8/4/2019 Catalogo de Dise%d1o de Pavimentos Rigidos http://slidepdf.com/reader/full/catalogo-de-dised1o-de-pavimentos-rigidos 1/14 185 CATALOGO DE DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS DE LA PCA ADAPTADO A LAS CONDICIONES DE TRANSITO COLOMBIANAS Ingeniera: María Fernanda García Aladín Magister en ingeniería de Vías Terrestres Facultad de ingeniería Civil Universidad del Cauca. Profesora Pontificia Universidad Javeriana Popayán, 2003 1. RESUMEN El procedimiento de diseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement Asociation (PCA) es aplicable cuando se dispone del espectro de carga por eje que se prevé va a hacer uso de la vía durante el periodo de diseño. Cuando existe desconocimiento de las cargas es posible usar el método de diseño simplificado de la PCA.. La PCA desarrolló unas tablas de diseño en función de las categorías de tránsito representativas de Norte América y habitualmente se usa para diseñar pavimentos rígidos en Colombia. Un estudio realizado por el ingeniero Fernando Sánchez Estrada para un caso particular de cargas de tránsito en una vía colombiana, comparadas con las cargas dadas por el método simplificado de la PCA, se concluye que Colombia esta muy lejos de poder aplicar ese método si no se realiza antes una adaptación de las cargas de tránsito. Colombia cuenta con información suficiente en la Red Vial Nacional para definir la composición promedio vehícular para cada vía y con registros de pesajes de ejes vehiculares, que manejados estadísticamente conforman la adaptación de cargas necesaria para generar el Método Simplificado de la PCA adaptado a las condiciones de tránsito nacionales. A partir del estudio de la variable tránsito se encontró el espectro de carga representativo para Colombia. Este espectro, junto con las el análisis de las tasas de crecimiento, dieron como resultado el METODO SIMPLIFICADO DE DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS DE LA PCA ADAPTADO A LAS CONDICIONES DE TRANSITO COLOMBIANAS. Se espera que esta información pueda servir como referencia en el diseño de pavimentos rígidos tanto en vías nacionales como departamentales y municipales. 2. OBJETIVOS ü Establecer la composición del parque vehícular colombiano de acuerdo a los rangos de TPDS definidos por el Instituto Nacional de Vías. ü Identificar en Colombia, las distintas tasas de crecimiento del parque automotor a nivel nacional.
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8/4/2019 Catalogo de Dise%d1o de Pavimentos Rigidos
CATALOGO DE DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS DE LA PCA ADAPTADOA LAS CONDICIONES DE TRANSITO COLOMBIANAS
Ingeniera: María Fernanda García AladínMagister en ingeniería de Vías Terrestres
Facultad de ingeniería CivilUniversidad del Cauca.
Profesora Pontificia Universidad Javeriana
Popayán, 2003
1. RESUMENEl procedimiento de diseño de pavimentos rígidos de la Portland Cement
Asociation (PCA) es aplicable cuando se dispone del espectro de carga por ejeque se prevé va a hacer uso de la vía durante el periodo de diseño. Cuando existedesconocimiento de las cargas es posible usar el método de diseño simplificadode la PCA..
La PCA desarrolló unas tablas de diseño en función de las categorías de tránsitorepresentativas de Norte América y habitualmente se usa para diseñar pavimentosrígidos en Colombia. Un estudio realizado por el ingeniero Fernando SánchezEstrada para un caso particular de cargas de tránsito en una vía colombiana,comparadas con las cargas dadas por el método simplificado de la PCA, seconcluye que Colombia esta muy lejos de poder aplicar ese método si no serealiza antes una adaptación de las cargas de tránsito.
Colombia cuenta con información suficiente en la Red Vial Nacional para definir lacomposición promedio vehícular para cada vía y con registros de pesajes de ejesvehiculares, que manejados estadísticamente conforman la adaptación de cargasnecesaria para generar el Método Simplificado de la PCA adaptado a lascondiciones de tránsito nacionales. A partir del estudio de la variable tránsito seencontró el espectro de carga representativo para Colombia. Este espectro, juntocon las el análisis de las tasas de crecimiento, dieron como resultado el METODOSIMPLIFICADO DE DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS DE LA PCAADAPTADO A LAS CONDICIONES DE TRANSITO COLOMBIANAS.
Se espera que esta información pueda servir como referencia en el diseño depavimentos rígidos tanto en vías nacionales como departamentales y municipales.
2. OBJETIVOS
ü Establecer la composición del parque vehícular colombiano de acuerdo a losrangos de TPDS definidos por el Instituto Nacional de Vías.
