MANTENIMIENTO, CONSTRUCCION Y REHABILITACION DE PAVIMENTOS

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

ARMENIA2014

MANTENIMIENTO, CONSTRUCCION Y REHABILITACION DE PAVIMENTOS

ELABORADO POR:HELLMAN DAVID CAMARGO LÓPEZ- 1094939568

VANESSA BOCANEGRAL GIL - 10947397383FABIAN ENRIQUE SIERRA-13993080

REVISADO POR:

URIEL ORJUELA OSPINAINGENIERO CIVIL

Titular de la asignatura de mantenimiento, construcción y rehabilitación de pavimentos.

PROGRAMA DE INGENIERÍA CIVIL

ARMENIA2014

Tabla de contenido1 OBJETIVOS..............................................................................................................4

1.1 OBJETIVO GENERAL.........................................................................................41.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS...............................................................................4

2 METODOLOGIA........................................................................................................52.1 PRIMER METODO..............................................................................................52.2 SEGUNDO METODO..........................................................................................5

3 GENERALIDADES DE LA VIA..................................................................................64 DESARROLLO PRÁCTICO.......................................................................................7

4.1 PRIMER METODO..............................................................................................74.1.1 ANALISIS DE TRANSITO.............................................................................74.1.2 DETERMINACIÓN DEL NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO PARA SOPORTAR EL TRANSITO FUTURO (SNF)..........................................................134.1.3 DETERMINACION DEL NUMERO ESTRUCTURAL (SN).........................144.1.4 DETERMINACION DEL ESPESOR DE LA SOBRECARPETA..................15

4.2 SEGUNDO METODO........................................................................................164.2.1 Análisis de transito......................................................................................164.2.2 Numero estructural......................................................................................164.2.3 Determinación del número estructural del pavimento existente (SNeff). . .164.2.4 Espesor de sobrecapa:...............................................................................17

5 RESULTADOS........................................................................................................186 CONCLUSIONES....................................................................................................19

1 OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL

Presentar el diseño de una sobrecarpeta para la vía Armenia-Circasia para mejorar la condición funcional y estructural de la vía.

1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Establecer las generalidades de la vía, incluyendo sus daños y sus series históricas

Determinar los niveles de tránsito actuales y proyectarlos al periodo de diseño de la rehabilitación vial.

Realizar el diseño de la sobrecarpeta por los dos métodos establecidos por la AASHTO ( The Asphalt Institute).

Comparar ambos diseños

Definir la alternativa de rehabilitación óptima desde el diseño.

2 METODOLOGIA

Se aplicaran dos métodos de diseño, ambos son de la AASHTO ( The Asphalt Institute):

2.1 PRIMER METODO

1. Se consultaran las series históricas de tránsito para la vía

2. Selección del periodo de diseño

3. Proyección del tránsito al periodo de diseño con un nivel de confiabilidad del 98%

4. Obtención del número de ejes equivalentes en el periodo de diseño

5. Determinación del número estructural requerido para soportar el tránsito futuro (SNf)

6. Determinación del número estructural del pavimento existente (SNeff)

7. Determinación del espesor de la sobrecarpeta

2.2 SEGUNDO METODO

1. Se consultaran las series históricas de tránsito para la vía

2. Selección del periodo de diseño

3. Proyección del tránsito al periodo de diseño con un nivel de confiabilidad del 98%

4. Obtención del número de ejes equivalentes en el periodo de diseño

5. Determinación de asfalto requerido para soportar el transito futuro (Tf)

6. Determinación del espesor efectivo del pavimento existente (Te)

7. Determinación del espesor de la sobrecarpeta

3 GENERALIDADES DE LA VIA

La vía Armenia circasia hace parte de la autopista del café una vía del corazón del país, esta vía es una troncal principal ya que conecta a dos importantes ciudades del país, la vía cuenta con series históricas desde 1997, año en el cual fue construida por el consorcio autopistas del café, a continuación se presenta su diseño:

Figura 1. ‘’Diseño actual de la vía Armenia-Circasia’’

Cabe resaltar que la vía Armenia Circasia es una vía en doble calzada y doble sentido la cual tiene una longitud total de 21 Km, todos en pavimento flexible.

