CAPITULO 1 - INTRODUCCION
1.1 ANTECDENTES Y EVOLUCION DE LOS PAVIMENTOS DE CONCRETO
“Las crecientes necesidades de desarrollo, la búsqueda de soluciones perdurables y la demanda de contar más y mejores caminos han contribuido para lograr que en la modernización y ampliación de la red carretera de México se esté especificando el uso de pavimentos del concreto hidráulico bajo estándares internacionales de calidad.”
a).- ANTECEDENTES
La extensión territorial de México cuenta con una gran diversidad de climas, tipos de suelos, zonas ambientales y etnias, su heterogeneidad nos ha ido marcando el camino del desarrollo y crecimiento, de alguna manera esta diversidad ha influido en la conformación de nuestra infraestructura carretera.
En México tenemos aproximadamente 95,000 km de caminos pavimentados cuyas condiciones de servicio no son las óptimas, de hecho la mayoría de ellos esta catalogado por las propias autoridades como pavimentos en regulares y malas condiciones. Una razón importante del bajo nivel de servicio es debido a que estas carreteras se proyectaron, diseñaron y construyeron en su mayoría entre los años de 1925 a 1970. La red estuvo proyectada para soportar cargas vehiculares que varían entre las 6 y 8 toneladas y en la actualidad llega a tener camiones cargados los cuales en algunos casos alcanzan a pesar hasta 60 toneladas. Además de no considerar el aumento en los pesos de los vehículos, no se consideró tampoco el crecimiento del tránsito de camiones pesados en la red, ya que se considero en el diseño el tráfico diario que anteriormente se tenía y que variaba entre los 500 y 1,000 vehículos, sin embargo en la actualidad se tienen valores significativamente mayores de hasta 15,000 vehículos.
Antes del año de 1993 la especificación y construcción de pavimentos de concreto hidráulico en México fue relativamente escasa. Se considera que esto se debió principalmente a que nuestro país es un importante productor de petróleo y por consiguiente de asfalto y como anteriormente existía un subsidio importante en el precio del asfalto, los pavimentos asfálticos en nuestro país resultaban en costo muy inferiores a los del concreto hidráulico. Adicionalmente existía una gran desinformación y desconocimiento sobre el diseño y construcción con nuevas tecnologías de los pavimentos de concreto hidráulico. Otro factor importante es que cuando se diseñaron los caminos de México para el tránsito que se pensaba tenían que soportar, los pavimentos de asfalto parecían ser una alternativa suficiente.
Ante la preocupación acerca del deterioro de las carreteras en la red y considerando los puntos anteriormente planteados la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) se dio a la tarea de buscar soluciones alternativas a tal situación que pudieran soportar adecuadamente las cargas y el volumen de tráfico pesado buscando que los niveles de servicio permanecieran en buen nivel durante períodos mayores. Tales exigencias orientaron a la SCT a la solución con pavimentos de concreto hidráulico, que representaban un costo razonable, con una capacidad estructural adecuada tanto para el volumen de tránsito como para la intensidad del mismo y un período de vida costeable de acuerdo a la magnitud de la inversión.
b).- TECNOLOGIA
Para satisfacer la demanda de diseñar, especificar y construir los pavimentos de concreto hidráulico con las mejores tecnologías a nivel mundial y con altos estándares en sus especificaciones, tubo que llevarse a cabo un programa de capacitación intensivo y avanzado para los técnicos e ingenieros especificadores, esto se logró con el apoyo de la iniciativa privada mexicana interesada en el desarrollo de la infraestructura del país con base en este tipo de pavimentos. Este tipo de capacitaciones se ha seguido desarrollando tanto en México como en el extranjero.
Se realizó una revisión exhaustiva sobre los tipos de maquinaria que estaban disponibles en el mercado internacional para realizar estas tareas, tanto plantas de mezclado central para la elaboración del concreto con la calidad y en las cantidades necesarias para lograr altos rendimientos en la pavimentación, así como pavimentadoras de cimbra deslizante con las características necesarias para lograr altos niveles de servicio, seguridad y confort. Se analizaron también las ventajas y desventajas de unas marcas de equipos con respecto a otras, la experiencia de las empresas dedicadas a la fabricación de estos equipos, la facilidad con la que dichas empresas podrían ofrecer los servicios de capacitación, refacciones y mantenimiento para dichos equipos, e incluso la posibilidad de desarrollar representantes locales de dichas empresas para dar servicio en México. De igual forma se trabajo en lo referente a equipos para dar el texturizado final al pavimento de concreto, las maquinas cortadoras para conformar los tableros de losas, los diferentes tipos de discos para estos cortes, y algunos otros equipos de medición de las características físicas de los pavimentos.
Terminados los análisis anteriores se importaron los equipos seleccionados a nuestro país y se dio inicio propiamente al desarrollo de este tipo de soluciones.
Figura 1.1 – 1 Introducción – Tecnología – Pavimentadora de Cimbra Deslizante
c).- EVOLUCION
Ante la globalización se hicieron más imperantes las necesidades de contar con una infraestructura que permita el desarrollo de la actividad económica y social del país.
En el año de 1993 la SCT con el apoyo de Cementos Mexicanos construyó la primera carretera de concreto hidráulico con el uso de especificaciones internacionales y las nuevas tecnologías de pavimentación, siguiendo estrictas normas de calidad tanto en la producción como en el tendido del concreto y contemplando una serie de alternativas en las especificaciones que permitirían establecer posteriormente situaciones comparativas que permitirían establecer adecuadamente las características ideales en las especificaciones de los pavimentos de concreto hidráulico. Así en 1993 el libramiento Ticumán ya era una realidad en concreto hidráulico, con una longitud de 8.5km.
A partir de este proyecto y con los resultados programados que se fueron obteniendo del mismo, se continuo con la especificación y construcción de algunas otras carreteras de concreto hidráulico en el país, de tal forma que al final de 1994 ya se habían iniciado los trabajos en los tramos de las Autopistas Guadalajara – Tepic, Tuxpan – Tihuatlán y Tihuatlán – Poza Rica, así como el primer tramo de la Cárdenas – Agua Dulce.
A pesar de la crisis económica que sufrió el país, para el año de 1995 ya se estaban realizando los trabajos de algunas carreteras como: Yautepec - Jojutla, Atlapexco – Tianguistengo, Jiutepec – Zapata y un tramo de la Autopista Querétaro – San Luis Potosí.
Durante el año de 1996 se construyeron también de concreto los tramos: Entronque Aeropuerto de San Luis Potosí – Entronque Libramiento de San Luis Potosí, Libramiento de San Luis Potosí – El Huizache y el tramo Aeropuerto de Ixtapa – Zihuatanejo.
Para los años de 1997 y 1998 se especificaron y construyeron los siguientes tramos: Autopista Pirámides – Tulancingo, un segundo tramo de Ixtapa – Aeropuerto, el Libramiento Ruta Dos en Nuevo Laredo, la Autopista Cancún – Tulum, la Autopista Huizache – Matehuala, tres tramos de la Autopista Querétaro – Palmillas, el Libramiento Uman en el estado de Yucatán, el Libramiento Rincón de Romos en el estado de Aguascalientes, Boulevard Aeropuerto La Paz y el tramo de Chihuahua – Aldama. En este período se realizó una ampliación a la aeropista del aeropuerto de Mérida con la tecnología del concreto hidráulico.
Para 1999 se estuvieron realizando ó por iniciar los trabajos de construcción de los tramos de: la Autopista Rosario – Escuinapa en el estado de Sinaloa, Aeropuerto Vallarta – Río Ameca en Jalisco, Río Ameca - Cruz de Huanacaxtle en Nayarit, el segundo tramo de la Cárdenas – Agua Dulce en Tabasco, la carretera Yautepec – Oacalco, el tramo Poxila – Límite de Estados en Yucatán, Libramiento de Colima, Chajul – Flor de Café en el estado de Chiapas, Entronque Feliciano – Lázaro Cárdenas Michoacán, Acceso al Puerto Fronterizo Laredo puente Internacional III, Matehuala – San Roberto y San Roberto – Puerto México en el estado de Nuevo León, el acceso al puerto de Altamira (API), las laterales del Paseo Tollocán en Toluca Estado de México, los tramos de Huayacocotla y la Chinantla en Veracruz, el Libramiento Nororiente de Querétaro, así como la aeropista del aeropuerto de Kaua en el estado de Yucatán.
