diseÑo de la estructura de pavimento

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Hoja A-106 Rey.: 0

9. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO.

En este numeral se presenta el dimensionamiento de la estructura de pavimento que

soportará las solicitaciones de diseño aplicadas por el tránsito calculado en el capitulo 6

según las características del suelo de fundación. Como primera medida se debe

determinar la capacidad de soporte de la capa que servirá de apoyo a la estructura de

pavimento, para lo cual se determina su valor de soporte, el valor que se determine

será utilizado para la modelación de las diferentes alternativas de diseño de la

estructura de pavimento.

9.1 Valor de Capacidad de la Capa de Apoyo de la Estructura de Pavimento.

El valor de la capacidad portante se definirá de acuerdo con los lineamientos trazados

por la metodología de AASHTO, donde se indica que éste corresponderá al valor

promedio de los datos de capacidad portante obtenidos en campo, para tal efecto se

utilizarán los valores del CBR en estado sumergido para una penetración de 0.1

pulgadas.

Teniendo como punto de partida lo indicado en el párrafo anterior y con los valores

definidos en el numeral "5.1.3", de este informe para las 2 zonas de comportamiento

mecánico similar comprendidas entre el K33+175 y el K32+725, del 32+125 al 31+320

y del 29+725 al 29+050, son sectores que constituyen la primera zona; para la segunda

zona del K33+550 al K33+250 , K32+600 al K32+200 y del K30+700 al 29+800

corresponde según los valores determinados son 3.85% a 2.51% en condición

sumergida correspondientemente.

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Hoja A-107 Rey.: 0

De lo anterior se determina que los valores de CBR de la subrasante para el tramo 2

son aceptables dentro del marco del diseño de estructuras de pavimento, no obstante,

se propone la utilización de un relleno en material granular que obre como capa de

mejoramiento, lo anterior debido a que el diseño geométrico e hidráulico de la vía obliga

al emplazamiento de un terraplén de altura promedio de 1.50m, el cual estaría apoyado

sobre la capa de subrasante, luego el mejoramiento permite una plataforma uniforme

de apoyo que aminora la diferencia de capacidad portante a lo largo del tramo,

constituyendo finalmente la subrasante de apoyo del terraplén sobre el que a su vez se

dispondrá la estructura de pavimento, la capacidad en términos de CBR del material que

se coloque no deberá ser inferior a los especificado en el Numeral 320.2.1 Requisitos de

los materiales de la Sección 320 Rellenos para la conformación de la Subrasante de las

Especificaciones IDU-ET-2005.

Con base en las exploraciones realizadas y teniendo como punto de partida las posibles

expansiones que se puedan presentar, las cuales poseen o desarrollan presiones de

expansión del orden de 4.5 ton/m2, de acuerdo con lo indicado en los informes del área

de Geotecnia, se puede determinar la profundidad mínima necesaria para que el relleno

de material seleccionado satisfaga la condición de diseño, teniendo en cuenta un peso

para este material de 2.0 ton/m3, considerando que por encima de la subrasante la

altura del terraplén en promedio es de 1.5 m y teniendo en cuenta el valor de la

capacidad portante del material de subrasante, se determina que una profundidad

adecuada para el relleno es aproximadamente 0.50 m.

Una vez determinado el espesor del relleno se considera tener en cuenta el

mejoramiento de la capacidad portante del material de apoyo de la estructura de

pavimento, para lo cual se utiliza la ecuación de Ivanov, para determinar el valor de

capacidad equivalente.

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Hoja A-108 Rey.: O

ECUACIÓN 1: FÓRMULA DE IVANOV — CALCULO DE CAPACIDAD PORTANTE EQUIVALENTE.

( \ 25n=E2

Donde:E1_2: Módulo Ponderado de las Capas.E2: Módulo de la Capa Inferior.El: Módulo de la Capa Superior.h1: Espesor de la Capa Superior.2a = 30.14 cm.

Utilizando la Correlación de Shell donde E= 10 CBR en MPa se puede determinar un

valor de CBR de Diseño, donde los valores de El y E2 corresponderían a la capa superior

e inferior correspondientemente donde el espesor de la capa superior (hl) sería de

0.50m como se indicó en los párrafos anteriores, aplicando la ecuación mencionada se

determinan los valores presentados en continuación, dado que, por condiciones

geométricas e hidráulicas la rasante el terraplén debe extenderse a todo lo largo de la

vía entonces se propone extender la colocación de la capa de mejoramiento a todo el

sector.

TABLA 47: RESULTADOS DE LA APLICACIÓN DE LA ECUACIÓN DE IVANOV PARA CAPACIDAD PORTANTEEQUIVALENTE.

CBR (%) Esr (kg/cm2) Ege (kg/cm2) Hge (cm) Eeq (kg/cm2) CBR (%)3.85 385 1000 50 860 8.602.51 253 1000 50 767 7.67

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Hoja A-109 Rey.: O

De la tabla anterior se nota claramente que, al realizar el reemplazo por material

granular de 0.50 m de espesor y CBR de 10%, la capacidad portante mejora a valores

que oscilan entre 7.67% y 8.60%, por demás que la estructura de pavimento estará

ubicada sobre la corona del terraplén que para el caso no se tiene en cuenta su aporte

en cuanto a capacidad portante, por lo cual se determina como valor mínimo de diseño

un CBR de 8.0% definiendo un solo sector homogéneo en el tramo 2, Avenida Bosa —

Enlace Américas.

Se resalta que durante los trabajos de construcción se deberá colocar en todo momento

el espesor mínimo de relleno seleccionado y realizar la verificación correspondiente al

valor de CBR de diseño indicado anteriormente.

