DISEÑO DE PAVIMENTOS DE LA CARRERA 46, ENTRE CALLES 75 Y 77 SUR, SABANETA YULANIS MARIET SIERRA BOLAÑO

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1 DISEÑO DE PAVIMENTOS DE LA CARRERA 46, ENTRE CALLES 75 Y 77 SUR, SABANETA YULANIS MARIET SIERRA BOLAÑO UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE MINAS MEDELLÍN 2009

2 DISEÑO DE PAVIMENTOS DE LA CARRERA 46, ENTRE CALLES 75 Y 77 SUR, SABANETA YULANIS MARIET SIERRA BOLAÑO Trabajo de grado para optar el título de Especialista en Vías y Transporte DIRECTOR Hernando Eudoro Muñoz Lara Ingeniero Civil UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN FACULTAD DE MINAS MEDELLÍN

3 AGRADECIMIENTOS A Dios por ser el guía de mis pasos durante este camino de perseverancia por conseguir mis logros. A mis padres y hermanos por su apoyo incondicional en mi lucha por lograr mis propósitos profesionales. Al ingeniero Hernando Eudoro Muñoz Lara por aportar con su experiencia a mi formación profesional. A Ferney López Zapata porque su compañía y apoyo influyeron sustancialmente en la culminación de este proyecto. 3

4 Contenido 1. INTRODUCCIÓN ANTECEDENTES Recopilación de Información OBJETIVOS Objetivo general Objetivos específicos ALCANCE DEL TRABAJO METODOLOGÍA A UTILIZAR ASPECTOS GENERALES Industria Comercio Finanzas Servicios ESTUDIOS DE TRÁNSITO Y PROYECCIONES CARGA EQUIVALENTE DE DISEÑO FACTORES DE EQUIVALENCIA RATA DE CRECIMIENTO DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES DE DISEÑO CÁLCULO DE LOS EJES EQUIVALENTES: 28 4

5 8. ESTUDIO DE SUELOS REALIZADO Y PRESENTACIÓN DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS POR EL CONSULTOR DEL PROYECTO EVALUACIÓN DE SUELOS 29 Suelos de la subrasante DISEÑO DE PAVIMENTO PRESENTADO POR EL CONSULTOR 32 Variables consideradas por el consultor en el diseño del pavimento DISEÑO DEL PAVIMENTO MÉTODO ASSHTO Número estructural (Sn) Tránsito Módulo de la subrasante Confiabilidad Criterio de desempeño Coeficiente de drenaje Caracterización de los Materiales de las Capas de Pavimento 39 Cálculo de coeficientes de capa DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA DISEÑO DEL PAVIMENTO MÉTODO SHELL PARÁMETROS DE DISEÑO 51 Período de Diseño: 51 Tránsito: 52 Temperatura: 52 Resistencia de la subrasante: 54 Resistencia de las capas granulares: 55 Características de la mezcla asfáltica: DISEÑO ESTRUCTURAL 65 Alternativa 1: 66 Alternativa 2 (Con sub base granular de CBR igual o mayor de 40%): 70 Alternativa 3 (Con Base granular de CBR igual o mayor de 80%): 75 Alternativa 4: SELECCIÓN DE ALTERNATIVA DE DISEÑO CONFRONTACIÓN DE ALTERNATIVA ESCOGIDA CON DISEÑOS APROBADOS POR EL MUNICIPIO DE SABANETA 91 5

6 12.1 Evaluación del tránsito a partir de los datos considerados por el consultor del proyecto Diseño de pavimento por medio del método ASSHTO SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES REFUERZO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO CON GEOTEXTIL ESTABILIZACIÓN DE SUELOS DRENAJES CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA 104 ANEXO Nº1 106 Resumen de aforos 106 ANEXO Nº2 112 Registros de cono dinámico 112 ANEXO Nº3 134 Diseño de mezcla asfáltica norma INVÍAS MCD 2 con asfalto normalizado 134 Método Marshall 134 6

7 LISTA DE TABLAS TABLA 1 FACTORES DE EQUIVALENCIA UNICAUCA. 22 TABLA 2. TENDENCIA DE LA RATA DE CRECIMIENTO DE LA RED DE CARRETERAS DE COLOMBIA 22 TABLA 3. FACTOR DE DISTRIBUCIÓN PARA EL CARRIL DE DISEÑO. 24 TABLA 4. VOLUMEN SEMANAL DE TRÁNSITO AFOROS VEHICULARES CALLE 68 SUR BOMBAY NORTE SUR 25 TABLA 5. DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL TOTAL SEMANAL BUSES Y CAMIONES FACTOR CAMIÓN CALLE 68 SUR BOMBAY NORTE - SUR. 25 TABLA 6. DISTRIBUCIÓN HORARIA PORCENTUAL SEMANAL CALLE 68 SUR SENTIDO NORTE - SUR 26 TABLA 7. DATOS DE ENTRADA PARA CÁLCULO DE EJES EQUIVALENTES 28 TABLA 8. CONFIABILIDAD SUGERIDA PARA VARIAS CLASIFICACIONES VIALES. 37 TABLA 9. VALORES DE DESVIACIÓN NORMAL PARA NIVELES SELECCIONADOS DE CONFIABILIDAD. 37 TABLA 10. COEFICIENTES DE DRENAJE 38 TABLA 11. COEFICIENTES DE CAPA 40 TABLA 12. ESPESORES MÍNIMOS EXIGIDOS EN LAS CAPAS DE PAVIMENTO 45 TABLA 13. REGISTRO DE TEMPERATURAS CORRESPONDIENTES A CADA MES DEL AÑO. 54 TABLA 14. CUADRO DE EVALUACIÓN ECONÓMICA DE AMBAS ALTERNATIVAS PLANTEADAS 88 TABLA 15. EVALUACIÓN DE COSTOS PARA LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DEFINITIVA 90 TABLA 16. ESPESORES MÍNIMOS PARA LAS CAPAS DE PAVIMENTO 95 TABLA 17. DIMENSIONES DE LAS ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO. LA DISEÑADA Y LA PROPUESTA POR EL CONSULTOR DEL PROYECTO. 98 7