Figura 1.1 – 2 Introducción – Evolución – Autopista de Concreto Hidráulico
Como se ha descrito en la información presentada anteriormente el crecimiento y evolución de los pavimentos de concreto hidráulico ha aumentado de una manera que resulta muy favorable para el país, por las ventajas que los mismos representan, esto ha propiciado que la demanda de caminos de excelente calidad haya ido en aumento.
En la siguiente gráfica se muestra el comportamiento del consumo de concreto hidráulico para la construcción de carreteras.
18.3 293.4 243.9 543.8 1,192.2 908.4 1,496.3 -250.0 500.0 750.0 1,000.0 1,250.0 1,500.0 M iles d e m 3 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 Año
VOLUMEN DE CONCRETO EN CARRETERAS
Nota: el volumen de 1999 incluye tramos terminados, en ejecución y licitados. Figura 1.1 – 3 Introducción – Evolución – Volumen de Concreto en Carreteras
d).- VENTAJAS
Entre las principales ventajas de un pavimento de concreto hidráulico podemos enumerar las siguientes:
- Durabilidad
- Bajo Costo de Mantenimiento - Seguridad
- Altos Indices de Servicio
- Mejor Distribución de Esfuerzos bajo las Losas
1. Durabilidad
Una de las ventajas más significativas de los pavimentos de concreto hidráulico es la durabilidad del concreto, para lograr esta durabilidad es importante considerar además de la resistencia adecuada del concreto ante las solicitaciones mecánicas todos los agentes externos de exposición a los que estará sujeto el pavimento para elaborar la mezcla apropiada y definir las recomendaciones para la colocación del concreto hidráulico. Se deben de realizar los proporcionamientos de mezcla adecuados, con ciertas relaciones agua / cemento, utilizando aditivos que permitan una reducción de agua en la mezcla y que den la trabajabilidad adecuada al concreto aun con revenimientos bajos como los utilizados en autopistas.
Otro aspecto importante para lograr esta durabilidad tiene que ver con los materiales que forman la estructura de soporte, es importante conocer con detalle las características de los mismos y sus grados de compactación apoyados con los estudios de mecánica de suelos de la ruta.
Es importante que el diseñador cuente con la suficiente información para poder estimar de forma precisa el volumen de tráfico y las cargas vehiculares que estarán transitando por el pavimento con el objeto de realizar un diseño estructural adecuado para las cubrir adecuadamente la durabilidad del proyecto por efectos de fatiga.
2. Bajo Costo de Mantenimiento
Los pavimentos de concreto hidráulico se han caracterizado por requerir de un mínimo mantenimiento a lo largo de su vida útil. Esto es sin duda una de las ventajas mayores que ofrecen estas alternativas de pavimentación. La significativa reducción en los costos de mantenimiento de una vía permite que el concreto sea una opción muy económica. Esto normalmente se puede visualizar al realizar una análisis del costo ciclo de vida que puede ser comparado con algunas otras alternativas de pavimentación. El análisis del costo ciclo de vida es una herramienta que nos ayuda para soportar la toma de decisiones.
El mantenimiento que requieren los pavimentos rígidos es mínimo, sin embargo es muy importante que el mismo se provea en tiempo y forma adecuados para garantizar las propiedades del pavimento.
3. Seguridad
El concreto hidráulico colocado bajo las especificaciones y con los equipos mencionados anteriormente permite lograr una superficie de rodamiento con alto grado de planicidad y dada su rigidez esta superficie permanece plana durante toda su vida útil, evitando la formación de roderas las cuales disminuyen el área de contacto entre llanta y pavimento produciendo el efecto de acuaplaneo en los días de lluvia. Otro fenómeno que se evita con la utilización del concreto hidráulico es la formación de severas deformaciones en las zonas de arranque y de frenado que hacen a los pavimentos ser mas inseguros y maltratan fuertemente los vehículos.
Por el color claro del pavimento de concreto hidráulico se tiene una mejor visibilidad en caso de transitar de noche o en la oscuridad de días nublados.
4. Altos Indices de Servicio
Los pavimentos de concreto hidráulico permiten ser construidos con altos índices de servicio, como se menciona en el punto anterior se puede lograr un alto grado de planicidad o un índice de perfil muy bueno, adicionalmente siguiendo las recomendaciones de construcción adecuadas se puede proveer al pavimento de una superficie altamente antiderrapante.
La utilización de pasajuntas permite mantener estos índices de servicio, evitando la presencia de escalonamientos en las losas sobretodo en tramos donde el tráfico es significativamente pesado.
5. Mejor Distribución de Esfuerzos bajo las Losas
Dada la rigidez de la losa los esfuerzos que se transmiten a las capas inferiores del pavimento se distribuyen de una manera prácticamente uniforme, cosa contraria a lo que sucede con los pavimentos flexibles en donde las cargas vehiculares concentran un gran porcentaje de su esfuerzo exactamente debajo del punto de aplicación de la carga y que se van disminuyendo conforme se alejan de la misma. La distribución uniforme de las cargas permite que los esfuerzos máximos que se transmiten al cuerpo de soporte sean significativamente menores en magnitud, lo que permite una mejor condición y menor deterioro de los suelos de soporte.
e).- TRABAJO CONTINUO
Poco a poco se ha ido logrando tener una mayor experiencia en el diseño, especificación y construcción de pavimentos de concreto hidráulico en México, estas experiencias han ido mostrando las ventajas de este tipo de soluciones, de tal modo que cada vez son mas las entidades gubernamentales responsables de la construcción, mantenimiento y operación de las vías que están interesadas en proveer a sus caminos de las características de un pavimento de concreto hidráulico lo que les significa ahorros sustanciales en mantenimiento, mejores niveles de servicio del camino, mayor vida útil y consecuentemente economía de los recursos.
Podemos afirmar que la alternativa de pavimentación con concreto hidráulico es una realidad en nuestro país y el siguiente paso, en el que estamos trabajando a pesar de que son mínimas las necesidades, es el de dar a conocer a los especificadores y constructores los métodos de rehabilitación, reparación y mantenimiento que se deben de seguir en los pavimentos rígidos para aprovechar de mejor forma todas sus ventajas.
1.2 MARCO DE REFERENCIA
“El desarrollo de los pavimentos de Concreto Hidráulico se ha incrementado notablemente en Latinoamérica en la década de los 90’s, gracias a las ventajas que ofrecen para el desarrollo económico de los países del tercer mundo”
En muchos países del mundo se han utilizado por muchos años los pavimentos de concreto hidráulico tanto para proyectos carreteros como para vías de comunicación urbanas, tal es el caso de Estados Unidos, Canadá, Alemania, España, Francia, Italia, Bulgaria, Etc. De diferentes formas estos países han contribuido para que los métodos de diseño se hayan ido perfeccionando en base a los estudios realizados en el tiempo, así mismo se ha evolucionado en las técnicas de construcción y de evaluación de los pavimentos de concreto hidráulico.
Todas las experiencias recopiladas durante más de 50 años han servido de base para la tecnología actual de pavimentos y obviamente se sigue experimentando e investigando para mejorar y perfeccionar las técnicas actuales.
b).- CASO DE LATINOAMERICA
En los países de América Latina se han utilizado los pavimentos de concreto principalmente para vialidades urbanas, sin embargo las tecnologías de diseño y construcción utilizadas normalmente no habían sido las más actualizadas. El país de Latinoamérica que más pronto inició su incursión en las nuevas tecnologías de pavimentación fue Panamá esto en consecuencia de la fuerte influencia tecnológica que tuvieron de los Estados Unidos por su presencia en el Canal. Posteriormente algunos otros países empezaron a utilizar estas tecnologías tanto en especificaciones como en procedimientos constructivos, sin embargo el desarrollo más importante se ha dado durante la última década, la de los noventas.
Países como: Brasil, Chile, México, Argentina, han empezado a utilizar ampliamente estas nuevas tecnologías en el desarrollo de sus Carreteras, Autopistas y Vialidades Urbanas. En menor escala pero con una fuerte tendencia de crecimiento lo están haciendo países como Venezuela, Colombia, Uruguay, Guatemala, El Salvador y Bolivia, sin embargo está tendencia parece estar ampliándose a todos los países de América Latina.
En las gráficas siguientes podemos observar de manera aproximada el porcentaje de la red carretera pavimentada de estos países que ya cuenta con concreto hidráulico como superficie de rodamiento, así como el número de kilómetros construidos por país con estas nuevas tecnologías en Carreteras y Autopistas.