9.2 Diseño de la Estructura por medio de la Metodología de AASHTO 1993.

De acuerdo con los lineamientos trazados por la metodología, para la vía en estudio los

parámetros de diseño que se consideran cumplen con los requerimientos necesarios,

son los presentados a continuación.

TABLA 48. PARÁMETROS DE DISEÑO ADOPTADOS PARA LA VIA AASHTO 1993

Parámetro de Diseño Valor Referencia*

Nivel de Confiabilidad 95% Tabla 2.2 — Página 11-9

;Zr

1

-1.645 Tabla 4.1 — Página 1-62

Desviación Estándar 0.45 Página 1-6

Serviciabilidad Inicial 4.2 Numeral 2.2.1 - Página II-10

Serviciabilidad Final 2.2 Numeral 2.2.1 - Página II-10

*AASFITO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES

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Hoja A-119

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En cuanto a los coeficientes hidráulicos que se determinan a partir del porcentaje

asumido de tiempo en que la capa permanece con humedades cercanas a la

saturación, se estima que estarán en condición aceptable entre 5% y 25% del tiempo.

Estos valores se adoptan no obstante se haya considerado dentro del diseño la

construcción de un sistema de drenaje, el cual en algún momento puede llegar a

presentar problemas que induzcan la acumulación de agua en la estructura, o,

simplemente que ésta ingrese como consecuencia de la formación de fisuras que lo

permitan, cuestión por demás siempre posible en un pavimento, los valores asumidos

indicados para cada capa en la Tabla 49.

TABLA 49 COEFICIENTES HIDRÁULICOS - MI – DE LOS MATERIALES

Capa

Coeficiente

Referencia*

Base Granular

1.0

Subbase Granular

0.9

Tabla 2.4-Página II-25

*AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES

9.2.1 Propiedades mecánicas de los elementos estructurales de pavimento

1. Para la subrasante, se emplea la expresión:

MR (psi) = 1500*CBR Ecuación 2

2. En cuanto a la capacidad mecánica de la capa de subbase, manifestada en su

coeficiente estructural, éste se determina a partir de un valor mínimo de CBR, de

acuerdo con las especificaciones IDU-ET 2005 para estos materiales, documento que

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Hoja A-120

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rige el desarrollo de este proyecto, definido en la Sección 400-05, y de acuerdo con

el nivel de Tránsito de la vía, T4-T5, el material a utilizar deberá ser una SBG_A

presentando un valor de CBR de 60%, para el 95% de compactación del Proctor

Modificado, cuestión también que deberá garantizarse en la obra mediante el

procedimiento y frecuencia que se defina. Los valores del coeficiente a3 y del módulo

se obtienen de la gráfica 2.7 de la página II-21 de la AASHTO GUIDE FOR DESIGN

OF PAVEMENT STRUCTURES 1993.

Luego de realizado lo antes descrito se obtiene para a3 un valor de 0.125 y el

módulo de 18000 psi.

3. Para la capa de base se procede de manera similar en la determinación del

coeficiente estructural, estableciendo en este caso una base del tipo BG_A con un

valor de capacidad portante mínimo de CBR de 100%, para el 100% de

compactación del Proctor Modificado, cuestión que deberá garantizarse en la obra,

luego de lo cual los valor de a2 y del módulo se obtienen empleando la gráfica 2.6 de

la página II-19.

Luego de realizado el proceso se obtiene para a2 un valor de 0.140 y el módulo de

30000 psi.

4. El valor del coeficiente estructural de la capa asfáltica se obtiene a partir de la

relación que establece el método, entre el valor del módulo de la elasticidad de la

mezcla asfáltica, en psi, con el valor del coeficiente estructural. Para las condiciones

de solicitación de la vía se adoptó un valor de 3500 MPa a 20ºC y 10 Hz, para este

valor corresponde un coeficiente estructural a1 de 0.42, tomado de la figura 2-5

página II-18 de la AASHTO GUIDE FOR DESIGN OF PAVEMENT STRUCTURES 1993.

5. Dentro de las alternativas propuestas se presenta la de tener en cuenta un material

estabilizado con emulsión, que de acuerdo con lo indicado por las especificaciones

IDU-ET 2005 en la sección 440-05 para este tipo de material se define un coeficiente

estructural ai de 0.20 y un módulo de 150000 psi.

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9.2.2 Resultados

Una vez adoptados los coeficientes estructurales, se procede a calcular los espesores de

las diferentes capas para lo cual se determina el Número Estructural requerido que

satisfaga las condiciones de tránsito de la vía a partir de la Ecuación 3:

Log10 (W18 ) = Z R (S0 ) + 9.36Log10 (SN + 1) − 0.20 +

Log ⎡

10 ⎢⎣

ΔPSI ⎤ 4.2 − 1.5 ⎥⎦

1094 + 2.31Log10 (MR) − 8.07

0.40 + (SN + 1)5.19

ECUACIÓN 3

El procedimiento de cálculo se realiza con base en lo descrito en la Figura 3.2 del

numeral 3.1.5 de la Guía AASHTO de la página II-36.

Con base en lo indicado en los apartados anteriores se desarrollan dos (2) alternativas

de diseño para cada uno de los escenarios de tránsito planteados, éstas se describen a

continuación:

• Alternativa 1: En Materiales Granulares – Constituida por Subbase Granular,

Base Granular y Mezcla Asfáltica.

• Alternativa 2: En Base Estabilizada con Emulsión Asfáltica – Constituida por

Subbase Granular, Base Estabilizada con Emulsión y Mezcla Asfáltica.

9.2.3 Alternativa 1: En Materiales Granulares.

Para el sector en estudio el número de ejes simples equivalentes calculado se presenta

a continuación. (Ver Tabla 50).

