Diseño Del Pavimento-Método Shell

5/20/2018 Diseo Del Pavimento-Mtodo Shell

1/58

48

10. DISEO DEL PAVIMENTO - MTODO SHELL

Este mtodo considera la estructura del pavimento como un sistema multicapa

linealmente elstico, bajo la accin de las cargas de trnsito, en el cual los

materiales se encuentran caracterizados por su mdulo de elasticidad de Young(E) y su relacin de Poisson (). Los materiales de la estructura se consideran

homogneos y se asume que las capas tienen una extensin infinita en sentido

horizontal.

El procedimiento bsico supone al pavimento como una estructura tricapa (Figura

18), en la que la capa superior corresponde a las carpetas asflticas, la intermedia

a las capas granulares y la inferior, que es infinita en sentido vertical, corresponde

a la subrasante.

Figura 18.


2/58

49

El diseo consiste en elegir espesores de las capas asflticas y granulares, y

caractersticas de sus materiales (E, ), de manera que se cumpla un determinado

criterio de deformaciones. El mtodo utiliza un programa BISAR de cmputo, el

cual permite calcular los esfuerzos y deformaciones que se producen en cualquier

punto de la estructura y localiza las magnitudes mximas de ellos. Los criterios

bsicos para el diseo estructural son las siguientes:

a. Si la deformacin horizontal por traccin t en la fibra inferior de las capas

asflticas supera la admisible, se producir el agrietamiento de ellas.

b. Si la deformacin vertical por compresin en la subrasante z es excesiva,

se producir una deformacin permanente de la subrasante y por

consiguiente del pavimento.

Partiendo de estos conceptos, la SHELL ha logrado determinar las combinaciones

de espesores de las diferentes capas del pavimento que garantizan el

cumplimiento de los valores t y z durante el periodo de diseo. Para facilitar laaplicacin del mtodo por parte del diseador, la SHELL ha elaborado una serie

de grficas de diseo a partir de los resultados de la aplicacin de su programa de

cmputo.

En una primera serie (Figura 19) se presenta una combinacin de espesores de

las capas asflticas (H1) y de las capas granulares (H2) para que se satisfagan los

criterios de deformacin horizontal por traccin t. Los espesores a1 de capas

asflticas y a2de capas granulares, combinados, cumplen con ese requisito.


3/58

50

Figura 19.

En una segunda serie (Figura 20) se presenta una combinacin de espesores de

las capas asflticas (H1) y de las capas granulares (H2) para que se satisfagan los

criterios de deformacin vertical por compresin z. Los espesores a3 y a 4,

combinados, cumplen con este requisito.

Figura 20.

Como se requiere cumplir simultneamente los dos criterios (que ni se agrieten ni

se deformen) es necesario fusionar las dos curvas en una (Figura 21). Y es as

como la presenta la SHELL.


4/58

51

Figura 21.

Con a5de espesor de capas asflticas y a 6de capas granulares se satisfacen los

dos criterios. El de z apenas cumple y por t est sobrado. Con a 7 de capas

asflticas y a8de capas granulares hasta a 9para cumplir tambin el criterio de z

pero no se cumple el de Et. Cuando esto sucede, se debe aumentar el espesor de

las capas granulares hasta a9para cumplir tambin el criterio de deformacin por

traccin.

Es de anotar que no se aconseja considerar puntos a la derecha de donde se

cruzan las curvas ya que por una pequea reduccin en el espesor de las capas

asflticas hay que aumentar bastante las capas granulares.

10.1 PARMETROS DE DISEO

Perodo de Diseo:Al igual que para el mtodo anterior se verific la estructura para 10 aos de

periodo de diseo.


5/58

52

Trnsito:Se expresa como el nmero acumulado de ejes equivalentes de 8.2 ton. Por eje

sencillo que se presentan en el carril de diseo y corresponden al calculado en elcaptulo 7: N = 6.3E+06.

Temperatura:Las variaciones diarias y estacionales de la temperatura no presentan influencia

significativa en el mdulo de elasticidad de las capas granulares pero en cambio

son muy importantes en las propiedades del asfalto, ya que ste un producto

susceptible trmicamente y por lo tanto las mezclas que se construyan con l vana presentar un mdulo de elasticidad diferente segn el clima del lugar donde se

construir la obra. El comportamiento de una mezcla igual es diferente en clima

fro que en caliente. A fin de considerar este efecto, el mtodo desarrollar un

procedimiento para estimar una temperatura media anual ponderada del aire (w-

MMAT) en la regin del proyecto a partir de las temperaturas medias mensuales

del aire (MMAT) y con ellos obtener unos factores de ponderacin que se obtienen

de la figura 22.


6/58

53

Figura 22. Curva de ponderacin de temperatura


7/58

54

Se tienen los siguientes datos:

MES MMAT (C)Factor de

ponderacin

Enero 21.1 1.2

Febrero 22.1 1.4

Marzo 21.7 1.3

Abril 21.2 1.2

Mayo 21.4 1.3

Junio 20.4 1.1Julio 21.3 1.3

Agosto 20.6 1.1

Septiembre 20.3 1.1

Octubre 19.7 1.0

Noviembre 19.9 1.0

Diciembre 20.6 1.1

Tabla 13. Registro de temperaturas correspondientes a cada mes del ao.