En la actualidad la vía presenta daños superficiales correspondientes a pieles de cocodrilo de severidad media por lo que se propuso realizar el diseño de una sobrecarpeta asfáltica la cual tiene como función mejorar el grado de serviciabilidad de la vía y aportar estructuralmente al pavimento. Para este diseño también se cuenta con el ensayo de deflexiones realizado con viga Benkelman y la respectiva exploración geotécnica en la que además de los módulos recipientes de la subrasantes también se pudo observar que la base se encuentra contaminada.

4 DESARROLLO PRÁCTICO

4.1 PRIMER METODO

4.1.1 ANALISIS DE TRANSITO

Se realizó la consulta de la serie histórica de Transito Promedio Diario Semanal (TPDS) proporcionada por el INVIAS y su respectiva composición, los datos faltantes se completaron a partir de los promedios existentes

1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 DESVIA.ESTAND. (σ)

10.811 11.067 10.688 12.295 10.231 10.063 11.488 10.257 11.042 12.072 10.439 13.646 12.597 13.341 12.397 1160

87-4-9 86-4-10 87-5-8 83-7-10 81-9-10 80-10-10 79-8-13 75-14-11 73-17-10 74-16-10 74-15-11 77-14-9 79-13-8 76-13-11 78-11-11

Tabla No. 1 ‘’TPDS Vía Armenia-Circasia’’

1997 10.811 87% 4% 9% 40,90% 39,63% 7,34% 5,58% 6,55%1998 11.067 86% 4% 10% 42,95% 39,83% 5,46% 5,15% 6,61%1999 10.688 87% 5% 8% 42,95% 39,83% 5,46% 5,15% 6,61%2000 12.295 83% 7% 10% 42,95% 39,83% 5,46% 5,15% 6,61%2001 10.231 81% 9% 10% 42,95% 39,83% 5,46% 5,15% 6,61%2002 10.063 80% 10% 10% 42,95% 39,83% 5,46% 5,15% 6,61%2003 11.488 79% 8% 13% 42,95% 39,83% 5,46% 5,15% 6,61%2004 10.257 75% 14% 11% 42,95% 39,83% 5,46% 5,15% 6,61%2005 11.042 73% 17% 10% 42,95% 39,83% 5,46% 5,15% 6,61%2006 12.072 74% 16% 10% 40,90% 39,63% 7,34% 5,58% 6,55%2007 10.439 74% 15% 11% 42,84% 36,55% 7,15% 5,80% 7,65%2008 13.646 77% 14% 9% 50,48% 33,02% 4,98% 5,21% 6,31%2009 12.597 79% 13% 8% 44,53% 38,45% 4,70% 5,22% 7,11%2010 13.341 76% 13% 11% 41,20% 43,95% 4,28% 4,95% 5,62%2011 12.397 78% 11% 11% 37,75% 47,38% 4,29% 4,15% 6,43%

FD 1 1,01 2,72 3,72 4,88 5,23DESVIA.

ESTAND. (σ)619

AÑO TPDS TOTAL C - 5 >C - 5AUTOS BUSES CAMIONES C - 2P C - 2G C - 3 - 4

Tabla No. 2 ‘’Composición del tránsito de la Vía Armenia-Circasia’’

Posteriormente se realizó la conversión de la serie histórica del tránsito a ejes

equivalentes de 8.2 ton empleando la siguiente formula

Luego se realizó el análisis estadístico de la serie histórica estableciendo los modelos

de crecimiento factibles para las condiciones del estudio.

Grafica No. 1 ‘’ Serie Histórica del tránsito de la Vía Armenia-Circasia’’

Luego se realizó el cálculo del error estándar (σ) del modelo de crecimiento del tránsito

seleccionado.