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Hoja A-122

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TABLA 50: NUMERO DE EJES EQUIVALENTES DE DISEÑO PARA EL TRAMO 2 AVENIDA ALO – DE ACUERDO CON

CADA ESCENARIO PLANTEADO . Escenario Periodo de Diseño Tramo NESE (8.2 Ton)

20 Avenida Bosa - Enlace Américas 28,239,819

1 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 12,629,911

Escenario Periodo de Diseño Tramo NESE (8.2 Ton) 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 20,065,730

2 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 9,675,695

Siguiendo el procedimiento descrito para el cálculo de resultados se obtienen los

espesores para cada una de las condiciones de diseño determinadas.

Escenario 1 – Periodo de Diseño de 20 Años.

TABLA 51: VERIFICACIÓN DE LOS VALORES DE SN PARCIALES PARA EL TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE

AMÉRICAS – ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.

SN 1

3.64

3.78

SN 2

4.34

SN* i

4.35

SN 3

4.96

TABLA 52: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 MATERIALES GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS – ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 20

AÑOS.

Tramo

MA

BG_A

SBG_A

Avenida Bosa - Enlace Américas

22.9

10.2

14

MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – BG_A: Espesor en cm de capa de base granular

SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular.

Se puede establecer una estructura de pavimento equivalente, que no corresponde al

cálculo de espesores como lo indica la metodología de AASHTO, dado que los espesores

obtenidos indicados con anterioridad no son óptimos desde el punto de vista

constructivo, esta estructura en términos de capacidad estructural puede cumplir con los

requerimientos técnicos y de SN, fijando los espesores de las capas granulares en 25 cm

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Hoja A-123

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y 22 cm de subbase y base correspondientemente, se puede definir una estructura de

pavimento como la que se presenta a continuación.

TABLA 53: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 MATERIALES

GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS – ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.

Tramo

MA

BG_A

SBG_A

SN


16

22

25

4.96






SN 1

3.22

3.36

SN 2

3.86

SN* i

3.92

SN 3

4.43


AÑOS.

Tramo

MA

BG_A

SBG_A


20.3

10.2

12.7







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Hoja A-124

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requerimientos técnicos y de SN, fijando los espesores de las capas granulares en 25

cm y 22 cm de subbase y base correspondientemente, se define una estructura de




Tramo

MA

BG_A

SBG_A

SN


13

22

25

4.46






SN 1

3.46

3.57

SN 2

4.13

SN* i

4.20

SN 3

4.73


AÑOS.

Tramo

MA

BG_A

SBG_A


21.6

11.4

12.7








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Hoja A-125

Rev.: 0

y 22 cm de subbase y base correspondientemente, se define una estructura de




Tramo

MA

BG_A

SBG_A

SN


15

22

25

4.80






SN 1

3.09

3.15

SN 2

3.70

SN* i

3.71

SN 3

4.26


AÑOS.

Tramo

MA

BG_A

SBG_A


19.1

10.2

12.7







SN 1

2.01

2.10

SN 2

4.34

SN* i

4.40

SN 3

4.95

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Hoja A-126

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y 22 cm de subbase y base correspondientemente, se define una estructura de




Tramo

MA

BG_A

SBG_A

SN


12

22

25

4.30


SBG_A: Espesor en cm de capa de subbase granular. 9.2.4 Alternativa 2: En Base Estabilizada con Emulsión.

Siguiendo el mismo procedimiento pero reemplazando la capa de base granular por una

capa de base estabilizada con emulsión se obtienen los espesores que se presentan en

las tablas a continuación, es importante mencionar que el proposito de la colocación de

una base estabilizada con emulsión es permitir la reducción de la capa de mezcla

asfáltica.

Escenario 1 – Periodo de Diseño de 20 Años - Base Estabilizada con Emulsión.

TABLA 63: VERIFICACIÓN DE LOS VALORES DE SN PARCIALES PARA EL TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.

SN 1

1.76

1.89

SN 2

3.85

SN* i

3.89

SN 3

4.43

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Hoja A-127

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TABLA 64: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES

ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 1 – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS.

Tramo

MA

GEE_A

SBG_A


12.7

29.21

12.7

MA: Espesor en cm de capa de Concreto Asfáltico – GEE_A: Espesor en cm de capa de base granular estabilizada







y 24 cm de subbase y base estabilizada con emulsión correspondientemente, se puede

definir una estructura de pavimento como la que se presenta a continuación.

TABLA 65: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN. TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS ESCENARIO 1 – PERIODO DE

DISEÑO DE 20 AÑOS.

Tramo

MA

GEE_A

SBG_A

SN


14

20

24

4.95



Escenario 1 – Periodo de Diseño de 10 Años – Base Estabilizada con Emulsión.


SN 1

1.90

2.1

SN 2

4.13

SN* i

4.2

SN 3

4.73

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Hoja A-128

Rev.: 0

TABLA 67: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – AASHTO 1993 M ATERIALES ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. ESCENARIO 1 – PERIODO DE


Tramo

MA

GEE_A

SBG_A


11.4

25.4

12.7












Tramo

MA

GEE_A

SBG_A

SN


11

20

24

4.45



Escenario 2 – Periodo de Diseño de 20 Años – Base Estabilizada con Emulsión.


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Hoja A-129

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Tramo

MA

GEE_A

SBG_A


12.7

26.7

12.7








y 24 cm de subbase y base estabilizada con emulsión correspondientemente, se define

entonces lo indicado a continuación.



Tramo

MA

GEE_A

SBG_A

SN


13

20

24

4.52





SN 1

1.68

1.68

SN 2

3.71

SN* i

3.78

SN 3

4.26

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Hoja A-130

Rev.: 0



Tramo

MA

GEE_A

SBG_A


10.2

26.7

11.4












Tramo

MA

GEE_A

SBG_A

SN


10

20

24

4.29



Una vez determinados los espesores de diseño para cada escenario de tránsito, periodo

de diseño y alternativa de base, granular o estabilizada, se presenta a continuación el

resumen de espesores para cada caso determinado.

