Diseño de una estructura de Pavimento

DISEO ESTRUCTURA DE PAVIMENTO PARA UNA VA DE DOS CALZADAS DOBLE CARRIL EN EL SECTOR DE USME, BOGOT

Tabla de contenidoRESUMEN2INTRODUCCIN3OBJETIVOS4TRAMOS DE ESTUDIO Y CBR DE DISEO5Consideraciones de diseo.5DISEO PAVIMENTO MTODO INSTITUTO DEL ASFALTO8DISEO PAVIMENTO MTODO SHELL10EVALUACIN ECONMICA13

RESUMEN

Las vas constituyen la infraestructura fundamental para el desarrollo socio-econmico y cultural de una nacin. Colombia enfrenta un reto a largo de plazo en el marco de las denominadas Vas de 4G. Este reto consiste principalmente en mejorar las condiciones actuales que enfrenta el transporte terrestre en cuanto a cobertura y calidad de la red vial. Actualmente solamente superamos a Hait en materia de infraestructura vial y estamos lejos con respecto a nuestros vecinos como Ecuador que nos lleva 20 aos de progreso en esta materia.Sin embargo, y a pesar de los distintos problemas de corrupcin, falta de planeacin y exceso de control de algunas entidades el gobierno ha hecho una apuesta interesante en inversin de infraestructura, lo que repercutir adems del desarrollo, en oportunidades laborales en todos los campos de la Ingeniera Civil, incluido por supuesto, el campo de Vas y Transporte.

Es por ello que el siguiente documento abarca un estudio a una escala pequea del diseo de la estructura de pavimento para una va de aproximadamente 1 Km de longitud. Lo que implica por supuesto la evaluacin geotcnica presentada del suelo presente en la zona y todas sus propiedades mecnicas, hdricas y granulomtricas y con base en ellas se pretende dar las mejores opciones de diseo, considerando significativamente la evaluacin econmica correspondiente que permita establecer la mejor opcin de diseo.

Palabras clave: Infraestructura vial, Vas 4G, Geotecnia, Diseo, Evaluacin Econmica.

INTRODUCCINDESCRIPCION GENERAL DEL AREA DEL PROYECTO.La localidad de Usme fue fundada en 1650, como San Pedro de Usme, convirtindose en el centro de una zona rural dedicada a la agricultura, provee parte importante de los alimentos de la capital. Su nombre proviene de una indgena muisca llamada Usminia la cual estaba ligada sentimentalmente a los Caciques de la poca en la antigua Bacat (Bogot). En 1972, mediante el Acuerdo 26 se incorpor el municipio de Usme a Bogot pasado a convertirse en Localidad y por ende a pertenecer al mapa de la ciudad de Bogot con la expedicin del Acuerdo 2 de 1992.La localidad de Usme est dividida en siete UPZ (Unidades de Planeamiento Zonal). A su vez, estas unidades estn divididas en barrios, como vemos aqu (algunas UPZ comparten barrios): En total, Usme posee ms de 120 barrios y 17 veredas.La mayor parte del territorio es montaoso y sus pisos trmicos varan de frio a paramo en la parte alta de los cerros surorientales; al sureste, en el sector comprendido entre Usme y Soacha. La localidad se encuentra dentro de la cuenca alta del rio Tunjuelito y las subcuencas de los ros Curubital, Chisaca, Lechoso y Mugroso.PAVIMENTOS.Las estructuras de pavimentos se pueden considerar como un conjunto de capas superpuestas de material seleccionado que recibe de forma directa los efectos debidos a las cargas del trnsito y del intemperismo. La divisin de capas obedece tambin a un factor econmico, ya que cuando se escoge un espesor mnimo que reduzca los esfuerzos sobre la capa inmediatamente inferior. Su buen diseo y mantenimiento ofrecen confort al usuario y permite el desarrollo de las zonas que lo integran. Por tal motivo es fundamental estudiar las caractersticas del suelo existente en la zona que permita caracterizar el material e intuir las necesidades que abarcar el proyecto a travs del diseo de la estructura. En una primera fase se realizan estudios de laboratorio que proporcionarn resultados y por ende la descripcin del suelo. Estos resultados se deben someter a un anlisis riguroso comparando estos resultados con algunas observaciones in situ y que permitan relacionarlos y evidenciarlos con las singularidades encontradas en el terreno. Como segunda fase se estudian los tramos que revelen caractersticas similares para trazar un perfil general del terreno. Luego se procede a determinar el parmetro ms importante en este estudio: el CBR de diseo. Con este valor se pueden realizar los diseos correspondientes para cada mtodo presentado. Para cada diseo se debe hacer su correspondiente evaluacin econmica y recomendar la opcin ms viable en funcin de esta evaluacin y su comportamiento a nivel de servicio. Al finalizar estas evaluaciones se presenta una propuesta para un Pavimento Flexible para un periodo de diseo de 15 aos y otro Rgido para un perodo de 20 aos.OBJETIVOS

