diseño y cálculo pavimento carril exclusivo

JUNTA

PASADOR PASADOR

BASE

(SUBBASE)

EXPLANADA

PROGRAMA DE MOVILIDAD Y TRANSPORTE PÚBLICO

MEMORIA DE CÁLCULO DISEÑO DEL PAVIMENTO RIGIDO

PROYECTO SISTEMA INTEGRADO DE TRANSPORTE MASIVO EN EL ÁREA

METROPOLITANA DE LA PAZ

1. Características de los pavimentos de hormigón

Sobre el pavimento de hormigón recae la responsabilidad estructural y funcional, mientras que

las capas inferiores tienen por misión asegurar su apoyo forme y estable. El espesor de la losa

de hormigón puede ser inferior a 20cm si el tráfico es muy ligero o llegar a 40 cm en algunas

pistas de aeropuertos. El hormigón, constituido por áridos adecuados, 300-350kg/m3 de

cemento, una relación agua/cemento relativamente baja y los aditivos necesarios, se fabrica,

transporta, extiende, compacta y cura para conseguir un material homogéneo, resistente a la

fatiga por flexión, al desgaste por el tráfico y a los eventuales efectos de la helada y de las sales

fundentes que pueden emplearse.

Figura 1.1 Pavimento de hormigón vibrado.

a. Rigidez del pavimento

Los hormigones tienen un comportamiento, bajo las acciones del tránsito, fundamentalmente

elástico; incluso en condiciones severas de tráfico pesado, intenso y lento y elevadas

temperaturas, no experimentan deformaciones viscoplásticas.

b. Juntas

La retracción inicial del hormigón y las variaciones de volumen por cambios de temperatura y de

humedad (parcialmente impedidas por el peso propio de la losa y su rozamiento con la base de


apoyo) hacen necesaria la construcción de juntas para evitar la aparición aleatoria de fisuras en

el pavimento, muchas de las cuales se desportillarían bajo acción directa del tráfico; al mismo

tiempo, las fisuras más abiertas permitirían la entrada de agua y partículas extrañas hacia la

base, pudiéndose llegar a formar bloques inestables bajo el tráfico. Por otro lado, también son

necesarias las juntas para facilitar el albeo de las losas debido a los gradientes de temperatura

y de humedad. Finalmente, cuando se interrumpe la colocación del hormigón, se hacen

necesarias juntas de construcción.

Esta solución de continuidad del pavimento no debe afectar, sin embargo, a sus cualidades

estructurales o funcionales. Es necesario asegurar una cierta transmisión de cargas de una losa

a la contigua para evitar el escalonamiento durante el periodo de servicio.

c. Sensibilidad a agentes externos

Los pavimentos de hormigón no se ven afectados por eventualidades depósitos de aceites y

combustibles en su superficie, ventaja que puede tener importancia en estacionamientos y en

rampas. En zonas sometidas a heladas y cuando se prevea el empleo de sales fundentes en

invierno, será necesario incorporar al hormigón un aireante y asegurase de una efectiva

presencia de aire ocluido.

d. Características superficiales

La resistencia al deslizamiento se puede conseguir empleando una proporción apreciable de

una arena silícea y dando al hormigón fresco una textura superficial adecuada mediante

arrastre de una arpillera y posterior cepillado, estirando o ranurado.

La calidad de la rodadura viene marcada por la regularidad superficial obtenida. En ella influyen

factores tales como la puesta a punto de la pavimentadora y de sus elementos de acabado, la

homogeneidad del hormigón, el camino de rodadura de la maquinaria, los elementos de guiado

y la regularidad del ritmo de puesta en obra.

e. Durabilidad

La resistencia del hormigón aumenta con el tiempo y si el proyecto del pavimento ha sido

correcto, su índice de servicio disminuye lentamente. La fatiga a flexión del hormigón es la que

determinará finalmente el agrietamiento generalizado del pavimento y la necesidad de su

refuerzo o reconstrucción. En este fenómeno influyen factores tales como el espesor de la losa,

3-7 m


la resistencia a flexotracción del hormigón, la intensidad y el número de aplicaciones de las

cargas, el clima. La forma y las dimensiones de las losas y las condiciones de su base de

apoyo.

