DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO …

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO XIOMARA ALEJANDRA SÁNCHEZ CASTILLO UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ, D.C. 2003

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

XIOMARA ALEJANDRA SÁNCHEZ CASTILLO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ, D.C.

2003

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XIOMARA ALEJANDRA SÁNCHEZ CASTILLO

Proyecto de grado para optar por el título de Ingeniero Civil

Directora: SILVIA CARO SPINEL

Ingeniera Civil

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL BOGOTÁ, D.C.

2003

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Dedicado a todas las personas que creyeron

en mí, pues me dieron fuerza para seguir

adelante.

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“La fortaleza de un diseñador no radica tanto en la sofisticación de la

herramienta que utilice, como en la sensibilidad que tenga acerca

del comportamiento del pavimento.” Germán Guillermo Madrid Mesa

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AGRADECIMIENTOS

La autora quiere expresar su agradecimiento a:

Arquitecto Fabrizio Bravo, Director de prefabricados del Instituto Colombiano de

productores de cemento - ICPC, por su valiosa colaboración.

William Rafael Ruiz Mogollón, Ingeniero Civil, por su asistencia en la elaboración del

modelo computacional.

A todos aquellos de quienes recibí una voz de aliento para llevar a cabo mi proyecto y

darle un feliz término.

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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN

2. JUSTIFICACIÓN

2.1. Justificación general

2.2 Justificación para el contexto colombiano

2.3 Ventajas de los pavimentos articulados

3. FUNDAMENTO TEÓRICO

3.1 Historia

3.2 Definiciones

3.2.1 Definiciones generales

3.2.2 Partes de un pavimento articulado

3.3 Proceso constructivo

3.3.1 Colocación y nivelación de la capa de arena

3.3.2 Colocación de los adoquines

3.3.3 Ajustes

3.3.4 Compactación inicial

3.3.5 Sello de juntas y compactación final

3.3.6 Confinamiento

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3.3.7 Limitaciones en la ejecución

3.3.8 Apertura al tránsito

3.3.9 Conservación

3.4 Normatividad

3.4.1 Materiales

3.5 Ventajas

3.5.1 Ventajas debido al proceso constructivo

3.5.2 Ventajas debido al manejo del pavimento

3.5.3 Ventajas debido a su apariencia

3.5.4 Ventajas relativas a la seguridad

3.5.5 Ventajas relativas a la durabilidad

3.5.6 Ventajas relativas al costo de construcción

3.6 Limitaciones

3.7 Funcionamiento

3.8 Mecanismos de falla

3.9 Diseño

3.9.1 Diseño en Colombia

4. DISEÑOS EVALUADOS

4.1 Diseño de la ASSHTO

4.2 Diseño racional de pavimentos

4.2.1 Bases del diseño racional

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4.2.2 Carácter probabilistico

4.2.3 Materiales con ligante hidráulico

4.2.4 Materiales con ligante asfáltico

4.2.5 Subrasante

4.2.6 Capa de rodadura

4.3 Parámetros de diseño

4.3.1 Espesor de los adoquines de concreto

4.3.2 Tráfico

4.3.3 Clima

4.3.4 Subrasante

4.3.5 Materiales granulares no tratados

4.4 Diseño con el programa DEPAV

4.5 Elaboración del modelo de elementos finitos

5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

7. REFERENCIAS

ANEXOS

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Secciones transversales típicas de un pavimento articulado

Figura 2. Tipos de entrabado, vertical, rotacional y horizontal

Figura 3. Patrones de colocación típicos

Figura 4. Procedimiento de diseño empírico de un pavimento articulado

Figura 5. Convenciones para el diseño de ASSHTO

Figura 6. Características del modelo

Figura 7. Esfuerzos en los elementos solid (coordenadas globales)

Figura 8, Vista en planta del modelo

Figura 9. Ubicación de los links en el plano

Figura 10. Modelo de las juntas como un conjunto de resortes

Figura 11. Elemento diferencial sometido a esfuerzo cortante

Figura 12. Vista isométrica del modelo

Figura 13. Vista del modelo en el plano xz

Figura 14. Vista del modelo en el plano xy

Figura 15. Corte transversal. Deformada caso 1.

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LISTA DE ANEXOS

Anexo 1. Datos de entrada y resultados diseño por el método ASSHTO

Anexo 2. Diseño racional. Resultados del programa DEPAV

Anexo 3. Datos de entrada para la modelación en SAP2000 NL

Anexo 4. Resumen de resultados SAP2000 NL

Anexo 5. NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 2017. ADOQUINES DE CONCRETO

PARA PAVIMENTOS

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Gradación de la arena para capa de soporte

Tabla 2. Gradación para arena de sello

Tabla 3. Espesores para los adoquines, la capa de arena y la capa de base en función del tráfico

Tabla 4. Factores de conversión entre CACC y otros materiales para base y subbase

Tabla 5. Factor de confiabilidad de diseño

Tabla 6. Nivel de confiabilidad recomendado en función del TPD

Tabla 7. Constantes para calcular el coeficiente de capa

Tabla 8. Coeficiente de drenaje mi para materiales granulares

Tabla 9. Desviación estándar de la ley de fatiga y de los espesores de capas

Tabla 10. Coeficiente de reducción Kd

Tabla 11. Coeficiente de reducción Ks

Tabla 12. Coeficiente de reducción Kc para materiales asfálticos

Tabla 13. Coeficientes k y α para calcular el factor camión o CAM

Tabla 14. Probabilidad de falla en función del tráfico y el material

Tabla 15. Clases de tráfico

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1. INTRODUCCIÓN

En la ciudad de Bogotá es evidente el estado de deterioro de algunos pavimentos y la

ausencia de ellos en algunas partes de la cuidad. Esto se debe no sólo a deficiencias en

los diseños, o a alteraciones en las premisas de los mismos, como el tráfico, sino a un

déficit económico de la administración distrital para llevar a cabo el adecuado

mantenimiento de los pavimentos existentes o reparaciones que implican altos costos.

Los pavimentos articulados tienen una serie de ventajas que pueden ser aprovechadas,

ya que han sido ampliamente utilizados desde plazas y andenes hasta aeropuertos y

puertos. Se plantea como una solución de pavimentación económica pues no requiere

equipos especializados para su construcción y mantenimiento; y también se han

desarrollado soluciones de sobrecapas con adoquines de concreto que resultan más

económicas que la remoción y reconstrucción del pavimento. Sin embargo no han sido

muy difundidos para tráfico vehicular medio y alto, pues no hay reglamentación adecuada,

ni una metodología de diseño racional explícita para colocarlos al nivel en que se

encuentran actualmente los otros tipos de pavimentos.

Este proyecto pretende mostrar las ventajas y debilidades de un pavimento articulado,

estudiar su comportamiento y desarrollar una metodología de diseño racional para este

tipo de pavimentos. Es importante anotar que en este documento se le llama pavimento

articulado reconociendo que este no es un término adecuado para este tipo de

estructuras, pues no define su comportamiento.

El lector debe ser consciente del significado y las limitaciones del contenido de este

trabajo para así poder asumir, responsablemente, la aplicación de la información aquí

presentada.

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2. JUSTIFICACIÓN

2.1 Justificación general

Alrededor del mundo los pavimentos articulados son considerados dentro de las

alternativas de pavimentación para vías de medio y alto tráfico vehicular y los pavimentos

que se han construido han tenido un buen desempeño, presentando una serie de ventajas

con respecto a otros pavimentos. Este conocimiento aún se está afianzando y está en

constante movimiento por la incertidumbre de las variables que involucra.

2.2 Justificación para el contexto colombiano

En el país los pavimentos de adoquines de concreto no han tenido una difusión adecuada

para tráficos mediano y alto y se requiere de una reglamentación acorde con las políticas

distritales, así como consideraciones especiales de diseño y construcción y una

exploración más a fondo que permita comprender en que influye realmente la utilización

de una capa de rodadura u otra con respecto a la función que debe desempeñar y al

comportamiento general de la estructura de pavimento.

2.3 Ventajas de los pavimentos articulados

Los pavimentos articulados ofrecen las ventajas del concreto y de los pavimentos flexibles

de asfalto. Los adoquines tienen alta resistencia a la abrasión y al deslizamiento, no

sufren daños por el contacto con los productos del petróleo ni por cargas puntuales

concentradas o altas temperaturas. Una vez instalados no se debe esperar un tiempo de

curado, el pavimento está listo para el tráfico inmediatamente. La fisuración por esfuerzos

y la degradación de la superficie se minimiza por la cantidad de juntas que son el medio

de transferencia de cargas. Al igual que los pavimentos flexibles de asfalto permite

deformaciones menores sin agrietamiento de la superficie. La instalación mecánica de los

adoquines puede acortar el periodo de construcción. La reparación del pavimento se

favorece con la reutilización de adoquines reduciendo la pérdida de material. [1]

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3. FUNDAMENTO TEÓRICO

3.1 Historia

Los pavimentos de adoquines de concreto tienen sus raíces en el primer pavimento con

superficie dura, que fue el de piedra, y que ya se construía 4000 años AC. Éste

evolucionó cuando se tallaron las piedras para un mejor ajuste entre ellas y una mayor

comodidad en el desplazamiento de personas y carros de tracción animal, lo que dio

origen a los pavimentos de adoquines de piedra, (la palabra española adoquín proviene

del árabe “ad-dukkãn” que quiere decir “piedra escuadrada”) tecnología ampliamente

utilizada por el Imperio Romano para la construcción de sus vías (con bases granulares y

estabilizadas con puzolanas naturales). Dicho tipo de pavimento predominó hasta el siglo

XIX, pero debido al proceso acelerado de urbanización y a la aparición del automóvil con

motor de combustión interna a finales del siglo, no resultaba económico ni práctico tallar la

gran cantidad de piedras que requería el ritmo de pavimentación acorde con las

necesidades de esta época. Por esta razón el pavimento de adoquines de piedra

comenzó a ser reemplazado por pavimentos de adoquines de arcilla cocida, de bloques

de madera y se desarrollaron las técnicas de pavimentación con concreto y con asfalto.

[2]

Si bien la pavimentación con bloques de madera se abandonó muy pronto, algunos

países europeos construyeron grandes extensiones de pavimentos de adoquines de

arcilla cocida, con resultados aceptables a pesar del desgaste acelerado de las piezas. [3]

Fue después de la Segunda Guerra Mundial, especialmente en los Países Bajos, cuando

la mecanización de la prefabricación en concreto, permitió el desarrollo de los adoquines

de concreto y, por ende, de este tipo de pavimento, que reemplazó las unidades de arcilla

(ladrillos), que se utilizaban tradicionalmente. Este sistema de pavimentación se

popularizó al comienzo en Europa y posteriormente se difundió por el resto del mundo.

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Foto 1. Pavimento de adoquines de piedra Romano.

En Colombia, aunque hubo alguna producción de adoquines durante los años cincuenta y

sesenta, solo después de 1975 se comenzaron a utilizar realmente los pavimentos de

adoquines.

Las investigaciones y desarrollos más destacados que le han dado al pavimento de

adoquines un soporte técnico sólido, comenzaron en la década de los setenta. [3]

3.2 Definiciones

3.2.1 Definiciones generales

Pavimento

Un pavimento es una estructura conformada por una o varias capas de diversos

materiales diseñada para soportar las condiciones climáticas de la región y las cargas que

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le impone el tráfico, y transmitirlas a su fundación o subrasante con una magnitud tal que

las pueda soportar sin deformarse excesivamente. Para tal efecto las capas deben sumar

una rigidez suficiente que depende tanto de los materiales empleados como del espesor

de los mismos. Los pavimentos se presentan como una estructura multicapa colocada

sobre la plataforma de soporte del pavimento. Esta plataforma está constituida por el

suelo de subrasante y una eventual capa de conformación [4].

Pavimento articulado

Un pavimento articulado esta compuesto por una capa de rodadura de adoquines de

concreto; la capa de base y la de subbase cuando la anterior exista y opcionalmente una

capa de mejoramiento de la subrasante. Es importante que este tenga unas restricciones

laterales de confinamiento adecuadas. Estructura típica se muestra en la Figura 1.