Como puede observarse, el crecimiento es importante y el potencial de desarrollo es aún mayor.
234 1, 275 19 3, 045 3, 600 2, 450 94 2, 468 27 250 251 -500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 3,500 4,000 Km en Concreto Colombia Argentina El Salvador Chile Brasil México Bolivia * Panamá * Guatemala * Venezuela Uruguay * Datos aproximados Fuente: 2do Foro Interamericano de Pavimentos de Concreto, Brasil
agosto de 1999.
Figura 1.2 – 1 Introducción – Marco de Referencia – Km de Concreto en Carreteras
1. 5% 1. 3% 0. 9% 21. 0% 2. 3% 2. 4% 0. 5% 23. 5% 0. 1% 0. 3% 2. 9% 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% 20.0% 25.0% Colombia Argentina El Salvador Chile Brasil México Bolivia * Panamá * Guatemala * Venezuela Uruguay % de Red en Concreto * Datos aproximados Fuente: 2do Foro Interamericano de Pavimentos de Concreto, Brasil
agosto de 1999.
2. DISEÑO
2.1 INTRODUCCION A LOS METODOS DE DISEÑO
Las metodologías de diseño de pavimentos consideradas en este manual son las más utilizadas a nivel internacional y son aplicables a los siguientes tipos de pavimentos:
a). Pavimentos Convencionales
b). Sobrecarpetas de Concreto (Whitetopping)
Dentro de la gama de pavimentos disponibles para ciertas aplicaciones de tráfico ligero, se encuentran las sobrecarpetas de concreto ultradelgado (whitetopping ultradelgado). Los métodos presentados en este manual no son aplicables al diseño de este tipo de soluciones especificas.
a). Pavimentos Convencionales
Los pavimentos convencionales se consideran para la construcción de tramos nuevos de pavimentación en donde las actividades de construcción tienen que ver con los trabajos preliminares propios a las características de los suelos de soporte y conformación de las terracerías y sub-base para el pavimento. Así como lo referente a la propia estructura de concreto hidráulico y sus características. Los métodos de diseño aplican íntegramente a este tipo de pavimentos.
b). Sobrecarpetas de Concreto (Whitetopping)
Los pavimentos denominados Whitetopping, corresponden a rehabilitaciones de pavimentos asfálticos deteriorados. El término aquí utilizado corresponde a rehabilitaciones con pavimentos de concreto convencional tomando como estructura de soporte el pavimento asfáltico que se tiene en el lugar. Los métodos de diseño toman en cuenta esta solución, considerando las características de soporte de la estructura existente que normalmente tiene capa de sub-base, base y asfalto.
Algunos de los trabajos preliminares que se deben considerar para la colocación del pavimento Whitetopping difieren de los que se aplican a los pavimentos convencionales.
Los aspectos que se evalúan en el diseño para la determinación de la factibilidad técnica de que un pavimento sea rehabilitado mediante la técnica de Whitetopping son:
• Daños estructurales
• Daños asociados a la fatiga de las capas asfálticas
• Daños asociados a la alteración del perfil por deformaciones plásticas acumuladas • Daños asociados a la inestabilidad de la banca
• Daños superficiales
• Daños asociados s las deficiencias en el diseño o fabricación de la mezcla asfáltica • Daños asociados a la calidad de los materiales
Las fallas que se consideran en una superficie de asfalto son las siguientes :
a). Huecos o baches abiertos
Cavidades o depresiones producidas por desprendimiento de la carpeta asfáltica y de capas granulares. Se consideran 3 tipos de huecos :
• Superficiales : solo comprometen la capa de rodadura y su profundidad es menor a 3 cm.
• Medios : Comprometen parte o la totalidad de la carpeta asfáltica y su profundidad oscila entre 3 y 10 cm.
• Profundos : Profundidad superior a 10 cm, con expulsión de material y compromiso de la base granular.
b). Fisuras longitudinales y transversales
Son agrietamientos longitudinales y/o transversales que no constituyen una malla, sino que se presentan en forma aislada o continua y son producidas por deficiencia en las juntas de construcción, por contracción de la mezcla o desplazamiento de los bordes. Se consideran 3 tipos de fisuras :
• Longitudinales • Transversales • En bloque
c). Desgaste superficial
Son las irregularidades que se observan en la superficie, en áreas aisladas o en forma generalizada y son el producto del desgaste de las partículas superficiales o el
desprendimiento de alguna de ellas por acción del tránsito o inclemencias del tiempo. El desgaste se clasifica en :
• Ligero : Perdida de textura uniforme, mostrando rugosidad e irregularidades hasta de 5 mm de profundidad
• Medio : Cuando las irregularidades están entre 5 mm y 15 mm de profundidad. Las partículas de agregado están expuestas y se siente vibración al circular.
• Severo : Desintegración superficial de la carpeta, con desprendimientos evidentes y partículas sueltas sobre la vía.
d). Piel de Cocodrilo
Son agrietamientos en forma de malla que inicialmente se presenta en cuadros más o menos regulares con lados entre 25 y 30 cm, que presentan fracturamientos progresivos en forma de piel de cocodrilo. Posteriormente estas fisuras se ensanchan y profundizan ocasionando desprendimientos. Se consideran 3 tipos de fallas :
• Ligero : Cuando los agrietamientos son muy delgados y el tamaño de los cuadros tienen dimensiones próximas a 25 cm por lado. No existe deformación superficial. • Medio : Cuando los bloques se han reducido de tamaño y presentan aristas
redondeadas por perdida de partículas, las grietas que los separan son mayores de 1 cm, se advierten deformaciones y movimientos relativos y puede existir desprendimiento de algunos bloques.
• Severo : Cuando las deformaciones son grandes y se presenta perdida del material asfáltico y se presenta aparición del material de base.
e). Ondulaciones
Son deformaciones grandes y notorias de la plataforma de la vía, que alteran su perfil longitudinal, por efecto de asentamientos del terraplén o por levantamientos causados por las raíces de arboles.
De acuerdo con los daños encontrados en la vía, así como la capacidad estructural residual del pavimento, se consideran desde la etapa de diseño algunas actividades correctivas.
2. Reparación de Fallas
Para garantizar la uniformidad en el soporte de la estructura asfáltica, se deben realizar correcciones en los sitios en donde se presenten las siguientes irregularidades, de acuerdo con la siguiente tabla :
TIPO DE FALLA REPARACION REQUERIDA
Rodera menor a 50 mm Ninguna
Rodera mayor a 50 mm Fresado o Nivelación Deformación plástica excesiva Fresado
Baches Reparar Falla de subrasante Remoción y preparación
Fisuras en general, fatiga en bloque, transversales y longitudinales
Exudación Ninguna Degradación superficial Ninguna
2.2 SUELOS
En el diseño de pavimentos, es fundamental conocer algunas propiedades de los suelos que nos permiten conocer sus características generales y sus comportamientos.
Algunas de estas propiedades se obtienen mediante las pruebas que se describen a continuación:
a). Plasticidad
La plasticidad es la propiedad que presentan los suelos de poder deformarse, hasta cierto límite, sin romperse. Por medio de ella se mide el comportamiento de los suelos en todas las épocas. Las arcillas presentan esta propiedad en grado variable. Para conocer la plasticidad de un suelo se hace el uso de los límites de Atterberg.
Estos límites son: Limite Líquido (LL), Limite Plástico (LP) y Limite de Contracción (LC) y mediante ellos se puede conocer el tipo de suelo en estudio. Todos los limites de consistencia se determinan empleando suelo que pasa por la malla No. 40. La diferencia entre los valores del límite líquido y del límite plástico da como resultado el índice plástico (IP) del suelo.