f. Apertura a la circulación

En general, la apertura a la circulación ordinaria no debe realizarse antes de siete días de la

terminación del pavimento. La apertura al tráfico de obra requiere por su parte que la resistencia

alcanzada por el hormigón sea al menos el 80 por 100 de la exigida a 28 días. La limitación de

plazo no suele ser relevante en obras nuevas, dado que las tareas de terminación, señalización

y obras auxiliares suelen durar más tiempo, pero si tiene una incidencia fundamental en obras

de refuerzo o reconstrucción de vías existentes con tráfico de difícil o imposible desvío.

g. Conservación y rehabilitación

Un pavimento de hormigón correctamente proyectado y construido requiere poca conservación:

eventual sellado de juntas y grietas, reconstrucción de algunas losa, restauración de la

macrotextura, etc.

2. TIPO DE PAVIMENTO

Figura 1.2 Pavimento de hormigón vibrado o compactado

a. Pavimentos de hormigón vibrado en masa

Son en general, los de construcción más sencilla y de menor coste. Se disponen en ellos juntas

transversales de contracción y juntas longitudinales de alabeo entre carriles o donde la anchura

extendida de una sola vez es superior a 5 m. Resulta así generalmente losas rectangulares,

preferiblemente casi cuadradas, salvo en intersecciones, ramales y otras superficies de anchura

variable que han de tener, en cualquier caso, una forma relativamente regular sin ángulos

agudos. Ambos tipos de juntas, longitudinales y transversales, pueden ser también de

construcción u hormigonado: las primeras, donde la anchura que se pavimenta es superior a las

de los quipos de extensión, y las segundas, donde la extensión se interrumpe durante un tiempo

apreciable.


En juntas longitudinales se disponen con frecuencia unas barras de unión de acero corrugado

para mantener unidas las losas contiguas. Permiten el albeo debido al gradiente térmico, pero

impiden la abertura de las juntas y su escalonamiento bajo la acción del tráfico.

Las juntas transversales suponen una solución de continuidad del pavimento, ya que los

movimientos verticales, especialmente bajo la acción de los ejes de los vehículos pesados, son

deferentes en las juntas que en el interior de la losa. El método más usual para mejorar la

transmisión de las cargas entre losas contiguas consiste en disponer unos pasadores, que son

barras lisas de acero no adheridas al hormigón situadas a la mitad del espesor de la losa

paralelas entre sí y al eje de la vía. Estos pasadores aseguran la continuidad de la rodadura a

largo plazo bajo un tráfico pesado intenso, pues prácticamente imposibilitan el escalonamiento

del pavimento en las juntas.

3. DISEÑO POR MÉTODO AASHTO

a. Prueba de pavimentación AASHTO

El método de diseño de espesores de pavimentos rígidos está basado en los resultados

obtenidos de la prueba de carreteras concebida y promovida gracias a la organización que

ahora conocemos como AASHTO para estudiar el comportamiento de estructuras de pavimento

de espesores conocidos, bajo cargas móviles de magnitudes y frecuencias conocidas y bajo el

efecto del medio ambiente en secciones conocidas de pavimentos rígidos y flexibles. La

planeación empezó en 1951, la construcción del proyecto comenzó en 1956 muy cerca de

Ottawa, Illinois. El tráfico controlado de la prueba se aplicó de octubre de 1958 a noviembre de

1960 y el método estuvo listo para 1961.

b. Formulación del método de diseño

El objetivo principal de las pruebas consistía en determinar relaciones significativas entre el

comportamiento de varias secciones de pavimento y las cargas aplicadas sobre ellas, o bien

para determinar las relaciones significativas entre un número de repeticiones de ejes con

cargas, de diferente magnitud y disposición, y el comportamiento de diferente espesores de

pavimentos, conformados con bases y sub-bases, colocados en suelos de características

conocidas.

En total se examinaron 368 secciones de pavimento rígido y 468 secciones de pavimento

flexible.


