ii
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
SISTEMA DE ESTUDIOS DE POSTGRADO
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa Rita – Izapa.
Tesina sometida a la consideración de la Comisión del Programa de Estudios de Postgrado en Ingeniería del Transporte para optar al grado de Master. Autor: Ing. José Joaquín Guevara Arce Tutor: Ing. Noel D. Heredia Veranes, Msc., PT
Universidad Nacional de Ingeniería Nicaragua
2003
Tesis de Maestría Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera
Santa Rita - Izapa
iii
DEDICATORIA
La presente Tesina “ Evaluación Técnico Económica de Pavimentos de Concreto
Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa Rita – Izapa. Se llevó a cabo por la
fortaleza y capacidad que Dios me ha dado a través de mi vida, es dedicada con
mucho cariño a:
- Ángela Arce, mi recordada Madre (Q.E.P.D)
- Ernesto Guevara, mi Padre (Q.E.P.D)
Mis Hermanos
- Rafael Guevara
- Cristóbal Guevara
- Delfina Guevara
- Silvia Guevara
- Lázaro Guevara
A mis Sobrinos
- Cristóbal Rafael Guevara
- Claudia Delfina Guevara
- Ángeles Marcela Guevara
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Santa Rita - Izapa
iv
AGRADECIMIENTOS
Agradezco de manera muy especial a las personas e instituciones que me
apoyaron para llevar a cabo la presente tesina:
- Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI)
-
- Ing. Noel D. Heredia Veranes, Msc (Tutor Académico)
- Ing. Rafael García
- Ing. Antonio Espinoza
- Lic. Nelda Hernández
- Ing. Thelma Zambrano
- Sra. María José García R.
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Santa Rita - Izapa
v
Hoja de Aprobación “ Esta Tesina fue aceptada por la Comisión del Programa de Estudios de Postgrado en Ingeniería del Transporte de la Universidad Nacional de Ingeniería, como requisito parcial para optar al agrado de Master”. ___________________________ ______________________________ ___________________________ ______________________________
_____________________________________
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vi
INDICE
DEDICATORIA iii AGRADECIMIENTOS iV HOJA DE APROBACION V INDICE vi RESUMEN Ix SUMMARY X LISTA DE TABLAS Xi LISTA DE ILUSTRACIONES xii INTRODUCCION 1 OBJETIVOS 2 HIPOTESIS 3 Capitulo.1 Valoración del Estado actual de la Carretera
Santa Rita- Izapa
4
1.1 Caracterización de la Carretera.
4
1.2 Resumen y Evaluación de las características de la Carretera.
5
1.3 Evaluación del pavimento existente y caracterización de la Subrasante.
7
1.4 Investigaciones Geotécnicas realizadas para la rehabilitación de la Carretera Santa Rita – Izapa.
8
1.5 Investigaciones Geotécnicas en la vía actual
9
1.5.1 Resultados de los ensayes de clasificación, humedad y limites.
11
1.5.2 Resultados de las pruebas de CBR. 11 1.6 Investigación Geotécnicas para bancos de
materiales.
12
1.7 Diseño de la estructura de pavimento flexible para la reconstrucción de la carretera Santa Rita – Izapa.
15
1.8 Predicción del Tráfico.
16
1.8.1 Periodo inicial de diseño.
17
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Santa Rita - Izapa
vii
1.8.2 Tránsito Promedio Diario Anual (TPDA) inicial en dos sentidos.
17
1.8.3 Porcentaje de vehículos livianos, medianos y pesados.
18
1.8.4 Porcentaje de tráfico en la dirección de diseño.
18
1.8.5 Número de carriles y porcentaje de tráfico en el carril de diseño.
19
1.8.6 Tasa de crecimiento anual de volumen de tráfico.
19
1.8.7 Tasa de crecimiento anual de ejes equivalentes por tipo de vehículo.
20
1.8.8 Factor de ejes equivalentes por tipo de vehículos.
20
1.9 Cálculo de ejes equivalentes
23
Capitulo 2 Diseño de alternativas de estructuras de pavimento Flexible para la carretera Santa Rita – Izapa.
24
INTRODUCCION
24
Método de Diseño
25
Variables de Diseño 25
2.1 Diseño de alternativa No. 1 26
2.2 Diseño de alternativa No. 2 33
2.3 Diseño de alternativa No. 2
40
Capitulo 3 Diseño de alternativa de pavimento rígido de la Carretera Santa Rita – Izapa
47
3.1 Información Básica 47
3.2 Método de Diseño 47
3.3 Variables de Diseño 47
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viii
3.4 Diseño de alternativa 48
Análisis de fatiga de concreto
53
Capitulo 4 Comparación económica de las variantes de estructuras de pavimentos
58
4.1 Introducción 58
4.2 Costos de alternativas 58
4.2.1 Alternativas de concreto asfáltico en caliente 58
4.2.2 Alternativa de concreto hidráulico. 60
4.3 Resumen de costos de alternativas 61
4.4 Ventajas y Desventajas técnicas económica de las alternativas de concreto asfáltico e hidráulico.
61
Conclusiones
63
Recomendaciones 64
BIBLIOGRAFIA
65
Anexos 67
Anexo 1 68
Anexo 2 69
Anexo 3 70
Anexo 4 71
Anexo 5 72
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ix
Resumen
La presente tesis contiene en su primera parte una valoración del estado actual de
la carretera, la que presenta grandes baches y en otras la desaparición de algunos
tramos del rodamiento asfáltico, así mismo se describe los procedimientos que se
utilizaron para el cálculo de los ejes equivalentes. seguidamente se describe los
procedimientos utilizados y los resultados obtenidos en el diseño de tres
alternativas de estructura de pavimento flexibles, estas son:
Mezcla asfáltica en caliente, base triturada y material existente como sub
base.
Mezcla asfáltica en caliente, base estabilizada con cemento y material
existente como subbase.
Mezcla asfáltica caliente, base asfáltica y material existente como subbase.
Presenta también el Diseño de una alternativa de concreto hidráulico utilizando
concreto de alta resistencia y el material existente como subbase, no se
estudiaron otras alternativas ya que sus altos costos no admiten comparación con
los pavimentos flexibles.
Se calcularon y se tomo como base los costos unitarios de un kilómetro de vía
para las variantes resultantes del estudio, tanto para concreto asfáltico como para
concreto hidráulico, resultando que los pavimentos flexibles tienen menores costo
de construcción
Se concluye que las alternativas de concreto asfáltico son más idóneas de aplicar,
dado su menor costo y su buen comportamiento ante las exigencias del trafico
automotor. El concreto hidráulico tiene costos mayores , durabilidad excelente y
requiere poco mantenimiento.
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x
Summary
This thesis holds back in his first splits an evaluation of the actual status of the
highway, the one that it presents big holes and in another the disappearance of
some stretches of the asphaltic bearing, in like manner it describes himself the
procedures that they utilized for the calculation of the equivalent axis. Straight
away it describes himself the procedures utilized and the aftermath obtained in the
design of three alternatives of structure of flexible pavement, these are:
Asphaltic mixture in hot, ground base and existent material like sub base.
Asphaltic mixture in hot, stabilized base with cement and material existent like sub
base.
Asphaltic mixture in hot, asphaltic base and material existent like sub base.
It presents also the Design of an alternative of concrete hydraulic utilizing concrete
of high resistance and existent the material like sub base, This thesis do not study
another alternatives due to his high costs do not admit comparison with the flexible
pavements.
they calculated themselves and himself take like base the unitary costs of a
kilometer of road for the variants ensuing of the studio, as much as for concrete
asphaltic like for concrete hydraulic, resulting that the flexible pavements have
minor cost of construction.
it concludes himself that the alternative ones of concrete asphaltic are more
suitable of applying, given his minor cost and his good behavior before the
exigencies of the automotive traffic. Hydraulic concrete has higher costs, durability
excellent and it requires little maintenance.
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xi
Lista de Tablas
Tabla1 Tipo y cantidad de ensayes ejecutados
10
Tabla 1.1 Tráfico promedio diario actual
18
Tabla 1.2 Porcentaje de vehículos livianos, medianos y pesados.
18
Tabla 1.3 Factores de tráfico en el carril de diseño
19
Tabla 1.4 Tasa de crecimiento anual
20
Tabla 1.5 Peso promedio por tipo de vehículo
21
Tabla 1.6 – 1.9 Determinación de ejes equivalentes
22
Tabla 1.10 Ejes equivalentes para los años
24
Cuadro 2 Espesores Mínimos AASHTO-93
26
Lista de Ilustraciones y Figuras - Espesores resultante Alternativa No. 1
32
- Espesores resultante Alternativa No. 2
39
- Espesores resultante Alternativa No. 3
45
- Espesor resultante Alternativa de concreto hidráulico
57
Tesis de Maestría PAG 1
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
Evaluación Técnica – Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e
Hidráulico para la Carretera Santa Rita - Izapa.
Introducción
De acuerdo al Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI), la red vial de
Nicaragua tiene una extensión de aproximadamente 19038 Km., distribuidos de la
siguiente manera:
Tipo de Camino Longitud
km
Pavimentado 2,018
Revestido 2,380
Todo Tiempo 6,299
Estación Seca 8,341
_______
Total 19,038
De la red vial pavimentada el 35% de esta ha sido reconstruida a partir de 1995
con estructuras con carpetas de rodamiento de concreto asfáltico en caliente. El
resto del pavimento está tan dañado y sujeto a tantas reparaciones, bacheos y
recarpeteos, que es imposible distinguir entre los diferentes tipos de pavimentos
que originalmente fueron colocados, como por ejemplo, tratamiento superficial,
concreto asfáltico, etc.
Entre los tramos de esta red vial se encuentra la carretera Santa Rita-Izapa la cual
forma parte de un Corredor Natural. Fue reconstruida durante los años 1992-1994,
con financiamiento del BCIE, sin embargo, la calidad de los suelos de fundación,
la deficiencia del drenaje, la falta de mantenimiento, el alcance de la rehabilitación,
Tesis de Maestría PAG 2
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Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
el tráfico pesado, la pluviosidad durante la construcción y fallas constructivas
contribuyeron a dañar la carretera de tal manera que se presentaron deficiencias
graves después de finalizadas las obras con un elevado índice de perdidas
económicas. Durante el año 1996, se ejecutaron reparaciones mayores en el
tramo, no obstante actualmente la carretera se encuentra en muy mal estado
ocasionando por consiguiente retrasos en los tiempos de traslado de los usuarios
de la vía así como un alto deterioro del tráfico automotor y por lo tanto un alto
costo en la operación vehicular.
Es por lo anteriormente enunciado que para la investigación que en el presente
trabajo se desarrolla se hayan definido los siguientes objetivos:
General:
Obtener un documento con parámetros Técnico-Económicos de Alternativas de
Pavimentos con carpetas de concreto asfáltico e hidráulico, que permita orientar
hacia la selección del pavimento más optimo para un determinado tipo de
carretera.
Específicos:
Obtener diversas estructuras de pavimentos, con carpetas de rodamiento de
concreto asfáltico e hidráulico, utilizando datos de tráfico y CBR, para la
carretera Santa Rita – Izapa.