8 LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. CARACTERIZACIÓN DE LA CARGA DE REFERENCIA 21 FIGURA 2. VOLUMEN VS TIEMPO (NORTE SUR) TOTAL SEMANAL. SECTOR 3. CALLE 68 SUR BOMBAY 26 FIGURA 3. VOLUMEN VS TIEMPO (NORTE SUR) TOTAL SEMANAL. SECTOR 3. CALLE 68 SUR BOMBAY 26 FIGURA 4. VOLUMEN HORARIO SEMANAL. NORTE SUR. SECTOR 3. CALLE 68 SUR BOMBAY 27 FIGURA 5. DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL TOTAL SEMANAL NORTE - SUR SECTOR 3. CALLE 68 SUR 27 FIGURA 6. LOCALIZACIÓN DE REGISTROS DE CONO DINÁMICO. 30 FIGURA 7. DISTRIBUCIÓN DEL CBR% CON LA PROFUNDIDAD 31 FIGURA 8. DISTRIBUCIÓN ESTADÍSTICA DE LOS CBR%, INDICANDO EL VALOR CARACTERÍSTICO CON UNA PROBABILIDAD DE EXCEDENCIA DEL 90% 32 FIGURA 9. ALTERNATIVAS DE PAVIMENTO 33 FIGURA 10. DISEÑO BÁSICO DE LA ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO 33 FIGURA 11. DISEÑO ALTERNO PARA ZONAS BLANDAS 34 FIGURA 12. NOMOGRAMA DE DISEÑO PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES. MÉTODO AASHTO FIGURA 13. CÁLCULO DEL NÚMERO ESTRUCTURAL TOTAL 42 FIGURA 14. CÁLCULO DEL NÚMERO ESTRUCTURAL 1 43 FIGURA 15. CÁLCULO DEL NÚMERO ESTRUCTURAL 2 44 FIGURA 16. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO Nº1 46 FIGURA 17. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO PROPUESTA SEGÚN MÉTODO ASSHTO FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA FIGURA 22. CURVA DE PONDERACIÓN DE TEMPERATURA 53 FIGURA 23. DETERMINACIÓN DE T 800 E IP 57 FIGURA 24. NOMOGRAMA DE VAN DER POEL PARA DETERMINAR EL MÓDULO DINÁMICO DEL ASFALTO. 58 FIGURA 25. RELACIÓN ENTRE TEMPERATURA EFECTIVA DE LAS CAPAS ASFÁLTICAS Y DE LA MEZCLA. 59 FIGURA 26. NOMOGRAMA PARA EL CÁLCULO DEL MÓDULO DINÁMICO DE HEUKELOM. 61 FIGURA 27. RELACIONES ENTRE LA RIGIDEZ DE LA MEZCLA Y LA RIGIDEZ DEL ASFALTO. 62 8

9 FIGURA 28. NOMOGRAMA DE FATIGA BASADO EN SMIX Y VB 63 FIGURA 29. CARACTERÍSTICAS DE FATIGA PARA ASFALTO TIPO F1 Y PARA ASFALTO TIPO F2 64 FIGURA 30. HN17 PARA ALTERNATIVA 1 66 FIGURA 31. HN25 PARA ALTERNATIVA 1 67 FIGURA 32. HN49 PARA ALTERNATIVA 1 67 FIGURA 33. HN57 PARA ALTERNATIVA 1 68 FIGURA 34. NH17 PARA ALTERNATIVA 2 71 FIGURA 35. HN25 PARA ALTERNATIVA 2 71 FIGURA 36. HN49 PARA ALTERNATIVA 2 72 FIGURA 37. HN57 PARA ALTERNATIVA 2 72 FIGURA 38. HN17 PARA ALTERNATIVA 3 76 FIGURA 39. HN25 PARA ALTERNATIVA 3 76 FIGURA 40. HN49 PARA ALTERNATIVA 3 77 FIGURA 41. HN57 PARA ALTERNATIVA 3 77 FIGURA 42. HN17 PARA ALTERNATIVA 4 81 FIGURA 43. HN25 PARA ALTERNATIVA 4 81 FIGURA 44. HN49 PARA ALTERNATIVA 4 82 FIGURA 45. HN57 PARA ALTERNATIVA 4 82 FIGURA 46. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DISEÑADA A PARTIR DEL MÉTODO ASSHTO FIGURA 47. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DISEÑADA A PARTIR DEL MÉTODO SHELL 87 FIGURA 48. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DEFINITIVA 89 FIGURA 49. CÁLCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL TOTAL 92 FIGURA 50. CÁLCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL 1 93 FIGURA 51. CÁLCULO DEL NUMERO ESTRUCTURAL 2 93 FIGURA 52. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO VERIFICADA A PARTIR DE SN 96 FIGURA 53. ESTRUCTURA DE PAVIMENTO SEGÚN LA ASSHTO PARA LOS DATOS DEL CONSULTOR DEL PROYECTO 97 9

10 1. INTRODUCCIÓN El crecimiento y desarrollo que ha presentado el municipio de Sabaneta en los últimos años ha trascendido en la convergencia del flujo del tránsito hacia algunas vías colectoras, ocasionando que éstas al aumentar de importancia creen la necesidad de ser prolongadas. El caso de la carrera 46 es un ejemplo de estos fenómenos generados. Es por eso que el municipio de Sabaneta por medio de la Secretaría de Obras Públicas convoca a una licitación pública la construcción de la carrera 46 entre calles 75 y 77 sur, vías adyacentes y obras complementarias, bajo los diseños de ejes viales, estructura de pavimento según estudios de suelos, estructuras y obras de drenaje entre otros. El proyecto consiste en la conexión de la carrera 46 desde la calle 75 sur hacia la 77 sur, interceptando un lote en 321 m que hace parte de un plan parcial que contempla un uso de suelo comercial y residencial. El área intervenida incluye la quebrada San Alejo que en décadas anteriores contaba con un caudal superior al actual, lo que generó que las zonas aledañas estuvieran conformadas por suelos arcillosos altamente saturados puesto que además el nivel freático es alto. Estas razones despiertan el interés de hacer un análisis de los estudios de suelos realizados y de realizar proyecciones del tránsito que se generará por la construcción de la vía con base en aforos realizados en la zona o en otras zonas con características similares en el municipio. Bajo estos dos parámetros se presenta el diseño de la estructura del pavimento según la metodología AASHTO 93 y SHELL. Se seleccionará aquella estructura que cumplirá con los parámetros admisibles desde el punto de vista técnico y que sea la más viable económicamente. Estos resultados serán confrontados con los diseños presentados por el consultor del proyecto. 10

