informe pavimentos bajo volumen 2005 - lanammeucr · permitir el tránsito de diferentes tipos de...

Reporte de investigación LM-PI-PV-IN-21B-05

MANUAL DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS

PARA CAMINOS DE BAJO VOLUMEN DE TRANSITO

Investigador: Fabricio Leiva

Julio 2005

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MANUAL DE DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS PARA

CAMINOS DE BAJO VOLUMEN DE TRANSITO 1. INTRODUCCIÓN

1.1. Antecedentes:

Los caminos pavimentados de bajo volumen de nuestro país, han presentado ciertos problemas en relación a los caminos pavimentados de redes principales tales como:

• La vida útil de los pavimentos es relativamente corta. • El control de pesos de cargas altas (camiones) es nulo o casi nulo. • La calidad de los procesos constructivos tiende a ser deficiente. • Los sistemas de drenaje que se diseñan tienden a ser insuficientes. • Al término de su vida útil, por lo general, requieren ser re-construidos perdiendo

gran parte de la inversión realizada. • Falta de estudios de capacidad de soporte de la subrasante.

Todos estos problemas produce que muchos caminos de bajo volumen incumplan con requisitos de funcionalidad, lo que se traduce en altos costos operacionales y de mantenimiento; es por esto que existen diversos manuales o guías de diseño, los cuales deben adaptarse a las condiciones particulares de cada país, tales como suelo, clima, materiales, entre otros.

1.2. Objetivo:

Presentar soluciones estructurales de forma clara y sencilla para el diseño estructural de caminos de bajo volumen de tránsito, por medio de catálogos de estructuras predefinidas, aplicando una metodología moderna de cálculo de espesores de capas. Como objetivos específicos se citan: • Homogeneizar, estandarizar y optimizar soluciones de ingeniería para caminos de

bajo volumen de tránsito. • Aplicar una moderna metodología de diseño estructural (metodología Mecanística-

Empírica). • Establecer lineamientos generales para la comparación económica de estructura de

pavimentos viables.

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1.3. Alcance:

El manual considera soluciones estructurales con materiales tradicionales, cuyas propiedades mecánicas y comportamiento son conocidos, y que cuentan con referencia en la literatura técnica. El manual contiene los siguientes aspectos:

• Estudios de mecánica de suelos en las vías terrestres. • Diagnóstico acerca de los tipos de materiales utilizados en pavimentos de bajo

volumen en nuestro país. • Diagnóstico de los niveles de tránsito presentes en carreteras o caminos de bajo

volumen. • Metodología para el estudio y selección de los rangos de tránsito de diseño. • Metodología para el estudio y selección de los rangos de capacidad de soporte de

la subrasante. • Metodología para categorizar las condiciones de clima y cargas vehiculares. • Hipótesis y fundamentos de diseño. Procedimientos para la selección de

parámetros de diseño. • Metodología y criterios para la selección del tipo de material, tipo de estructura y

tipo de pavimento en función de las variables: tránsito, capacidad de soporte del suelo y clima.

• El tipo de paquete estructural por seleccionar se presenta en forma de catálogos predefinidos de diseño.

2. CAMINOS DE BAJO VOLUMEN DE TRANSITO EN COSTA RICA

2.1 Definición de pavimentos para caminos de bajo v olumen de tránsito

El objetivo básico de los caminos de bajo volumen (muchos de ellos no pavimentados), es proporcionar accesibilidad a zonas residenciales, pueblos, poblados, centros de servicio, centros industriales de explotación y variados tipos de zonas rurales. Además, deben permitir el tránsito de diferentes tipos de vehículos durante todas las estaciones del año, asegurar una movilidad y velocidad adecuada, garantizar seguridad a peatones, vehículos motorizados y no motorizados y controlar la emisión de polvo. Una parte importante de los caminos de bajo volumen de tránsito se encuentra generalmente, en una proporción no pavimentados y otra proporción se encuentra con tratamientos superficiales o estructuras de pavimento asfáltico relativamente delgadas, sobre suelos arcillosos y arcillo-expansivos. Para un proyecto de inversión en un camino de bajo volumen de tránsito se requiere en la actualidad cumplir con estándares mínimos de diseño geométrico, señalización y una ingeniería de diseño estructural de pavimentos adecuada que permita garantizar la durabilidad de la solución obtenida y a su vez justificar económicamente esa solución.

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Dado que existe una necesidad de abordar y resolver problemas de una cantidad muy elevada de caminos de bajo volumen de tránsito, se deben considerar soluciones intermedias con estándares geométricos y estructura de pavimento menores a los mínimos, como los denominados “pavimentos transitorios”. 2.1.1 Pavimentos transitorios Se consideran pavimentos transitorios a aquellas soluciones de pavimentación de corto plazo (1 a 3 años). No se espera que la estructura utilizada pueda ser reforzada o ser reutilizada al término de su vida útil, no obstante se recomienda que la solución utilizada forme parte de la base de una estructura futura de más características constructivas más definitivas. Los pavimentos transitorios tienen como objetivo principal resolver problemas funcionales de caminos no pavimentados de muy bajo estándar. Según sea el tipo de solución utilizada, se pueden resolver uno o más de los siguientes tipos de problemas:

• Emisión de polvo. • Pérdida de material grueso y formación de baches. • Susceptibilidad al daño por humedad. • Mejoramiento de la subrasante. • Uso de materiales marginales para la construcción de bases y carpetas de rodado.

Un caso que se puede considerar como pavimento transitorio es el de las calles en urbanizaciones en la etapa de construcción. En esta etapa se produce el movimiento de maquinaria pesada que no se toma en cuenta en la vida útil del pavimento, por lo que se recomienda la aplicación de un pavimento transitorio para la etapa de construcción con periodos de vida útil entre 1 y 3 años, considerando una estratigrafía de vehículos pesados, para luego aplicar el diseño de pavimentos de bajo volumen de tránsito una vez terminada la etapa de construcción. Lo que se pretende, con la consideración de pavimento transitorio, al pavimento en la etapa de construcción, es evitar el prematuro daño de la estructura debido a las altas cargas impuestas por los diferentes movimientos de maquinaria pesada. Para la construcción de pavimentos transitorios se pueden utilizar una amplia variedad de soluciones constructivas, entre el tipo de solución constructivas más utilizadas se considera principalmente la estabilización química.

2.2 Nivel de tránsito de vehículos para caminos de bajo volumen

Un pavimento se construye con la finalidad de brindar condiciones de circulación cómodas, seguras y económicas al tránsito que lo habrá de utilizar. En consecuencia, su diseño implica la estimación del número y características de los vehículos que puedan circular sobre él.