Con este factor de ponderacin se entra a la grfica anterior y se lee el valor

ponderado de la temperatura:20.6C

Resistencia de la subrasante:El mtodo exige conocer el mdulo de resiliencia. Con base en el CBR se puede

determinar en trminos de Kg/cm2como:

MR = 100 x 3.4 % (Kg/cm2) = 340 Kg/cm2


8/58

55

Como las unidades usadas en este mtodo para el mtodo dinmico es Newton /

m2, entonces:

MR = 107*3.4% N/m2= 3.4E+07 N/m 2

Resistencia de las capas granulares:Tambin se debe determinar la resistencia con base al mdulo de elasticidad o

mdulo resiliente, que a su vez es funcin de las caractersticas del material, el

espesor y la resistencia de apoyo. La SHELL emplea la misma correlacin usada

para la subrasante, o sea,

MR = 107.CBR N/m2

Originalmente ste mdulo se da en trminos de CBR, en tres zonas, de 20%,40% y 80%, respectivamente.

Caractersticas de la mezcla asfltica:An cuando existan muchos tipos de mezclas asflticas, la SHELL considera que

son dos las propiedades fundamentales de ellas, que inciden en su

comportamiento.

a. Mdulo de elasticidad dinmico

b. Resistencia de la mezcla a la fatiga, es decir, a la accin repetida de las

cargas.

En cuanto al mdulo de elasticidad dinmica el mtodo distingue dos tipos de

muestra; las S1 que son mezclas corrientes de concreto asfltico de alta rigidez,con contenidos normales o promedios de agregados, de asfalto y de vacos con

aire. Las mezclas de tipo S2 son mezclas de baja rigidez, mezclas abiertas que

tiene un alto contenido de vacos con aire y un bajo contenido de asfaltos

En cuanto a la fatiga el mtodo distingue dos tipos de mezcla: Las F1 que tienen

alta resistencia y que tienen cantidades moderadas de vacos con aire y de

asfalto, y las F2, de baja resistencia y que tienen alto volmenes de vaco con aire.


9/58

56

El mtodo considera nicamente dos tipos de cemento asfltico, para la

elaboracin de las mezclas asflticas; los de penetracin 50 ( mm) que se

emplean en climas calientes y los de penetracin 100 que se emplean en climas

fros. Con base en lo anterior, la SHELL reconoce para el diseo ocho tipos de

mezclas asflticas y presenta grficas de diseo diferentes para cada una de ellas,

estas son:

S1 F1 50 S2F1 50

S1F2 50 S2F2 50

S1F1 100 S2F1 100

S1F2 100 S2F2 100

Para determinar el tipo de mezcla asfltica, la SHELL presenta una serie de

grficas que estn en funcin de ensayos rutinarios de laboratorio. El

procedimiento a seguir considera los siguientes pasos:

a. Determinacin del ndice de penetracin de la temperatura T800del asfalto:

Con el asfalto que se va a usar en la construccin se hacen varios ensayos depenetracin a diferentes temperaturas para determinar su susceptibilidad

trmica y con ayuda de la grfica de HELKELLOM (Figura 23) se halla el ndice

de penetracin (IP) que es una medida de la susceptibilidad trmica del asfalto,

y tambin el T800 que es la temperatura a la cual la penetracin es de 800

dcimas de milmetro.

Para el presente proyecto se obtuvieron los siguientes valores de penetracin a

distintas temperaturas:

Temperatura (C) Penetracin (0.1mm)

25C 65

30C 99


10/58

57

Con los valores de penetracin localizados en la grfica para las temperaturas

de ensayo se traza una recta que se prolonga hasta cortar la horizontal

correspondiente a una penetracin de 800 y all se lee una temperatura

T800= 49C

Figura 23. Determinacin de T800e IP

Por el punto A dado en la grfica se traza una paralela a la lnea que une los

puntos correspondientes a las penetraciones obtenidas a las temperaturas de

ensayo. Dicha paralela corta la escala que indica el ndice de penetracin de IP

= -0.60

b. Determinacin de la rigidez del asfalto a la temperatura de trabajo en obra:

Se emplea en la grfica de VAN DER POEL (Figura 24)

Para ello es necesario conocer:


11/58

58

- ndice de penetracin.

- Tiempo de aplicacin de carga. La SHELL recomienda emplear un tiempo

de 0.02 s. Que corresponde a una velocidad del vehculo de 50 60 Km/h

- T = T800 T mezcla.

Figura 24. Nomograma de VAN DER POEL para determinar el mdulo dinmico del asfalto.

Siendo Tmezclala temperatura de la mezcla que es funcin de la temperatura

ambiente y se obtiene de la grfica de la figura 25.

Con la temperatura media anual w MMAT se va al punto medio entre los

espesores mnimos y mximos de las carpetas asflticas ya que en el

proceso de diseo an no se conocen los espesores, all se obtiene un

Tmezcla= 28.3C.

T = 49 28.3 = 20.7C

Con estos valores se entra a la figura 24 partiendo de la parte inferior con

un tiempo de aplicacin de 0.02, uniendo con T = 20.7C y prolongando


12/58

59

hasta IP = -0.6; de ah se sigue paralelamente a las curvas hasta llegar a la

parte superior donde se lee un mdulo de elasticidad dinmica del asfalto

de 5 x 106N/m 2.

Figura 25. Relacin entre temperatura efectiva de las capas asflticas y de la mezcla.


13/58

60

c. Determinacin del mdulo de elasticidad dinmica de la mezcla asfltica:

Se emplea en la grfica de HEUKELOM (Figura 26) y para ello es necesario

conocer, adems del mdulo de de elasticidad dinmica del asfalto, la

composicin volumtrica de la mezcla asfltica de acuerdo con el diseo de

ella en el laboratorio.