OBJETIVO PRINCIPAL Presentar una propuesta de diseo para Pavimento Flexible a un perodo de quince aos y otra para Pavimento Rgido a un perodo de veinte aos.

OBJETIVOS SECUNDARIOS

Realizar el diseo del Pavimento Flexible por los mtodos: Instituto del Asfalto, AASHTO y Shell.

Realizar el diseo del Pavimento Rgido por el mtodo del PCA (Portland Cement Associaton).

Presentar la evaluacin econmica para la propuesta Flexible y Rgida definitiva

TRAMOS DE ESTUDIO Y CBR DE DISEOConsideraciones de diseo.La eleccin de los tramos de estudio se bas en las siguientes consideraciones: Ubicar los tramos que presentan caractersticas especficas como el CBR cuyos valores presenten una distribucin especial para su anlisis.

La estratigrafa encontrada, ya que ello es muestra que al seleccionar los tramos de estudio se est dividendo de acuerdo a la descripcin promedio de los estratos finos que conforman la matriz. Finalmente los tramos estudio seleccionados fueron los siguientes:1. Tramo 1, comprendido entre la abscisa k0+000 hasta k0+470.

2. Tramo 2, comprendido entre la abscisa k0+971.4 hasta k1+120.Como primera fase de estudio se realiz el siguiente anlisis para todos los datos de CBR:i. Se recomienda que si los valores de CBR corregidos para 0.1 y 0.2 son semejantes se use en los clculos el CBR correspondiente a 0.2.

ii. Una vez seleccionados estos datos de CBR se ordenan de menor a mayor y se determinar el nmero y el porcentaje de valores iguales o mayores de cada uno.

iii. Se dibuja una grfica que relacione los valores de CBR con los porcentajes calculados previamente.Con los resultados suministrados de las pruebas de laboratorio se realiz el procedimiento anterior obtenindose:Tramo 1 (K0+110-K0+470)

AP14AP16AP19AP21AP24

CBR A 0.2"12.6843.6494.8654.3447.819

CBR# Valores >=%

3.6495100

4.344480

4.865360

7.819240

12.684120

Tabla 1. CBR DE DISEO TRAMO 1Ilustracin 1. CBR DE DISEO TRAMO 1

Tramo 2 (K0+971.4-K1+120)

AP2AP7AP9AP10AP11

CBR A 0.2"1.9119.0352.9545.0397.645

CBR# Valores >=%

1.9115100

2.954480

5.039360

7.645240

9.035120

Tabla 2. CBR DE DISEO TRAMO 2

Ilustracin 2.CBR DE DISEO TRAMO 2

Como se ha podido evidenciar estos tramos permiten caracterizar de forma coherente los distintos valores de CBR. Sin embargo para el tramo comprendido entre K0+470 hasta el k0+971 no se tienen registros de CBR, lo que conlleva a decidir si se puede incluir entre algunos de los tramos descritos anteriormente. Para efectos de anlisis y de diseo este tramo se incluir en el tramo 2, ya que como se muestra en la estratigrafa correspondiente este se inclina hacia el segundo tramo, presentando un perfil similar a este tramo. Por lo tanto el Tramo 2 ser desde el K0+470 hasta el K1+1120Para terminar de definir el CBR de diseo para los tramos se deben determinar las caractersticas del trnsito, esto es el Nmero de Ejes equivalentes de 8.2 toneladas. Para ello se cuentan con las proyecciones del trfico a 15 y 20 aos. Con los datos se calculan el Transito promedio diario, el Factor Camin por medio de los valores calculados por la Universidad del Cauca, el porcentaje de Carril de diseo y finalmente se obtiene el nmero de ejes equivalentes a 15 y 20 aos.