11 2. ANTECEDENTES 2.1 Recopilación de Información Se recibió información por parte del Municipio de Sabaneta consignada en medio impreso, informes de trabajos relacionados al objeto del presente proyecto. En ella participaron firmas consultoras como Mario D Amato Bassi ingenieros y Vieco ingeniería de suelos en el año La primera presentó diseños geométricos de la vía, urbanismo, redes de acueducto, alcantarillado, eléctrica y de telecomunicaciones y de sistemas de drenaje como filtros, canalizaciones y Box Coulvert; La segunda firma realizó un estudio de suelos y diseño de la estructura de pavimento mediante el método del Instituto Norteamericano del Asfalto. Por otra parte, no se precisa conteos vehiculares, lo que evidencia la presunción de los datos que involucran el dimensionamiento de la estructura generando la incertidumbre de la entidad contratante. 11

12 3. OBJETIVOS 3.1 Objetivo general El objetivo del presente informe es la determinación de los espesores de la estructura del pavimento para la Carrera 46 entre Calles 75 y 77 Sur y vías adyacentes en el municipio de Sabaneta, mediante los métodos de diseño conocidos. 3.2 Objetivos específicos Calcular y proyectar el flujo de tránsito por la futura vía. Según un estudio previo de los suelos localizados en la zona que puedan llegar a ser afectados por las cargas del tránsito actual generar soluciones estructurales que permitan definir las capas del pavimento necesario para el óptimo funcionamiento de la vía en estudio, teniendo en cuenta según una evaluación económica la alternativa más favorable. Hacer las recomendaciones necesarias para la colocación y conformación de la estructura de pavimento. 12

13 4. ALCANCE DEL TRABAJO Con base en los estudios de suelos y proyecciones de tránsito, actividades que se desarrollarán durante el presente trabajo de grado, se presentará la alternativa de diseño de pavimentos que optimice los recursos económicos presupuestados, que satisfaga los requerimientos del tránsito. La alternativa propuesta se confrontará con los diseños presentados por el consultor del proyecto aprobados por el municipio para evaluar diferencias, determinar conveniencia de ejecutar el proyecto bajo los diseños actuales y/o se harán recomendaciones para optimizarlos. 13

14 5. METODOLOGÍA A UTILIZAR Inicialmente, con base en aforos realizados en la zona se determina el crecimiento vehicular en el municipio, la caracterización del tránsito y porcentaje de distribución en la vía, con el fin de obtener el número de vehículos equivalentes que se proyectarán en un periodo de diseño. En caso de no ser posible la consecución de dichos datos, se realizará análisis de tránsito en una zona muy similar a la de estudio y se harán correcciones en caso de ser necesario. Por otra parte, los estudios de suelos que han sido realizados para el proyecto y que mediante ensayos de laboratorio han determinado capacidad portante y tipo de suelo serán analizados y evaluados. Con base en éstas condiciones se emplearán los métodos Shell y AASHTO para determinar los espesores de las capas de la estructura de pavimento a diseñar. Adicionalmente, serán tenidos en cuenta elementos que mejoren las condiciones de la subrasante y de las capas granulares como Geosintéticos y/o estabilizantes. Luego de haberse planteado las diversas alternativas para el diseño del pavimento según cada método empleado se hará un cuadro comparativo con los costos que cada una genera y se escogerá la más económica. Finalmente, mediante una confrontación entre la alternativa escogida y el diseño presentado por el consultor se determinan las falencias o excedencias de los aprobados por el municipio, se analizan las diferencias entre ambas y se hacen sugerencias o recomendaciones sobre éstos para optimizar el proyecto. Estas recomendaciones tendrán en cuenta todos los aspectos de impacto socio ambiental que se desea minimizar. 14

15 6. ASPECTOS GENERALES Sabaneta debe su nombre a la expresión derivada de sabana, sustantivo diminutivo que significa lugar suave y plano, sin vegetación arbórea, fértil para pastar ganados o plantar un bello pueblo. Sabaneta estuvo habitada inicialmente por los indios Anaconas (aborígenes provenientes del otro lado de la Aná), quienes se radicaron en la ladera oriental, partiendo del cerro de Pan de Azúcar. En el año de 1750, familias de origen español se radicaron en este lugar. Los Montoya, Restrepo, Vélez, Díaz, Díez, Vásquez, Guzmán, Garcés, Baena, Salazar, Mejía, Mesas, Álvarez y Soto constituyen el segundo grupo poblador de esta comarca. En Julio 31 de 1858 se inició la instrucción pública para varones bajo la guía del maestro Sotero Arango, de quien se dice obraba como seccional de la Escuela de Varones de Envigado. En 1865, la Señorita Adelaida Correa Estrada inicia labores como maestra en la escuela que, un siglo después, lleva su nombre. Sabaneta se constituyó en corregimiento de Envigado por Acuerdo Nº 11 de enero de 1899 y fue don Venancio Díaz Vásquez su primer inspector. El 20 de julio de 1911 se inauguró la estación José Félix de Restrepo, dando paso al Ferrocarril de Antioquia y marcando el cambio de vida en muchos de los pobladores, dedicados hasta entonces a la arriería y a la agricultura. El Municipio de Sabaneta, hacía parte del Municipio de Envigado. Gracias a la fertilidad de sus tierras y a lo propicio del clima, fue adquiriendo día a día mayor importancia y ya en 1964 sus pobladores se sentían con fuerzas suficientes para emanciparse, pues tenían en su territorio asiento importantes empresas como Curtidos Sabaneta, Gravetal, Dyna Industrial, Cerámica Sabaneta y otras más. 15