Adoquín en concreto

Junta de arena

Cama de arena

Base granular compactada

Subrasante

Sub-base granular

compactada

Bordillo de SJ0.00071971163.8750071934 380.1644 m208971163.8750071934 42 389.04 m395.64 64655 0 0 6.4655 249.4( d)9.655 249.4( d)9.655D24.34 380.16 lf682.98 m18 Tc-06465.3424( d)9.658 m1882.98 m85 2m188214 390.187.74 391.98 18 Tc-3 396.96 m181m9 391.08 m181m9 3187.74 391.98 18 Tc-3 34655 249.4(.68 l146.58 38589.3 3981.38 m125.6346l61.32 Tm0.059l61.3276m98.4 m1ml125.318708971163.8750071934 42 389.04 m395.64 646l58 385898476m98.4 m1ml125.31858 38589.3 3126.96 18 T816.36 395.16 m1ula)9.4(r )]TJ-0294188.76 395.34 m1ular 1882.98 m86.460 6.463 393.9r1858 m126.96383.768

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3.2.2 Partes de un pavimento articulado

Capa de rodadura de adoquines de concreto

Esta capa debe soportar directamente las cargas y resistir el desgaste producido por la

abrasión del tráfico al desplazarse, en conjunto con la agresión el clima. Está conformada

por un conjunto de adoquines separados por juntas selladas con arena, apoyado sobre

una capa delgada de arena. Debido al entrabamiento se establece como una superficie en

la que los adoquines deben actuar de forma mancomunada en un sistema que se

asemeja al de un material homogéneo y flexible, que combina la durabilidad del concreto

con la flexibilidad característica de los pavimentos asfálticos.

Adoquines de concreto

Son elementos macizos, prefabricados, de espesor uniforme e iguales entre sí, con forma

de prisma recto tal que al colocarlos sobre una superficie, encajen unos con otros de

manera que solamente queden juntas entre ellos.

Sello de arena

Está constituido por arena fina que se coloca para llenar las juntas entre los adoquines.

Sirve como sello de las mismas y garantiza el buen comportamiento a flexión y la

capacidad portante de la superficie del pavimento.

Capa de arena

Capa de arena gruesa y limpia de poco espesor sobre la cual se colocan los adoquines.

Está compuesta por partículas resistentes a la degradación, con una granulometría

uniforme que facilita su colocación, la infiltración, y el flujo libre de agua.

Capas de cuerpo

Base

Es la principal capa estructural del pavimento, colocada directamente bajo la capa de

arena. Esta capa es la que proporciona mayor capacidad estructural y suministra un

apoyo uniforme, estable y permanente al pavimento. Para tráficos medio y alto, es

recomendable emplear una base negra (granular con ligante asfáltico) ó una base

granular con ligante hidráulico. Es importante anotar en este punto que lo anterior es una

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de las principales diferencias entre el diseño para tráfico bajo y para tráfico medio y alto,

pues en el primero es común considerar una base no tratada.

Subbase

Capa estructural localizada directamente bajo la base. Consta de un material granular no

tratado o estabilizado según los parámetros de diseño. Para vías de bajo tráfico se puede

reemplazar por un tratamiento de la subrasante.

Capa de conformación

Capa de transición entre la subrasante y el resto de estructura del pavimento, que

funciona como capa estructural pues mejora las características del suelo de subrasante y

como plataforma de trabajo para proteger la subrasante durante la etapa de construcción,

especialmente sobre subrasantes de baja capacidad de soporte. Puede ser material de la

subrasante que haya sido modificado o un material diferente.

3.3 Proceso Constructivo

El proceso a adelantar para la construcción de la capa de adoquines de concreto se lleva

a cabo de la siguiente manera, como lo indica la referencia [5]:

3.3.1 Colocación y nivelación de la capa de arena

Se coloca la arena seca sobre la capa de base con un espesor uniforme tal que al ser

compactada la capa de rodadura, tenga un espesor entre 30 y 40 mm. Si la arena ya

colocada sufre algún tipo de compactación antes de colocar los adoquines, se le debe

devolver su carácter suelto con ayuda de un rastrillo y se enrasa de nuevo.

La capa de arena debe irse extendiendo coordinadamente con la colocación de los

adoquines, de manera que no quede expuesta al término de la jornada de trabajo.

3.3.2 Colocación de los adoquines

Los adoquines se colocan directamente sobre la capa de arena nivelada, al tope unos con

otros, de manera que generen juntas que no excedan 3 mm.

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La colocación debe seguir un patrón uniforme, el cual se controlará con hilos para

asegurar su alineamiento transversal y longitudinal. Si los adoquines son rectangulares

con relación largo/ancho de 2/1, el patrón de colocación será de espina de pescado

(figura 3), dispuesto en cualquier ángulo sobre la superficie, patrón que se sigue de

manera continua, sin necesidad de alterar su rumbo al doblar esquinas o seguir trazados

curvos. Si los adoquines se colocan en hileras, se debe cambiar de orientación para

respetar la perpendicularidad a la dirección preferencial de circulación.

Los adoquines de otras formas se tratan de colocar en hileras perpendiculares a la

dirección preferencial de circulación, pero sin cambiarles el sentido al doblar esquinas o

seguir trazados curvos.

Los adoquines no se nivelan individualmente, pero sí se podrán ajustar horizontalmente

para conservar el alineamiento.

Para zonas en pendiente, la colocación de los adoquines se hace preferiblemente de

abajo hacia arriba.

3.3.3 Ajustes

Una vez colocados los adoquines que quepan enteros dentro de la zona de trabajo, se

colocan ajustes en las áreas que hayan quedado libres contra las estructuras de drenaje o

de confinamiento.

Estos ajustes se hacen, preferiblemente, partiendo adoquines en piezas con la forma

necesaria. Los ajustes cuya área sea inferior a la cuarta parte del tamaño de un adoquín,

se hacen, después de la compactación final, empleando un mortero compuesto por una

(1) parte de cemento, cuatro (4) de arena y poca agua.

3.3.4 Compactación inicial

Una vez terminados los ajustes con piezas partidas, se procede a la compactación inicial

de la capa de adoquines, mediante la pasada de una vibrocompactadora de placa,

cuando menos dos (2) veces en direcciones perpendiculares.

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El área adoquinada se compacta hasta un metro (1 m) del borde del avance de la obra o

de cualquier borde no confinado. Al terminar la jornada de trabajo, los adoquines tendrán

que haber recibido, al menos, la compactación inicial, excepto en la franja de un metro (1

m) recién descrita.

Todos los adoquines que resulten partidos durante este proceso deberán ser extraídos y

reemplazados.

3.3.5 Sello de juntas y compactación final

Inmediatamente después de la compactación inicial, se aplica la arena de sello sobre la

superficie en una cantidad equivalente a una capa de 3 mm de espesor y se barre

repetidamente y en distintas direcciones, con una escoba o cepillo de cerdas largas y

duras. En el momento de su aplicación, la arena debe encontrarse lo suficientemente

seca para penetrar con facilidad por las juntas.

Simultáneamente, se aplica la compactación final, durante la cual cada punto del

pavimento debe recibir al menos cuatro (4) pasadas del equipo (vibrocompactadora de

placa), preferiblemente desde distintas direcciones.

Si el Interventor lo considera conveniente, la compactación se completará con el paso de

un rodillo neumático o uno liso de rodillos pequeños, con el fin de reducir las

deformaciones posteriores del pavimento.

3.3.6 Confinamiento

Los pavimentos de adoquines deben tener una estructura de confinamiento que impida su

desplazamiento lateral a causa del empuje del tránsito vehicular.

Las estructuras de confinamiento deben rodear completamente el área pavimentada y

deben penetrar, por lo menos, quince centímetros (15 cm) en la capa de base que se

encuentre bajo la capa de arena y su nivel superior cubrirá, como mínimo, la mitad del

espesor del adoquín después de compactado.

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3.3.7 Limitaciones en la ejecución

Ninguna de las operaciones que forman parte de la construcción del pavimento de

adoquines se realizará en momento de lluvia. Si la capa de arena que sirve de apoyo a

los adoquines ha soportado lluvia o agua de escorrentía, deberá ser levantada y

reemplazada por una arena suelta de humedad baja y uniforme.

Si se tenían adoquines colocados sin compactar ni sellar, el Interventor investigará si el

agua ha producido erosión de la arena por debajo de las juntas y, en caso de que ello

haya sucedido, el Constructor deberá retirar los adoquines y la capa de arena y repetir el

trabajo, a su costa.

3.3.8 Apertura al tránsito

El tránsito automotor no se permitirá hasta que el pavimento haya recibido la

compactación final y esté completamente confinado.

3.3.9 Conservación

Durante un lapso de cuanto menos dos (2) semanas, se dejará un sobrante de arena

esparcido sobre el pavimento terminado, de manera que el tránsito y las posibles lluvias

ayuden a acomodar la arena en las juntas.

No se permitirá lavar el pavimento con chorro de agua a presión, ni recién terminada su

construcción, ni posteriormente.

3.4 Normatividad

Las “Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras” del INVIAS contempla

los pavimentos articulados en el capítulo V titulado “Pavimentos de concreto”, Artículo 510

“Pavimentos de adoquines de concreto”. Allí se da una descripción de los materiales y de

la ejecución de los trabajos, se dan las condiciones para el recibo de los trabajos y la

medida y forma de pago de este tipo de pavimentos.

El reglamento técnico para el sector vial urbano RSV-2000 publicado por el IDU, en el

título A se establecen pautas que son generales para cualquier proyecto que se vaya a

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llevar a cabo en la ciudad. Sin embargo en los títulos siguientes no tiene un contenido

explícito con respecto a los pavimentos de adoquines de concreto. Los pavimentos de

adoquines de concreto aparecen en el Volumen 3 “Especificaciones de construcción

complementarias al RSV-2000”, y hace referencia a las especificaciones del INVIAS antes

mencionadas. Se debe mencionar que el IDU está en proceso de incluir este tipo de

pavimentos en el manual.

3.4.1 Materiales

A continuación se describen las características que deben tener los materiales para la

capa de rodadura de adoquines de concreto, información dada en la referencia [5]:

Arena para capa de soporte

La arena utilizada para la capa de apoyo de los adoquines, será de origen aluvial, sin

trituración, libre de polvo, materia orgánica y otras sustancias objetables. Deberá,

además, satisfacer los siguientes requisitos:

Granulometría

La arena por emplear deberá ajustarse a la siguiente gradación:

Normal Alterno9.5 mm 3/8'' 100

4.75 mm No. 4 90 - 1002.36 mm No. 8 75 - 1001.18 mm No. 16 50 - 95600 µm No. 30 25 - 60300 µm No. 50 10 -30150 µm No. 100 0 - 1575 µm No. 200 0 - 5

Tamiz Porcentaje que pasa

Tabla 1. Gradación de la arena para capa de soporte [5]

Limpieza

El equivalente de arena, medido según la norma INV E-133, deberá ser, cuando menos,

de sesenta por ciento (60%).

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Adoquines

Los adoquines deberán cumplir los requisitos establecidos en la norma ICONTEC

No.2017. Su espesor será el previsto en los documentos del proyecto.

Arena para sello

La arena utilizada para el sello de las juntas entre los adoquines será de origen aluvial sin

trituración, libre de finos plásticos, polvo, materia orgánica y otras sustancias objetables.

Su granulometría se ajustará a los siguientes límites:

Normal Alterno2.36 mm No. 8 1001.18 mm No. 16 90 - 100600 µm No. 30 60 - 90300 µm No. 50 30 - 60150 µm No. 100 5 - 3075 µm No. 200 0 - 15

Tamiz Porcentaje que pasa

Tabla 2. Gradación para arena de sello[5]

3.5 Ventajas

Los pavimentos de adoquines poseen unas características particulares que se traducen

en ventajas sobre los otros tipos de pavimentos en varios aspectos específicos, según las

referencia [3] estas son:

3.5.1 Ventajas debido al proceso constructivo

Los adoquines que conforman la capa de rodadura son elementos prefabricados que

llegan listos al lugar de la obra; por lo tanto su calidad se controla en fábrica.

