PROYECTO FINAL DE INGENIERIA DE TRANSITO
DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE
ORIENTADO POR : Ing. Henry Vilchez
ELABORADO POR: Br. Jeslyn Obregon Br. Marlon Arauz Br. Kenis Zelaya Br. Ivania Toruño
Marzo 19 del 2016
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INDICE. 1. Estudio De Trafico Vehicular .................................................................................................................... 4 1.2 Obtencion de Datos .................................................................................................................................. 4 Tablas de Aforo Vehicular .............................................................................................................................. 5 2. Expansion Vehicular .................................................................................................................................. 6 2.1 Procesamiento de Informacion ................................................................................................................ 8 3. Clasificacion Vehicular Promedio ........................................................................................................... 10 4. Tazas de Crecimiento............................................................................................................................... 10 4.1 Taza de Crecimiento del PIB ................................................................................................................. 10 4.2 Tasa de Crecimiento .............................................................................................................................. 11 4.3 Crecimiento del Trafico Desarrollado Según Datos de la Estacion 107 Sebaco – Emp. Sn Izidro ...... 11 4.4 Analisis de las Tasas de Crecimiento ..................................................................................................... 12 5 Proyeccion del Trafico .............................................................................................................................. 13 5.1 Factor de Crecimiento (FC) ................................................................................................................... 14 5.2 Periodo de Diseño .................................................................................................................................. 14 5.3 Factor Carril ........................................................................................................................................... 15 Tabla 14. Numero de Carriles ...................................................................................................................... 15 5.4 Factor de Distribucion............................................................................................................................ 15 6. Tráfico Proyectado y Ejes Equivalentes (ESAL) ..................................................................................... 15 Tabla 15. Trafico de Diseño.......................................................................................................................... 16 VI.ESTRUCTURA DE PAVIMENTO ....................................................................................................... 18 6.1 Índice de serviciabilidad inicial (po).................................................................................................... 19 6.2 Índice de serviciabilidad final (pt) ....................................................................................................... 19 6.3 Pérdida de serviciabilidad (∆PSI) ........................................................................................................ 20 6.4 Número estructural (SN) ...................................................................................................................... 20 7. Factor de equivalencia (FESAL)............................................................................................................ 21 7.1 Ejes equivalentes (ejes equivalentes o w18) ........................................................................................ 22 Tabla 17. Calculo de ejes equivalentes ........................................................................................................ 23 7.2 Confiabilidad ®ESAL o W18= 14705159.59........................................................................................ 24 7.3 Desvió estándar (S0) ............................................................................................................................. 25 7.4 Coeficiente de Drenaje (m) .................................................................................................................... 25 7.4.1Calculo de CBR de Diseño .................................................................................................................. 25 pág. 2
7.4.2 Capa Base ........................................................................................................................................... 29 7.4.3 Capa Sub base..................................................................................................................................... 30 8. Coeficientes del paquete estructural ........................................................................................................ 32 8.1 La carpeta de rodamiento (a1) ............................................................................................................... 32 8.2 La base (a2) ........................................................................................................................................... 32 Resumen de datos de diseño: ....................................................................................................................... 33 8.4 Cálculo de espesores con método de diseño AASHTO-93 .................................................................. 34 9. Espesores con WINPAS ......................................................................................................................... 35 10. ANEXOS .................................................................................................................................................. 39
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1. Estudio De Tráfico Vehicular
El estudio de tráfico vehicular tiene como objetivo principal el de llevar a cabo un conteo de vehículos, los cuales transitan por un determinado punto de control también llamado estación. Además de la recopilación de datos en campo, se utilizan tablas de volúmenes horarios, TPDA, factores de ajuste para cada tipo de vehículo en particular brindadas por el MTI con el fin de proyectar a n cantidad de años el tráfico diario, semanal, mensual y anual en esta sección de vía, para luego proceder a realizar nuestro diseño de vía tomando en cuenta que este tendrá una n cantidad de años de vida útil. Para el diseño de vía o carretera se tomara en cuenta los datos brindados tanto en el estudio de suelo realizado en el tramo de la vía así como el estudio de tráfico realizado. Debido a que se proyectan las vías para tener serviciabilidad a n cantidad de años es necesario obtener los datos antes mencionados. 1.2 Obtención de Datos Se realizaron conteos de volúmenes vehiculares en periodos de una hora para luego ser proyectada a periodos de 8 horas tomando en cuenta los diferentes tipos de vehículos según el tipo, según su peso y según el número de ejes de estos. En el caso de la proyección se tomaron datos del anuario del MTI del 2004 y 2011 de donde se obtuvo información tales como: volumen horario diario, factor día. Factor ajuste y el TPDA. Se determinaron los puntos sugeridos como puntos de control siendo estos: Enabas en el municipio de Estelí a una distancia no mayor de 8 metros de separación. El estudio vehicular fue realizado el día 30 de enero del 2016. Imagen 1. Punto de control vehicular
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Tablas de Aforo Vehicular
Tabla 1. Aforo Vehicular Sur- Norte
Fuente: Autoría Propia
Tabla 2. Aforo Vehicular
Fuente: Autoría Propia pág. 5
2. Expansión Vehicular Se expande los volúmenes vehiculares por hora utilizando los volúmenes horarios ya establecidos en nuestra estación más cercana, que en este caso es la estación 107 (Sebaco – Emp. San Izidro). Para conseguir la expansión de los volúmenes horarios, se realizan los siguientes procedimientos:
Se hace la sumatoria de los volúmenes horarios según su hora a proyectar. Dividir cada volumen horario entre la sumatoria de todos os volúmenes horarios para encontrar PI. Se divide volumen aforado en campo entre el PI encontrado para nuestra hora determinada y de esta manera se encuentra el volumen horario total propio.
