diseño estructura pavimento istmina

8/17/2019 Diseño Estructura Pavimento Istmina

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J BZON LOZ NO MOSQUER

Ingeniero Civi l

Especial ista en Vias y Transpo rte

DISEÑO ESTRUCTURAL PAVIMENTO RIGIDO PARA EL MUNICIPIO DE ISTMINA, CABECERAMUNICIPAL

6,1 DESCRIPCION GENERAL

El pavimento de 2659 Ml en concreto en la Cabecera municipal, del municipio de Istmina

Chocó, se diseñara con base en la ecuaciones de Westergaard, que utiliza el módulo de

reacción de la subrazante a partir de una correlación con el CBR, de campo obtenido

Los factores que afectan el espesor de la losa en el diseño son, entre otros, la magnitud de

las cargas que ha de soportar, las presiones de inflado de las llantas de los vehículos, el

módulo de reacción de la subrazante y las propiedades mecánicas del concreto; teniendo

en cuenta dichas variables y de acuerdo con los fundamentos teóricos propuestos por

westergaard, la portland cemento asociación (PCA), elaboro un método racional para el

diseño de pavimentos rígidos, orientado a determinar el espesor de la placa de concreto

de hidráulico, el cual se fundamenta en el concepto de que la falla de las losas de

pavimentos ocurre por fatiga, considerando que los esfuerzos originados por las cargas

sean menores que la Resistencia a la flexión de concreto.

En términos general el procedimiento de diseño consiste en un tanteo por ensayo y error:

se fija un espesor de losa que supuestamente satisface las condiciones de diseño, se

calculan los esfuerzos que generan los diferentes tipos de ejes que circulan por la vía y a

partir de ellos la fatiga inducida en el pavimento por repetición de cargas; la fatiga

acumulada se compara con la admisible para verificar si el espesor supuesto es suficiente;

en caso contrario, se escoge otro espesor de losa reiterando el proceso hasta obtener un

valor admisible.


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PARAMETROS DE DISEÑO

Se debe tener en cuenta los siguientes aspectos: Su capacidad de soporte, su potencial debombeo y aporte estructural de la sub-base.

Capacidad de soporte de la subrazante

De las pruebas de CBR de campo, realizadas, se obtuvo varios CBR, del cual sus valores

cercanos de CBR o similares, se puede tomar con gran precisión el menor CBR obtenido, y

estando del lado conservador tomaremos el menor valor del CBR obtenido como CBR de

diseño:

CBR = 29.8 %

Ver estudios realizados,

Para este CBR de la subrazante se tiene una correlación para un módulo de reacción de la

subrazante (K) de:

K =9.3 Kg/cm2

De acuerdo a la gráfica 3,4

Potencial de Bombeo:

Un suelo se considera sensible al bombeo si presenta las siguientes características:

Porcentaje de partículas que pasa la malla No 200 mayor al 45%

-Limite liquido mayor que 25 LL>mayores a 25

-Índice plástico mayor que 6 IP>mayores a 6,0


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Para evitar este fenómeno, causante frecuente de las fallas en los pavimentos rígidos, es

necesario colocar la sub-base de 0.20 mts; si el suelo no es potencialmente bombeable se

puede colocar la base o placa directamente sobre la subrazante.

Aporte estructural de la su-base K (Mejorada)

La sub-base mejora el apoyo de la losa y en consecuencia se produce un incremento en el

módulo de reacción de la subrazante; en las figuras anexas, 6,1A y 6,1B, se ilustra la forma

de estimarlo de acuerdo con el espesor de la sub-base granular.

El parámetro K mejorado, representa la capacidad portante del conjunto subrazante sub-

base y como tal debe emplearse en el diseño para tener en cuenta el aporte estructural

del material de la sub-base.

El espesor mínimo recomendado por cuestiones constructivas para la subbase es de 0.225

ms.

K mejorada = 6,5 Kg/cm2

Tránsito.

El transito se cuantifica por medio del número total de ejes de cada carga que circulara

por el pavimento durante el periodo de diseño.

un tráfico muy liviano, el cual será utilizado para el chequeo y revisiones de la estructura

del pavimento, por ser el máximo trafico al que puede estar sometida una calle, como la

idea es verificar con los estudios de suelo y CBR obtenidos, la estructura mínima

propuesta, una subbase de 0.20 mt, el mínimo recomendado para el aislamiento del


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material de la subrazante, un espesor mínimo de 0.18 mts, el mínimo recomendado por el

INVIAS con una calidad del concreto recomendada con Mr. de 40 kg/cm2.

De todas formas se tomara un tránsito mínimo para el cálculo de la estructura depavimento.

Concreto.

La resistencia del concreto se cuantifica por medio de su módulo de rotura a la flexión

(MR), medido en el laboratorio sobre vigas de concretos de dimensiones normalizadas.