En el presente caso, la dosificacin segn el diseo de mezclas (Anexo 3) es el

siguiente:

Agregados: 84.9%Asfalto: 10.05%

Aire: 5.1%

Se entra a la grfica partiendo del mdulo de elasticidad dinmica del asfalto (5

x 106 N/m 2), volumen de asfalto 10.05%, volumen de agregado 84.9%; se

obtiene un mdulo de elasticidad dinmico de la mezcla de 1.3 x 109N/m 2.


14/58

61

Figura 26. Nomograma para el clculo del mdulo dinmico de HEUKELOM.

d. Determinar si la mezcla es del tipo S1 o S2:

Se emplea la figura 27 en la cual se ubica el punto de confluencia del mdulo

de elasticidad dinmica del asfalto y de la mezcla. Con mdulo de elasticidad

dinmica del asfalto de 5 x 10

6

N/m

2

y mdulo de elasticidad dinmica de lamezcla de 1.3 x 109N/m 2.


15/58

62

Figura 27. Relaciones entre la rigidez de la mezcla y la rigidez del asfalto.

Se observa que el punto de confluencia se halla ms cerca de la curva S1, por

consiguiente este es el tipo de mezcla que hay que adoptar.

e. Determinacin de la deformacin mxima admisible de traccin en la fibra

inferior de las capas asflticas:

Se emplea la figura 28 se entra a ella con mdulo de elasticidad dinmica de

1.3 x 109N/m 2, volumen del asfalto (10.05%) se prolonga la lnea que los une

hasta el marco del cuadro, de all se traza una horizontal hasta hallar la recta

que corresponde al trnsito expresado como N de all se traza una vertical

hasta hallar en la abscisa inferior la deformacin horizontal por traccin que es

t= 3 x 10-4.


16/58

63

Figura 28. Nomograma de fatiga basado en Smix y Vb

f. Determinar si la mezcla es del tipo F1 o F2:

Se emplean las grficas de la figura 29, en ambas grficas se busca el punto

de confluencia entre el mdulo de elasticidad dinmica de la mezcla (1.3 x 10 9

N/m2) y la deformacin por traccin t.

t = 3 x 10-4 en la primera grfica que corresponde al tipo F1, el punto de

confluencia corresponde a un N = 2.0 x 106ejes equivalentes y en la segunda

grfica que corresponde al tipo F2 se encuentra un N = 3.0 x 105 ejes

equivalentes. Se adopta el F1 ya que queda ms cerca del dato del ejemplo

que es N = 6.3 x 106ejes equivalentes.


17/58

64

Figura 29. Caractersticas de fatiga para asfalto tipo F1 y para asfalto tipo F2

g. Identificacin del tipo de mezcla:

Combinando lo obtenido en los apartes d y f se concluye que la mezcla es del

tipo S1F1 a la que hay que adicionarle el tipo de asfalto empleado con base a

la penetracin obtenida. Como en el ejemplo se tiene un valor de 65 para 25C

se adopta el 50 (solo se puede escoger 50 o 100) ya que est mas prximo al

del ensayo que el 100. En conclusin el tipo de mezcla asfltica o cdigo ser

S1F1 50

Si se presentan incertidumbre en cuanto al cdigo de la mezcla, en especial en

cuanto a la combinacin de las caractersticas de mdulo de elasticidad

dinmica y fatiga, debe adoptarse algn margen de seguridad, considerando

por ejemplo diferentes cdigos de mezcla y comparando los espesores


18/58

65

obtenidos y seleccionando los definitivos de diseo con base en el buen

criterio.

10.2 DISEO ESTRUCTURAL

Las grficas de diseo permiten determinar los espesores necesarios de la capas

granulares y asflticas en funcin de 4 parmetros, como son:

Clima considerado por la w-MMAT, (20.6C).

Mdulo de elasticidad de la subrasante, 340 Kg/cm 2.

Cdigo de la mezcla, S1F1-50.

Trnsito, 6.3+E06 ejes equivalentes.

El uso de cualquier grfica requiere el conocimiento de 4 parmetros de las cuales

tres son siempre fijos, cualquiera que sea la grfica empleada. El juego de grficas

bsicas de diseo SHELL (Grficas HN1 a 128) muestra los espesores totales de

las capas granulares (h2). En ellas el parmetro variable es N siendo los valores

fijos la temperatura w-MMAT, MR de la subrasante y el cdigo de la mezcla.

Con el fin de facilitar la interpolacin entre los diversos parmetros de diseo la

SHELL ha preparado otros juegos de grficas, derivados todos ellos de las curvas

HN.

Para el presente caso, se necesitar hacer interpolaciones para poder hallar las

dimensiones de la estructura del pavimento con los parmetros descritos

anteriormente.

Las cartas NH 17 y HN 25 con Cdigo de mezcla S1F1-50, y MR 2.5 x 107

servirn de ayuda para interpolar las dimensiones de la estructura del pavimento,

segn sus respectivos w-MMAT de 20C y 28C. Posteriormente se interpolarn

las dimensiones del pavimento con respecto a la variacin de los mdulos


19/58

66

resilientes entre 2.5 x 107y 5.0 x 10 7. Los valores a analizar con los MR de 5.0 x

107estn contenidos en las cartas HN49 y HN57.

Alternativa 1:Inicialmente tomamos de las cartas HN17, HN25, HN 49 y HN57 los valores de las

dimensiones de la capa de asfalto para un Nmero de ejes equivalentes de

6.3+E06.

Figura 30. HN17 para alternativa 1


20/58

67




21/58

68


Tenemos los siguientes valores:

En la carta HN17 un espesor de 260mm


Interpolando temperaturas tenemos que para 20,6C, un espesor de

269.7mm, con CBR 2.5%




228.25mm, con CBR 5.0%Interpolacin final: Para un CBR de 3,4% y 20,6C, un espesor pleno de

254.78mm

De este modo tenemos las siguientes estructuras segn las condiciones:


22/58

69

Para la carta HN17:

Mdulo de la subrasante: 2.5 x 10 7N/m 2.