ü Identificar en Colombia, las distintas tasas de crecimiento del parque automotor anivel nacional.
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ü Definir el espectro de carga por tipo de eje para los camiones colombianos.ü Exponer el Método Simplificado de la PCA adaptado a las condiciones de tránsito
Colombianas.
3. VARIABLES DEL DISEÑOPara el diseño de pavimentos es necesario tener en cuenta las siguientesvariables:
Módulo de reacción (K) del apoyo de la losa.Resistencia del concreto.Condiciones de apoyo lateral.Existencia o no de pasadores en las juntas transversales.Transito de diseño.
3.1. Módulo de reacción (K) del material de soporte.La resistencia del material de soporte se enmarca dentro de los límites propuestosen la siguiente tabla, en la cual se clasifica el suelo en 5 categorías:
Tabla 1.1 Entornos de la resistencia. Fuente INVIAS
Este rango de K se encuentra incluido en la parte superior de cada tabla dandoorigen a las diferentes columnas de diseño. Se debe partir entonces pordeterminar el valor de K correspondiente a la vía que se va a diseñar, o bien, arehabilitar y encontrar a que categoría pertenece.
3.2. Resistencia del concretoEn el catálogo se encuentran diseños realizados con seis diferentes resistenciasde concreto, desde muy bajas de 3.1 Mpa, pasando por resistencias de 3.35 Mpa,3.60 Mpa, 3.8 Mpa, 4.1 Mpa, hasta resistencias altas de 4.4 Mpa. Se debe tener
en cuenta que no siempre la mayor resistencia garantiza menores espesores. Sies una tendencia cuando el diseño está gobernado por el consumo de fatiga, perono lo es cuando domina la erosión.
3.3. Condiciones de apoyo lateralLas tablas presentadas contemplan diseños con berma (con apoyo lateral) y sinberma (sin apoyo lateral). Esta condición se encuentra bien diferenciada en eltítulo de la tabla.
El apoyo lateral protege contra el fenómeno de erosión y disminuye los esfuerzosde borde, pero en el diseño se debe tener en cuenta que en muchas ocasiones, enespecial en las vías de menor importancia, la construcción de bermas no serealiza al mismo tiempo que la construcción de la línea de tráfico, sino que se
realiza en etapas posteriores de la obra, por lo cual es conveniente escoger conbuen criterio esta condición de diseño de acuerdo a la evolución de las etapasconstructivas de la obra.
3.4. Existencia o no de pasadores en las juntas transversalesEl ingeniero puede también escoger la conveniencia de diseñar con pasadores osin pasadores, esta condición se encuentra igualmente diferenciada en el títulode la tabla.
Al contrario de la variable anterior, esta, sí se presenta desde la primera etapa deconstrucción. Los pasadores ayudan a mejorar la transmisión de cargas entre laslosas por lo cual son importantes en el caso donde controla el diseño por erosión.
3.5. Transito de diseñoEn esta etapa del diseño es necesario determinar el Tránsito Promedio DiarioSemanal (TPDS) actual de la vía y la composición vehícular, con la cual se defineel Tránsito Promedio Diario Semanal de vehículos comerciales (TPD-C),entendiendo por vehículos comerciales la suma de buses y camiones. Este TPDS-C actual es el dato con el cual se va a entrar a las tablas para determinar elespesor final de la losa de concreto.
Es importante hacer notar que internamente, en el desarrollo del presente trabajo,este tránsito TPDS-C ha sido proyectado con las tasas de crecimientos máximasesperadas para el grupo vehícular de camiones en cada rango de TPDS, según elanálisis de tasas de crecimiento nacional realizado para la elaboración delcatálogo y que por ello el diseñador no debe realizar el trabajo de proyectar yacumular el tránsito durante el periodo de diseño, que en este caso particular esde 20 años.
De acuerdo al trabajo estadístico realizado estas categorías presentan lascomposiciones vehiculares y cargas máximas a nivel nacional mostradas en latabla 1.2, el diseñador debe escoger la categoría que mejor se acople a su diseñosiendo conveniente trabajar como prioridad las cargas máximas esperadas en la
vía de acuerdo al tipo de eje, en segundo lugar la composición vehícular y comoúltima opción para elegir la categoría correcta debe usarse los rangos de TPDS.
4. METODOLOGIA DE ELABORACION DE LAS TABLAS
Cada uno de los datos consignados en las tablas del método de diseñosimplificado de la PCA original, corresponde a un diseño realizado bien sea enforma manual con el uso de gráficas y de las tablas tradicionalmente usadas, obien sea a través del programa JSLAB.