Y el cálculo del error estándar en la predicción del tránsito con la siguiente ecuación

1997 1 2746,998398 2892,6 21199,82662 506,569566 2004 491998 2 3007,368518 3072,2 4203,121036 506,569566 2004 361999 3 2515,886646 3251,8 541568,4653 506,569566 2004 252000 4 3709,917672 3431,4 77572,09386 506,569566 2004 162001 5 3291,742221 3611 101925,5295 506,569566 2004 92002 6 3338,319568 3790,6 204557,5892 506,569566 2004 42003 7 4379,967461 3970,2 167909,3717 506,569566 2004 12004 8 4050,655264 4149,8 9829,678725 506,569566 2004 02005 9 4436,034969 4329,4 11371,01653 506,569566 2004 12006 10 4803,219501 4509 86565,11484 506,569566 2004 42007 11 4294,625406 4688,6 155215,9807 506,569566 2004 92008 12 4584,906901 4868,2 80254,97992 506,569566 2004 162009 13 3952,18336 5047,8 1200375,823 506,569566 2004 252010 14 5118,967379 5227,4 11757,63329 506,569566 2004 362011 15 4593,575633 5407 661659,201 506,569566 2004 49

15 ∑ 3335965,425 ∑ 280

AÑO Año relativo Diario observado Yi (Yi-Yi modelo)² s X barra (Xi-Xb)^2Diario calculado Yi modelo

Tabla No. 3 ‘’Corrección del tránsito de la Vía Armenia-Circasia’’

Ademase se calcularon los valores de corrección para el tránsito equivalente

proyectado en cada uno de los años del periodo de diseño, con base en el nivel de

confianza deseado. En la tabla 7 se muestran los valores de Zr para diferentes niveles

de confianza

Confiabilidad 98%Zr 2,054,0Fd 0,5Fa 0,9

Tabla No. 4 ‘’Niveles de confianza y factores del tránsito de la Vía Armenia-Circasia’’

Posteriormente se procedió al cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton

diarios, corregidos por confiabilidad, en cada uno de los años del periodo de diseño

2014 329,7801037 677,368333 5945,8 6623,1683332015 357,7720939 734,8638808 6125,4 6860,2638812016 386,1084997 793,0668585 6305 7098,0668582017 414,7187288 851,8322689 6484,6 7336,4322692018 443,5497971 911,0512832 6664,2 7575,2512832019 472,561286 970,6408814 6843,8 7814,4408812020 501,7218986 1030,53678 7023,4 8053,936782021 531,0070679 1090,688517 7203 8293,6885172022 560,3972669 1151,055986 7382,6 8533,6559862023 589,8767968 1211,606941 7562,2 8773,8069412024 619,4329037 1272,315184 7741,8 9014,1151842025 649,0551262 1333,159229 7921,4 9254,559229

∑ 95231,38614

s pronosticoAÑO Cj Nj N´j

Tabla No. 5 ‘’Calculo de ejes equivalentes de 8,2 Ton para la Vía Armenia-Circasia’’

Realizando también el cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados

durante el periodo de diseño.

Y el cálculo del número de ejes equivalentes de 8.2 ton acumulados en el carril de

diseño durante el periodo de diseño, por concepto de la componente normal del

tránsito.

Grafica No. 2 ‘’ Transito equivalente para la vía Armenia-Circasia’’

34.759.455,94 1,564E+07

N equivalente 8.2 ton Numero de ejes equivalentes en el carril

Tabla No. 6 ‘’Numero de ejes equivalentes de 8,2 Ton de Vía Armenia-Circasia’’

4.1.2 DETERMINACIÓN DEL NUMERO ESTRUCTURAL REQUERIDO PARA SOPORTAR EL TRANSITO FUTURO (SNF).

Empleando la fórmula AASHTO para el diseño de pavimentos nuevos, con los siguientes datos:

DATOS DE ENTRADA

So 0,49

psi 4,2

psi final 3,2

CBR 4,00 %

MR 6000 psi

1) Determinación del número estructural del pavimento existente (SNeff)

Deflexiones obtenidas:

D0 = 0.02718" D 24 = 0.01371"

2) Espesor pavimento existente (H):

Espesor carpeta: 4 inEspesor bases granulares: 17in

3) MR subrasante por retro cálculo con D24: Mr= 6564,551422psi

4) MR para diseño = MR retrocálculo/ CMrdiseño= 2188,183807psi

5) Se halla por retro cálculo el módulo efectivo del pavimento (Ep).