W-MMAT: 20C

N = 6.3E+06 ejes equivalentes

Alternativa

ESPESORES DE CAPAS GRANULARESCONCRETO

ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 260

Para la carta HN25: Mdulo de la subrasante: 2.5 x 10 7N/m 2.

W-MMAT: 28C


Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 390

Para la carta HN49:


W-MMAT: 20C


Alternativa


ASFLTICOSub-baseCBR10

Sub-baseCBR20

Sub-baseCBR40

BaseCBR80

1 0 0 0 0 220

Para la carta HN57:


W-MMAT: 28C


23/58

70


Alternativa

ESPESORES DE CAPAS GRANULARES

CONCRETOASFLTICO

Sub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 330

Interpolaciones para las condiciones del proyecto:

Mdulo de la subrasante: 3,4 x 10 7N/m 2.

W-MMAT: 20.6C


Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 255*

* Se redondea a 255mm para mantener una dimensin comercial.

Alternativa 2 (Con sub-base granular de CBR igual o mayor de 40%):Tomamos de las cartas HN17, HN25, HN 49 y HN57 los valores de las

dimensiones de la capa de asfalto y sub-base granular en la franja con nmero 4,

que representa el rango para sub-bases de CBR 40% para un Nmero de ejes

equivalentes de 6.3+E06.


24/58

71

Figura 34. NH17 para alternativa 2



25/58

72




26/58

73

Tenemos los siguientes valores para capas granulares:




371.9mm, con CBR 2.5%




251.5mm, con CBR 5.0%

Interpolacin final: Para un CBR de 3,4% y 20,6C, un espesor de328.56mm

Tenemos los siguientes valores para capas asflticas:




194.9mm, con CBR 2.5%




164,5mm, con CBR 5.0%

Interpolacin final: Para un CBR de 3,4% y 20,6C, un espesor de 183.9mm


Para la carta HN17:


W-MMAT: 20C



27/58

74

Alternativa


ASFLTICO

Sub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 260

2 0 0 370 0 190

Para la carta HN25:


W-MMAT: 28C


Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 390

2 0 0 395 0 255


W-MMAT: 20C


Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 220

2 0 0 250 0 160

Para la carta HN57:


W-MMAT: 28C



28/58

75

Alternativa


ASFLTICO

Sub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 330

2 0 0 270 0 220



W-MMAT: 20.6C


Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 255

2 0 0 330 0 185

Alternativa 3 (Con Base granular de CBR igual o mayor de 80%):Tomamos de las cartas HN17, HN25, HN 49 y HN57 los valores de las

dimensiones de la capa de asfalto y sub-base granular en la franja con nmero 8,

que representa el rango para Bases de CBR 80% para un Nmero de ejes

equivalentes de 6.3+E06.


29/58

76




30/58

77




31/58

78

Tenemos los siguientes valores para capas granulares:




542.9mm, con CBR 2.5%




447.6mm, con CBR 5.0%

Interpolacin final: Para un CBR de 3,4% y 20,6C, un espesor de 508.6mm

Tenemos los siguientes valores para capas asflticas:




149.25mm, con CBR 2.5%



Interpolando temperaturas tenemos que para 20,6C, un espesor de 90mm,

con CBR 5.0%

Interpolacin final: Para un CBR de 3,4% y 20,6C, un espesor de

127.92mm


Para la carta HN17:


W-MMAT: 20C



32/58

79

Alternativa


ASFLTICO

Sub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 260

2 0 0 370 0 190

3 0 0 0 535 150

Para la carta HN25:


W-MMAT: 28C N = 6.3E+06 ejes equivalentes

Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 390

2 0 0 395 0 255

3 0 0 0 640 140

Para la carta HN49:


W-MMAT: 20C


Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 220

2 0 0 250 0 160

3 0 0 0 445 90


33/58

80

Para la carta HN57:


W-MMAT: 28C


Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 330

2 0 0 270 0 220

3 0 0 0 480 90



W-MMAT: 20.6C


Alternativa


ASFLTICOSub-baseCBR10

Sub-baseCBR20

Sub-baseCBR40

BaseCBR80

1 0 0 0 0 255

2 0 0 330 0 185

3 0 0 0 510 130

Alternativa 4:Tomamos de las cartas HN17, HN25, HN 49 y HN57 los valores de las

dimensiones de la capa de asfalto y cuatro capas granulares para un Nmero de

ejes equivalentes de 6.3+E06.


34/58

81




35/58

82




36/58

83


Para la carta HN17:


W-MMAT: 20C


Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 260

2 0 0 370 0 190

3 0 0 0 535 150

4 160 90 90 195 140

Para la carta HN25:


W-MMAT: 28C N = 6.3E+06 ejes equivalentes

Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 390

2 0 0 395 0 255

3 0 0 0 640 1404 160 90 90 300 140

Para la carta HN49:


W-MMAT: 20C



37/58

84

Alternativa

ESPESORES DE CAPAS GRANULARES

CONCRETOASFLTICO

Sub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 220

2 0 0 250 0 160

3 0 0 0 445 90

4 0 150 80 215 90


W-MMAT: 28C


Alternativa


ASFLTICOSub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 3302 0 0 270 0 220

3 0 0 0 480 90

4 0 150 80 250 90



W-MMAT: 20.6C



38/58

85

Alternativa


ASFLTICO

Sub-base

CBR10

Sub-base

CBR20

Sub-base

CBR40

Base

CBR80

1 0 0 0 0 255

2 0 0 330 0 185

3 0 0 0 510 130

4 105 110 85 210 130

Las siguientes son los esquemas de las cuatro alternativas diferentes para laestructura de pavimento:

Alternativa N1 Alternativa N2 Alternativa N3 Alternativa N4

Concreto

asfltico

(255mm)

Concreto

asfltico

(185mm)

Sub-baseCBR40

(330mm)

Concreto

asfltico

(130mm)

Base CBR80

(510mm)

Concreto asfltico

(130mm)

Base CBR80 (210mm)

Sub-Base CBR40 (85mm)

Sub-Base CBR20

(110mm)

Sub-Base CBR10

(105mm)

Con el fin de minimizar costos se sugiere tomar como alternativa de diseo la N4.