15 AOS20 AOS

TipoComposicin VehicularNmero de vehculosTipoComposicin VehicularNmero de vehculos

Livianos67.80%4549555Livianos67.80%9430237

Buseta3.80%252632Buseta3.80%523651

Bus5.00%337050Bus5.00%698632

Alimentador10.70%716465Alimentador10.70%1485077

C2P6.40%430502C2P6.40%892337

C2G5.30%356052C2G5.30%738019

C30.40%27413C30.40%56820

C40.60%40496C40.60%83939

C50.00%0C50.00%0

TPD 6710165TPD 13908712

Tabla 3. TPD a 15 y 20 aosFactor camin(A)(Tipo/Vehiculos comerciales)*100 (B)

TipoComposicin

Livianos67.80%A*B

Buseta3.80%0.0511.8012%0.590062112

Bus5.00%0.415.5280%6.211180124

Alimentador10.70%133.2298%33.22981366

C2P6.40%1.1419.8758%22.65838509

C2G5.30%3.4416.4596%56.62111801

C30.40%3.761.2422%4.670807453

C40.60%6.731.8634%12.54037267

C50.00%

Vehiculos comerciales32.20%Factor Camion Ponderado1.365217391

Tabla 4. % Vehculos comerciales y Factor CaminPorcentaje Carril de Diseo

# de carriles% de vehiculos

445.00%

Tabla 5. % de Vehculos para el carril de diseoNo. ejes 15 aos1.33E+06

No. ejes 20 aos2.75E+06

Tabla 6. No. de ejes equivalentes de 8.2 ToneladasPara Nmeros de ejes equivalentes mayores a 10^6 ejes de 8.2 toneladas se debe seleccionar el percentil 87.5 de las grficas anteriormente descritas de CBR. Por lo tanto se tiene que:

CBR DE DISEO(15 y 20 aos)

TRAMO 14.20%

TRAMO 22.55%

Tabla 7. CBR DE DISEO

DISEO PAVIMENTO MTODO INSTITUTO DEL ASFALTO

Para realizar el diseo de la estructura de pavimento se debe contar con los siguientes datos:

Mdulo de resiliencia Mr de la subrasanteEste mdulo puede hallarse mediante la siguiente relacin:

Nmero de ejes equivalentes No. ejes 15 aos1.33E+06

Con estos datos se pueden determinar diversos diseos de acuerdos a los diagramas de diseo que presenta el mtodo. Para nuestro caso hemos optado por los siguientes diseos para el tramo 1 y el tramo 2, de acuerdo a los valores anteriores:

Final para TRAMO 1Espesor ASFALTOInstituto del asfalto

Base Granular de 30 cm21cm

Tabla 8. Espesores de base y asfalto para Tramo 1,Asfalto 21 cm

Base granular de 30 cm (CBR 100%)

Subrasante

Final para TRAMO 2Espesor ASFALTOInstituto del asfalto

Base Granular de 45 cm21.5 cm

Tabla 9. Espesores de base y asfalto para Tramo 2. Asfalto 21.5 cm

Base granular de 45 cm (CBR 100%)

Subrasante

DISEO PAVIMENTO MTODO SHELL

El mtodo requiere los siguientes datos de entrada:1. Perodo de diseo, en nuestro caso ser de 15 aos.2. Trnsito: El nmero de ejes equivalentes acumulados de 8.2 toneladas. En nuestro caso este valor corresponde a 1.33E+063. Temperatura: Se requieren valores de la temperatura media mensual del aire (MATT). Estos datos los publica anualmente la Secretara Distrital de Ambiente en su informe de la calidad del aire. Tiene estaciones que registran la temperatura media diaria del aire en casi todas las localidades incluyendo Usme. 4. Resistencia de la subrasante en N/m. Se tiene por lo tanto que :