Determinar costos unitarios de las estructuras de pavimentos a evaluar, con
carpetas de rodamientos de: concreto asfáltico en caliente y concreto hidráulico
para la rehabilitación y mejoramiento de la carretera Santa Rita – Izapa.
Tesis de Maestría PAG 3
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Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
Determinar ventajas y desventajas desde el punto de vista técnico - económico
de cada estructura de pavimento obtenida para la carretera antes mencionada.
Finalmente, con el objetivo de alcanzar la solución del problema que se aborda en
este trabajo, se planteó verificar la veracidad de la presente hipótesis:
Hipótesis
Si a partir de la aplicación de los métodos actuales de diseño y construcción de
estructura de pavimentos flexibles y rígidos se demuestra que la estructura
definitiva propuesta; para alguna de las variantes de reconstrucción analizadas,
resultara ser más cómoda, segura y económica en las condiciones actuales de
Nicaragua para la carretera Santa Rita-Izapa, entonces se puede definir la
ejecución de una estructura de pavimento que garantice el plazo de servicio
requerido considerando el crecimiento del transito, el confort y seguridad del
usuario de la vía y los factores económicos asociados.
Tesis de Maestría PAG 4
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
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CAPITULO 1 VALORACIÓN DEL ESTADO ACTUAL DE LA CARRETERA SANTA RITA – IZAPA. 1.1 Caracterización general de la carretera Esta carretera se localiza al oeste de la ciudad de Managua, tiene una longitud de
35.5 kilómetros, aproximadamente, atravesando los poblados de El Quebracho,
Ojo de Agua, y El Tamarindo
La ubicación geográfica del proyecto es la siguiente :
Latitud: Entre los 12º04” y los 12º16” en el Hemisferio Norte
Longitud: Entre los 86º29” y los 86º44” en el Hemisferio Occidental
Su alineamiento tanto horizontal como vertical es sobre terrenos planos, con 9
curvas horizontales amplias, o sea un promedio de una curva cada 4 kilómetros,
de las cuales todas tienen radios iguales o mayores de 1000 m, excepto dos que
tienen curvas de 800 m de radio una y otra de 610 m de radio, por lo que todas
son adecuadas para una velocidad de diseño de 70 km/h con pendientes que en
general no superan el 4% con predominio de pendientes menores de 1% . El clima
en esta zona se clasifica como de sabana tropical, que se caracteriza por ser
bastante cálido y seco. La temperatura media fluctúa entre los 25º y los 42º grados
Celcius y la precipitación media anual varia entre los 1000 y 1600 mm.
Actualmente, la ruta presenta una sección de 6.30 metros, cuenta con bahías de
paradas de buses, lo que evita la obstaculización del tráfico en el carril
correspondiente en el momento de subir o bajar los pasajeros.
El drenaje menor existente se aprecia en buen estado. Por otra parte, las obras de
drenaje mayor están conformadas por los siguientes siete puentes de dos vías:
San Lorenzo, Fátima, Río Seco, Trapichon, El Empalme, El Tamarindo y Pacifico.
Tesis de Maestría PAG 5
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En forma general, se aprecian en buen estado, por lo que no se prevén trabajos
de reemplazo ni reforzamiento de estas estructuras.
Este tramo fue inicialmente construido entre 1953 y 1958, dentro del primer grupo
de proyectos viales financiados por el Banco Mundial como parte del proyecto
Managua – León, su localización, diseño y construcción fueron directamente
efectuados por el Departamento de Carreteras del entonces Ministerio de Fomento
y Obras Publicas.
En septiembre de 1992, con financiamiento del BCIE, se inició la rehabilitación y
mejoramiento del pavimento y el drenaje, concluyendo en febrero de 1994.El
diseño del pavimento fue de 5cm de carpeta asfáltica en frío y una base de
material gravo- arenoso de color marrón con desgaste del 56%. Este diseño tuvo
un mal comportamiento durante su explotación lo cual se demuestra en el
deplorable estado que presenta la carretera en la actualidad.
(Ver fotos de Anexo.5)
1.2 Resumen y Evaluación de las Características de la Carretera
El resumen de las características del pavimento existente de la carretera actual es
el siguiente:
- Carpeta
La carpeta tiene un espesor que oscila entre 4 a 15 centímetros; está
compuesta de mezcla asfáltica.
Tesis de Maestría PAG 6
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Base
La base tiene un espesor que oscila entre 10 y 94 centímetros; está
compuesta de diferentes tipos de materiales; en algunos sectores este
material se clasifica como A-1-a y A-1-b, que tienen excelente
comportamiento mecánico y bajos valores de plasticidad y humedad. En
otros sectores los materiales de la base se clasifican como A-2-4, A-2-6, y
A-2-7, que presentan índices de plasticidad que oscilan entre 7 y 14%;
estos materiales tienen un comportamiento mecánico muy deficiente.
Macroscópicamente, la base está compuesta de una grava areno arcillosa
de baja plasticidad y grava arenosa producto de trituración con un diámetro
promedio de 1”, con plasticidad baja a media.
- Subbase
Tiene un espesor promedio que oscila entre 9 a 84 centímetros y una
granulometría similar a la de la base; los valores de humedades oscilan
entre 9 y 27%. El material que compone la subbase se clasifica como A-1-a,
A-1-b, A-2-4, A-2-5, A-2-6, y A-2-7 con baja a alta plasticidad. Al igual que la
base, el material A-1-a y A-1-b tiene un excelente comportamiento, en
cambio el resto tiene un comportamiento mecánico pobre, con un alto
porcentaje de índice de plasticidad.
- Terracería
La terracería tiene un espesor que varía entre 10 a 77 cm. Los materiales
que la componen se clasifican como A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-6, A-2-7, A-4,
A-5, A-6, A-7-5 y A-7-6. Macroscópicamente, está compuesta de gravas
arenosas y arcillosas de color café claro. En la estación 63+800 se encontró
un material arcilloso de alta plasticidad de color oscuro.
Tesis de Maestría PAG 7
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Es necesario mencionar, que en las estaciones 35+000, 35+400, 52+800,
54+600, 59+800, 54+800, 55+200, 57+800. 58+400, 58+600, 58+800,
59+000, 59+800 y 63+500 se encontró roca a menos de 1.0 m de
profundidad. Por otra parte, en la estación 65+600 se encontró la napa
freática a 1.0 m de profundidad.
1.3 Evaluación del Pavimento Existente y Características de la Subrasante
El paquete estructural existente está conformado por una carpeta asfáltica
construida en frío con asfalto diluido, cuyo espesor varía de 4 a 10 cm. La base
granular, con un espesor que oscila entre 10 y 94 cm, en algunas secciones se
trata de un material de buena calidad (A1-a A1-b) y en otras secciones registra
una plasticidad que varía entre 7 y 14%, (A2-6 y A2-7), valores elevados para una
base, por tratarse de una zona que presenta un período de lluvias copiosas
durante varios meses y un sistema de drenaje que muestra una absoluta falta de
mantenimiento. La subbase está conformada por materiales similares a los de la
base; parcialmente registra suelos tipo A1-a y A1-b y por sectores se presentan
suelos de alta plasticidad (A2-6 y A2-7). La terracería está conformada por una
grava arenosa y arcillosa, que si bien no presenta un hinchamiento elevado, en
algunos sectores presenta un elevado LL (>50%), acompañado de un alto Ip.
Del análisis de los resultados de los ensayos efectuados sobre material de
terracería, surge que los suelos de inferior calidad se ubican entre las estaciones
31+800 a 34+500; 36+100 a 37+900; 38+800 a 40+800; 49+200 a 49+800 y
51+400 a 53+000. Por otro lado, los materiales de las capas superiores (base y
subbase) que registran un comportamiento mecánico de regular a malo para dicho
nivel (CBR=30%) se ubican entre las estaciones 41+000 y 66+000.
La condición del estado superficial de esta carretera refleja el deficiente
comportamiento estructural del pavimento. Es decir, existe una deficiencia de
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aportes de alguna o de varias de las capas que conforman el paquete, situación
que trae aparejado un reducido valor estructural remanente del camino existente.
El pavimento presenta fisuración tipo piel de cocodrilo (sobre huellas), anchas
grietas perpendiculares al eje y ubicadas sobre los bordes (interfase calzada-
hombro); profundos y grandes baches, donde ha desaparecido la carpeta de
rodamiento.
Por la extensión de los daños, estos provienen de la desintegración de un área
afectada por fisuración tipo piel de cocodrilo y no de un problema localizado de
reducidas dimensiones (tipo potholes).
En lo que concierne al drenaje, es necesario eliminar rápida y eficientemente las
aguas superficiales y/o subterráneas, ya que constituyen uno de los principales
agentes contribuyentes a la degradación del pavimento.
1.4 Investigaciones Geotecnicas realizadas para la Rehabilitación de la
Carretera Santa Rita - Izapa
Dentro de los estudios requeridos para realizar el rediseño de la estructura del
pavimento para su rehabilitación y mejoramiento del tramo de carretera Santa Rita
- Izapa, desde el punto de vista geotécnico, se efectuaron voluminosas y
exhaustivas investigaciones que abarcaron dos temas específicos:
Determinación de la capacidad soporte de los materiales a lo largo de la
vía, a través de la ejecución de estudios geotécnicos que permitieron
caracterizar cada uno de los elementos de dicho tramo.
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Estudio de materiales de bancos de préstamo para fines de conformar el
paquete estructural del pavimento
La carretera se encuentra localizada en los Departamentos de Managua y León, y
abarca las hojas topográficas No. 2852-I Nagarote y 2852 II El Tránsito. Tiene una
longitud aproximada de 35 kilómetros y un ancho promedio de 6.3 metros.
El pavimento actual está estructuralmente conformado por los siguientes
elementos: carpeta, base, subbase y terracería.
1.5 Investigaciones geotécnicas en la vía actual.
El muestreo de campo se inició con la ejecución de 8 sondeos manuales que
fueron espaciados cada 5 kilómetros, de los cuales se obtuvieron un total de 35
muestras alteradas, sobre las que se practicaron los respectivos ensayes de
laboratorio.
Sobre el pavimento y a lo largo del tramo se realizaron 173 sondeos adicionales,
los cuales fueron distribuidos en la parte central, derecha e izquierda de la
carretera. Estos sondeos fueron ubicados con un espaciamiento de 200 metros
entre pozo y pozo. De los mismos se obtuvieron un total de 913 muestras
alteradas representativas de las capas de carpeta, base, subbase y terracería. La
profundidad de cada sondeo fue de 1 metro, suficiente para obtener muestras de
cada componente de la carretera.
Todas las muestras alteradas obtenidas de los sondeos manuales se clasificaron,
rotularon y trasladaron al laboratorio para su posterior evaluación y ensayo de
acuerdo a los procedimientos y normas establecidas.
Tesis de Maestría PAG 10
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De acuerdo con los resultados preliminares obtenidos de los ensayos de
laboratorio, se decidió realizar 10 sondeos adicionales en las siguientes
estaciones: 42+000, 52+400, 53+200, 54+400, 56+600, 57+600, 60+000, 61+400,
63+800, y 65+200. A través de estos sondeos, se pudo hacer una mejor
correlación de los resultados obtenidos, y así definir con mayor precisión cada uno
de los elementos componentes de la carretera y corregir deficiencias del muestreo
de línea.