En el terminado de la capa de rodadura de adoquines de concreto interviene procesos

térmicos ni químicos, ni periodos de espera.

Como se trabaja con pequeñas zonas a la vez cualquier área se puede adoquinar por

etapas con lo cual no se altera ninguna economía de escala.

Dependiendo del proceso constructivo se puede requerir el empleo de poca maquinaria.

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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Así como la labor de colocación de las piezas puede ser mecánica, ha sido

fundamentalmente artesanal. Se utiliza mano de obra que según se organice el proceso

constructivo se puede multiplicar al crear varios frentes de trabajo simultáneamente.

Como los adoquines son piezas pequeñas que no están unidas rígidamente unas con

otras el pavimento de adoquines se adapta a cualquier variación en el alineamiento

horizontal o vertical de la vía sin necesidad de elaborar juntas de construcción.

3.5.2 Ventajas debido al manejo del pavimento

Cuando se tiene un pavimento de adoquines la capa de rodadura es recuperable, pues

como no van pegados unos con otros se pueden retirar y almacenar para reutilizarlos

luego. Esta ventaja es útil cuando se presenta una falla en el pavimento o cuando hay

que instalar o reparar las redes de servicios que pasan por debajo de la vía.

El mantenimiento de los pavimentos de adoquines es muy simple. Además de la

reparación de las zonas que por problemas constructivos puedan presentar algún

hundimiento, el pavimento de adoquines solo requiere que se le retire la vegetación que

pueda aparecer dentro de las juntas y de llenado de mediante barrido de arena fina de

las juntas que se hayan vaciado.

3.5.3 Ventajas debidas a su apariencia

Por estar conformado por muchas piezas iguales el pavimento de adoquines induce un

cierto sentido de orden en la vía. Además la existencia de las juntas entre los

adoquines elimina la monotonía que presenta la superficie continua de otros

pavimentos.

Los adoquines se pueden fabricar de diferentes colores adicionando colorantes

minerales a la mezcla y utilizando cemento gris o cemento blanco. Con algunos

adoquines de color diferente al del resto, se pueden incorporar en la superficie del

pavimento señales y demarcaciones tan duraderas como éste, pero que a la vez

pueden ser removidas fácilmente; se pueden colorear zonas para diferenciar su

utilización o incorporar dibujos decorativos.

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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3.5.4 Ventajas relativas a la seguridad

Los pavimentos de adoquines de concreto se prestan para incorporar señales o se

pueden colocar en medio de otros pavimentos sirviendo como zonas de aviso para

disminución de velocidad o zonas permanentes de velocidad restringida.

Por su rugosidad, los pavimentos de adoquines tienen una distancia de frenado menor

que otros tipos de pavimentos, lo que se traduce en seguridad tanto para los peatones

como para quienes se desplazan en los vehículos.

3.5.5 Ventajas relativas a la durabilidad

La calidad que se le exige a los adoquines de concreto garantiza su durabilidad de

manera que sean resistentes a la abrasión del tráfico de llantas, a la acción de la

intemperie y al derrame de combustibles y aceites.

Un adoquín como tal tiene una vida casi ilimitada. Aunque la estructura del pavimento

puede sufrir algún deterioro después de estar en servicio por más de 20 años con una

reparación menor el pavimento de adoquines puede alcanzar una vida útil de más de 40

años.

3.5.6 Ventajas relativas al costo de construcción

La construcción de un pavimento de adoquines no requiere necesariamente de mano

de obra especializada.

Para la fabricación de los adoquines y para la compactación del pavimento se utiliza

maquinaria de la cual existe producción nacional de buena calidad y rendimiento.

Los materiales que se requieren para su construcción se consiguen en cualquier parte

del país y con excepción de que se construya con una base asfáltica, no consume

derivados del petróleo.

Toda labor, desde la fabricación de los adoquines hasta el terminado del pavimento

puede incorporar gran cantidad de recursos comunitarios y mano de obra local. Esto

hace que sea realmente económico en planes de acción comunal o patrocinada por

entidades de fomento.

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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3.6 Limitantes

De la misma manera que con los otros tipos de pavimentos, la estructura del pavimento

de adoquines se debe apartar del nivel freático del terreno y requiere cuidadosas

medidas de drenaje.

Si la capa de adoquines queda bien colocada, sellada y compactada no debe perder su

sello y su estabilidad ante la caída de lluvias, por copiosas que estas sean; pero nunca

se debe poner a trabajar un pavimento de adoquines como canal colector de aguas que

pueda llegar a soportar corrientes voluminosas y rápidas tipo arroyo.

Los pavimentos de adoquines nuca deben ser sometidos a la acción de un chorro de

agua a presión, esto podría ocasionar la perdida de material de sello de juntas.

Por estar compuesto por un gran número de piezas el tráfico sobre un pavimento de

adoquines genera más ruido que sobre los otros tipos de pavimento e induce mayor

vibración al vehículo; por estar razones no es aconsejable para velocidades superiores

a los 80 Km/hora.

3.7 Funcionamiento

En la capa de adoquines de concreto los adoquines no trabajan de forma independiente

sino enlazada. Esto se logra debido al entrabado vertical horizontal y rotacional que se

genera entre ellos (Figura 2). El entrabado vertical se logra por la transferencia de

cortante a las unidades vecinas a través de la arena en las juntas. Para que se mantenga

el entrabado rotacional los adoquines debe tener un espesor suficiente, deben ser

colocados cerca entre si y restringidos por un bordillo de las fuerzas laterales de las

llantas de los vehículos. El entrabado rotacional también se puede lograr si hay una leve

corona en la sección transversal del pavimento. Además de facilitar el drenaje la corona

permite que las unidades se aprieten levemente con la aplicación de las cargas y se logre

asentamientos menores del pavimento entero, incrementando así la capacidad

estructural.

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Dire

cció

n de

l trá

fico

Espina de pescado

Lineal

Tejido de canasta

Figura 3. Patrones de colocación típicos

Todo lo anterior lleva a que cuando una adoquín es sometido a una carga parte se

transmite a las unidades vecinas y parte a la capa de arena subyacente y que los

adoquines al rotar generen suficiente palanca entre ellos para arrastrarse unos a otros y

no simplemente girar y salirse de su lugar.

3.8 Mecanismos de falla

Los pavimentos de adoquines de concreto pueden presentar fallas asociadas a

deficiencias en el diseño, en la calidad de materiales y en las prácticas constructivas. El

manual de diagnostico de fallas y mantenimiento de vías reconoce seis fallas típicas de

este tipo de pavimentos, describe la metodología de inspección y evaluación, sus posibles

causas y factores que afectan su desarrollo y posibles actividades de mantenimiento. Esto

se expone en detalle en el Anexo 1.

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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3.9 Diseño

El diseño de pavimentos se origina en la necesidad de brindarle a esta estructura, las

características necesarias para que cumpla con su objetivo básico, cual es, proporcionar

una superficie sobre la que se puedan desplazar personas o vehículos, con un nivel de

servicio adecuado, durante un período determinado, en condiciones seguras y

económicas.

En las primeras investigaciones se encontró que la rigidez de una capa de rodadura de

adoquines de 80 mm de espesor, con una capa de arena de 50 mm de espesor,

debidamente sellada y compactada, era equivalente a la de una capa de 160 mm de

concreto asfáltico. Esta relación inicial (1,3 aproximadamente) se ha discutido y verificado

ampliamente en diversas investigaciones, involucrando variantes en la forma, tamaño,

patrón de colocación y características de los adoquines, en el ancho y material de lleno de

la junta y en el espesor de la capa de arena, además de la calidad constructiva del

conjunto, lo que ha llevado, con el tiempo y por razones de seguridad, a que los

diseñadores supongan un factor que pude estar entre 1 y 1,2 para dicha equivalencia.

Desde otro punto de vista, a la capa de rodadura se le asignan valores de Módulo

Resiliente entre 2760 MPa (400000 psi) y 3100 MPa (450000 psi) para el conjunto de:

adoquines de 80 mm y entre 25 mm y 40 mm de capa de arena y un coeficiente AASHTO

entre 0,42 y 0,44 [6]. Igualmente se le ha asignado un Módulo de Elasticidad de 4000

MPa y una Relación de Poisson de 0,15 [7]. El pavimento de adoquines de concreto se

cataloga, entonces, como un pavimento flexible, cuya rodadura tiene una característica

estructural única y uniforme, por lo cual no se le debe denominar "articulado", que implica

discontinuidad entre los elementos y comportamiento diferencial entre ellos y la unión.

Es importante resaltar que este módulo no se ve afectado con los cambios de clima, aún

en condiciones extremas de temperatura. Además, dicha rigidez no es fija sino que

evoluciona y se incrementa con el tiempo (ciclos de dilatación y contracción de las

unidades y el sistema) y con el paso de los vehículos (hasta unos 10000 Ejes Estándar,

cuando se alcanza su valor máximo o se llega al estado de "entrabamiento" (Iock-up).

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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Con los valores citados en los párrafos anteriores, se pueden utilizar casi todos los

métodos de diseño existentes, modificándolos para incorporar una rodadura de adoquines

de concreto de dichas características.

El diseño de espesores para pavimentos de adoquines de concreto ha evolucionado

desde la casi no existencia de criterios de diseño antes de la década de los años 1970,

hasta una amplio número de métodos de diseño disponibles en la actualidad, en su

mayoría propuestos por instituciones dedicadas al desarrollo de esta tecnología en

diversos países, varios de ellos en conjunto con centros universitarios.

Cada método de diseño tiene un mecanismo para la definición de las premisas de diseño

y la obtención de resultados, además de una serie de consideraciones especiales en

cuanto a casos específicos y manejo de variables locales. Esto hace que, aunque se parta

de las mismas premisas (valores para la capacidad portante del suelo, el tráfico y el

período de diseño, el clima, etc.), los resultados sean diferentes; reconociendo, unos u

otros, como más conservadores o liberales, en general, o cambiantes con la evolución de

alguna de las variables. [2]

3.9.1 Diseño en Colombia

El Instituto Colombiano de Productores de Cemento – ICPC, líder en el tema en el país,

como lo expone la referencia [2], publicó en 1985 la Nota Técnica 4-19 “Diseño de

Espesores para Pavimentos de Adoquines de Concreto” y luego la Nota Técnica 4-20

“Diseño de Pavimentos para Vías Urbanas”, que sirvieron como guías para el diseño de

pavimentos de adoquines de concreto para diferentes clasificaciones de tráfico hasta hace

pocos años. En estas se adaptó el Método del Instituto del Asfalto, para definir el espesor

total del pavimento, el cual era transformado en capas de rodadura y de base, suponiendo

un factor de equivalencia de 1,3 para la rodadura de adoquines, con relación al mismo

espesor de concreto asfáltico. Los valores se obtenían por medio de una ecuación o

directamente de una tabla en la cual se daban los espesores de una capa de base en

función de tres categorías de suelo y cuatro categorías de tráfico.

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British Standard Institution, con diferencias apreciables en los resultados para ambas

aproximaciones.

Después de 15 años de trabajo con las Notas Técnicas ya mencionadas, se tomó la

decisión de reemplazarlas por un nuevo documento que evitara ambigüedades y que

reflejara la percepción surgida a lo largo de este tiempo de la necesidad de diseñar

pavimentos con mayores espesores, en especial para condiciones de tráfico pesado y de

suelos malos, que los que se obtenían con la Notas Técnicas mencionadas. Para esto se

decidió trabajar nuevamente con una adaptación más completa del método el la British

Standard Institution, que arroja resultados en esa dirección, y que se modificó, para las

condiciones críticas de suelos muy malos y tráficos altos, con los resultados que se

obtienen del método del Instituto del Asfalto.

En esta metodología de diseño, la subrasante se caracteriza por medio de su CBR y el

tráfico se clasifica en 11 rangos desde 1 hasta 12000000 ejes estándar de 8.2 Ton

acumulados durante el periodo de diseño. Con estos datos se ingresa la una tabla (tabla

3) y se determina un espesor único de concreto asfáltico compactado en caliente (CACC).

