UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL
TRABAJO DE TITULACIÓN
PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
VÍAS
TEMA:
ESTUDIO DE LAS CAUSAS DEL DETERIORO DEL PAVIMENTO
FLEXIBLE DE LA VIA SIMÓN BOLÍVAR – MARISCAL SUCRE
A
UTOR
SALAZAR FLORES RAÚL ALEXIS
TUTOR
ING. JULIO VARGAS JIMÉNEZ, MSc.
2016
Agradecimiento
Agradezco a Dios por darme salud y vida para poder culminar esta etapa tan importante en mi vida, luego a mis padres por su apoyo incondicional y por sus sabios consejos en cada momento de mi vida, jamás podré compensar todo lo que han hecho por mí.
Dedicatoria
Este trabajo de titulación lo dedico a mis padres que son mi ejemplo a seguir por su humildad sacrificio y esfuerzo incansable, por siempre motivarme a lograr esta meta, ya que ellos son el pilar fundamental en mi vida impulsándome siempre a ser una persona de bien, este logro se los debe a ellos y a mi familia que de una u otra manera estuvieron apoyándome en todo este proceso de formación profesional, a mis maestros que en cada clase transmitían sus conocimientos, experiencias y anécdotas profesionales gracias a todos.
TRIBUNAL DE GRADUACIÓN
_____________________
______________________
Ing. Eduardo Santos Baquerizo, M. Sc. Ing. Julio Vargas Jiménez, M.Sc.
DECANO TUTOR
____________________
____________________
Ing. Gustavo Ramírez Aguirre, M.Sc. Ing. Marcelo Moncayo Theurer, M.Sc.
DECLARACIÓN EXPRESA
De conformidad con el Artículo XI del Reglamento de Graduación de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil.
La responsabilidad del contenido de este trabajo de Titulación, me corresponde exclusivamente y el patrimonio intelectual a la Universidad de Guayaquil.
___________________________________________
Salazar Flores Raúl Alexis Ci: 0202330221
Índice General
Capítulo I
Aspectos Generales
1.1 Introducción ... 1 1.2 Antecedentes ... 2 1.3 Objetivos ... 3 1.3.1 Objetivo general. ... 3 1.3.2 Objetivo específico. ... 31.4 Delimitación del tema ... 3
1.4.1 Delimitación espacial. ... 3
1.4.2 Delimitación de contenido... 5
1.5 Planteamiento del problema ... 6
1.6 Justificación ... 7
Capítulo II
Marco Teórico
2.1 Pavimento ... 82.1.1. Características que debe reunir un pavimento. ... 8
2.1.2. Clasificación de los pavimentos. ... 9
2.1.2.1. Pavimentos flexibles. ... 9
2.1.2.2. La subbase granular. ... 10
2.1.2.3. La base granular. ... 11
2.1.2.4. Carpeta. ... 12
2.2.1. Fallas de superficie. ... 13
2.2.2. Fallas estructurales. ... 13
2.2.3. Descripción de deterioros. ... 13
2.2.3.1. Depresiones. ... 13
2.2.3.2. Grietas por fatiga (longitudinales y piel de cocodrilo). ... 14
2.2.3.3. Bacheos y parcheos. ... 15
2.2.3.4. Ojos de pescado. ... 16
2.3. Trafico ... 16
2.3.1. Trafico promedio diario anual. ... 17
2.3.1.1. Proceso de cálculo del TPDA. ... 17
2.3.1.2. Observaciones de campo. ... 18
2.3.1.3. Variaciones de tráfico (factores). ... 19
2.3.2. Trafico futuro. ... 19
2.3.2.1. Caracterización del tránsito. ... 20
2.3.2.2. Conversión del tránsito en ESAL´s. ... 20
2.3.2.3. Factores equivalentes de carga. ... 21
2.3.2.4. Factor camión. ... 21
2.4. Diseño de pavimentos flexibles ... 22
2.5. Estudio de suelos ... 23
2.5.1. Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP). ... 23
2.5.1.1. Especificaciones Geométricas del DCP. ... 23
2.5.1.2. Resumen del Método de Ensayo. ... 25
2.5.1.3. Cálculos e interpretación de resultados. ... 26
2.5.2. Contenido de humedad. ... 27
2.5.4. Limite liquido (wl). ... 27
2.5.5. Limite plástico (wp). ... 28
2.5.6. Granulometría. ... 28
2.6. Especificaciones Técnicas MOP – 2002 ... 28
2.6.1. Mejoramiento con suelo seleccionado. ... 28
2.6.2. Subbase de agregados. ... 29 2.6.3. Base de agregados ... 30
Capítulo III
Metodología
3.1. Trabajos de Campo ... 32 3.2. Trabajos de laboratorio ... 32 3.3. Trabajos de gabinete ... 33Capítulo IV
Aplicación de la Metodología
4.1. Determinación del tráfico promedio diario anual (TPDA) ... 344.1.1. Conteo de tráfico ... 34
4.1.2. Variaciones del tráfico ... 36
4.1.2.1 Determinación del tráfico futuro. ... 39
4.1.2.2 Proyección del tráfico a 20 años (Tf). ... 41
4.1.2.3 Clasificación de la vía de acuerdo al tráfico... 43
4.1.2.1 Determinación de ESALS. ... 45
4.1.2.1.1 Cálculo de ESALs para el tráfico existente. ... 45
4.2. Estudio de Suelos y Materiales ... 54
4.2.1. Valores de CBR para diseño de pavimento. ... 59
4.3. Método de diseño de pavimentos flexibles AASHTO 93 ... 60
4.3.1. Variables para el diseño. ... 60
4.3.1.1 Restricciones de tiempo. ... 60
4.3.1.2 El tránsito. ... 60
4.3.1.3 Nivel de Confianza, R (%). ... 60
4.3.1.4 Nivel se serviciabilidad. ... 62
4.3.1.5 Módulo resiliente de la subrasante. ... 63
4.3.1.6 Numero estructural del pavimento, SN. ... 64
4.3.1.7 Espesores de capa. ... 65
4.3.1.7.1 Coeficientes estructurales. ... 65
4.3.1.7.2 Coeficientes de Drenaje. ... 68
4.3.1.7.3 Detalle de cálculo de espesores presentados en la imagen N°16 ... 71
4.3.2. Rediseño de pavimento flexible para un periodo de 20 años ... 73
Capítulo V
Análisis e Interpretación de Resultados
5.1. Tráfico ... 785.2. Caracterización de los materiales ... 78
5.2.1. Calicata 1... 79
5.2.2. Calicata 2... 81
5.3. Diseño de pavimento flexible para realizar la evaluación de la vía ... 82
Capítulo VI
Conclusiones Y Recomendaciones
6.1. Conclusiones ... 86 6.2. Recomendaciones ... 88 ANEXOS BIBLIOGRAFÍAÍndice de Tablas
Tabla 1: Ecuaciones para correlacionar el CBR ... 26
Tabla 2: clasificación de materiales para estructura del pavimento MOP – 2002 ... 31
Tabla 3: Formato utilizado para realizar el aforo vehicular ... 35
Tabla 4: Resumen de conteo de tráfico ... 35
Tabla 5: Factores de estacionalidad mensual ... 37
Tabla 6: Factor de ajuste diario ... 37
Tabla 7: Composición del tráfico existente ... 38
Tabla 8: TPDS en los dos sentidos ... 41
Tabla 9: Tráfico asignado en los dos sentidos ... 41
Tabla 10: Tabla de crecimiento según el tipo de vehículo ... 42
Tabla 11: Proyección del tráfico asignado ... 43
Tabla12: Valores de diseño recomendados ... 44
Tabla 13: Clasificación de la vía ... 45
Tabla 14: Cálculo de LEF ... 46
Tabla 15: Tabla Nacional de Pesos y Medidas ... 48
Tabla 16: Tabla Nacional de Pesos y Medidas ... 49
Tabla 17: Cálculo de Factor Camión ... 50
Tabla 18: Cálculo de los ESALs de diseño para el tráfico existente ... 51
Tabla 19: Valor de Factor de distribución por carril ... 52
Tabla 20: Cálculo de LEF para el tráfico estimado en 20 años ... 52
Tabla 22: conversión del trafico futuro a un número de ejes
equivalentes de 8.2 ton ... 54
Tabla 23: Ubicación de calicatas ... 55
Tabla 24: Ensayo y su respectivo procedimiento ... 56
Tabla 25: Resumen de los ensayos realizados ... 59
Tabla 26: Resumen de los valores de CBR de diseño ... 60
Tabla 27: Niveles de confianza sugeridos para varios tipos de carreteras ... 61
Tabla 28: Desviación normal estándar, Zr ... 61
Tabla 29: Error normal combinado para pavimentos flexibles, So ... 62
Tabla 30: Serviciabilidad inicial, Po ... 63
Tabla 31: Serviciabilidad final, Pt ... 63
Tabla 32: Valores de módulo resiliente y coeficiente estructural obtenido de los gráficos N° 13, 14 y 15 ... 68
Tabla 33: Calidad del drenaje... 68
Tabla 34: Coeficientes de drenaje recomendados mi ... 69
Tabla 35: Tabla de espesores mínimos ... 71
Tabla 36: Valores de módulo resiliente y coeficiente estructural ... 74
Tabla 37: Verificación del material existente C-1, para determinados parámetros de base, con un espesor de 40cm ... 80
Tabla 38: Verificación del material existente C-1, para determinados parámetros de subbase, con un espesor de 20cm ... 80
Tabla 39: Comprobación de material C-2, para explícitas cuantificaciones de base, con un grosor de 40cm. ... 82