Ensayes de Laboratorio
En el Tabla 1.0 se presenta el resumen de los ensayes de laboratorio realizados y
las normas aplicadas.
No. Tipo de Ensaye Cantidad Norma
1 Granulometría 213 ASTM D-422
2 Humedad 578 ASTM D-2216
3 Límite Líquido 213 ASTM D-423
Límite Plástico e Índice de
Plasticidad
426 ASTM D-424
4 Clasificación 213 AASHTO
5 CBR 28 AASHTO T-180 y T-99
Total de Ensayes 1671
Tabla 1.0 Tipo y Cantidad de Ensayes Ejecutados
En total se ejecutaron 1671 ensayes. Es preciso señalar que a cada muestra de
CBR reflejada en la tabla le corresponden 3 ensayes con diferentes niveles de
compactación, de acuerdo al procedimiento de laboratorio recomendado.
Tesis de Maestría PAG 11
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1.5.1 Resultados de los Ensayes de Clasificación, Humedad y Límites
Se ensayaron un total de 213 muestras alteradas tomadas durante los sondeos
manuales, sobre los que se realizaron ensayes granulométricos y determinación
de límites líquido y plástico, lo que permitió clasificar las capas de base, subbase,
terracería y suelo natural.
Se practicaron un total de 578 ensayes de humedades de las muestras alteradas
tanto de material de base, subbase, terracería y suelo natural ( ver anexo 1 ). Es
importante señalar que la muestras correspondientes al tramo fueron recolectadas
entre los meses de julio y agosto del 2000, que es época de lluvias.
1.5.2 Resultados de las Pruebas de CBR
Con el objetivo de hacer una caracterización completa de los componentes del
pavimento, se procedió a obtener muestras para CBR en grupos cada 5
kilómetros, de la siguiente manera:
Para la capa de base se formó un grupo de muestras para la
clasificación A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-6, y A-2-7.
Para la capa de subbase se formaron dos grupos de muestras para las
clasificaciones A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-5, A-2-6, y A-2-7.
Para la terracería se procedió a formar dos grupos de muestras para las
clasificaciones A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-6, A-2-7, A-4, A-5, A-6, A-7-5 y
A-7-6.
Tesis de Maestría PAG 12
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En total se prepararon 28 grupos de muestras sobre los que se ejecutaron los
ensayes de CBR ( ver anexo 1 ). Para compactar las muestras, la energía aplicada
para base y subbase se hizo de acuerdo a la norma AASHTO T-180 y para la
terracería según la norma AASHTO T-99; asimismo, los grados de compactación
investigados fueron de 90, 95 y 100%. En total para cada muestra se ejecutaron 3
pruebas de CBR.
1.6 Investigación geotécnica para bancos de materiales
El trabajo de investigación de bancos de materiales para la carretera en estudio se
inició con la revisión de información disponible en el Ministerio de Transporte e
Infraestructura (MTI). De esta labor, se obtuvo información de seis bancos, cuatro
de los cuales se encuentran en la carretera Izapa - León, uno en el tramo en
estudio; el sexto no se estudió porque se encuentra a 15 Km. desde la carretera
Izapa - León, con un camino de acceso en muy mal estado. Los cinco bancos
analizados fueron explotados y se encuentran agotados.
Paralelamente, se revisaron las hojas geológicas del INETER correspondientes a
Nagarote y El Tránsito, donde se identificaron dos cuerpos intrusivos del tipo
básico, uno de los cuales se incluye en este informe (El Guayabal), pues el otro no
pudo ser localizado en campo.
Adicionalmente, como resultado de recorridos de campo se identificaron otros
cuatro bancos, dos de los cuales fueron descartados por presentar un alto
contenido de material arcilloso. Los otros dos se incluyen en este informe, uno de
los cuales presenta excelentes características para carpeta y base (El Tránsito).
Debido a que existen pocos bancos aprovechables en este tramo, se recomienda
tener en consideración el banco de material rocoso ubicado en el Km. 104+120 de
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Rita - Izapa
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la carretera León - Chinandega, conocido como la Pedrera, y que fue utilizado
para la construcción del tramo Izapa - León.
El resumen de los bancos estudiados es el siguiente:
El Tránsito
La Pedrera
El Guayabal
La Vega
A continuación se presenta una descripción de cada uno de ellos.
Banco El Tránsito
Se ubica en el Km. 44+250 de la carretera Santa Rita-Izapa, a 12 Km. hacía El
Tránsito y a 1 Km. a la izquierda del Cerro Tío Goyo. Se encuentra en explotación
y su acceso se presenta en regular estado. Se trata de una roca
sólida basáltica; el macizo se presenta ya descapotado. Su volumen aprovechable
es de 150,000 m3 y su explotación se debe efectuar mediante explosivos. El
material proveniente de esta cantera se puede utilizar para base y para carpeta
asfáltica con ciertas reservas (Desgaste “Los Ángeles” = 23%, durabilidad en SO4
NA2 = 16,2%, valor que supera al límite permitido, absorción = 5%, valor que
refleja una alta porosidad del agregado).
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Banco La Pedrera
Se ubica del lado derecho, en el Km. 104+120 de la carretera León-Chinandega.
Se encuentra en explotación y su acceso se presenta en buen estado. El macizo
rocoso está conformado por una andesita basáltica. Su destape se puede estimar
en 1,00 m. Su volumen aprovechable es de 360,000 m3, y su explotación se debe
efectuar mediante explosivos.
El material proveniente de esta cantera se podrá utilizar para base y para carpeta
asfáltica (Desgaste “Los Ángeles” = 18%, durabilidad en SO4 NA2 = 2,3%,
absorción < 0,5%).
Banco El Guayabal
Se ubica en la estación 48+000 de la Carretera Santa Rita-Izapa, lado derecho,
entrada a El Guayabal. Se encuentra en explotación y su acceso amerita un
mejoramiento cerca del banco en sí. Se trata de una grava limo arcillosa (A-2-4).
Su descapote oscila en 1,50 m., siendo su volumen aprovechable de 100,000 m3.
La explotación se puede efectuar mediante tractor y/o excavadora.
El material proveniente de este banco se puede utilizar para subbase,
seleccionando los frentes a explotar.
Banco Finca La Vega
Se ubica a 3,400 m del Empalme El Tránsito (lado izquierdo), sobre la ruta Izapa-
Santa Rita. Se encuentra en explotación y su acceso se presenta en buen estado.
Se trata de una riolita alterada. El destape es del orden de unos 0,80 m., siendo su
volumen aprovechable de 15,000 m3. Su explotación se puede efectuar mediante
tractor y excavadora.
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El material proveniente de este banco se puede utilizar para terracería (Desgaste
“Los Angeles” = 40%, elevada absorción y reducido peso específico).
1.7 Diseño de la Estructura de Pavimento Flexible para la Reconstrucción
de la Carretera Santa Rita - Izapa
Consideraciones Generales
Los pavimentos flexibles están formados por una serie de capas con la más
resistente de ellas en la superficie. En un pavimento flexible bajo la aplicación de
una carga simple se produce una deformación simétrica y los esfuerzos decrecen
con la profundidad debido a la distribución de la carga. Por lo general, la capa
superior es construida con mezcla asfáltica en caliente (MAC) y la base es de
grava o piedra triturada, pudiendo tener una subbase granular o de suelo
modificado. Si las capas de la base son también de MAC o de otro tipo de mezcla
asfáltica colocada directamente, entonces se considera un pavimento MAC de
espesor completo.
El diseño estructural del pavimento está basado en la Guía de la AASHTO de
1993 ajustada a las condiciones específicas de Nicaragua. Este proceso de diseño
incluye varias actividades importantes, desde una evaluación de los defectos del
pavimento, adquisición de información de los materiales (ensayos de suelos,
ensayos no destructivos), hasta el análisis del trafico, que conducen desarrollar
alternativas de diseño. Estas alternativas fueron analizadas y comparadas con
respecto a sus costos y beneficios.
El método de la AASHTO para pavimentos flexibles requiere información sobre la
capacidad de soporte de la subrasante (el módulo resiliente o elástico, MR), la
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confiabilidad (confiabilidad deseada y la desviación estándar), el tránsito (en
ESAL’s), y las propiedades de los materiales de cada capa representadas por los
coeficientes estructurales. La desviación estándar del sistema toma en cuenta las
variaciones en las ecuaciones, las mediciones y los materiales. Se selecciona un
nivel de confiabilidad para determinar con qué confianza se espera que el
pavimento dure el periodo de tiempo para el que fue diseñado.
En un pavimento existente, cuando se necesita mejorar la capacidad estructural, el
recapado debe de ser calculado tomando en consideración la resistencia del
pavimento actual y el tránsito previsto. En el caso de una reconstrucción, cuando
se conserva parte del pavimento, se recicla otra parte y se agrega material virgen,
los mismos procedimientos de diseño de recapados pueden ser utilizados. El
espesor del pavimento actual se reduce de acuerdo a la cantidad removida y se
deben determinar las propiedades del material reciclado y el número estructural
efectivo.
1.8 Predicción del Tráfico
La predicción del tráfico es uno de los parámetros más críticos para diseñar
pavimentos, debido al efecto que éste tiene en el cálculo de los espesores de la
estructura. Los diferentes tipos de vehículos que circulan por la vía presentan un
rango amplio de variaciones en carga y configuración de ejes. El método de la
AASHTO requiere que el número de cargas anticipada que serán aplicadas al
pavimento durante su vida útil de diseño sea convertida en ejes simples
equivalentes de 82 kN (ESAL’s)
La AASHTO sugiere dos métodos para calcular el número de ESAL’s: uno se
refiere como “el riguroso” y el otro “el simple”. En este estudio se utiliza el método
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riguroso modificado, ya que se agrupa el tráfico mixto en tres tipos de vehículos:
livianos, medianos y pesados. Los valores requeridos incluyen:
1) Periodo Inicial de Diseño
2) Tráfico Promedio Diario Anual (TPDA) inicial en los dos sentidos
3) Porcentaje de vehículos livianos, medianos y pesados
4) Porcentaje de tráfico en la dirección de diseño
5) Número de carriles en una dirección y porcentaje de tráfico en el carril de
diseño
6) Tasa de crecimiento anual del volumen de tráfico
7) Tasa de crecimiento anual de ejes equivalentes por tipo de vehículo
8) Factor inicial de ejes equivalentes por tipo de vehículo
De acuerdo a lo detallado en el Capítulo II de las normas AASHTO –93, Estudio
de Tráfico, se optó por agrupar como tráfico liviano a los vehículos desde motos
hasta pickup, como tráfico mediano a buses, camiones simples y con remolque, y
como pesados a los camiones articulados y vehículos especiales.
1.8.1 Período Inicial de Diseño
Como lo define la AASHTO, ésta es la vida de diseño de la estructura del
pavimento en años. En este estudio se utilizó un periodo de diseño de 20 años.
1.8.2 Tránsito Promedio Diario Anual (TPDA) Inicial en dos Sentidos
Esta variable es el tránsito promedio diario anual que se anticipa, contado en un
período de 24 horas en dos direcciones cuando la carretera es abierta al tráfico en
el primer año de explotación. En este caso, el año inicial es el 2003, con el tráfico
homogéneo para toda la carretera Santa Rita - Izapa que se muestran en el Tabla
1.1.