Tabla 3. Estación 107
Fuente: MTI Anuario 2004
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Tabla 4. Volumen Horario HORA
VOLUMEN HORARIO
P.I
V.H
06:00 - 07:00 07:00 - 08:00 08:00 - 09:00 09:00 - 10:00 10:00 -11:00 11:00 - 12:00 12:00 - 01:00 01:00 - 02:00 02:00 - 03:00
156 188 233 222 226 82 250 352 336
7.63% 9.19% 11.39% 10.86% 11.05% 4.01% 12.22% 17.21% 16.43%
550 662 821 782 796 289 881 1240 1184
2045
100.00%
7206
∑= Fuente: Autoría Propia
Tabla 5. Expansión Norte – Sur
Vehiculos de Pasajeros Hora
Motos
Equipo Pesado
Vehículos de Carga
Camionet McBus<1 MnBus 15Liv. 2-5 Veh. Bus 30+ s. C2 5+ Ton C3 TxSx≤4e TxSx≥5e Cx-Rx≤4e Cx-Rx≥5e Veh. Agríc Otros TOTAL as 5 s. 30 s. Ton. Const 246 11 2 25 3 40 0 0 0 4 22 0 0 0 821
Autos
Jeep
179
261
28
PORCENTAJE
21.80%
31.79%
3.41%
29.96%
1.34%
0.24%
3.05%
0.37%
4.87%
0.00%
0.00%
0.00%
0.49%
2.68%
0.00%
0.00%
06:00 - 07:00 07:00 - 08:00 08:00 - 09:00 09:00 - 10:00 10:00 -11:00 11:00 - 12:00 12:00 - 01:00 01:00 - 02:00 02:00 - 03:00
120 144 179 170 174 63 192 270 258
175 210 261 249 253 92 280 394 376
19 23 28 27 27 10 30 42 40
165 198 246 234 239 87 264 372 355
7 9 11 10 11 4 12 17 16
1 2 2 2 2 1 2 3 3
17 20 25 24 24 9 27 38 36
2 2 3 3 3 1 3 5 4
27 32 40 38 39 14 43 60 58
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 4 0 0 0 0 0 0
0 0 22 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 22 0 0 0 0 0 0
Fuente: Autoría Propia pág. 7
0.00% 100.00%
0 0 0 0 0 0 0 0 0
533 641 843 757 771 280 853 1201 1147
Tabla 6. Expansión Sur – Norte Vehiculos de Pasajeros Hora
Motos
PORCENTAJE
06:00 - 07:00 07:00 - 08:00 08:00 - 09:00 09:00 - 10:00 10:00 -11:00 11:00 - 12:00 12:00 - 01:00 01:00 - 02:00 02:00 - 03:00
Vehículos de Carga
Camionet McBus<1 MnBus 15Liv. 2-5 Bus 30+ s. C2 5+ Ton as 30 s. Ton. 5 s.
C3
TxSx≤4e TxSx≥5e Cx-Rx≤4e C
Autos
Jeep
21.00%
31.00%
3.00%
32.00%
1.00%
1.00%
2.00%
0.00%
5.00%
0.00%
0.00%
0.00%
0.00%
106 133 145 146 146 53 159 226 213
157 196 215 216 216 78 235 334 314
15 19 24 21 21 8 23 32 30
162 203 220 223 223 81 243 344 324
5 6 7 7 7 3 8 11 10
5 6 4 7 7 3 8 11 10
10 13 14 14 14 5 15 22 20
0 0 1 0 0 0 0 0 0
25 32 34 35 35 13 38 54 51
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0
Fuente: Autoría Propia
2.1 Procesamiento de Información Para este procedimiento nos auxiliamos de la herramienta de cálculo Microsoft Excel para determinar los volúmenes horarios anuales (TPDA), haciendo uso de los factores de ajustes brindados por el MTI en el anuario 2011. Pero se requiere con anterioridad la sumatoria final de los volúmenes horarios expandidos en nuestro aforo. Tabla 7. Sentido Final de Aforo Vehicular ESTACIÓN: INDICAR UBICACIÓN KILOMETRICA DE PUNTO DE CONTEO
FECHA:
SENTIDO: FINAL
CONTADOR: Vehículos de Carga
Vehiculos de Pasajeros Hora
Motos
Autos Jeep Camionetas
06:00-07:00 226 332 07:00-08:00 277 407 08:00-09:00 324 476 09:00-10:00 317 464 10:00-11:00 320 469 11:00-12:00 116 170 12:00-13:00 351 515 13:00-14:00 496 728 14:00-15:00 471 690 Ʃ 2898 4251 Fuente: Autoría Propia pág. 8
34 42 52 48 48 17 53 75 71 439
327 401 466 457 461 168 507 716 679 4181
McBus MnBus Bus Liv. 2-5 C2 5+ C3 TxSx≤4e TxSx≥5e Cx-Rx≤4e Cx-Rx≥5e <15 s. 15-30 s. 30+ s. Ton. Ton 12 15 18 17 18 6 19 27 26 160
6 8 6 9 9 3 10 14 13 78
27 33 39 38 38 14 42 59 56 346
2 2 4 3 3 1 3 5 4 27
52 64 74 73 74 27 81 114 108 667
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0
Tabla 8. Factores de Ajuste
Fuente: MTI Anuario 2011 Tabla 9. Transito Promedio Diario Anual Aplicando Factores de Ajuste
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA RECINTO AUGUSTO C. SANDINO CONTEOS VOLUMETRICOS DE TRÁFICO ESTACIÓN: INDICAR UBICACIÓN KILOMETRICA DE PUNTO DE CONTEO
FECHA:
SENTIDO: FINAL
CONTADOR: Vehículos de Carga
Vehiculos de Pasajeros Hora
Motos