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En nuestro país se cuenta con muy poca información de vías de bajo volumen de tránsito dado que se le brinda mayor importancia a las carreteras de alto volumen, no se cuenta con información de caminos secundarios de red municipal, por otro lado si se cuenta con registros de la red nacional de la cual se determinó una categoría de carreteras de bajo volumen. El resto de la información que se utiliza en este manual fue obtenida a partir de estudios de impacto vehicular realizados para entes particulares y que de alguna forma suministra conteos vehiculares sobre caminos de bajo volumen como se observa en la Tabla 2.1. Por otro lado, también se utilizó información bibliográfica sobre clasificación vehicular dependiendo de la región, en la Tabla 2.2 se muestra una clasificación brindada por el Instituto del Asfalto. En las Tablas 2.3 y 2.4 se muestran la clasificación que se utiliza actualmente en el estado de Washington y en Australia, respectivamente, para caminos de bajo volumen. Tabla 2.1. Clasificación de tránsito para caminos d e bajo volumen de C.R. Tipo de camino Tipo de vehículo Rango Residencial TPD 100 - 900

% Vehículos pesados 0.5 – 1.5 % Buses 0.5 – 2.0

Red Nacional TPD 600 - 900 % Buses 1.5 – 4.0 % Carga Liviana 20 - 35 % Vehículos Pesados 7.0 - 12

Rural TPD 1300 - 2000 % Vehículos pesados 1.0 – 2.5 % Buses 1.0 – 2.0

Secundario o recolector Municipal

TPD 2000 - 5000 % Vehículos pesados 1.0 – 2.0 % Buses 1.0 – 3.0

Tabla 2.2. Clasificación de tránsito de diseño por el Instituto del Asfalto. Tipo de camino Rango de vehículos pesados

estimado en el período de diseño Ejes Equivalentes

Tránsito liviano en zonas residenciales.

Menos de 7000 5000

Calles residenciales y caminos rurales.

De 7000 a 15000 10000

Calles recolectoras urbanas y caminos recolectores rurales.

De 70000 a 150000 100000

Arterias urbanas de tránsito industrial liviano y caminos recolectores mayores en zona rural.

De 700000 a 1500000 1000000

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Tabla 2.3. Clasificación de tránsito vehicular apli cada en el estado de Washington. Tipo de camino Tipo de vehículo Vehículos

por día Vehículos por año

EEq por año

Residencial. Vehículo liviano y carga liviana 500 200000 140 Camiones y buses livianos 10 4000 80 Camiones y buses pesados. - - -

Rural Vehículo liviano y carga liviana 1500 500000 300 Camiones y buses livianos 20 7000 1800 Camiones y buses pesados. - 50 50

Secundario o recolector

Vehículo liviano y carga liviana 3500 1300000 900 Camiones y buses livianos 100 36500 9000 Camiones y buses pesados. 20 7000 10000

Tabla 2.4. Clasificación de tránsito de diseño apli cado en Australia

Tipo de camino TPD Porcentaje vehículos pesados

ESAs para período de

diseño Carril único 30 3 1300 Menor con dos carriles 90 3 2000 Acceso local sin buses 400 4 19300 Acceso local con buses 500 6 48300 Acceso local en zona industrial 400 8 77200 Secundario sin buses 1200 6 152000 Secundario con buses 2000 7 355000 Período de diseño de 20 años Índice de crecimiento menor al 1.5% Vehiculos pesados mayores a 3 ton Nota Los valores presentados en esta guía, no son valores que se deben aplicar a ciegas, cada desarrollador es responsable de hacer los conteos vehiculares y obtener el valor de tránsito por aplicar en su proyecto. También se puede aplicar la clasificación establecida por el Ministerio de Obras Públicas de Chile donde se consideran: a) Estructuras de Pavimentos para Caminos de Tránsi to Liviano: Se consideran dentro de esta categoría aquellos caminos cuyo flujo principal de vehículos, es de tránsito liviano con un porcentaje bajo de vehículos pesados. En esta categoría entran caminos tales como: caminos de accesos a balnearios, zonas turísticas, calles de urbanizaciones, poblados pequeños, colegios u otras zonas de servicios. El tránsito de diseño esperado para 10, 15 y 20 años es menor a 150000 Ejes Equivalentes en el carril de diseño. En el caso de este manual se establece ese límite de carga de

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150000 EEq para urbanizaciones, donde se establece una serie de rangos que van desde los 20000 EEq en el carril de diseño. b) Estructuras de Pavimentos para Caminos de Tránsi to Pesado: Se considera dentro de esta categoría aquellos caminos cuyo porcentaje de vehículos pesados es mayor a 15-20% del flujo total y los ejes equivalentes estimados son menores a 1 millón en el carril de diseño. En esta categoría entran caminos principalmente asociados a zonas con actividad industrial, agrícola, ganadera o de servicios.

2.3 Descripción de estructuras de pavimento utiliza das en este manual

Se consideran los siguientes tipos de estructuras: Estructuras tipo 1: Estructuras granulares con capa de protección.

• Considera para la superficie de rodamiento una capa de protección del tipo:

Tratamiento Superficial Simple o Doble (TSS o TSD), entre otros. • Considera siempre una base granular con CBR 80%. • Considera una subbase granular con CBR 30%. • También considera condiciones de suelo de subrasante con baja capacidad de

soporte. • Considera diseños para condición normal y condición saturada (o niveles de

humedad elevados). Estructuras tipo 2: Estructuras granulares con carpeta asfáltica.

• Considera para la superficie de rodamiento una carpeta asfáltica. • Considera siempre una base granular con CBR 80%. • Considera una subbase granular con CBR 30%. • También considera condiciones de suelo de subrasante con baja capacidad de

soporte. • Considera diseños para condición normal y condición saturada. • Espesor mínimo de carpeta asfáltica de 5.0 cm y espesor mínimo de base de 10.0

cm.

Capa de protección

Capas granulares

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Estructuras tipo 3: Estructuras con base estabilizada con cemento (o toba cemento) y capa de protección.

• Considera para la superficie de rodamiento una capa de protección del tipo: Tratamiento Superficial Simple o Doble (TSS o TSD), entre otros.

• Considera una base estabilizada con módulo resilente de 7000 Mpa (1000 kpsi). • También considera condiciones de suelo de subrasante con baja capacidad de

soporte. • Considera una subbase granular con CBR 30%. • Considera diseños para condición normal.

Estructuras tipo 4: Estructuras con base estabilizada con cemento (o toba cemento) y carpeta asfáltica.

• Considera para la superficie de rodamiento carpeta asfáltica. • Considera una base estabilizada de 7000 Mpa (1000 ksi). • También considera para condiciones de suelo de subrasante con baja capacidad

de soporte • Considera una subbase granular con CBR 30%. • Considera diseños para condición normal.

Carpeta Asfáltica

Capas granulares

Carpeta Asfáltica

Subbase granular

Base estabilizada

Capa de protección

Base estabilizada

Subbase granular

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Estructuras tipo 5: Estructuras con base granular y capa de rodadura de hormigón.

• Considera para la superficie de rodamiento losas de hormigón con resistencia a la compresión simple de 25 MPa.