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Localidades Estaciones TPDA
Santa Rita – Izapa 0+000 – 35+450 3,600
Tabla 1.1 Tráfico Promedio Diario Anual (TPDA) Inicial en dos Sentidos de
circulación. Fuente MTI, año 2000
1.8.3 Porcentaje de Vehículos Livianos, Medianos y Pesados
Es el porcentaje del tránsito promedio diario que corresponde a los tres tipos de
vehículos. Este porcentaje varía de sitio a sitio, por lo que se recomienda su
cálculo con datos específicos del lugar. A través del estudio de tráfico, se
determinó la composición de tráfico para el año inicial según se muestra en el
Tabla 1.2.
Tipo de Vehículo (en porcentaje de TPDA)
Estaciones Liviano Mediano Pesado
0+000 – 35+450 67 23 10
Tabla 1.2 Porcentaje de Vehículos Livianos, Medianos y Pesados. Fuente MTI, año 2000
1.8.4 Porcentaje de Tráfico en la Dirección de Diseño Este es un factor de distribución direccional que se aplica al TPDA para incluir
cualquier variación del volumen de tránsito de camiones o cargas por dirección. En
circunstancias normales, el factor de distribución direccional está cerca del 50%,
pero en casos especiales donde una dirección de tránsito tiene mayor volumen o
vehículos más pesados, este efecto se debe de incluir en el porcentaje de
camiones en la dirección de diseño.
En el presente proyecto, según fue determinado en el estudio de tráfico, este
factor de distribución direccional es relativamente equilibrado, por lo que se adopta
el 50%.
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1.8.5 Número de Carriles y Porcentaje de Tráfico en el Carril de Diseño
Este parámetro expresa el % de vehículos pesados en el carril mas cargado o
carril de diseño en una carretera con carriles múltiples, los camiones circulan en
todos los carriles, pero en el diseño del pavimento el carril con la mayoría del
tránsito de camiones o cargas es de vital interés, y se designa como el “carril de
diseño.” El porcentaje de tráfico en el carril de diseño es el factor de distribución
por carril que toma en consideración el porcentaje de tráfico en ese carril. La guía
de diseño de pavimentos de la AASHTO recomienda los factores mostrados en
Tabla 1.3.
Número de
Carriles en Cada
Dirección
Porcentaje de Tráfico en
el Carril de Diseño
1 100
2 80-100
3 60-80
4 50-75
Tabla 1.3 Factores de tráfico en el carril de diseño
recomendados por AASHTO-93
En el presente proyecto, se prevé la construcción de dos carriles (uno por cada
dirección de circulación). Por lo tanto, se adopta un factor de tráfico de 1.0.
1.8.6 Tasa de Crecimiento Anual de Volumen de Tráfico
Esta tasa se expresa en porcentaje, definiendo el crecimiento anual anticipado del
volumen de tráfico. En este estudio se han utilizado tasas de crecimiento que se
muestran en la Tabla 1.4, para las tres categorías de tráfico consideradas.
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Tasa de Crecimiento (en porciento)
Progresiva Liviano Mediano Pesado
0+000 – 35+450 5 4 3
Tabla 1.4 Tasa de Crecimiento Anual de Volumen y Ejes Equivalentes
1.8.7 Tasa de Crecimiento Anual de Ejes Equivalentes por Tipo de Vehículo
Así como el número de vehículos que usan la carretera tienden a aumentar con el
tiempo, también sus cargas se incrementan. La tasa de crecimiento anual de ejes
equivalentes por vehículo es el dato que se utiliza para tomar en cuenta el
incremento de las cargas en los vehículos a través del tiempo. Esta tasa se
expresa en porcentaje, donde un rango típico está entre el 0 a 4 por ciento por
año. Esta tasa puede causar un dramático incremento en el crecimiento de los
ESAL’s sobre la vida de la estructura del pavimento. La predicción de esta tasa de
crecimiento es una función de planificación, por cuanto existe una
correspondencia entre ella y el crecimiento del PIB de un país.
En este estudio se utilizó una tasa de crecimiento del uno por ciento anual, que ya
se encuentra implícitamente considerado dentro de las tasas de crecimiento del
volumen de tráfico.
1.8.8 Factor de Ejes Equivalentes por Tipo de Vehículo (ESAL’s/tipo de
vehículo)
Esta es una representación del número de aplicaciones de 82 kN ESAL causada
por el paso de un vehículo promedio. Este factor varía de sitio a sitio y se
recomienda su cálculo con datos específicos del lugar.
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Los vehículos pesados están compuestos por camiones T3S2, T3S3 y T2S2; de
éstos, los camiones T3S2 representan más del 95% del tráfico de esta categoría.
Por otra parte, los vehículos medianos están compuestos por buses y camiones
C2, C3, C2R3 y C3R3; de estos cinco tipos de vehículos, los buses, los camiones
C2 y los camiones C3 son los que componen la mayor parte del tráfico de
vehículos medianos.
En la Tabla 1.5 se presenta el peso promedio por tipo de vehículo. Los pesos
promedio por tipo de vehículo fueron obtenidos del Cuadro “Índices de Utilización
de la Capacidad de los Vehículos de Carga” del estudio de tráfico y del “Diagrama
de Cargas Permisibles, Pesos Máximos Permisibles por Tipo de Vehículos”
publicada por el Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI).
Tipo de Vehículo Peso Máximo Permisible (ton) Peso Promedio (ton)
C2 13.5 10.1
C3 21 18
T3S2 37 32.8
T3S3 41 35.6
T2S2 30 25.1
C2R3 26.5 22.2
C3R3 34.7 29.4
Tabla 1.5 Peso Promedio por tipo de vehículo Fuente: Estudio de tráfico MTI
A partir de lo anterior, en las Tablas de 1.6 a la 1.9 se presenta el proceso de
determinación de los factores de ejes equivalentes por tipo de vehículo (ESAL’s /
tipo de vehículos) para el diseño del pavimento.
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Peso Promedio por Eje (ton)
Tipo de Vehículo
1 Eje (ton)
2 Eje (ton)
3 Eje (ton)
4 Eje (ton)
Suma (ton)
C2 4.5 (s) 5.6 (s) 10.1
C3 5.0 (s) 13 (t) 18.0
T3S2 5.0 (s) 13.75(t) 13.75(t) 32.8
T3S3 5.0 (s) 13.6 (t) 17.0 (tr) 35.6
T2S2 5.0 (s) 7.3 (s) 12.8 (t) 25.1
C2R3 4.5 (s) 6.1 (s) 5.8 (s) 5.8 (s) 22.2
C3R3 4.5 (s) 6.5 (s) 6.5 (s) 11.9 (t) 29.4
(s) de un eje (t) de dos ejes (tr) de tres ejes
Factores de Equivalencia (LEF)
LEF por Eje
Tipo de Vehículo
1 Eje 2 Eje 3 Eje 4 Eje ESAL’s
C2 .118 .25 0.368
C3 .174 .595 0.769
T3S2 .174 .726 .726 1.626
T3S3 .174 .703 .46 1.337
T2S2 .174 .664 .55 1.388
C2R3 .118 .36 .27 .27 1.018
C3R3 .118 .365 .365 .6 1.448
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Tipo de Vehículo ESAL’s/veh. No. de veh. En categoría
Vehículos Pesados
T3S2 1.626 447
T3S3 1.337 8
T2S2 1.388 1
Total 456
ESALs / Veh. Pes. = (447*1.626+8*1.337+1*1.388+3)/456 1.62
Vehículos Medianos
Buses 0.700 847
C2 0.368 694
C3 0.769 225
C2R2 1.018 3
C3R3 1.448 4
Total 1773
ESALs/V. Med = (847*0.7+694*0.368+225*.769+ 3*1.018+4*1.448)/1773
0.58
Tabla 1.8 Cálculo de Factores de ESAL por Tipo de Vehículo
Los valores del Tabla 1.9 corresponden a una representación del número de
aplicaciones de 82 kN ESAL causada por el paso de un vehículo promedio de
cada categoría.
Tipo de Vehículo ESAL/Tipo de
Vehículo
Liviano 0.0003
Mediano 0.58
Pesado 1.62
Tabla 1.9 Resumen Factores ESAL / Tipo Vehículo
1.9. Cálculo de Ejes Equivalentes (ESAL’s)
Sobre la base de lo descrito en los párrafos anteriores, se determinan los valores
finales de los ESAL’s para el proyecto.
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En la Tabla 1.10 a continuación se presenta el resumen del tráfico para una vida
de 20 años, expresado en ESAL’s, para efectos del diseño de la estructura del
pavimento.
Localidades Progresivas TPDA No.
Carriles ESAL’s
Santa Rita - Izapa 0+000 – 35+450 3,600 2 5,150,000
Tabla 1.10 Ejes Equivalentes para 20 Años por Sección
Capitulo 2. Diseño de Alternativas de Estructuras de Pavimento Flexible
para la Carretera Santa Rita Izapa.
Introducción
A los efectos del presente trabajo, el diseño de alternativas de estructura de
pavimento flexible para la rehabilitación de la carretera Santa Rita – Izapa
contempló tres tipos básicos, teniendo en cuenta el material de base a usar, ellos
fueron:
- Base granular
- Base de suelo estabilizado con cemento
- Base de suelo estabilizado con asfaltó
Parte de la información básica para el diseño de las alternativas de pavimento de
concreto asfáltico consistente en la calidad del material de subrasante de la vía
(CBR) y el número de ejes equivalentes de 82 kN en el período de diseño
(ESALS) ha sido obtenida de los estudios y diseños elaborados por la firma
consultora Louis Berger las cuales fueron realizadas en el 2001.
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Método de Diseño
Las alternativas de pavimentos de concreto asfáltico en caliente se realizaron
mediante la aplicación del método de la American Association of State Highway
and Transportation Officials (AASHTO) en su version 1993.
Variables de Diseño
Este método considera un conjunto de variables independientes de diseño que
permiten la determinación de los espesores de las capas a emplear en las
estructuras de pavimentos, esas variables son:
- Cargas provenientes del paso de los vehículos de carga (Wt18) o tráfico
acumulado en el período de diseño.
- Condición de servicios de pavimento al inicio del servicio (Po)
- Condición de servicio de pavimento al final del periodo de diseño (Pt)
- Confiabilidad en el diseño (R) y desviación estándar para el nivel de
confiabilidad adoptada (So).
- Calidad del material de fundación (MR)
Espesores Mínimos Prácticos sugeridos por la guía de la AASHTO
En general no es practico ni económico colocar capas de pavimento que no
tengan un espesor mínimo, por otra parte, también el tráfico a que será sometido
el pavimento dicta la colocación de espesores mínimos de las capas por razones
de estabilidad y durabilidad. En la Tabla No. 2 a continuación, se muestran los
valores sugeridos por el manual de la AASHTO para los espesores mínimos de
carpeta asfáltica y base granular con varias condiciones de tráfico.