El límite líquido se define como el contenido de humedad expresado en porciento con respecto al peso seco de la muestra, con el cual el suelo cambia del estado líquido al plástico. De esta forma, los suelos plásticos tienen en el límite líquido una resistencia muy pequeña al esfuerzo de corte y según Atterberg es de 25 g/cm2. Para determinar el
límite líquido de un suelo se hace el siguiente procedimiento.
a) Se toman unos 100 g de material que pasa la malla No 40, se colocan en una cápsula de porcelana y con una espátula se hace una mezcla pastosa, homogénea y de consistencia suave agregándole una pequeña cantidad de agua durante el mezclado.
b) Se coloca una poca de esta mezcla en la copa de Casagrande, formando una masa alisada de un espesor de 1 cm en la parte de máxima profundidad.
c) El suelo colocado en la copa de Casagrande se divide en la parte media en dos porciones, utilizando un ranurador.
d) Se acciona la copa a razón de dos golpes por segundo, contado el número de golpes necesarios para que la parte inferior del talud de la ranura hecha se cierre precisamente a 1.27 cm (1/2”). Si no se cierra entre los 6 y 35 golpes, se recoge el material y se le añade agua y se vuelve a mezclar.
e) Cuando se ha obtenido un valor consistente del número de golpes, comprendido entre 6 y 35 golpes, se toman 10 g aproximadamente de suelo de la zona próxima a la ranura cerrada y se determina el contenido de agua de inmediato. Se repite el ensaye y si se obtiene el mismo número de golpes que el primero o no hay diferencia en más de un golpe, se repite el ensaye hasta que tres ensayes consecutivos den una conveniente serie de números.
f) Se repiten los pasos del 2 al 5, teniendo el suelo otros contenidos de humedad. De este modo se deben tener, por lo menos, dos grupos de dos a tres contenidos de
que la curva de fluidez no se salga del intervalo en que puede considerarse recta, según lo indica Casagrande.
g) Se unen los tres puntos marcados par el intervalo de 6 a 20 golpes con una línea recta y se señala el punto medio. Se repite para los dos o tres puntos dentro del intervalo de 25 a 35 golpes.
h) Se conectan los puntos medios con una línea recta que se llama curva de fluidez. El contenido de humedad indicado por la intersección de esta línea a 25 golpes es el límite líquido del suelo.
2. Límite Plástico.
Es el contenido de humedad, expresado en porciento con respecto al peso seco de la muestra secada al horno, para el cual los suelos cohesivos pasan de un estado semisólido a un estado plástico. El límite plástico se determina con el material sobrante del límite líquido y al cual se le evapora humedad por mezclado hasta obtener una mezcla plástica que sea moldeable. Se forma una pequeña bola que deberá rodillarse enseguida aplicando la suficiente presión a efecto de formar filamentos.
Cuando el diámetro del filamento resultante sea de 3.17 mm (1/8”) sin romperse, se debe de continuar hasta que cuando al rodillar la bola de suelo se rompa el filamento al diámetro de 1/8” se toman los pedacitos, se pesan, se secan al horno en un vidrio, vuelven a pesarse ya secos y se determina la humedad correspondiente al límite plástico.
Ps
L.P. = Humedad correspondiente al límite plástico en % Ph = Peso de los filamentos húmedos en gramos
Ps = Peso de los filamentos secos en gramos.
b). Prueba Proctor.
La prueba Proctor se refiere a la determinación del peso por unidad de volumen de un suelo que ha sido compactado por el procedimiento definido para diferentes contenidos de humedad. Su objetivo es:
Determinar el peso volumétrico seco máximo γmáx que puede alcanzar un material, así como la humedad optima wo que deberá hacerse la compactación.
Determinar el grado de compactación alcanzado por el material durante la construcción o cuando ya se encuentran construidos los caminos, relacionando el peso volumétrico obtenido en el lugar con el peso volumétrico máximo Proctor.
La prueba Proctor está limitada a los suelos que pasen totalmente la malla No 4, o que cuando mucho tengan un retenido de 10 % en esta malla, pero que pase dicho retenido totalmente por la malla 3/8”. Cuando el material tenga retenido en la malla 3/8” debe determinarse la humedad óptima y el peso volumétrico seco máximo con la prueba de Porter estándar. También debe efectuarse la prueba Porter estándar en arenas de río, arenas de minas, arenas producto de trituración, tezontles arenosos y en general en todos aquellos materiales que carezcan de cementación.
Procedimiento:
Se obtienen 3 kg de material previamente secado al sol. Se tamiza por la malla No 10, y los grumos que se hayan retenido se disgregan perfectamente y se vuelve a tamizar por la misma malla, continuándose este proceso hasta que las partículas que se retengan en la malla no se puedan disgregar. Terminada esta operación se mezcla perfectamente todo el material y se adiciona el material y se adiciona la cantidad de agua necesaria para iniciar la prueba. La cantidad de agua que se adiciona deberá ser la necesaria para que una vez repartida uniformemente presente el material una consistencia tal que al ser comprimido en la palma de la mano no deje partículas adheridas a ella ni la humedezca, y que a la vez el material comprimido pueda tomarse con dos dedos sin que se desmorone.
El material que contiene ya la humedad necesaria para iniciar la prueba se tamiza por la malla No 4, se mezcla para homogeneizarlo y se compacta en el molde cilíndrico en tres capas aproximadamente iguales.
El pisón metálico de 2.5 kg se deja caer desde una altura de 30 cm. Deberán de darse 30 golpes repartidos uniformemente para apisonar cada capa. Una vez apisonada la última capa se remueve la extensión y se elimina el excedente de material del molde cilíndrico y se pesa éste con todo y su contenido. A continuación se extrae la muestra compactada del cilindro y se pone a secar una pequeña cantidad del corazón de la muestra para determinar su humedad.
La muestra que ha sido removida del molde cilíndrico se desmenuza hasta que pasa la malla No 4, se añaden 60 cc (2% en peso de agua) y se repite el procedimiento descrito. Esta serie de determinaciones continúan hasta que la muestra esté muy
El peso volumétrico húmedo para cada contenido de humedad se calcula con la siguiente fórmula:
γ h = Ph
Vt
γ h = Peso volumétrico húmedo en g/cm3
Ph = Peso del material húmedo compactado en el molde, en gramos.
Vt = Volumen del molde en cm3
El contenido de humedad se calcula con la siguiente fórmula
w = Ph –Ps X 100
Ps
El peso volumétrico seco para cada peso volumétrico húmedo y su correspondiente humedad se calculan por la siguiente fórmula:
γ s = γh
w = Contenido de la humedad en porcentaje
Pw = Peso de la muestra húmeda, en gramos
Ps = Peso de la muestra seca, en gramos
γs = Peso volumétrico seco, en g/cm3
γh = Peso volumétrico húmedo, en g/cm3
Los peso volumétrico secos y las humedades correspondientes se utilizan para trazar la curva peso volumétrico seco - humedad, marcando en el eje de las abscisas los contenidos de humedad. La humedad que genera mayor peso volumétrico es la que permite la mayor compactación del material y se le conoce como humedad óptima de compactación.
En la misma gráfica se dibuja la curva de saturación teórica. Esta curva representa la humedad para cualquier peso volumétrico, que sería necesaria para que todos los vacíos que dejan entre sí las partículas sólidas estuvieran llenos de agua.
Prueba Proctor
1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050 0 2 4 6 8 10 12 14 1 w % kg/m 3 6 Curva de saturación TeóricaEl peso volumétrico seco correspondiente a la curva de saturación teórica para la humedad dada se calcula con la fórmula:
γscs = 100 D a X 100 (kg / m3)
100 + wDr
γscs = Peso volumétrico seco de la curva de saturación (kg / m3)
Da = Densidad absoluta del material que pasa la malla No 400 en g/cm3
Dr = Densidad relativa del material que pasa por la malla No 40
La curva de saturación teórica tiene por objeto comprobar si la prueba Proctor fue correctamente efectuada, ya que la curva de saturación y la curva Proctor nunca deben cortarse dado que es imposible en la práctica llenar totalmente con agua los huecos que dejan las partículas del suelo compactado.
La curva de saturación teórica sirve para determinar si un suelo, en el estado en que se encuentra en el lugar, es susceptible de adquirir mayor humedad o mayor peso volumétrico fácilmente.
Así, una vez hecha la determinación del peso volumétrico y humedad en el lugar se calcula el porciento de huecos llenos de aire con la siguiente fórmula:
Va
= γ
scs -γ
s X 100 γs
Va = Volumen de huecos llenos de aire %
γscs = Peso volumétrico seco de suelo compactado correspondiente a la humedad w
γs = peso volumétrico de la curva de saturación teórica correspondiente a la humedad
w
Si este valor es mayor de 6.5%, el suelo se encuentra en condiciones de adquirir un peso volumétrico mayor con la humedad que contiene, o bien, sin variar su peso volumétrico seco, incrementar su humedad.
c). Prueba Porter Estándar.
Esta prueba tiene como finalidad determinar el peso volumétrico seco máximo de compactación Porter y la humedad óptima en los suelos con material mayor de 3/8” y los cuales no se les puede hacer la prueba Proctor. Esta prueba sirve también para determinar la calidad de los suelos en cuanto a valor de soporte se refiere, midiendo la resistencia a la penetración del suelo compactado y sujeto a un determinado periodo de saturación.