Las mediciones físicas de las secciones de prueba se transfirieron a fórmulas que podían dar

nuevamente valores numéricos de capacidad de servicio. Estos valores graficados contra las

aplicaciones de carga forman una historia de comportamiento para cada sección de prueba que

permiten la evaluación de cada uno de los diversos diseños.

c. Evolución de la guía AASHTO

Aproximadamente después de un año de terminar la prueba AASHO para 1961 salió publicada

la primer "Guía AASHO para Diseño de Pavimentos Rígidos y Flexibles". Posteriormente para

1972 se realizó una revisión y se publicó como la "Guía AASHTO para Diseño de Estructuras

de Pavimento - 1972". Para 1981 se hizo una Revisión al Capítulo III, correspondiente al Diseño

de Pavimentos de Concreto con Cemento Portland. Para 1986 se publicó una revisión de la

"Guía para el Diseño de Estructuras de Pavimento". En 1993 se realizó una Revisión del Diseño

de Sobrecarpetas de pavimento. Para 1998 se publicó un método alternativo para diseño de

pavimentos, que corresponde a un "Suplemento a la guía de diseño de estructuras de

pavimento".

d. Variables del método de diseño

Las variables que intervienen en el diseño de los pavimentos constituyen en realidad la base del

diseño del pavimento por lo que es necesario conocer las consideraciones más importantes que

tienen que ver con cada una de ellas para así poder realizar diseños confiables y óptimos al

mismo tiempo. Estas variables son:

Espesor. Serviciabilidad (inicial y final). Tráfico (ejes equivalentes). Transferencia de carga. Propiedades del concreto (módulos de ruptura y elasticidad). Resistencia de la subrasante (módulo de reacción). Drenaje. Confiabilidad (confiabilidad y desviación estándar).

Confiabilidad

La confiabilidad está definida como "la probabilidad de que un pavimento desarrolle su función

durante su vida útil en condiciones adecuadas para su operación".

Clasificación Funcional Urbano RuralAutopistas 85% - 99.9% 80% - 99.9%Arterias Principales 80% - 99% 75% - 99%Colectoras 80% - 95% 75% - 95%Locales 50% - 80% 50% - 80%

Clasificación ConfiabilidadAutopistas 95%Carreteras 80%Rurales 70%Zonas industriales 65%Urbanas principales 60%Urbanas Secundarias 50%

DesviaciónEstándar

(So) 50% 60% 70% 80% 90% 95%0.3 1 1.19 1.44 1.79 2.42 3.12

0.35 1 1.23 1.53 1.97 2.81 3.760.39 1 1.26 1.6 2.13 3.16 4.380.4 1 1.26 1.62 2.17 3.26 4.55

Confiabilidad (R)


Otra manera de entender la confiabilidad, por ejemplo es: si se considera una confiabilidad "R"

del 80% estaríamos permitiendo que el 20% de las losas del pavimento alcancen al final de su

vida útil una serviciabilidad igual a la serviciabilidad final seleccionada en el diseño.

Tabla 1.1 Confiabilidad recomendada por AASHTO

Para el diseño del pavimento se tomará una confiabilidad del 95% recomendada para

autopistas.

Tabla 1.2 Confiabilidad recomendada

Nota: Estos valores son sugeridos. Lo más importante es utilizar un buen criterio

Como se menciona anteriormente la confiabilidad puede relacionarse con un Factor de

Seguridad.

A continuación se presentan los factores de seguridad aproximados a los que corresponde la

confiabilidad. Estos factores de seguridad van asociados con la Desviación Estándar (So).

Tabla 1.3 Factor de seguridad de la ASSTHO

FS AASHTO = 10 ( - Zr x So )

Pavimento So Nuevo 0.35

Whitetopping 0.39


Zr = desviación normal estándar para "R"

So = desviación estándar

Desviación estándar

La desviación estándar es la cantidad de error estadístico presente en la ecuación de diseño de

AASHTO resultando de la variación en los diferentes parámetros que intervienen en la

formulación, tales como: materiales, calidad de construcción, cuantificación del tráfico,

variaciones del soporte en el suelo, etc.

Tabla 1.4 Desviación Estándar Recomendada por AASHTO

Resulta razonable pensar que la desviación estándar "So" sea mayor para el caso de la

rehabilitación de un pavimento con una sobrecarpeta de concreto hidráulico que cuando se

considera un pavimento nuevo.

Esto debido a que la variabilidad de los materiales que forman el cuerpo de soporte

seguramente en mayor dado que ya han estado sometidos a condiciones de trabajo y las

posibilidades de modelarlo precisamente sin menores.