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Hoja A-131

Rev.: 0

TABLA 75: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – A PARTIR DEL DISEÑO POR AASHTO 1993 MATERIALES GRANULARES DE ACUERDO AL ESCENARIO Y AL PERIODO DE DISEÑO.

Escenario Periodo de Diseño (Años)

Tramo

MA

BG_A

SBG_A

SN

1

20 Avenida Bosa - Enlace Américas

16

22

25

4.960

1


13

22

25

4.460

2


15

22

25

4.800

2


12

22

25

4.300



TABLA 76: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – A PARTIR DEL DISEÑO AASHTO 1993

MATERIALES ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN DE ACUERDO AL ESCENARIO Y AL PERIODO DE DISEÑO.

Escenario Periodo de

Diseño (Años)

Tramo

MA

GEE_A

SBG_A

SN

1


14

20

24

4.950

1


11

20

24

4.450

2


13

20

24

4.780

2


10

20

24

4.290


SBG_A: E SPESOR EN CM DE CAPA DE SUBBASE GRANULAR . Los espesores indicados anteriormente deberán ser verificados por medio de métodos

que contemplen el análisis de la estructura teniendo en cuenta los valores de esfuerzo y

deformación admisibles.

9.3 Diseño por el Método Mecanicista de Shell.

Otra alternativa para la determinación de los espesores del pavimento es aplicar la

metodología Shell solicitada dentro de los términos de referencia del contrato, ésta se

presenta a continuación.

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Hoja A-132

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9.3.1 Consideraciones del método

Para la determinación de los espesores del pavimento, se soportará sobre la plataforma

del programa Shell Pavement Desig Method SPDM 3.0, el cual incorpora factores de

confiabilidad con relación a las deformaciones por compresión en la subrasante y fatiga

de las capas asfálticas, las cuales y con el fin de ser convergentes con lo planteado por

el método AASHTO se maneja un nivel de confianza del 95%.

Este método considera que la estructura del pavimento está constituida por un sistema

tricapa homogéneo, isotrópico, lineal elástico e infinito longitudinalmente, con espesores

determinados de tal forma que no se supere ni la deformación a tracción admisible en la

fibra inferior de la capa asfáltica, ni la deformación a compresión producida en la

subrasante.

El diseño del pavimento flexible contempla una estructura con una carpeta asfáltica

apoyada sobre una capa de materiales granulares y la subrasante dada por la corona

del terraplén.

9.3.2 Parámetros de Diseño

Para el diseño de espesores se utilizaron los siguientes parámetros:

• Tránsito

• Valor de Soporte

• Temperatura (TMAP)

• Características de las Capas Granulares

• Características de la Mezcla Asfálticas

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Hoja A-133

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Las capas de materiales granulares de la estructura del pavimento base y subbase

deberán cumplir los requisitos de calidad y construcción de acuerdo con las

especificaciones de construcción exigidas por el IDU, para el caso son las IDU-ET 2005.

Los asfaltos que se utilicen deberán ser del tipo 60-70 convencional para las capas de

mezcla diferentes a la rodadura para la cual se deberá utilizar asfaltos modificados,

estos materiales tendrán que cumplir con lo especificado por el documento IDU-ET-2005

en la sección 200-05.

• Factores de Diseño

La confiabilidad en el diseño de una estructura de pavimento es la probabilidad que el

pavimento diseñado, se comporte satisfactoriamente en el periodo de diseño bajo las

cargas esperadas del tráfico, los parámetros geotécnicos y condiciones ambientales

previstas.

Para este informe se adoptó un criterio de confiabilidad del 95%, como se indicó al

inicio del numeral de diseño por el Método de Shell.

9.3.3 RESULTADOS DEL METODO SHELL

Tal y como se indicó se utiliza para el cálculo de los espesores la metodología

programada dentro del SPDM 3.0, software de diseño de la casa Shell precursora del

método. El procedimiento de cálculo se indica a continuación.

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Hoja A-134

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• Temperatura.

La obtención de la temperatura media del aire se realiza a partir del análisis de registros

de temperatura media mensual de la estación 2120623 – Hacienda las Vegas del IDEAM

la cual tiene como fecha de instalación Agosto de 1987 y presenta los registros de

temperaturas medias mensuales entre los años de 1987 y 2006, para el análisis

presentado se toman los valores máximos ocurridos durante el periodo mencionado.

Una vez realizado el análisis de la temperatura se define un valor de w-MAAT en grados

Celsius de 14.3 ºC como se indica en la Figura 19.

Posterior al cálculo de la temperatura se define el Número de Ejes Simples Equivalentes.

FIGURA 19: CÁLCULO DE LA W -MAAT ( ºC) SPDM 3.0. TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS.

• Número de ejes simples equivalentes.

Del numeral correspondiente al tránsito se define que el valor del número de

repeticiones de ejes simples equivalentes de 8.2 toneladas para el tramo comprendido

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Hoja A-135

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entre el cruce con el Río Bogotá y la Avenida Bosa se determinaron 2 escenarios de

tránsito con diferentes periodos de diseño, 10 y 20 años. Para lo cual se establecen los

tránsitos presentados en la Tabla 50, éstos son un valor de entrada del programa

teniendo en cuenta dos variables fundamentales adicionales dentro del programa que

son:

• Lateral Distribution Factor for the traffic in the lane.

• Healing Factor for the Pavement under Traffic Conditions.

Las variables indicadas en las anteriores viñetas se relacionan con el factor de calage el

cual sostiene las premisas que se indican:

En el campo existe un periodo de reposo aleatorio entre aplicaciones sucesivas de

carga que le permite al material asfáltico recuperarse.