Esta prueba se lleva a cabo de la siguiente forma:
La humedad óptima de Porter es la humedad mínima requerida por el suelo para alcanzar su peso volumétrico seco máximo cuando es compactado con una carga unitaria de 140.6 kg/cm2. Para obtener la humedad óptima y el peso volumétrico seco
máximo se obtiene una muestra de 4 kg de material secado, disgregado y cuarteado. Cuando se ha logrado la disgregación de los grumos se tamiza la muestra por la malla ¾”. Se le incorpora cierta cantidad de agua, cuyo volumen se anota, y una vez lograda la distribución homogénea de la humedad se coloca en tres capas dentro del molde de prueba, y cada una de ellas se les da 25 golpes con la varilla metálica. Al terminar la colocación de la última capa se compacta el material aplicando cargas uniformes y lentamente procurando alcanzar la presión de 140.6 kg/cm2 en un tiempo de 5 minutos,
la que debe mantenerse durante 1 minuto, e inmediatamente hacer la descarga en otro minuto.
carga máxima se observa que se humedece la base del molde, el material muestra una humedad ligeramente mayor que la óptima de Porter. Para fines prácticos es conveniente considerar que el espécimen se encuentra con su humedad óptima cuando se inicia el humedecimiento de la base del molde, siendo esta la más adecuada para su compactación.
Se determina la altura del espécimen restando la altura entre la cara superior de éste y el borde del molde de la altura total del molde, y con este dato se calcula el volumen del espécimen. Se pesa el espécimen con el molde de compactación, se le resta el peso del molde y se calcula el peso volumétrico.
γh = Ph
Vt
γh = Peso volumétrico húmedo, en g/cm3 o kg/m3
Ph = Peso del material húmedo compactado dentro del cilindro Porter, en gr o Kg Vt = Volumen del espécimen en cm3 o m3
Se extrae el material del molde y se pone a secar a una temperatura constante de 100 a 110 °C hasta peso constante. Se deja enfriar el material y se pesa y se calcula la humedad y el peso volumétrico seco máximo.
γ s = γh
1+ w 100
d). Valor Relativo de Soporte
Es un índice de resistencia al esfuerzo cortante en condiciones determinadas de compactación y humedad, y se expresa como el tanto porciento de la carga necesaria para introducir un pistón de sección circular en una muestra de suelo, respecto a la profundidad de penetración del pistón en una piedra tipo triturada. Por lo tanto, si P2 es
la carga en kg necesaria para hacer penetrar el pistón en el suelo en estudio, y Px=1360
kg, la precisa para penetrar la misma cantidad en la muestra tipo de piedra triturada, el valor Relativo de Soporte del suelo es de
VRS = (P2/1360) * 100
e). Módulo de Reacción (k)
mediante una placa circular de 30” de diámetro bajo una presión tal que produzca una deformación del suelo de 0.127 cm (0.05”). En general se puede decir que el módulo de reacción k es igual al coeficiente del esfuerzo aplicado por la placa entre la deformación
correspondiente producida por este esfuerzo.
Mas adelante se hace referencia a esta propiedad tan importante para el diseño de pavimentos. AS TÍC U L D E SU * g * us NOMBRES TÍPICOS Gravas bien graduadas, mezclas de
grava y arena con poco ó nada de finos Gravas mal graduadas, mezclas de
grava y arena con poco ó nada de finos d
u
Gravas arcillosas, mezclas de grava, arena y arcilla.
Límites de Atterberg arriba de la "línea A" ó I.P. mayor que 7 Arenas bien graduadas, arenas con
gravas con poco ó nada de finos Arenas mal graduadas, arenas con
gravas con poco ó nada de finos d
u
Arenas arcillosas, mezclas arenas y arcilla.
Límites de Atterberg arriba de la "línea A" ó I.P. mayor que 7 Limos inorgánicos, polvo de roca,
limos arenosos ó arcillosos ligeramente plásticos
Arcillas inorgánicas de baja a media plasticidad, arcillas con grava, arcillas arenosas, arcillas
limosas, arcillas pobres Limos inorgánicos y arcillas limosas
orgánicas de baja plasticidad Limos inorgánicos, limos micaceos
ó diatomaceos, limos elásticos Arcillas inorgánicas de alta plasticidad, arcillas francas. Arcillas orgánicas ó alta plasticidad,
limos orgánicos de media plasticidad Turbas y otros suelos altamente
orgánicos AR EN AS C O N FIN O S (cantidad
apreciable de partículas finas)
SUELOS ALTAMENTE ORGÁNICOS Las partículas de 0.074 m m de diám etro (la m a lla N o . 200) son aproxim adam ente, las m á s pequeñas a sim p le vista) G R AVAS M á s de la m itad de la
fracción gruesa es retenida por la
m a lla N o . 4 AR EN AS M á s de la m itad de la
fracción gruesa pasa por la m
a lla No . 4 PARA CL ASI F ICACI Ó N VI SUAL PUEDE USARSE 1 /2 CM CO M O EQ UI VAL ENT E A L A ABERT URA DE L A M A LL A No . 4 ) GP Símbolo P GM G R AVAS LIM P IAS (Poco ó nada de partículas finas) G R AVAS C O N FIN O S (cantidad
apreciable de partículas finas)
DIVISIÓN MAYOR SU ELO D E PAR T ÍC U L AS G R U ESAS M á s de la m itad del m a terial es retenido en la m a lla núm ero 200~ ELO PAR AS FIN M á s de la m itas del m a
terial pasa por la m
a lla núm ero 200 ~ LIM O S Y AR C ILLAS Lím ite-líquido m enor de 50 ML CL GC AR EN AS LIM P IAS (Poco ó nada de partículas finas) SW SP GW
CRITERIO DE CLASIFICACIÓN EN EL LABORATORIO
OL LIM O S Y AR C ILLAS Lím ite-líquido m a yor de 50 MH CH OH
s SM Arenas limosas, mezclas de arenas y limo.
SC
Gravas limosas, mezclas de grava, arena y limo. D E TER M ÍN ESE LO S PO R C E N T AJES D E G R AVA Y AR EN A D E LA CURV A GRA NUL OMÉ T RI CA , DE P E NDI E NDO DE L P O RCE NT A JE D E FIN O
S (Fracción que pasa por la m
a lla N o . 200) LO S SU ELO S G R U ESO S SE C L ASIFIC A N C O M O SIG U E: M enos del 5% : G W , G O , SW , SP, M á s de 12% : C a
sos de frontera que requieren el uso de
sím
bolos dobles.**
NO SATISFACEN TODOS LOS REQUISITOS DE GRADUACIÓN PARA GW
Límites de Atterberg abajo de la
"línea A" ó I.P. menor que 4 entre 4 y 7 son casos de frontera Arriba de la "línea A" y con I.P. que requieren el uso de símbolos
dobles. Cu = ( D60 / D10 ) mayor que 6 Cc = [ (D30)2 / (D10 x D60) ] entre 1 y 3
* Clasificación de frontera -Los suelos que poseen las características de dos grupos se designan con la combinación de los dos simbolos. Por ejemplo GW-GC, mezcla de arena y rava bien graduadas con cementante arcilloso.
La subdivisión de los grupos GM y SM en subdivisiones d. y u. Son para caminos y aeropuertos únicamente, la subdivisión esta basada en los límites de Atterberg. El sufijo d se a cuando L.L. es de 28 ó menos y el I.P. es de 6 ó menos. El sufijo u es usado cuando el L.L. es mayor que 28
Coeficiente de uniformidad Cu: mayor de 4. Coeficiente de curvatura Cc: entre 1 y 3. Cu= (D60/D10) Cc = [ (D30)2 / (D10 x D60) ]
CARTA DE PLASTICIDAD Para la Clasificación de Suelos en Partículas Finas en el Lab.
~ Todos los tamaños de las mallas en esta carta son los U.S. Standard
No satisfacen todos los requisitos de graduación para SW Límites de Atterberg abajo de la
"línea A" ó I.P. menor que 4 entre 4 y 7 son casos de frontera Arriba de la "línea A" y con I.P. que requieren el uso de símbolos
dobles.