Con respecto al punto 3, el mtodo estima una temperatura media anual ponderada del aire, que se obtiene a partir de unos factores de ponderacin que el mtodo propone de acuerdo a la temperatura dad en un mes. As se obtiene la siguiente tabla:Temperatura media mensual del aire USME

MESMATT CFactor Ponderacin

ENERO13.40.4

FEBRERO14.20.46

MARZO14.50.47

ABRIL14.90.5

MAYO14.50.47

JUNIO14.20.46

JULIO13.70.42

AGOSTO13.40.4

SEPTIEMBRE13.60.41

OCTUBRE13.40.4

NOVIEMBRE10.80.28

DICIEMBRE9.90.27

4.94

Promedio0.412

Ponderado Temperatura anual13

Tabla 10. Temperatura media anual ponderada del aire.Se suman todos los factores de ponderacin y se determina su promedio. Con este valor se entra a la grfica de la Shell de los factores de ponderacin y se obtiene la temperatura anual ponderada. El siguiente paso es determinar lo que se denomina la temperatura T800 del asfalto. Para obtener este parmetro se requieren de varios ensayos de penetracin a diferente temperatura del asfalto. Particularmente los resultados de laboratorio arrojaron los siguientes resultados:Penetracin del asfalto

Temperatura CPenetracin (0.1mm)

2565

3099

Tabla 11.Penetracin del asfaltoCon estos valores es posible obtener la T800, que es la temperatura a la cual la penetracin es de 800 dcimas de milmetro. Seguidamente se obtiene el ndice de penetracin del asfalto IP. T800IP

50 C-0.5

Tabla 12. T800 e ndice de penetracinPosteriormente se obtiene el Mdulo de Elasticidad dinmica del asfalto. Este valor se determina considerando una velocidad de diseo de 60 Km/h y una frecuencia de 10 Hz. Adicionalmente el mtodo pide la variacin de temperatura que existe entre el T800 y la Temperatura de mezcla que en nuestro caso corresponde a 19.5 C. La variacin entre la T800 y esta ltima es de 30.5C. Finalmente se obtiene el Mdulo de Elasticidad Dinmica del asfalto en N/ mSb(N/m)2.00E+07

La composicin volumtrica de la mezcla asfltica ser la siguiente:%Asfalto5

%Agregado90

%Aire5

Tabla 13. Dosificacin para la mezclaCon este dato y el Sb del asfalto se determina el Mdulo de Elasticidad dinmico de la mezcla que en este caso particular result:Sm(N/m)6.20E+09

Luego se determina la deformacin mxima admisible de traccin en la fibra inferior de las capas asflticas, usando el diagrama correspondiente donde se pide de entrada el Sm y el % en volumen del asfalto en la mezcla se obtiene una deformacin mxima de:

t mxima admisible1.00E-04

De acuerdo a todos estos datos anteriormente calculados y determinados, se puede asignar un cdigo, en nuestro caso esta corresponde al siguiente:

S1F250

S1 quiere decir que es una mezcla corriente de concreto asfltico de alta rigidez con contenido normal de agregado, asfalto y aire en la mezcla. F2 indica que es de baja resistencia ante la fatiga.

El diseo estructural se realiza teniendo en cuenta los siguientes criterios:

Clima considerado por la w-MMAT, (13 C). Mdulo de elasticidad de la subrasante, Cdigo de la mezcla, S1F2-50. Trnsito, 1.33+E06 ejes equivalentes Como las cartas de diseo que presenta Shell son para temperaturas de 4, 12,20 y 28 C se necesitan interpolar las dimensiones que se determinen en las cartas de 12 y 20 C. As mismo para hallar las dimensiones de los espesores del Tramo 1 es necesario interpolar tanto las dimensiones por temperatura como por Modulo de resiliencia y finalmente interpolar entre CBR de 2.5 y 5 para hallar los espesores a 4.2% de CBR. Para tal fin se usaron para al Tramo 2 las siguientes cartas de diseo:Carta HN 10(12)Carta HN 18(20)