Después del paso de cada carga pueden permanecer esfuerzos residuales en la

capa asfáltica de rodadura causados por la rueda en movimiento. Estos esfuerzos

se relajan con el tiempo y después de cierto lapso, quedan esfuerzos remanentes

muy pequeños.

Otra consideración importante es la variación lateral del tránsito. Las huellas de

las ruedas difieren de un vehículo a otro. (Primera Viñeta Negra)

Las mezclas asfálticas tienen la capacidad de autoreparación del bitumen.

(Segunda Viñeta Negra), ocurre en niveles bajos de deformación.

Definido lo anterior dentro del SPDM 3.0 el valor de estas variables corresponde a lo que

se presenta en la figura siguiente.

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Hoja A-136

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FIGURA 20: TRÁNSITO TENIENDO EN CUENTA EL FACTOR DE CALAGE – TRAMO 2 - AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS

Una vez definido el tránsito se procede a la definición de las características de los

materiales granulares.

• Materiales Granulares.

Como se ha indicado los materiales granulares que conformen la estructura de

pavimento deberán cumplir con los requerimientos que se solicitan para este tipo de

tránsitos de acuerdo con lo especificado por la normativa del documento IDU-ET-2005,

adicionalmente el método de Shell permite tener un nivel de confianza del 95, con lo

que se obtienen los resultados indicados en la figura siguiente, para el cálculo de la

estructura de diseño por medio del método de Shell solo se contemplará la alternativa

que comprende el uso de materiales granulares.

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Hoja A-137

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FIGURA 21: VALORES CARACTERÍSTICOS PARA LOS MATERIALES GRANULARES .

Para la definición de las características del asfalto y de la mezcla asfáltica se utilizaron

los valores predeterminados por los nomogramas y los criterios de diseño de la casa

Shell, se resalta que se tiene en todo momento en cuenta que los valores indicados

cumplen los requisitos de IDU-ET-2005.

FIGURA 22: CARACTERÍSTICAS DE LA MEZCLA ASFÁLTICA – TRAMO 2 – AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS

Una vez determinados los valores anteriores se realiza la correspondiente corrida del

programa, donde se determina el espesor de la mezcla asfáltica necesaria para

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Hoja A-138

Rev.: 0

satisfacer las premisas de diseño, de acuerdo a cada escenario y periodo de diseño

mencionado.

Espesores de Diseño para la Mezcla Asfáltica Tramo 2 Avenida Bosa - Enlace Américas.

En Materiales Granulares.

Escenario Periodo de Diseño (Años)

Tramo

MA

BG_A

SBG_A

1 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 17 22 25






9.4 Verificación de Esfuerzos y Deformaciones - Método Mecanicista.

Partiendo de los espesores obtenidos por la metodología AASHTO y Shell, se procede a

la evaluación mecanicista de la estructura obtenida. En esta fase se tienen en cuenta las

siguientes ecuaciones.

Para la deformación admisible a tracción en la fibra asfáltica inferior, se considera la

ecuación de Nottingham, para deflexión admisible Ivanov, en Deformación admisible a

compresión en la fibra superior de la subrasante, Shell y para el esfuerzo admisible a

compresión en la fibra superior de la subrasante Kerhoven y Dormon:

• Nottingham εt =0.00348*N-0.204

• Ivanov ωT =5.248* N-0.12

• Shell εz = 0.028 *N-0.25

• Kerhoven y Dormon σz = 0.007MR / (1+0.7Log(N)) en kg/cm²

Donde:

εt: Deformación admisible por tracción en la fibra inferior de la mezcla asfáltica.

ωT: Deflexión máxima admisible.

Nottinhgham Ivanov (mm/100) Shell Kerhoven y Dormon

Escenario

Periodo de Diseño εt ωT εz σz (Mpa)

1 20 Años 168E-6 67 384E-6 0.090 1 10 Años 198E-6 74 470E-6 0.094 2 20 Años 180E-6 70 418E-6 0.092 2 10 Años 209E-6 76 502E-6 0.095

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Hoja A-139

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εz: Deformación admisible por compresión en la fibra superior de la capa de subrasante.

σz: Esfuerzo admisible a compresión en la capa de subrasante.

Se debe tener en cuenta que para el cálculo de la resistencia a la fatiga de los

materiales asfálticos, el valor de la deformación a tracción en la fibra inferior de la capa

debe ser afectado por el factor de calage, mínimo de 10, como se indicó en el método

de Shell.

Para la ecuación de Kerhoven y Dormon el valor de MR será el correspondiente a la

relación MR = 100 CBR, donde MR está en kg/cm2 y el CBR en unidades porcentuales.

El módulo resiliente de la subrasante calculado es 95 MPa, para los materiales

granulares se utilizará el valor del módulo resiliente obtenido para cada una de las capas

por medio del método de AASHTO. A continuación se presentan los valores admisibles

a tener en cuenta en los puntos de control de la estructura, de acuerdo a cada

escenario y periodo de diseño indicado en la Tabla 50. (Ver Tabla 77)

TABLA 77. VALORES ADMISIBLES PARA LAS CONDICIONES MECÁNICAS , ESCENARIOS DE TRÁNSITO Y PERIODO

DE DISEÑO PREVISTAS – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS.

Una vez calculados los valores presentados en la tabla anterior se procede a realizar la

determinación de los espesores requeridos por medio del análisis tensodeformacional

mediante el análisis elástico de sistemas multicapa, los resultados se indican a

continuación, primero el análisis de la alternativa que contempla el uso de materiales

granulares en la capa de Subbase y Base y posteriormente la alternativa que contempla

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Hoja A-140

Rev.: 0

el uso de materiales estabilizados con emulsión asfáltica en la capa de Base, de acuerdo

con los Escenarios de Tránsito y Periodos de Diseño preestablecidos.