16 El 25 de octubre de 1964 se promueve la creación de Sabaneta como municipio, bajo la coordinación del Padre Arcila y de la Sociedad de Mejoras Públicas. En esta fecha se constituye la Junta Pro Municipio con líderes cívicos de la región. Tras cumplirse los trámites de rigor se llega al año 1967 y la Asamblea Departamental de Antioquia dicta el 30 noviembre la Ordenanza No. 7 por la cual se erige como municipio, la que empieza a regir el 1 de enero de Así nació el Municipio de Sabaneta. 6.1 Industria Este sector cuenta con aproximadamente 220 empresas manufactureras registradas en el sistema de Industria y Comercio, en el cual representan el 60 % de los ingresos. El alto grado de seguridad y el buen acondicionamiento logístico que el Municipio brinda, ha estimulado el asentamiento de nuevas empresas. Las principales actividades realizadas son: Fabricación de productos alimenticios, tales como: grasas, pasabocas, pastelería, salsas sus derivados, conservas, entre otros. Fabricación de prendas de vestir para exportar: blue- jeans y ropa para niño. Confección de blue - jeans, ropa interior y medias. Industria manufacturera y metalmecánica: doblados, estructuras mecánicas, productos eléctricos. Industrias dedicadas a la fabricación de caucho y plástico. 6.2 Comercio La permanencia del sector en Sabaneta, se debe a la construcción de bodegas que permiten realizar actividades en Comercio Mayorista de productos alimenticios especialmente. Los principales productos son: Enlatados. Prendas de vestir. Aseo personal. 16

17 Implementos deportivos. El comercio minorista, ha sido uno de los grupos más numerosos en establecimientos. Las actividades más representativas son: Misceláneas. Artículos religiosos. Comidas rápidas. Ventas estacionarias 6.3 Finanzas Actualmente el Municipio cuenta con seis entidades pertenecientes al sector financiero, fortaleciéndose éste durante los últimos tres años con la ubicación de nuevas sedes. En los centros comerciales de Sabaneta se encuentra gran cantidad de sucursales de los principales bancos del país. Se ha dinamizado los demás sectores de la economía en el municipio; entidades: Bancolombia. Banco de Bogotá Banco BBVA. Davivienda. Cooperativa Belén. Cooperativa Jhon F. Kennedy 6.4 Servicios En este gremio, se cuenta con un interesante grupo de empresas especializadas, las cuales se concentran en formar cadenas de producción con el sector Industrial prestando servicios de maquila en empaque, tintura, tiquetes y adhesivos, entre otros. 17

18 De otro lado, hay en el municipio varias empresas constructoras que adelantan importantes proyectos de vivienda e infraestructura en la localidad. Los estaderos y restaurantes ubicados en la vereda La Doctora y otros sectores del municipio, han hecho de Sabaneta un atractivo y concurrido lugar para el esparcimiento y entretenimiento, contando con la seguridad y tranquilidad que caracteriza a este municipio. En cuanto a la educación superior existen en la actualidad 4 instituciones de educación superior que prestan sus servicios a personas de toda Antioquia. 18

19 7. ESTUDIOS DE TRÁNSITO Y PROYECCIONES Una correcta planificación de las mejoras de un pavimento exige, además del conocimiento de las condiciones físicas y estructurales de la carretera, una apropiada valoración del tránsito actual y futuro de la misma. Desde el punto de vista estructural, la estimación del tránsito requiere conocer el número de ejes por carril y su distribución en diferentes grupos de carga, para la actualidad y para la vida futura del diseño. Las características del tránsito y su distribución son factores determinantes en el diseño estructural del pavimento. El deterioro de los pavimentos no ocurre, sin embargo, bajo la aplicación de una sola carga. Es la aplicación repetida de ellas la que va acumulando efectos hasta producir la falla de la estructura. Los materiales de comportamiento elástico, tal el caso de las mezclas asfálticas que trabajan a baja temperatura, suelen fallar por fatiga elástica que se manifiesta superficialmente en forma de grietas conocidas como piel de cocodrilo, mientras que los materiales granulares y la subrasante suele acumular en el tiempo deformaciones permanentes que se traducen en ahuellamientos. En ambos casos, el resultado práctico es el mismo: la incapacidad de la estructura para cumplir en el futuro la misión para la cual fue construida. El presente trabajo muestra las composiciones del tránsito en las vías de interés. De igual manera se identifican las composiciones vehiculares más comunes de acuerdo a los diferentes rangos de tránsito promedio diario (TPD) y discriminados por categorías para vehículos comerciales. 19

20 El estudio del tránsito tiene por objeto establecer las solicitaciones a las que se verá sometida la estructura del pavimento durante los próximos 10 años, adoptando una proyección para el tránsito futuro en función del tránsito circulante. Estructuralmente, la contribución de los automóviles y demás vehículos livianos resulta despreciable frente a la circulación de aún muy pequeños porcentajes de cargas pesadas, razón por la cual aquellos se suelen ignorar en los cálculos de tránsito destinados a la evaluación y diseño de pavimentos. 7.1 CARGA EQUIVALENTE DE DISEÑO Todo vehículo que hace uso de un pavimento produce en este y en la subrasante, esfuerzos, deformaciones y deflexiones, infligiendo una cantidad infinitesimal de daño en la estructura. A medida que las repeticiones de carga se acumulan, también lo hacen las cantidades de daño, reduciendo así la vida del pavimento. Diferentes tipos de vehículos y de configuraciones de ejes, producen efectos diferentes, que se traducen en distintos niveles de deterioro en el pavimento. El eje de referencia (Figura 1) en Colombia es un eje simple con ruedas gemelas cuya carga es de 80 kn. El número de ejes equivalente es función de los valores de los conteos del tránsito en el año de puesta en servicio de este, de la tasa de crecimiento durante la duración de vida, de la composición del tránsito y de la naturaleza de la estructura de pavimento. 20

