Rehabilitación y Mejoramiento de la Carretera «X» Diseño de Pavimento Flexible

Estructura del Informe 5.1. Diseño de la estructura del Pavimento Flexible 5.1.1 Alcance 5.1.2 Método de Diseño 5.1.3 Estimación de las cargas de diseño (Wt18) 5.1.3.1 Tránsito promedio diaria anual (TPDA) 5.1.3.2 Factores de equivalencia de carga 5.1.4 Confiabilidad en el diseño (R) 5.1.5 Variación permisible en la Servicapacidad (Dpsi) 5.1.6 Caracterización del material de la sub-rasante y definición de la Unidad de Diseño 5.1.7 Determinación del Número Estructural (SN) en cada Unidad de Diseño 5.1.8 Materiales y mezclas para las capas de la estructura del pavimento 5.1.9 Alternativas de diseño 5.1.10 Espesores de la estructura de pavimento para cada alternativa 5.1.11 Alternativa final a ser seleccionada

1. Alcance del Proyecto de Pavimentos Análisis de las variables de diseño y materiales de construcción para definir la estructura de pavimento para la Rehabilitación y Mejoramiento de la Carretera.

2. Método de Diseño El Método seleccionado es el desarrollado por la Asociación Americana de Administradores Estadales de Carreteras y Transporte (AASHTO) Guía de diseño AASHTO-93 Manual SIECA Programa de diseño de pavimentos desarrollado por la Asociación Americana de Pavimentos de Concreto (ACPA), versión WinPas, aplicación para pavimentos flexibles (1993).

2.1 Ecuación de diseño Variables independientes: Wt18 : Número de aplicaciones de cargas equivalentes de 80 kN acumuladas en el periodo de diseño (n). ZR : Valor del desviador en una curva de distribución normal, función de la Confiabilidad del diseño (R) o grado confianza en que las cargas de diseño no serán superadas por las cargas reales aplicadas sobre el pavimento.

2.1 Ecuación de diseño So: Desviación estándar del sistema, función de posibles variaciones en las estimaciones de tránsito (cargas y volúmenes) y comportamiento del pavimento a lo largo de su vida de servicio. PSI: Pérdida de Serviciabilidad (Condición de Servicio) prevista en el diseño, y medida como la diferencia entre la “planitud” (calidad de acabado) del pavimento al concluirse su construcción (Serviceabilidad Inicial (po) y su planitud al final del periodo de diseño (Servicapacidad Final (pt). MR: Módulo Resiliente de la subrasante y de las capas de bases y sub- bases granulares, obtenido a través de ecuaciones de correlación con la capacidad portante (CBR) de los materiales (suelos y granulares).

Variable dependiente: 2.1 Ecuación de diseño Variable dependiente: SN: Número Estructural, o capacidad de la estructura para soportar las cargas bajo las condiciones (variables independientes) de diseño.

3. Estimación de las cargas de diseño (Wt18) Wt18=EEo*F (Ecuación 2) EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D F = Factor de crecimiento F = {(1 + TC)^n – 1} / TC TC = tasa de crecimiento interanual n = periodo de diseño

3. Estimación de las cargas de diseño (Wt18) EEo = Cargas acumuladas en el primer año del periodo de diseño EEo =TPDA * %Vp * FC * fds * fuc * A * D TPDA = Tráfico Promedio Diario Anual, para el primer año del periodo de diseño. %Vp = Porcentaje de vehículos de carga dentro del volumen de tráfico total FC = Factor Camión, o carga equivalente total por “camión promedio” fds = factor de distribución del tráfico por sentido de circulación fuc = factor de utilización del tráfico total por sentido en el canal de diseño A = factor de ajuste por tráfico desbalanceado D = Días por año en que circulará por el canal de diseño el tráfico definido por los términos anteriores (365 días en este proyecto).

3.1 Valores de TPDA y TC Fuente: Estudio de Tráfico Carretera

3.2 Factores de equivalencia de cargas Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes simples) Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes dobles) Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

3.2 Factores de equivalencia de cargas (ejes triples) Fuente: Guía AASHTO-93, para SN = 4.0 y pt = 2.5

3.3 Factores camión por tipo de vehículo, para la combinación de cargas sobre la vía (Fuente: Estudio de Tráfico, Aparte IV.4.1 y Guía AASHTO-93)

3.4 Cargas equivalentes acumuladas en el periodo de diseño (Wt18) Veh. Liv. Pesados de Pasajeros Pesados de Carga MBus Bus C2 Liv. C2 C3 Otros Totales 773 32 568 372 3,617 3,161 FE 0.0003 0.4811 0.7963 0.0572 0.5975 1.2633 2.1035 fds 0.52 DIAS 365.00 fuc 1.0 A REE 44 2,922 85,848 4,036 410,183 757,939 12,776 REEtotal 1273,748 RESUMEN: VIDA UTIL (años) Cargas de diseño 20 1,273,748 15 779662 10 415113 CONSIDERACIONES: fds = 0.52 (Fuente: Estudio de Tránsito) fuc = 1.0 (Fuente: Guía AASHTO-93) A = 1.0 (Fuente: Guía AASHTO-93)

4 . Confiabilidad en el diseño (R) La Confiabilidad y el Factor de Seguridad Valor de la Confiabilidad Zr So Factor de seguridad 50 0.000 0.45 1.00 60 - 0.253 1.30 70 - 0.524 1.72 75 - 0.674 2.01 85 - 1.037 2.93 95 - 1.645 5.50

5. Variación permisible en la Servicapacidad (Dpsi) Servicapacidad inicial (po) = 4.2 Condición de servicio de un pavimento al concluir su construcción Servicapacidad final (pt) = 2.00 Condición de servicio de un pavimento en una vía rural principal al final de su vida de servicio Ambos valores son recomendados por el Manual SIECA y la Guía AASHTO-93 Dpsi = 4.2 – 2.0 = 2.2

6. Caracterización del material de sub-rasante Fueron ensayadas 21 muestras del material de fundación sobre la línea. (Estudio de suelos para revisión de estructura de pavimentos, ASOCIO, enero 2009) Estos resultados fueron analizados bajo el procedimiento del Instituto del Asfalto, para determinar el CBR de Diseño”.