EQUIVALENCIA DE SÍMBOLOS G = Gravas, M = Limo, O = Suelos orgánicos; W = Bien graduados. S = Arenas; C =
Arcilla; P.I. = Turbo; P = Mal graduados; L = Baja compresibilidad; H = Alta compresibilidad. PI 0 20 40 60 80 100 LÍMITE LIQUIDO ML ó OL CL CH OH ó MH LÍNEA “A” I.P. = 0.73 (L.L. – 20) 60 50 40 30 20 10 0 ÍNDIC E P L Á S T IC O CL ML ML
2.3 TRÁFICO.
En esta sección mencionaremos algunos aspectos referentes al tráfico y a la ingeniería de tránsito que debemos tomar en cuenta en el proyecto de una vialidad. No se trata de realizar una presentación exhaustiva del transporte, pero sí conceptuar de una manera muy general y clara sobre algunos de los aspectos de su estructura básica, sus sistemas y sus modos, de manera que el diseñador conozca los fundamentos de la ingeniería de tránsito y que cuando sea necesario profundizar en estos temas para completar el diseño de una vialidad, ya se tengan las bases y sea más fácil las consultas en publicaciones especializadas en el tema.
a). Ingeniería de Tránsito
El Instituto de Ingenieros del Transporte (ITE) define a la Ingeniería del Transporte y la Ingeniería de Tránsito de la siguiente manera:
Ingeniería de Transporte: Es la aplicación de los principios tecnológicos y científicos a la planeación, al proyecto funcional, a la operación y a la administración de las diversas partes de cualquier modo de transporte, con el fin de proveer la movilización de personas y mercancías de una manera segura, rápida, confortable, conveniente, económica y compatible con el medio ambiente.
Ingeniería de Tránsito: Es aquella fase de la ingeniería de transporte que tiene que ver con la planeación, el proyecto geométrico y la operación del tránsito por calles y carreteras, sus redes, terminales, tierras adyacentes y su relación con otros modos de transporte.
Es decir que la Ingeniería de Tránsito es un subconjunto de la Ingeniería de Transporte, y a su vez el Proyecto Geométrico es una etapa de la Ingeniería de Tránsito.
El Proyecto Geométrico de calles y carreteras, es el proceso de correlación entre sus elementos físicos y las características de operación de los vehículos, mediante el uso de las matemáticas, la física y la geometría. En este sentido, vialidad queda definida geométricamente por el proyecto de su eje en planta (alineamiento horizontal) y en perfil (alineamiento vertical), y por el proyecto de su sección transversal.
b). Volumen de Tránsito
Al proyectar una calle ó carretera, la selección del tipo de vialidad, las intersecciones, los accesos y los servicios, dependen fundamentalmente del volumen de tránsito o demanda que circulará durante un intervalo de tiempo dado, de su variación, de su tasa de crecimiento y de su composición.
Los errores que se cometan en la determinación de estos datos, ocasionará que la carretera o calle funcione durante el periodo de proyecto, bien con volúmenes de
tránsito muy inferiores a aquellos para los que se proyectó, ó mal con problemas de congestionamiento por volúmenes de tránsito altos muy superiores a los proyectados. Los estudios sobre volúmenes de tránsito son realizados con el propósito de obtener información relacionada con el movimiento de vehículos sobre puntos ó secciones específicas dentro de un sistema vial. Estos datos de volúmenes de tránsito son expresados con respecto al tiempo, y de su conocimiento se hace posible el desarrollo de estimaciones razonables de la calidad de servicio prestado a los usuarios.
Se define como volumen de tránsito al número de vehículos que pasan por un punto ó sección transversal dados, de un carril ó de una calzada, durante un periodo determinado y se expresa como:
N Q =
T Donde:
Q = Vehículos que pasan por unidad de tiempo (Vehículos / periodo). N = Número total de vehículos que pasan (vehículos)
T = Período determinado (unidades de tiempo)
1 VOLÚMENES DE TRÁNSITO ABSOLUTOS Ó TOTALES.
Es el número total de vehículos que pasan durante el lapso de tiempo determinado, dependiendo de la duración del lapso de tiempo determinado, se tienen los siguientes volúmenes de tránsito totales ó absolutos:
- Tránsito anual (TA).
Es el número total de vehículos que pasan durante un año, en este caso T = 1 año. - Tránsito mensual (TM).
Es el número total de vehículos que pasan durante un mes, en este caso T = 1 mes. - Tránsito semanal (TS).
Es el número total de vehículos que pasan durante una semana, en este caso T = 1 semana.
- Tránsito diario (TD).
Es el número total de vehículos que pasan durante un día, en este caso T = 1 día. - Tránsito horario (TH).
Es el número total de vehículos que pasan durante una hora, en este caso T = 1 hora. - Tasa de flujo ó flujo (q).
Es el número total de vehículos que pasan durante un período inferior a una hora, en esta caso T < 1 hora.
2 VOLÚMENES DE TRÁNSITO PROMEDIO DIARIOS.
Se define el volumen de tránsito promedio diario (TPD), como el número total de vehículos que pasan durante un periodo dado (en días completos) igual ó menor a un año y mayor que un día, dividido entre el número de días del periodo.
De acuerdo al número de días de este período, se presentan los siguientes volúmenes de tránsito promedio diarios, dados en vehículos por día:
- Tránsito promedio diario anual (TPDA) TA
TPDA = 365
- Tránsito promedio diario mensual (TPDM) TM
TPDM = 30
- Tránsito promedio diario semanal (TPDS) TS
TPDM = 7
3 CARACTERISTICAS DE LOS VOLUMENES DE TRÁNSITO.
Los volúmenes de tránsito siempre deben ser considerados como dinámicos, por lo que solamente son precisos para el periodo de duración de los aforos. Sin embargo, debido a que sus variaciones son generalmente rítmicas y repetitivas, es importante tener un conocimiento de sus características, para así programar aforos, relacionar volúmenes en un tiempo y lugar con volúmenes de otro tiempo y lugar, y prever con la debida anticipación la actuación de las fuerzas dedicadas al control del tránsito y labor preventiva, así como las de conservación.
Por lo tanto, es fundamental, en la planeación y operación de la circulación vehicular, conocer las variaciones periódicas de los volúmenes de tránsito dentro de las horas de máxima demanda, en las horas de día, en los días de la semana y en los meses del año. Aún más, también es importante conocer las variaciones de los volúmenes de tránsito en función de su distribución por carriles, su distribución direccional y su composición.
Distribución y composición del volumen de tránsito.
La distribución de los volúmenes de tránsito por carriles debe ser considerada, tanto en el proyecto como en la operación de calles y carreteras. Tratándose de tres o más carriles de operación en un sentido, el flujo se asemeja a una corriente hidráulica. Así, al medir los volúmenes de tránsito por carril, en zona urbana, la mayor velocidad y
capacidad, generalmente se logran en el carril del medio; las fricciones laterales, como paradas de autobuses y taxis y las vueltas izquierdas y derechas causan un flujo más lento en los carriles extremos, llevando el menor volumen el carril cercano a la acera. En carretera, a volúmenes bajos y medios suele ocurrir lo contrario, por lo que se reserva el carril cerca de la faja separadora central para vehículos más rápidos y para rebases, y se presentan mayores volúmenes en el carril inmediato al acotamiento. En autopistas de tres carriles con altos volúmenes de tránsito, rurales o urbanas, por lo general hay mayores volúmenes en el carril inmediato a la faja separadora central. En cuanto a la distribución direccional, en las calles que comunican el centro de la ciudad con la periferia de la misma, el fenómeno común que se presenta en el flujo de tránsito es de volúmenes máximos hacia el centro en la mañana y hacia la periferia en las tardes y noches. Es una situación semejante al flujo y reflujo que se presenta los fines de semana cuando los vacacionistas salen de la ciudad el viernes y sábado y regresan el domingo en la tarde. Este fenómeno se presenta especialmente en arterias del tipo radial.
En cambio, ciertas arterias urbanas que comunican centros de gravedad importantes, no registran variaciones direccionales muy marcadas en los volúmenes de tránsito. Un ejemplo de éstos puede citarse en el caso del Anillo Periférico de la Ciudad de México, en su tramo entre el Viaducto y Naucalpan, donde la distribución direccional es bastante equilibrada, tanto en las horas de máxima demanda de la mañana, como en las de la tarde, es decir, no hay mucha diferencia entre los volúmenes en uno u otro sentido. En los estudios de volúmenes de tránsito es muy útil conocer la composición y variación de los distintos tipos de vehículos. La composición vehicular se mide en términos de porcentajes sobre el volumen total. Por ejemplo, porcentaje de automóviles, de autobuses y de camiones. En los países más adelantados, con un mayor grado de motorización, los porcentajes de autobuses y camiones en los volúmenes de tránsito son bajos.