Para cada rango de tráfico se indica el espesor de los adoquines de concreto y de la capa

de arena (después de compactada la capa de rodadura de adoquines) que se debe

utilizar. Para definir los espesores de base, subbase y subrasante mejorada se emplean

los factores de conversión dados en la tabla 4, el material de referencia es precisamente

CACC, Con unos espesores mínimos según el CBR de la subrasante para la subrasante

mejorada, y según si existe o no subrasante mejorada para el espesor de subbase, y si

esta va a soportar tráfico de construcción. Además de esto se proponen unas

modificaciones parciales del espesor de la base por alteración de la circulación e impacto

y cambio de categoría o de tipo de pavimento. [2]

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Desde 1 101 1001 10001 50001 100001 500001 1000001 1500001 4000001 8000001Hasta 100 1000 10000 50000 100000 500000 1000000 1500000 4000000 8000000 12000000CBR

Subrasante1 114 122 137 151 185 285 315 333 375 405 4232 90 98 113 127 133 174 207 220 262 275 2893 50 88 103 117 123 145 160 178 195 214 2264 70 78 93 107 113 135 150 166 178 196 2095 65 73 88 102 108 130 145 161 173 191 2046 63 71 86 100 106 128 143 159 171 189 2027 60 68 83 97 103 125 140 156 168 186 1998 59 67 82 96 102 124 139 155 167 185 1989 57 65 80 94 100 122 137 153 165 183 196

10 55 63 78 92 98 120 135 151 163 181 19415 54 62 77 91 97 119 134 150 162 180 19320 52 60 75 89 95 117 132 148 160 178 19130 50 58 73 87 93 115 130 146 158 176 189

Espesor capa de

arena (mm)40 40 40 40 40 40 40 40 40 70 40

Espesor adoquines

(mm)60 60 60 60 80 80 80 80 80 80 80

Espesor de la base de concreto asfáltico compactado en caliente - CACC (mm)

Tráfico (Ejes estándar de 8.2 Ton acumulados durante el periodo de diseño

Tabla 3. Espesores para los adoquines, la capa de arena y la capa de base en función del tráfico[2]

Sugerido RangoRodadura de adoquines (espesor de adoquín + capa de arena) 1.10 1,00 - 1,25Concreto asfáltico compactado en caliente - CACC 1.00 0,90 - 1,10Subrasante mejorada (material con un CBR>5%) 0.15 0,05 - 0,15Material granular para subbase sobre material con CBR<=5 0.25 0,05 - 0,30Material granular para subbase sobre material con CBR>5 0.30 0,10 - 0,35Material granular para base sobre material con CBR<=5 0.40 0,10 - 0,45Material granular para base sobre material con CBR>5 0.45 0,15 - 0,50Relleno fluido*Rc 28d (cilindros) = 1 Mpa 0.25Relleno fluido*Rc 28d (cilindros) = 2 Mpa 0.40Relleno fluido*Rc 28d (cilindros) = 3 Mpa 0.50Relleno fluido*Rc 28d (cilindros) = 4 Mpa 0.60Relleno fluido*Rc 28d (cilindros) = 5 Mpa 0.65Relleno fluido*Rc 28d (cilindros) = 6 Mpa 0.70Relleno fluido*Rc 28d (cilindros) = 7 Mpa 0.75Relleno fluido*Rc 28d (cilindros) = 8 Mpa 0.80Concreto Rc 28d (cilindros) = 30 Mpa 1.70 1,60 - 1,90Suelo-cemento Rc 28d (cilindros) = 5 Mpa 0.40 0,20 - 0,60Suelo-cemento Rc 28d (cilindros) = 8 Mpa 0.50 0,30 - 0,70

Material Factor de equivalencia

Tabla 4. Factores de conversión entre CACC y otros materiales para base y subbase [2]

Otro diseño muy familiar es el diseño para pavimentos nuevos basado en el método

presentado por el TRRL Laboratory Report 1132 “The structural design of bituminous

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road” (Diseño estructural de pavimentos bituminosos para vías). Este se resume en la

figura 4. Este método de diseño hace uso de la similitud entre el comportamiento de un

pavimentos de adoquines y un pavimento flexible, comprobada con investigaciones

desarrolladas en la Cement and Concrete Association (Reino Unido). Es aplicable a todos

los pavimentos sujetos al tráfico de ejes con cargas hasta 18 Ton y un máximo de 25

millones de ejes estándar acumulados (8.2 Ton). Se deben tener en cuenta

consideraciones especiales si el tráfico es canalizado (todos los vehículos circulan

siguiendo el mismo patrón) o el pavimento sufre cargas dinámicas considerables (paradas

de buses). [8]

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Figura 4. Procedimiento de diseño empírico de un pavimento articulado [8]

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4. DISEÑOS EVALUADOS

4.1 DISEÑO DE LA ASSHTO

La AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officials), tiene

un método de diseño semi-empírico para pavimentos flexibles. Éste fue usado como base

para desarrollar un procedimiento aplicable a pavimentos articulados, pues la distribución

de la carga y el modo de falla de los pavimentos articulados son muy similares a los de

cualquier otro pavimento flexible. Esté método emplea unidades inglesas y el tráfico se

estima en ejes estándar de 18 Kip (8.2 Ton). La ecuación básica de diseño está dada por

la expresión:

Log10(EALs*FR) = 9.39*log10 (SN+1) - 0.2 + (log10 ((P0-Pt)/(P0-1.5))/(0.4+(1094/(SN+1)5.19)

+ (2.32*log10*MR) – 8.07 (1)

Donde:

EALs: numero de eje estándar acumulado en el periodo de diseño.

FR: factor de confiabilidad de diseño

FR = 10^(ZR+S0)

ZR: fractil de la ley normal estándar (función de R)

S0: desviación estándar promedio del diseño

R: nivel de confiabilidad

SN: número estructural de la capa

P0: serviciabilidad inicial del pavimento

Pt: serviciabilidad final del pavimento

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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MR: módulo resiliente de la Subrasante en psi.

Como cualquier otro método, el diseño de pavimentos articulados se basa en evaluación

de cuatro factores primarios y sus efectos interactivos: ambiente, tráfico, subrasante y

materiales.

Los factores ambientales son incorporados a través de la caracterización de la subrasante

y los materiales del pavimento.

El diseño propone un valor de 0.45 para la desviación estándar promedio del diseño. Los

valores de FR se muestran en la tabla 5 en función del nivel de confiabilidad. El nivel de

confiabilidad se asocia con la clase de vía, y al tráfico promedio diario en las dos

direcciones según la tabla 6. Como no se tienen valores de TPD exactos, para un tráfico

T3, se uso un factor de confiabilidad de 80%, para T4 85% y para T5 90%.

Nivel de confiabilidad (%) FR

50 1.00060 1.30070 1.72175 2.01080 2.39085 2.92990 3.77595 5.49999 8.527

Tabla 5. Factor de confiabilidad de diseño [6]

Clase de vía Tráfico promedio diario*

Factor de distribución por carril** (%)

Nivel de confiabilidad recomendado (%)

Arteria o vías principalesUrbana 40000 90 90Rural 15000 90 85

Colectora principalUrbana 15000 90 85Rural 6000 90 80

Colectora secundariaUrbana 6000 100 80Rural 2000 100 80

Comercial / MultifamiliarUrbana 2000 100 75Rural 1000 100 75

4 carriles

* En ambas direcciones** Use 100% para 1 ó 2 carriles en ambos sentidos; 90% para 3 ó 4 carriles; y, 80% para mas de

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Tabla 6. Nivel de confiabilidad recomendado en función del TPD [6]

La formula para calcular el número estructural de la capa es:

SN = Σ(ai*ti) (2)

Donde:

ai: coeficiente de capa de la capa i

ti: espesor de la capa i

Las convenciones con respecto a la numeración de SN y ai se pueden detallar en la figura

5.

Capa de base

Capa de sub-base

Subrasante

Figura 5. Convenciones para el diseño de ASSHTO

El valor de SN se obtuvo a partir de la ecuación 1 empleando la herramienta buscar

objetivo de Excel, y el espesor se calculó a partir de la ecuación 2.

Dado que realmente no se va a utilizar el coeficiente de capa ni el número estructural de

la rodadura, pues no se va a diseñar el espesor de ésta, no vale la pena calcularlos. Sin

embargo es importante anotar que el método tiene en cuenta la rigidización progresiva

que sufre la rodadura de adoquines, supone una rodadura conformada por bloques

estándar colocados en espina de pescado, pues el desempeño de este patrón es superior

comparado con en tejido de canasto y el paralelo los cuales tienden a sufrir creep

(deformación muy lenta por compresión) en la dirección del movimiento del tráfico. Se

recomienda que el espesor para la capa de arena esté entre 25 mm y 40 mm.

Este método aconseja un espesor mínimo de 80 mm para diseñar pavimentos con

2000000 de repeticiones de ejes estándar o menos, y 100 mm para tráficos mayores.

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Pero hace la salvedad de que los adoquines de 80 mm se pueden utilizar para tráficos

superiores a 2000000, pero se requiere una base de mayor rigidez.

El coeficiente de capa, para otros materiales, se determina a partir de correlaciones, la

ecuación que se ajusta es mejor es:

ai = K1+K2*log10 (Módulo del material) (3)

Las constantes K1 y K2 para diferentes materiales se muestran en la tabla 7.

El coeficiente de capa para materiales granulares no tratados se debe corregir, para las

condiciones de drenaje y humedad contempladas con el factor mi, los valores de mi para

diferentes condiciones se muestra en la tabla 8. Se suponer que el drenaje es bueno y se

puede considerar que le porcentaje de tiempo de exposición del pavimento a humedad

cerca de la de saturación está entre 5% y 25% del año.

Material Parámetro de rigidez (Unidades)

Regresión K1

Constante K2

Valor recomendado de ai por

defecto

Valor maximo

permitidos de ai *

Espesor mínimo

permitido (in)

Módulo (psi) -1.453 0.316

Estabilidad Marshall (lb) -0.323 0.187

Módulo (psi) -2.651 0.486Resistencia a la

compresión inconfinada (psi)

-0.395 0.212

Módulo (psi) -0.976 0.249CBR (%) -0.053 0.098Valor R -0.514 0.338

Módulo (psi) -0.839 0.227CBR (%) 0.012 0.065Valor R -0.205 0.176

rigidez de diseño usado

Base/subbase tratada con

asfalto

Base/subbase tratada con

cemento

Base material no tratado

Subbase material no

tratado

0.30 0.40 3

0.22 0.30 4

0,14*** 0.25 4 ó 6**

* Para usar en ausencia de informaci{on de rigidez del material** Usar 4.0'' si EALs <= 500000 repeticiones; 6.0'' si EALs>500000 repeticiones*** Debe ser corregido por condiciones de humedad y drenaje, a menos que sean reflejadas en el valor de

0,11*** 0.20 4 ó 6**

Tabla 7. Correlaciones para calcular el coeficiente de capa [6]

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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< 1% 1 a 5% 5 a 25% > 25%Excelente 1.4 1.3 1.3 1.2

Bueno 1.3 1.2 1.1 1Regular 1.2 1.1 0.9 0.8Pobre 1.1 0.9 0.7 0.6

Muy pobre 1 0.9 0.6 0.4

Porcentaje de tiempo que el Coeficiente de drenaje

Calidad del drenaje

Tabla 8. Coeficiente de drenaje mi para materiales granulares [6]

Para pavimentos articulados se recomienda emplear P0= 4 y Pt= 2.5. El método emplea

unas curvas de diseño, pero dado que el tráfico transformado a ejes de 8.2 Ton es

superior al rango que allí se utiliza, se calcularon los parámetros a partir de las fórmulas.