06:00-07:00 07:00-08:00 08:00-09:00 09:00-10:00 10:00-11:00 11:00-12:00 12:00-13:00 13:00-14:00 14:00-15:00 TRAFICO 8 HORAS FACTOR DIA FACTOR SEMANA FACTRO TEMPORADA TPDA = TD 12 H,* FD*FS*FT
226 277 324 317 320 116 351 496 471 2898 1.00 1.00 0.91 2638
Autos
Jeep
332 407 476 464 469 170 515 728 690 4251 1.00 1.00 1.01 4294
34 42 52 48 48 17 53 75 71 439 1.00 1.00 0.98 430
Fuente: Autoría Propia
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Camionet McBus<1 MnBus 15Liv. 2-5 Bus 30+ s. C2 5+ Ton as 30 s. Ton. 5 s. 327 12 6 27 2 52 401 15 8 33 2 64 466 18 6 39 4 74 457 17 9 38 3 73 461 18 9 38 3 74 168 6 3 14 1 27 507 19 10 42 3 81 716 27 14 59 5 114 679 26 13 56 4 108 4181 160 78 346 27 667 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.99 0.87 0.75 0.99 0.98 0.94 4139 139 58 343 27 627
C3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.00 1.00 0.91 0
Equipo Pesado
TxSx≤4e TxSx≥5e Cx-Rx≤4e Cx-Rx≥5e Veh. Agríc 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.00 1.00 0.93 0
0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1.00 1.00 1.01 1
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.00 1.00 1 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.00 1.00 1 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.00 1.00 0.79 0
Veh. Const 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.00 1.00 1 0
Otros 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.00 1.00 0.79 0
3. Clasificación Vehicular Promedio A partir de la clasificación vehicular realizada en situ se procede a conformar la composición vehicular del aforo, la cual está compuesta de la siguiente manera 93% por vehículos para pasajeros y 7% para vehículos de carga, a como se puede visualizar en el gráfico.
Grafico 1. Clasificación Vehicular
Clasificacion vehicular Vehiculos pasajeros
Vehiculos de carga
Equipos pesados
0% 7%
93%
Fuente: Autoría Propia
4. Tazas de Crecimiento 4.1 Taza de Crecimiento del PIB El producto interno bruto (PIB) es el concepto macroeconómico que cifra en dinero el valor de los servicios y productos que realiza una región durante el periodo de un año. Esto significa cuánto dinero es capaz de producir determinado país en un periodo de tiempo aunque normalmente se habla de su variación porcentual. Según datos del BCN las tazas de crecimiento del PIB han sido de bajas a moderadas a como se muestra en la siguiente tabla. pág. 10
Tabla 10. Taza de Crecimiento del PIB Nicaragua. Fuente: BCN CRECIMIENTO DEL PIB FECHA V/A 2014 4.70% 2013 4.50% 2012 5.10% 2011 6.20% 2010 3.20%
En un periodo de 5 años se observa una tasa de crecimiento positivo que va desde un 3.20% en el año 2010 hasta un 4.7% en el año 2014.
4.2 Tasa de Crecimiento Para la obtención de los datos de crecimiento poblacional recopilamos datos del censo poblacional realizado por el INIDE desde el 2005 y proyectado hasta el 2020. De acuerdo con esta información se dedujo la siguiente tabla de crecimiento poblacional por quinquenio. Tabla 11. Crecimiento Poblacional Estelí CRECIMIENTO POBLACIONAL INIDE FECHA POBLACION PORCENTAJE 2005 118761 `2010 121840 2.5% 2015 124317 2.0% 2020 126457 1.7% Ʃ 491375 2.07%
Fuente: INIDE
La tasa de crecimiento del INIDE según censo del 2005 la población actual del departamento de Estelí está en un rango del 2.0%, pero datos más actuales indican que la tasa de crecimiento poblacional de la ciudad del departamento de Estelí está por encima del 3.7%. 4.3 Crecimiento del Tráfico Desarrollado Según Datos de la Estación 107 Sebaco – Emp. Sn Izidro El crecimiento vehicular varía según el tipo de vehículo, esta determinación se logra a partir de los estudios vehiculares realizados con anterioridad en dicho tramo. Para el tramo en estudio (ENABAS) carretera panamericana se encontraron datos importantes a tomar en cuenta de la estación de mayor cobertura 107 Sebaco – Emp. Sn Izidro brindados por el Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI).
