PAVIMENTOS I

PAVIMENTOS I

MÉTODO AASHTO PARA DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

Presentado por:

Javier Danilo Páez herrera

ESCUELA DE INGENIEROS MILITARES INGENIERIA CIVIL

BOGOTÁ

PAVIMENTOS I

INTRODUCCION En el presente trabajo se desarrollara por la metodología AASHTO 1993 para diseño

de Pavimentos Flexibles con TPDS entre 4000 y 5000 en un tramo de 50 metros en

el proyecto Vial Bosa – Granada – Girardot en la cual se determinaran las

respectivas condiciones de diseño de acuerdo a este metodo

PAVIMENTOS I

TABLA DE CONTENIDO

INTRODUCCION ................................................................................................... 2

1.2. Condiciones climáticas. ............................................................................. 5

1.3. Periodo de diseño ..................................................................................... 7

1.4. Estimación del Transito ............................................................................. 7

1.5. Transito estimado...................................................................................... 7

1.6. Número de Ejes Equivalentes en el periodo de diseño ............................. 9

1.7. Tasa de crecimiento del tránsito .............................................................. 10

2. Proyección del transito .................................................................................. 11

2.2. Regresión lineal ...................................................................................... 11

2.3. Tendencia logarítmica ............................................................................. 14

3. Procedimiento ......................................................................................... 16

CONCLUSIONES ................................................................................................ 21

BIBLIOGRAFIA .................................................................................................... 22

PAVIMENTOS I

1. Proyecto Vial Bosa – Granada – Girardot

El proyecto vial Bosa – Granada – Girardot forma parte de la red troncal nacional

pavimentada e integra, con otros proyectos del corredor Bogotá– Buenaventura.

El proyecto cuenta con dos sectores claramente definidos y de características

diferentes,un sector urbano que recorre parte del municipio de Soacha hasta la Té

del Salto, y unsector rural que1 comprende el tramo desde Té del Salto hasta la

intersección de San Rafael. 1 El proyecto vial atraviesa los Departamentos de

Cundinamarca y Tolima. Un total de 8 municipios y 27 veredas se encuentran

involucrados en Cundinamarca y 5 municipios y 7 veredas en el departamento del

Tolima. En el sector rural en el departamento de Cundinamarca, se encuentran los

municipios de Sibaté, Soacha, Granada, Silvania, Tibacuy, Fusagasugá, Nilo y

Ricaurte y en el Tolima los municipios de Icononzo, Melgar, Suárez, Carmen de

Apicalá y Flandes. El proyecto tiene una longitud de 121.6 Km, e inicia en la Sabana

de Bogotá en el punto de referencia PR (123+690) de la Ruta 40-05, recorre

paralelamente los valles de los ríos los Chochos y Sumapaz, atraviesa el río

Magdalena y termina en proximidades del municipio del Espinal en Tolima en el PR

0+000 de la Ruta 45-TLG.

Localización Del Proyecto

Fuente: Planos Localización proyecto de la Concesión Autopista Bogotá-Girardot S.A.

1 Pliego de Condiciones Apéndice No 2 Licitación INCO No. 001 de 2003

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Características Del Proyecto

Sección Transversal: (5)

Variantes: (2)

Variante Fusa : 3 500 m

Variante Melgar: 4 000 m

Rectificación K63+219 al K64+128: 909 m

Túnel Unidireccional: 4 105 m

Viaductos: (9) L: 1 590 m

Puentes (17) L: 351 m

Intersecciones (5)

Ampliación a Doble Calzada: 110 545 m

Fuente de Ingresos: Cesión de dos (2) casetas de peaje

(Chusacá y Chinauta)

Registros de precipitación entre 7000 mm - 8000 mm anuales

Registros de temperatura promedio entre 25°C y 30°C

1.2. Condiciones climáticas.

Mapa del tiempo en Girardot - Lugares cercanos

Grafica. 1. Mapa de lugares cercanos Girardot

Fuente.http://www.accuweather.com/es/co/girardot/102156/weatherforecast/10215

PAVIMENTOS I

Temperatura: El clima que predomina en la región de Girardot es cálido y bastante

seco con una temperatura que oscila entre 28° y 30°C promedio y una precipitación

de 1,026 mm mensuales, distinguiéndose básicamente dos temporadas más secas

"verano" y dos temporadas de lluviosidad conocidas como épocas de "invierno".