• Considera siempre una subbase granular con CBR 30%. • También considera condiciones de suelo de subrasante con baja capacidad de

soporte • Considera diseños para condición normal.

Estructuras tipo 6: Estructuras con base estabilizada con cal hidratada y carpeta asfáltica.

• Considera para la superficie de rodamiento carpeta asfáltica. • Considera una base estabilizada con resistencia a la compresión de 40 Kg/cm2 a

los 7 días. • También considera condiciones de suelo de subrasante con baja capacidad de

soporte. • Considera diseños para condición normal.

3. METODOLOGÍA DE DISEÑO

3.1 Método de diseño utilizado

El manual se elaboró utilizando la metodología empírica-mecanística de análisis multicapa elástica; el cual para el diseño estructural aplica, las tensiones y deformaciones que se originan en posiciones críticas dentro del paquete estructural, producto de las solicitaciones de tránsito existentes durante el período de diseño. El esquema del proceso de diseño empírico-mecanístico se resume en la Figura 3.1, donde se observa que, la sumatoria de los daños producidos por el factor de nivel de tránsito solicitado entre el nivel de tránsito estimado debe ser inferior a 1.

Capa de hormigón

Subbase granular

Carpeta Asfáltica

Subbase granular

Base estabilizada

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Las solicitaciones de tránsito se caracterizan a través de un eje estándar, esta configuración se muestra en la Figura 3.2, la cual corresponde a un eje simple rueda doble de 80 KN, con una presión de inflado de contacto de 690 Kpa y una separación de ruedas de 35 cm.

Figura 3.1. Esquema del procedimiento de diseño emp írico-mecanístico. Figura 3.2. Configuración del eje estándar.

Configuraciones de carga.

Parámetros estructurales.

Análisis estructural. Respuestas del pavimento.

Tensiones y deformaciones críticas. (σ y ε).

Modelos de desempeño del pavimento.

Solicitaciones de carga. Nivel de tránsito de diseño. (n).

Estimación de nivel de tránsito. Vida útil (Nf). ∑=

i

i

Nf

nD

D>1 D<1 Diseño final.

35 cm

P=20 KN

Q = 690 KPa

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3.2 Modelos de desempeño de las estructuras de pavi mento

a) Carpeta asfáltica: El criterio de falla que considera el modelo está dado por la aparición de grietas en la superficie de la capa. La función de transferencia (ecuación de fatiga) utilizada para la capa flexible es la desarrollada por el Instituto del Asfalto para 20% de agrietamiento:

[ ] 854.0291.3)(0796.0 −−= EN tf ε

donde: Nf = Número de cargas aplicadas para la falla. εt = Deformación unitaria de tensión en la parte inferior de la capa. E = Módulo resilente (psi) b) Capas granulares: Para las capas compuestas por material granular, el criterio de falla está dado por la deformación de la estructura granular debido a las tensiones de corte, bajo cargas repetidas de tránsito. Las funciones de transferencia (ecuaciones de deformación) para las capas granulares desarrolladas por el CSIR de Sudáfrica son las siguientes:

)(

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31

3

)983324.3605122.2(

σσφσ

−+=

= +⋅

termterm

Ff

cF

N

donde: Nf = Número de cargas aplicadas para la falla. σ1 = Esfuerzo de compresión en la parte media de la capa. σ3 = Esfuerzo de tensión en la parte media de la capa. φterm = ángulo de fricción interna. Cterm = cohesión.

c) Capas cementadas:

La capa cementada presenta dos condiciones de falla: fatiga y “crushing” (separación del material cementado y aplastamiento). Estas dos condiciones de falla se producen en serie. Es decir, una vez que la capa cementada falla por agrietamiento a la fatiga se considera que la capa cementada pierde esas características pero, continua

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resistiendo como un material granular el cual falla luego por deformación. Las ecuaciones fueron desarrolladas por el CSIR de Sudáfrica. Fatiga: El parámetro crítico es la deformación unitaria máxima (εt) en la parte inferior o dentro de la capa:

−

= b

t

fN εε66.7

187.6

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donde: Nf = Número de cargas aplicadas para la falla. εt = Deformación unitaria máxima en la capa. εb = Deformación para la rotura del material (micro strain). “Crushing”: deformación en la parte superior de la capa.

−= UCS

ci

v

N 13.11706.7

10σ

donde: Nci = Número de cargas aplicadas para la falla. σv = Esfuerzo por compresión en la superficie de la capa (Pa). UCS = Resistencia a la compresión no confinada (Pa).

d) Subrasante: Para la subrasante, el criterio de falla está dado por una deformación vertical permanente de 12.7 mm en la superficie de la subrasante. La función de transferencia (ecuación de deformación) para la subrasante es la desarrollada por el Instituto del asfalto:

477.49 )(10365.1 −−×= cdN ε

donde: Nd = Número de cargas aplicadas para la falla. εc = Deformación unitaria de compresión en superficie de la subrasante.

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e) Losas de concreto hidráulico Para las losas de concreto se cuenta con una metodología desarrollada en Estados Unidos para un modelo mecanístico de fatiga. Para la evaluación de este modelo se utilizó un programa de Elemento Finito, con el fin de obtener los parámetros de respuesta mecanístico ante la carga de un eje equivalente.

Donde: N: Número de cargas aplicadas para la falla. SR: razón de esfuerzo (aplicado / resistido) P: nivel de probabilidad σ: Esfuerzo total en la orilla de la losa debido a condiciones de carga y climáticas. MR: módulo de ruptura del concreto.

3.3 Propiedades de los materiales:

a) Carpeta asfáltica: Se considera, concreto asfáltico procesado en caliente con un módulo resilente de 3000 MPa (aproximadamente 400000 psi). b) Capas de material granular y subrasante: Se considera la utilización de bases granulares con CBR de 80% (módulo resilente aproximado de 250 MPa) y subbases granulares con CBR de 30% (módulo resilente aproximado de 145 MPa). Para materiales de subrasante se consideran CBR entre 3 y 10 % (módulos resilentes aproximados entre 35 y 80 MPa). c) Capas cementadas (losas de concreto hidráulico y bases estabilizadas con

cemento, cal y toba cemento): Para losas de concreto hidráulico se considera una resistencia a la compresión no confinada de 250 kg/cm2 a los 14 días (Módulo resilente aproximado de 28 GPa). Para bases estabilizadas con cemento y toba cemento se considera una de resistencia a la compresión no confinada 40 kg/cm2 a los 7 días (módulos resilente aproximado de 7 GPa). Para las bases estabilizadas con cal hidratada se considera una resistencia a la compresión no confinada de 20 kg/cm2 (módulo resilente aproximado de 4200 MPa).