39/58

86

11. SELECCIN DE ALTERNATIVA DE DISEO

Por el mtodo de la ASSHTO para el diseo del pavimento se tiene la siguiente

propuesta, la cual suma una estructura total de 82,5 cm:

ESTRUCTURA DE PAVIMENTO

Carpeta Asfltica

(3.5")

Base Granular (12")

Sub-base Granular

(17.5")

Figura 46. Estructura de pavimento diseada a partir del mtodo ASSHTO 93

Por otro lado, el mtodo de SHELL propone segn su metodologa la siguiente

estructura de 64 cms:


40/58

87

Concreto asfltico

(130mm)

Base CBR80 (210mm)

Sub-Base CBR40 (85mm)

Sub-Base CBR20

(110mm)

Sub-Base CBR10

(105mm)

Figura 47. Estructura de pavimento diseada a partir del mtodo SHELL

Se realiza la siguiente evaluacin econmica para poder determinar cual

alternativa es ms conveniente. Para ello se utilizan los precios propuestos por la

empresa contratista que ejecutar el proyecto y se evala el valor por m2 de

pavimento.

Item Un.Valor

unit.

Cant.

Mtodo

ASSHTO

Cant.

Mtodo

Shell

Total

mtodo

ASSHTO

Total

Mtodo

SHELL

Cortedetaludenmaterialheterogneo

h=variable,medidoensitio.m

6,631.00 0.83 0.64 5,470.58 4,244

Cargue, transporte y descargue de

materialsobrantede laexcavacinpara

su

disposicin

final

hasta

botadero

oficial o sitio donde lo disponga la

interventora.

m

32,558.00 1.08 0.83 35,130.08 27,088

Compactacindesubrasante m2,325.00 1.00 1.00 2,325.00 2,325

Suministro, transporte y colocacin de

materialdeafirmado,reacomodadocon

mediosmecnicos.CBR 10

m50,000.00 0.11 5,250


41/58

88


material de subbase granular,

reacomodado con medios mecnicos .

CBR20

m

65,000.00 0.11 7,150


material de subbase granular de

mximo 2 1/2", reacomodado con

mediosmecnicosycompactadoal98%

mnimo del ensayo del proctor

modificado, segn normas para la

construccin de pavimentos en el Valle

deAburr,versin1994.CBR40

m80,000.00 0.44 0.09 35,000.00 6,800


base granular de mximo 1",

reacomodado con medios mecnicos y

compactadoal100%mnimodelensayo

del proctor modificado, segn normas

paralaconstruccindepavimentosenel

ValledeAburr,versin1994.

m90,000.00 0.30 0.21 27,000.00 18,900

ImprimacinconasfaltolquidoMC70 m2,354.00 1.00 1.00 2,354.00 2,354


mezcla asfltica en caliente (Carpeta

asfltica) espesor de diseo.

Compactada con medios mecnicos

.segn normas para la construccin de

pavimentos en el Valle de Aburr,

versin1994. MDC1

m 515,246.0

00.09 0.13 45,084.03 66,982

152,363.68 141,093.1

Tabla 14. Cuadro de evaluacin econmica de ambas alternativas planteadas

Como se puede notar el mtodo Shell arroja un valor ms favorable sobre el

mtodo ASSHTO para la estructura de pavimento propuesta, con una diferencia

de $11.270,61 por m2. Lo que conlleva a elegir esta estructura como la ms


42/58

89

conveniente, sin embargo se sugiere que las capas de sub-base granular de

CBR10 y CBR20 sean reemplazados por sub-base granular de CBR40, para

facilitar al personal contratista la consecucin de los materiales y el proceso

constructivos con espesores ms comerciales. La estructura definitiva ser la

siguiente:


Carpeta Asfltica (130mm)

Base Granular CBR80

(210mm)

Subbase Granular CBR 40

(300mm)

Figura 48. Estructura de pavimento definitiva

De este modo los costos por m2sern los siguientes:

Item Unidad Valorunit.

Cant.

Mtodo

Shell

Total

Mtodo

SHELL

Cortedetaludenmaterialheterogneoh=variable,

medidoensitio.m 6,631.00 0.64 4,244

Cargue,transporte ydescarguedematerialsobrantede

laexcavacinparasudisposicinfinalhastabotadero

oficialositiodondelodispongalainterventora.

m 32,558.00 0.83 27,088

Compactacindesubrasante m 2,325.00 1.00 2,325


43/58

90

Suministro,transporteycolocacindematerialde

subbasegranular demximo21/2",reacomodadocon

mediosmecnicosycompactadoal98%mnimodel

ensayodelproctormodificado,segnnormasparala

construccindepavimentosenelValledeAburr,

versin1994.CBR40

m 80,000.00 0.30 24,000

Suministro,transporteycolocacindebasegranularde

mximo1",reacomodadoconmediosmecnicosy

compactadoal100%mnimodelensayodelproctor

modificado,segnnormasparalaconstruccinde

pavimentosenelValledeAburr,versin1994.

m 90,000.00 0.21 18,900

ImprimacinconasfaltolquidoMC70 m 2,354.00 1.00 2,354

Suministro,transporteycolocacindemezclaasfltica

encaliente(Carpetaasfltica)espesordediseo.