Tabla 40: Verificación de material C-2, para determinados parámetros de subbase, con un espesor de 20cm ... 82
Tabla 41: Comparación de los espesores existentes y los calculados ... 83 Tabla 42: Verificación de material existente para determinados
parámetros de subbase. ... 84 Tabla 43: Verificación de material existente para determinados
Índice de Imágenes
Imagen 1: Ubicación vía Simón Bolívar – Mariscal Sucre ... 4
Imagen 2: Tramo de estudio... 5
Imagen 3: Conjunto típico de un pavimento ... 10
Imagen 4: Asentamiento de pavimento ... 14
Imagen 5: Piel de cocodrilo ... 15
Imagen 6: Parche ... 15
Imagen 7: Ojo de pescado ... 16
Imagen 8: Esquema del DCP ... 24
Imagen 9: Punto - cono recambiable ... 24
Imagen 10: Ubicación de la estación 1 ... 34
Imagen 11: Cantidad de vehículos en las dos orientaciones ... 39
Imagen 12: Distribución granulométrica de la muestra 1, calicata 1 ... 58
Imagen 13: Gráfico para encontrar a1 para capas asfálticas en función de distintos ensayos ... 66
Imagen 14: Variación de coeficientes a2 con distintos parámetros de resistencias de la base granular ... 67
Imagen 15: Variación del coeficiente a3 con distintos parámetros de resistencia de la sub-base ... 67
Imagen 16: Diseño de pavimento flexible método AASHTO 93 ... 70
Imagen 17: Análisis del diseño por capas ... 71
Imagen 18: Coeficiente a3 con un valor de CBR = 45% de la subbase ... 73
Imagen 20: Propuesta de rehabilitación del pavimento flexible
para un periodo de 20 años... 75
Imagen 21: Estratigrafía de la calicata 1 ... 79
Imagen 22: Estratigrafía de la calicata 2 ... 81
Imagen 23: Gráfico de la estructura calculada ... 83
Capítulo I
Aspectos Generales
1.1 Introducción
La vía que une el cantón Simón Bolívar con la parroquia Mariscal Sucre atraviesa una zona rica en sembríos de banano, café, cacao y arroz permitiendo que estos productos puedan transportarse y comercializarse a las grandes ciudades, además sirve como medio de comunicación a los usuarios que circulan diariamente por esta vía. La carretera no da un buen servicio a sus usuarios, ya que se encuentra deteriorada, por ende en este tema de titulación se realizara un estudio a la estructura para determinar cuáles son los principales causantes que hacen que el pavimento flexible se deteriore. Una vez determinado los causantes del deterioro de la carretera se planteara un rediseño para mejorar la estructura del pavimento flexible actual, para garantizar una durabilidad, comodidad y seguridad a las personas que transitan por esta vía.
Para hacer este estudio se realizara un aforo vehicular para conocer con mayor amplitud el tráfico actual que circula por la vía, se desarrollara un estudio de suelos para caracterizar los materiales que fueron empleados en su construcción.
Se ejecutara un diseño de pavimento flexible empleando el método AASHTO –
93, con el tráfico existente, para lograr efectuar la comparación con la estructura actual y así poder determinar los motivos por el cual el pavimento flexible se encuentra deteriorado. Definidos los causantes del deterioro se revisara si los materiales sirven para ser reutilizados, para poder hacer el rediseño el cual tendrá una proyección a 20 años.
1.2 Antecedentes
Como obligación previa a la obtención del título de Ingeniero Civil necesito hacer el trabajo de titulación en el núcleo de Vías, por lo que quiero aplicar mi aprendizaje en la vía Simón Bolívar – Mariscal Sucre, en donde considero que esta carretera se encuentra en mal estado originando inseguridad y afectando la economía de todos los usuarios de este camino.
Los automóviles que transitan por estos caminos deben realizar maniobras riesgosas para evitar las fallas presentes en la capa de rodadura, por estas circunstancias deciden cambiar de carril volviéndose un peligro constante para las personas que circulan esta vía, por lo que sería oportuno efectuar una valoración de la condición actual de la estructura del camino, para establecer cuáles son los primordiales causantes de las fallas y en base a esto plantear o exponer una mejoría de la estructura para generar una mejor economía y seguridad de los ciudadanos que transitan por esta vía.
1.3 Objetivos
1.3.1 Objetivo general.
Determinar cuáles son los principales causantes que originan el deterioro del pavimento flexible de la vía Simón Bolívar – Mariscal Sucre.
1.3.2 Objetivo específico.
Realizar un conteo manual de vehículos, para determinar el TPDA actual y el TPDA futuro.
Determinar el CBR in situ a través del ensayo con el DCP.
Analizar la estructura de pavimento flexible, mediante calicatas se verificar el dimensionamiento de las capas que componen el pavimento y se analizara en laboratorio los materiales de base, subbase y subrasante
Elaborar el diseño de la estructura del pavimento flexible empleando el método ASSHTO – 93, con las cargas recibidas por el tráfico en la actualidad, con el propósito de efectuar una comparación con el diseño que posee esta vía.
Rediseñar la estructura de pavimento flexible empleando la metodología AASHTO – 93, realizando la proyección de tráfico a un periodo de 20 años.
1.4 Delimitación del tema
1.4.1 Delimitación espacial.
La vía Simón Bolívar – Mariscal Sucre ubicada en la Provincia del Guayas, la cual presenta problemas en su capa de rodadura tiene una longitud aproximada de 12km con un ancho de calzada de 7m, la cual cuenta con dos carriles en los
cuales no se conoce con exactitud el ancho de cada carril debido a que esta vía no presenta una señalización horizontal, esta vía pertenece a la Prefectura del Guayas.
El trabajo de titulación se realizara desde el km 6+ 600 hasta el km 7+ 600 teniendo una distancia de 1km, área designada por ser más evidente su deterioro.
Coordenadas UTM:
Punto inicial Este: 666510.00, Norte: 9772032.00 Punto final Este: 666524.00, Norte: 9771016.00
Imagen 1: Ubicación vía Simón Bolívar – Mariscal Sucre Fuente: Google Earth
Imagen 2: Tramo de estudio Fuente: Google Earth
1.4.2 Delimitación de contenido.
En la vía Simón Bolívar – Mariscal Sucre se realizara una evaluación a la estructura, para lo cual se hará un conteo manual para determinar el TPDA existente y el TPDA futuro a una proyección de 20 años y en los dos casos se calculará los ESALs, se determinaran los CBR´s mediante el ensayo con el DCP y posteriormente se harán calicatas para constatar las dimensiones de las capas que conforman el pavimento, al mismo tiempo se extraerá material de la base, subbase y subrasante, con el fin de llevarlas al laboratorio para analizar sus propiedades físicas y mecánicas, con el CBR de la subrasante y los ESALs obtenidos del trafico actual, se realizara el diseño de pavimento flexible aplicando la metodología AASHTO – 93, para hacer una comparación con el pavimento actual.
Se realizara la comparación de espesores del diseño propuesto con el tráfico existente y los espesores que tiene la vía en la actualidad, además se verificara si
las propiedades de los materiales cumplen con las especificaciones técnicas del MOP – 2002, tanto para base como para subbase.
Con la proyección del tráfico a 20 años se determinaras los ESALs para efectuar la rehabilitación de la estructura de pavimento flexible para proyectar una solución al problema actual.
1.5 Planteamiento del problema
En el pavimento flexible de la vía Simón Bolívar – Mariscal Sucre se producen fallas que se muestran en la capa de rodadura las cuales pueden originarse por un inadecuado diseño o malos procedimientos constructivos, las anomalías que muestra la ruta o carretera son baches, exposición de agregados, y piel de cocodrilo (agrietamientos en forma de malla), en las cuales no se ha hecho un estudio que determine los motivos por los que se producen.
