE VEHICULO

TPDA VEHICULOS (1)

B2

7.94

32.00%

2.54

B3 - 1

1.13

7.00%

0.08

C2

2.7

11.00%

0.30

C3

1.01

6.00%

0.06

T2S1

0.23

1.00%

0.00

TOTAL

2.98

c) Proyección del tránsito de vehículos comerciales en el carril de diseño durante el periodo de diseño Re = NVC = TPDA x %Te x FS x FC x Pd x FCA x 365 Re = NVC = 24 x 56% x 1.0 x 1.0 x 20 x 1.3 x 365 Re = NVC = 127,545.60 vehículos comerciales/carril de diseño/periodo de diseño. d) Distribución de los vehículos comerciales por día/carril de diseño y por cada 1,000 vehículos comerciales

Cuadro N° 5.4: Distribución de los vehículos comerciales por día y carril de diseño, por cada 1,000 vehículos comerciales. TIPO DE VEHICULO

N° DE EJES N°DE VEHICULOS COMERCIALES COMERCIALES/DIA/ POR DIA/CARRIL CARRIL /CADA 1000 (1) VC (1)*1000/2.98

B2

2.54

853

B3 - 1

0.08

27

C2

0.30

100

C3

0.06

20

T2S1

0.00

1

TOTAL

2.98

1000

e) Número de ejes esperados por cada 1,000 vehículos comerciales

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Cuadro N° 5.5: Número de ejes esperados por cada 1,000 vehículos comerciales. N° DE VEHICULOS COMERCIALES/DIA/ CARRIL /CADA 1000 VC

EJE SIMPLES

B2

853

1705

B3 - 1

27

27

C2

100

199

C3

20

20

T2S1

1

2

TOTAL

1000

1953

TIPO DE VEHICULO

N° EJES POR CADA 1,000 VEHÍCULOS COMERCIALES EJE TANDEM

27 20 47

f) Distribución del número de ejes por cada 1,000 vehículos comerciales por carga y tipo de eje Se distribuyen los ejes por cada 1,000 vehículos comerciales y se determina el número esperado de ejes en el carril de diseño para el periodo de diseño.

Cuadro N° 7.8: Número esperado de ejes en el carril de diseño para el periodo de diseño.

CARGAS TON

KN

11 7

107.91 68.67

TOTAL 176.58

18 16

156.96

TOTAL TOTAL

EJES POR CADA 1000 VEH. COMERCIALES

EJES SIMPLES 1705 248 1953 EJES TANDEM 20 27 47 2000

N° DE EJES EN EL CARRIL DE DISEÑO/PERIODO DE DISEÑO

217,465.25 31,645.00 249,110.25 2,550.91 3,443.73 5,994.64 255,104.90

5.1.4.3. ANALISIS DE EROSIÓN Y FATIGA DEL PAVIMENTO RIGIDO a) Análisis por Erosión.

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Este sirve para limitar los efectos de deflexión que se producen en los bordes de las losas, juntas y esquinas del pavimento; también para tener control sobre la erosión que se produce en la Sub base ó Sub rasante y los materiales que conforman las bermas. b) Análisis por Fatiga. Esta sirve para mantener los esfuerzos que se producen dentro de los límites de seguridad, ya que el paso de cargas sobre las losas del pavimento produce esfuerzos que se convierten en agrietamientos. El espesor de losa escogido por el tanteo se considera inadecuado si alguno de los totales de fatiga o erosión supera el 100%. 5.1.4.4. CALCULO DE ESPESOR DE PAVIMENTO RIGIDO UTILIZANDO EL PROGRAMA BS – PCA A partir del Cuadro N° 7.8, se procede a calcular el espesor de la losa de concreto rígido mediante los criterios de diseño de la PCA: Erosión y Fatiga, de acuerdo con los siguientes datos: •

Módulo de reacción del conjunto sub rasante/sub base, K = 236.03 Pci.

•

Espesores considerados de la losa: 150, 151, 152,….. 200 mm.

•

Módulo de rotura del concreto, S’c = 3.8 Mpa.

•

Factor de seguridad de carga, Fsc = 1.0.

•

Juntas con dovelas: NO.

•

Bermas de concreto: SI.

•

Cargas de tránsito presentadas en el Cuadro N° 7.8.

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Figura N° 5.1: Transito de ejes simples en carril de diseño.

Figura N° 5.2: Transito de ejes tándem simples en carril de diseño.

Figura N° 5.3: Resumen tanteos con los diferentes espesores (Análisis de sensibilidad para el diseño).

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Figura N° 5.4: Datos de entrada y resultados.

Figura N° 5.5: Reporte final del programa BS – PCA

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De acuerdo con los resultados anteriores, el espesor más adecuado para la losa de concreto es de 186 mm., el cual cumple con los criterios de fatiga y erosión. Por lo tanto:

D = 186 mm = 18.6 cm D = 19.00 cm

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