Existen correlaciones con la resistencia a la compresión (F'c) las cuales, aunque

proporcionan con muy buena exactitud.

La relación con el módulo de rotura viene dado por la siguiente ecuación Mr=2.5*f´c*0.5

(kg/cm2).

Con lo cual tenemos los siguientes valores correlacionados.

Resistencia a la

compresión

Módulo de rotura Resistencia a la

compresión

Kg/cm2 Kg/cm2 Psi

210 36.23 3000

245 39.13 3500

280 41.83 4000

Para la presente selección de estructuras del pavimento se trabaja con Mr de 40 kg/cm2 el

cual tiene una correlación con un concreto de 3500 psi.


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ESFUERZOS EN PAVIMENTOS RIGIDOS

Los esfuerzos (Ft) que producen las cargas del tránsito en el interior de las losas delpavimento son básicamente de flexión, su magnitud depende, entre otros factores del

espesor de la losa, de las características del concreto (módulo de poisson y elasticidad) y

finalmente de la magnitud, distribución y localización de las cargas.

La PCA elaboro ábacos o monogramas simplificando las fórmulas de westergaard, para los

diferentes casos de aplicación, (figuras 6,2A, 6,2B, 6,2C), para su empleo se requiere

conocer los siguientes parámetros:

Carga y tipo de eje. Módulo de reacción del conjunto sub-base - subrazante (mejorada)

espesor tentativo de la placa de concreto

Aunque estos monogramas, con la aplicación de los computadores, quedaron resumidos a

simples formulas en los distintos programas, pero su utilización es muy apta para el diseño

de pavimentos y dan la ventaja de modelar de forma inmediata un esfuerzo dado.

CALIDAD DEL CONCRETO

El concreto empleado en la construcción de pavimentos rígidos debe tener un módulo de

rotura a flexión al menos de 40 kg/cm2 (MR>40kg/cm2); concretos de menor resistencia

son, normalmente de alta absorción y presentan problemas significativos de durabilidad,

bien sea por baja calidad de los agregados utilizados o por un valor muy alto de la relación

agua cemento.


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FATIGA EN EL CONCRETO

Aunque una carga individual produzca en los concretos esfuerzos menores que su módulo

de rotura y, por lo tanto no origine falla del pavimento, la repetición frecuente de esa

carga puede producir fatiga del material o rotura de las losas.

M.A menor demostró que cargas que producen esfuerzos mayores que el 50% del módulo

de rotura (MR) inducen fatiga en el concreto y, la repetición de esas cargas un número

determinado de veces produce la falla de las placas del pavimento; en cambio, las cargas

que generan esfuerzos menores o iguales al 50% del MR no producen fatiga en el material

y pueden repetirse indefinidamente.

FACTOR DE SEGURIDAD

Es el factor por el que deben multiplicarse las cargas nominales de eje; los valores que

recomiendan son:

Para vías de tránsito pesado =

FS = 1,2

Para carreteras y arterias de transito =

FS = 1,1

Para carreteras secundarias =

FS = 1,0

En nuestro caso todas las vías del Municipio de Istmina, tenemos un FS = 1,0


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PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

Se escoge un espesor de placa. (e= 15cms) Conocida la distribución del tránsito por tiposde ejes de acuerdo con la magnitud de la carga mayorada, teniendo en cuenta el factor de

seguridad, se determina de los monogramas de las figuras 6,2A (Ejes sencillos, en nuestro

caso), el esfuerzo (Ft) producido por cada una de ellas.

Calcular la relación de esfuerzos (Ft / MR) para cada carga y determinar en la tabla 6,1o en

la figura 6,4, el número de repeticiones admisibles (Na) De la información del tránsito se

obtiene el número total de ejes para cada carga que se espera en el periodo de diseño(20) y se determina el consumo de fatiga por carga (CF) que se expresa en porcentaje.

CF = Xi x 100 / Nai

Se calcula el consumo total de fatiga (CTF) debido a todos los ejes que circulan por la via

CtF = SUMATORIA (Xi x 100 / Nai)

Ne(8,2) = 0,7 x 106 K subrazante = 4 kg/cm2

MR= 40Kg/m2: K de la subrazante=9.3 kg/m2

Trafico liviano; FS= 1,0 Sub-base = 22.5 cms

CBR de campo subrazante CBR = 4,7 Espesor placa= 15 cms

K mejorada = 10.3 kg/cm2 MR = 40 kg/cm2

Carga poreje (T)

Carga porF.S(1,0)

Esfuerzo dela losa,

Ft(kg/cm2)

Relación deEsfuerzos

No derepeticionesadmisibles

Norepeticiones

esperadas

Consumo defatiga (%)

EJES SIMPLES

12 12 20.5 0.55 Infimitas 23.261

11 11 17.5 0.44 Infinitas 75597.97

10

9

8 8 17.5 0.44 Infinitas 60737 2.26

7

6

5 5 17.5 0.44 infinitas 33599.10

4

SUMA FATIGA =0.00%

CONSUMO FATIGA ADMISIBLE =125,0%


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De la tabla anterior no se presenta consumo de fatiga en el periodo de diseño, una fatigaque no implica nada en la vida útil del pavimento y el conjunto rasante, subbase


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JUNTAS LONGITUDINALES CON PASADOR

Las juntas deben estar marcadas con una ranura que separe los carriles y proporcione

alojamiento adecuado al sello de la junta. Cuando el pavimento no está confinado

lateralmente es necesario colocar barras de anclaje para mantener cerrada la junta y

asegurar la eficiencia.