Habitantes: 130.000

Area urbana: 11.300 metros cuadrados.

Area rural: 1.782 metros cuadrados.

Area total: 12.082 metros cuadrados.

Altitud: 289 metros sobre el nivel del mar.

Grafica. 2.Clima de Girardot

Fuente.http://www.worldmeteo.info/es/america-del-sur/colombia/girardot/tiempo-100423/ Hidrografía de Girardot

Los recursos hídricos más importantes de la región son los ríos Magdalena y

Bogotá. Las aguas del río Magdalena se utilizan como abastecimiento para la planta

de tratamiento del agua potable para el municipio así como para abastecer de agua

los predios agrícolas en forma de riego en las zonas adyacentes. Otra fuente de

recursos hídricos está conformada por una serie de quebradas como: El Encanto,

La Yegüera, San Lorenzo, El Buche, Agua Blanca, La Julia, Barzalosa, Presidente

y Berlín.

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1.3. Periodo de diseño

Se determina bajo los lineamientos del “Manual de Diseño de Pavimentos

de Medios y Altos Volúmenes de Transito”; con volúmenes de tránsito para

una estación con TPDS entre 4000 y 5000. Se define de acuerdo con la tabla

2.3 Del Manual de Diseño, y una proyección del tránsito de 10 años.

1.4. Estimación del Transito

Se determinan los criterios para determinar relaciones, pero todas ellas

calculan un índice de tránsito mixto, es decir, el equivalente destructivo del

tránsito total, expresado en términos de número acumulado de ejes

equivalentes de 8.2 Ton de un eje de referencia de cierta magnitud para

pavimentos flexibles.

1.5. Transito estimado

De acuerdo con los parámetros de medición de volúmenes vehiculares y con

base en información de movimiento de carga en las vías, se determinaron los

tipos de camiones y los volúmenes de tránsito y que utilizarían la vía objeto del

estudio

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Grafica. 3. Tipos de vehículo por eje

Fuente. Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos

volúmenes de tránsito. República de Colombia, Instituto Nacional de Vías,

1998.

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Fuente. Manual de Diseño de Pavimentos INVIAS

1.6. Número de Ejes Equivalentes en el periodo de diseño

Dado que los métodos usuales de diseño de pavimentos consideran el tránsito

en términos de las repeticiones equivalentes de un eje simple, con sistema de

rueda doble, de 80 kN, es necesario convertir el tránsito real esperado en

tránsito equivalente mediante el empleo de factores de daño apropiados,

según el tipo de vehículo. Dado que se estimaron unos vehículos destinados

al transporte de pasajeros y unos camiones del tipo C2P, para el

Tabla 1.Factores de daño para diferentes ejes

PAVIMENTOS I

establecimiento de los factores de daño para estos vehículos se ha procedido

de la siguiente manera: (I) para los buses y busetas se adoptó el valor 1.0

recomendado en la Tabla 3.5 del “Manual de diseño de pavimentos asfálticos

en vías con medios y altos volúmenes de tránsito” (INVÍAS 1998) y (II) para

los camiones C2P se ha supuesto, del lado de la seguridad, que ellos circulan

con el peso bruto máximo considerado para camiones medianos en el numeral

Partiendo de las anteriores consideraciones, las siguientes Tablas presentan

el cálculo de los ejes equivalentes con fines de diseño.

Tabla 2.Factor daño por tipo de vehículo.

TIPO DE VEHICULO

Factor de daño (FD)

Vacío Cargado

Autos 0.0

Bus grande 1.0

C2p 0.01 1.01

C2g 0.08 2.72

C3-C4 0.24 3.72

C5 0.25 4.88

>C5 0.26 5.23

Fuente. Manual INVIAS 1998

1.7. Tasa de crecimiento del tránsito

Se utiliza la información registrada en el Manual de Diseño de Bajos

Volúmenes de Transito para las series históricas Del Instituto Nacional de

Vías, en las carreteras con bajos volúmenes de tránsito durante el período

1996 a 2005.