6. Caracterización del material de sub-rasante

6. Caracterización del material de sub-rasante

6. Unidades de diseño en función de los CBR Correlación entre valores de CBR y Módulo Resiliente (MR)* * Ecuación de correlación integrada dentro del Programa Winpas de la APCA

7. Número Estructural (SN/sr)* sobre la SR Valores requeridos de Número Estructural (SN) sobre la sub-rasante 7. Número Estructural (SN/sr)* sobre la SR VIDA UTIL (años) Cargas de diseño MR sub-rasante psi SN/sub-rasante 20 1,273,748 4,211.7 3.82 15 779662 3.56 10 415113 3.24 * Solución de la Ecuación AASHTO-93 para las diferentes variables independientes

8. Calidad de materiales para capas del pavimentos Material para sub-base Los resultados de los ensayos ejecutados sobre los materiales encontrados en los bancos a lo largo del trazado, permiten concluir que no se encontrarán materiales aptos para ser empleados como “sub-base granular”, ya que, en los bancos analizados se han obtenido valores de CBR muy bajos. Con base en lo anterior se recomienda que el actual rodamiento se estabilice en 20 centímetros con cemento y sea considerada la subbase, en función de ello se estima un coeficiente estructural (a3) de 0.10 y un “coeficiente de drenaje (cm3)” de 1.0 asub-base = 0.10 y coeficiente de drenaje = 1.0

8. Calidad de materiales para capas del pavimentos Material para base granular Como material de base granular se recomienda una mezcla de materiales granulares, debidamente triturados y gradados, que resulten con un CBR mínimo de 80%. La correlación PAS para este tipo de material arroja un MR de 38,971 psi. La Guía de Diseño AASHTO-93 asigna a estas mezclas un coeficiente estructural (a2) de 0.14 y un coeficiente de drenaje (cm2) de 1.00. aBase = 0.14 y coeficiente de drenaje = 1.00 * Según Ecuación de correlación del ACPA

8. Calidad de materiales para capas del pavimentos Mezclas asfálticas para pavimento Para la capa asfáltica debe emplearse mezcla de concreto asfáltico densamente gradadas, mezcladas en planta en caliente, de las características que se indican en la Tabla 11, determinadas de acuerdo al Ensayo Marshall (AASHTO T-245) TABLA 11 Requisitos de calidad de las mezclas asfálticas Capa Granulometría Tipo Estabilidad (lbs) Flujo (0.01 pulg) Vacíos totales (%) VAM (%) Vacíos llenados (VFA), (%) Rodamiento TNM 12 > 1.800 8 – 14 3 – 5 > 13 65 - 75 arodamiento = 0.43 y coeficiente de drenaje = 1.0

9. Determinación de los espesores de capas SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado (Ecuación 5) ESCENARIO 1: vida útil de 20 años ALTERNATIVA Espesor capa de rodamiento (cm) Espesor capa de base granular (cm) Espesor capa de sub-base estabilizada con cemento (cm) MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE (MAC) 10.0 25.0 20.0 DOBLE TRATAMIENTO SUPERFICIAL ASFALTICO (DTS) 0.00 50.0 35.0 ADOQUIN 10 (MAS 5 CMS DE ARENA)

9. Determinación de los espesores de capas SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado (Ecuación 5) ESCENARIO 2: vida útil de 15 años ALTERNATIVA Espesor capa de rodamiento (cm) Espesor capa de base granular (cm) Espesor capa de sub-base estabilizada con cemento (cm) MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE (MAC) 8.5 25.0 20.0 DOBLE TRATAMIENTO SUPERFICIAL ASFALTICO (DTS) 0.00 44.0 35.0 ADOQUIN 10 (MAS 5 CMS DE ARENA) 19.0

9. Determinación de los espesores de capas SN/i = erod * arod + eint * aint + ereciclado * ereciclado (Ecuación 5) ESCENARIO 3: vida útil de 10 años ALTERNATIVA Espesor capa de rodamiento (cm) Espesor capa de base granular (cm) Espesor capa de sub-base estabilizada con cemento (cm) MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE (MAC) 6.5 25.0 20.0 DOBLE TRATAMIENTO SUPERFICIAL ASFALTICO (DTS) 0.00 38.0 35.0 ADOQUIN 10 (MAS 5 CMS DE ARENA) 15.0 17.5

9. Determinación de los espesores de capas Espesores de pavimento. Alternativa de concreto. 9. Determinación de los espesores de capas ESCENARIO 4: Espesores de pavimento Alternativa de concreto. VIDA UTIL (años) Espesores de diseño (cm) Losa de concreto Base estabilizada con cemento Sub-base estabilizada con cemento 20 15.00 15 14.00 10 12.00

12. Alternativa recomendada El análisis de la información anterior, en cuanto a espesores y tipos de materiales, conjuntamente con los precios unitarios estimados para cada tipo de material, permitirá la selección de la alternativa más conveniente para el tramo