En esta vía se presentan constantemente la aparición de fallas superficiales en la carpeta asfáltica, ante los cuales la Prefectura del Guayas realiza trabajos emergentes cuando se presentan baches, pero a medida que pasa el tiempo se vuelven a presentar en distintos lugares de la capa de rodadura y no se da una solución eficiente ante este problema.
1.6 Justificación
El problema se desarrolla en la necesidad de conocer el motivo del deterioro del pavimento flexible, ya que en la Prefectura del Guayas no cuenta con un inventario en el cual consten los motivos por los que se produce el deterioro constante de la estructura de esta carretera. Por este motivo nace el requerimiento de realizar una valoración estructural al pavimento flexible de la vía Simón Bolívar – Mariscal Sucre, debido a que no se encontró información del diseño o estudio de su construcción, ni del estado actual de la vía.
Capítulo II
Marco Teórico
2.1 Pavimento
Los pavimentos están conformados por un conjunto de capas superpuestas, respectivamente de forma horizontal, que se diseñan y elaboran de manera técnica con materiales adecuados y convenientemente compactados. Para los autores Figueroa, y otros quienes afirman que: “Estas estructuras estratificadas se apuntalan sobre la subrasante la misma tiene que soportar de una forma apropiada los esfuerzos que transfieren el peso respectivo del tránsito en el tiempo para el cual fue creada” (Figueroa, y otros, 2010)
2.1.1. Características que debe reunir un pavimento.
El pavimento para que logre cumplir su propósito de creación de la forma más conveniente tiene que reunir los siguientes aspectos:
Tener resistencia al accionar continuo de las cargas que producen los vehículos que transitan.
Tener resistencia frente a los agentes de intemperismo.
Mostrar una textura superficial acoplada a la velocidad estimada con que la mayoría de vehículos circulan, por cuanto esta posee una decisiva influencia en la seguridad vial. Así mismo, tiene que mostrar resistencia al desgaste ocasionado por los efectos abrasivos de las llantas de los automóviles.
Tiene que mostrar seguridad superficial, ya sea esta transversal como longitudinal, que permita una apropiada manejabilidad de los usuarios.
Tiene que ser duradero.
Mostrar condiciones correctas en relación al drenaje.
Los ruidos de rodadura, en el interior de los automóviles que incomodan a los usuarios, así como en el exterior, que perjudican al ambiente, tiene que ser apropiadamente contenido.
Tiene que ser económico.
2.1.2. Clasificación de los pavimentos.
En latinoamericana el pavimento se catalogan de la siguiente forma: pavimento flexible, pavimento semi-rigido o semi-flexible, pavimento rígido y pavimento articulado. (Montejo, 2002, pág. 2)
2.1.2.1. Pavimentos flexibles.
Este tipo de pavimento está conformado por una carpeta bituminosa apoyado habitualmente sobre 2 capas no rígidas, la base y la sub-base. No obstante puede prescindirse de cualquiera de estas capas dependiendo de las necesidades particulares de cada obra. (Montejo, 2002, pág. 2)
Imagen 3: Conjunto típico de un pavimento Fuente: http://biblioteca.mti.gob.ni
Funciones de las capas de un pavimento flexible
2.1.2.2. La subbase granular.
Función económica: una de las primordiales funciones que tiene esta sub-base es claramente económico; en efectos, el espesor general que se pretende para que el grado de esfuerzo en la sub-rasante sea igual o menor que su propia resistencia, suele ser diseñado y elaborado con material de elevada calidad; no obstante, es más factible dividir las capas más calificadas en la zona superior y ubicar en la zona inferior del suelo las capas de menos valoración cabe recalcar que estas son mucho más económicas. Esta solución logra trasladar consigo un incremento en el grosor y volumen final del pavimento aparte de que resulta un producto económico. (Montejo, 2002, pág. 4)
Capa de transición: para (Nicolas R., 2012) ”La sub-base correctamente elaborada imposibilita la introducción de los materiales que fabrican la base con los de la sub-rasante y por otro lado, actúa como filtro de la base imposibilitando que los finos de la sub-rasante la impurifiquen perjudicando su calidad”.
Disminución de las deformaciones: ciertas variaciones volumétricas de la capa sub-rasante, “frecuentemente asociadas a cambios en su contenido de agua (expansiones), o a variaciones extremas de temperaturas (congelada), consiguen absorberse con la capa sub-base, evitando que dicha imperfecciones se proyecten en la superficie de rodamiento” (Nicolas
R., 2012).
Resistencia: la sub-base tiene que soportar los esfuerzos que se transmiten por las cargas de los automóviles a través de los mantos superiores y transmitirlas a un grado conveniente de la sub-rasante (Nicolas R., 2012).
Drenaje: en la mayoría de los casos la sub-base tiene que drenar el agua, que se introduce a través de la carpeta o por las bermas, de igual manera evitar el ascenso capilar (Nicolas R., 2012).
2.1.2.3. La base granular.
Resistencia: la primordial función que tiene la base granular de un pavimento radica en suministrar un componente resistente que trasfiera a
la sub-base y a la sub-rasante los esfuerzos producidos por la circulación de vehículos en una intensidad adecuada (Montejo, 2002, pág. 4).
Función económica: en relación a la carpeta del asfalto, la base posee un funcionamiento económico análogo a la que tiene la sub-base en relación a la base (Montejo, 2002, pág. 4).
2.1.2.4. Carpeta.
Superficie de rodamiento: la función de la carpeta es suministrar una superficie uniforme y firme a la circulación del tránsito, de textura y color conveniente, además de resistir los efectos abrasivos del tránsito. (Montejo, 2002, pág. 4).
Impermeabilidad: hasta donde sea posible, debe impedir el paso del agua al interior del pavimento. (Montejo, 2002, pág. 5).
Resistencia: su resistencia a la tensión complementa la capacidad estructural del pavimento. (Montejo, 2002, pág. 5).
2.2. Tipos de falla en un pavimento flexible
Existen 2 clases de falla:2.2.1. Fallas de superficie.
Comprende los defectos de la superficie de rodamiento debido a fallas de la capa asfáltica y no guardan relación con la estructura de la calzada. La corrección de estas fallas se efectúa con solo regularizar la superficie y conferirle una adecuada impermeabilidad.(Montejo Fonseca, 2006, pág. 158)
2.2.2. Fallas estructurales.
Está comprendido por los defectos que padece la superficie de rodamiento cuyo origen es una falla en la estructura del pavimento, en pocas palabras una o más capas que tienen que soportar las solicitaciones del tránsito y el conjunto de factores climáticos regionales. Para corregir este tipo de fallas es necesario un refuerzo sobre el pavimento existente. Se hace necesario el diseño de una estructura nueva formada por la subrasante - pavimento antiguo – refuerzo. (Montejo Fonseca, 2006, pág. 158)
2.2.3. Descripción de deterioros.
2.2.3.1. Depresiones.
Áreas localizadas del pavimento, cuya elevación es menor que la de la superficie circulante. Pueden ser motivadas por asentamientos del suelo de fundación o pueden ser generadas durante la construcción por deficiente
compactación o el uso de materiales inadecuados. (Montejo Fonseca, 2006, pág. 174)
Imagen 4: Asentamiento de pavimento Fuente: Catálogo de pavimentos flexibles
2.2.3.2. Grietas por fatiga (longitudinales y piel de
cocodrilo).
La piel de cocodrilo es un conjunto de grietas interconectadas, las cuales se producen por la falla por fatiga de las capas asfálticas a causa de la acción repetida de las cargas del tránsito. El agrietamiento se inicia en la parte inferior de dichas capas donde los esfuerzos de tensión y las deformaciones a causa de las cargas del tránsito alcanzan su mayor magnitud. La piel de cocodrilo se considera un síntoma muy importante de deterioro estructural del pavimento asfaltico.(Montejo Fonseca, 2006, pág. 175).