TABLA 78. VALORES ADMISIBLES Y ACTUANTES PARA LAS ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CALCULADAS POR EL

MÉTODO MECANICISTA. EN MATERIALES GRANULARES – TRAMO 2 AVENIDA BOSA - ENLACE AMÉRICAS. Nottinhgham Ivanov (mm/100) Shell Kerhoven y Dormon Escenario -

Periodo de Diseño

Deformación - Esfuerzo εt ωT εz σz (Mpa) Admisible 168E-6 67 384E-6 0.090 Actuante 167E-6 38 238E-6 0.020

1 - 20 Años

Cumple Ok Ok Ok Ok Admisible 198E-6 74 470E-6 0.094 Actuante 190E-6 41 267E-6 0.022

1 - 10 Años


2 - 20 Años


2 - 10 Años

Cumple Ok Ok Ok Ok

Los espesores de estructura que cumplen los requerimientos de esfuerzo y deformación

para las solicitaciones a las cuales se verá sometida la estructura de pavimento son los

indicados a continuación. (Tabla 79).

TABLA 79: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – MÉTODO MECANISCISTA MATERIALES

GRANULARES DE ACUERDO AL ESCENARIO Y AL PERIODO DE DISEÑO. Escenario Periodo de Diseño (Años) Tramo MA BG_A SBG_A

1 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 16 22 25 1 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 14 22 25 2 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 15 22 25 2 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 13 22 25



Para la estructura de pavimento que contempla la estabilización de la capa de base con

emulsión se realiza el análisis de esfuerzo y deformación actuante de lo cual se obtienen

los valores indicados en la tabla a continuación.

Nottinhgham Ivanov (mm/100) Shell Kerh oven y

Dormon

Escenario - Periodo de Diseño

Deformación - Esfuerzo

εt ωT εz σz (Mpa) Admisible 168E-6 67 384E-6 0.090 Actuante 84E-6 30 196E-6 0.017

1 - 20 Años


1 - 10 Años


2 - 20 Años


2 - 10 Años

Cumple Ok Ok Ok Ok

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Hoja A-141

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TABLA 80. VALORES ADMISIBLES Y ACTUANTES PARA LAS ESTRUCTURAS DE PAVIMENTOS CALCULADAS POR EL MÉTODO MECANICISTA. EN MATERIALES DE BASE ESTABILIZADO CON EMULSIÓN – TRAMO 2 AVENIDA BOSA -

ENLACE AMÉRICAS.

Los espesores de estructura que cumplen los requerimientos de esfuerzo y deformación

para las solicitaciones a las cuales se verá sometida la estructura de pavimento son los

que se presentan a continuación.

TABLA 81: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO – MÉTODO MECANICISTA MATERIALES

DE BASE ESTABILIZADOS CON EMULSIÓN DE ACUERDO AL ESCENARIO Y AL PERIODO DE DISEÑO.

Escenario Periodo de Diseño (Años) Tramo MA GEE_A SBG_A 1 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 14 20 24 1 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 11 20 24 2 20 Avenida Bosa - Enlace Américas 13 20 24 2 10 Avenida Bosa - Enlace Américas 10 20 24



De la Tabla 78 y la Tabla 80 se puede advertir que los espesores son similares a los

obtenidos por el Método de AASHTO y cumplen ampliamente con los requerimientos de

esfuerzo y deformación admisibles en especial para el caso de la base estabilizada, esta

Consultoría considera que los espesores reportados son pertinentes para los

requerimientos de solicitación de la Avenida por tanto no se realizan ajustes adicionales,

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Hoja A-142

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adicionalmente se determina que la estructura apropiada para cumplir los

requerimientos de diseño es la que contempla el emplazamiento de la mezcla asfáltica

sobre los materiales granulares, para el escenario uno (1) en un periodo de diseño de

20 años.

TABLA 82: ESPESORES DE DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RECOMENDADA METODO AASTHO – PERIODO DE DISEÑO DE 20 AÑOS – TRAMO 2 AVENIDA BOSA – ENLACE AMÉRICAS.

Tramo

MA

BG_A

SBG_A


16

22

25



9.5 Diseño por el Método de la Pórtland Cement Association 1984.

El diseño de las calzadas en pavimento de concreto hidráulico se realizó conforme al

método de la PCA-84, considerando el efecto de erosión y fatiga, teniendo en cuenta los

parámetros mínimos de diseño.

Luego de elegir el tipo de concreto, el período de diseño, la clase de material de

soporte, la forma de interacción de las juntas y la condición de berma, el diseño se

realiza a partir de los siguientes factores:

• Resistencia a la flexión del concreto a 28 días (módulo de rotura, MR) de 4.5 MPa.

• Modulo de Reacción Combinado o del conjunto de subrasante subbase (K Modulo

de reacción).

• Factor de seguridad de carga (FSC), distribución de carga por eje y número

esperado de repeticiones de las diversas cargas por eje en el carril de diseño y

durante el período de diseño.

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Hoja A-143

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En la aplicación de este método de diseño se llevan a cabo los siguientes tipos de

análisis:

• Análisis de fatiga.

• Análisis de erosión para controlar la deflexión en los bordes de la losa.

• Conveniencia del uso de pasadores.

• Comportamiento del diseño frente al Efecto Berma.

Para el cálculo del valor del módulo de reacción de la subrasante se utiliza la Figura 23,

con base en ésta, y en el valor del CBR establecido igual a 8.0% se obtiene el Módulo

de Reacción Combinado cuya magnitud es 50 MPa/m.

FIGURA 23 CORRELACIÓN APROXIMADA ENTRE LA CLASIFICACIÓN DE SUELOS, EL VALOR DE CBR Y EL VALOR DE MÓDULO DE REACCIÓN

DE LA SUBRASANTE.