2276.0367.5

0032.0)1log(

log

−−=− PSR

N

MRSR

σ=

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4. CRITERIOS Y SELECCIÓN DE PARÁMETROS DE DISEÑO

4.1 Suelo de subrasante

Las estructuras de pavimento se desarrollaron por medio del método mecanístico de multicapa elástica, el cual aplica como parámetro de diseño el módulo resilente. Existen una serie de fórmulas que correlacionan el CBR con el módulo resilente; en este manual se utilizan las fórmulas desarrolladas por Heukelom y Klomp. En la Tabla 4.4 se muestran los rangos de valores de CBR para la selección de la capacidad de soporte de la subrasante utilizados en este manual.

64.06.17 CBRMr ⋅= (MPa) 2<CBR<12

55.01.22 CBRMr ⋅= (MPa) 12<CBR<80 Tabla 4.1. Rangos de diseño para la capacidad de so porte de la subrasante. Rango CBR (%) S1 2 - 3 S2 4 – 6 S3 7 – 9 S4 >9 4.1.1. Evaluación de la Capacidad de Soporte La capacidad de soporte debe ser evaluada utilizando cualquiera de las técnicas normalizadas de uso habitual en la ingeniería de caminos. Los procedimientos comúnmente recomendados son:

• Clasificación de suelos realizada por medio de los sistemas de clasificación AASHTO y SUCS, utilizando correlaciones conocidas o las presentadas en este manual. (Ver Figura 4.1 y Tabla 4.5)

• CBR en laboratorio. • Cono de Penetración Dinámica (CPD) • Viga Benkelman • Deflectometría de Impacto (FWD)

Se recomienda la utilización de los tres últimos equipos, donde el Cono de Penetración Dinámica presenta ventajas adicionales que lo hacen recomendable en comparación con los métodos de deflexión. La utilización del Deflectómetro de Impacto en el procedimiento de evaluación de la capacidad de soporte de la subrasante puede estar limitada por su mayor costo relativo y por la factibilidad técnica de poder adentrarse con el equipo de medición en caminos de

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tierra en muy mal estado. En el caso de la Viga Benkelman, el procedimiento requiere de mayor logística y es considerablemente más lento. El Cono de Penetración Dinámica es simple, económico, fácil de trasladar y además permite evaluar por separado las diferentes estratos del subsuelo hasta un profundidad de 80 cm, su potencial máximo lo alcanza en suelos de mala calidad que son precisamente la prioridad principal en las evaluaciones de terreno para el diseño de caminos de bajo volumen de tránsito.

Tabla 4.2. Clasificación de la Subrasante*

Clasificación CBR MR Mpa (psi) Descripción Típica

(según SUCS)

Bueno ≥ 10 140 (20,000) Gravas y suelo arenoso. GW, GP, GM, SW, SP, SM.

Aceptable 5 - 9 70 (10,000) Grava arcillosa y arena arcillosa, suelo limoso. GM, GC, SM, SC.

Pobre 3 - 5 35 (5,000) Arenas limosas, arcillas, limos y suelo orgánico. CL, CH, ML, MH, CM, OL, OH

4.1.2 Tramificación del proyecto y determinación de l valor de capacidad de soporte de diseño Para la tramificación de los caminos, por capacidad de soporte del suelo, se recomienda la utilización del Cono de Penetración Dinámica (CPD). La metodología (obtenida del manual colombiano) consiste en realizar mediciones de CPD cada 100 m, interpolando ambas pistas a lo largo del camino, para delimitar tramos homogéneos, se utiliza la tasa de penetración (mm/golpe). Una vez determinados los tramos homogéneos se recomienda realizar mediciones adicionales para definir con mayor precisión puntos de corte para los tramos homogéneos y también para localizar sectores puntuales con baja capacidad de soporte. Como segunda opción se recomienda seguir el mismo procedimiento utilizando Viga Benkelman o alternativamente con Deflectómetro de Impacto. Las mediciones de deflexiones también permiten reunir suficientes datos para definir tramos homogéneos y a su vez localizar sectores con baja capacidad de soporte (se recomienda realizar pruebas cada 100 m). Si no es posible realizar la tramificación utilizando uno de los equipos antes mencionados, se pueden realizar trincheras de excavación para ensayos de laboratorio (clasificación y CBR de laboratorio). Sin embargo, dado que en este tipo de caminos no se realizan estudios geológicos, la baja periodicidad e inexactitud de los resultados podría derivar en la subestimación o sobre estimación de un tramo. Para la determinación de la capacidad de soporte se utiliza el criterio estadístico del percentil 75. El valor de capacidad de soporte de diseño será aquel que sea igualado o superado por el 75% de los resultados de los ensayos de CBR realizado.

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Figura 4.1. Correlación de suelos entre AASHTO y SU CS

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4.2 Tránsito de diseño:

Para determinar la solicitación de tránsito expresada en ejes equivalentes, se requiere de:

• Período de diseño estructural. • Volumen de tránsito y tasa de crecimiento. • Estratigrafía de carga de vehículos.

Con esta información el manual propone una metodología simplificada para la estimación de los Ejes Equivalentes de diseño. La información debe ser lo más cercana a la realidad y no se recomienda aplicar factores de seguridad propios. 4.2.1 Período de diseño estructural El período de diseño estructural corresponde al período en el cual el pavimento construido debe proveer un adecuado nivel de servicio que asegure movilidad, accesibilidad y seguridad considerando sólo la conservación rutinaria. Para lo anterior, es indispensable que el pavimento posea estándares mínimos de conservación. El manual utiliza tres períodos de diseño estructural de tal forma: 10 y 15 años para estructuras flexibles, mientras que para capas de hormigón 20 y 25 años, con el fin de otorgar una mayor flexibilidad a la metodología de diseño. Si dentro de esos períodos se excede significativamente los Ejes Equivalentes de diseño no se recomienda el uso de las estructuras presentes en este manual. 4.2.2. Volumen de tránsito y tasas de crecimiento La obtención o estimación de los flujos de tránsito es una de las etapas críticas durante el proceso de diseño estructural de pavimentos, primero por que no es muy usual contar con buenos registros de tránsito en este tipo de vías, segundo por que normalmente presentan importantes variaciones estaciónales de tránsito y tercero debido a la gran incertidumbre que existe sobre el comportamiento del futuro flujo vehicular una vez realizado los mejoramientos de estándar del camino. La estimación del tránsito generado que producen los cambios de estándar de caminos de bajo volumen de tránsito, son uno de los mayores problemas a los cuales se enfrenta el diseñador al momento de estimar los flujos futuros de tránsito. El manual considera tasas de crecimiento de 4 % para el caso normal y de 7 % para el caso de existir tránsito generado (valores obtenidos del manual chileno). 4.2.3. Estratigrafía de carga La estratigrafía de carga permite definir cual es la real influencia que tiene cada tipo de vehículo sobre las solicitaciones totales de tránsito, representadas por medio de los ejes equivalentes de tránsito. No obstante, es necesario mencionar el problema que existe para controlar las normas de cargas máximas para los vehículos pesados, sobretodo a lo largo de la red vial comunal de nuestro país. Esto implica que las estimaciones de las