21 Figura 1. Caracterización de la carga de referencia 7.2 FACTORES DE EQUIVALENCIA Los factores de equivalencia representan la acción destructiva, comparativamente, que ocasionan los vehículos comerciales en términos de carga de 8.2 toneladas y son esenciales para calcular el número de ejes equivalentes. Los factores de equivalencia que se utilizaron para las diferentes categorías de vehículos que circulan por la vía, provienen de estudios realizados por la Universidad del Cauca (1996) para la Investigación Nacional de Pavimentos, y adoptados por el Manual de Diseño de Pavimentos del Instituto Nacional de Vías. 21

22 A partir de dichos datos se procede entonces a determinar el número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas haciendo cálculos individuales por vehículo, aplicando el factor de equivalencia de cada uno: Tipo de camión Factor de equivalencia Bus 0.2 C2P 1.14 C2G 3.44 C3 4.4 C4 4.4 C5 4.4 C Tabla 1 Factores de equivalencia Unicauca. 7.3 RATA DE CRECIMIENTO El cálculo de la rata de crecimiento se obtendría a partir de las series históricas del sector. Por carecer de dicha información se adoptará de conteos históricos para las redes viales nacionales de acuerdo al TPDS. De un valor de 3.5% (Según Tabla 2). De este modo se utilizará el método de tránsito medio alto nivel 1. TPDS Tasa de crecimiento (%) Total vehículos Vehículos comerciales < > Tabla 2. Tendencia de la rata de crecimiento de la red de carreteras de Colombia 22

23 7.4 DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES DE DISEÑO La conversión del tránsito mixto en aplicaciones de carga del eje de referencia permite hacer estimaciones tanto del tránsito que ya ha circulado sobre el pavimento, como del previsible hacia el futuro. El cálculo se puede realizar de dos maneras: aplicando un factor camión promedio para todos los vehículos comerciales, o haciendo cálculos individuales por vehículo, aplicando el factor de equivalencia de cada uno. El número de ejes simples equivalentes de 80 kn (8.2 ton) en el carril de diseño durante un año i, se determina mediante la siguiente expresión: Donde: N: Número de aplicaciones de carga del eje de referencia en el carril de diseño durante el año i TPD i : Tránsito promedio diario durante el conteo i A: Porcentaje estimado de vehículos pesados (buses y camiones) B: Porcentaje de vehículos pesados que emplean el carril de diseño R: Rata de crecimiento FC: Factor camión La distribución del tránsito de vehículos comerciales por carril depende del número de carriles que tenga la carretera en cada dirección. Si bien es evidente que cuando la vía tiene un carril por dirección, este acoge el 100% del tránsito circulante en dicha dirección, en el caso de vías con más de un carril por dirección, se encuentra que el carril exterior conduce un mayor número de vehículos pesados y consecuentemente un mayor número de ejes simples equivalentes que el interior, razón por la cual se le denomina carril de diseño. Con base en lo anterior, considerando que la mayor parte del proyecto se encuentra en dos carriles (uno en cada dirección), y teniendo en cuenta los factores de distribución 23

24 que se consignan en la Tabla 3, se adoptará el factor de distribución correspondiente para cada caso. Numero total de carriles en cada Factor de distribución para el carril de diseño dirección INVIAS AASHTO Sin información 0.4 Tabla 3. Factor de distribución para el carril de diseño. Se planea que la vía en proyecto sea principal, sin embargo el municipio de Sabaneta solicita que se considere un periodo de diseño de 10 años, el cual se realizó con base en el conteo vehicular mediante aforos en estaciones estratégicas en la Calle 68 Sur entre Carreras 43C y 46 y en la Carrera 46 entre Calles 68 Sur y 75Sur, cuyo tráfico se estima aproximado al generado en la vía a construir, proyectando dicho tránsito a un período de recuperación de serviciabilidad funcional y estructural. VOLUMEN SEMANAL DE TRÁNSITO - AFOROS VEHICULARES CALLE 68 SUR ENTRE CARRERAS 43C Y 46 - CARRERA 46 ENTRE CALLES 68 SUR Y 75 SUR SENTIDO: NORTE - SUR ESTACIÓN:1 22-Nov-08 CAMIONES HORA LIVIANOS BUSES C2 - C2- TOTAL HORA PEQUEÑO GRANDE C3 Y C4 C5 C6 6:00-7: :00-8: :00-9: :00-10: :00-11: :00-12: :00-13: :00-14:

25 14:00-15: :00-16: :00-17: :00-18: :00-19: :00-20: TOTAL Tabla 4. Volumen semanal de tránsito aforos vehiculares Calle 68 sur Bombay Norte Sur TOTALES DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL TOTAL SEMANAL CAMIONES Y BUSES BUSES C2-PEQUEÑO C2-GRANDE C3 Y C4 C5 C6 CAMIONES % % % % % % % 100% FACTORES DE EQUIV FACTOR CAMIÓN FACTOR BUS 1.30 FCB PONDERADO Tabla 5. Distribución porcentual Total semanal Buses y Camiones Factor Camión Calle 68 sur Bombay Norte - Sur. DISTRIBUCIÓN HORARIO TOTAL PORCENTUAL SEMANAL DE VOLUMENES DE TRANSITO CALLE 68 SUR ENTRE CARRERAS 43C Y 46 - CARRERA 46 ENTRE CALLES 68 SUR Y 75 SUR SENTIDO: NORTE - SUR ESTACIÓN:1 22-Nov-08 HORA % % % CAMIONES TOTAL LIVIANOS BUSES C2 - PEQ C2-GRAN C3 Y C4 C5 C6 HORA 6:00-7: % % % % % 0% 0% 100% 7:00-8: % % % % % 0% 0% 100% 8:00-9: % % % % % 0% 0% 100% 9:00-10: % % % % % 0% 0% 100% 10:00-11: % % % % % 0% 0% 100% 11:00-12: % % % % % 0% 0% 100% 12:00-13: % % % % % 0% 0% 100% 13:00-14: % % % % % 0% 0% 100% 14:00-15: % % % % % 0% 0% 100% 15:00-16: % % % % % 0% 0% 100% 16:00-17: % % % % % 0% 0% 100% 17:00-18: % % % % % 0% 0% 100% 18:00-19: % % % % % 0% 0% 100% 25