Fuente. Ingeniería de pavimentos Alfonso Montejo

PORCENTAJE DEL TRANSITO TOTAL DE

CAMIONES EN EL CARRIL DE DISEÑO

TABLA 5.40

No de carriles de la

calzada (2 direcciones)

% de camiones en

el carril de diseño

2 50

4 45

6 o mas 40

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Tabla 3.Análisis Estratigráfico del suelo

ENSAYO CON DINAMICO

2. Proyección del transito

2.2. Regresión lineal

La regresión lineal se compone:

𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏

Donde:

y= Variable dependiente x= Variable independiente

PAVIMENTOS I

Los coeficientes m y b son parámetros que definen la inclinación de la recta

Se escogen los registros de 5 años iniciando en el año 2015

m =

𝑚 =𝑛 ∑ 𝑥𝑦 − (∑ 𝑥)(∑ 𝑦)

𝑛 ∑ 𝑥2 − (∑ 𝑥)2

b =

𝑚 =𝑛 ∑ 𝑥𝑦 − (∑ 𝑥)(∑ 𝑥𝑦)

𝑛 ∑ 𝑥2 − (∑ 𝑥)2

Ў (TPDest) = mx (año)+b

𝑟2 = [𝑛 ∑ 𝑥𝑦 − (∑ 𝑥)(∑ 𝑦)

√(𝑛 ∑ 𝑥)2) ∗ (𝑛 ∑(𝑦2) − (∑ 𝑦)2)] 2

AÑO X X^2 Y(TPDS) Y^2 X*Y

2002 1 1 4,015 16,120,225 4015

2003 2 4 4,301 18,498,601 8602

2004 3 9 4,483 20,097,289 13449

2005 4 16 5,115 26,163,225 20460

2006 5 25 5,495 30,195,025 27475

SUMATORIA 15 55 23,409 111,074,365 74001

Fuente. Elaboración propia

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PROYECCION DEL TRANSITO A 10 AÑOS

AÑO X TPDS Y TPDS

proyección (EST)

2002 1 4,015 3,927

2003 2 4,301 4,304

2004 3 4,483 4,682

2005 4 5,115 5,059

2006 5 5,495 5,437

2007 6 5,814

2008 7 6,191

2009 8 6,569

2010 9 6,946

2011 10 7,324

2012 11 7,701

2013 12 8,078

2014 13 8,456

2015 14 8,833

2016 15 9,211

Є SUMATORIA 120 23,409 98,532

Fuente. Elaboración propia

y = 377.4x + 3549.6R² = 0.9636

4000

4200

4400

4600

4800

5000

5200

5400

5600

1 2 3 4 5

TPDs

AÑOS

REGRESION LINEAL

PAVIMENTOS I

2.3. Tendencia logarítmica

Regresión Logarítmica

La regresión logarítmica está dada por la siguiente expresión

𝑦 = 𝑏 + 𝑎𝑙𝑛𝑥

𝑙𝑛𝑎 =𝑛 ∑ 𝑙𝑛𝑥𝑦 − (∑ 𝑥)(∑ 𝑦)

𝑛 ∑ 𝑥2 − (∑ 𝑥)2

𝑙𝑛𝑎 =∑ 𝑦 − 𝑎(∑ 𝑙𝑛𝑥)

𝑛

AÑO X Ln X TPDS (y) Ln Y Ln X^2 Ln Y^2 LnX*LnY Ln (X*Y)

2002 1 0.00 4015 8.30 0.00 68.85 0.00 2.12

2003 2 0.69 4301 8.37 0.48 70.00 5.80 2.82

2004 3 1.10 4483 8.41 1.21 70.70 9.24 3.23

2005 4 1.39 5115 8.54 1.92 72.93 11.84 3.53

2006 5 1.61 5495 8.61 2.59 74.16 13.86 3.76

SUMATORIA 15 4.79 23409 42.22 6.20 356.64 40.74 15.45

Fuente. Elaboración propia

PAVIMENTOS I

PROYECCION DEL TRANSITO EN 10 AÑOS

2002 1 4,015 4152.60

2003 2 4,301 4391.34

2004 3 4,483 4531.00

2005 4 5,115 4630.08

2006 5 5,495 4706.94

2007 6 4769.74

2008 7 4822.83

2009 8 4868.82

2010 9 4909.39

2011 10 4945.68

2012 11 4978.51

2013 12 5008.48

2014 13 5036.05

2015 14 5061.57

2016 15 5085.33

SUMATORIA 120 23,409 71898.35

Fuente. Elaboración propia

Datos tomados de acuerdo a los TPDS entre 4000 y 5000.del INVIAS para bajos

volúmenes de tránsito.