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solicitaciones realizadas para la vida de servicio del pavimento pueden estar subestimadas, provocando que el camino analizado tenga una duración menor a la prevista. En nuestro país, para efectos del cálculo de Ejes Equivalentes, se cuenta con la estratigrafía mostrada en la Tabla 4.1 donde el factor camión es el factor utilizado para el cálculo de ejes equivalentes; por otro lado en la Tabla 4.2 se presenta la estratigrafía empleada por el estado de Washington donde se consideran tres tipos de vehículos y que se adapta mejor a los datos que se recopilan en nuestro país a la hora de realizar conteos vehiculares no detallados. Tabla 4.3. Estratigrafía de vehículos utilizada en C.R. Tipo de vehículo

Factor camión Descripción

Liviano 0,0001 2 ejes simples Bus 0,65 1 eje simple, 1 eje dual CL 0,1 2 ejes simples C2 0,8 1 eje simple, 1 eje dual C3 1,4 1 eje simple, 1 eje tandem T3-S2 2,2 1 eje simple, 2 ejes tandem Tabla 4.4. Estratigrafía de vehículos utilizada en el estado de Washington. Tipo de vehículo Rango de peso

de vehículo Factor camión

Vehículos representativos

Automóviles y carga liviana

0 a 2800 kg 0.0007 Automóviles, pickups, ambulancias.

Camiones y buses livianos

6400 a 7300 kg 0.25 Bus escolar, camiones repartidores.

Camiones y buses pesados

15000 kg o más 1.00 Camión de la basura, camión de bomberos, autobús.

4.2.4. Metodología para la estimación de los Ejes E quivalentes de diseño Para la determinación de los Ejes Equivalentes de diseño, se debe seguir el procedimiento descrito a continuación: • Definir el período de diseño. El período de diseño utilizado de 5 a 15 años,

generalmente. • Estimar el número de vehículos que transitan por el camino en un sentido (buses,

camiones y vehículos livianos). Para la estimación de este valor es posible realizar una o más de las siguientes acciones:

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1. Conteo de los vehículos en ambos sentidos durante 12 horas en horario diurno. Generalmente se recomienda realizar el conteo en una semana hábil normal, preferentemente lunes, jueves o viernes.

2. Obtener una estimación analizando otros caminos cercanos al proyecto en estudio de tal forma que se pueda concluir que poseen similar distribución vehicular.

3. Realizar encuestas origen destino en el mismo camino. • Definir la tasa de crecimiento de los vehículos. La metodología permite definir dos

tasas de crecimiento, 4 y 7%. La elección de una u otra depende de quién realiza el análisis, sin embargo se recomienda la utilización de la tasa de 4% salvo en el caso en que se puede afirmar con seguridad que el cambio de estándar del camino producirá un tránsito generado significativo.

• Aplicar los niveles de tránsito y estratigrafía presentados en este manual, para verificar o realizar un chequeo de los conteos.

El cálculo de Ejes equivalentes se puede realizar con la siguiente ecuación:

[ ] 365)(% ⋅⋅⋅= ∑ GFDFCDTPDEEq ii

r

rG

Y 1)1( −+=

donde: EEq = Ejes Equivalentes de diseño. TPD = Tránsito promedio diario. %Di = porcentaje de distribución vehicular. FCi = Factor camion para cada tipo de vehículo. FD = Factor de dirección o sentido (caminos de 2 vías igual a 0.5). G = Factor de crecimiento. r = Tasa de crecimiento. Y = Período de diseño 5, 10 y 15 años. 4.2.5. Rangos de Ejes Equivalentes de Diseño Los rangos de solicitaciones de tránsito utilizados en este manual expresados en Ejes Equivalentes de diseño se muestran en la Tabla 4.3: Tabla 4.5. Rangos de solicitaciones de tránsito. Solicitaciones de Tránsito por sentido Rango EEq x 1000 T1 0 – 150 T2 150 – 300 T3 300 – 500 T4 500 – 700 T5 700 – 1000

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El primer rango corresponde a las urbanizaciones para un período de diseño de 10, 15 y 20 años o caminos de muy bajo tránsito. El resto de los rangos corresponden a caminos de bajo volumen con periodos de diseño de 10 y 15 años. El rango T1 se subdivide en rangos más pequeños con el fin de cubrir solicitaciones de tránsito para urbanizaciones con solicitaciones de carga tan bajos como 20000 EEq en el carril de diseño. Tabla 4.6. Rangos de solicitaciones de tránsito par a urbanizaciones. Solicitaciones de Tránsito por sentido Rango EEq x 1000 U1 0 – 20 U2 20 – 50 U3 50 – 100

4.4 Clima

El clima puede tener diversos efectos sobre la estructura del pavimento. Los principales elementos del clima usualmente considerados en el diseño de pavimentos son las temperaturas extremas y el agua. En el diseño de pavimentos de bajo volumen de tránsito, tanto las temperaturas altas como extremadamente bajas, afectan a los materiales asfálticos de la superficie de rodado, del mismo modo que afecta a los pavimentos regulares, es decir afecta al Módulo de Rigidez y a la estabilidad de las mezclas. En este manual no se incluye la variación de la rigidez debido a la variación estacional, debido a que no se cuenta hasta el momento con un registro que defina tales variaciones en las estructuras de pavimento de nuestro país. Por otro lado se considera el efecto que produce la presencia de agua en los materiales utilizados en estructuras de pavimento. Existen tres factores que determinan la presencia o no de agua en un pavimento: localización geográfica, localización topográfica y existencia o no de un sistema de drenaje. Por ejemplo un camino emplazado en un sector con climas muy lluviosos o en sectores bajos, expuestos a inundaciones y con malos sistemas de drenaje, derivará en una falla prematura de la estructura del pavimento debido a la disminución de la resistencia mecánica de las capas granulares y eventualmente de la subrasante, por efecto de la saturación. Contrariamente un pavimento localizado en un área seca o ubicado en un punto topográfico alto o con un sistema apropiado de drenaje no se verá tan afectado por la presencia del agua y la estructura tendrá una vida útil mayor debido al mejor comportamiento de los materiales granulares. El manual considera dos condiciones de humedad para el diseño estructural: normal y saturada. La condición normal es aquella que no se ve afectada por factores climáticos, mientras que la condición saturada aplica un factor de seguridad a los materiales

21

granulares (bases, subbases y subrasante), debido a que estos son los más afectados por la presencia de agua. Los pavimentos con subbases estabilizadas y con bases estabilizadas con asfalto (construidos correctamente), son menos afectados por la presencia de agua. Esto debido a que las propiedades mecánicas de estas estructuras no son significativamente sensibles al agua, por ello también pueden ser utilizados en condición saturada. No obstante lo anterior, todo pavimento expuesto a condiciones de saturación debería considerar un adecuado diseño de drenaje. La razón principal, es la probabilidad de la presencia de una sobrecarga, lo que sumado a condiciones de saturación y problemas de variabilidad de la calidad constructiva, pueden producir fallas importantes en toda la sección estructural del pavimento. El drenaje de un pavimento, para efectos del diseño estructural, es evaluado por medio del tiempo que demora, una determinada estructura, en drenar el agua libre a partir de un estado de humedad dado. El tiempo que una estructura de pavimento permanece con humedades cercanas a la saturación depende principalmente de los siguientes factores:

• Tipo de material de subrasante. • Ancho de la calzada • Pendiente Transversal (bombeo). • Existencia de Terraplén • Precipitación Media Anual • Nivel freático

Para la selección del paquete estructural, que requiere aplicación con condición saturada, se debe seguir el siguiente procedimiento:

• Determinar si la región es propensa a inundaciones, por medio de registros históricos de precipitación, estudios hidrológicos, entre otros. Esto implica utilizar justamente la condición saturada. Por otro lado se pueden considerar los siguientes factores para seleccionar el paquete estructural con condición saturada.