26 19:00-20: % % % % % 0% 0% 100% TOTAL % % % % % 0% 0% 1400% Tabla 6. Distribución horaria porcentual semanal Calle 68 sur Sentido Norte - Sur Figura 2. Volumen vs Tiempo (Norte Sur) Total semanal. Sector 3. Calle 68 sur Bombay Figura 3. Volumen vs Tiempo (Norte Sur) Total semanal. Sector 3. Calle 68 sur Bombay 26

27 Figura 4. Volumen horario semanal. Norte Sur. Sector 3. Calle 68 sur Bombay Figura 5. Distribución porcentual total semanal Norte - Sur Sector 3. Calle 68 sur 27

28 7.5 CÁLCULO DE LOS EJES EQUIVALENTES: Las tablas presentadas anteriormente abarcan un total de vehículos aforados los días 18, 19, 20 y 21 de noviembre de 2008, y su respectivo porcentaje de distribución vehicular. Para hallar un promedio se divide la totalidad de vehículos aforados entre los días de aforo, en este caso 4. Para un TPD de Adicionalmente se tienen los siguientes parámetros: TPD * 4369 %Buses % %Camiones % A % B % r 3.500% n 10 FC Tabla 7. Datos de entrada para cálculo de ejes equivalentes Que introducidos en la fórmula de cálculo de ejes equivalentes se obtiene: N = ,74 Para un índice de confiabilidad de 90%, teniendo en cuenta que se trata de una vía colectora urbana, se obtiene que Z r = -1,282; de modo que: N = * Zr x ,74 N = , E+06 Los aforos realizados en los días mencionados se presentan en el Anexo 1. 28

29 8. ESTUDIO DE SUELOS REALIZADO Y PRESENTACIÓN DEL DISEÑO DE PAVIMENTOS POR EL CONSULTOR DEL PROYECTO 8.1 EVALUACIÓN DE SUELOS Para la obtención de la información geotécnica básica del suelo constituyente de la sub rasante, se realizaron investigaciones de campo y de laboratorio por la firma de consultoría Vieco ingeniería de Suelos, quien además desarrolló los diseños de la estructura de pavimento del proyecto. Los estudios de suelos realizados estuvieron orientados hacia la determinación del CBR. Este parámetro es una medida de la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo, bajo condiciones de densidad y humedad cuidadosamente controladas. Se usa en el diseño de pavimentos flexibles. Su valor se expresa en porcentaje, como la razón de la carga unitaria que se requiere para introducir un pistón a la misma profundidad en una muestra tipo de piedra partida. Este ensayo requiere de un molde con borde cortante para facilitar la penetración del mismo en el terreno. Se hinca aplicándole una carga (si el suelo es lo suficientemente blando) o golpeándolo, no sin antes ubicar un bloque de madera sobre el cilindro de CBR para evitar dañar su borde superior. Los datos de C.B.R. fueron obtenidos por métodos no destructivos. Pero en este caso, la investigación de la sub rasante de la vía fue realizada mediante la ejecución de 21 penetraciones con cono dinámico hasta profundidades de 1,0m de acuerdo con la localización mostrada en la figura 6. 29

30 Figura 6. Localización de registros de cono dinámico. Los registros de nuestro interés corresponden a los números 5, 15, 17, 18, 20 y 21 que son los ejecutados en la Carrera 46 entre Calles 75 y 77 Sur, y los 19 y 18 en la Calle 76 Sur entre Carreras 46 y 46B que se adjuntan en el Anexo 2. La ejecución de los conos se realizó a partir del nivel de la sub rasante en los sitios donde se realizarán cortes, y a partir del terreno actual, donde se construirán rellenos. La investigación con conos dinámicos permite una mejor aproximación a las características locales de la sub rasante, porque permite evaluar en muchos puntos, tanto en extensión como en profundidad, las condiciones mecánicas de los suelos de apoyo en la estructura de pavimento. 30

31 Para la determinación del CBR el consultor empleó la correlación publicada por la Universidad del Cauca entre el valor de penetración con cono dinámico y el CBR (California Bearing Ratio). Figura 7. Distribución del CBR% con la profundidad Suelos de la subrasante Los suelos del sector corresponden a depósitos de inundación, limos arcillosos con zonas arenosas, presencia de materia orgánica, en general blandos a muy blandos, con niveles freáticos a profundidades medias entre 1 y 2m. De la exploración se observó que los valores mínimos de CBR se encuentran alrededor del 1.23%, sin embargo, como se trata del diseño de una vía de varios centenares de metros, es conveniente adoptar un valor más representativo de 31

32 todo el universo de datos, y para ello se emplea la distribución estadística con una probabilidad de excedencia del 90%, para el cual corresponde a un CBR = 3.4%. DISTRIBUCIÓN ESTADÍSTICA DE PARÁMETROS Valor característico: 3,4% Con excedencia del: 90% Media: 7,004 Mínimo: 1,23 Máximo: 12,407 Número de datos: 371 Desviación normal: 2,823 Varianza: 7,97 Figura 8. Distribución estadística de los CBR%, indicando el valor característico con una probabilidad de excedencia del 90% 8.2 DISEÑO DE PAVIMENTO PRESENTADO POR EL CONSULTOR En el diseño de pavimentos intervienen dos aspectos fundamentales como son las características mecánicas de las sub rasantes y el tráfico esperado a lo largo de la vida útil del pavimento. Las características de la subrasante se obtuvieron mediante los ensayos de campo y relaciones con el CBR% estimados anteriormente. El diseño básico de consultor del proyecto siguió las recomendaciones del Instituto Norteamericano del Asfalto, y consideró un NDT (Núm. diseño relativo tránsito) > 32

33 1700 vehículos para el primer año, con un CBR = 3,0%. Con estos valores se dedujo un espesor equivalente de asfalto de 35.9 cm. En estas condiciones planteó las siguientes alternativas: Figura 9. Alternativas de pavimento Con base en éstos resultados, y teniendo en cuenta que a lo largo de las vías existen zonas con suelos más blandos que los considerados en el diseño, el consultor propuso el siguiente diseño básico para los suelos de mejores condiciones: Figura 10. Diseño básico de la estructura del pavimento 33