Imagen 5: Piel de cocodrilo
Fuente: Catálogo de deterioro de pavimentos flexibles
2.2.3.3. Bacheos y parcheos.
Áreas donde el pavimento original ha sido removido y reemplazado con materiales similares o diferentes. Las capas involucradas en la reparación pueden ser solo las asfálticas (parcheo) o tanto las asfálticas como las inferiores del pavimento (bacheo). Estas reparaciones se usan como trabajos provisionales o definitivos a ciertos defectos del pavimento. (Montejo Fonseca, 2006, pág. 176)
Imagen 6: Parche Fuente: Raúl Salazar
2.2.3.4. Ojos de pescado.
Cavidades de tamaño diverso, de forma aproximadamente redondeada, que resultan del desprendimiento ocasionado por el tránsito de trozos de carpeta afectados por agrietamientos del tipo piel de cocodrilo, por depresiones o desintegración localizada de la mezcla asfáltica. Según su gravedad, la reparación deberá incluir solo la capa de rodadura o la totalidad de la estructura. (Montejo Fonseca, 2006, pág. 180)
Imagen 7: Ojo de pescado
Fuente: Catálogo de deterioros de pavimentos flexibles
2.3. Trafico
La elaboración de una vía para traslado vehicular o del tramo del mismo tiene que estar basado entre otros datos en las informaciones sobre tráfico, con el propósito de efectuar comparaciones con el volumen o sea con la capacidad máxima de automóviles que una carretera puede soportar. Como resultado de ello el trafico afecta de manera directa a las particularidades de la elaboración geométrica (Normas de diseño geometrico de carreteras , 2003, pág. 11).
Los datos del tráfico deben comprender la determinación del tráfico actual (volúmenes y tipos de vehículos), en base a estudio de tráfico futuro utilizando pronósticos. (Normas de diseño geometrico de carreteras , 2003, pág. 11).
2.3.1. Trafico promedio diario anual.
La unidad de medida en el tráfico de una carretera es el volumen del tráfico promedio diario anual cuya abreviación es el TPDA. (Tráfico promedio diario anual) (Normas de diseño geometrico de carreteras , 2003, pág. 11).
Para la realización de la medición del TPDA se tiene que tomar en consideración lo siguiente:
En camino de una sola dirección de traslado, el tráfico será el contado en ese sentido.
En caminos de doble dirección de traslado, se tomara la cantidad de tráfico en ambos sentidos. Habitualmente en esta clase de caminos al final de la jornada la cantidad de vehículos es parecida en ambas direcciones.
En lo referente a las autopistas, normalmente se realiza el cálculo del TPDA para cada dirección de traslado vehicular.
2.3.1.1. Proceso de cálculo del TPDA.
El trafico promedio diario anual (TPDA) se determina a partir de observaciones puntuales del tráfico y de las variaciones de tráfico.
2.3.1.2. Observaciones de campo.
Es indispensable efectuar conteos automovilísticos que faciliten conocer el grado de tráfico existente.
Tipos de conteo
Conteo manual: este tipo de conteo se caracteriza por ser irremplazable, por brindar datos en relación a la composición del tráfico y los giros en intersecciones de las que depende significativamente el diseño del camino.
Conteo Automático: este tipo de conteo facilita la comprensión de la cantidad general del tráfico. Todo un siempre debe ir acompañado de conteos manuales para determinar una mejor composición.
Periodo de observación: el periodo de observación para un análisis concluyente, tiene que tener por lo mínimo un conteo manual de siete días consecutivos en una semana que no esté afectada por eventos especiales.
Variaciones de tráfico: Las variaciones de tráfico son los factores que permiten establecer relaciones entre las observaciones actuales y puntuales de tráfico de los datos estadísticos de lo ocurrido con anterioridad, llegando así a determinar el TPDA del año en que se realice el estudio.
Este vínculo se lo puede determinar considerando de que la sociedad está en constante movimiento por las costumbres y al no haber un cambio en la organización poblacional de una nación, prácticamente estos cambios persistirán de forma constante en etapas más o menos extensas, por lo que el TPDA (Tráfico promedio diario anual) puede llegarse a medir basándose en muestreos.
2.3.1.3. Variaciones de tráfico (factores).
Factores horarios (FH): consiente en cambiar el volumen de tráfico que se haya registrado en una establecida cantidad de horas a VOLUMEN DIARIO PROMEDIO.
Factores diarios (FD): cambia el volumen de tráfico diario promedio en VOLUMEN SEMANAL PROMEDIO.
Factores semanales (FS): cambia la cantidad semanal promediada del tráfico en VOLUMEN MENSUAL PROMEDIO.
Factores mensuales (FM): Cambia la cantidad mensual promediada del tráfico en TRAFICO PROMEDIO DIARIO ANUAL (TPDA).
2.3.2. Trafico futuro.
El pronóstico del volumen y composición del tráfico está basado en el tráfico actual. Los diseños se basan en una proyección del tráfico a 15 o 20 años y el crecimiento normal del tráfico, el tráfico generado y el crecimiento del tráfico por desarrollo.
Las proyecciones de tráfico se utilizan para la categorización de los caminos e intervienen en el establecimiento de la rapidez de elaboración, también para enseñar el momento en que las vías deben mejorarse su parte superficial o incrementar su capacidad. (Normas de diseño geometrico de carreteras , 2003, pág. 16).
2.3.2.1.
Caracterización del tránsito.
En la metodología ASSHTO los pavimentos se proyectan para que soporten determinada cantidad de carga durante su vida útil. El tráfico está compuesto por vehículos de distintos pesos y cantidad de ejes y a los efectos de cálculo, se los convierte en un número equivalente de ejes de 80KN o 18 Kips. (AASHTO, 1993).
2.3.2.2.
Conversión del tránsito en ESAL´s.
Los pavimentos interactúan distinto dependiendo de las cargas las cuales produce tensiones y deformaciones, los distintos grosores y materiales que está compuesto el pavimento responden de forma distinta a una misma carga, motivo por el cual las diferentes fallas se distinguen de acuerdo a lo intenso del peso y las particularidades del pavimento. Cabe recalcar que para tener en consideración este aspecto, la circulación es reducida a un número equivalentes de ejes de una establecida carga que produciría el mismo daño que toda la composición del tránsito. De acuerdo a ASSHO esta clase de carga es de 80KN o 18 Kips, como se pudo notar existe una conversión la cual se efectúa mediante los factores equivalentes de carga, definidos como LEF que
significa “Load Equivalent Factor y en la versión de español quiere decir Factor
Equivalente de Carga (AASHTO, 1993).
2.3.2.3. Factores equivalentes de carga.
“La conceptualización de transformar un tránsito mixto en una cantidad de
ESALs de 80KN, fue implementada y perfeccionada en el Road Test de la ASSHO, en esta prueba se cargaron pavimentos similares conformados de ejes y cargas para examinar los daños producidos” (AASHTO, 1993).
De esta forma “el factor equivalente de carga LEF es una valor numérico que expresa la relación entre la pérdida de serviciabilidad (condición del pavimento para brindar un manejo seguro) provocada por una carga de una clase de eje y la originada por el eje de 80KN en el mismo eje” (AASHTO,
1993).
Ecuación 1
2.3.2.4. Factor camión.
Los daños originados por cada eje de un vehículo se van sumando para establecer los daños ocasionados por los vehículos en general, “de esta forma se
da origen de la definición del factor camión (FC), que se determina como la cantidad de ESALs por automóvil. Para todos los vehículos comerciales como un promedio para una configuración de transito dada”. (AASHTO, 1993).
𝐿𝐸𝐹 = 𝑁°. 𝑑𝑒 𝐸𝑆𝐴𝐿𝑠 𝑑𝑒 80 𝐾𝑁 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑒𝑛 𝑢𝑛𝑎 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑁°. 𝑑𝑒 𝑒𝑗𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑥 𝐾𝑁 𝑞𝑢𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑚𝑖𝑠𝑚𝑎 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑
Ecuación 2
2.4. Diseño de pavimentos flexibles
Uno de los primeros antecedentes en la elaboración y diseño de pavimentos de acuerdo a la metodología AASHTO “es el que se basa en el ASSHO Road Test el
cual fue una prueba efectuada en aquel pavimento que tenía ciertas particularidades enlazadas a distintas cargas en “Ottawa, Illinois entre 1958 y 1960” (Zuñiga M. , 2006). Gracias a estas pruebas se logró recoger información
importante para que se a empleado en la metodología de diseño de pavimentos, “de esta forma hace su aparición el AASHO que sujetaba programaciones de
diseños basadas en normas empíricas deducidas de información recolectadas en el AASHO Road Test” (Zuñiga M. , 2006)
Luego aparece la AASHTO Interim “Guide for the Design of Pavement
Sructures en 1972 y luego de hacer observaciones a partir de 1983, aparece en 1986 la AASHTO Guide for the Design of pavement Structures” con muchas
modificaciones con respecto a 1972 en las cuales se tiene en cuenta la confiabilidad, módulos resilientes de materiales, coeficientes de drenaje y efecto de subrasante expansivas sometidas a congelación y deshielo.