En cambio, en países con menor grado de desarrollo, el porcentaje de estos vehículos grandes y lentos es mayor. En nuestro medio, como es el caso de México, a nivel rural, es muy común encontrar porcentajes típicos o medios del orden de 60% automóviles, 10% autobuses y 30% camiones, con variaciones de ± 10%, dependiendo del tipo de carretera, la hora del día y el día de la semana.
Variación diaria del volumen de tránsito.
Se han estudiado cuáles son los días de la semana que llevan los volúmenes normales de tránsito. Así, para carreteras principales de lunes a viernes los volúmenes son muy estables los máximos, generalmente se registran durante el fin de semana, ya sea el sábado o el domingo, debido a que durante estos días por estas carreteras circula una alta demanda de usuarios de tipo turístico y recreacional.
En carreteras secundarias de tipo agrícola, los máximos volúmenes se presentan entre semana. En las calles de la ciudad, la variación de los volúmenes de tránsito diario no es muy pronunciada entre semana, esto es que están más o menos distribuidos en los días laborales, sin embargo, los más altos volúmenes ocurren el viernes. También vale
la pena mencionar, con referencia a la variación diaria de los volúmenes de tránsito tanto a nivel urbano como rural, que se presentan máximos en aquellos días de eventos especiales como Semana Santa, Navidad, fin de año, competencias deportivas nacionales e internacionales, etc.
Variación mensual del volumen de tránsito.
Hay meses que las calles y carreteras llevan mayores volúmenes que, presentando variaciones notables. Los más altos volúmenes de tránsito se registran en Semana Santa, en las vacaciones escolares y a fin de año por las fiestas y vacaciones navideñas del mes de diciembre. Por razón los volúmenes de tránsito promedio diarios que caracterizan cada mes son diferentes, dependiendo también, en cierta manera, de la categoría y del tipo de servicio que presten las calles y carreteras. Sin embargo, el patrón de variación de cualquier vialidad no cambia grandemente de año a año, a menos que ocurran cambios importantes en suelo, en los usos de la tierra, o se construyan nuevas calles o carreteras que funcionen como alternas.
4 VOLÚMENES A FUTURO.
Relación entre los volúmenes de tránsito promedio diario, anual y semanal.
El comportamiento de cualquier fenómeno ó suceso estará naturalmente mucho mejor caracterizado cuando se analiza todo su universo. En este caso, el tamaño de su población está limitada en el espacio y en el tiempo por las variables asociadas al mismo.
Con respecto a volúmenes de tránsito, para obtener el tránsito promedio diario anual, TPDA, es necesario disponer del número total de vehículos que pasan durante el año por el punto de referencia, mediante aforos continuos a lo largo de todo el año, ya sea en periodos horarios, diarios, semanales ó mensuales. Muchas veces esta información anual es díficil de obtener, al menos en todas las vialidades por los costos que ello implica, sin embargo se pueden obtener datos en las casetas de cobro para las carreteras de cuota y mediante contadores automáticos instalados en estaciones maestras de la gran mayoría de las carreteras de la red vial primaria de la nación.
En estos casos, muestras de los datos sujetas a las mismas técnicas de análisis permiten generalizar el comportamiento de la población. No obstante, antes de que los resultados se puedan generalizar, se debe analizar la variabilidad de la muestra para así estar seguros, con cierto nivel de confiabilidad, que ésta se puede aplicar a otro número de casos no incluidos, y que forman parte de las características de la población. Por lo anterior, en el análisis de volúmenes de tránsito, la media poblacional o tránsito promedio diario anual, TPDA, se estima con base en la media muestral ó tránsito promedio diario semanal, TPDS, según la siguiente expresión:
TPDA = TPDS ± A Donde:
El valor de A, sumado ó restado del TPDS, define el intervalo de confianza dentro del cuál se encuentra el TPDA. Para un determinado nivel de confianza, el valor de A es:
A = K E Donde:
K = Número de desviaciones estándar correspondiente al nivel de confiabilidad deseado.
E = error estándar de la media
Estadísticamente se ha demostrado que las medias de diferentes muestras, tomadas de la misma población, se distribuyen normalmente alrededor de la media poblacional con una desviación estándar equivalente al error estándar. Por lo tanto también se puede expresar que:
E = σ’ Donde:
σ’ = estimador de la desviación estándar poblacional (σ) S (N – n) ½
σ’ =
(n)½
(N – 1)
Donde:
S = Desviación estándar de la distribución de los volúmenes de tránsito ó desviación estándar muestral.
n = Tamaño de la muestra en número de días del aforo. N = Tamaño de la población en número de días del año. La desviación estándar muestral, S, se calcula como:
n ½ S =
Σ
( Tdi – TPDS) 2i = 1 n - 1
Donde:
TDi = Volumen de tránsito del día i.
Finalmente la relación entre los volúmenes de tránsito promedio diario anual y semanal es:
TPDA = TPDS ± K E TPDA = TPDS ± K σ’
Pronóstico del volumen de tránsito futuro.
El Pronóstico del volumen de tránsito futuro, por ejemplo el TPDA del año de proyecto, en el mejoramiento de una carretera existente o en la construcción de una nueva carretera, deberá basarse no solamente en los volúmenes normales actuales, sino también en los incrementos del tránsito que se espera utilicen la nueva carretera.
Tránsito actual.
El tránsito actual (TA) es el volumen de tránsito que usará la carretera mejorada o la nueva carretera en el momento de quedar completamente en servicio. En el mejoramiento de una carretera existente, el tránsito actual se compone del tránsito existente (TE) antes de la mejora, más el tránsito atraído (TAt) a ella de otras carreteras una vez finalizada su reconstrucción total. En el caso de la apertura de una nueva carretera, el tránsito actual se compone completamente de tránsito atraído.
El tránsito actual (TA) se puede establecer a partir de aforos vehiculares sobre las vialidades de la región que influyan en la nueva carretera, estudios de origen y destino, ó utilizando parámetros socioeconómicos que se identifiquen plenamente con la economía de la zona. En áreas rurales cuando no se dispone de estudios de origen y destino ni datos de tipo económico, para estudios preliminares es suficiente la utilización de las series históricas de los aforos vehiculares en términos de los volúmenes de trán-sito promedio diario anual (TPDA) representativos de cada año. De esta manera, el tránsito actual (TA) se expresa como:
TA = TE + TAt
Para la estimación del tránsito atraído (TAt) se debe tener un conocimiento completo de las condiciones locales, de los orígenes y destinos vehiculares y del grado de atracción de todas las vialidades comprendidas. A su vez, la cantidad de tránsito atraído depende de la capacidad y de los volúmenes de las carreteras existentes, así por ejemplo, si están saturadas ó congestionadas, la atracción será mucho más grande. Los usuarios, componentes del tránsito atraído a una nueva carretera, no cambian ni su origen, ni su destino, ni su modo de viaje, pero la eligen motivados por una mejora en los tiempos de recorrido, en la distancia, en las características geométricas, en la comodidad y en la seguridad. Como no se cambia su modo de viaje, a este volumen de tránsito también se le denomina tránsito desviado.
Incremento del tránsito.
El incremento del tránsito (IT) es el volumen de tránsito que se espera use la nueva carretera en el año futuro seleccionado como de proyecto. Este incremento se compone del crecimiento normal del tránsito (CNT) del tránsito generado (TG) y del tránsito desarrollado (TD).
El crecimiento normal del tránsito (CNT) es el incremento del volumen de tránsito debido al aumento normal en el uso de los vehículos. El deseo de las personas por movilizarse, la flexibilidad ofrecida por el vehículo y la producción industrial de más vehículos cada día, hacen que esta componente del tránsito siga aumentando. Sin embargo, deberá tenerse gran cuidado en la utilización de los indicadores del crecimiento del parque vehicular nacional para propósitos de proyecto, ya que no necesariamente reflejan las tasas de crecimiento en el área local bajo estudio, aunque se ha comprobado que existe cierta correlación entre el crecimiento del parque vehicular y el crecimiento del TPDA.
