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TRABAJO FINAL Pavimentos

Profesor: Julián Vidal Estudiantes: Andrés Gómez R Juan Sebastián Bolaños R Wilson Alejandro Castañeda

Universidad EAFIT Escuela de ingeniería civil

Medellín, Antioquia 20 de noviembre de 2018

INTRODUCCIÓN:

Con la realización del siguiente informe, se desea realizar todos los cálculos y análisis para el diseño de una vía de dos carriles en dirección contraria, con una longitud de 20 Km y un ancho de banca de 9,5 m, de los cuales se tiene un metro de berma a lado y lado. Esta carretera tiene como objetivo unir las poblaciones de El Palomo a La Paloma en el departamento de Antioquia. El objetivo del informe es sustentar los cálculos y análisis tenidos en cuenta para la realización de un diseño de pavimento y evaluar las ventajas y desventajas a la hora de realizar un diseño de pavimento flexible, y un diseño de pavimento rígido, para que de esta manera se puede escoger la estructura más adecuada para este proyecto y para los casos particulares a tener en cuenta que plantea el docente Julián Vidal.

DISEÑO DE UNA VÍA CON PAVIMENTO RÍGIDO Y FLEXIBLE

1. CALCULO DE EJES EQUIVALENTES En el diseño de pavimentos tanto flexibles como rígidos es indispensables realizar un estudio de tránsito y estimar un numero de ejes equivalentes que equivale a la carga que estará sometida el pavimento en base a los vehículos que transitaran en ella, con este dato se realiza el diseño para obtener la resistencia de servicio de la estructura. Primero se obtiene el factor camión y los incremente de vehículos por cada año: (ver cálculos en el archivo adjunto Excel “Cálculos Final”)

Tabla 1. Factor Camión. Fuente: propia.

Tabla 2. TDP y tasa de incremento. Fuente: propia.

Luego se realiza el cálculo de ejes equivalentes por 5 métodos: 

Tasa de crecimiento promedio y factor de proyección: En este caso se optó por eliminar los datos de la tasa de crecimiento de los años 2009, 2013 y 2015 ya que correspondían a valores atípicos y se obtenía un coeficiente de variación poco confiable.

Tabla 3. Método 1 ejes equivalentes. Fuente: propia.



Tasa de crecimiento promedio y proyectando los valores:

Tabla 4. Método 2 ejes equivalentes. Fuente: propia.



Tasa de crecimiento promedio más la desviación estándar y factor de proyección:

Tabla 5. Método 3 ejes equivalentes. Fuente: propia.



Tasa de crecimiento promedio más la desviación estándar y proyectando los valores.

Tabla 6. Método 5 ejes equivalentes. Fuente: propia.

Regresión exponencial: Para este se realizan graficas con dos regresiones en donde se tiene en cuenta la proyección de ejes bajo comportamiento lineal y exponencial y se escoge el que mejor se adecue a la curva.

Grafica datos historicos (lineal) 1850 1800

y = 24.378x + 1463.5 R² = 0.9937

1750

TPD

1700 1650

Series1

1600

Linear (Series1)

1550

1500 1450

0

5

10

15

Rank Grafico 1. Regresión lineal. Fuente: propia.

Grafica datos historicos (EXP) 1850 1800

y = 1470.9e0.0148x R² = 0.997

1750 1700

TPD



1650

Series1

1600

Expon. (Series1)

1550

1500 1450

0

5

10

15

Rank Grafico 1. Regresión exponencial. Fuente: propia.

En este caso se escoge la regresión exponencial que es la que más se adecua a los puntos y se calcula la proyección de ejes equivalente:

Tabla 7. Método 5 ejes equivalentes. Fuente: propia.

Luego de hallar los ejes equivalentes por los diferentes métodos se escogió el valor medio y se obtuvo el coeficiente de variación para saber la confiabilidad de los datos.

Tabla 8. Valor medio ejes equivalentes. Fuente: propia.

NOTA: Se obtuvo un coeficiente de variación menor al 5% lo que significa que los datos tiene una buena confiabilidad.

2. CALCULO DE Mr DE DISEÑO Para el cálculo del módulo resiliente, primero se evalúa el estado del suelo natural y se identifica también el factor de expiación, esto evaluándolo con la norma INVIAS 156 del año 2013. (ver cálculos en el archivo adjunto Excel “Cálculos Final”)

Tabla 9. Análisis expansión y Mr para cada tramo. Fuente: propia.