y = 883.31ln(x) + 3836R² = 0.8528

4000

4200

4400

4600

4800

5000

5200

5400

5600

1 2 3 4 5

TPDS

AÑO

REGRESION LOGARITMICA

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3. Procedimiento

1. Cálculos de ejes equivalentes: De acuerdo a los registros históricos obtenidos

por el INVIAS para bajos volúmenes de transito TPD entre 4000 y 5000 se

realizó la proyección del tránsito y se determinó con el ello el cálculo del factor

camión y de ejes equivalentes tomando una tasa de crecimiento del 5 % de

acuerdo al tramo y proyecto de rehabilitación Proyecto Vial Bosa – Granada –

Girardot

𝑁 = 𝑇𝑃𝐷 𝑥 𝐴

100𝑥

𝐵

100𝑥 365 𝑥

(1 + 𝑟𝑛)

𝐿𝑛(1 + 𝑟) 𝑥 𝐹. 𝐶

AUTOS BUSES C - 2P C - 2G C - 3 - 4 C - 5 TOTAL

2,688 432 480 720 144 336 4,800

56.00% 9.00% 10.00% 15.00% 3.00% 7.00% 100.00%

El resultado de ejes equivalentes está en el rango de acuerdo a la equivalencia del

tránsito teniendo un resultado 3.74E+02 de ejes equivalentes para un periodo de 10

años.

TPDS 4,800

%VEH. PES-BUS 44.00%

% VEH PES 35.00%

TASA DE CREC. 5%

n 10

FACTOR CAMION 1.24

AÑO 365

EQUIVALENCIA AASHTO

Bajos ‹5*10^5

Medios 5*10^6›N›10^5

Altos N›5*10^6

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De acuerdo con esta metodología, la capacidad estructural del pavimento se define

en términos de número estructural SN. La ecuación básica para determinar el SN

es la siguiente:

Log ∆PSI

logW18=(ZR) (So) + (9.36) (log (SN+ 1) - 0.20 + 4.2 - 2.5 + (2.32) (log MR) - 8.07 0.40+ 1094 5.19

(SN+1)

W18 número de ejes equivalentes

ZR Desviación normal estándar

So Error estándar combinado

∆PSI diferencia entre el índice de serviciabilidad inicial y el índice de serviciabilidad final

MR módulo resiliente de la subrasante, psi

SN número estructural requerido

Representación grafica de la ecuación de acuerdo a los datos obtenidos para el

diseño

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Para ello se presentan las siguientes condiciones

Módulo de resiliencia del concreto asfaltico a 68° F = 450.000 lb/pulg²

Valor CBR del material de la carga de base = MR = 31000 lb/pulg²

Valor CBR del material de la capa de sub base = 22; Mr. = 13.500 Lb/pulg².

Valor CBR del material de la subrasante = 6.

Estructura adecuada del pavimento, Mr. de la subrasante= 6x 1.500

lb/pulg²= 9.000 lb/pulg ².

Nivel de confiabilidad (R) = 99 por ciento (el intervalo es 80 a 90.9 por ciento,

tabla 20,16)

Fuente. Ingeniería de Pavimentos para carreteras Alfonso Montejo.

Desviación estándar (So) = 0,49 (el intervalo es 0,4 a 0,5)

Índice de mantenimiento inicial pi= 4,5

Índice de mantenimiento terminal pt = 2,5

El coeficiente estructural de capa adecuado para cada material de construcción,

a) Valor del módulo de resiliencia del cemento asfaltico = 450.000 lb/pulg ²

donde a1 = 0,44

b) CBR del material de la capa de base = 100 a2 = 0,14

c) CBR del material de la capa de sub base = 2,2 a3 = 0,10

Se determinan los espesores adecuados de capa, con la ecuación.