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Según datos registrados en el anuario 2011 para nuestro tramo trabajado con la estación de mayor cobertura 107 Sebaco – Emp. Sn Izidro se ha determinado un crecimiento del tráfico promedio diario anual (TPDA) en un periodo de 10 años de un 14.79% comprendido desde el año 2002 – 2010 para este tramo de carretera. En el periodo comprendido desde el 2002 -2005 el TPDA tuvo un incremento porcentual de 6% y para el periodo comprendido desde el 2006 – 2011 el TPDA varía desde 11.54% hasta un 4.05%. Tabla 12. Tasa de Crecimiento Vehicular Estación de Mayor Cobertura.
TASA DE CRECIMIENTO VEHICULAR AÑO TPDA TASA DE CRECIMIENTO 2002 3,272 2003 3,428 4.55% 2004 3,622 5.36% 2005 3,405 -6.37% 2006 3,849 11.54% 2007 3,853 0.10% 2008 4,092 5.84% 2009 4,101 0.22% 2010 4,334 5.38% 2011 4,517 4.05% TASA DE CRECIMIENTO VEHICULAR 2006 - 2011 14.79%
Fuente: Anuario del MTI 2011
4.4 Análisis de las Tasas de Crecimiento Nicaragua ha experimentado un crecimiento económico sostenido como resultado del buen manejo disciplinado de sus políticas fiscales, financieras, monetarias y cambiarias. La legislación y procedimientos administrativos relacionados a negocios han contribuido a un fuerte ingreso de inversión extranjera en los últimos años. Más aun, el excelente desempeño económico ha sido reconocido por el Fondo Monetario Internacional (FMI), a través de una serie de revisiones durante los últimos años. En la más reciente revisión en marzo del 2015 el FMI destaco que el reciente desempeño económico ha sido favorable; además enfatizo “El manejo prudente de las políticas macroeconómicas se convertirán en perspectivas favorables en el corto y mediano plazo”. Fuente: Pro Nicaragua pág. 12
Durante siglos, Estelí ha sido una zona campesina impulsada especialmente por la producción de tabaco. Pero la ciudad cercana a la frontera con Honduras y El Salvador vive actualmente un boom de inversiones. La construcción de nuevos hoteles, centro de convenciones, viviendas, restaurantes, zonas deportivas y la presencia de tiendas de electrodomésticos y franquicias nacionales e internacionales son factores que crearon el fuerte dinamismo económico que Nicaragua conoce desde hace cinco años. Por: Pierre-Marc Rene http://www.forbes.com.mx/nicaragua-el-milagro-de-una-economia-encrecimiento Después de realizado el análisis de las anteriores tablas de crecimiento, en este documento se procedió a trabajar con la tasa de crecimiento del producto interno bruto (PIB) para la determinación del factor de crecimiento, todo esto debido a que tanto en la tasa de crecimiento poblacional proporcionada por el INIDE y la tabla de promedio porcentual del TPDA cedida por el MTI se encontraron datos inconsistentes. Debido a que Estelí está siendo parte fundamental en el crecimiento de la economía nacional consideramos que el porcentaje 4.7% del PIB es una tasa de crecimiento estable dentro de la economía del país, pero de igual manera se sabe que está también sufre incrementos y decrementos. 5 Proyección del Tráfico Para convertir el volumen de tráfico obtenido de los conteos se usará un tránsito de Diseño (TD) que es un factor fundamental para el diseño estructural de pavimentos. Este se obtiene a partir de la información básica suministrada por el Tránsito Promedio Diario Anual (TPDA), el Factor de Crecimiento (FC), Factor de Distribución (FD) y Factor Carril (fc). Se calcula mediante la siguiente ecuación:
El objetivo principal es la cuantificación de los volúmenes de tráfico; normal, desarrollado y Total del proyecto, cuantificar el Tráfico Promedio Diario Anual (TPDA), para el año base y proyectarlo para la vida útil del Proyecto, a partir de las estadísticas del SIC (sistema internacional de conteo) del MTI. Cuantificar el Tráfico Total de la carretera y su composición. pág. 13
La determinación de los Volúmenes de Tráfico; a partir del año base (2016) y de inicio de operación de la vía (2016), hasta el año horizonte del proyecto (2036), es el principal objetivo de este estudio de tráfico.