Compactadaconmediosmecnicos.segnnormaspara

laconstruccindepavimentosenelValledeAburr,

versin1994. MDC1

m 515,246.00 0.13 66,982

145,893.08

Tabla 15. Evaluacin de costos para la estructura de pavimento definitiva


44/58

91

12. CONFRONTACIN DE ALTERNATIVA ESCOGIDA CON DISEOSAPROBADOS POR EL MUNICIPIO DE SABANETA

12.1 Evaluacin del trnsito a partir de los datos considerados por el

consultor del proyecto

El consultor considera un TPD de 6000 vehculos en cada direccin de la va a

disear, con un porcentaje de vehculos comerciales de 6% y una proyeccin de

crecimiento anual del trfico de 1.5%, en un periodo de diseo de 20 aos. El

Factor de Camin ponderado que se consider fue de 4.2. De este modo, se

consideran los siguientes datos para el clculo de los ejes equivalentes:

TPD (Vehculos) 6000

Porcentaje de Vehculos Comerciales, A.

(%)6.00%

Porcentaje de distribucin del trfico, B.

(%)100.00%

Proyeccin del trfico, r. (%) 1.50%

Periodo de diseo, n. (Aos) 20

Factor camin ponderado, FC. 4.20

Que introducidos en la frmula de clculo de ejes equivalentes se obtiene:

N = 12856.963,07

Para un ndice de confiabilidad de 90%, teniendo en cuenta que se trata de una

va colectora urbana, se obtiene que Zr= -1,282; de modo que:


45/58

92

N = 100.05* Zrx 12856.963,07

N = 11092.728,83 11.09 E+06

12.2 Diseo de pavimento por medio del mtodo ASSHTO

El anlisis de los diseos propuestos por el consultor del proyecto se har

considerando el dimensionamiento por medio del mtodo de la ASSHTO,

diseando a partir de los datos del trnsito y CBR considerados por el consultor

del proyecto. Se consignan los datos en el programa y los que no son

suministrados son asumidos del mismo modo que para el dimensionamiento

calculado en el presente trabajo.

Figura 49. Clculo del Numero Estructural total

De este modo, con el SN = 4,99 calculado se procede a hallar el SN1, con mdulo

elstico de 28000 psi:


46/58

93

Figura 50. Clculo del Numero Estructural 1

Ahora se halla el valor del Nmero Estructural SN2 con mdulo elstico de la

subrasante de 15000 psi, tomada como la Sub-base Granular:

Figura 51. Clculo del Numero Estructural 2


47/58

94

Con estos valores, se halla el valor de los espesores de la estructura del

pavimento:

Calculo de SN1*:

SN1= 3.14

D1= SN 1/ a 1= 3.14 / 0.434 = 7.235 7.5 = D 1*

SN1* = D1*.a1= 3.255

Calculo de SN2*:

SN2= 3.89

D2= (SN 2- SN 1*) / (a2.m2) = (3.89 3.255) / (0.130 x 1.0)= 4.88 6.0 = D 2* (Se aproxima a 6.0 para cumplir con el

espesor mnimo establecido por la norma)

SN2* = D2*.a2.m2= 0.78

Calculo de SN3*:

SN3= SN = 5.69

D3= (SN 3- SN 2* - SN1*) / (a3.m3)

= (5.69 0.78 3.255) / (0.11 x 1.0) = 1.655 / 0.11

= 15.04 15.5 = D 3*

SN3* = D3*.a3.m3= 1.705

Cabe resaltar que los espesores D1*, D2* y D3*, cumplen con los mnimos

establecidos por la norma:


48/58

95

ESPESORES MNIMOS (en pulgadas)

No. de ejesequivalentes Concreto Base

(millones) asfltico granular

1,0 o TSD 4.0

0,05 - 0,15 2.0 4.0

0,15 - 0,50 2.5 4.0

0,50 - 2,00 3.0 6.0

2,00 - 7,00 3.5 6.0

> 7,00 4.0 6.0

Tabla 16. Espesores mnimos para las capas de pavimento

Verificando el SN* total, se tiene que:

SN* = SN1*+ SN2* + SN3* = 3.255 + 0.78 + 1.705 = 5.74 > 5.69 O.K.

Verificando el SN* total, se tiene que:

SN* = SN1*+ SN2* + SN3* = 2.821 + 0.78 + 1.43 = 5.031 > 4.99 O.K.


49/58

96


Carpeta Asfltica

(7.5")

Base Granular

(6.0")

Sub-base

Granular (15.5")

Figura 52. Estructura de pavimento verificada a partir de SN

Se propone reducir el espesor de la carpeta asfltica a su dimensin mnima de

4.0 y aumentar el espesor de la Base Granular a 15. El dimensionamiento sera

el siguiente:

Calculo de SN1*:

SN1* = D1*.a1= 4.0 x 0.434 = 1.736

Calculo de SN2*:

SN2* = D2*.a2.m2= 15 x 0.13 = 1.95

Calculo de SN3*:

SN3= SN = 5.69

D3= (SN 3- SN 2* - SN1*) / (a3.m3)

= (5.69 1.736 1.95) / (0.11 x 1.0) = 2.004 / 0.11

= 18.22 18.5 = D 3*

SN3* = D3*.a3.m3= 2.035

As, el nuevo nmero estructural ser:


50/58

97

SN* = SN1*+ SN2* + SN3* = 1.736 + 1.95 + 2.035 = 5.721 > 5.69 O.K.