El programa BS-PCA se diseñó para adaptar el método simplificado de la PCA alas condiciones de tránsito colombianas. Este programa está elaborado con lasfórmulas racinales, la variable tránsito fue alimentada con los espectros de cargacolombianos y tiene en su interior un análisis de sensibilidad que permite, comosu nombre lo indica, sensibilizar cualquier variable de diseño.
En este caso específico (diseño de las tablas) la variable a sensibilizar es elespesor (h), en función de las diferentes calidades de material de apoyo (Si), laexistencia de pasadores y bermas y las diferentes categorías del tránsito (Ti), cadauna de ellas con un sin número de posibles repeticiones de las cargas vehiculares,pues no se debe olvidar que el tránsito está encajado en diferentes rangos deTPDS. Así, para el TPDS entre 1.000 y 2.500 el porcentaje de vehículoscomerciales (tabla 1.2) está entre 37% y 42%, es decir que es posible quediariamente circulen entre 370 y 1050 vehículos comerciales con su respectivoespectro de carga. Esto genera, por ende, diferentes espesores de pavimento. Sele puede sumar a lo anteriormente descrito la posible variación en el K y en laresistencia del concreto (MR).
A continuación se presenta un ejemplo de la metodología seguida para elaborartodas las tablas de diseño. Con el fin de continuar con un diseño familiar, se tomael Diseño 1A de la PCA. La idea es encontrar el espesor losa optimo, capaz desoportar el espectro de carga de dicho diseño al cual se le van a duplicar elnúmero de repeticiones esperadas por eje, con diferentes calidades de superficiede apoyo y diferentes módulos de rotura.
Para el ejemplo se supone que el K es 35 Mpa/m, pavimento con pasadores y sinbermas. Para sensibilizar el diseño el espesor de la losa se va a variar entre 240mm y 290 mm cada 10mm, se toman dos resistencias del concreto: 4.2 y 4.5 Mpay por último el número de repeticiones del espectro de carga del diseño 1A se va air incrementado desde 1.0 hasta 2.0 cada 0.5. En la medida en que se incrementaese espectro al doble, para la carga de 133 KN (160 KN para la carga mayoradapor 1.2) en el eje simple ya no van a pasar 6,310 vehículos comerciales, sino
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Puede verse que el diseño 1 con h = 240 mm y MR = 4.5 Mpa cumplesatisfactoriamente cuando el espectro de carga es aplicado con factor demayoración 1.0. Para generar las tablas del método simplificado, las repeticionesdel espectro de carga deben crecer y decrecer en forma proporcional. Según elanálisis de sensibilidad se puede escoger entre el diseño 2 con h = 250 mm y MR= 4.5 Mpa, o el diseño 3 con h = 260 mm y MR = 4.2 Mpa. En las tablas aparecenno solo los diseños 2 y 3, sino también otros con diferentes resistencias deconcreto, módulos de reacción de la subrasante, etc. La decisión final puede sermas de tipo económico que técnico.
Para elaborar las tablas, se alimento el programa BS-PCA con los espectros decarga colombianos y fue necesario sensibilizar todas las variables expuestas.
Los espectros mostrados tablas anteriores para cada rango de TPDS conforman elESPECTRO DE CARGA NACIONAL.
5. COMPARACION DE DISEÑO DE PAVIMENTOS POR EL METODO DE LAPCA ORIGINAL Y EL METODO ADAPTADO
Como se mencionó anteriormente, este estudio fue realizado debido a la aparentediferencia entre el espectros usados por el método simplificado original y elespectro que realmente tienen los ejes de los camiones colombianos.
La tabla que se presenta a continuación representa la categorías de carga por ejeusadas en el método original:
Tabla 1.4 Categorías de carga por eje. Fuente: PCA
Las únicas categorías que pueden compararse son las categorías 3 y 4 delmanual original con las categorías T1 y T2 propuestas en el presente trabajo en latabla 1.2 y solo a nivel de cargas máximas pues el espectro por tipo de eje
presenta grandes diferencias entre los dos métodos. La siguiente figura muestra lacomparación de los espectros de la categoría 4 del método original y la categoríaT2 de la presente adaptación:
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Figura 1.2 Comparación del espectro de carga del eje simple para lascategorías 4 y T2.