34 Y en los sitios donde la sub rasante sea muy blanda (dificultad para movilizar los equipos) se intercalará un geotextil tejido tipo T-2400 o similar entre la sub rasante y la sub base, y a continuación colocar una capa de 15 cms de sub base granular, compactar y cubrir con otro geotextil tejido de especificaciones similiares. De esta forma se refuerza la zona inferior de la estructura del pavimento, para cumplir los requisitos estructurales. Se emplearán los materiales especificados por el Área Metropolitana del Valle de Aburrá. Figura 11. Diseño alterno para zonas blandas 34

35 Variables consideradas por el consultor en el diseño del pavimento Tránsito y Subrasante Total de vehículos 6000 veh / Dir Porcentaje de vehículos comerciales 6% Número de vehículos comerciales 360 Veh / Dir Factor camión equivalente a ejes de 8.2 4,2 tn Tasa de aumento de tráfico 1,5 % Periodo de diseño en años 20 Años FPT (Factor de proyección del tráfico) Número de ejes equivalentes ejes x 10 6 NDT (Número diseño relativo tránsito) 1748 Veh / Dir CBR 3% Diseño básico: Carpeta Asfáltica 7.5 cm Base Granular 25 cm Sub Base arenilla 45 cm 35

36 9. DISEÑO DEL PAVIMENTO - MÉTODO ASSHTO 93 Después de muchos años de investigación, la AASHTO, definió una metodología de diseño, en la que ha integrado varios factores o variables entre las cuales se encuentran: 9.1 Número estructural (Sn) El número estructural, SN, es un número abstracto que expresa la resistencia estructural requerida del pavimento para un soporte del suelo (MR), tránsito total expresado en ejes equivalentes de 8.2 Ton, serviciabilidad final y medio ambiente. El SN debe convertirse en espesores de rodadura, base y subbase mediante el uso de los coeficientes que representan la resistencia de los materiales de construcción. 9.2 Tránsito Representado por el número de ejes equivalentes de 8.2 toneladas que utilizarán la vía en el carril de diseño durante un período determinado de tiempo. 9.3 Módulo de la subrasante De acuerdo con lo descrito anteriormente, el CBR de diseño corresponde 3.4% El módulo de la subrasante se obtuvo con base en la ecuación de la AASHTO: ESBR = 1500*CBR (psi), con la cual, ESBR = 1500*3.4 = 5100 (psi) 36

37 9.4 Confiabilidad Se refiere al nivel de probabilidad que tiene una estructura de pavimento diseñada para durar a través del período de análisis, tomando en cuenta las posibles variaciones del tráfico previstas así como las del modelo de comportamiento AASHTO, proporcionando un nivel de confiabilidad R que asegure que las secciones del pavimento duren el período para el cual fueron diseñadas. De acuerdo con el tipo de vía (Vía colectora urbana), el valor adoptado de confiabilidad es del 90% con el cual el valor de Desviación Normal Zr será de 1.282, así como se ilustra en las siguientes tablas: Tabla 8. Confiabilidad sugerida para varias clasificaciones viales. Tabla 9. Valores de desviación normal para niveles seleccionados de confiabilidad. 9.5 Criterio de desempeño Para el diseño de pavimento flexible se aplica el criterio de pérdida de serviciabilidad. Se recuerda que los pavimentos flexibles del Ensayo Vial AASHO tenían una serviciabilidad inicial, p 0, de 4.2, mientras que la serviciabilidad 37

38 terminal, p t, debe establecerse en consideración al tipo de vía, por ejemplo, 3 para grandes autopistas y menores a 2.0 para carreteras con un tránsito menos pesado. Para efectos de diseño se aplica la ecuación: ΔPSI = PSI o PSI f Siendo: Po: Índice de Serviciabilidad inicial = 4.2 Pf: Índice de serviciabilidad final = 2.0 El desempeño funcional del pavimento trata sobre lo bien que se sirve al usuario. En este contexto la característica dominante es el confort al viajar. Para cuantificar el confort del viaje se desarrolló el concepto de serviciabilidad desempeño, el cual se usa como medida de desempeño en la ecuación de diseño. 9.6 Coeficiente de drenaje Por las condiciones de humedad en el terreno, se considerará la construcción de sistemas de subdrenaje adecuados en los diseños, que mejoren la calidad del drenaje en la estructura del pavimento. Es por ello, que se estima que la calificación será buena para la calidad del drenaje. Por lo tanto se emplearán los siguientes coeficientes de drenaje: Tipo de material Coeficiente de drenaje (m i ) Base granular 1.0 Subbase granular 1.0 Tabla 10. Coeficientes de drenaje Los coeficientes de drenaje adoptados corresponden a materiales con una capacidad drenante media que tendrán un nivel de humedad cercana a la saturación durante un tiempo comprendido entre el 5 y 25% de la vida útil. 38

39 9.7 Caracterización de los Materiales de las Capas de Pavimento Las diferentes capas que conforman la estructura del pavimento están caracterizadas por el Coeficiente de Capa que corresponde a una medida de la habilidad relativa de una unidad de espesor de un material dado para funcionar como componente estructural del pavimento. Cálculo de coeficientes de capa Este es método estimativo de los coeficientes estructurales de capa (valores a i ). El coeficiente de capa de un material convierte su espesor en un número estructural; por lo tanto, dicho coeficiente es una medida de la capacidad relativa del material para funcionar como un componente estructural del pavimento, además de una relación de espesores. SN = a 1 D 1 + a 2 D 2 m 2 + a 3 D 3 m 3 Donde: a i = Coeficiente de capa. D i = Espesor de cada capa del pavimento. m i = Efecto de drenaje. El coeficiente de capa no refleja únicamente la capacidad del material de distribuir esfuerzos sino que también se constituye, de cierta forma, en una medida de la resistencia de dicho material. Asimismo, la posición del material en la estructura y el modo de daño (mecanismo de falla) pueden influir la relación entre el coeficiente de capa y el módulo elástico. Dichos coeficientes son una relación empírica entre el número estructural y espesores y son una medida de la capacidad relativa de los materiales para funcionar como un componente de la estructura de pavimento. En la publicación Pavement Analysis" (Ullidtz, 1987) se presenta la ecuación para determinar el coeficiente de capa a 1 en función del modulo elástico. La ecuación es semilogarítmica y se utiliza un modulo de referencia de 3,000 MPa. 39