5.1 Factor de Crecimiento (FC) Se obtiene el factor de crecimiento (Fc) del tránsito por medio de la siguiente fórmula:
Dónde: I = Tasa de Crecimiento n = Periodo de Diseño = 20 años 365 = Días del Año
FC = 5.2 Periodo de Diseño De acuerdo a la funcionalidad de la red vial básica del MTI, el tramo analizado es del tipo Autopista Regional, por conectar a los países centroamericanos entre sí , es alta importancia para el país, el periodo mínimo es de 20 años y el máximo de 50,
se consideró que la
construcción de la carretera se hará de manera integral para un periodo de diseño de 20 años.
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Tabla 13. Periodo Sugerido por la Guía AASHTO 1993
TIPO DE CARRETERA AUTOPISTA REGIONAL TRONCALES SUBURBANAS TRONCALES RURALES
PERIODO DE DISEÑO 20 - 40 AÑOS 15 - 30 AÑOS 15 - 30 AÑOS
COLECTORAS SUBURBANAS COLECTORAS RURALES
10 - 20 AÑOS 10- 20 AÑOS
Fuente: Manual Centroamericano Para el Diseño Geométrico de las Carreteras Regionales SIECA 2001
5.3 Factor Carril Se refiere al número de carriles por sentido para los cuales se está diseñando. El factor de carril que utilizaremos será de 100%, ya que estamos considerando que la carretera será diseñada para 2 carriles de circulación (1 por sentido). fc=1, ver tabla 14.
Tabla 14. Número de Carriles Numero de Carriles en una Sola Direccion 1 2 3 4
Factor LD ^11 1 0.80 - 1 0.60 - 0.80 0.50 - 0.75
5.4 Factor de Distribución Este factor se refiere a la distribución direccional del tránsito. Le asignaremos 50% del tráfico para cada sentido de la vía. Por lo tanto tomamos el valor de
6. Tráfico Proyectado y Ejes Equivalentes (ESAL) En la siguiente tabla se muestra la conversión de los ESAL y su proyección para 20 años. pág. 15
Tabla
15. Trafico Tráfico proyectado y ejes equivalentes
Vehiculos TPDA FD Autos 4,294 Jeep 430 Camionetas 4139 McBUS<15s 139 MnBus15-30s 58 Bus 30+s 343 Liv.2-5Ton 27 C2 5+ Ton 627 C3 0 TxSx≤4e 0 TxSx≥5e 1 Cx-Rx≤4e 0 Cx-Rx≥5e 0 Veh.Agric 0 Veh.Const 0 Otros 0 Total TD
fc 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
FC 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
de
Diseño TD
19,459 41778473 19,459 4183685 19,459 40270400.5 19,459 1352400.5 19,459 564311 19,459 3337218.5 19,459 262696.5 19,459 6100396.5 19,459 0 19,459 0 19,459 9729.5 19,459 0 19,459 0 19,459 0 19,459 0 19,459 0 97859311 Fuente:
Autoría Propia
En la tabla 15 se muestra el tráfico proyectado el cual corresponde a 97, 858,311 Vehículos/Día proyectados para el año 2036.
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CAPITULO VI ESTRUCTURA DE PAVIMENTOS
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ESTRUCTURA DE PAVIMENTO El método que se utilizó para realizar el diseño de la estructura de pavimento en este trabajo monográfico fue el de la A.A.S.H.T.O. 93, este método involucra los estudios abordados anteriormente.
En Nicaragua no existe método específico para el diseño de estructura de pavimento. Para el diseño de carpeta de rodamiento de adoquín, los métodos más usados son:
Método Directo
Murillo López De Souza
Método Argentino
Método Británico
AASHTO Por lo que el método de A.A.S.H.T.O es el más usado y cuenta con dos técnicas de diseño para estructuras de pavimento: rígido y flexible. Para el diseño propuesto a continuación se utilizó el método flexible tomando ciertas consideraciones: Suponer que el pavimento de adoquín trabaja como pavimento flexible, está basado en la forma cómo este asimila las cargas y las transmite a los demás miembros de la estructura de pavimento, trabajando de forma articulada y a la vez como una pequeña losa. En Nicaragua se utilizan 4 tipos de carpeta de rodamiento en la construcción de carreteras: macadam, asfáltica, de concreto y adoquinado. Debido a su fácil trabajabilidad y otras características se eligen adoquines de hormigón en este estudios (se excluye el macadam por tratarse de carretera urbana). En todo caso resulta una alternativa económica y de mantenimiento El método A.A.S.H.T.O, contempla la implementación de modelos matemáticos donde se ven involucradas variables que condicionan el desarrollo de estos.
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Luego de obtener las características y propiedades Físicas y Mecánicas de los Materiales (Sub-Rasante y Bancos) existente en todo el Proyecto por medio de los Ensayes de Laboratorio así como los datos del Estudio de Tránsito Vehicular calculado se procede a efectuar el Diseño de Pavimento siguiendo la metodología propuesta por la guía AASHTO-93.
6.1 Índice de serviciabilidad inicial (po) En función del diseño de pavimentos y del grado de calidad durante la construcción. El valor establecido en el Experimento Vial de la AASHTO para los pavimentos flexibles fue de 4,2.