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Tráfico ESALS ESPESORES MINIMOS
CA (mm)
Base Granular (mm)
Menos de 50,000 25 100
50,000 – 150,000 50 100
150,001 – 500,000 64 100
500,001 – 2000,000 76 150
2000,001 – 7000,000 90 150
Mas de 7000,000 100 150
Cuadro No. 2 Espesores Mínimos para la CA y Base Granular (AASHTO 1993)
2.1 Diseño de Alternativa No.1: Base Granular
En la primera alternativa la estructura de pavimento flexible está compuesta de
una carpeta de rodamiento de mezcla asfáltica en caliente, (MAC), sobre una base
de agregados triturados, la cual a su vez se apoya sobre una sub base existente.
Variables
a) Cargas de Diseño: Las cargas obtenidas en el estudio de trafico se indican en
el Capitulo I y son: 5.16 x 106 ESALS.
b) Condiciones de Servicio de Pavimento:
a) Inicio del periodo de diseño (Po)
El método AASHTO–93 recomienda asignar a esta variable independiente
un valor de 4.2, en el caso de pavimentos flexibles, valor este que será
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empleado en la solución de la evaluación de diseño para todas las
alternativas estudiadas.
c) Condición de Servicio de Pavimento al Final del Periodo (Pt)
El método AASHTO-93 recomienda asignar a esta variable independiente un valor
de 2.5 en el caso de pavimentos flexibles.
d) Confiabilidad en el Diseño (R) y Desviación Estándar (So).
La Confiabilidad se define como la probabilidad que la serviciabilidad de la
carretera pueda mantenerse en adecuados niveles desde el punto de vista del
usuario dentro del periodo de diseño de la vía. La confiabilidad que la AASHTO-
93, recomienda para este tipo de vía se encuentra entre 80 y 99% y para nuestro
diseño se tomo una Confiabilidad de 90% por lo que acuerdo a este manual ZR =
- 1.282 que será el valor requerido para la stimación de la desviación standard a
tener en cuenta en el diseño.
No obstante, el valor de la desviación estándar ” So”, por otra parte, es sugerido
por el propio método AASHTO-93, el cual puede ser 0.35, en opción a un
laborioso análisis de varianza de todos los factores involucrados en el diseño.
Es conveniente recordar sin embargo, que los valores de R y So, no son otra cosa
que un “factor de seguridad FS” introducido en el diseño, el cual para un 90% de
Confiabilidad y un 0.35 de desviación estándar significa un FS de 2.81.
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e) Módulos de Resilencia
De la subrasante
El CBR de la subrasante determina mediante sondeos de suelo( ver Anexo 1 ) fue
de 6.5 % para un percentil del 87.5%, entonces:
MR = 1,500 x CBR (psi)
= 1,500 x 6.5
= 9750 psi
De la base ( Granular)
CBR = 100 %
De Grafico 2.6, parte II, AASHTO –93 ( anexo 2 )
tenemos que MR= 30,000 psi y a2 = 0.14
De la Sub- Base
CBR = 20 %
De Grafico 2.7, parte II, AASHTO –93 ( anexo 2 ) tenemos que MR = 12500
entonces a3 = 0.094
Coeficiente Estructural Concreto Asfáltico.
Coeficiente Estructural: 0.39 se obtiene del Gráfico: 2.5, parte II, Manual AASHTO
–93 ( anexo 2 ), con un módulo de elasticidad: 350,000 psi.
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Resumen de Variables
∆PSI = Po – Pt = 4,2 – 2,5 = 1.7
R = 100 entonces Zr = - 1.282
So = 0.35
ESAL’ = 5.15 X 106
MR subrasante = 9750 psi
Mr sub base = 12500 psi
Mr base = 30,000 psi
Para calcular el número estructural (SN) para cada capa de pavimento se utilizó la
figura 3.1 del AASHTO –93 ( anexo 2 )
Obtuvimos
SN = 3.92
SR
SN = 3.57
Sb
SN = 2.55
Base
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Cálculo de Capas de Pavimento
Para calcular los diferentes espesores de las capas de pavimento utilizamos la
formula del AASHTO-93, se utilizaran coeficientes de drenaje ( m2 y m3 ) de 1.15,
considerando que la calidad del drenaje es buena y que el pavimento esta
expuesto a niveles de humedad de un 25 %, ver figura 2.4 ( anexo 2 )
SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3
Cálculo de Carpeta
SN = a1 D1
D1 = 2.55/ .39 = 6.53” = 17 cm
Cálculo de SN corregido sobre la Base Granular
SN = .39x17 / 2.54 = 2.61
Cálculo de Base
SN = a1 x D1 + a2 x D2 x m2
3.57 = 2.61 +.14 x D2 x 1.15
entonces D2 = 3.57 – 2.61/ .161
D2 = 5.65” = 15 cm
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Cálculo de SN corregido sobre la sub base
SN = 2.61 + .14X15X1.15 / 2.54 = 3.56
Cálculo de Sub base
SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3
3.92 = 3.56 + ( 0.094) ( 1.15) ( D3 )
D3 = 3.92– 3.56 = 3.33” = 9 cm, utilizaremos el mínimo 15 cm
0.1081
Composición de la estructura
CA 17 cm
BG 15 cm
SB 15 cm
De acuerdo al calculo de diseño de paquete estructural, la carpeta de concreto
asfáltico tendrá un espesor de 17 cm, la base granular (CBR= 100% AASTHO T-
180) tendrá un espesor de 15 cm, la sub base, conformada con el material que
actualmente conforma la capa de rodamiento y la base existente, será escarificada
y mezclada, las que una vez conformada y compactada tendrá un espesor de 15
cm.
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Carpeta Asfáltica en Caliente
(17 cm. de Espesor)
Sub-base existente
Escarificada y compactada al 100%
(15 cm. de Espesor)
Base Granular
(15 cm. de Espesor)
Lc
3.50 m 1.80 m 1.80 m
2:1 1:1
Suelo Natural
ALTERNATIVA I
3.50 m
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2.2 Diseño de Alternativa No.2
En la segunda alternativa la estructura de pavimento flexible está compuesta de
una carpeta de rodamiento de mezcla asfáltica en caliente, (MAC), sobre una base
de agregados triturados mezclada con cemento, la cual a su vez se apoya sobre
una sub base existente.
Variables
a) Cargas de Diseño: Las cargas obtenidas en el estudio de tráfico se indican en
el capitulo I y son: 5.16 x 106 ESALS.
b)Condiciones de Servicio de Pavimento
Inicio del periodo de diseño (Po). Se tomó idem a la alternativa 1 (ver)
c) Condición de Servicio de Pavimento al Final del Periodo (Pt). Se tomo idem a la
alternativa 1 (ver)
d)Confiabilidad en el Diseño (R) y Desviación Estándar del Sistema de Pavimento
(So).
Se tomó el idem a la alternativa 1 (Ver)
e)Modulo de Resilencia
De la subrasante
El CBR de la subrasante determinado mediante sondeos de suelo ( ver Anexo.1)
fue de 6.5%. , idem a alternativa 1.
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MR = 1,500 x CBR (psi)
= 1,500 x 6.5
= 9750 psi
De la base ( Granular mezclada con cemento)
CBR = 100 %
De Grafico 2.8 parte II AASHTO –93 ( anexo 2 )
Tenemos que MR= 710,000 psi y a2 = 0.192
De la Sub- Base
CBR = 20 %
De tabla 2.7 parte II AASHTO –93 tenemos que MR = 12500 entonces a3 = 0.094
Coeficiente Estructural Concreto Asfáltico.
Coeficiente estructural: 0.39 se obtiene de Grafico: 2.5 parte II Manual AASHTO –
93, ( anexo 2 ) modulo de elasticidad: 350,000 psi.
Resumen de Variables
∆PSI = Po – Pt = 4.2 – 2.5 = 1.7
R = 100, entonces Zr = - 1.282
So = 0.35
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ESAL’ = 5.15 X 106
MR Subrasante = 9750 psi
Mr sub base = 12,500 psi
Mr base = 710,000 psi
Para calcular el número estructural (SN) para cada capa de pavimento se utilizó la
formula del AASHTO –93. La cual se definió antes en la alternativa 1
Sustituyendo los diferentes parámetros en la misma se obtiene que:
SN = 3.92
SR
SN = 3.57
Sb
SN = .58
Base
Cálculo de Capas de Pavimento
Idem fórmula que la alternativa anterior
Cálculo de Carpeta
SN = a1 D1
D1 = .58/ .39 = 1.48” = 4 cm, utilizaremos el espesor mínimo de 10 cm
Cálculo de SN corregido sobre la Base Granular
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SN = .39x10 / 2.54 = 1.53
Cálculo de Base
SN = a1 D1 + a2 D2 m2
3.52 = 1.53 +.192D2x1.15
entonces D2 = (3.57 – 1.53 )/ .22
D2 = 9” = 23 cm
Cálculo de SN corregido sobre la sub base
SN = 1.53 + .192X23x1.15 / 2.54 = 3.52
Cálculo de Sub base
SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3
3.92 = 3.52 + ( 0.094) ( 1.15) (D3 )
D3 = 3.92– 3.52 = 3.51” = 9 cm, utilizaremos el mínimo 15 cm
0.1081
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Composición de la estructura
CA 10 cm
BSC 23 cm
SB 15 cm
De acuerdo al cálculo de diseño de paquete estructural, la carpeta de concreto
asfáltico tendrá un espesor de 10 cm, la base granular mezclada con cemento,
tendrá un espesor de 23 cm, la sub base, conformada con el material que
actualmente conforma la capa de rodamiento y la base existente, será escarificada
y mezclada, la que una vez conformada y compactada tendrá un espesor de 15
cm.
Chequeo a la tensión tangencial actuando en la base de suelo cemento por
la tensión tangencial.
Este chequeo se realizará a través de programa Alize III. Ver sus resultados en
anexo 2.
Se debe cumplir que la tensión horizontal en la parte interior de la capa de base
estabilizada (tensión admisible) debe ser mayor que la tensión horizontal que
obtenemos del programa Alize III (Análisis Tensional).
σH admisible > σH alize
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Donde la tensión admisible la obtenemos del modelo de deterioro siguiente:
σH adm=A * RF
donde:
σH adm= Tensión Radial de Tracción en la fibra inferior de la capa
N= Número admisible de repeticiones de carga
A= Parámetro que depende del material, para suelo-cemento se utiliza 0.5446
RF = Resistencia a la flexotracción
N = 5.15 x 106
A = 0.5446
RF =0.22R
R=42.2 Ksi
σH adm= 0.5446 5.15 x 106 * (0.22 x 42.2)
106
σH adm = 4.41 > -0.4504
De acuerdo a lo anteriormente calculado, la tensión radial de tracción en la fibra
inferior de la capa, excede considerablemente a los resultados del análisis
tensional realizado por el programa ALIZE III. Esto significa que la estructura grava
– cemento diseñada, no tendrá agrietamiento por fatiga para el numero de
aplicaciones de cargas estimadas en el periodo de diseño.
N
106
-1/12
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-1/12
Carpeta Asfáltica en Caliente
(10 cm. de Espesor)
Sub-base existente
Escarificada y compactada al 100%
(15 cm. de Espesor)
Base Granular
Mezclada con Cemento
(23 cm. de Espesor)
Lc
3.50 m 1.80 m 1.80 m
2:1 1:1
Suelo Natural
ALTERNATIVA II
3.50 m
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2.3 Diseño de Alternativa No.3
En la tercera alternativa la estructura de pavimento flexible está compuesta de una
carpeta de rodamiento de mezcla asfáltico en caliente, (MAC), sobre una base de
agregados triturados mezclada con asfalto(base negra), la cual a su vez se apoya
sobre una sub base existente.