40 Carpeta asfáltica: Para 0.20 < a 1 < Base granular: Para 0.06 < a 2 < Sub - Base granular: Para 0.06 < a 3 < Las anteriores ecuaciones emplean módulos elásticos de Carpeta Asfáltica, Base Granular, y Subbase Granular en PSI, cuyos valores serán tomados como los máximos de la norma ASSHTO: Carpeta asfáltica: psi Base granular: psi Sub-base granular: psi A continuación se anexan los coeficientes de capa, calculados con los módulos elásticos mencionados anteriormente. Tipo de material Coeficiente de capa (a i ) Concreto asfáltico Capa granular tipo base Capa granular tipo sub - base 0.11 Tabla 11. Coeficientes de capa 40

41 9.8 DIMENSIONAMIENTO DE LA ESTRUCTURA Las variables de entrada son: Desempeño del pavimento: ΔPSI = PSI o PSI f = = 2.2 Tránsito estimado, W18: 6.3+E06. Módulo resiliente de la subrasante, MR: 5100 psi Materiales de las capas estructurales. (Tabla) Factores ambientales. (Tabla) Confiabilidad, R: 90% Ecuación que determina el SN: Donde: W18: Número predicho de repeticiones de ejes equivalentes de carga de 18 kips (80 kn). ZR: Desviación normal estándar. S 0 : Error estándar combinado de la predicción del tránsito y la predicción del desempeño, 0,49. PSI: Diferencia entre el índice de diseño inicial de serviciabilidad, p 0, y el índice de diseño final de serviciabilidad, p t. MR: Módulo resiliente (psi). SN: Es igual al número estructural indicativo del espesor total requerido de pavimento. En el gráfico siguiente se presenta el nomograma de diseño para resolver la ecuación anterior y obtener el número estructural SN. 41

42 Figura 12. Nomograma de diseño para pavimentos flexibles. Método AASHTO 93. En este caso se hará uso del software disponible para los cálculos del número estructural, SN, con el programa Ecuación AASHTO 93 ingresando los datos de entrada mencionados anteriormente. Figura 13. Cálculo del Número Estructural total 42

43 De este modo, con el SN = 4,99 calculado se procede a hallar el SN 1 teniendo en cuenta que en este caso la subrasante es tomada como la Base Granular, con módulo elástico de psi: Figura 14. Cálculo del Número Estructural 1 Ahora se halla el valor del Número Estructural SN 2 con módulo elástico de la subrasante de psi, tomada como la Subbase Granular: 43

44 Figura 15. Cálculo del Número Estructural 2 Con estos valores, se halla el valor de los espesores de la estructura del pavimento: Calculo de SN 1 *: SN 1 = 2.82 D 1 = SN 1 / a 1 = 2.82 / = = D 1 * SN 1 * = D 1 *.a 1 = Calculo de SN 2 *: SN 2 = 3.51 D 2 = (SN 2 - SN 1 *) / (a 2.m 2 ) = ( ) / (0.130 x 1.0) = = D 2 * (Se aproxima a 6.0 para cumplir con el espesor mínimo establecido por la norma) SN 2 * = D 2 *.a 2.m 2 = 0.78 Calculo de SN 3 *: SN 3 = SN = 4.99 D 3 = (SN 3 - SN 2 * - SN 1 *) / (a 3.m 3 ) = ( ) / (0.11 x 1.0) = /

45 = = D 3 * SN 3 * = D 3 *.a 3.m 3 = 1.43 Cabe resaltar que los espesores D 1 *, D 2 * y D 3 *, cumplen con los mínimos establecidos por la norma: ESPESORES MÍNIMOS (en pulgadas) No. de ejes equivalentes Concreto Base (millones) asfáltico granular 1,0 o TSD 4.0 0,05-0, ,15-0, ,50-2, ,00-7, > 7, Tabla 12. Espesores mínimos exigidos en las capas de pavimento Verificando el SN* total, se tiene que: SN* = SN 1 *+ SN 2 * + SN 3 * = = > 4.99 O.K. Esta estructura se puede representar de la siguiente forma: 45

46 ESTRUCTURA DE PAVIMENTO Carpeta Asfáltica (6.5") Base Granular (6.0") Sub-base (13.0") Granular Figura 16. Estructura de pavimento Nº1 Sin embargo, claramente se puede notar que las dimensiones de la carpeta asfáltica son altas en comparación con la de la base granular y la de la Sub-Base granular, lo que hace un diseño altamente costoso. Se propone reducir el espesor de la carpeta asfáltica a su dimensión mínima de 3.5 y aumentar el espesor de la Base Granular a 12. El dimensionamiento sería el siguiente: Calculo de SN 1 *: SN 1 * = D 1 *.a 1 = 3.5 x = Calculo de SN 2 *: SN 2 * = D 2 *.a 2.m 2 = 12 x 0.13 = 1.56 Calculo de SN 3 *: SN 3 = SN = 4.99 D 3 = (SN 3 - SN 2 * - SN 1 *) / (a 3.m 3 ) = ( ) / (0.11 x 1.0) = / 0.11 = = D 3 * SN 3 * = D 3 *.a 3.m 3 =

47 Así, el nuevo número estructural será: SN* = SN 1 *+ SN 2 * + SN 3 * = = > 4.99 O.K. Y la estructura de pavimento propuesta: ESTRUCTURA DE PAVIMENTO Carpeta (3.5") Asfáltica Base Granular (12") Sub-base (17.5") Granular Figura 17. Estructura de pavimento propuesta según método ASSHTO 93 47