5.1. Ejemplo de diseño de espesor de pavimento por los dos métodos
Datos básicos del tránsito:
TPDS = 3.000 vehículos.Porcentaje de vehículos comerciales = 30%TPDS-C en el año inicial = 900 vehículos.Carga máxima esperada en el eje simple = 140 KNCarga máxima esperada en el eje tándem = 260 KNCarga máxima esperada en el eje trídem = 300 KN
Con estas características del tránsito, se puede entrar a escoger la categoría así:ü Método original de la PCA: categoría 4 definida a partir de las cargas máximas
esperadas por cada eje.ü Método adaptado a Colombia: categoría T2 definida a partir de las cargas
máximas esperadas por eje.
Resistencia del concreto y condición de apoyo lateral y pasadores:Módulo de rotura MR = 4.4 MpaEl pavimento se diseña sin pasador y con bermas.
Módulo de reacción K de la superficie de apoyo:K = 30 Mpa/m
ü Diseño por el método original de la PCA:La tabla 1.8 es una de las tradicionalmente usada para el diseño depavimentos rígidos de la PCA. Esta tabla particularmente pertenece al tránsitocategoría 4 sin pasadores. Se ha escogido el fragmento de la tabla con
0
50
100
150
200
250
300
350
400
1 9 . 6
3 9 . 2
5 8 . 8 7 1 8 0 8 9
1 0 7
1 1 6
1 2 5
1 3 3
1 4 2
1 5 1
Carga en KN
R e p e t i c i o n e s
e s p e r a d a s
Categoría 4 Categoría T2
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módulo de rotura 4.4 Mpa y el lado derecho el cual pertenece al diseño depavimentos con berma.
Para TPD-C de 900 vehículos comerciales diarios, el diseño de pavimento
requiere un espesor h = 230 mm.Tabla 1.5 TPDS-C – Categoría 4 – Pavimento con trabazón de agregados. Fuente:
PCA
ü Diseño por medio del catálogo adaptado al tránsito colombiano:Este catálogo está diseñado igualmente para trabajar con el TPDS-C en toda lavía es decir TPDS-C = 900 vehículos comerciales, de tal forma que para lacategoría T2, pavimento sin pasador y con berma, es necesario entrar a latabla 4.7 del presente capítulo obteniendo un espesor de diseño h = 270 mm yMR = 4.4 Mpa
ü Diseño por el método de la PCA adaptado:La tabla 1.9 es una de las tablas elaboradas a partir de las características deltránsito y los materiales colombianos para el diseño de pavimentos rígidos dela PCA. Esta tabla particularmente pertenece al tránsito categoría T2 sinpasadores. Se ha escogido el fragmento de la tabla con módulo de rotura 4.4Mpa.
Para TPD-C de 900 vehículos comerciales diarios, el diseño de pavimentorequiere un espesor h = 270 mm.
El hecho de diseñar el pavimento con la metodología tradicional representa 4centímetros menos en el espesor realmente requerido.
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Al aplicar el espectro de carga que realmente se presenta en Colombia, el espesorh = 230 mm soporta un TPDS-C de 224.70 vehículos comerciales diarios lo queequivale a reducir la vida del pavimento a 6.5 años. Los 6.5 años fuerondeterminados a partir de la macro de análisis de sensibilidad mencionada
anteriormente.Tabla 1.6 TPDS-C admisible – Categoría T2 – Sin pasador y con berma –
Periodo: 20 años
Esto sucede porque aunque realmente las cargas máximas esperadas por eje sonsimilares para las categoría 4 y T2, el espectro total es muy diferente. Si se analizanuevamente la figura 1.6 puede notarse que para el espectro T2 las cargasmayores a 116 KN aun presenta un número importante de repeticiones esperadas,mientras que en el espectro de la categoría 4 estas repeticiones son muchomenores.
Continuando con el ejemplo, puede suceder el caso en el que el diseñador nopueda prever las cargas máximas esperadas. Es así como la escogencia de lacategoría de tránsito debe hacerse de acuerdo al rango de TPDS.
Para TPDS = 3.000 y TPD-C = 900 la clasificación del tránsito en el métodooriginal según la tabla 1.7 es Categoría 3 y para el método adaptado a Colombiasería T4 según la tabla 1.2 comparados en la figura 1.7:
Puede notarse una gran diferencia entre estos dos espectros de carga, lo que serefleja necesariamente en el diseño del pavimento:
ü Método original de la PCA: h = 220 mm con MR = 4.4 Mpa.ü Método adaptado a Colombia (tabla 4.15): h = 330 mm con MR = 4.4 Mpa.Se deduce entonces la importancia de la adaptación del manual simplificado de laPCA al tránsito colombiano, debido al uso común que tiene este método entre los
diseñadores.
Figura 1.3 Comparación del espectro de carga del eje simple para lascategorías 3 y T2.