Si en el cálculo del CAM se supone que, debido a la similitud en su comportamiento, un

pavimento articulado tiene el mismo valor de α que para pavimentos flexibles (α = 5), un

cálculo rápido indica que un eje estándar de 13 Ton equivale a aproximadamente 10 ejes

estándar de 8.2 Ton; sabiendo que la formula para calcular la agresividad es:

A = k*(P/Pref) α (4)

Para este caso k es igual a 1 pues es un eje simple, P es igual a 8.2 Ton y Pref es igual a

13 Ton .

Los resultados del diseño se muestran en el Anexo 1.

4.2 DISEÑO RACIONAL DE PAVIMENTOS

4.2.1 Bases del diseño racional

La metodología de diseño racional es una metodología que combina elementos de la

mecánica de pavimentos y elementos experimentales. En esta se define un modelo de la

estructura de pavimento que permita calcular los esfuerzos y deformaciones inducidos por

el tráfico, y se utilizan los resultados de ensayos de fatiga de los materiales para definir el

número de repeticiones de ejes equivalentes que el pavimento puede soportar.

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4.2.2 Carácter probabilistico

El método de diseño racional tiene en cuenta que el espesor de una capa no es

constante, las propiedades de los materiales tiene una dispersión intrínseca y que el

mecanismo de falla no es idéntico al de una muestra de laboratorio.

Toda esta variabilidad se considera dentro de una única variable aleatoria con distribución

normal, que describe la probabilidad de falla de la estructura y cuya desviación estándar

se define como:

δ = raíz(σN2+σH

2*(C/b) 2) (5)

Donde:

σN: desviación estándar de la ley de fatiga expresada en logaritmo decimal del número de

ciclos. Al hacer el ensayo se le asocia una línea de tendencia, pero los datos tienen una

dispersión.

σH: desviación estándar de los espesores de material colocados in situ.

A falta de información específica para los dos parámetros anteriores se pueden tomar los

valores de la tabla 9.

Material Rango de espesores (cm)

σH (cm) σN

Mezcla alfáltica para capa de rodadura o liga 6 a 8 1 0.25

Granulares tratados con ligantes asfálticos 12 a 20 2.5 a 3 0.3

Granulares tratados con ligantes hidrúlicos 15 a 25 3 1

Arenas tratadas con ligantes hidraúlicos 15 a 25 2.5 0.8

Tabla 9. Desviación estándar de la ley de fatiga y de los espesores de capas [4]

C: coeficiente dimensional que depende del material considerado. Considera la variación

de la deformación con respecto al espesor (h+σH). Varía entre 0.015 y 0.04, se sugiere

tomar un valor de 0.02 independientemente del material.

b: pendiente de la ley de fatiga del material considerado en escala bilogarítmica.

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El método consiste en suponer el espesor de cada una de las capas del pavimento, cuyas

propiedades se conocen y verificar que la deformación vertical admisible en la

Subrasante, los valores de esfuerzos y deformaciones admisibles a tensión en la base los

materiales con ligantes hidráulicos y los materiales asfálticos respectivamente; se

encuentren dentro de los límites admisibles que éste establece.

Los parámetros de control se calculan según lo indica el manual de diseño de pavimentos

para Bogotá D.C. IDU, Uniandes; 2000 [4].

4.2.3 Materiales con ligante hidráulico

El esfuerzo admisible en la base de capas con ligantes hidráulicos se calcula a partir de la

ecuación:

σtadm = σ6*(NE/1e6)

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Kd: coeficiente de reducción que tiene en cuenta la concentración de esfuerzos en las

proximidades de las fisuras de retracción. Depende del tipo de material si se trata de un

material estabilizado, y de si tiene o no pasadores en caso de placas de concreto para

rodadura, los valores recomendados para este factor se muestran en la tabla 10.

Material KdMateriales estabilizados con resisitencia a la tensión en compresión diametral superior a 0.5 Mpa y concretos compactados

1/1,25

Concreto hidraúlico - losa con pasadores 1/1,47Concreto hidraúlico - losa sin pasadores 1/1,7Otros materiales estabilizados con cemento 1Concreto pobre 1

Tabla 10. Coeficiente de reducción Kd [4]

Kc: coeficiente de calibración entre las medidas de laboratorio y los resultados in situ.

Para los materiales tratados con ligante hidráulico puede tomarse igual a 1.4.

Ks: coeficiente de reducción que tiene en cuenta la heterogeneidad del suelo de

Subrasante, su valor depende del módulo de la Subrasante y se muestra en la tabla 11.

Este factor solo se tiene en cuenta si la capa está en contacto directo con la plataforma de

soporte.

Módulo eslástico de la subrasante o de la capa de conformación (MPa) Ks

E < 50 1/1,250 <= E < 120 1/1,1

E >= 120 1

Tabla 11. Coeficiente de reducción Ks [4]

4.2.4 Materiales con ligante asfáltico

En materiales estabilizados con ligante asfáltico, se debe evaluar la deformación

admisible a tensión con la ecuación:

εtadm = ε6*(NE/1e6)b*Kr*Ks*Kt*Kc (8)

Donde:

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εtadm: deformación por tensión en la base admisible.

ε6: deformación en 1x106 ciclos de carga, obtenida de la ley de fatiga.

NE: número de ejes equivalentes de 13 Ton, puede ser diferente para cada capa, pues la

agresividad del tráfico varía según el material.

Kr y Ks se definen igual que para materiales con ligante hidráulico.

Kc: se define igual que para materiales con ligante hidráulico, los valores recomendados

para este factor para materiales con ligante asfáltico son los que se muestran en la tabla

12.

Material KcMezcla asfáltica para capa de

rodadura o liga 1.1

Granular asfáltico 1.3

Tabla 12. Coeficiente de reducción Kc para materiales asfálticos [4]

Kt: es un parámetro de corrección que tiene en cuenta la variación del módulo con los

cambios de temperatura, se calcula con la ecuación:

Kt = raíz(E(T=15ºC)/E(T=Teq) (9)

Donde:

Teq: temperatura anual equivalente

4.2.5 Subrasante

En la subrasante el parámetro que controla es la deformación vertical en la base superior

de esta. El anterior depende del tráfico y se calcula como:

εzadm = 0.016*NE-0.222 para tráfico bajo (T1 y T2) ó (10)

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εzadm = 0.012*NE-0.222 para tráfico medio a alto (T3 a T5) (11)

4.2.6 Capa de rodadura

Un parámetro que puede controlar el diseño en una capa de rodadura de adoquines es el

esfuerzo en los adoquines, pues en estos podría ocurrir el fenómeno de fatiga a pesar de

que la innumerable cantidad de juntas garantiza que este fenómeno no es tan crítico

comparado con los otros tipos de rodadura. Teniendo en cuenta lo anterior se supuso un

parámetro de control que tuviera en cuenta la situación de los adoquines, y comparar este

con los resultados obtenidos con el DEPAV y analizar si puede ser relevante en el cálculo

de los espesores del pavimento, o si por el contrario no controla el diseño.

Para obtener la ecuación que describe esta admisibilidad, se parte de la ecuación:

σtadm = σ6*(NE/1e6)b*Kr*Kd*Kc (12)

Se tomó la ley de fatiga de un concreto normal, con un módulo de rotura a los 28 días de

5 MPa (mínima resistencia a la flexotracción según la norma NTC 2017).

El cálculo del CAM para la capa de rodadura de adoquines debe ser diferente. La

agresividad A se estima en función del daño surgido por causa de la fatiga de las capas

del pavimento. Esta corresponde a la relación del daño que causa el paso de un eje de

carga P con respecto al daño causado por el paso de un eje aislado de referencia Pref.

La agresividad se calcula con la siguiente ecuación (Para ver el procedimiento de cálculo

detallado del CAM ver anexo 2 de la referencia 4):

A = k*(P/Pref)α (4)

Donde k y α son coeficientes que dependen de la naturaleza del material y de la

estructura del pavimento; α depende del tipo de pavimento y k del tipo de eje. Los valores

de estos factores para pavimentos flexibles de asfalto y rígidos se muestran en la tabla

13.

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Eje simple Eje tandem Eje trídemPavimentos flexibles 5 1 0.75 1.1

Pavimentos semi-rigidos (capas estabilizadas de alta calidad) 12 1 12 1.13

Pavimentos rígidos 12 1 12 1.13

Tipo de Pavimento αKi

Tabla 13. Coeficientes k y α para calcular el factor camión o CAM [4]

Para obtener dichos factores se debe hacer estudios detallados del comportamiento de

los pavimentos articulados al deterioro por fatiga. De la tabla 14 se puede deducir que el

daño por fatiga es mayor en pavimentos rígidos que en flexibles, y el daño que le hace el

tráfico por fatiga a la capa de rodadura de adoquines es menor al de un pavimento rígido

por la cantidad de fracturas que tiene el pavimento articulado en si mismo, y el tamaño de

las piezas, incluso se podría pensar que es menor que en que sufre un pavimento flexible

de asfalto, pero para tener un cierto factor de seguridad, se pueden tomar los valores para

pavimento flexible, mientras no se tengan datos más específicos. Para evaluar el esfuerzo

admisible a tensión se utilizó un CAM de 1 para la rodadura de adoquines.

Se sabe que:

Kr = 10-ubδ (7)

u es el fractil de la ley normal correspondiente a una probabilidad de falla dada, y la

probabilidad de falla según el manual es función del tránsito y depende del material (tabla

14). La definición de probabilidad de falla es la probabilidad de que durante el periodo P

aparezcan desordenes en la estructura que impliquen trabajos de refuerzo asimilables a

una reconstrucción del pavimento, esto en ausencia de toda reparación de tipo estructural

en ese intervalo, según lo anterior y entendiendo el comportamiento del pavimento

articulado, se podría suponer que está probabilidad de falla puede ser menor. Sin

embargo siguiendo las recomendaciones del manual y sabiendo que los adoquines son

un material con ligante hidráulico se obtienen las probabilidades de falla y el u

correspondiente para cada tráfico.

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Materiales con ligante asfáltico

Materiales con ligante hidraúlico

T1 45 25T2 35 20T3 25 15T4 10 10T5 5 5

Clase de tráficoProbalilidad de falla P%

Tabla 14. Probabilidad de falla en función del tráfico y el material [4]

Como se mencionó anteriormente la desviación estándar de la dispersión total se calcula

como la ecuación:

δ = raíz(σN2+σH

2*(C/b) 2) (5)

Con respecto a la desviación estándar de la dispersión total, se puede utilizar el σN para

granular con ligante hidráulico de la tabla 9 en ausencia de datos precisos obtenidos del

ensayo.

σH es la desviación estándar de los espesores de los materiales colocados en sitio, en los

adoquines según la NTC 2017, se permite una tolerancia de 0.2 cm en el espesor, y se va

a suponer que para la capa de arena de espesores entre 2.5 cm y 4 cm, después de

compactada la rodadura, puede haber una desviación de 1.5 cm. Esto da un total de 1.7

cm.

Se sabe que C es un coeficiente dimensional que depende del material considerado. Se

va seguir la recomendación del manual (C= 0.02).

El manual sugiere que para determinar el coeficiente Kc para materiales nuevos se deben

hacer tramos de prueba. Kc es un coeficiente de calibración que corrige la diferencia entre

los valores obtenidos en el cálculo y los observados realmente en el pavimento, la

complejidad del comportamiento y la falta de experiencia, se esperaría que este fuera aún

mayor que el de un pavimento rígido así que se va a suponer un valor de 1.5.

Con respecto a Kd, es un coeficiente destinado a tener en cuenta las discontinuidades de

las estructuras de pavimentos en concreto hidráulico y la incidencia de los gradientes

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térmicos; también se define como un coeficiente de reducción que tiene en cuenta la

concentración de esfuerzos en las proximidades de las fisuras de retracción. Se sabe que

al ser los adoquines elementos prefabricados no presentan problemas de retracción por

fraguado en obra. En las estructuras sin pasadores el factor reduce en mayor proporción,

es decir que se admiten valores de esfuerzo menores, pues la transferencia es mejor que

en estructuras con pasadores, de lo anterior se puede concluir que si Kd depende de la

transferencia, el de pavimentos de adoquines de concreto es similar al de estructuras sin

pasadores.