El tránsito generado (TG) consta de aquellos viajes vehiculares, distintos a los del transporte público, que no se realizarían si no se construye la nueva carretera. El tránsito generado se compone de tres categorías: el tránsito inducido, o nuevos viajes no realizados previamente por ningún modo de transporte; el tránsito convertido, o nuevos viajes que previamente se hacían masivamente en taxi, autobús, tren, avión o barco, y que por razón de la nueva carretera se harían en vehículos particulares; y el tránsito trasladado, consistente en viajes previamente hechos a destinos completamente diferentes, atribuibles a la atracción de la nueva carretera y no al cambio en el uso del suelo. Al tránsito generado se le asignan tasas de incremento entre el 5 y el 25 % del tránsito actual, con un periodo de generación de uno ó dos años después de que la carretera ha sido abierta al servicio.
El tránsito desarrollado (TD) es el incremento del volumen de tránsito debido a las mejoras en el suelo adyacente a la carretera. A diferencia del tránsito generado, el tránsito desarrollado continua actuando por mucho años después que la nueva carretera ha sido puesta al servicio. El incremento del tránsito debido al desarrollo normal del suelo adyacente forma parte del crecimiento normal del tránsito, por lo tanto, éste no se considera como una parte del tránsito desarrollado. Pero la experiencia indica que en carreteras construidas con altas especificaciones, el suelo lateral tiende a desarrollarse más rápidamente de lo normal, generando valores del orden del 5 % del tránsito actual.
El incremento del tránsito (IT) se expresa así:
IT = CNT + TG + TD
Tránsito a futuro.
Los volúmenes de tránsito futuro (TF), para efectos de proyecto se derivan a partir del tránsito actual (TA) y del incremento del tránsito (IT), esperado al final del periodo ó año meta seleccionado. De acuerdo a esto, se puede plantear la siguiente expresión:
TF = TA + IT
Sustituyendo en la ecuación del tránsito futuro (TF), encontramos que: TF = TA + IT
En la figura 2.3-1 se presenta de manera gráfica los componentes del volumen de tránsito futuro. TF TD TG CNT IT TA TE + T At Tránsito Desarrollado (TD) Tránsito Generado (TG) Crecimiento Normal del Tránsito (CNT)
Tránsito Actual (TA) = Existente (TE) + Atraído (TAt)
VOLUMEN DE TRÁNSITO AÑOS AÑO PRESENTE AÑO FUTURO
2.4 METODO DE DISEÑO AASHTO
“El método de diseño AASHTO es uno de métodos más utilizados a nivel internacional para el diseño de pavimentos de concreto hidráulico.”
a).- ANTECEDENTES – PRUEBA AASHO
La prueba de pavimentación que en su momento se conoció como AASHO, por sus siglas en inglés y debido a que en aquel entonces no estaba integrado el departamento del transporte de EU a esta organización. Fue concebida y promovida gracias a la organización que ahora conocemos como AASHTO (“American Association of State
Highway and Transportation Officials”) para estudiar el comportamiento de estructuras de
pavimento de espesores conocidos, bajo cargas móviles de magnitudes y frecuencias conocidas y bajo el efecto del medio ambiente. Fue formulada por el consejo de investigación de carreteras de la academia nacional de ciencias – consejo nacional para la investigación, la planeación empezó en 1951, la construcción del proyecto comenzó en 1956 muy cerca de Ottawa, Illinois. EL tráfico controlado de la prueba se aplicó de octubre de 1958 a noviembre de 1960, o sea, durante más de dos años.
El objetivo principal de las pruebas consistía en determinar relaciones significativas entre el comportamiento de varias secciones de pavimento y las cargas aplicadas sobre ellas, o bien para determinar las relaciones significativas entre un número de repeticiones de ejes con cargas, de diferente magnitud y disposición, y el comportamiento de diferente espesores de pavimentos, conformados con bases y sub-bases, colocados en suelos de características conocidas.
El sitio cerca de Ottawa, seleccionado para la prueba, tiene condiciones climáticas y de suelo típicas de algunas áreas de Estados Unidos y Canadá. Esto hace que la aplicabilidad del método deba utilizarse con criterio para otras partes del mundo.
Los pavimentos se construyeron en circuitos a lo largo de una sección de 8 millas de una futura autopista interestatal.
Se realizaron 6 circuitos de prueba, todos eran tramos de dos carriles y tenían la mitad del tramo en pavimento de concreto y la otra en pavimento flexible. El Circuito 1 se dejo sin cargas para evaluar el impacto del Medio Ambiente en los pavimentos. El Circuito 2 se utilizó con aplicaciones de cargas de camiones ligero. En los Circuitos de 3 al 6 se realizaron aplicaciones de carga con camiones pesados. Los circuitos 5 y 6 tuvieron idénticas configuraciones y combinaciones de carga.
Cada circuito consistía de dos largas carreteras paralelas conectadas en los extremos por retornos, las secciones de prueba de los pavimentos estaban localizadas en las rectas o tangentes de cada circuito.
Geometría de los Circuitos Asfalto Circuitos 3 a 6 Concreto Circuito 2 Circuito 1
La sección estructural de prueba tenía una longitud de 30 m en pavimentos flexibles, 36 m en pavimentos de concreto simple y 80 m en pavimentos continuamente reforzados. Las secciones de prueba tanto de flexible como de pavimento rígido fueron construidas sobre idénticos terraplenes. También se examinaron bajo las mismas condiciones climáticas, por el mismo número de cargas aplicadas, el mismo tráfico y velocidades de operación. En total se examinaron 368 secciones de pavimento rígido y 468 secciones de pavimento flexible.
El tráfico que se utilizó en la prueba, estaba perfectamente controlado, se iniciaron las repeticiones de carga en noviembre de 1958, de la siguiente manera:
En los circuitos de camiones pesados, Circuitos 3-6: - inicialmente 6 vehículos por carril
- posteriormente se aumento a 10 vehículos por carril (en enero 1960) El tiempo de Operación de los vehículos fue de:
- 18 horas 40 minutos - 6 días de la semana En Total se aplicaron:
- 1,114,000 Repeticiones de Carga Normal
b).- CONCLUSIONES OBTENIDAS DE LA PRUEBA
Los principales experimentos sobre pavimentos fueron diseñados de modo que los resultados de las pruebas fueran estadísticamente significativas. Las secciones de prueba de los pavimentos de varios espesores fueron sometidas a tráfico controlado. Las secciones examinadas representaban todas las combinaciones de los factores de diseño para concreto y asfalto. Cada circuito de tráfico contenia algunas secciones que no formaban parte de los principales experimentos sobre pavimentos. Estas secciones se incluyeron para estudios especiales tales como los efectos de acotamientos pavimentados y bases estabilizadas en el comportamiento del pavimento.
Dos de las técnicas aleatorias y de réplica estadísticas que se emplearon al diseñar los experimentos principales fueron la aplicación aleatoria que garantizó que un diseño dado tuviera la misma oportunidad de estar localizado en un lugar en un tramo recto de prueba, que una sección de cualquiera de los diseños. Las posiciones de los cuatro circuitos de prueba más importantes se localizaron al azar. La réplica garantizó que varios de los diseños aparecieran en dos secciones en el mismo para verificar la Confiabilidad.
Las mediciones del comportamiento de un pavimento en términos de su capacidad para soportar el tráfico con seguridad y comodidad en la esencia del concepto de capacidad de servicio. Su desarrollo para convertirlo en un procedimiento trabajable por parte del personal de la Prueba de Carreteras constituyó una aportación muy importante a la ingeniería de carreteras. El nivel requerido de servicio de un pavimento depende de la función que requiera dársele al pavimento.
Los factores que tuvieron mayor peso en la determinación de la capacidad de servicio fueron:
- Variaciones en el perfil longitudinal
- Mediciones de la aspereza del pavimento en la dirección del movimiento. - Profundidad promedio de las roderas medida con regla de 1.20 m
- Medidas de Agrietamientos severos - Medidas de Baches
Las mediciones físicas de las secciones de prueba se transfirieron a fórmulas que podían dar nuevamente valores numéricos de capacidad de servicio. Estos valores graficados contra las aplicaciones de carga forman una historia de comportamiento para cada sección de prueba que permiten la evaluación de cada uno de los diversos diseños.
Tres comparaciones que pueden usarse para evaluar el comportamiento de las secciones de prueba son:
- El número de aplicaciones de carga sobre un eje
- El índice de capacidad de servicio de la sección en un momento determinado - La tendencia hacia la capacidad de servicio vs la capacidad de servicio
Los resultados que se obtuvieron en los circuitos se muestran a continuación: Circuito 2 – Tráfico Ligero