Fuente: Figura 2 – Approximate interrelationship of soil classification and bearing values Page 7, Thickness Design for Concrete Highway and Street Pavements.

Una vez establecido el valor del módulo de reacción de subrasante se realiza el análisis

correspondiente para determinar el valor del Módulo de Reacción Combinado de toda la

Estructura sobre la cual se apoyará la losa de pavimento.

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Hoja A-144

Rev.: 0

TABLA 83 EFECTO DE LA SUBBASE GRANULAR SOBRE LOS VALORES DE K

Valor de K para subbase combinada Valor de K para

Sub-rasante

100 mm

150 mm

225 mm

300 mm

MPa/m

Lb/Pulg³

MPa/m

Lb/Pulg³

MPa/m

Lb/Pulg³

MPa/m

Lb/Pulg³

MPa/m

Lb/Pulg³

20

73

23

85

26

69

32

117

38

140

40

147

45

165

49

180

57

210

66

245

60

220

64

235

66

245

76

280

90

330

80

295

87

320

90

330

100

370

117

430

Fuente: Tabla 1 – Effect of Untreated Subbase on k Values Thickness Design for Concrete Highway and Street Pavements PCA.

A partir de la Tabla 83 se establece que para un espesor de materiales granulares de

470 mm el valor de K de la estructura es 110 MPa/m. Dadas las condiciones del tránsito

de la Avenida y de acuerdo con la tabla 400.1 de las Especificación IDU-ET-2005 se

recurrirá a colocar sobre la capa base granular una mezcla asfáltica del tipo MD12 de

espesor de 7.5 cm, dentro del diseño se considera que esta capa no presenta aporte

estructural y permite la función de proteger y mejorar la capacidad del sistema a la falla

por erosión causada por fenómenos de bombeo, el consumo por erosión se limitará al

150% de acuerdo con lo indicado por las Especificaciones IDU ET 2005 y por los

Términos de Referencia del Contrato.

El número de repeticiones de carga por eje fue definido en el capitulo de tránsito y se

presenta a continuación.

TABLA 84: REPETICIONES POR TIPO DE EJE Y ESCENARIO DE TRÁNSITO TRAMO 2.

Sector/Carga

6 ton

11 ton

22 ton

24 ton

Escenario 1

12,984,874

9,744,309

3,240,565

1,766,251

Espesor de la Losa

27 cm

Consumo por Fatiga

Consumo por Erosión

Módulo de Reacción Combinado

110

MPa/m

Módulo de Rotura

4.5

MPa

Factor de Seguridad de Carga

1.2

Uso de Barras de Transferencia

SI

Consideración del Efecto Berma

NO

0%

150%

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Hoja A-145

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TABLA 84: REPETICIONES POR TIPO DE EJE Y ESCENARIO DE TRÁNSITO TRAMO 2.

Sector/Carga

6 ton

11 ton

22 ton

24 ton

Escenario 2

10,612,043

8,514,663

2,097,380

1,278,972

Para el Tramo 2 se toma el número de repeticiones indicado en el sector entre Chusacá

– Américas, dentro del cual se encuentra comprendido el tramo 2 Avenida Bosa –

Avenida Américas, de acuerdo con el nivel de tránsito se determina un factor de

seguridad por carga (FSC) de 1.2. Una vez definidos los datos anteriores se determina

el espesor de losa adecuado que cumpla con las premisas de diseño indicadas.

TABLA 85: ESPESOR Y PREMISAS DE DISEÑO PLANTEADAS PARA LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RÍGIDO PCA

1984 – ESCENARIO 1.

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Hoja A-146

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TABLA 86: ESPESOR Y PREMISAS DE DISEÑO PLANTEADAS PARA LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO RÍGIDO PCA

1984 – ESCENARIO 2.

Espesor de la Losa

27 cm

Consumo por Fatiga

Consumo por Erosión

Módulo de Reacción Combinado

110

MPa/m

Módulo de Rotura

4.5

MPa

Factor de Seguridad de Carga

1.2

Uso de Barras de Transferencia

SI

Consideración del Efecto Berma

NO

0%

116%

9.5.1 Juntas Longitudinales y Barras de Anclaje

Entre otras funciones la junta longitudinal controla el agrietamiento producido por

alabeo. En la construcción del pavimento, la junta debe ser marcada con una ranura

que separe los carriles y proporcione alojamiento para el sellado, unida por una barra de

anclaje que se encarga de asegurar que no haya desplazamiento relativo de las losas.

Si el pavimento se construye carril por carril, la junta longitudinal es del tipo junta de

construcción. Para este diseño el ancho de carril es 3,50 m.

Las características de las barras de anclaje se establecen de acuerdo con la metodología

PCA. En la Tabla 87 se presenta la recomendación para el refuerzo, teniendo en cuenta

que el acero usado deberá cumplir con un esfuerzo de fluencia de 420MPa

TABLA 87. DIMENSIONES DEL ACERO DE REFUERZO

Espesor de losa

(m)

Diámetro (in)-

(m)

Longitud

(m)

Espaciamiento

(m)

0.27

½” (0.0127)

0.85

1.2

Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto – Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC.

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Hoja A-147

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Las barras de acero no se deben instalar a menos de 40 cm de la junta transversal para

evitar que interfieran con el movimiento de las juntas.

9.5.2 Juntas Transversales y Pasadores

Las juntas transversales o juntas de contracción son juntas de alabeo (Tipo B), es decir,

controlan las grietas causadas por la retracción de fraguado del hormigón y por las

acciones climáticas (temperatura y humedad) cumpliendo una función mecánica

esencial constituyendo un medio de transferencia de la carga. Se deben cumplir las

separaciones máximas de la Tabla 88.