• Verificar la calidad de material de subrasante. Materiales A4, A5, A6 y A7 según la metodología AASHTO, para verificar la reacción de estos materiales en presencia de agua (por ejemplo arcillas expansivas) .

• Anchos de calzada mayores a 6.0 metros. • Especificar bombeo transversal. Bombeos menores al 2%. • Cuando las condiciones de saturación se presentan en puntos bajos o tramos

localizados. También se puede aplicar la metodología empleada por la AASHTO para la aplicación de coeficientes de drenaje aplicados a bases y subbases granulares. Como se observa en la Tabla 4.7 la calidad del drenaje es medida por el tiempo que tarda el agua en ser removida de las bases y subbases y depende principalmente de su permeabilidad. El porcentaje de tiempo durante el cual la estructura de pavimento está expuesta a niveles que se aproximan a la saturación depende del promedio de lluvia anual y de las condiciones prevalecientes de drenaje. Es así que conociendo las condiciones a las cuales se encontrará la estructura de pavimento en cuanto a drenaje, el tiempo que tarda el agua en salir de las capas granulares y el porcentaje de tiempo durante el año en que

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la estructura se encontrará expuesta a altos niveles de humedad se puede determinar si la estructura a utilizar debe ser la opción saturada. Tabla 4.7. Determinación del grado de saturación ap licando la metodología de la AASHTO. Calidad del drenaje Porcentaje de tiempo en que la estructura es

expuesta a altos niveles de humedad Calificación Tiempo en que el agua tarda en ser removida

De malo a muy malo

Más de un mes Mayor al 25%

4.1 Serviciabilidad:

Los criterios de falla de los métodos de diseño mecanicistas utilizados no se relacionan con el concepto de serviciabilidad PSI o IRI, por lo cual se recomiendan los siguientes criterios de serviciabilidad:

• Los pavimentos definidos como transitorios sólo se les exigirán estándares básicos de serviciabilidad tal que permitan llevar a cabo con seguridad el objetivo para los cuales han sido propuestos (control de polvo y transitabilidad).

• Para los pavimentos de bajo volumen de tránsito se recomienda un IRI inicial de máximo 3,0 m/km y un IRI terminal de máximo 8,0 m/km, sin perjuicio de poder utilizar estándares más exigentes.

5. PROCEDIMIENTO PARA LA SELECCIÓN DEL PAQUETE

ESTRUCTURAL 5.1 Selección del rango de solicitaciones de tránsito: defina la cantidad de vehículos por categoría (o el porcentaje), defina el TPD y el tipo de zona a la cual se destina el diseño y calcule el número de ejes equivalentes de diseño. 5.2 Selección del rango de capacidad de soporte de la subrasante: Evalúe la capacidad de soporte mediante el uso de alguno de los equipos descritos anteriormente. 5.3 Selección según condiciones climáticas: determine mediante el procedimiento descrito en la sección 4.4 para determinar el tipo de estructura en condición saturada. En las Tablas de la 5.1 a 5.8 se presentan los paquetes estructurales propuestos dependiendo del rango de Ejes equivalentes, rango de capacidad de soporte de la subrasante y las respectivas opciones dependiendo de la condición climática. En algunos

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casos no se presentan opciones para rangos de capacidad de soporte, esto debido a que las estructuras no presentan diferencias significativas de espesores de capa dado un cambio en la capacidad de soporte de la subrasante, por lo que se debe utilizar el paquete estructural correspondiente al rango de CBR por debajo del obtenido para diseño. En los casos en que no se presentan opciones para capacidades bajas de soporte, se debe a que los espesores de capas de elevan significativamente, por lo que el uso de la opción estructural se debe usar exclusivamente para la capacidad de soporte establecida en los correspondientes catálogos. En las Tablas de la 5.9 a la 5.14 se presentan los espesores para los diversos paquetes estructurales. Primero se definen las opciones de paquete estructural en las Tablas 5.1 a 5.8 y luego se determinan los espesores de las capas de las respectivas opciones. Nota: Debe quedar claro que no se consideran problemas de suelos colapsables o problemas de hinchamiento de arcillas expansivas. El director del proyecto debe hacerse cargo de tomar las medidas correctivas del caso. En el caso de que no se considere la opción de pavimento con problemas de inundación o posibles problemas por el daño causado por la presencia de agua (opción saturada), deben tomarse las medidas necesarias para asegurar que la capacidad de soporte de las capas granulares y suelos mantengan a lo largo del año las mismas propiedades y por lo tanto la capacidad de soporte de diseño. En caso que se cuente con un registro de variación estacional se debe considerar el mínimo valor encontrado o el mínimo valor estadísticamente aplicable.

Tabla 5.1. Catálogo de estructuras para nivel de tr ánsito T1. EEq por sentido 100000 a 150000

Condicion Normal Saturada Rango CBR OP1 OP2 OP3 OP4 OP5 OP 6 OP1 OP2

s1 A1 B1 C1 D1 E1 F1 A5 B5 s2 A2 B2 A6 B6 s3 A3 B3 C2 A7 B7 s4 A4 B4 A8 B8

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Tabla 5.2. Catalogo de estructuras para nivel de tr ánsito T2. EEq por sentido 150000 a 300000

Condicion Normal Saturada Rango CBR OP1 OP2 OP3 OP4 OP5 OP6 OP1 OP2

s1 B9 C3 D2 E2 F2 B12 s2 A9 B10 A12 B13 s3 A10 B11 C4 F3 A13 B14 s4 A11 A14



s1 B15 C5 D3 E3 F4 B18 s2 B16 B19 s3 A15 B17 C6 D4 F5 A17 B20 s4 A16 A18



s1 B21 C7 D5 E4 F6 B24 s2 B22 B25 s3 B23 C8 D6 F7 B26 s4 A19 A20



s1 B27 C9 D7 E5 F8 B30 s2 B28 B31 s3 B29 C10 D8 F9 s4 A21 A22

25

Tabla 5.6. Catalogo de estructuras para nivel de tr ánsito U1. EEq por sentido 5000 a 20000 Condicion Normal Saturada

Rango CBR OP1 OP2 OP3 OP4 OP5 OP 6 OP1 OP2 s1 1 a z1 y1 x1 w1 5 c s2 2 b 6 d s3 3 7 e s4 4 8


Rango CBR OP1 OP2 OP3 OP4 OP5 OP 6 OP1 OP2 s1 9 f z2 y2 x2 w2 13 h s2 10 g 14 i s3 11 15 j s4 12 16 k


Rango CBR OP1 OP2 OP3 OP4 OP5 OP 6 OP1 OP2 s1 17 l z3 y3 x3 w3 21 p s2 18 m 22 q s3 19 n 23 r s4 20 o 24 s

Tabla 5.9. Espesores de capas para estructuras tipo 1 (OP1).