En el Diseño de la Estructura de Pavimento Flexible de las calles del casco urbano de Esteli se trabajó con un valor de Po=4.2.
6.2 Índice de serviciabilidad final (pt) Es el valor más bajo que puede ser tolerado por los usuarios de la vía antes de que sea necesario el tomar acciones de rehabilitación, reconstrucción o repavimentación, y generalmente varía con la importancia o clasificación funcional de la vía cuyo pavimento se diseña, y son normalmente los siguientes: Para vías locales, ramales, secundarias y agrícolas se toma un valor de pt = 2.5 – 3.0 En el Diseño de la Estructura de Pavimento Flexible para el tramo de vía de dicho estudio se trabajó con un valor: 2.5
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6.3 Pérdida de serviciabilidad (∆PSI) Es la diferencia que existe entre la serviciabilidad inicial y la serviciabilidad final. Entre mayor sea el ΔPSI mayor será la capacidad de carga del pavimento antes de fallar, calculado con la siguiente ecuación:
En el Diseño de la Estructura de Pavimento Flexible de las calles en estudio se trabajó con un valor de: =
6.4 Número estructural (SN) Para el cálculo de SN se utilizó el Software Ecuación de A.A.S.H.T.O.93 obteniendo un valor SN de: 4.95.
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Ilustración 1. Caculo del SN por AASHTO.93
7. Factor de equivalencia (FESAL) Se obtiene las tablas de la AASHTO-93 apéndice D (Tabla 27 a Tabla 28 D-4 a D-5 adjuntas en Anexos del Capítulo 4), para ejes Sencillos, Dobles. Conociendo la serviciabilidad final (Pt=2.5), el número estructural asumido (SN=5) y los pesos (las cargas se encuentran en Kips) se obtienen los factores de equivalencia (FESAL ver tabla en anexos). Si los pesos de los ejes no se encuentran en estas Tablas se deben de Interpolar dichos valores.
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7.1 Ejes equivalentes (ejes equivalentes o w18) Este se obtiene conociendo el Transito de Diseño (TD) y los factores de equivalencia
(ESAL). Se calcula mediante la siguiente expresión:
ESAL ó W18= TD*FESAL
Tabla 16. Calculo de interpolación FESAL
El Tráfico pesado es el que mayor daño produce a la estructura de pavimento por lo que deberá de estimarse con la mayor precisión posible.
En base a los datos anteriormente definidos se procedió a la determinación de los Ejes equivalentes (ESAL) para cada eje y tipo de vehículos.
Para 2.2 kips de un eje sencillo mediante tabla D1-D2 de AASHTO-93 con SN=5
ESAL o W18= *0.00038=
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Tabla 17. Calculo de ejes equivalentes
Para el diseño de la vía analizada se obtuvo un valor de:
Tipo de Vehiculo
Autos
Peso por Eje (Kip) 2.2 2.2 2.2
Tipo de Eje SIMPLE SIMPLE SIMPLE
Factor ESALs 0.00038 0.00038 0.00038
2.2
SIMPLE
0.00038
2.2
SIMPLE
0.00038
4.4
SIMPLE
0.0036
4.4
SIMPLE
0.0036
Jeep
Camionetas
Mc bus < 15 a
Mn bus 15 - 30 s
Bus 30+s
Liv. 2 - 5 t.
C2 5+t.
C3 Tx-Sx <=4 e.
Tx-Sx >=5 e. pág. 23
Tránsito de Diseño 41778,473.0 4183,685.00
ESALs de Diseño 15875.81974 15875.81974 1589.8003 1,590 15,303
40270,400.50 144,973 4,869 1352,400.50 6.6
SIMPLE
0.0172
6.6
SIMPLE
0.0172
23,261 9,706 564,311.00
11
SIMPLE
0.1385
78,157
9.9
SIMPLE
0.0853
284,665
11
SIMPLE
0.0172
9.9
SIMPLE
0.0853
3337,218.50 57,400 22,408 262,696.50 12.1
SIMPLE
0.19755
11
SIMPLE
0.0172
51,896 104,927 6100,396.50
22 11 36.3 11 35.2 19.8
SIMPLE SIMPLE DOBLE SIMPLE DOBLE SIMPLE
2.27 0.0172 1.428 0.0172 1.264 1.459
11
SIMPLE
0.0172
-
9,730
13847,900 167
Cx-Rx <=4 e.
Cx-Rx >=5 e.