Variables
a) Cargas de Diseño: Las cargas obtenidas en el estudio de tráfico se indican en
el capitulo I y son: 5.16 x 106 ESALS.
b) Condiciones de Servicio de Pavimento Inicio del periodo de diseño (Po)
Se tomó idem a alternativas 1 y 2
c) Condición de Servicio de Pavimento al Final del Periodo (Pt)
Se tomó idem a alternativas 1 y 2
d) Confiabilidad en el Diseño (R) y Desviación Estándar del Sistema de Pavimento
(So).
Se tomó idem a alternativas 1 y 2 (Ver)
e) Modulo de Resilencia
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De la subrasante
El CBR de la subrasante determinando mediante sondeos de suelo,
Se tomó idem a alternativas 1 y 2
MR = 1,500 x CBR (psi)
= 1,500 x 6.5
= 9750 psi
De la base ( Granular mezclada con asfalto)
CBR = 100%
De grafico 2.9 parte II AASHTO –93 ( anexo 2 )
Tenemos que MR= 175,000 psi y a2 = 0.20
Con estabilidad Marshal de 800 Lbs
De la Sub- Base
Idem alternativas 1 y 2
Coeficiente Estructural Concreto Asfáltico.
Idem alternativas1 y 2
Resumen de Variables
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Usando el mismo procedimiento de alternativa 1 y 2 se obtuvieron los siguientes
números estructurales:
SN = 3.92
SR
SN = 3.57
Sb
SN = 1.24
Base
Cálculo de Capas de Pavimento
Para calcular las capas de pavimento utilizamos la formula del AASHTO-93
SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3
Cálculo de Carpeta
SN = a1 D1
D1 = 1.24/ .39 = 3.17” = 8.07 cm , utilizaremos el mínimo 10 cm
Cálculo de SN corregido sobre la Base Granular
SN = .39x10 / 2.54 = 1.53
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Cálculo de Base
SN = a1 D1 + a2 D2 m2
3.57 = 1.53 +.20x D2 x1.15
entonces D2 = (3.52 – 1.53)/ .23
D2 = 8.86” = 23 cm
Cálculo de SN corregido sobre la sub base
SN = 1.53 + (.20X23x1.15) / 2.54 = 3.66
Cálculo de Sub base
SN = a1 D1 + a2 D2 m2 + a3 D3 m3
3.92 = 3.66 + ( 0.094) ( 1.15) (D3)
D3 = 3.92 – 3.66 = 2.4” = 6 cm, utilizar el mínimo 15 cm
0.1081
Composición de la estructura
CA 10 cm
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BG 23cm
SB 15 cm
De acuerdo al calculo de diseño de paquete estructural, la carpeta de concreto
asfáltico tendrá un espesor de 10 cm, la base granular mezclada con asfalto,
tendrá un espesor de 23 cm, la sub base, conformada con el material que
actualmente forma la capa de rodamiento y la base existente, será escarificada y
mezclada, las que una vez conformada y compactada tendrá un espesor de 15
cm.
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Concreto Asfáltico en Caliente
(10 cm. de Espesor)
Sub-base existente
Escarificada y compactada al 100%
(15 cm. de Espesor)
Base Asfáltica
(23 cm. de Espesor)
Lc
3.50 m 1.80 m 1.80 m
2:1 1:1
Suelo Natural
3.50 m
ALTERNATIVA III
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A continuación se presenta un resumen de las alternativas resultantes de
pavimento flexible con rodadura de concreto Asfáltico en caliente.
Espesor en
cm
Alternativa Tipo de Base Carpeta de
Rodamiento
Base Sub
Base
1 Grava 17 15 15
2 Grava Cemento 10 23 15
3 Grava Asfalto 10 23 15
Las tres alternativas resultantes tendrán comportamientos adecuados en
Nicaragua. La alternativa no 2 de grava- cemento dada su alta capacidad a la
fisuracion por fatiga resulta ser la mas viable . sin embargo la valoración
económica de una alternativa u otra , será la que defina la variante que finalmente
será utilizada.
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CAPITULO 3 DISEÑO DE ALTERNATIVA DE PAVIMENTO RIGIDO
DE LA CARRETERA SANTA RITA – IZAPA
3.1 Información Básica
Parte de la información básica para el diseño de las alternativas de pavimento de
concreto hidráulico ha sido obtenida de los estudios y diseños elaborados por la
firma consultora Norteamérica Louis Berger en el 2001, esta información es: CBR
de sub rasante y determinación de los ejes equivalentes (ESALS).
3.2 Método de Diseño
Las alternativas de pavimentos de concreto hidráulico se realizará mediante la
aplicación del método de la American Association of State Highway and
Transportation Officials (AASHTO) en su version 1993.
3.3 Variables de Diseño
Este método considera un conjunto de variables independientes de diseño que
permitirán la determinación de los espesores de las capas a emplear en las
estructuras de pavimentos, esas variables son:
a) Cargas provenientes del paso de los vehículos de carga (Wt18)
b) Condición de servicio del Pavimento al inicio del período de servicio (Po)
c) Condición de servicio del Pavimento al final del periodo de diseño (Pt)
d) Confiabilidad en el diseño (R) y desviación estándar del sistema de pavimentos
(So).
e) Calidad del material de fundación (MR)
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f) Calidad del concreto para la losa del pavimento( t ) y de la capa base
g) Coeficiente de transferencia de carga ( j )
a) Coeficiente de drenaje ( m)
b) Módulo de reacción de la sub rasante ( k )
3.4 Diseño de Alternativa
En la alternativa la estructura de pavimento rígido está compuesta de una carpeta
de rodamiento de concreto hidráulico, sobre una sub base de materiales
existentes escarificada y compactada.
Variables
a) Cargas de Diseño: Las cargas de diseño para un periodo de 30 años son: 8.13
x 106 ESALS.
b) Condiciones de Servicio del Pavimento al Inicio del Periodo de Diseño (Po)
El método AASHTO–93 recomienda asigne un valor de 4.5, en el caso de
pavimentos rígidos, valor este que será empleado en la solución de la
ecuación de diseño.
c) Condición de Servicio del Pavimento al Final del Periodo de Diseño (Pt)
El método AASHTO-93 recomienda asignar a esta variable independiente un valor
de 3.0 o de 2.5 tanto en el caso de pavimentos rígidos como de flexibles.
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En el análisis de esta alternativa de concreto rígido se empleará un valor de 3.0.
d) Confiabilidad en el Diseño (R) y Desviación Estándar del Sistema de Pavimento
(So).
La Confiabilidad que la AASHTO –93 recomienda para este tipo de vía se
encuentra entre 80 y 99 %, la confiabilidad a utilizar para el diseño será de 90%
por lo que acuerdo a tabla 4.1 de AASHTO, ZR = - 1.282 .
El valor de la desviación estándar ” So”, por otra parte, es sugerido por el propio
método AASHTO-93 es de 0.35. Para el caso de diseño de un nuevo pavimento
rígido, este valor será en consecuencia, empleado en la solución de la ecuación
de diseño de la AASHTO.
Es conveniente recordar sin embargo, que los valores de R y So, no son otra cosa
que un “factor de seguridad FS” introducido en el diseño, el cual para un 90% de
Confiabilidad y un 0.35 para desviación estándar significa un FS de 2.81.
e) Calidad del Material de Fundación ( MR )
El CBR de la sub rasante determinado mediante sondeos de suelos fue de 6.5% (
ver anexo 1).
MR = 1,500 (6.5) = 9750 psi
f) Calidad del concreto para la losa del pavimento y de la capa base (S´C)
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Para el pavimento rígido a diseñar se considerará un concreto hidráulico de 350
kg/cm2 de resistencia por lo que la resistencia a tracción por flexión de la losa o
módulo de rotura que se escogerá será equivalente al 15% de esta, por lo que S’c
= MR = 52.5 kg/cm2.
g) Coeficiente de transferencia de carga ( j )
El tipo de pavimento de concreto seleccionado es de losas sin refuerzo estructural,
sin empleo de pasadores en las juntas transversales ( juntas trabajando por
fricción ) de manera que el J = 2.7
h) El coeficiente de drenaje se le asigna un valor de 1.05 ya que la base se
considera con drenaje bueno.
i) Calidad del Concreto ( Ec)
Otra de las variables de diseño está asociada directamente con la calidad del
concreto hidráulico con que se constituirá la losa del pavimento. Según el
AASHTO –93 el Módulo Elástico del Concreto se determinará por EC = 57,000 (
F’ c) 0.5 y con una resistencia a la compresión de 5000 psi, tenemos un modulo de
elástico de EC = 57000 (5000) 0.5 = 4,030,510 psi.
j) Módulo de reacción de sub rasante ( k)
La otra variable independiente considerada en la ecuación de diseño del método
AASHTO – 93, corresponde al módulo de reacción de la sub rasante ( k ), el
cual depende de:
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Espesor y calidad de capa de base sobre la cual se construirá la base del
pavimento. En nuestro caso se ha seleccionado el empleo de los materiales
locales encontrados a lo largo de la vía los que se corresponden
fundamentalmente en algunos sectores con suelos del tipo: A-1-a, A-1-b, con baja
plasticidad. En otros sectores los materiales contienen A-2-4, A-2-6, A-2-7 con
índices de plasticidad que oscilan entre 7-14%, que pueden ser estabilizados con
cemento Pórtland en un tenor tal que resulte con una resistencia a la compresión
simple de 25 kg/cm2 a los 7 días, con porcentajes de 5 al 7% solo en aquellos
sectores o longitudes que aparecen. Para esta calidad de suelo cemento, el
Método AASHTO –93 sugiere un módulo resilente
en el orden de 590,000 psi. El espesor de la sub base seleccionado es de 15 cm.
El módulo resiliente del material de fundación es de 9750 psi ya indicado en el
inciso (e) anterior 3.
Perdida del valor soporte de suelo. Dado que no se prevé erosión potencial
en el material de sub base, se selecciona un valor (LS = 1)
Profundidad hasta una fundación rígida, en este aspecto se estudiarán dos
casos:
a) En la mayor parte de la longitud total de la carretera, la profundidad de la roca
es mayor de 3 metros por lo que de acuerdo a lo que recomienda el Método
AASHTO –93, la superficie del estrato de roca no tendrá efecto en el diseño.
Para determinar el módulo efectivo de reacción de la sub rasante que es el
utilizado en el método, se tiene en cuenta el análisis siguiente para un espesor de
subbase asumidos para el tanteo:
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(1) (2) (3) (4) (5) (6)
Periodo Modulo de
Elasticidad de la
sub rasante MR
(psi)
Modulo de
Elasticidad
de la sub
base
(psi)
Valor
K
(pci)
Valor K en el
suelo rígido
Daño relativo
Ur
9,750 12500 460 - 0.70
El valor de la columna 4 se obtuvo de la siguiente manera:
En la figura 3.3 del Manual AASHTO –93 anexo 3 y utilizando los datos:
Espesor propuesto de sub base: 15 cm y modulo resilente de la sub
rasante:9750 psi, nos da el módulo compuesto de reacción de la sub rasante,
considerando una profundidad infinita de una capa rígida (K∞), este valor fue de
460 pci.