Donde:

As = F. b. W / Fs.As = Área transversal del acero por unidad de longitud ( cm2 / ml)

Fs = Esfuerzo de trabajo del acero (Kg/cm2) = 0,67 Fy = 2814 kg/cm2

b = Distancia entre la junta longitudinal y el borde libre del pavimento (mts). Para

Placa de pavimentos de ancho promedio de 2,150 mts.

W = Peso de la placa por unidad de área (kg/m2) = 432 kg/m2

F = Coeficiente de fricción entre la placa y la súbase, se puede tomar F=1,5

Remplazando los valores en la ecuación tenemos:

Fs = 2814 kg/cm2

b = 2,5 mts

W = 432 kg/m2

F = 1,5

Se tiene:

As = 1,5 x 2,15 x 432 / 2814 = 0,495 cm2/ml


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Lo que equivale a 1Ø1/2" (1,27 cm2), cada 1,8 ml, por lo que se procede a colocar

refuerzo mínimo, 1Ø1/2" cada 40cms, en las juntas longitudinales.

La longitud de las barras debe ser tal, que el esfuerzo de trabajo del acero no exceda el

esfuerzo de adherencia a cada lado de la junta. Se adicionan 7,0cms a la longitud total del

pasador para compensar defectos en su colocación; para acero corrugado se tiene:

L= 1,5.fs / a. p

Dónde:

L= Longitud total del pasador

p = Perímetro del pasador (cms)

fs. = Esfuerzo de trabajo del acero (kg/cm2) = 0,67 Fy.

a= 0,1x245 = 24,5 kg/cm2

p = 1,27 cms x 3,1416 = 3,98 cms

Fs = 0,67 x 4200 = 2814 kg / cm2

Porlo tanto se tiene:

La longitud total del pasador longitudinal sera de 50 cms, por lo que el diseño de acero

para junta longitudinal será el siguiente:

1Ø1/2", cada 40 cms, L=0,5 mts

L = 1,5 x 2814 / ( 24,5 x 3,98 ) +7,5 cms = 50,288 cms

L= Longitud total del pasador

p = Perímetro del pasador (cms)

fs = Esfuerzo de trabajo del acero (kg/cm2) = 0,67 Fy.

a = Esfuerzo de adherencia entre el acero y el concreto (a=0,1F'c, pero no mayor a

a= 0,1x245 = 24,5 kg/cm2

p = 1,27 cms x 3,1416 = 3,98 cms


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Fs = 0,67 x 4200 = 2814 kg / cm2

Por lo tanto se tiene:

L = 1,5 x 2814 / ( 24,5 x 3,98 ) +7,5 cms = 50,288 cms

24,5 kg/cm2)

JUNTAS TRANSVERSALES CON PASADOR.

Las juntas transversales pueden ser de contracción, expansión, alabeo o de construcción.

Los pasadores en las juntas transversales se requieren en vías de transito muy pesado;

Deben tratarse en la mitad de su longitud con aceite o grasa mineral o con un productoAdecuado para evitar la adherencia con el concreto a fin de permitir el libre movimiento

de contracción o de dilatación de las placas, la barra deber ser lisa y sin irregularidades.

Como se puede determinar de los estudios o conteos del tránsito, realizados en el sitio de

mayor tráfico del casco urbano, y al evaluar sus proyecciones en las calles o vías de diseño,

se puede observar que el transito no es un tránsito pesado, este no es el factor

predominante en el diseño, tal como se recomienda el uso de pasadores transversales

para tráfico pesado, con el transito esperado fácilmente se puede optar la opción del

trabazón de agregados para la transmisión de cargas, el cual para el tipo de pavimentos es

apto, pero considerando los efectos del clima, se recomienda unos pasadores mínimos, el

cual estarán conformados por Ø5/8", lisos, con una longitud de 0,5 mts y espaciados cada

0,8 mts, en cada junta transversal, colocando cuatro pasadores por cada junta de 3,0 mts.

Para la junta transversal se recomienda 1Ø5/8", cada 0,8 mts, L=0,5 mts, Cuatro pasadores

por junta transversal de 2,5 a 3,0 mts por carril.

JABZON LOZANO MOSQUERA

Ingenierio Civil Especialista en Vias y Transporte


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Tablas para diseño de pavimentos


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