4.3 PARÁMETROS DE DISEÑO

Para los diseños realizados se tomaron los valores de tráfico medios, de los rangos de

cada clasificación de tráfico, como se trata de hacer diseños para tráficos mediano y alto

se usaron los tráficos T3, T4 y T5, que se muestran en la tabla 15.

Clase de tráfico Número acumulado de vehículos comerciales

Número de vehículos comerciales por día

T1 N < 5*105 VC/día < 50T2 5*105 <= N < 1.5*106 50 <= VC/día < 150T3 1.5*105 <= N < 4*106 150 <= VC/día < 300T4 4*105 <= N < 1*107 300 <= VC/día < 750T5 1*107 <= N < 2*107 750 <= VC/día < 2000

Tabla 15. Clases de tráfico [4]

Se pretende ver el efecto del módulo de la subrasante en el diseño y para tal efecto se

emplearon dos módulos, uno de 30 MPa, y uno de 80 MPa, estos según la clasificación

dada en el manual son S1 y S2. Para la Subrasante tipo S1 se recomienda construir una

capa de conformación, pero en el diseño no se tuvo en cuenta.

En general para cualquier diseño nuevo que se realice se deben tener en cuenta los

siguientes parámetros:

4.3.1 Espesor de los adoquines de concreto

Existen recomendaciones con respecto al espesor de adoquines que se debe usar. Sin

embargo un estudio realizado en los países bajos [11], mostró que el espesor de los

bloques de concreto no influía significativamente en el comportamiento total de la

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estructura de pavimento, y que el único requerimiento que los adoquines deben cumplir es

que, bajo la acción del tráfico, no sufran daños (fracturas, descascaramientos en los

bordes principalmente por contacto directo de las piezas).

Según la referencia 12, los adoquines de 60 mm de espesor deben ser usados en

parqueaderos, áreas de tráfico liviano y vías residenciales con menos de cinco vehículos

comerciales por día; de 80 mm para vías residenciales con mas de 5 vehículos

comerciales por día, carreteras de alta velocidad, pavimentos industriales y de

aeropuertos y 100 mm para áreas sujetas a cargas axiales extraordinarias.

4.3.2 Tráfico

El tráfico se calcula como el número de ejes equivalentes de 13 Ton en el periodo de

diseño según la siguiente expresión:

NE = N*CAM = CAM*TPD*365*A*B*[(1+i)n-1]/[1+i] (13)

Donde:

NE: número de ejes estándar de 13 Ton que soporta el pavimento durante el periodo de

diseño.

N: número de vehículos que pasan sobre el pavimento durante el periodo de diseño.

CAM: Coeficiente de agresividad media, con una carga de referencia de 13 KN.

TPD: Tráfico Promedio diario.

A: porcentaje de vehículos que pasan por el carril de diseño.

B: porcentaje de vehículos pesados con respecto al TPD.

i: tasa de crecimiento anual del tráfico.

n = periodo de diseño ó vida útil de servicio. Es función del tipo de vía urbana,

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4.3.3 Clima

En cuanto a las consideraciones de clima los módulos se deben obtener en condiciones

críticas y se trabaja con la temperatura anual equivalente.

4.3.4 Subrasante

Es necesario determinar el módulo dinámico de la Subrasante bajo las condiciones

hídricas más desfavorables. Cuando la Subrasante presenta valores de CBR inferiores a

5 se requiere una capa de conformación que aumente su resistencia.

4.3.5 Materiales granulares no tratados

El módulo de los materiales granulares no tratados es función del módulo de las capa

inmediatamente inferior. Se trabajan en espesores máximos de 25 cm y el módulo de

capa se encuentra como:

E(capai)=2.5*Ecapa(i+1) (14)

4.4 DISEÑO CON EL PROGRAMA DEPAV

El DEPAV es un programa elaborado por ingenieros de la Universidad del Cauca con

base en el código fuente del programa ALIZE III. Con este programa se obtienen diseños

racionales pues “evalúa los esfuerzos y deformaciones máximas que una rueda doble

colocada en la superficie produce en los niveles de interfase de un sistema elástico

multicapa, constituido por dos, tres o cuatro capas, caracterizadas por el espesor, módulo

de elasticidad y relación de Poisson” [17]. Los datos de entrada del programa son el

módulo de elasticidad, la relación de Poisson, si se encuentra o no ligada a la capa

subyacente y un espesor de la capa a evaluar. Además requiere las características de la

carga aplicada; el radio de carga, la presión de contacto y la distancia entre los ejes de las

llantas.

Se fijó el espesor de la capa de rodadura en 11 cm (Adoquines de 8 cm de espesor y

capa de arena de 3 cm) y se hicieron cálculos para un pavimento sin subbase granular, y

subbase de 15 cm y 25 cm de espesor; para dos tipos de base, estabilizada con cemento

y estabilizada con asfalto. Los datos de entrada y resultados del diseño obtenido con el

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programa DEPAV se muestran en el Anexo 2. Dado que la condición de liga entre la capa

de rodadura y la base no está definida, se hicieron diseños para las dos posibilidades,

ligada y no ligada. El SAP considera todas las interfaces ligadas, y en la vida real existe

una liga por fricción, para que el pavimento funcione en conjunto.

4.5 ELABORACIÓN DEL MODELO DE ELEMENTOS FINITOS

El programa SAP2000 NL es un programa que hace uso de un método matricial de

resolución de sistemas de múltiples grados de libertad relacionando la matriz de esfuerzos

con la matriz de desplazamientos de la estructura por medio de una matriz K.

Se elaboró un modelo en tres dimensiones del pavimento en el programa SAP2000 NL,

para comparar los esfuerzos y deformaciones con las obtenidas por medio del DEPAV y

con los valores admisibles.

El diseño elegido para ser modelado con elementos finitos fue el obtenido con el

programa DEPAV para tráfico T1, Subrasante S1, base granular con ligante hidráulico y

sin subbase, debido a que es uno de los que requiere menor tiempo computacional. Las

características geométricas de este se presenta en la figura 6.

Base suelo cemento

Adoquines de concreto

Cama de arena

Subrasante

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Se modelaron adoquines estándar de dimensiones 20x10x8 colocados en patrón espina

de pescado. El tipo de elemento empleado para modelar las capas fue solids. Las

convenciones utilizadas para los solids, se muestran en la figura 7.

Figura 7. Esfuerzos en los elementos solid (coordenadas globales)

Los adoquines solo fueron divididos en la mitad para modelar correctamente las juntas, y

las capas inferiores debían tener el mismo patrón de la capa superior para que no

quedaran nodos libres y todo trabajara en conjunto, una capa arrastra la otra. Esto

también se hubiera podido lograr discretizando más el modelo en las direcciones ‘x’ y ‘y’

por ejemplo cada 2 mm, pero esto implica mayor tiempo y recursos computacionales. Se

aplicó la carga en la mitad del modelo, de forma “circular”, con las características del eje

estándar empleado para el diseño racional con un radio de 12.5 cm discretizando más el

modelo en el centro y formando el circulo a partir de los cuadrados obtenidos. A cada

cuadrado, de 0.2 cm x 0.2 cm, se le aplicó una presión uniformemente distribuida en la

cara superior de 6.62 Kgf/cm². Se emplearon los espesores obtenidos con el DEPAV para

modelar la estructura y una Subrasante de 50 cm, suponiendo que ésta profundidad es

suficiente para efectos de la disipación de los esfuerzos. Los datos de entrada que

requería el programa son mostrados en el Anexo 3. El peso unitario de los materiales se

puede calcular en función del módulo de elasticidad, la relación de Poisson y la velocidad

de las ondas s [14]. En la figura 8 se muestra como se expone una vista en planta del

modelo se observa como se discretizaron los elementos en el lugar donde está aplicada la

carga.

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1.018 m

1.01

8 m

0.25 m

0.375 m

Figura 8. Vista en planta del modelo

Se elaboro primero el esquema del aparejo en AUTOCAD y se determino que un tamaño

adecuado es de 1 m x 1 m que por efectos de las juntas aumenta 1.8 cm en cada

dimensión. Las juntas se modelaron como elementos link tipo gap, que trabajan como

“resortes” que transmiten las fuerzas de pieza a pieza y que solo trabajan a compresión.

Se pensó en principio modelar las juntas como elementos tipo solid, con las

características del material arena, pero esto sería equivalente a modelar una viga con

discontinuidades las cuales estarían sufriendo un gran esfuerzo a tensión en su base que

en realidad la arena no soporta. Se colocaron cuatro links en cada esquina de las caras

de 10 x 8 de la forma que se muestra en la figura 8.

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Figura 9. Ubicación de los links en el plano

Un estudio elaborado en Japón demostró con ayuda de un modelo matemático y un

modelo de elementos finitos que las juntas de los adoquines actúan principalmente a

cortante, ya que las componentes rotacionales de la matriz de rigidez eran despreciables

con respecto a la componente de cortante, la forma como trabaja la junta en la que se

basó dicho estudio se muestra en la figura 7.

(a) Rigidez a cortante (b) Rigidez rotacional alrededor del eje n

(b) Rigidez rotacional alrededor del eje t

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Donde τ es el esfuerzo cortante, y ε es la deformación, ver figura 10.

Figura 11. Elemento diferencial sometido a esfuerzo cortante [18]

A partir de esta ecuación se debía llegar a la ecuación de un resorte:

F = K*d (16)

Pues K es la rigidez que deben tener los links. El área de contacto es de 10x8 y allí hay

cuatro resortes. d se puede relacionar con ε, sabiendo que para ángulos muy pequeños el

ángulo γ es aproximadamente igual a su tangente. Así se obtuvo que cada resorte debiera

tener una rigidez de 12500 Kgf/cm.

Para que pudiera funcionar el modelo sin restricciones, a todos los nodos que estaban

conectados a un link se debieron restringir los grados de libertad rotacionales; y el modelo

en todo su contorno se restringió en la dirección ‘x’ y ‘y’. La base de la Subrasante se

empotró colocando apoyos que restringen el movimiento en todas las direcciones. En la

dirección ‘z’, ni los adoquines ni la capa de arena se discretizaron, pero en las capas

inferiores se discretizó dividiendo las capas en espacios de aproximadamente 10 cm.

Otra de las consideraciones que tiene en cuenta el modelo es el peso propio.

Una vez se corre el programa, se puede ver la deformada de la estructura y se pueden

desplegar tablas con los valores de esfuerzos y desplazamientos de los sólidos y/o nodos

seleccionados para cada caso de análisis. Se crearon tres casos de análisis; el tráfico, el

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peso propio y una combinación de la dos que suma linealmente los resultados de los

casos anteriores.

En el diseño con SAP, se evaluaron primero tres situaciones, para determinar si era

significativa la variación en los resultados, sabiendo que en tiempo computacional si hay

una diferencia importante. En la primera se consideró el efecto de las dos cargas

ejercidas por la llanta gemela y la carga se supuso estática. Esta situación en similar a la

suposición que emplea el DEPAV. La segunda consideraba la aplicación de una sola

carga, que se supuso estática. La tercera también consideraba solo una carga, pero está

tiene una función en el tiempo correspondiente al tráfico T3. El tráfico se modeló como

una función sinusoidal con una frecuencia de 10 Hz, una amplitud igual a la presión

aplicada por las llantas y el número de ciclos proporcional al tráfico. Después de esto se

estudio la situación que simula mejor la realidad, la cual considera el efecto de las dos

llantas y la carga dinámica, luego se evaluó para trafico T4, para T3 y subrasante S2, y

finalmente se evaluó el diseño empleando una subbase granular de 25 cm y una base de

suelo cemento de 32 cm, para observar el papel desempeñado por la subbase.

En las figuras 12, 13 y 14, se muestran algunas vistas del modelo elaborado. En la figura

15 se muestra la estructura deformada en la mitad del modelo, haciendo un corte paralelo

al eje x para el caso 1.

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Figura 12. Vista isométrica del modelo

Figura 13. Vista del modelo en el plano xz

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Figura 14. Vista del modelo en planta (plano xy)

Figura 15. Corte transversal. Deformada caso 1.