En la columna (5) no se realizó corrección en este caso ya que la profundidad
del suelo rígido es mayor de 3 mts.
En la columna (6), se determino el daño relativo (Ur), utilizando la figura 3.5 del
Manual AASHTO –93 (anexo No.3) con los datos: Módulo compuesto de
reacción de la sub rasante K = 460 pci y el espesor de losa
proyectado(asumido): 9”:
Como el periodo a tener en cuenta no se dividió en etapas, no es necesario
determinar el daño relativo promedio, por lo tanto el valor del módulo efectivo de
reacción de la sub rasante K será es determinado en la columna (4), este valor
debe ser corregido debido a la perdida potencial de soporte utilizando la figura 3.6
del Manual AASHTO –93 ( anexo 3 ), utilizando como dato el valor efectivo del
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módulo de la reacción de la sub rasante (K) = 460 pci con valor LS= 0 obtenemos
K= 160 pci.
Resumen de Variables
∆ PSI= Po – Pt = 4.5 – 3.0 = 1.5
R = 90% entonces Zr = - 1.282
So = 0.35
ESALS = 8.1 x 10
S’ c = 745 psi
J = 2.7
C1 = 1.05
K2 = 160 pci
Ec = 4,030,510 psi
Utilizando el ábaco de la figura 3.7 ( ver anexo 3 ) del Manual AASHTO –93
obtenemos un espesor de losa de concreto hidráulico de 8”. (20 cm)
Análisis de Fatiga del Concreto:
Las tablas y gráficos empleados son los mismos, tanto para pavimentos de
concreto simple, con pasadores o sin ellos, como para pavimentos con refuerzo
continuo. La única diferencia la establece el tipo de berma que tenga el pavimento.
En el caso del presente trabajo usaremos con berma de concreto y le corresponde
usar la tabla 6.3 y la figura 6.6 (ver anexo.4 ).
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Los pasos que se siguieron son los siguientes:
Las cargas provienen de los pesajes de vehículos que se realizaron en la
carretera, esto se pueden ver en el capitulo uno en los estudios de tráfico.
(columna 1 de la pagina siguiente).
Factor de seguridad de carga (F.S.C)
El método de diseño exige que las cargas reales esperadas se multipliquen por
unos factores de seguridad de carga, de acuerdo a:
Portland Cement Asociation (PCA)
La P.C.A, recomienda lo siguiente:
Para transito pesado, F.S.C = 1.2 (columna 2)
Columna (3)
En este caso en Nicaragua no se dispone de información detallada acerca del
números de ejes por tipo y rango de cargas por lo que se estimó de acuerdo a
porcentajes del volumen de tráfico proyectado a los 30 años.
Columna (4)
Utilizando la tabla 6.3 y los valores de la columna (2) y el factor de relación de
esfuerzo nos da que las repeticiones admisibles son ilimitados debido a que las
cargas utilizadas son bajas y no repercutirán en este diseño.
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Columna (5)
Estos valores resultan de la división de la columna tres con la columna cuatro,
resultado un porcentaje de fatiga “0”.
Revisión por fatiga
Espesor de Losa “8”
MR = 745.5 PSI = 5.14 Mpa
KC= 160 PCI = Mpa/m
Eje sencillo
Esfuerzo equivalente: 1.430 (Tabla 1.6 de Montejo)
Relaciones de esfuerzo: 1.43/5.14 = 0.28
Cargas por
Eje KN
(1)
Cargas por
Eje x F.S.C
(2)
Repeticiones
Esperadas
(3)
Análisis de Fatiga
Repeticiones
Admisibles
(4)
Porcentaje de
Fatiga
(5)
70 84 229,591 Ilimitado 0
65 78 256,000 Ilimitado 0
60 72 310,640 Ilimitado 0
55 66 336,000 Ilimitado 0
50 60 431,520 Ilimitado 0
45 54 1,350,800 Ilimitado 0
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Eje Tandem
Relación de Esfuerzo: 1.23/5.14 = 0.23
Cargas por
Eje KN
(1)
Cargas por
Eje x F.S.C
(2)
Repeticiones
Esperadas
(3)
Análisis de Fatiga
Repeticiones
Admisibles
(4)
Porcentaje de
Fatiga
(5)
138 165.6 651,360 Ilimitado 0
130 156 664,000 Ilimitado 0
120 144 684,320 Ilimitado 0
De acuerdo a los resultados anteriores, se observa que las repeticiones de carga
admisibles es ilimitado por lo que el diseño propuesto no tendrá problemas de
agrietamiento por fatiga, ya que los ejes que circularan durante la vida útil de este
que es de 30 años no producirán esfuerzos dañinos a la estructura del pavimento
rígido. No se analizaron otras alternativas , tales como grava- asfalto y grava-
cemento ya que sus costos son excesivamente altos y por lo tanto no son
comparables desde el punto de vista de costos.
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ALTERNATIVA DE CONCRETO HIDRÁULICO
Losa de Concreto Hidráulico
De F´c = 5000 Psi
(20 cm. de Espesor)
Sub-base existente
Escarificada y compactada al 100%
(15 cm. de Espesor)
Lc
3.50 m 1.80 m 1.80 m
2:1 1:1
Suelo Natural
3.50 m
Tesis de Maestría PAG 58
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CAPITULO.4 COMPARACIÓN ECONÓMICA DE LAS VARIANTES DE
ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO.
4.1 Introducción
La comparación económica de cada alternativa de concreto Asfáltico e Hidráulico,
se realizará en unidades de un (1) Km. de pavimento, utilizando costos unitarios
presentados al Ministerio de Transporte e infraestructura por las Empresas
Contratistas licitantes para la reconstrucción de la carretera Chinandega –
Guasaule en el presente año 2003.
4.2 Costos de Alternativas
4.2.1 Alternativas de Concreto Asfáltico en Caliente.
Las actividades que se contemplan son las que directamente están relacionadas
con el paquete estructural de pavimento, como son:
- Carpeta Asfáltica en caliente
- Base
- Sub base existente
Tesis de Maestría PAG 59
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Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
Alternativa No. 1
Actividad Unidad de
Medida
Cantidad Costo Unitario
U.S$
Costo Total
U.S$
Concreto
Asfáltico en
Caliente
M3 1658 100.69 166,944
Base de
Agregados
Triturados
M3 1650 19.55 32,257.5
Sub Base
Carificada
Compactada
M3 1800 3.65 6570
Total 205,771.5
Alternativa No. 2
Concreto
Asfáltico en
Caliente
M3 916 100.69 92,232.04
Base de
Agregados
Triturados
Estabilizados
M3 2,530 36.97 93,534.1
Sub Base
existente
escarificada y
compactada
M3 1800 3.65 6570
Total 192,336.14
Alternativa No. 3
Tesis de Maestría PAG 60
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
Concreto
Asfáltico en
Caliente
M3 916 100.69 92,232.04
Base Negra M3 2,530 76.37 193,216.1
Sub Base
existente
escarificada y
compactada
M3 1800 3.65 6570
Total 292,018.4
4.2.2 Alternativa de Concreto Hidráulico
Las actividades que se involucran son las que directamente están relacionadas
con el paquete estructural de este pavimento como son:
- Concreto Hidráulico
- Sub Base existente
Actividad Unidad de
Medida
Cantidad Costo Unitario
U.S$
Costo Total
U.S$
Concreto
Hidráulico
M3 2120 156 330,720
Sub-base
escarificación
y
compactacion
M3 1800 3.65 6570
Total 337,290
Tesis de Maestría PAG 61
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
4.3 Resumen de Costos de Alternativas
Alternativa Años de Vida Util Costo por Km. U.S$
Alternativa No.1
Concreto Asfáltico
20 205,771.5
Alternativa No.2 de
Concreto Asfáltico
20 192,336.14
Alternativa No.3 de
Concreto Asfáltico
20 292,018.4
Alternativa de Concreto
Hidráulico
30 337,290
De acuerdo al cuadro 4.3 , resumen de costos de alternativas, la variante No 2 de
concreto asfáltico con base grava-cemento es la que presenta menores costos por
Km.
La alternativa de concreto hidráulico resulto ser la de mayor costo, la cual excede
en aproximadamente un 16% a la alternativa de mayor costo de pavimento
flexible que es la No 3 o de base asfáltica, sin embargo el pavimento de concreto
presenta un diseño con 10 años mas de vida útil que los pavimentos flexibles así
como menores costos de mantenimiento, factores que podrían justificar en cierta
medida su aplicación en un proyecto.
4.4 Ventajas y Desventajas Técnicas Económicas de las Alternativas de
Concreto Asfáltico e Hidráulico.
Las ventajas y desventajas de las alternativas corresponden concretamente a una
comparación entre ambos tipos, son las siguientes:
Tesis de Maestría PAG 62
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
A) Concreto Asfáltico
Ventajas
- Posee el índice de regularidad (IRI) mas bajo de todos los pavimentos, oscilan
entre 1.5 –2, lo que permite un excelente confort y seguridad al usuario.
- Debido a que tiene un índice de regularidad bajo los costos de operación
vehícular son menores.
- Una vez vencida su vida útil se puede reutilizar los materiales asfálticos
mediante el reciclaje de estos, lo que permite un ahorro en los costos.
- Los costos iniciales de construcción son más bajos.
Desventajas
- Mayores costos de mantenimiento
- No resiste los ataques químicos (aceites, grasas, combustibles)
- La durabilidad de estas estructuras es menor.
B) Concreto Hidráulico
Ventajas
- Mantiene integra la superficie de rodadura y no la afecta la intemperie.
- Mejor distribución de las presiones a la fundación.
- Mayor vida útil.
- Necesita poco mantenimiento y conservación.
- Menor afectación ambiental.
- Resisten los ataques químicos.
Tesis de Maestría PAG 63
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
Desventajas
- Mayor costo inicial de construcción
- No se tiene experiencia en Nicaragua, lo que puede incrementar
excesivamente los costos de construcción.
Conclusiones
Al confrontar los resultados anteriormente obtenidos de los respectivos
pavimentos flexibles y rígidos, se extraen las siguientes conclusiones.
1. De los resultados de la evaluación técnica económica, se desprende que
las alternativas de pavimentos flexibles, ofrecen opciones adecuadas para
una buena construcción de carreteras, ya que presentan menores costos en
su inversión inicial, confort, calidad y seguridad para los usuarios.
2. La variante de concreto asfáltico con base de grava cemento es la que
presenta mejores condiciones para ser usada, ya que tiene menores costos
y buen comportamiento ante las exigencias del tráfico.
3. Así mismo estas alternativas de pavimentos concreto asfáltico son opciones
que en países como Nicaragua y que dependen de financiamiento externo
limitado para su ejecución, permiten dar una respuesta adecuada que con
mantenimiento permanente preservan la inversión por el periodo de diseño
previsto.
4. El pavimento rígido empieza a resultar preferente a medida que la vida útil
de proyecto es mayor, ya que su durabilidad es excelente y requiere poco
mantenimiento.