Finalmente en 1993 se hace una revisión a esta versión, la cual no ofrece variaciones en lo que se refiere a diseños de pavimentos flexibles. (AASHTO, 1993).
𝐹𝐶 = 𝑁°. 𝑑𝑒 𝐸𝑆𝐴𝐿𝑠 𝑁° 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠
2.5. Estudio de suelos
2.5.1. Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP).
El Penetrómetro Dinámico de Cono (DCP), está definido como un mecanismo para evaluar las resistencias de los suelos inalterados y/o compactados. Este ensayo se lo realiza aplicando la metodología publicada por la ASTM para la utilización y ejecución del DCP en pavimentos, el cual tiene la designación D 6951-03. (ASTM D 6951, 2003, pág. 1)
Esta modalidad de ensayo radica sobre la medición de la razón de penetración de penetrómetro dinámico de cono, está razón de penetración puede relacionarse con la capacidad de soporte en situ, “tal como mide su estimación con el ensayo de CBR. (Razón de Soporte California)” (Palma, 2012)
2.5.1.1. Especificaciones Geométricas del DCP.
El DCP de 8kg que se muestra en la “imagen 8 consiste en los siguientes componentes” (Palma, 2012)
Una barra de acero de “15.8mm (5/8´´) de diámetro, con una punta-cono recambiable o desechable” (Palma, 2012).
Un mazo de 8kg. (17,6lbs)
Un ensamblaje de acople y una empuñadura
Escala vertical graduada
La punta-cono “tiene un ángulo de 60° y un diámetro en la base de 20mm (0,79´´)” (Palma, 2012). Observar la figura 9.
Como normativa universal, “el aparato se construye a base de acero inoxidable, con excepciones de la punta-cono que es una pieza cambiable, esta
consigue ser elaborada en bases de acero endurecido o unos materiales similares que soporten la utilización” (Palma, 2012).
Imagen 8: Esquema del DCP Fuente: NORMA ASTM D 6951-03
Imagen 9: Punto - cono recambiable Fuente: NORMA ASTM 6951-03
2.5.1.2. Resumen del Método de Ensayo.
Según la American Society for Testing and Materials, “El operador debe
sostener el aparato por la empuñadera en posición vertical, e inmediatamente incrusta la punta del DCP en el suelo, elevando el mazo deslizante hasta la empuñadera y luego soltándola en una altura de 575mm. Se mide y se toma nota de la penetración total, para un número establecido de golpes” (Achá, 2013).
Según su aplicabilidad la profundidad de la penetración varía, para su utilización en autopistas es adecuada una penetración menor a 900mm 35 pulgadas” (Achá, 2013).
La presencia de agregados de gran tamaño o estratos de roca va a ocasionar que la penetración se imposibilite o que se flexione la barra guía, “si después de 5
impactos, el DCP no ha avanzado, más de 2mm (0,08 pulgadas) o el mango se ha desviado más de 75mm (3 pulgadas) de la posición vertical, se debe detener la prueba y mover el DCP hacia otro lugar. La nueva ubicación para realizar la prueba debe estar ubicada con lo mínimo a unos 300mm (12 pulgadas) de la localización anterior” (Achá, 2013).
Las lecturas son tomadas posteriormente de un número establecido de golpes, después de “un impacto en el caso de materiales suaves, 5 impactos en el caso de materiales “normales” y 10 impactos en el caso de materiales muy resistentes”
(Achá, 2013). La penetración conveniente a un número establecido de golpes se registrara “al 1mm más próximo (0,04 pulgadas), así mismo se debe efectuar una
lectura tan pronto varíe significativamente las características del material o la razón de penetración” (Achá, 2013).
2.5.1.3. Cálculos e interpretación de resultados.
El CBR “in situ” (California Bearing Ratio), se calcula empleando el “índice del
DCP para cada grupo de lecturas, la penetración por golpe consigue ser graficada en relación a la escala de lectura o en proporción a la profundidad total obtenida, la penetración por golpe se usa para evaluar el CBR in situ o la fuerza al corte manejando una reciprocidad apropiada” (Achá, 2013).
A continuación se detallaran en la siguiente “Tabla las ecuaciones usadas y recomendadas por el Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos”
(Achá, 2013).
Tabla 1: Ecuaciones para correlacionar el CBR
Competente para toda clase de suelos a excepción de suelos CL y CH
Convenientes para suelos CL con CBR < 10 %, arcilla inorgánica de baja a media plasticidad
Adecuados para suelos CH, arcillas inorgánicas de elevada plasticidad
Fuente: Ecuaciones recomendadas por el Cuerpo de Ingenieros de la Armada de los Estados Unidos CBR=𝐷𝐶𝑃2921.12 Ecuación 3 CBR=(0.017019∗𝐷𝐶𝑃)1 1.12 Ecuación 4 CBR=0.002871∗𝐷𝐶𝑃1 Ecuación 5
2.5.2. Contenido de humedad.
El contenido de humedad de un suelo, “es la relación entre el peso del agua contenida en la muestra, y el peso de la muestra luego de secarse en un horno”
(Román Ch., 2011).
2.5.3. Límites de Atterberg.
Por consistencia entiende el valor de cohesión de las “partículas de suelo y su resistencia a aquellas fuerzas exteriores que tienden a deformar o destruir su estructura” (Román Ch., 2011).
La plasticidad no es una propiedad permanente de las arcillas, sino que es circunstancial, así, una arcilla puede parecer un ladrillo “resistente cuando esta seca y un lodo semilíquido cuando se encuentra con suficiente cantidad de agua”
(Pierbich, 2013).
Según su contenido de agua en orden decreciente, “un suelo susceptible de ser plástico, puede estar en cualquiera de los estados de consistencia definidos por Atterberg” (Pierbich, 2013).
2.5.4. Limite liquido (wl).
El límite líquido de un suelo es “el contenido de humedad, en el cual, el material cambia del estado plástico al estado líquido” (Pierbich, 2013).
2.5.5. Limite plástico (wp).
Según ( Terreros de Varela & Moreno Lituma, 1995, pág. 25) “Límite plástico de un suelo, es el mínimo contenido de agua, con el cual el suelo persiste plástico”.
2.5.6. Granulometría.
Este análisis granulométrico es realizado en el suelo, que radica en apartar y especificar por tamaños los granos que lo conforman con el fin de clasificar los suelos gruesos o de observar si se cumple especificaciones. ( Terreros de Varela & Moreno Lituma, 1995, pág. 36)
2.6. Especificaciones Técnicas MOP – 2002
2.6.1. Mejoramiento con suelo seleccionado.
Deberá “ser suelo granular, material rocoso o combinaciones entre ambos, libre de material orgánico y escombros” (Lucero, 2016), y salvo que se especifique de otra manera, “habrá una granulometría tal que todas las partículas
pasaran por un tamiz de 4 pulgadas (100mm). Con una abertura cuadrada y no más del 20 por ciento será conducido el tamiz N° 200 (0.075 mm)” (Lucero, 2016).
La porción de material que pase por “el tamiz N° 40 (0.425mm). Deberá poseer
un índice de plasticidad no mayor de nueve (9) y limite liquido hasta 35% y siempre que el valor del CBR sea mayor al veinte por ciento, tal como se fija en el ensayo AASHTO-T-91” (Lucero, 2016).
2.6.2. Subbase de agregados.
Las sub-bases de agregados se clasifican como se indica a continuación, de acuerdo a los materiales a manejarse. El tipo de sub-base que les corresponda emplearse en la obra debe estar detallada en las documentaciones estipuladas. De igual manera, la parte que pase el tamiz N° 40 debe contar con un índice de plasticidad menor que 6 y un límite liquido máximo de veinticinco. La capacidad de soporte pertenecerá a un CBR igual o mayor del treinta por ciento. (MOP - 001-F, 2002)
Clase 1: la sub-base clase 1 está constituida por “agregados gruesos provenientes de la trituración de grava o roca, mezclados con arena natural o material finamente triturado para alcanzar la granulometría puntualizada. Por lo menos el treinta por ciento corresponderá a ser obtenido por el procedimiento de trituración”. (Aulestia A., 2012).
Clase 2: la sub-base clase 2 está conformada por agregados gruesos, conseguidos por medio de la “trituración o cribado de gravas o depósitos cuyas partículas estén fragmentadas naturalmente, combinados con arena natural o material finamente triturado para conseguir la granulometría detallada. Por lo menos el treinta por ciento le corresponderá alcanzarse mediante el proceso de trituración”
(Aulestia A., 2012).