Pavimento

Kg./Cm2 psi

Autopistas 48 682.7

Carreteras 48 682.7

Zonas industriales 45 640.1

Urbanas principales 45 640.1

Urbanas secundarias 42 597.4

Módulo de Ruptura


La desviación estándar está muy relacionada con la confiabilidad "R", dado que entre ambos

valores componen el Factor de Seguridad utilizado en la formulación.

Para el diseño del pavimento en los diferentes tramos de vía se utilizará una Desviación

Estándar para pavimentos nuevos (So=0.35).

Modulo de ruptura

Debido a que los pavimentos de concreto trabajan principalmente a flexión es recomendable

que su especificación de resistencia sea acorde con ello, por eso el diseño considera la

resistencia del concreto trabajando a flexión, que se le conoce como resistencia a la flexión por

tensión (Sc) normalmente especificada a los 28 días.

El módulo de ruptura se mide mediante ensayos de vigas de concreto aplicándoles cargas en

los tercios de su claro de apoyo. Esta prueba está normalizada por la ASTM C78. Existe una

prueba similar con la aplicación de la carga al centro del claro que genera resultados diferentes

de resistencia a la tensión (aproximadamente 15% a 20% mayores) pero que no son los que

considera AASHTO para el diseño.

Especificación del Módulo de Ruptura Recomendado (Sc)

Los valores recomendados para el Módulo de Ruptura varían desde los 41 kg/cm2 (583 psi)

hasta los 50 kg/cm2 (711 psi) a 28 días dependiendo del uso que vayan a tener.

En seguida se muestran valores recomendados, sin embargo el diseñador deberá elegir de

acuerdo a un buen criterio.

Tabla 1.5


Para este proyecto se utiliza el Sc recomendado que es igual a 48kg/cm2 o 682.7 psi,

recomendado para autopistas.

Modulo de elasticidad

El Módulo de Elasticidad del concreto esta relacionado con su Módulo de Ruptura y se

determina mediante la norma ASTM C469.

Es la medida de la rigidez de la losa mientras más alto sea el valor de modulo elástico más

rígida será la losa, considerado en 3759900 PSI

Modulo de reacción

El módulo de reacción de suelo corresponde a la capacidad portante que tiene el terreno natural

en donde se soportará el cuerpo del pavimento. El valor del módulo de reacción (K) se puede

obtener directamente del terreno mediante la prueba de placa ASTM D1195 y D1196. El valor

de K representa el soporte (terreno natural y terraplén si lo hay) y se puede incrementar al

tomar la contribución de la subbase.

Cuando se diseña un pavimento es probable que se tengan diferentes valores de K a lo largo

del tramo por diseñar, el método AASHTO recomienda utilizar el valor promedio de los módulos

K para el diseño estructural.

Figura 1.3 Prueba de placa

Estimaciones y Correlaciones de K.

La estimación del coeficiente (K), módulo de reacción del suelo se lo realizará de acuerdo al

ábaco mostrado en la figura, para el cual es necesario estimar el espesor de la capa base y su

módulo de elasticidad, que para estabilizar con suelo granular se adopta un módulo de


elasticidad de 25000 PSI, en el caso que se estabilice con una capa de suelo cemento se

adoptará un módulo de elasticidad de 1000000 PSI.

Coeficiente de drenaje

El coeficiente de drenaje (Cd) incorpora el efecto de drenaje en la vida de los pavimentos

rígidos. El efecto de drenaje en el desempeño de los pavimentos es una función de la calidad

del drenaje (tiempo requerido para que el agua escurra) y la cantidad de tiempo durante el año

Indice deServicio

Calificación

5 Excelente

4 Muy bueno

3 Bueno

2 Regular1 Malo0 Intransitable


en que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad cercanos a la

saturación.

Valores Recomendables para el Coeficiente de Drenaje.

Calidad del Drenaje

Porcentaje del Tiempo que la Estructura del Pavimento esta Expuesta a Niveles de Humedad Cercanos a la Saturación

< 1% 1 – 5% 5 – 25% > 25%Excelente 1.25 – 1.20 1.20 – 1.15 1.15 – 1.10 1.10

Bueno 1.20 – 1.15 1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00Regular 1.15 – 1.10 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90 0.90Pobre 1.10 – 1.00 1.00 – 0.90 0.90 – 0.80 0.80

Muy Pobre 1.00 – 0.90 0.90 – 0.80 0.80 – 0.70 0.70

Entonces para el proyecto el valor del coeficiente de drenaje es 1.10 para un porcentaje del

tiempo de la estructura del pavimento está expuesto a niveles de humedad cercanos a la

saturación del 1% - 5% para una calidad de drenaje regular excelente.