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5. ANÁLISIS DE RESULTADOS

5.1 Diseño racional

Cuando se considera la capa de rodadura ligada, el espesor de la base obtenido es

menor que cuando se considera no ligada, en esta situación no controla el diseño el

esfuerzo de tensión en la rodadura, lo que controla es el esfuerzo a tensión en la base.

Pero cuando la base es asfáltica, y se considera la rodadura no ligada, empieza a jugar

un papel importante, pues aunque en la condición ligada la rodadura trabaja a

compresión, en la no ligada está sometida a tensión, y es alrededor de 3 veces el valor

admisible supuesto, y no mejora por más espesor de base que se coloque pues llega a un

punto en el que el esfuerzo es prácticamente invariable.

Al colocar una capa de subbase granular, el espesor de base a utilizar no varía cuando la

base es granular con ligante hidráulico en T3, el T4 y T5, disminuye máximo 1 cm; cuando

la base es asfáltica diminuye de 1 a 2 cm. En esta ocasión el esfuerzo vertical en la

subrasante controla el diseño, y cuando se tiene un espesor menor de subbase granular,

éste se encuentra mas cerca al admisible.

Empleando una base asfáltica, es espesor obtenido es menor que el obtenido para una

base granular, con un mínimo del 60%.

Cuando se aumenta el módulo de la subrasante se obtienen espesores de pavimento

menores. La diferencia en mayor para pavimentos con base asfáltica.

Con el aumento del tráfico, el espesor aumenta, de 1 a 2 cm con respecto al tráfico

anterior.

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5.2 Diseño con el método de la ASSHTO

Con ASSHTO, al contrario que con el DEPAV, el espesor de la base es mayor cuando

ésta es asfáltica. La relación cualitativa de cambio, con el aumento del módulo de la

subrasante y del tráfico, es igual que con el DEPAV.

Si se aumenta el nivel de confiabilidad, los espesores obtenidos son mayores por lo

general, pero dicha diferencia es de máximo 1 cm.

En general con el diseño ASSHTO, cuando la base es con ligante hidráulico, los

espesores obtenidos son menores con y cuando la base es asfáltica, estos son mayores

respecto a los obtenidos con el DEPAV.

5.3 Modelación con elementos finitos

En el diseño en SAP, con el caso 1 (dos llanta, carga estática), se obtienen los valores

mayores, comparado con los otros dos casos. En el caso 2 (una llanta, carga estática) los

valores son menores que en el caso 1, con respecto al caso 3 (una llanta, carga dinámica)

los esfuerzos son menores pero la deformación de la subrasante en ligeramente menor.

En el caso 3 se obtienen los menores valores de esfuerzo.

En todos los casos estudiados, se sobrepasa el esfuerzo de tensión admisible en la

rodadura y la deformación vertical admisible en la Subrasante (ver Anexo 4), sin embargo

en la base granular cemento los esfuerzos siempre son menores al admisible. Esto

sugiere que si es necesaria la colocación de una capa de conformación o de la subbase

granular. Cuando se coloca una subbase granular, efectivamente se observa una

disminución en la deformación vertical máxima en la subrasante, pero para la situación

estudiada, el esfuerzo admisible en la rodadura no varia significativamente, y el esfuerzo

en la base de suelo cemento se duplica.

Al cambiar el tráfico, se nota un aumento en todos los valores, con respecto al caso 4, y al

aumentar la rigidez de la subrasante la disminución en estos es significativa.

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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60

El esfuerzo máximo en la capa de rodadura de adoquines siempre fue S11, y en la capa

de base el máximo fue S22.

La diferencia en los resultados obtenidos no es significativa en cuanto a los esfuerzos,

cuando se tiene en cuenta el peso propio y no solo el tráfico. Sin embargo si hay una

diferencia notable en la deformación vertical de la subrasante.

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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61

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El diseño racional de pavimentos articulados siguiendo los lineamientos del Manual de

Diseño de Pavimentos para Bogotá D.C., es aún empírico pues no se tiene valores

específicos de muchas de las variables que involucra este diseño relacionadas con el

comportamiento de la capa de rodadura de adoquines.

Es necesario construir tramos de prueba y realizar ensayos para poder entender mejor el

funcionamiento de este tipo de pavimentos y determinar valores aplicables a las

condiciones locales para todos los parámetros de diseño.

La modelación de estructuras de pavimento por elementos finitos es una herramienta

poderosa de diseño, pues se asemeja más a las condiciones reales, sin embargo hay que

tener muy claro la función de cada capa del pavimento y su relación con las demás para

asignarle las propiedades y condiciones necesarias a cada material.

A simple vista los pavimentos de adoquines de concreto tienen muchas ventajas con

respecto a los otros tipos de pavimento, sin embargo hay que aclarar que cualquier

pavimento bien diseñado va a cumplir su función satisfactoriamente, pero para este fin se

debe tener especial cuidado con las condiciones del entorno, un drenaje adecuado, la

realización de ensayos para determinar las características específicas de los materiales,

estudios de tránsito y sobre todo control de calidad en obra.

Si se desean obtener los resultados esperados, es importante tener en cuenta las normas

internacionales y contar con personal acreditado para la construcción de pavimentos de

adoquines de concreto, para no caer en el error de dejar todo en manos de gente que no

tiene el conocimiento adecuado, y no cuentan con alguien que los guíe.

Una limitante del diseño empleando el método de la ASSHTO, o uno de los métodos de

diseño empíricos es que sólo tiene en cuenta adoquines de una resistencia fija, y esto

restringe el diseño, pues en la capa de rodadura de adoquines no sólo es determinante el

espesor de estos, sino también su resistencia, si la situación lo requiere. Lo anterior no es

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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un inconveniente al diseñar con elementos finitos, pues la capa de rodadura no se modela

como un todo sino que cada elemento contempla las características del material.

Se debe tener precaución al diseñar con el DEPAV, pues aún los valores de los

parámetros de control son ambiguos, y al considerar la capa de rodadura de adoquines

como un todo, se debe tener certeza del valor de su resistencia equivalente y verificar que

las características de los materiales que ésta supone son los que realmente van a ser

usados. Se recomienda suponer la capa de rodadura ligada, pues además de obtener

diseños más conservadores, es una situación que se asemeja más a lo que sucede en la

realidad.

Si se va a diseñar empleando elementos finitos, es preferible simular las condiciones

reales de aplicación de carga, y se debe estar conciente de que de los datos de entrada

que se introduzcan al modelo depende la validez de los resultados, además se debe tener

clara la función de las juntas, para así modelarlas de forma mas real. Es claro que se

logro simular el efecto de la transmisión de cargas, sin embargo los resultados del

esfuerzo máximo en los adoquines esta muy lejos del esperado.

Al comparar los resultados obtenidos con el diseño del DEPAV y el de elementos finitos,

se puede notar que al diseñar con este ultimo se pueden obtener estructura sobre

diseñadas, si se trata de aumentar el espesor de las capas de cuerpo para lograr un valor

aceptable de esfuerzo máximo en la rodadura. Por esta razón se recomienda hacer caso

omiso a este valor y diseñar empleando el método de elementos finitos, por medio del

cual se demostró que el parámetro que rige el diseño es la deformación vertical en la

subrasante.

Este estudio demostró la importancia de la capa de conformación, al observar que los

resultados obtenidos del programa SAP2000 NL para la deformación vertical máxima de

la subrasante del modelo estudiado, excede por órdenes de magnitud el valor admisible.

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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7. REFERENCIAS

[1] Interlocking Concrete Pavements Institute ICPI, Tech Spec Number 4. Página Web:

www.icpi.org

[2] Madrid Mesa, Germán Guillermo, “Guía para el diseño de pavimentos de adoquines

de concreto para tráfico vehicular y peatonal”. Medellín, Marzo de 2001.

[3] Madrid Mesa, Germán Guillermo, Instituto Colombiano de productores de cemento -

ICPC, Notas técnicas, Ventajas y aplicaciones de los pavimentos de adoquines de

concreto.

[4] Instituto de desarrollo Urbano, Universidad de los Andes, Manual de diseño de

pavimentos para Bogotá D.C.

[5] Ministerio de Transporte, Instituto Nacional de vías – INVIAS, Especificaciones

generales de construcción de carreteras, Capítulo V, Artículo 510, Diciembre de 1995

[6] Rada, Gonzalo; Smith, David; Miller, Jhon; Witczak Matthew; Structural design of

interlocking concrete pavements in North America, Pave 92

[7] Knapton, Jhon. Background to the Third Edition of the British Ports Association Heavy

Duty Pavement Design Manual.

[8] Knapton, Jhon. Diseño de espesores de pavimentos de adoquines de concreto.

Seminario Internacional sobre pavimentos de adoquines de concreto. Bogotá, Octubre

de 1988. pp 23-28

[9] Instituto de desarrollo Urbano, Universidad Nacional de Colombia, Manual de

diagnostico de fallas y mantenimiento de vías. Bogotá D.C. Octubre de 2000.

[10] Instituto de desarrollo Urbano, Reglamento para el sector vial urbano RSV-2000.

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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64

[11] Huurman, M., Houben L.J.M., Kok, Development of three-dimensional finite

element model for concrete block pavements, Delft University of Technology, Delft,

The Netherlands.

[12] The Precast Concrete Paving & Kerb Association - Interpave. Página Web:

www.paving.org.uk

[13] ICONTEC, Norma Técnica Colombiana, NTC 2017, Adoquines de concreto para

pavimentos. Octubre de 2001.

[14] Vesga, Luis Fernando, Ruiz M. William, Montañez Marco T., Control de calidad de

bases para pavimentos con métodos geofísicos y su aplicación en la vía Arauca – La

Antioqueñita, XIII Simposio Colombiano sobre ingeniería de Pavimentos.

[15] Tatsuo Nishizawa, Saburo Matsuno, Mitsuru Konura, Analysis of interlocking block

pavements by finite element method, Chichibu Co., Japón.

[16] Rada, Gonzalo; Smith, David; Miller, Jhon; Witczak Matthew; Structural design of

interlocking concrete pavements. TAC Annual Conference, Winnipeg, Manitoba, 1991.

[17] Mugueitio, Alfonso; Benavides, Carlos; Solano, Efraín; Instituto de vías,

Universidad del Cauca, Diseño Estructural de Pavimentos – DEPAV, Popayán, Cauca;

septiembre de 1993.

[18] Beer, Ferdinand; Johnston, E. Russell; Mecánica de materiales, Ed. Mc Graw Hill,

segunda edición.