Clase 3: la sub-base clase 3 está constituida por agregados gruesos, conseguidos con la utilización de cribado de gravas o roca, combinados
con arena natural o material finamente triturado para lograr la granulometría definida. (MOP - 001-F, 2002)
2.6.3. Base de agregados
Las bases de agregados podrán ser de las clases indicadas a continuación, acorde con el tipo de material a utilizarse. (MOP - 001-F, 2002)
El tipo de base que deben utilizar en una obra será detallada en las documentaciones establecidas. Por tal razón, “el límite líquido de la fracción que
pasa el tamiz N° 40 le corresponderá ser menor de 25 y el índice de plasticidad menor de 6. El valor de CBR tiene que ser igual o mayor al 80%” (Aulestia A., 2012).
Clase 1: son bases construidas por agregados gruesos y finos, triturados en un cien por ciento y graduados uniformemente de la forma como se visualiza en el cuadro número 2.
Clase 2: son bases construidos por “fragmentos de roca o grava trituradas cuya fracción de agregado grueso es triturada al menos el cincuenta por ciento en peso” (Aulestia A., 2012), y que cumplirá los
requerimientos establecidos en el cuadro número dos.
Clase 3: son bases construidos por fragmentos de rocas o gravas trituradas cuya fracción de adherido grueso será triturado por lo menos en un veinticinco por ciento en peso.
Clase 4: son bases construidos por “agregados conseguidos mediante la trituración o cribado de piedras fragmentadas naturalmente o de gravas”
(Aulestia A., 2012).
Síntesis de las granulometrías para material de mejoramiento sub-base y base granular.
Tabla 2: clasificación de materiales para estructura del pavimento MOP – 2002
Fuente: (MOP - 001-F, 2002) PARAMETRO MEJORAMIENTO LIMITE LÍQUIDO ≤ 35 ÍNDICE PLÁSTICO ≤ 9 % CBR% > 20 % TAMIZ MEJ. C - 1 C-2 C - 3 C-1 C-2 C-3 C - 4 4" (101.6mm.) 100 3" (76.2mm) 100 2" (50.8mm.) 100 100 1 1/2" (38.1mm.) 100 70-100 100 1" (25.4mm.) 70-100 100 60 - 90 3/4" (19.0mm) 60-90 70-100 100 3/8" (9.5mm.) 45-75 50-80 N° 4 (4.76mm.) 30 - 70 30-70 30 - 70 30-60 35-65 45-80 20 - 50 N°10 (200mm.) 20-50 25-50 30-60 N° 40 (0.425mm.) 10-35 15-40 10-25 15-30 20-35 N° 200 (0.075mm.) 0 - 20 0-15 0-20 0-20 2-12 3-15 3-15 0 - 15 < 25 % < 6 % ≥ 30 % < 25 % < 6 % ≥ 80 % GRANULOMETRIA SUBBASE BASE
Capítulo III
Metodología
La metodología que se empleó para el proyecto actual, se divide de la siguiente forma:
3.1. Trabajos de Campo
En los trabajos de campo se realizara una inspección visual para verificar el estado actual de la carretera.
Se hará un aforo vehicular que permita establecer el tráfico promedio diario anual.
Ensayos in situ con el DCP y toma de muestras que serán analizadas en el Laboratorio de Suelos Dr. Ing. “Arnaldo Ruffilli”.
3.2. Trabajos de laboratorio
Una vez transportadas las muestras al laboratorio se procederá a realizarles los distintos ensayos:
Humedad natural
Límite líquido
Límite plástico
Índice de plasticidad
Granulometría
3.3. Trabajos de gabinete
En los trabajos de gabinete se procederá a realizar los cálculos de los datos obtenidos en el conteo vehicular y de los ensayos realizados en el laboratorio de suelos, de los resultados obtenidos del estudio de suelos, se calificara los materiales con los detalles del MOP -001-F 2002 y se efectuara el diseño de la estructura de pavimento flexible utilizando la guía AASHTO – 93.
Capítulo IV
Aplicación de la Metodología
4.1. Determinación del tráfico promedio diario anual (TPDA)
4.1.1. Conteo de tráfico
Teniendo como propósito la fijación del tráfico promedio diario anual (TPDA) existente, el conteo se ejecutó por medio de un proceso manual, colocando una estación de conteo ubicada en el km 6+870. El conteo se lo realizo los días sábado 11, domingo 12, lunes 13, martes 14 y miércoles 15 de Junio del año 2016 en un tiempo determinado de 24 h. por día, obteniendo así el volumen de tráfico que circula por este tramo de la vía.
Imagen 10: Ubicación de la estación 1 Fuente: Google Earth
Tabla 3: Formato utilizado para realizar el aforo vehicular
Fuente: Raúl Salazar
El conteo realizado permitió conocer el número total de vehículos y el tráfico promedio diario el cual se detalla en la siguiente tabla:
Tabla 4: Resumen de conteo de tráfico
Fuente: Raúl Salazar
Por lo tanto se obtuvo un TPD = 1573 veh. Mixtos/día/ambos sentidos
Para obtener los datos del tráfico promedio diario semanal (TPDS) en la estación 1, fue obtenido mediante la subsiguiente ecuación:
Empleando la ecuación 6 se obtuvo el siguiente TPDS.
ESTACIÓN 1: DÍA CONTEO: FECHA:
DIRECCIÓN:
Automóvil Camioneta Buseta Bus C2P C2G C3 C3-S1 C2-S1 C2-S2 C3-S2 C3-S3 06h00 07h00 07h00 08h00 08h00 09h00 09h00 10h00 10h00 11h00 11h00 12h00 12h00 13h00 13h00 14h00 14h00 15h00 15h00 16h00 16h00 17h00 17h00 18h00 18h00 19h00 19h00 20h00 20h00 21h00 21h00 22h00 22h00 23h00 23h00 24h00 24h00 01h00 01h00 02h00 02h00 03h00 03h00 04h00 04h00 05h00 05h00 06h00 HORA
LIVIANOS BUSES CAMIONES
TOTAL
Automóvil Camioneta Buseta Bus C2P C2G C3 C3-S1 C2-S1 C2-S2 C3-S2 C3-S3
11/06/2016 SÁBADO 739 452 0 114 135 128 51 21 11 7 10 0 1668 12/06/2016 DOMINGO 621 308 0 101 59 35 16 11 9 8 7 0 1175 13/06/2016 LUNES 639 427 0 113 158 121 77 28 27 23 24 0 1637 14/06/2016 MARTES 654 437 0 108 172 135 73 33 24 26 20 0 1682 15/06/2016 MIERCOLES 617 465 0 112 159 130 88 40 30 33 29 0 1703 3270 2089 0 548 683 549 305 133 101 97 90 0 7865 654 418 0 110 137 110 61 27 20 19 18 0 1573 41.58 % 26.56 % 0.00 % 6.97 % 8.68 % 6.98 % 3.88 % 1.7 % 1.28 % 1.23 % 1.14 % 0.00 % 100 % TOTAL FECHA DÍA DE LA SEMANA
LIVIANOS BUSES CAMIONES
TOTAL T.P.D %TPD
Ecuación 6 Dónde:
TPDS = Trafico promedio Diario Semanal. ∑ = Sumatoria.
Dn = Días normales (lunes, martes, miércoles, jueves, viernes). De= Días Feriado (sábado, domingo).
M= Número de días que se realizó el conteo.
= ∗ ∑ 8 0 ∗ ∑ 8
TPDS = 1602 veh. Mixtos/día/ambos sentidos
4.1.2. Variaciones del tráfico
Para determinar el TPDA, se basó en las normas del MTOP y del libro Ingeniería de Tránsito-Fundamentos y Aplicaciones (por Rafael Cal y Mayor), para conseguir el TPDA, pero al tráfico TPDS se afectará por los siguientes factores:
Factor de ajuste mensual (Fm): fue conseguido de la Dirección de Estudios del MTOP para el año 2011.
𝑇𝑃𝐷𝑆 = ∗ ∑𝐷𝑛
𝑚 ∗ ∑
𝐷𝑒 𝑚
Tabla 5: Factores de estacionalidad mensual
Fuente: Dirección de Estudios del MTOP para el año 2011
El valor obtenido en el mes de Junio es 1.034.
Factor de ajuste diario (Fd): son obtenidos en base al conteo que se realiza durante la semana, a continuación se muestra el cálculo del factor de ajuste diario.