Veh.Agric Veh.Const OTROS
35.2
DOBLE
1.264
35.2 9.9 19.8 14.3 14.3 11 35.2 14.3 14.3 9.9 9.9 9.9 9.9 9.9 9.9
DOBLE SIMPLE SIMPLE SIMPLE SIMPLE SIMPLE DOBLE SIMPLE SIMPLE SIMPLE SIMPLE SIMPLE SIMPLE SIMPLE SIMPLE TOTAL
1.264 0.0853 1.459 0.39945 0.39945 0.0172 1.264 0.39945 0.39945 0.0853 0.0853 0.0853 0.0853 0.0853 0.0853
12,298
-
-
-
12,298 14705159.59
ESAL o W18= 14705159.59 7.2 Confiabilidad ® Es como un Factor de Seguridad y ante esa situación debemos reflexionar en los valores de confiabilidad que debemos utilizar, empleando los mejores criterios, al hacer un diseño para un pavimento. Tabla 18. Porcentajes de Confiabilidad (R)
TIPO DE CAMINO RUTAS INTERESTATALES Y AUTOPISTAS ARTERIAS PRINCIPALES COLECTORAS LOCALES Fuente: AASHTO-93
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CONFIABILIDAD RECOMENDADA ZONA URBANA ZONA RURAL 85 - 99.9 80 -99 80 - 95 50 -80
80 - 99.9 75 - 99 75 - 95 50 - 80
Se utilizara un valor que está dentro del rango de confiabilidad de ramales del 90% 7.3 Desvió estándar (S0) Es un valor estadístico, la AASHTO 93 recomienda para pavimentos flexibles un valor mínimo de 0.40 y un máximo de 0.50, en este caso se considera el valor de 0.45, debido a que es un pavimento flexible. 7.4 Coeficiente de Drenaje (m) El drenaje, es un factor determinante en el comportamiento de la estructura del pavimento a lo largo de su vida útil y por lo tanto lo es también en el diseño del mismo seleccionado por el tipo de suelo encontrado que son buenos para el drenaje. Tabla 19. Capacidad del Drenaje del Suelo CAPACIDAD DEL DRENAJE PARA REMOVER LA HUMEDAD CALIDAD DEL DRENAJE
AGUA REMOVIDA EN: 50% DE SATURACION 85% DE SATURACION 2 HORAS 2 HORAS 1 DIA 2 - 5 HORAS 1 SEMANA 5 - 10 HORAS 1 MES 10 - 15 HORAS NO DRENA MAYOR A 15 HORAS
EXCELENTE BUENO REGULAR POBRE MALO
P = % DEL TIEMPO QUE EL PAVIMENTO ESTA EXPUESTO A NIVELES DE HUMEDAD CALIDAD DEL DRENAJE EXCELENTE BUENO REGULAR
< 1% 1.40 - 1.35 1.35 - 1.25 1.25 - 1.15
1% - 5% 1.35 - 1.30 1.25 - 1.15 1.15 - 1.05
5% - 25% 1.30 - 120 1.15 - 1.00 1.00 - 0.80
>25% 1.2 1 0.8
Fuente: AASHTO 93 7.4.1Calculo de CBR de Diseño
Para determinar cuenta la longitud obtenidos difieran imprecisiones
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el CBR de Diseño, se hizo necesario realizar varias pruebas, teniendo en del tramo. Todas estas pruebas como es de esperarse que los resultados entre ellos a causa de las variaciones naturales del suelo y las que pueden cometerse al efectuar los ensayos.
El valor a tomar de los materiales existentes debe ser representativo en el tramo del camino a considerar en el diseño del pavimento por los que existen muchos criterios para seleccionar el CBR adecuado, siendo el más utilizado el del instituto del asfalto que recomienda tomar un valor tal que el 60%,75% o el 87.5% de los valores individuales que sean mayores o iguales que él, de acuerdo con el tránsito que se espera circule por el pavimento, tal como se indica en la tabla siguiente:
Tabla 20. Límite para selección de CBR de Diseño
Nivel de Transito < >
Valor porcentil para diseño de subrasante(%) 60 75 87.5
Fuente: ASHTO 93
Para el caso de nuestra investigación el valor de percentil de diseño será del 87.5% por tener un ESAL's de
De la Línea de Sondeo se tienen las muestras de suelos para cada muestra recogida posteriormente se llevan a laboratorio y se determina los valores de CBR para cada una. Algunas de las muestra tienen un mismo valor de CBR debido a las características similares de los suelos, a esto se le llama frecuencia.
Luego de ordenar los valores de CBR de menor a mayor junto con sus respectivas frecuencia
Se determina el número y el porcentaje de valores iguales o mayores de cada uno.
Con los % de valores CBR Mayores o Iguales y los Valores CBR obtenidos de laboratorio, se gráfica dichos datos en papel milimetrado, resultando una curva extensa.
Aplicar recomendación del Instituto del Asfalto de USA, en nuestro caso el percentil del 75% del CBR será el CBR de diseño de la Capa Subrasante. pág. 26
Y por último introducir dicho porcentaje en la gráfica y leer el valor de CBR de diseño.
Tabla 21. Selección del CBR de DiseÑO
Valor CBR Obtenido
9 11 12 16 17 24 30 33 50 55
Frecuencia
2 3 2 1 1 1 1 1 1 1 14
Numero de Numero deValores Valores Mayores o Iguales Mayores o Iguales
% de Valores de CBR Mayores o Iguales
14 12 9 7 6 5 4 3 2 1
Con los valores CBR y % de valores se dibuja un gráfico donde se determina el CBR de diseño.
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100 86 64 50 43 36 29 21 14 7
Ilustración 2. Selección del CBR de diseño
En el diseño de espesores de una estructura de pavimento flexible, el método del instituto del asfalto, considera como parámetro fundamental la evaluación de los materiales para obtener el módulo de resiliencia (MR).