OP1 Espesores en cm

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 BG 25 21 20 18 30 23 20 24 21 20 15 SBG 29 25 20 20 30 30 26 18 30 25 27

OP1 Espesores en cm

A12 A13 A14 A15 A16 A17 A18 A19 A20 A21 A22 BG 28 25 18 19 19 25 24 20 25 20 25 SBG 30 25 28 30 25 29 25 27 27 30 30

26

Tabla 5.9. (cont.) Espesores de capas para estructu ras tipo 1 (OP1).

OP1 Espesores en cm

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 BG 15 15 10 12 20 17 15 15 20 20 15 12 SBG 25 20 20 15 25 25 20 15 25 20 20 20

OP1 Espesores en cm

13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 BG 22 20 18 15 20 20 17 15 25 20 18 15 SBG 30 25 20 20 30 25 22 20 32 30 25 25

Tabla 5.10. Espesores de capas para estructuras tip o 2 (OP2).

OP2 Espesores en cm

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10 B11 B12 B13 B14 B15 B16 HMA 5 5 5 5 8 8 8 8 7 7 7 10 10 10 9 9 BG 20 15 15 13 20 20 15 11 22 18 18 23 19 17 20 18 SBG 20 25 18 16 27 18 20 15 25 23 16 25 20 15 28 22

OP2 Espesores en cm

B17 B18 B19 B20 B21 B22 B23 B24 B25 B26 B27 B28 B29 B30 B31 HMA 9 12 12 12 11 11 11 13 13 13 12 12 12 14 15 BG 19 20 18 15 20 15 12 25 20 17 20 18 17 30 15 SBG 15 28 20 15 26 24 20 25 20 15 27 22 15 25 20

Capa de protección

Base granular (BG)

Subbase granular (SBG)

Carpeta Asfáltica (HMA)

Base granular (BG)


27

Tabla 5.10. (cont.) Espesores de capas para estruct uras tipo 2 (OP2).

OP2 Espesores en cm

a b c d e f g h i j k l m n o p q r s HMA 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 BG 13 10 15 15 10 15 15 17 15 13 10 15 13 10 10 15 15 13 12 SBG 15 15 20 15 15 20 15 23 20 15 15 20 20 18 15 30 22 17 15 Tabla 5.11. Espesores de capas para estructuras tip o 3 (OP3).

OP3 Espesores en cm

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 z1 z2 z3 BEC 13 13 13 13 15 13 15 15 16 16 12 12 12 SBG 15 15 15 15 15 20 20 15 25 15 15 15 15 Tabla 5.12. Espesores de capas para estructuras tip o 4 (OP4).

OP4 Espesores en cm

D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 y1 y2 y3 HMA 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 BE 12 12 12 12 13 12 14 13 12 12 12 SBG 15 15 18 15 15 15 15 15 15 15 15 Tabla 5.13. Espesores de capas para estructuras tip o 5 (OP5).

OP5 Espesores en cm

E1 E2 E3 E4 E5 x1 x2 x3 PCC 11 13 15 17 19 10 10 10 SBG 15 15 15 15 15 15 15 15

Capa de protección

Base estabilizada (BEC)




Base estabilizada (BEC)

28

Tabla 5.14. Espesores de capas para estructuras tip o 6 (OP6).

OP6 Espesores en cm

F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 F9 w1 w2 w3 HMA 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 BEcal 12 12 12 13 12 15 13 16 15 12 12 12 SBG 15 16 15 18 15 15 20 16 15 15 15 15

6. LINEAMIENTOS GENERALES PARA LA COMPARACIÓN

ECONÓMICA DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS. Uno de los criterios para la selección de la alternativa estructural más adecuada en un caso específico es el costo global de dicha alternativa. El costo de un pavimento no sólo involucra su costo inicial de construcción, sino también los costos anuales de la conservación rutinaria durante el periodo de análisis económico, el costo de las rehabilitaciones y el valor residual al término de dicho periodo de análisis.

6.1 Cálculo del costo global actualizado de una alt ernativa estructural

La expresión para el cálculo del costo global de una alternativa dada es la siguiente : CG = C1 + C2 + C3 - V.R. Donde : CG : Costo global actualizado de la alternativa C1 : Costo actualizado al año cero (o año de análisis) de la construcción del pavimento. Incluye el costo directo, los costos indirectos y la utilidad del constructor.

Capa de hormigón (PCC)




Base estabilizada (BEcal)

29

C2 : Sumatoria de los costos anuales de la conservación rutinaria durante el periodo de análisis, actualizados al año cero. C3 : Sumatoria de los costos de las rehabilitaciones en los años previstos para su ejecución, debidamente actualizados al año cero. V.R. : Valor residual de la estructura, actualizado al año cero. La expresión detallada es:

nii

n

III

G a

VR

a

R

a

C

a

C

a

CCC

)1()1()1(...

)1()1(2

22

12

1 +−

++

+++

++

++=

Donde : CG : Costo global actualizado de la alternativa C1 : Costo inicial de construcción (del año cero ). C’2 : Costo anual de la conservación rutinaria expresado en $/año. a : Tasa de actualización del dinero n : Número de años del periodo del análisis. Ri : Costo de la rehabilitación prevista para el año i. VR. : Valor residual de la estructura al termino del año n, es decir al final del periodo de análisis económico.

6.2 EVALUACIÓN ECONÓMICA

Por medio de la evaluación económica se analiza la viabilidad del proyecto, por un periodo de tiempo definido como la vida útil de la estructura del pavimento. VAN: VALOR ACTUAL NETO. Es el valor monetario que resulta de restar la suma de los flujos descontados a la inversión inicial. En este método se toma en cuenta los flujos netos de efectivo (FNE) con una proyección a determinado tiempo aplicando un interés o rendimiento del dinero “I”, luego de que se tiene el monto a ganar dentro de ese tiempo, se utiliza una tasa de descuento, para traer el valor futuro del dinero al tiempo presente. La tasa de descuento que se utiliza para este calculo es el costo de capital o TMAR. Al tener el valor presente del dinero, se le descuenta la inversión inicial. Solo si el resultado es mayor o igual a cero, se podría justificar la inversión. Con esta evaluación se podrá decir que existe una ganancia después de sacar la diferencia entre el TMAR aplicado y la tasa de inflación promedio en el periodo proyectado.