𝑎1𝐷1 + 𝑎2𝐷2𝑚2 + 𝑎3𝐷3𝑚3

PAVIMENTOS I

Se pueden obtener varios valores de 𝐷1, 𝐷2, 𝐷3 con los que satisfaga el valor SN

Sin embargo, los espesores de capa se suelen redondear a incrementos de media

pulgada.

La selección de los distintos espesores de capa también se debe basar en

restricciones relacionadas con la práctica de mantenimiento y construcción, para

poder obtener un diseño practico. Por ejemplo es con frecuencia no práctico y

antieconómico, construir una capa con espesor menor que cierto valor mínimo.

Tabla 20,18 espesores mínimos sugeridos por la AASHTO.

Tabla 4. Espesores mínimos de capas en carreteras AASHTO

Fuente. Ingeniería de Pavimentos para carreteras Alfonso Montejo. Tomando en cuenta que una estructura de pavimento flexible es un sistema

estratificado, la determinación de los distintos espesores

Se debe determinar el SN requeridos sobre la subrasante y después se

determinan los SN requeridos sobre las capas de base y subbase, usando la

resistencia correspondiente de cada capa. El espesor mínimo admisible de cada

capa se puede determinar usando la diferencia de los SN calculados.

PAVIMENTOS I

Se conoce que;

Mr. para la capa de base = 31.000 lb/pulg ².

Al usar este valor en la figura 20,20 se obtiene

SN1 = 2,6

𝐷1 =2,6

0,44= 5,9 𝑝𝑢𝑙𝑔

Se usa 6 pulg como espesor de la capa de superficie;

𝐷1 = 6 𝑝𝑢𝑙𝑔

𝑆𝑁1 = 𝑎1𝐷1 = 0,44 𝑋 6 = 2,64

𝐷2 ≥𝑆𝑁2 − 𝑆𝑁1

𝑎2𝑚2≥

3,8 − 2,64

0,14 𝑥 0,8 ≥ 10,36 𝑝𝑢𝑙𝑔 𝑠𝑒 𝑢𝑠𝑎 12 𝑝𝑢𝑙𝑔

𝑆𝑁2 = 0,14 𝑋 0,8 𝑋 12 + 2,64 = 1,34 + 2,64

𝐷3 =𝑆𝑁3 − 𝑆𝑁2

𝑎3𝑚3= 4,4 –

(2,64 + 1,34 )

0,1 𝑥 0,8 = 5,25 𝑝𝑢𝑙𝑔 𝑠𝑒 𝑢𝑠𝑎 6 𝑝𝑢𝑙𝑔

𝑆𝑁3 = 2,64 + 1,34 + 6 𝑋 0,8 𝑋 0,1 = 4,46

En consecuencia para el tramo el pavimento estará formado por una superficie

de concreto asfaltico de 6 pulg, 12 pulg de base granular y 6 pulg de sub base.

Grafica. 4.Estructura del pavimento

PAVIMENTOS I

CONCLUSIONES

En este método se puede concluir que la falla del pavimento está en función

del número estructural, de la resistencia de subrasante, teniendo en cuenta

el índice de servicio y confiabilidad

Se tiene en cuenta el análisis del periodo de diseño por la presencia de

suelos expansivos en la subrasante para lo cual se utilizan las diferentes

opciones para impermeabilizar el suelo.

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BIBLIOGRAFIA

COLOMBIA. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Manual de Diseño de

Pavimentos Asfalticos en Vías con Medios y Altos Volúmenes de transito: El

instituto, 1998.

COLOMBIA. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Manual de diseño de

pavimentos de asfalticos para vías con bajos, medios y altos volúmenes de

tránsito. El instituto, 2008.

COLOMBIA. INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS. Guía metodológica para el

diseño de obras de rehabilitación en pavimentos flexibles. Bogotá: El

instituto, 2008.

INGENIERÍA DE PAVIMENTOS PARA CARRETERAS. Alfonso Montejo Fonseca. Universidad Católica de Colombia año 2002

Pliego de Condiciones Apéndice No 2 Licitación INCO No. 001 de 2003

http://www.worldmeteo.info/es/america-del-sur/colombia/girardot/tiempo-

100423

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