Como no es fácil tener el equipo para llevar a cabo este tipo de pruebas, se han establecidos factores de correlación entre el módulo de resiliencia (MR) y la prueba del CBR (AASHTO T193). Los valores obtenidos son bastante aproximados. Para calcular el módulo de resilencia a partir del CBR se han desarrollado las siguientes formulas empíricas: MR = 1500 x CBR para CBR < 7.2%
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MR = 3000 x CBR0.65 para CBR de 7.2% a 20% MR = 4326 x lnCBR + 241 para suelos granulares
Por lo tanto para nuestro caso haremos uso de la formula; MR = 3000 x CBR0.65 = 3000(11)0.65 = 14,257 psi
7.4.2 Capa Base Para la base se empleará material del Banco denominado “La Peñona” ubicado a 1.5 km, partiendo del ensaye CBR de este material resulto con un CBR=74%, por lo que el Módulo de Resilencia y coeficiente estructural es obtenido a través del gráfico: variación de a2 para bases granulares
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Ilustración 3. Coeficiente estructural a2, para pavimentos flexibles
Fuente: A.A.S.H.T.O 93
7.4.3 Capa Sub base Para la conformación de la sub base se utilizó un segundo banco de materiales denominado “La pinta mico”, el cual está ubicado a 3 km. partiendo del ensaye CBR de este material resulto con un CBR=43%, por lo que el Módulo de Resilencia y coeficiente estructural es obtenido a través del gráfico: variación de a3 para bases granulares; a3: 0.121
MR: 14,257
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Ilustración 4. Coeficiente estructural a3, para pavimentos flexibles
Fuente:
pág. 31
A.A.S.H.T.93
8. Coeficientes del paquete estructural Además del coeficiente de drenaje, existen otros factores estructurales que involucran las características y propiedades de los diferentes materiales que formarán parte del paquete estructural. Estos, están representados con la siguiente simbología:
8.1 La carpeta de rodamiento (a1) En el caso de a1 es el coeficiente de capa de la carpeta en nuestro caso el adoquín, para ello la AASHTO 93 recomienda usar un coeficiente de 0.45 partiendo que el módulo elástico del adoquín es de 450,000 PSI
8.2 La base (a2) a2: 0.1320 (ver acápite 5.1.10.1)
8.3 La sub-base
a3: 0.121 (ver acápite 5.1.10.2)
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Resumen de datos de diseño:
Índice de Confianza (%): 99,9
Índice de Servicio Inicial: 4.2
Índice de Servicio Final: 2.5
Índice de Servicio de Diseño: 1.7
Desviación Estándar, So: 0.45
CBR de Subrasante (%): 11.0
Módulo de Resiliencia, Mr.: 14,257 psi
Período de Diseño (Años): 20
9) Número de Ejes Equivalentes: 14705159.59
10) Número estructural: 4.95 11) Zr Para un nivel determinado de confiabilidad, por ejemplo R = 99%, el valor de ZR puede ser obtenido de las curvas de distribución normal (Curvas de Gauss), y corresponde al área en el sector que va desde (- ∞) hasta (100-R / 100). En una curva de Gauss se tiene que para R = 99%, el valor de ZR = (-2.327)
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8.4 Cálculo de espesores con método de diseño AASHTO-93
Variables = 4.95 Numero de Ejes Equivalentes = 14705159.59 Módulo de Resilencia = 14,257 ZR = - 2 .327 Índice de Servicio de Diseño (∆PSI) = 2.2
Para determinar que el valor SN asumido es correcto se hace una igualación del logaritm010 del ESAL de Diseño con la Ecuación AASHTO 93 donde se obtiene que:
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9. Espesores con WINPAS La verificación o comprobación de resultados fue posible mediante el uso del Software WINPAS desarrollado por la American Concrete Pavement Asociation (ACPA) para la evaluación y diseño de pavimento rígido y flexible. A continuación se presenta el procedimiento de introducción de datos al programa WINPAS a fin de validar los espesores calculados anteriormente. Ilustración 5. Software WINPAS
Fuente: AASHTO 93
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Ilustracion 6
Fuente: AASHTO 93
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Ilustracion 7
Fuente: AASHTO 93
Fuente 8. Calculo del Numero Estructural del Asfalto
Fuente: WINPAS
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Dados los resultados obtenidos en el software WINPAS se deduce que estructuralmente el pavimento propuesto requiere de una capa de su-base de 15 pulgadas debido a que la surasante posee una capacidad de soporte por debajo de los 4.95 de Numero Estructural requeridos en el estudio de suelo. Tabla 22. Diseño de Pavimento CAPA ESPESOR plg SN TOTAL ADOQ. + C. ARENA 8" 5.58 SUB-BASE 15" NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO = 4.95 Fuente: WINPAS
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10. ANEXOS Libro de Diseño de Pavimentos AASHTO 93. Manual de Pavimentos (SIECA). Anuarios del MTI 2005 – 2011. Instituto Nacional de Información de Desarrollo (Censo 2005). Banco Central de Nicaragua (BCN).
pág. 39