Y la estructura de pavimento propuesta:


Carpeta Asfltica

(4.0")

Base Granular (15")

Sub-base Granular

(18.5")

Figura 53. Estructura de pavimento segn la ASSHTO para los datos del consultor del proyecto

La dimensin de la estructura completa del pavimento diseado es de 93.5 cm

contra la estructura planteada por el consultor de 77.5 cm.

En detalle se aprecia la diferencia en las siguientes dimensiones:


51/58

98

Dimensiones de las capas de pavimento

Estructuradiseada

Estructuraoriginal

Carpeta Asfltica 10 cm 7.5 cm

Base Granular 37.5 cm 25 cm

Sub-base

granular46 cm 45 cm

93.5 cm 77.5 cm

Tabla 17. Dimensiones de las estructuras de pavimento. La diseada y la propuesta por el consultor delproyecto.


52/58

99

13. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES

13.1 REFUERZO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO CONGEOTEXTIL

El diseo de una estructura de pavimento depende de varios factores que

afectarn la va durante su vida til, como son, entre otros, el trnsito, lascondiciones ambientales, las caractersticas del suelo de subrasante y de los

materiales que conforman la estructura del pavimento.

El geotextil de refuerzo permite incrementar la capacidad portante del sistema que

conforma la estructura de pavimento, lo que se puede traducir en una reduccin

del espesor de la capa granular, en un mejoramiento de las propiedades

mecnicas de los materiales que hacen parte de la capa granular o en un

incremento de la vida til de la va en estudio. De igual manera, al mejorar las

condiciones mecnicas de la estructura del pavimento se puede obtener un

aumento del trnsito de diseo, evaluado con la cantidad de ejes equivalentes que

van a pasar durante el periodo de operacin de la va. En general, los efectos de

la utilizacin de un geotextil de refuerzo sobre la capa de subrasante de una

estructura de pavimento son los siguientes:

Incremento de la capacidad portante del sistema

Reduccin de los espesores de las capas granulares

Mejoramiento de las propiedades mecnicas de los materiales que

conforman la estructura del pavimento.

Incremento de la vida til de la va.

Aumento de los ejes equivalentes de diseo de la va.


53/58

100

Para este caso, se puede utilizar para separar la estructura del pavimento de la

subrasante una capa de geotextil Tejido Tipo 2400 o similar para vas, con el fin de

cumplir la funcin de separacin entre los materiales naturales del suelo y las

capas granulares del pavimento.

13.2 ESTABILIZACIN DE SUELOS

En los casos donde exista alto contenido de arcillas saturadas en la subrasante es

recomendable hacer reposicin del suelo reemplazando estos materiales con Sub-

Base Granular no procesada con agregados que no sobrepasen las 4 de tamao,intercalando una capa de piedra fracturada en el fondo (Nivel de contacto con el

terreno natural).

En los casos donde el terreno sea demasiado blando puede suprimirse la capa de

sub-base granular y en vez de ella conformar un encamado de piedra fracturada

con un espesor que garantice la estabilidad del suelo.

13.3 DRENAJES

Es recomendable que los reemplazos que se ejecuten durante la construccin de

la estructura del pavimento estn complementados con filtros entre la zona verde y

la va que puedan canalizar el agua e impedir que ingresen a la estructura del

pavimento. Sin embargo, aunque no se realicen reemplazos se sugiere la

construccin de los filtros en las zonas donde la saturacin del suelo es alta.

Estos drenajes deben ser construidos desde el nivel de acabado de la capa de

base granular con una profundidad de 15 cm por debajo del nivel de la subrasante

o del nivel de reemplazo en los casos en que sean necesarios y un ancho de 0.5

cm. En el fondo se puede construir una cuneta donde descanse la tubera de

drenaje del filtro con el fin de darle estabilidad para cimentar el filtro y para mejorar

la capacidad del agua de fluir a travs de ste.


54/58

101

14. CONCLUSIONES

Para el anlisis del trnsito se tomaron datos de aforos para los das 18 19, 20 y

21 de noviembre del 2008. Estos datos fueron promediados y a partir de ah se

asumi un TPD como resultado del promedio de 4 das. Los das de aforo fueron

martes, mircoles, jueves y viernes respectivamente, cuyos volmenes de trnsitopueden ser relativamente altos con relacin al sbado, domingo y lunes. Esto

puede generar que los clculos arrojen un nmero de ejes equivalentes para los

10 aos de periodo de diseo un poco alto, que podra favorecer el

dimensionamiento en el sentido en que podra resultar seguro. Sin embargo, este

fenmeno puede ser contrarrestado por el ajuste realizado para un nivel de

confiabilidad del 90%.

Tomando como datos los suministrados por el consultor del proyecto para el

clculo de los ejes equivalentes se obtuvo un resultado de 11.09E+06, el cual

difieren de los calculados por l en 1.67E+06 cuyo valor es considerado muy

representativo. De esto se puede presumir que el diseador consider

correcciones para el clculo de ejes equivalente para un nivel de confiabilidad

determinado.

La estructura de pavimento arrojada por el mtodo AASHTO 93 para losparmetros adoptados en el presente proyecto, consta de una capa mnima de

asfalto, la cual coincide con el espesor mnimo establecido por el manual de la

ASSHTO para el trnsito establecido en las proyecciones realizadas en el captulo

7, la cual no implic que el nmero estructural total del pavimento fuera deficiente,

pero signific un aumento considerable de las capas granulares, que busca que la

inversin en las capas asflticas sea la mnima y aunque la inversin en las capas


55/58

102

granulares aumenta, la estructura completa del pavimento resulta ser ms

econmica que la inicialmente propuesta.