Después de comparar los datos de expansión con los criterios de la norma, se rechazaron los tramos cuyas deformaciones son superiores a lo establecido por la norma y se halló el Mr de diseño de acuerdo al método del instituto del asfalto (percentiles).

Tabla 10. Datos método percentiles instituto del asfalto. Fuente: propia.

Grafico 3. Frecuencia acumulada en porcentaje vs Mr. Fuente: propia.

En el grafico 3, se puede identificar el percentil de 87,5 para un tránsito mayor a 10.000.000 en número de ejes equivalente. Y con esto se obtiene el valor final de módulo resiliente de diseño.

Tabla 11. Módulo resiliente de diseño. Fuente: propia.

3. CALCULO DE ESTRUCTURA DE PAVIMENTO FLEXIBLE La estimación de espesores de la estructura de pavimentos flexibles se estimó siguiendo las norma AASHTO, partiendo del logaritmo mostrado a continuación el cual nos permite hallar el numero estructural (SN):

A continuación se muestran los resultados y correcciones de espesores asumidas por el estudiante.

Tabla 12. Módulo resiliente estructura. Fuente: propia.

Tabla 12. Coeficiente de aporte estructural. Fuente: propia.

Tabla 13. Resultados sn. Fuente: propia.

Tabla 14. Espesores capa . Fuente: propia.

Tabla 15. Espesores finales de cada capa. Fuente: propia.

3.1 Chequeo de Esfuerzos y Deformaciones: Con ayuda del programa PITRA PAVE. Se conoció el comportamiento de la estructura diseñada en presencia de un eje equivalente obteniendo los siguientes resultados. (ver rchivo adjunto “Pavimento Flexible Final”)

Tabla 16. Chequeo de esfuerzos y deformaciones. Fuente: propia.

Ilustración 1,2,3. Cálculos PITRA PAVE. Fuente: propia.

Por último se ilustra la disipación de esfuerzo para la estructura de pavimento flexible diseñada:

Disipacion de esfuerzos S (MPa) 0.00E+001.00E+052.00E+053.00E+054.00E+055.00E+056.00E+05 0 10 20 Series1

Z (cm)

30 40

y = -0.0013x + 90.477 R² = 1

50 60 70 80 Grafico 4. Disipación de esfuerzos. Fuente: propia.

S=0 Linear (S=0)

4. DISEÑO ESTRUCTURA PAVIMENTO RÍGIDO La estimación del espesor de la estructura de pavimentos rigido se estimó siguiendo las norma AASHTO, partiendo del logaritmo mostrado a continuación el cual nos permite hallar el numero estructural ():

Obteniendo los siguientes resultados:

Ilustración 5. Resultados software calculo pavimentos rigidoz. Fuente: propia.

Donde el espesor de la capa de concreto da como resultado 28cm.

NOTA: Este espesor se considera elevado de acuerdo a la norma INVIAS y se decide trabajar con pavimento Flexible.

5. DISEÑO TERRAPLÉN Para este diseño se tuvo en cuenta las características del material indicado por el Docente Julián Vidal, en el cual se realizaría un lleno de altura de 4 metros entre la absisa k5+000 al k5+250 con un limo no plástico con algo de arena gruesa y fragmentos de roca con tamaño máximo de 50mm, cohesión d 0,5 t/m2, peso unitario 1,75 t/m3 y Angulo fi de fricción de 35°. Se tiene además en cuenta la carga ocasionada por cada estructura de pavimento (flexible y rígido) y la carga que genera el eje equivalente y que cumpla con el Angulo inclinación máximo que es 90-fi= 55° para no tener problemas por deslizamiento. (Ver archivo adjunto “ANALISIS TERRAPLEN PAVIMENTO ESCOGIDO”) 5.1 Diseño Terraplén Estructura Flexible:

Ilustración 5. Terraplen diseñado con cargas. Fuente: propia.

 

Angulo inclinación 38,65° cumpliendo al ser menor que 55°. Factor de seguridad= 2,55 cumpliendo con el dinámico que es de (1,1), estático (1,5 permanente y 1,2 temporal).