Efectos del agua atrapada en la estructura del pavimento.

1- Reduce la resistencia de materiales granulares no ligados.

2- Reduce la resistencia de la subrasante.

3- Expulsión de Finos.

4- Levantamientos diferenciales de suelos expansivos.

5- Expansión por congelamiento. Asentamientos Grandes

Condiciones de Bombeo.

1- El suelo de la subrasante se pone en suspensión.

2- Hay agua libre entre la losa y la subrasante.

3- Cargas pesadas frecuentes.

Serviciabilidad inicial

La serviciabilidad se define como la habilidad del pavimento de servir al tipo de tráfico (autos y

camiones) que circulan en la vía, se mide en una escala del 0 al 5 en donde 0 (cero) significa

una calificación para pavimento intransitable y 5 (cinco) para un pavimento excelente. Como el

mostrado en la siguiente tabla:

Caso Po

Normal 4.5 Mínimo 4.3

Pavimento Pt Autopistas 2.5

Carreteras 2.0

Zona Industrial 1.8

Urbana Principal

1.8

Urbana Secundaria

1.5


La serviciabilidad es una medida subjetiva de la calificación del pavimento, sin embargo la

tendencia es poder definirla con parámetros medibles como los son: el índice de perfil, índice de

rugosidad internacional, coeficiente de fricción, distancias de frenado, visibilidad, etc. La

serviciabilidad inicial es la calificación que tendrá el pavimento inmediatamente después de

terminar su construcción.

Serviciabilidad Inicial Recomendada por AASHTO

En el proyecto se utilizara una serviciabilidad inicial de 4.5 para un caso normal del índice de

servicio.

Serviciabilidad final

La serviciabilidad se define como la habilidad del pavimento de servir al tipo de tráfico (autos y

camiones) que circulan en la vía, se mide en una escala del 0 al 5 en donde 0 (cero) significa

una calificación para pavimento intransitable y 5 (cinco) para un pavimento excelente.

La serviciabilidad es una medida subjetiva de la calificación del pavimento, sin embargo la

tendencia es poder definirla con parámetros medibles como los son: el índice de perfil, índice de

rugosidad internacional, coeficiente de fricción, distancias de frenado, visibilidad, etc.

La serviciabilidad final tiene que ver con la calificación que esperamos tenga el pavimento al

final de su vida útil.

Serviciabilidad Final Recomendada por AASHTO

Para el proyecto la serviciabilidad final se considera 2.5, considerando una autopista ya que el

tráfico será masivo.


Coeficiente de transferencia de carga

La efectividad de la Transferencia de Carga entre losas adyacentes depende de varios factores:

- Cantidad de Tráfico.

- Utilización de Pasajuntas.

- Soporte Lateral de las Losas.

Mientras más efectiva sea la transferencia de carga entre losas mejor será el comportamiento

del pavimento a lo largo de su vida útil. Una manera de transferir la carga de una losa a otra es

mediante la trabazón de agregados que se genera en la grieta debajo del corte de la junta, sin

embargo esta forma de transferir carga solamente se recomienda para vías con tráfico ligero.

Coeficiente de Transferencia de Cargas.

Tipo de PavimentoBerma de Asfalto Berma de Hº. Vinculado

Disp. De Transferencia Disp. De TransferenciaSI NO SI NO

Junta Sencilla y Junta Reforzada

3.2 3.8 – 4.4 2.5 – 3.1 3.6 – 4.2

Continuamente Reforzada 2.9 – 3.2 N/D 2.3 – 2.9 N/DSin Berma 2.5 – 3.2

El concepto de transferencia de cargas en las juntas transversales, se refiere a la capacidad de

una losa de transferir una parte de su carga a la losa vecina, de este modo, una losa con 100%

de transferencia de carga será aquella que transfiera la mitad de su carga a la losa vecina,

reduciendo por tanto sus tensiones de borde según muestra en la figura.