TABLA 88. SEPARACIÓN MÁXIMA ENTRE LAS JUNTAS (CRITERIO I)

Tipo de Agregado

Grueso

Separación Máxima de

Juntas Transversales (m)

Separación Máxima de

Juntas Longitudinales

(m)

Piedra Partida

6,0

4,0

Agregado Redondeado

4,5

4,0


Para el espaciamiento entre juntas transversales, hay varias recomendaciones en la

literatura técnica que podrían considerarse en este proyecto:

• Que el espaciamiento en pies entre juntas de contracción para pavimentos de

hormigón no supere 2 veces el espesor de la losa en pulgadas, lo que para este diseño

sería lo que se presenta en la Tabla 89.

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Hoja A-148

Rev.: 0

TABLA 89. SEPARACIÓN MÁXIMA ENTRE JUNTAS DE CONTRACCIÓN (CRITERIO II)

Espesor de la Losa (in)

Separación de Juntas (ft)

Separación de las Juntas (m)

10.63

21.25

6.48


• Que el espaciamiento entre juntas sea veinticinco veces el espesor de la losa. (Véase

Tabla 90).

TABLA 90. ESPACIAMIENTO ENTRE JUNTAS (CRITERIO III)

Espesor losa (cm)

27

Separación máxima (m)

6.75

Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos

de Concreto – Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC

• Que la máxima relación de esbeltez de la losa sea de 1,4 veces:

TABLA 91. SEPARACIÓN MÁXIMA ENTRE JUNTAS (CRITERIO IV)

Ancho (m)

3.50

Separación máxima (m)

4.90

Fuente: Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos

de Concreto – Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC

Por razones constructivas y respetando los criterios anteriores, se ha establecido una

separación máxima entre juntas transversales de 4,5 metros.

Es necesario complementar la eficiencia de la trabazón de agregados mediante el

empleo de barras de acero liso, denominadas pasadores, que conectan entre sí las losas

separadas por juntas. Este tipo de mecanismo transmite tanto fuerzas de cizalladura

como momento flector, pero debe permitir el libre movimiento horizontal de las losas,

Doc. Nº: 50.31-002-650-012

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Hoja A-149

Rev.: 0

por lo cual al menos una mitad del pasador debe no adherir con el concreto que lo

rodea. Asimismo, esta libertad de movimiento horizontal exige que los pasadores de

una junta sean todos paralelos al eje de la calzada y que se encuentren ubicados en el

eje neutro de la losa.

Según lo establecido por la PCA1, para las losas de 26 a 28 cm de espesor, el diámetro

del pasador (varillas lisas tipo A-37 con fy=240MPa) debe ser de 34.9 mm (1 3/8”) de

45 cm de longitud y con separación entre centros de 30 cm.

9.5.3 Corte y Sellado de Juntas

Las juntas transversales se deben cortar con un equipo autopropulsado de disco

diamantado cumpliendo con las siguientes dimensiones:

• Corte inicial de 1/3 del espesor de la losa, medido desde la superficie, con un

ancho máximo de 3 mm. Corte de ensanche de 3 mm de ancho máximo y una

profundidad de 30 mm medido desde la superficie de la losa.

• El ancho total de la junta transversal debe tener 6 mm (±1.5 mm) de ancho, incluido

el corte inicial y el corte de ensanche.

Se deben ejecutar los cortes de las juntas transversales y el sello de las juntas de

acuerdo con el detalle de la Figura 24.

1 Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de Concreto – Ing. Cipriano A. Londoño N. ICPC, Tabla 64, Página 104

Doc. Nº: 50.31-002-650-012

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Hoja A-150

Rev.: 0

FIGURA 24. DETALLE DE CONSTRUCCIÓN DE LAS JUNTAS

D/3

3-6 mm

6 mm Junta sellada con silicón o poliuretano Sello plástico no adherente de polietileno (Baker Rod) (9mm de diámetro± 1,5 mm)

3 mm

Se incluye la colocación del sello plástico (cordón de respaldo) para mantener el factor

de forma apropiado para las masillas de sello aplicadas. Para la instalación del material

de sello con silicón o poliuretano se debe tener especial cuidado en la adecuada limpieza

de los bordes de la junta para evitar el desprendimiento prematuro en el tiempo del

sello. En el momento de colocación del sello, la junta debe estar seca, limpia, libre de

partículas. También para evitar el desprendimiento prematuro, el material de sello debe

quedar de 3 a 6 mm por debajo de la rasante de las calzadas.

Para el sellado de junta debe cumplirse lo siguiente:

• La tirilla de respaldo debe tener un diámetro de 9 mm ± 1,5 mm.

• La relación ancho/profundidad del sellador de silicón deberá ser como mínimo 1:1 y

máximo 2:1. • La ranura inicial de 3 mm para debilitar la sección deberá ser en el momento oportuno

para evitar el agrietamiento de la losa, la pérdida de agregados en la junta, o el

desportillamiento. El corte adicional para formar el depósito de la junta deberá

efectuarse cuando menos 72 horas después del colado.

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Hoja A-151

Rev.: 0

• La superficie del sello debe quedar entre 3 y 6 mm por debajo de la superficie de la

losa.

• La cavidad debajo de la junta siempre debe permanecer limpia y libre de cualquier tipo

de material.

9.5.4 Juntas de Expansión

Al comienzo y fin del tramo de estudio, cuando el pavimento rígido empalma con el

pavimento flexible, se construye una junta, en la cual se aumenta el espesor de la losa

para absorber los esfuerzos de borde ocasionados por el tráfico, ésta se conoce como

junta de expansión.

Finalmente dado que la vía se encuentra atravesando en una zona de clima frío se

recomienda al diseño de la mezcla de concreto adicionarle los adictivos correspondientes

que garanticen un buen fraguado y posterior curado.

diseÑo de la estructura de pavimento

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