Para el Tramo 1 se usaron tanto estas cartas descritas como las siguientes:Carta HN 42(12)Carta HN 50(20)

Los resultados y clculos de la interpolacin se muestran en el anexo, a continuacin se muestran los resultados de los espesores definitivos para los tramos en estudio:

Concreto asfltico 103 mm

Sub-Base >= 40%(259 mm)

Sub-Base >= 20%(203 mm)

SUBRASANTE

Concreto asfltico 120 mm

Sub-Base >= 40%(334 mm)

Sub-Base >= 20%(241 mm)

Sub-Base >= 10%(151 mm)

SUBRASANTE

Tramo 1:Tramo 2:

EVALUACIN ECONMICAPartiendo de las estructuras anteriormente definidas se determinaron las cantidades de obra y el presupuesto para las alternativas de diseo presentadas:*Consideraciones: este anlisis se realiz para un tramo de 1 km de la va a construir que consta con 4 carriles dos en cada sentido, los carriles se tomaron de 3.7 metros de longitud, y adems cada medida se mayor por perdidas, expansin del suelo, cantidades defectuosas y desperdicio de obra; en cuanto al personal se asumi, una duracin de la obra de 12 meses, para el pago del salario y la contemplacin de este en el presupuesto; NO se tuvo en cuenta las obras complementarias a la va como redes hidrulicas, andenes, colectores, bermas, separadores de direccin, ni las redes de acueductos, redes elctricas, redes telefnicas y redes de alcantarillados que puedan que se tracen por este lugar.