30

TIR: TASA INTERNA DE RETORNO O RENDIMIENTO Es la tasa de descuento por la cual el VAN es igual a cero. Es la tasa que iguala la suma de los flujos descontados a la inversión inicial. Con este método, lo que se hace es, después de utilizar el VAN y saber su valor positivo, lo que se ocupa es saber el valor real de ese dinero, así que por medio de tanteos se trata de igualar la suma de los flujos descontados, con la inversión inicial “P”. Esto hará conocer el rendimiento real de la inversión. Se llama Tasa interna de rendimiento, ya que supone la re-inversión total de todas las ganancias de la empresa. También existe una tasa externa, ya que es imposible que una empresa reinvierta internamente todas sus ganancias, ya que existe un tope en todos los negocios, y cuando se llega a este la empresa decide reinvertir sus ganancias en alternativas externas. Esta tasa externa de rendimiento no es relevante para el análisis de los proyectos ya que es imposible saber en que y donde se invertirán externamente las ganancias de la empresa. En este método si TIR es mayor que el TMAR aplicado, se acepta la inversión. FLUJO ANUAL UNIFORME EQUIVALENTE Y RAZÓN BENEFICIO/ COSTO (INDICE DE DESEABILIDAD). Consiste en encontrar el valor presente de los beneficios del proyecto, el valor presente de los costos del proyecto y obtener una razón entre ambos. 7. EJEMPLO DE APLICACIÓN DEL MANUAL 7.1 Variables de entrada Capacidad de soporte de la subrasante: Se cuenta con una serie de datos de CBR como se muestra en la Tabla 7.1, para lo cual se determina la capacidad de soporte de diseño para el percentil 75: Tabla 7.1 Cálculo de CBR de diseño Resultados de CBR ordenados de menor a mayor

Número de resultados mayores o iguales

Porcentaje de resultados mayores o iguales

2.0 8 (8/8)*100=100 2.0 5.0 6 (6/8)*100=67 5.0 7.0 4 50 7.0 8.0 2 25 9.0 1 13

31

Figura 7.1 Cálculo de CBR de diseño

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

CBR (%)

Por

cent

aje

de v

alor

es m

ayor

es o

ig

uale

s (%

)

Como se observa en la Figura 7.1 para el 75% se cuenta con un valor de CBR aproximado de 4.3%, el cual es el valor de diseño para este ejemplo y pertenece al rango S2 según la Tabla 4.1. Tránsito de diseño: Se cuenta con dos escenarios de carga, determinados mediante un conteo vehicular en calles aledañas o calles que serán unidas por el proyecto como se observa en la siguiente Tabla: Tabla 7.2 Escenarios de carga de diseño Escenario 1 2 TPD 2500 3500 % Veh Pesados (C2) 2.5 1.3 % Buses 2 1.5 % Livianos 95.5 97.2 Tasa Crecimiento (%) 4 4 Para el cálculo de ejes equivalentes de diseño, para el nuevo proyecto de dos carriles se aplica la siguiente fórmula:

[ ] 365)(% ⋅⋅⋅= ∑ GFDFCDTPDEEq ii

32

r

rG

Y 1)1( −+=

donde: EEq = Ejes Equivalentes de diseño. TPD = Tránsito promedio diario. %Di = porcentaje de distribución vehicular. FCi = Factor camión para cada tipo de vehículo. FD = Factor de dirección o sentido (caminos de 2 vías igual a 0.5). G = Factor de crecimiento. r = Tasa de crecimiento. Y = Período de diseño 5, 10 y 15 años. Para el cálculo de cargas de diseño expresado en términos de Ejes Equivalentes para diferentes períodos de diseño se tiene la Tabla 7.3, en la cual se muestran los EEq para 10 y 15 años y su respectiva clasificación según la Tabla 4.5. Tabla 7.3 EEq de diseño. Período de diseño Esc 1 Esc 2 Rango EEq 10 años 251732 222183 T2 EEq 15 años 419834 370554 T3 En cuanto al clima se determina que las condiciones de drenaje existentes en los tramos aledaños, la cantidad de precipitación en la zona y la poca o nula presencia de agua estancada, se determina utilizar condiciones normales de diseño y no las condiciones de materiales saturados de agua. Por otro lado se establece como período de diseño de 10 años para este proyecto debido a su importancia relativa y a la poca presencia de tránsito pesado. De la Tabla 5.2 para un nivel de tránsito T2, una capacidad de soporte de la subrasante S2 y para una condición de clima normal se cuenta con dos opciones principales: OP1 y OP2, las cuales corresponden a estructuras granulares con capa de protección y estructuras granulares con carpeta asfáltica. Las opciones de la 3 a la 6 pueden utilizarse, ya que el pasar de un rango de valores de CBR de S1 a S2 no genera cambios significativos en los espesores de capa de estas estructuras. De la Tabla 5.2 y considerando únicamente las opciones 1 y 2 se tiene que para este escenario de diseño las estructuras a seleccionar corresponden a la A9 y B10, de las respectivas Tablas 5.9 y 5.10. En la Tabla 7.4 se observan los espesores de las diferentes capas, en la opción 1 se recomienda utilizar siempre una capa de protección. La selección de la estructura de diseño dependerá de la comparación económica que se realice, la cual debe considerar el mantenimiento y en este caso la vida útil de la capa de protección

33

Tabla 7.4 Estructuras seleccionadas Espesores OP1 OP2 Carpeta Asfáltica TSB 7 Base granular 21 18 Subbase granular 30 23 Total 51 48 La selección del la estructura por aplicar dependerá de la viabilidad (costo, la existencia de materiales, entre otros) y criterios del encargado del proyecto. 8. REFERENCIAS:

• Vásquez V, Luis Ricardo. Funciones de transferencia en el procedimiento de

diseño empírico-mecanístico de pavimentos flexibles . Universidad Nacional de

Colombia.

• Huang, Yang H. Pavement Análisis and Design . Prentice Hall. USA, 1993.

• H L Theyse. Overwiew of the South African Mechanistic Pavement Design

Analysis Method . TRANSPORTEK, CSIR, 1996.

• Thenoux, Guillermo. Guía de diseño estructural de pavimentos para camin os

de bajo volumen de tránsito . Dirección de Vialidad, Ministerio de Obras Públicas

de Chile, 2002.

• Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías c on bajos volúmenes de

tránsito . Ministerio de Transportes de Colombia.

• Hot mix asphalt pavement design . Washington State Department of

Transportation.

• MnPAVE Mechanistic – Empirical Thickness Design Pro cedure for Flexible

Pavements . Minnesota Department of Transportation.

• Programas de computo utilizados: Everstress, EverFE2.2, WESLEA.

informe pavimentos bajo volumen 2005 - lanammeucr · permitir el tránsito de diferentes tipos de...

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