Durante el desarrollo del diseo segn el mtodo SHELL los parmetros para la

definicin del tipo de mezcla S1F1-50 son muy sensibles al trazado en las

grficas, sin embargo al efectuar el trazado en las grficas de las figuras 27 y 29 la

tendencia estuvo altamente marcada hacia el tipo S1F1. Del mismo modo sucedi

al determinar los espesores de las capas asflticas y granulares del pavimento,

pues no es preciso ubicar la lnea correspondiente al nmero de ejes equivalentes

de 6.3E+06.

Al realizar una evaluacin general de las 4 alternativas propuestas por medio del

mtodo SHELL para el diseo del pavimento con los parmetros asumidos en el

presente proyecto se determin que la alternativa 4 era la ms favorable

econmicamente, puesto que para la misma dimensin total del pavimento y la

carpeta asfltica de la alternativa 3, las capas granulares podan ser distribuidas

en subcapas de menor capacidad portante y de tal forma que funcionalmente

cumpliera con lo requerido para los ejes equivalentes establecidos. Esta fue la

razn por la cual fue elegida como la ms conveniente, sin embargo, pensando en

que la extensin y compactacin de capas tan delgadas podan representar una

operacin innecesaria se propuso una estructura ms sencilla de capas ms

gruesas que no requiriera la bsqueda de distintos materiales en el proceso de

ejecucin del proyecto. Por otro lado, la estructura puede garantizar ms

estabilidad en el contacto con la subrasante en las zonas donde el CBR sea ms

bajo. Esta nueva estructura propuesta, requiri un presupuesto un poco mayor alinicial (el de varias subcapas granulares), pero haciendo una evaluacin en todo el

proyecto, para 2800 m2la relacin costo / beneficio no es representativa.

Al realizar el diseo de la estructura por el mtodo de la AASHTO 93 bajo los

parmetros asumidos por el consultor, se nota claramente la diferencia con las

dimensiones de la estructura diseada por el mtodo del Instituto Norteamericano


56/58

103

del Asfalto. Las capas asflticas propuesta por la ASSHTO tiene dimensiones

mayores a la del Instituto del Asfalto y an as las capas granulares de sta ltima

son menores. Para poder tener la certeza de cual estructura es ms conveniente

para las condiciones del proyecto, es recomendable utilizar un programa que

evale el comportamiento de las deformaciones en la estructura.

Al hacer la confrontacin ente la estructura propuesta en el presente trabajo y la

aprobada por el municipio correspondiente a la propuesta por el consultor del

proyecto se puede notar que las dimensiones difieren significativamente, esto se

debe a que los parmetros del trnsito asumidos por el consultor son muy altoscon relacin a los asumidos en este proyecto, y por otro lado el CBR del consultor

correspondi al 3.0%, mientras que para este trabajo se asumi uno de 3.4%.

Las recomendaciones hechas para el proceso de construccin del pavimento

considera que las bondades de los subdrenes son slo de separacin entre los

materiales del suelo de la subrasante y las capas granulares del pavimento, que

mejorara un poco las condiciones constructivas. No quiere decir que se propone

para mejorar la capacidad portante del suelo.


57/58

104

15. BIBLIOGRAFA

LEDERMAN, Pablo. METODO DE DISEO DE LA SHELL, PAVIMENTOS

FLEXIBLES. Folleto.

A.I.M. ingenieros civiles. Informe de laboratorio IL-2006. Diseo de Mezcla

Asfltica Norma INVAS MDC-2 con asfalto 60-70 normalizado. Mtodo

Marshall.

Manual de diseo de Geo-sistemas de drenaje y sub-drenaje. PAVCO.

Arredondo Arango, Carlos Eduardo. Aristizabal, Alba Luz. Morales, Marcela.

ENFOQUE MECANSTICO DEL MTODO SHELL Y SU APLICACIN EN

LA REPBLICA DE COLOMBIA. AIM, 1989. 32P.

LEDERMAN S., PABLO. Asociacin de Ingenieros civiles Universidad

Nacional de Colombia. En: Diseo de pavimentos: Memorias (1991: SantaFe de Bogot) AICUN, 1991. P.1-45; P.V. 47088P.

SHELL PAVEMENT DESIGN MANUAL: ASPHALT PAVEMENT AND

OVERLAYS FOR ROAD TRAFFIC. SHELL INTERNATIONAL

PETROLEUM. LONDON, SHELL, 1978. 435P. 46620P.

VIECO, Bernardo. Estudio de suelos y pavimentos para SABANETA

(06122). Medelln septiembre 21 de 2006.

Manual de diseo ASSHTO 93. SANCHEZ SABOGAL, Fernando. Pavimentos. Tomos I y II.

MONTEJO FONSECA, Alfonso. Ingeniera de pavimentos para carreteras,

2002.

Municipio de Sabaneta, Antioquia. Secretara de Obras Pblicas. Estudio de

Suelos para proyecto Construccin de la carrera 46 entra calles 75 y 77

Sur, vas adyacentes y obras complementarias, municipio de Sabaneta.


58/58

105

Municipio de Sabaneta, secretara de trnsito. Aforos y estudios de trnsito

en Carrera 46 entre calles 75 y 77 sur, vas adyacentes y obras

complementarias, municipio de Sabaneta.

FERNNDEZ LOAIZA, Carlos. Mejoramiento y estabilizacin de suelos.

DE LILI, Flix. Curso sobre diseo racional de pavimentos flexibles.

Universidad del Cauca, 1991.

Documents

Diseño Del Pavimento-Método Shell