En la estación 1:
Tabla 6: Factor de ajuste diario
Fuente: Raúl Salazar
El Fd es = 1.039 MES FACTOR Enero 1.07 Febrero 1.132 Marzo 1.085 Abril 1.093 Mayo 1.012 Junio 1.034 Julio 1.982 Agosto 0.974 Septiembre 0.923 Octubre 0.931 Noviembre 0.953 Diciembre 0.878 DÍA DE LA SEMANA TD (veh/día) TD/TPDS FACTOR DIARIO Fd = 1/(TD/TPDS) SÁBADO 1668 1.041 0.960 DOMIMGO 1175 0.734 1.363 LUNES 1637 1.022 0.979 MARTES 1682 1.050 0.952 MIERCOLES 1703 1.063 0.941 TOTAL 7865 1.039
Una vez adquirido el Fm y el Fd, se calcula el TPDA mediante la ecuación 7:
TPDA = 1602 (1.039) (1.034)
TPDA existente = 1721 veh. Mixtos/día/ambos sentidos
Aquí se muestra el valor del tráfico promedio diario anual existente para los dos sentidos del tráfico vehicular.
Logrado el TPDA de toda la composición de tráfico existente, se obtiene el TPDA para cada modelo vehicular:
Tabla 7: Composición del tráfico existente
Fuente: Raúl Salazar
NÚMERO % Automóvil 697 40.52 Camioneta 457 26.53 BUS Bus 118 6.87 C2P 155 9.00 C2G 124 7.19 C3 71 4.14 C3-S1 31 1.79 C2-S1 24 1.38 C2-S2 23 1.35 C3-S2 21 1.24 C3-S3 0 0.00 TOTAL 1721 100.00 CAMIONES TIPO DE VEHÍCULO LIVIANOS TPDA = TPDS (Fm) (Fd) Ecuación 7
Imagen 11: Cantidad de vehículos en las dos orientaciones Fuente: Raúl Salazar
4.1.2.1 Determinación del tráfico futuro.
Para determinar un tráfico a futuro, deberá basarse no solamente en los volúmenes actuales sino también en los incrementos del tránsito, que se espera utilicen la nueva carretera.
El tráfico asignado es calculado por medio de la siguiente ecuación:
TPDA existente = 1721 veh.mixtos/día/ambos sentidos
Transito generado (TG).- Es el tránsito de viajes completamente nuevos y viajes que de manera precedente realizaban por otro medio de transporte, al tránsito generado se le instituyen tasas de incremento entre cinco y el veinticinco por ciento del tránsito actual, con un período de generación de 1 o 2 años posteriormente de que la carretera sea abierta al público. (Cal y Mayor & Cárdenas Grisales, 2007)
Para nuestra estación de conteo:
41% 27% 7% 9% 7% 4% 2% 1% 1% 1% 0% Composición de tráfico Automóvil Camioneta Bus C2P C2G C3 C3-S1 C2-S1 C2-S2 C3-S2 C3-S3
Trafico asignado = TPDA existente +TG + TD
Tg = 25% TPDA existente Tg = 25% * 1721
Tg = 430 veh.mixtos/día/ambos sentidos
Trafico desarrollado (TD).- (Cal y Mayor & Cárdenas Grisales, 2007) dicen que: Es el incremento del volumen de tránsito a causa de las mejoras en el suelo adyacente a la carretera. La experiencia indica que en carreteras construidas con altas especificaciones, el suelo lateral tiende a desarrollarse más rápidamente de lo normal, generando un tránsito adicional el cual tiene un valor en el orden del 5% del tránsito actual.
Td = 5% TPDA existente Td = 5% x 1721
Td = 86 veh. Mixtos/día/ambos sentidos
Con los datos del TPDA existente, tráfico desarrollado y tráfico generado, se procede a realizar el cálculo del tráfico asignado, con el cual se ejecutara la proyección a 20 años. Aplicando la ecuación 8 se obtiene el siguiente el resultado:
Tasig. = 1721 + 430 + 86
TPDS
Tabla 8: TPDS en los dos sentidos
Fuente: Raúl Salazar
Tasig.
Tabla 9: Tráfico asignado en los dos sentidos
Fuente: Raúl Salazar
4.1.2.2 Proyección del tráfico a 20 años (Tf).
Con el tráfico asignado acorde a la vía en estudio se efectuará la proyección del tráfico a un período de veinte años, utilizando un modelo exponencial como se muestra en la siguiente formula:
NÚMERO % Automóvil 649 40.52 Camioneta 425 26.53 BUS Bus 110 6.87 C2P 144 9.00 C2G 115 7.19 C3 66 4.14 C3-S1 29 1.79 C2-S1 22 1.38 C2-S2 22 1.35 C3-S2 20 1.24 TOTAL 1602 100.00 LIVIANOS TIPO DE VEHÍCULO CAMIONES NÚMERO % Automóvil 906 40.52 Camioneta 594 26.53 BUS Bus 154 6.87 C2P 201 9.00 C2G 161 7.19 C3 93 4.14 C3-S1 40 1.79 C2-S1 31 1.38 C2-S2 30 1.35 C3-S2 28 1.24 C3-S3 0 0.00 TOTAL 2237 100.00 CAMIONES TIPO DE VEHÍCULO LIVIANOS
Ecuación 9 Dónde:
Tf = trafico futuro o proyectado Tasig. = trafico asignado
i = tasa de crecimiento del trafico n = número de años proyectados
Para las proyecciones del tráfico, se usó la tasa de crecimiento, conforme el tipo de vehículo, obtenida y elaborada por el Dep. De Factibilidad del MTOP.
Tabla 10: Tabla de crecimiento según el tipo de vehículo
Fuente: MTOP
Consecutivamente, se procedió a proyectar el TPDA de la vía en estudio, tomando desde el 2016 a un período de 20 años, cuyos resultados se muestran a continuación:
TASAS DE
CRECIMIENTO LIVIANOS BUSES CAMIONES
2015-2020 3.75 1.99 2.24
2020-2025 3.37 1.8 2.02
2025-2030 3.06 1.63 1.84
Tabla 11: Proyección del tráfico asignado
Fuente: Raúl Salazar
Por lo tanto el TPDAf = 3953 veh. mixtos/día/ambos sentidos
4.1.2.3 Clasificación de la vía de acuerdo al tráfico.
De acuerdo al tráfico proyectado, en un período determinado de veinte años, la carretera será diseñada con una sistematización establecida por el MOP, que se especifica a continuación:
% AUTOMOVIL % CAMIONETA % BUS % C2P % C2G % C3 % C3-S1 % C2-S1 % C2-S2 % C3-S2 TOTAL 2016 3.75 906 3.75 594 1.99 154 2.24 201 2.24 161 2.24 93 2.24 40 2.24 31 2.24 30 2.24 28 2237 2017 1 3.75 940 3.75 616 1.99 157 2.24 206 2.24 164 2.24 95 2.24 41 2.24 32 2.24 31 2.24 28 2310 2018 2 3.75 975 3.75 639 1.99 160 2.24 211 2.24 168 2.24 97 2.24 42 2.24 33 2.24 32 2.24 29 2386 2019 3 3.75 1012 3.75 663 1.99 163 2.24 216 2.24 172 2.24 99 2.24 43 2.24 34 2.24 33 2.24 30 2465 2020 4 3.75 1050 3.75 688 1.99 166 2.24 221 2.24 176 2.24 101 2.24 44 2.24 35 2.24 34 2.24 31 2546 2021 5 3.37 1085 3.37 711 1.8 169 2.02 225 2.02 180 2.02 103 2.02 45 2.02 36 2.02 35 2.02 32 2621 2022 6 3.37 1122 3.37 735 1.8 172 2.02 230 2.02 184 2.02 105 2.02 46 2.02 37 2.02 36 2.02 33 2700 2023 7 3.37 1160 3.37 760 1.8 175 2.02 235 2.02 188 2.02 107 2.02 47 2.02 38 2.02 37 2.02 34 2781 2024 8 3.37 1199 3.37 786 1.8 178 2.02 240 2.02 192 2.02 109 2.02 48 2.02 39 2.02 38 2.02 35 2864 2025 9 3.37 1239 3.37 812 1.8 181 2.02 245 2.02 196 2.02 111 2.02 49 2.02 40 2.02 39 2.02 36 2948 2026 10 3.06 1277 3.06 837 1.63 184 1.84 250 1.84 200 1.84 113 1.84 50 1.84 41 1.84 40 1.84 37 3029 2027 11 3.06 1316 3.06 863 1.63 187 1.84 255 1.84 204 1.84 115 1.84 51 1.84 42 1.84 41 1.84 38 3112 2028 12 3.06 1356 3.06 889 1.63 190 1.84 260 1.84 208 1.84 117 1.84 52 1.84 43 1.84 42 1.84 39 3196 2029 13 3.06 1397 3.06 916 1.63 193 1.84 265 1.84 212 1.84 119 1.84 53 1.84 44 1.84 43 1.84 40 3282 2030 14 3.06 1440 3.06 944 1.63 196 1.84 270 1.84 216 1.84 121 1.84 54 1.84 45 1.84 44 1.84 41 3371 2031 15 3.06 1484 3.06 973 1.63 199 1.84 275 1.84 220 1.84 123 1.84 55 1.84 46 1.84 45 1.84 42 3462 2032 16 3.06 1529 3.06 1003 1.63 202 1.84 280 1.84 224 1.84 125 1.84 56 1.84 47 1.84 46 1.84 43 3555 2033 17 3.06 1576 3.06 1034 1.63 205 1.84 285 1.84 228 1.84 127 1.84 57 1.84 48 1.84 47 1.84 44 3651 2034 18 3.06 1624 3.06 1066 1.63 208 1.84 290 1.84 232 1.84 129 1.84 58 1.84 49 1.84 48 1.84 45 3749 2035 19 3.06 1674 3.06 1099 1.63 211 1.84 295 1.84 236 1.84 131 1.84 59 1.84 50 1.84 49 1.84 46 3850 2036 20 3.06 1725 3.06 1133 1.63 214 1.84 300 1.84 240 1.84 133 1.84 60 1.84 51 1.84 50 1.84 47 3953 AÑO número de años(n) TIPO DE VEHÍCULO
T ab la 12 : V a lores de d is eñ o r ec om en da do s F ue nte : M in is teri o de O bra s P ub lic as
Para la estación 1 conforme a esta clasificación, la vía Simón Bolívar – Mariscal Sucre esta predeterminada como una carretera de clase I, por lo que su TPDA tiene un rango de 3000 a 8000 vehículos proyectados.