Ep= 77593 psi (se trabajó con este valor ya que no se encontró la ecuación correspondiente para determinarlo)

6) SNeff = 0.0045*(H)*(Ep) 1/3

H 21 in

Sneff= 4,00493539

4.1.3 DETERMINACION DEL NUMERO ESTRUCTURAL (SN)

El número estructural fue obtenido a partir del Programa de la ASHTTO para cálculo estructural teniendo como datos de entrada:

Figura No.2 ‘’ Calculo del SN en el programa de la AASHTO’’

4.1.4 DETERMINACION DEL ESPESOR DE LA SOBRECARPETA

Para el cálculo de la sobrecarpeta empleamos la fórmula:

Sobrecarpeta = ( SNf - SNeff ) / a1

Dónde:

a1= coeficiente estructural del material del refuerzo, este coeficiente es de 0,44 para concreto asfaltico.

Sn= Numero estructural

a1= 0,44SN= 7,6(SNf-Sneff)/a1= 8 in

4.2 SEGUNDO METODO

4.2.1 Análisis de transito

4.2.2 Numero estructural

SN 7,6

4.2.3 Determinación del número estructural del pavimento existente (SNeff)

Para este cálculo se empleara la formula

SNeff =D1*a1+D2*a2

Donde a1 y a2 son coeficientes asignados basados en los daños de la vía.

Mientras que D1 y D2 corresponden a deflexiones obtenidas en ensayos de campo:

Datos de entrada:

a1= 0,1 piel de cocodrilo severidad media

a2= 0,3 bases contaminadasD1 4 inD2 17 in

Dando como resultado 2,04 pulgadas.

4.2.4 Espesor de sobrecapa:

El espesor de la sobrecarpeta se obtuvo a partir de la fórmula:

Espesor de la sobrecarpeta= (SNf - SNeff)/a 1

Datos de entrada

SN 7,6 in

Sneff= 2,04 in(SNf-Sneff)/a1= 13 in

5 RESULTADOS

En los resultados se observa claramente que el primer método es un método que da espesores más pequeños lo que conlleva a un diseño más económico. Es de mencionar que el precio del m3 fue consultado en la empresa CONASFALTOS y se elegido mezcla densa en caliente tipo 2 MCD-2 con 4,8% de asfalto.

También hay que mencionar que los espesores de asfalto son grandes debido a la importancia de la vía, lo que podría convertirse en un problema de Ahuellamiento futuro; por lo tanto recomendaríamos hacer una buena gestión de pavimentos y un mantenimiento preventivo para que la vía no pierda su serviciabilidad y el costo por rehabilitación no sea alto.

Otra opción es utilizar Asfalto Modificado con polímero el cual es más costoso pero nos permitiría reducir aproximadamente un 30% los espesores y nos daría mayor capacidad estructural y además permite prevenir el posible Ahuellamiento al que se enfrentara la vía.

Se puede ver que el incremento del costo del proyecto es del 9 % aproximadamente pero el beneficio y vida útil se incrementan notoriamente.

6 CONCLUSIONES

Actualmente la vía evidencia daños de tipo estructural como piel de cocodrilo de severidad media que afecta la funcionalidad

La rehabilitación de la vía fue diseñada para un periodo de 12 años en cual se proyecta un total de 34.759.455,99 ejes equivalentes de 8,2 toneladas

Según los resultados del primer método podemos decir que para un periodo de diseño de 12 años debemos realizar una rehabilitación con una sobre carpeta asfáltica que tenga un espesor de 8 in =20.32 ms.

Según los resultados del segundo método podemos decir que para un periodo de diseño de 12 años debemos realizar una rehabilitación con una sobre carpeta asfáltica que tenga un espesor de 13 in =33.02 cms.

El primer método tiene las deflexiones y el segundo método no

El primer método es más riguroso por el hecho de tener en cuenta las deflexiones del pavimento.

Los dos métodos son válidos para diseñar una sobrecarpeta asfáltica.

El primer método es más preciso que el segundo método, ya que da como resultado espesores más pequeños.

Elegimos una sobrecarpeta de 8 In la cual fue dada por el primer método, esta elección se hace basados en que es la alternativa más económica y que además en esta metodología se tienen en cuenta las deflexiones obtenidas en campo, las cuales son una variable muy importante dentro del diseño de una rehabilitación vial pues son la evidencia del comportamiento estructural del pavimento,

También recomendamos usar mezcla modificada con polímero ya que el espesor se reduce, reduciendo la posibilidad de Ahuellamiento, el costo aumenta un 9% pero el beneficio para la vía es mayor, y se reducen los costos de mantenimiento y se aumenta la vida del pavimento.