Soporte Lateral

El confinamiento que produce el soporte lateral contribuye a reducir los esfuerzos máximos que

se generan en el concreto por efecto de las cargas. Un pavimento de concreto puede

considerarse lateralmente soportado cuando tenga algunas de las siguientes características en

su sección.


"Para tener un mejor comportamiento es recomendable proveer siempre SOPORTE LATERAL a las Losas."

Desplante sobre Bases Cementadas ó Pavimentos Asfálticos.

Cuando las losas del pavimento se desplantan sobre una base tratada con cemento o cuando

se colocan sobre un pavimento asfáltico cuya estructura se forma por capas de base, sub-base

y asfalto; Se ha podido observar que la transferencia de carga entre las losas es más eficiente.

Algunas recomendaciones prácticas indican que cuando se tienen estos tipos de soporte, el

valor de J se puede reducir en 0.1 únicamente para el caso de juntas sin pasajuntas.

Comportamiento de las Juntas de Transferencia de Cargas

Barras Pasajuntas

Barra de acero redondo liso fy = 4,200 kg/cm2 la cual no se debe de adherir al concreto

permitiendo el libre movimiento de losas longitudinalmente, pero si debe de transferir

verticalmente parte de la carga aplicada en una losa a la adyacente. Se colocan perfectamente

alineadas a la mitad del espesor de la losa. El diámetro, longitud y separación de las pasajuntas

Cm. In. mm. In. Cm. In. Cm. In.13 a 15 5 a 6 19 03-Abr 41 16 30 1215 a 20 6 a 8 25 1 46 18 30 1220 a 30 8 a 12 32 1 1/4 46 18 30 1230 a 43 12 a 17 38 1 1/2 51 20 38 1543 a 50 17 a 20 45 1 3/4 56 22 46 18

Espesor de LosaBarras Pasajuntas

Diámetro Longitud Separación


está en función del espesor de las losas principalmente. Algunas recomendaciones prácticas

para la selección de la Barra son las siguientes:

Factor de Fricción (F)

Representa la resistencia a fricción entre la parte inferior de la losa y la parte superior de la sub

base o subrasante, siendo equivalente al coeficiente de fricción.

El factor de fricción indica la fuerza requerida para hacer deslizar la losa sobre la sub base en

términos del peso de la losa, en otras palabras un valor de 1.5 para el factor de fricción indica

que es necesaria una fuerza 1.5 veces el peso de la losa para provocar el deslizamiento de la

misma sobre la sub base.

Valores del Factor de Fricción

Tipo de material Bajo la Losa

Factor de Fricción F

Tratamiento Superficial 2.2Estabilización con cal 1.8

Estabilización con asfalto 1.8Estabilización con cemento 1.8

Grava de río 1.5Piedra Chancada 1.5

Arenisca 1.2Subrasante Natural 0.9

Resistencia a Tracción del hormigón.

Para estimar la resistencia a la tracción del hormigón a los 28 días la guía AASHTO nos indica

que este valor es el 86% del módulo de rotura del hormigón (Sc)

Retracción del Hormigón.

La retracción del hormigón es la que ocurre por la pérdida de agua y su efecto es una reducción

de las dimensiones de la pieza de hormigón.


Valores de Contracción del Hormigón

Resistencia a la Tracción Indirecta Fi MPa (PSI)

Contracción (inch/inch)

2.07 (300) 0.00082.76 (400) 0.00063.45 (500) 0.000454.14 (600) 0.00034.83 (700) 0.0002

Coeficiente de Dilatación.

El coeficiente de dilatación térmica varía con la relación A/C, la edad del hormigón, el contenido

de cemento, la humedad y el tipo de agregado (siendo el que ejerce mayor influencia).

Coeficiente de Dilatación del Hormigón

Tipo de Agregado GruesoCoeficiente de dilatación

x10-6/ºC (x10-6/ºF)

Cuarzo 11.9 (6.6)Arenisca 11.7 (6.5)

Grava 10.8 (6.0)Granito 9.5 (5.3)Basalto 8.6 (4.8)Caliza 6.8 (3.8)

El coeficiente térmico para el acero se asume como 9.0x10-6/ºC (5.0x10-6/ºF)

diseño y cálculo pavimento carril exclusivo

Documents