6. ESTABILIDAD DEL TALUD 6.1 Estabilidad Estado Natural: Para analizar el talud balcón se realiza un análisis entre las coordenadas (10,10) y (16,20) y también se analiza entre (31,20) y (36,27), con el método de bishop mediante el software SLIDE (ver archivo adjunto

“ANALISIS CON CARGA FINAL TALUD”). A continuación se ilustra el resultado en el software.

Ilustración 6. Análisis corte 1 estado natural. Fuente: propia.



Para este talud se tiene un factor de seguridad de 1,8, cumpliendo con el factor de seguridad dinámico (1,1), estático (temporal de 1,2 y permanente de 1,5).

Ilustración 7. Análisis corte 2 estado natural. Fuente: propia.



Para este talud se tiene un factor de seguridad de 1,8, cumpliendo con el factor de seguridad dinámico (1,1), estático (temporal de 1,2) per no el estático permanente (1,5).

6.2 Estabilidad Con cargas pavimento escogido (flexible): Para analizar el talud balcón se realiza un análisis entre las coordenadas (10,10) y (16,20) y también se analiza entre (31,20) y (36,27) teniendo en cuenta la carga ejercida por un eje equivalente por carril y la carga generada por la estructura de pavimento que considerada por la literatura es de 14,20 kn/m2 , con el método de bishop mediante el software SLIDE (ver archivo adjunto “ANALISIS SIN CARGA FINAL TALUD”). A continuación se ilustra el resultado en el software.

Ilustración 8. Análisis corte 1 estado cargado. Fuente: propia.



Para este talud se tiene un factor de seguridad de 1,8, cumpliendo con el factor de seguridad dinámico (1,1), estático (temporal de 1,2 y permanente de 1,5).

Ilustración 9. Análisis corte 2 estado cargado. Fuente: propia.



Para este talud se tiene un factor de seguridad de 1,8, cumpliendo con el factor de seguridad dinámico (1,1), estático (temporal de 1,2) per no el estático permanente (1,5).

7. RECOMENDACIONES 

El terraplén se diseñó tomando en cuenta que el Angulo máximo debe ser menor a 90-φ’, lo que es un límite de 55° sin embargo debido a las condiciones del segmento no había que llegar a estos extremos, se diseñó con una inclinación de 38.65° para así poder obtener disponibles 12 metros de ancho en la parte superior del terraplén donde ira ubicada la vía obteniendo un factor de seguridad de 2.548 teniendo en cuenta las cargas de la estructura de pavimento y de las cargas puntuales equivalentes garantizando buena seguridad en la vía.



Para el talud de los puntos (10,10) y (16,20) abscisa K7+350 a K7+550 no es necesario realizar trabajos de estabilización del suelo o de una estructura de contención puesto que el factor de seguridad es de 1.397=1.4 el suelo tiene la capacidad portante para soportar la estructura de pavimento y las cargas dinámicas que pasan por este tramo con seguridad. Esto teniendo en cuenta que no cumple con el valor de carga estática permanente.



El Módulo resiliente inicial de diseño calculado fue de 40 Mpa sin embargo algunos tramos de la vía no cumplen con este ni con el factor de expansión, por lo cual hay que realizar actividades de mejoramiento del suelo con actividades de compactación y adición de material granular de base o subbase.



Se escoge el diseño por estructura de pavimento flexible puesto que, la estructura de pavimento rigido tiene un espesor demasiado elevado que estaría dando mayor carga agregando capacidad de deslizamiento al talud en las absisas conocidas. la zona por ser de humedad elevada no permite un manejo favorable en cuanto al fraguado del concreto y por ultimo al tener espesores tan elevados se vuelve inviable económicamente el proyecto.

8. ILUSTRACIÓN DE LA CAPA ESCOGIDA Se escoge un pavimento flexible que cumple con las especificaciones nombradas en el capítulo 3 y se encuentra distribuido de la siguiente manera:

Ilustración 10. Capas pavimento escogido (cm)l. Fuente: propia.

9. BIBLIOGRAFÍA

INVIAS. (2013). Diseño d epavimentos rigidos (concreto hidraulico). INVIAS. (2013). diseño de pavimentos flexibles. NSR-10. (2010). TITULO H - estudios geotecnicos. Vidal, J. (1993). Diseño de pavimentos rigidos ASSHTO. Vidal, J. (1993). Diseño de pavimentos rigidos ASSHTO.