Tesis de Maestría PAG 64
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
Recomendaciones
- En futuros proyectos, debe realizarse el debido estudio en los costos de
conservación y de operación del transporte. Este puede arrojar resultados para
una buena toma de decisión
- Para tráficos de vida útil de 30 años o mas, el pavimento rígido puede
implementarse ya que es una opción más conveniente ya que requieren de
acciones de conservación mayor mas espaciadas.
- En cada caso, debe realizarse un análisis particular que permita tomar en
cuenta la disponibilidad de material, así como el precio del petróleo. Para cada
caso, puede resultar más conveniente uno u otro.
- Se debe evitar dejar deteriorar excesivamente la vía ya que los costos de
Rehabilitación y Mejoramiento son mayores en la medida que pasa el tiempo.
- Adoptar secciones estructurales de pavimentos resistentes apropiadas de
amplio horizonte, que conduzca a costos de conservación menores en la vida
del pavimento, y por lo tanto a menores costos de operación. Lo que nos
permitirá crecer únicamente por sucesivas adiciones, pero aprovechando
siempre lo construido.
- El resultado de este estudio es una buena herramienta que puede ser utilizada
por el Ministerio de Transporte e Infraestructura para la definición de una
estrategia de rehabilitación y mejoramiento de la carretera Santa Rita- Izapa.
Tesis de Maestría PAG 65
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
BIBLIOGRAFIA
- Corredor - M. Gustavo: "Apuntes de Pavimentos", Volumen I, II, III,
Venezuela. - Gutiérrez Oscar: "Geotecnia Vial", Nicaragua, 2001. - Bonifica : "Informe sobre diseño del pavimento", Carretera Santa Rosa –
Muhan. Nicaragua, 2000. - Urbaez P. Ernesto : " Diseño de Pavimentos II", Venezuela. - American Association of State Highway and Transportation Officials:
"Design of Pavement Structures" EEUU, 1993. - Ministerio de la Construcción "Red Vial Pavimentada de Nicaragua"
Nicaragua, 1979. - Cisconco Ingenieros Consultores: Informe Final de Diseño", Carretera
Nejapa - Izapa, Nicaragua, 1989. - Londoño: "Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos de
Concreto" Colombia, 2001. - Frederick S. Merritt : " Manual del Ingeniero Civil" USA, 1983. - Montejo Alfonso : "Ingeniería de Pavimentos para Carreteras" Colombia,
1998. - Louis Berger : " Informe Final de Diseño", Carretera Santa Rita – Izapa,
Nicaragua, 2001. - SIECA : " Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos",
Guatemala, 2002. - Instituto Mexicano del Transporte: "Algunos Aspectos Comparativos entre
Pavimentos Flexibles y Rígidos", México, 1998. - Guido R. : "Ingeniería de Transito" EEUU.
Tesis de Maestría PAG 66
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
- Escuela de Ingeniería de Caminos de Montaña:," Método AASWTO 93",
Argentina, 1995. - AVITIA G.R. : "Pavimentos de Concreto", México, 1971. - Bolzan Pablo: "Pavimentos Perpetuos, Conceptos y Aplicaciones",
Argentina. - Rico. P. Alfonso: " La Ingeniería de Suelos en las Vías Terrestres", México,
1982. - SIECA : " Manual Centroamericano para la Construcción de Carreteras y
Puentes Regionales", Guatemala, 2001. - Ministerio de Transporte e Infraestructura: " Plan Nacional de Transporte,
Nicaragua, 2000. - Ministerio de Transporte e Infraestructura: "Ofertas Económicas para la
Construcción de la Carretera Chinandega – Guasaule. Alternativas de Pavimento Flexible y Rígido. Nicaragua, 2003.
- ICPC : " Construcción de Pavimentos de Adoquines de Concreto",
Colombia, 1999. - CEMEX : " Propuesta de Diseño de Pavimento Pista Café Soluble",
Nicaragua, 2001. - M Y S Internacional, S.A.: " Actualización del Diseño de Pavimento: "
Proyecto Nejapa – Apopa – Troncal Norte. El Salvador, 2002. - * Ing. Luis Medina Rodríguez “Comprobación Estructural de las secciones
de firme de la instrucción de carreteras” 6.1 y 6.2 I. C
Tesis de Maestría PAG 67
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
ANEXOS
Anexo.1
Anexo.2
Anexo.3
Anexo.4
Anexo.5
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Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
ANEXO.1
Resultados de Suelos
RES
ULT
ADO
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E EN
SAYE
S D
E SU
ELO
SC
liente
Min
iste
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31+
000
80 a
631
Carp
(A
sf)
31+
000
86 a
100
32
100%
97%
92%
86%
82%
69%
54%
27%
9%
-
-
-
A-1
-b (
0)
31%
60%
9%
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%
31+
200
90 a
534
-
-
Carp
(A
sf)
31+
200
95 a
16
35
100%
89%
83%
77%
70%
50%
40%
23%
10%
31,0
0
26,0
0
5,0
0
A
-1-a
(0)
50%
40%
10%
8,1
%
31+
200
916 a
100
36
100%
100%
100%
99%
97%
85%
68%
43%
21%
34,0
0
28,0
0
6,0
0
A
-1-b
(0)
15%
64%
21%
13,2
%
31+
400
10
0 a
538A
-
-
Carp
(A
sf)
31+
400
10
5 a
86
40
100%
99%
99%
99%
89%
72%
55%
34%
18%
32,0
0
27,0
0
5,0
0
A
-1-b
(0)
28%
54%
18%
10,1
%
31+
400
10
86 a
100
41
100%
100%
100%
100%
99%
94%
85%
49%
23%
50,0
0
38,0
0
12,0
0
A-2
-7 (
0)
6%
71%
23%
36,4
%
31+
600
11
0 a
642
-
-
Carp
(A
sf)
31+
600
11
6 a
54
44
100%
89%
83%
77%
70%
50%
40%
23%
10%
31,0
0
26,0
0
5,0
0
A
-1-a
(0)
50%
40%
10%
12,5
%
31+
600
11
54 a
100
45
100%
100%
100%
99%
97%
85%
68%
43%
21%
34,0
0
28,0
0
6,0
0
A
-1-b
(0)
15%
64%
21%
21,8
%
31+
800
12
0 a
448
-
-
Carp
(A
sf)
31+
800
12
4 a
10
49
100%
89%
83%
77%
70%
50%
40%
23%
10%
31,0
0
26,0
0
5,0
0
A
-1-a
(0)
50%
40%
10%
13,0
%
31+
800
12
10 a
69
50
100%
100%
100%
99%
97%
85%
68%
43%
21%
34,0
0
28,0
0
6,0
0
A
-1-b
(0)
15%
64%
21%
11,3
%
31+
800
12
69 a
100
53
100%
100%
100%
100%
99%
85%
71%
62%
51%
51,0
0
30,0
0
21,0
0
A-7
-5 (
8)
15%
34%
51%
11,1
%
32+
000
13
0 a
554
-
-
Carp
(A
sf)
32+
000
13
5 a
23
55
100%
89%
83%
77%
70%
50%
40%
23%
10%
31,0
0
26,0
0
5,0
0
A
-1-a
(0)
50%
40%
10%
9,3
%
32+
000
13
23 a
90
57
100%
100%
100%
99%
97%
85%
68%
43%
21%
34,0
0
28,0
0
6,0
0
A
-1-b
(0)
15%
64%
21%
13,7
%
32+
000
13
90 a
100
59
100%
100%
100%
100%
99%
85%
71%
62%
51%
51,0
0
30,0
0
21,0
0
A-7
-5 (
8)
15%
34%
51%
11,1
%
32+
200
14
0 a
658A
-
-
Carp
(A
sf)
32+
200
14
6 a
31
59A
100%
89%
83%
77%
70%
50%
40%
23%
10%
31,0
0
26,0
0
5,0
0
A
-1-a
(0)
50%
40%
10%
10,4
%
32+
200
14
31 a
100
60
100%
100%
100%
99%
97%
85%
68%
43%
21%
34,0
0
28,0
0
6,0
0
A
-1-b
(0)
15%
64%
21%
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%
32+
300
15
0 a
661
-
-
Carp
(A
sf)
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300
15
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100%
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29,0
0
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0
1,0
0
A
-1-b
(0)
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20%
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%
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100%
100%
100%
100%
100%
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0
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0
18,0
0
A-7
-5 (
13)
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%
32+
500
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0 a
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-
-
Carp
(A
sf)
32+
500
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100%
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0
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0
1,0
0
A
-1-b
(0)
36%
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%
32+
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60 a
100
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100%
100%
100%
100%
96%
80%
64%
38%
17%
29,0
0
22,0
0
7,0
0
A
-2-4
(0)
20%
63%
17%
6,5
%
32+
700
17
0 a
870
-
-
Carp
(A
sf)
32+
700
17
8 a
82
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100%
100%
93%
85%
79%
64%
51%
36%
20%
29,0
0
28,0
0
1,0
0
A
-1-b
(0)
36%
44%
20%
14,8
%
32+
700
17
82 a
100
74
100%
100%
100%
100%
100%
100%
99%
95%
82%
51,0
0
33,0
0
18,0
0
A-7
-5 (
13)
0%
18%
82%
30,0
%
32+
900
18
0 a
475
-
-
Carp
(A
sf)
32+
900
18
4 a
100
76
100%
100%
93%
85%
79%
64%
51%
36%
20%
29,0
0
28,0
0
1,0
0
A
-1-b
(0)
36%
44%
20%
9,3
%
33+
100
19
0 a
478
-
-
Carp
(A
sf)
33+
100
19
4 a
79
79
100%
100%
93%
85%
79%
64%
51%
36%
20%
29,0
0
28,0
0
1,0
0
A
-1-b
(0)
36%
44%
20%
10,9
%
33+
100
19
79 a
100
82
100%
100%
100%
100%
100%
100%
99%
95%
82%
51,0
0
33,0
0
18,0
0
A-7
-5 (
13)
0%
18%
82%
33,0
%
33+
300
20
0 a
582A
-
-
Carp
(A
sf)
33+
300
20
5 a
24
83
100%
86%
80%
74%
65%
50%
42%
26%
13%
27,0
0
25,0
0
2,0
0
A
-1-a
(0)
50%
37%
13%
8,1
%
33+
300
20
24 a
80
84
100%
100%
100%
100%
100%
96%
84%
55%
26%
51,0
0
30,0
0
21,0
0
A-2
-7 (
1)
4%
70%
26%
17,6
%
33+
300
20
80 a
100
85
100%
100%
100%
98%
96%
94%
90%
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Tesis de Maestría PAG 69
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
ANEXO.2
Gráfica 2.4 Gráfica 2.5 Gráfica 2.6 Gráfica 2.7 Gráfica 2.8 Gráfica 2.9 Figura 3.1 Resultados ALIZE III
Tesis de Maestría PAG 70
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
ANEXO.3
Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 3.7
Tesis de Maestría PAG 71
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
ANEXO.4
Figura 6.3 Figura 6.6
Tesis de Maestría PAG 72
Evaluación Técnica Económica de Pavimentos de Concreto Asfáltico e Hidráulico en la Carretera Santa
Rita - Izapa
Elaborado por: Ing. José Joaquín Guevara Arce
ANEXO.5
Fotografía del Estado Actual de la Carretera