Tabla 13: Clasificación de la vía
Fuente: Raúl Salazar
4.1.2.1 Determinación de ESALS.
4.1.2.1.1 Cálculo de ESALs para el tráfico existente.
“El transito se reduce a un número equivalente de ejes de una determinada
carga, que provoca el mismo daño que toda una composición de tránsito. La conversión se realiza mediante los factores equivalentes de carga conocidos como LEF (Load Equivalent Factor).”. (AASHTO, 1993)
El LEF es un valor numérico que presenta la pérdida de serviciabilidad, originada por un eje de una carga dada, y la ocasionada por el eje estándar de 80 KN en el mismo eje. (AASHTO, 1993)
En el subsiguiente grafico se expone de forma puntualizada y concisa los procesos y sistematizaciones de los factores de equivalencia de carga, para cada clase de eje, según el método simplificado de la AASHTO.
TPDA (Proyectado 20 años) Clasificación de la vía
Terreno
Velocidad de diseño Ancho de pavimento
3953 veh. mixtos/día/ambos sentidos Clase I MOP (absoluta)
Llano 110km/h 7.3 m
Tabla 14: Cálculo de LEF
Fuente: Raúl Salazar
Ecuación 10
Ecuación 11
Ecuación 12
Ecuación 13
Dónde:
Wx = Inverso de los factores de equivalencia de aplicación de ejes
W18 = Número de ejes simples de 80 KN o 18Kips
Lx = Carga del eje evaluado
L18 = 18 (carga del eje estándar en kips)
L2 = Código para la configuración del eje
1 = Eje simple 2 = Eje tándem 3 = Eje tridem
Lx(ton) Lx(Kips) L18 L2x L2s Pt SN G Bx G/BX B18 G/B18 WX/W18 LEF
1 2.2 18 1 1 2.5 2.5 -0.20091 0.40520 -0.49584 2.04114 -0.09843 2033.09973 0.00049 2 4.4 18 1 1 2.5 2.5 -0.20091 0.42821 -0.46920 2.04114 -0.09843 176.31907 0.00567 3 6.6 18 1 1 2.5 2.5 -0.20091 0.48507 -0.41419 2.04114 -0.09843 38.93781 0.02568 7 15.4 18 1 1 2.5 2.5 -0.20091 1.42028 -0.14146 2.04114 -0.09843 1.83273 0.54563 11 24.2 18 1 1 2.5 2.5 -0.20091 4.48597 -0.04479 2.04114 -0.09843 0.29253 3.41848 18 39.6 18 2 1 2.5 2.5 -0.20091 2.59845 -0.07732 2.04114 -0.09843 0.49470 2.02142 20 44 18 2 1 2.5 2.5 -0.20091 3.44195 -0.05837 2.04114 -0.09843 0.31926 3.13228 24 52.8 18 3 1 2.5 2.5 -0.20091 1.93214 -0.10399 2.04114 -0.09843 0.65953 1.51623
CÁLCULO DE LEF PARA CADA TIPO DE EJE
𝐺 = 𝑙𝑜𝑔 4. − 𝑝𝑡 4. − . 𝐵𝑥 = 0.40 0.08 (𝑙𝑥 𝑙 𝑥)3.23 (𝑆𝑁 )5.19𝐿 𝑋3.23 𝐵 8 = 0.40 0.08 (𝐿 8 𝐿 𝑠)3.23 (𝑆𝑁 )5.19𝐿 𝑠3.23 𝑊𝑥 𝑊 8= 𝐿 8 𝐿 𝑠 𝐿𝑥 𝐿 𝑥 4.79 0𝐺/𝐵𝑥 0𝐺/𝐵18 𝐿 𝑥 4.33
X = Factor de equivalencia de carga del eje evaluado S = Código para eje estándar, igual a 1 (eje simple)
G = Función de la proporción de la perdida de serviciabilidad en un tiempo t, para la pérdida potencial observada en el punto donde Pt = 1.5
B = Función que determina la relación entre serviciabilidad y aplicaciones de eje de carga
Pt = Índice de servicibilidad final SN = Número estructural del pavimento
Las cargas para las distintas clases de ejes se consiguieron conforme a la Tabla Nacional de Pesos y Medidas, el cual presenta los pesos y longitudes máximas aprobadas por el MTOP.
Tabla 15: Tabla Nacional de Pesos y Medidas
Tabla 16: Tabla Nacional de Pesos y Medidas
En la siguiente Tabla se realiza el cálculo del Factor Camión, destinado para cualquier tipo de vehículo.
Tabla 17: Cálculo de Factor Camión
Fuente: Raúl Salazar
Para realizar la evaluación a la estructura se calculó el ESALs con el tráfico existente, en la carretera de estudio como se define a continuación:
GRÁFICO DE VEHÍCULO CLASE DE VEHÍCULOS EJE DELANTERO (Ton) EJE TRASERO 1 (Ton) EJE TRASERO 2 (Ton) FC / VEHÍCULO AUTOMÓVILES 1 1 0.00098372 CAMIONETAS 1 2 0.006163396 BUS 7 18 2.567051047 C2P 3 7 0.571316149 C2G 7 11 3.964118441 C3 7 20 3.677910685 C3-S1 7 20 11 7.096394955 C2-S1 7 11 11 7.382602711 C2-S2 7 11 20 7.096394955 C3-S2 7 20 20 6.810187199 C3-S3 7 20 24 5.194144048
Tabla 18: Cálculo de los ESALs de diseño para el tráfico existente
Fuente: Raúl Salazar
Dónde:
DD = Factores de distribución por dirección.
Esta cantidad se asume 0.5, esto nos indica que del flujo total censado, la mitad va por cada orientación.
LD =Factores de distribución por carril.
Esta cantidad es determinada con el cuadro que se presenta a continuación:
CLASE DE
VEHÍCULOS TPDA n AÑOS DD LD
FACTOR DE CRECIMIENTO
(F.C)
FACTOR
CAMIÓN FC ESALs/ VEHÍC.
AUTOMÓVILES 697 50 100 1.0 0.0010 125.1864 CAMIONETAS 457 50 100 1.0 0.0062 513.5919 BUS 118 50 100 1.0 2.5671 55365.1378 C2P 155 50 100 1.0 0.5713 16146.5158 C2G 124 50 100 1.0 3.9641 89530.7847 C3 71.16 50 100 1.0 3.6779 47765.9268 C3-S1 31 50 100 1.0 7.0964 39820.0821 C2-S1 23.79 50 100 1.0 7.3826 32051.7946 C2-S2 23 50 100 1.0 7.0964 30146.6512 C3-S2 21 50 100 1.0 6.8102 26451.0113 C3-S3 0 50 100 1.0 5.1941 0.0000 337916.68258 ESALs PARA EL PERIODO DE DISEÑO
ESALs= ( : ) ( : ) ; x FC x 365 FC=( : ) ( : );
Donde:
n: Período de Diseño r: Tasa anual de crecimiento %