Alternativa Mtodo Shell Tramo 1

CODIGOunidad precioCANTIDADTOTAL

DESCAPOTE A MAQUINA EN MATERIAL COMUN4,154m2 $ 516.40 1391.2 $ 718,415.68

EXCAVACION MECANICA EN MATERIAL COMUN3,710m3 $ 3,480.68 4126.647 $ 14,363,537.68

TRANSPORTE Y DISPOSICION FINAL DE MATERIAL ----m3 $ 23,901.80 6189.9705 $ 147,951,436.90

SUBBASE GRANULAR CLASE (SBG_B)4,160m3 $ 117,879.94 3535.0392 $ 416,710,208.79

MEZCLA ASFLTICA EN CALIENTE MDC-13,841m3 $ 535,838.31 788.1148 $ 422,302,102.52

RIEGO DE LIGA CON EMULSIN ASFLTICA CRR-13,866m2 $ 1,640.30 7651.6 $ 12,550,919.48

DEMARCACIN LINEA CONTINUA CADA 0.15 m4,242ml $ 5,800.00 2000 $ 11,600,000.00

DEMARCACIN LNEA DISCONTNUA CADA 0.15 m4,243ml $ 5,800.00 1000 $ 5,800,000.00

TACHA REFLECTIVA UNIDIMENSIONAL3,433un $ 8,123.27 2500 $ 20,308,175.00

SEAL VERTICAL GRUPO I3,430un $ 225,844.74 100 $ 22,584,474.00

TRANSPORTE Y DISPOSICION FINAL DE ESCOMBROS 3,017m3 $ 23,237.00 39.3014 $ 913,246.63

CUADRILLA(3 OFICIALES + 6 AYUDANTES)4,286JR $ 365,080.30 672 $ 245,333,961.60

MONTAJE DE CAMPAMENTO--- un $ 1,200,000.00 1 $ 1,200,000.00

HERRAMIENTAS DE TRABAJO---un $ 2,000,000.00 1 $ 2,000,000.00

INGENIERO RESIDENTE---un $ 83,333.30 1200 $ 99,999,960.00

TOPOGRAFO---un $ 2,000,000.00 12 $ 24,000,000.00

CADENEROS---un $ 800,000.00 12 $ 9,600,000.00

EQUIPOS DE TOPOGRAFA--- $ 2,000,000.00 1% $ 20,000.00

Alternativa Mtodo Shell Tramo 2CODIGOunidad precioCANTIDADTOTAL

DESCAPOTE A MAQUINA EN MATERIAL COMUN4,154m2 $ 516.40 2164.944 $ 1,117,977.08



SUBBASE GRANULAR CLASE (SBG_B)4,160m3 $ 117,879.94 8644.62139 $ 1,019,027,451.01







TRANSPORTE Y DISPOSICION FINAL DE ESCOMBROS 3,017m3 $ 23,237.00 91.5771312 $ 2,127,977.80





TOPOGRAFO---un $ 2,000,000.00 12 $ 24,000,000.00

CADENEROS---un $ 800,000.00 12 $ 9,600,000.00

EQUIPOS DE TOPOGRAFA--- $ 2,000,000.00 0.01 $ 20,000.00

SUBTOTAL TODA LA VA $ 4,086,061,338.97

Adems se solicit determinar los costos del mantenimiento de la va, se realiz un estimativo de las cantidades mximas de mantenimiento esperado y que se muestran a continuacin por ao:


BACHEO EN PAVIMENTO FLEXIBLE4515m2 $ 134,788.84 2086.80 $ 281,277,351.31

FRESADO Y REPOSICIN DE PAVIMENTO FLEXIBLE4516m2 $ 88,297.65 1391.20 $ 122,839,690.68

PARCHEO EN PAVIMENTO FLEXIBLE4514m2 $ 99,610.40 2782.40 $ 277,155,976.96

SELLO DE FISURAS4758ML $ 3,837.50 235.00 $ 901,812.50

SELLO DE GRIETAS4598ML $ 5,189.04 235.00 $ 1,219,424.40

TOTAL TRAMO 1

$ 683,394,255.85





SELLO DE FISURAS4758ML $ 3,837.50 365.7 $ 1,403,373.75


TOTAL TRAMO 2

$ 1,063,477,784.53

TOTAL ESPERADO MANTENIMIENTO $ 1,746,872,040.38

ALTERNATIVA MTODO INSTITUTO DEL ASFALTO TRAMO 1


DESCAPOTE A MAQUINA EN MATERIAL COMUN4,154m2 $ 516.40 1391.2 $ 718,415.68



BASE GRANULAR CLASE B(BG_B)4,157m3 $ 123,679.94 2295.48 $ 283,904,828.67







TRANSPORTE Y DISPOSICION FINAL DE ESCOMBROS 3,017m3 $ 23,237.00 35.4756 $ 824,346.52





TOPOGRAFO---un $ 2,000,000.00 12 $ 24,000,000.00

CADENEROS---un $ 800,000.00 12 $ 9,600,000.00


ALTERNATIVA MTODO INSTITUTO DEL ASFALTO TRAMO 2CODIGOunidad precioCANTIDADTOTAL

DESCAPOTE A MAQUINA EN MATERIAL COMUN4,154m2 $ 516.40 2164.944 $ 1,117,977.08



BASE GRANULAR CLASE B(BG_B)4,157m3 $ 123,679.94 5358.2364 $ 662,706,356.46

MEZCLA ASFLTICA EN CALIENTE MDC-13,841m3 $ 535,838.31 2560.04628 $ 1,371,770,872.20






TRANSPORTE Y DISPOSICION FINAL DE ESCOMBROS 3,017m3 $ 23,237.00 71.984388 $ 1,672,701.22





TOPOGRAFO---un $ 2,000,000.00 12 $ 24,000,000.00

CADENEROS---un $ 800,000.00 12 $ 9,600,000.00


SUBTOTAL TODA LA VA $ 4,544,505,489.23

Adems se solicit determinar los costos del mantenimiento de la va, se realiz un estimativo de las cantidades mximas de mantenimiento esperado y que se muestran a continuacin por ao:






TOTAL TRAMO 1

$ 683,394,255.85






TOTAL TRAMO 2

$ 683,394,255.85

TOTAL ESPERADO MANTENIMIENTO $ 1,366,788,511.70

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Diseño de una estructura de Pavimento