[19] Washintong Asphalt Pavement Association. Página Web: www.asphaltwa.com

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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ANEXO 1

Datos de entrada y resultados del diseño por el método ASSHTO

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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Trafico (N): 2750000E Subrasante: 30 MPaσt adm (rodadura): -1.50E+00σt adm (base): -7.79E+00 6.49E+00εz adm: 0.012(NE)-0.22 4.46E-04 CAM=1

Capa CAM NE E (MPa) v σn σh C bRodadura de adoquines 1 2750000 4000 0.15 1 1.7 0.02 -0.0625Base granular cemento 1.3 3575000 23000 0.25 1 3 0.02 -0.06666667Subbase granular 75 0.35

Rodadura ligada Rodadura no ligada

Rodadura ligada

Rodadura no ligada

32 36 37 4025ó15 25ó15

Trafico (N): 2750000E Subrasante: 30 MPaσt adm (rodadura): -1.50E+00εt adm (base): -1.64E-04 1.37E-04εz adm: 0.012(NE)-0.22 4.46E-04 CAM=1

Capa CAM NE E (MPa) v σn σh C bRodadura de adoquines 1 2750000 4000 0.15 1 1.7 0.02 -0.0625Base granular asfalto 0.8 2200000 3500 0.35 0.3 3 0.02 -0.2Subbase granular 75 0.35

Rodadura ligada Rodadura ligada

20 (22) 3725 (15)

Trafico (N): 2750000E Subrasante: 80 MPaσt adm (rodadura): -1.50E+00σt adm (base): -7.79E+00 7.08E+00εz adm: 0.012(NE)-0.22 4.46E-04 CAM=1

Capa CAM NE E (MPa) v σn σh C bRodadura de adoquines 1 2750000 4000 0.15 1 1.7 0.02 -0.0625Base granular cemento 1.3 3575000 23000 0.25 1 3 0.02 -0.06666667Subbase granular 200 0.35

Rodadura ligada Rodadura no ligada

Rodadura ligada

Rodadura no ligada

28 32 31 3515 ó 25 15 ó 25

Trafico (N): 2750000E Subrasante: 80 MPaσt adm (rodadura): -1.50E+00εt adm (base): -1.64E-04 1.49E-04εz adm: 0.012(NE)-0.22 4.46E-04 CAM=1

Capa CAM NE E (MPa) v σn σh C bRodadura de adoquines 1 2750000 4000 0.15 1 1.7 0.02 -0.0625Base granular asfalto 0.8 2200000 3500 0.35 0.3 3 0.02 -0.2Subbase granular 200 0.35

Rodadura ligada Rodadura ligada

12 (13) 1725 (15)

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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67

δ Pf u σ6 (MPa) Kr Kd Kc Ks σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.844034653 0.58823529 1.5 1.50E+001.3453624 15 -1.035 7.5 0.807551065 1 1.4 0.83333333 7.79E+00

0.83333333 6.49E+00

δ Pf u ε6 (MPa) Kr Kd (Kt) Kc Ks εt/σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.844034653 0.58823529 1.5 1.50E+000.42426407 25 -0.67 9.00E-05 0.877300981 1.87 1.3 1.64E-04

0.83333333 1.37E-04

δ Pf u σ6 (MPa) Kr Kd Kc Ks σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.844034653 0.58823529 1.5 1.50E+001.3453624 15 -1.035 7.5 0.807551065 1 1.4 7.79E+00

0.90909091 7.08E+00

δ Pf u ε6 (MPa) Kr Kd (Kt) Kc Ks εt/σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.844034653 0.58823529 1.5 1.50E+000.42426407 25 -0.67 9.00E-05 0.877300981 1.87 1.3 1.64E-04

0.90909091 1.49E-04

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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69

δ Pf u σ6 (MPa) Kr Kd Kc Ks σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.84403465 0.58823529 1.5 1.42E+001.3453624 15 -1.035 7.5 0.80755106 1 1.4 0.83333333 7.32E+00

0.83333333 6.10E+00

δ Pf u ε6 (MPa) Kr Kd (Kt) Kc Ks εt/σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.84403465 0.58823529 1.5 1.42E+000.42426407 25 -0.67 9.00E-05 0.87730098 1.87 1.3 0.83333333 1.36E-04

0.83333333 1.13E-04

δ Pf u σ6 (MPa) Kr Kd Kc Ks σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.84403465 0.58823529 1.5 1.42E+001.3453624 15 -1.035 7.5 0.80755106 1 1.4 0.90909091 7.32E+00

0.90909091 6.65E+00

δ Pf u ε6 (MPa) Kr Kd (Kt) Kc Ks εt/σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.84403465 0.58823529 1.5 1.42E+000.42426407 25 -0.67 9.00E-05 0.87730098 1.87 1.3 0.90909091 1.36E-04

0.90909091 1.24E-04

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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70

Trafico (N): 15000000E Subrasante: 30 MPaσt adm (rodadura): -1.35E+00σt adm (base): -6.96E+00 5.80E+00εz adm: 0.012(NE)-0.22 3.06E-04 CAM=1

Capa CAM NE E (MPa) v σn σh C bRodadura de adoquines 1 15000000 4000 0.15 1 1.7 0.02 -0.0625Base granular cemento 1.3 19500000 23000 0.25 1 3 0.02 -0.06666667Subbase granular 75 0.35

Rodadura ligada Rodadura no ligada

Rodadura ligada

Rodadura no ligada

35 (34) 38 39 4315 (25) 15ó25

Trafico (N): 15000000E Subrasante: 30 MPaσt adm (rodadura): -1.35E+00εt adm (base): -1.17E-04 9.73E-05εz adm: 0.012(NE)-0.22 3.06E-04 CAM=1

Capa CAM NE E (MPa) v σn σh C bRodadura de adoquines 1 15000000 4000 0.15 1 1.7 0.02 -0.0625Base granular asfalto 0.8 12000000 3500 0.35 0.3 3 0.02 -0.2Subbase granular 75 0.35

Rodadura ligada Rodadura ligada

26 (25) 3225 (15)

Trafico (N): 15000000E Subrasante: 80 MPaσt adm (rodadura): -1.35E+00σt adm (base): -6.96E+00 6.32E+00εz adm: 0.012(NE)-0.22 3.06E-04 CAM=1

Capa CAM NE E (MPa) v σn σh C bRodadura de adoquines 1 15000000 4000 0.15 1 1.7 0.02 -0.0625Base granular cemento 1.3 19500000 23000 0.25 1 3 0.02 -0.06666667Subbase granular 200 0.35

Rodadura ligada Rodadura no ligada

Rodadura ligada

Rodadura no ligada

31 (31) 35 (34) 34 3715 (25) 15 (25)

Trafico (N): 15000000E Subrasante: 80 MPaσt adm (rodadura): -1.35E+00εt adm (base): -1.17E-04 1.06E-04εz adm: 0.012(NE)-0.22 3.06E-04 CAM=1

Capa CAM NE E (MPa) v σn σh C bRodadura de adoquines 1 15000000 4000 0.15 1 1.7 0.02 -0.0625Base granular asfalto 0.8 12000000 3500 0.35 0.3 3 0.02 -0.2Subbase granular 200 0.35

Rodadura ligada Rodadura ligada

19 (20) 2525 (15)

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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71

δ Pf u σ6 (MPa) Kr Kd Kc Ks σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.844034653 0.58823529 1.5 1.35E+001.3453624 15 -1.035 7.5 0.807551065 1 1.4 0.83333333 6.96E+00

0.83333333 5.80E+00

δ Pf u ε6 (MPa) Kr Kd (Kt) Kc Ks εt/σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.844034653 0.58823529 1.5 1.35E+000.42426407 25 -0.67 9.00E-05 0.877300981 1.87 1.3 0.83333333 1.17E-04

0.83333333 9.73E-05

δ Pf u σ6 (MPa) Kr Kd Kc Ks σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.844034653 0.58823529 1.5 1.35E+001.3453624 15 -1.035 7.5 0.807551065 1 1.4 0.90909091 6.96E+00

0.90909091 6.32E+00

δ Pf u ε6 (MPa) Kr Kd (Kt) Kc Ks εt/σt adm1.13839185 15 -1.035 2.15 0.844034653 0.58823529 1.5 1.35E+000.42426407 25 -0.67 9.00E-05 0.877300981 1.87 1.3 0.90909091 1.17E-04

0.90909091 1.06E-04

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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ANEXO 2

Diseño racional. Resultados del programa DEPAV

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

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Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 27541031 580150.952 Base granular cemento 35803340 3335867.97 -2.651 0.4863 Subbase granular 27541031 10877.83 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 27541031 4351.13

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 27541031 580150.952 Base granular asfalto 22032825 507632.08 -1.453 0.3163 Subbase granular 27541031 10877.83 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 27541031 4351.13

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 27541031 580150.952 Base granular cemento 35803340 3335867.97 -2.651 0.4863 Subbase granular 27541031 29007.55 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 27541031 11603.02

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 27541031 580150.952 Base granular asfalto 22032825 507632.08 -1.453 0.3163 Subbase granular 27541031 29007.55 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 27541031 11603.02

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 70104442 580150.952 Base granular cemento 91135775 3335867.97 -2.651 0.4863 Subbase granular 70104442 10877.83 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 70104442 4351.13

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 70104442 580150.952 Base granular asfalto 56083554 507632.08 -1.453 0.3163 Subbase granular 70104442 10877.83 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 70104442 4351.13

T3-S1Confiabilidad R = 80%FR = 2.390

T3-S2Confiabilidad R = 80%FR = 2.390

T4-S1Confiabilidad R = 85%FR = 2.929

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

74

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

(in)

0.52 0.301 8.680 22.047 22 8.6610.17 4.808 8.848 22.473 22

6.443

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

0.35 0.972 10.961 27.841 29 11.4170.17 4.808 7.936 20.157 23

6.443

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

(in)

0.52 0.301 5.865 14.898 15 5.9060.28 3.347 4.409 11.200 11

4.703

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

0.35 0.972 6.784 17.231 17 6.6930.28 3.347 4.584 11.643 12

4.703

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

(in)

0.52 0.469 9.976 25.338 25 9.8430.17 5.649 10.029 25.474 25

7.444

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

0.35 1.231 12.627 32.073 32 12.5980.17 5.649 9.711 24.665 25

7.444

Page 75: DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO …

DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

75

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 70104442 580150.952 Base granular cemento 91135775 3335867.97 -2.651 0.4863 Subbase granular 70104442 29007.55 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 70104442 11603.02

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 70104442 580150.952 Base granular asfalto 56083554 507632.08 -1.453 0.3163 Subbase granular 70104442 29007.55 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 70104442 11603.02

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 150223805 580150.952 Base granular cemento 195290947 3335867.97 -2.651 0.4863 Subbase granular 150223805 10877.83 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 150223805 4351.13

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 150223805 580150.952 Base granular asfalto 120179044 507632.08 -1.453 0.3163 Subbase granular 150223805 10877.83 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 150223805 4351.13

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 150223805 580150.952 Base granular cemento 195290947 3335867.97 -2.651 0.4863 Subbase granular 150223805 29007.55 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 150223805 11603.02

Capa Material Trafico (Ejes estándar de 8.2 Ton) Mr (lb/in2)

Calidad del drenaje

% tiempo de exposición del pavimento a humedad cerca

de la saturaciónfactor mi K1 K2

1 Rodadura de adoquines 150223805 580150.952 Base granular asfalto 120179044 507632.08 -1.453 0.3163 Subbase granular 150223805 29007.55 Buena 5%-25% 1.1 -0.839 0.2274 Subrasante 150223805 11603.02

T4-S2Confiabilidad R = 85%FR = 2.929

Confiabilidad R = 90%FR = 3.775

T5-S1Confiabilidad R = 90%FR = 3.775

T5-S2

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

76

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

(in)

0.52 0.469 6.869 17.447 17 6.6930.28 4.036 5.251 13.337 13

5.535

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

0.35 1.231 8.017 20.363 20 7.8740.28 4.036 5.114 12.989 13

5.535

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

(in)

0.52 0.638 11.223 28.506 28 11.0240.17 6.466 11.157 28.338 28

8.435

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

0.440.35 1.492 14.212 36.099 36 14.1730.17 6.466 10.673 27.110 27

8.435

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

(in)

0.52 0.638 7.865 19.977 20 7.8740.28 4.722 5.331 13.541 14

6.341

Coeficiente estructural

(ai)

Número estructural de diseño (SN)

Espesor (in) Espesor (cm)

Espesor corregido

(cm)

Espesor corregido

0.35 1.492 9.230 23.443 23 9.0550.28 4.722 5.548 14.092 14

6.341

Page 77: DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO …

DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

77

ANEXO 3

Datos de entrada para modelación en SAP2000 NL

Page 78: DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO …

DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

78

FUNCIONES PARA SIMULAR EL TRÁFICO

A0 1A0/2 0.5f 10 HzT 0.1 sω 62.8318531 rad/s∆t 0.01

f (t) =A0/2*(1+sen(ωt))

t f (t) Tiempo f (t) Tiempo f (t)0 0.5 0 0.5 0.36 0.20610737

0.01 0.79389263 0.01 0.79389263 0.37 0.024471740.02 0.97552826 0.02 0.97552826 0.38 0.024471740.03 0.97552826 0.03 0.97552826 0.39 0.206107370.04 0.79389263 0.04 0.79389263 0.4 0.50.05 0.5 0.05 0.5 0.41 0.793892630.06 0.20610737 0.06 0.20610737 0.42 0.975528260.07 0.02447174 0.07 0.02447174 0.43 0.975528260.08 0.02447174 0.08 0.02447174 0.44 0.793892630.09 0.20610737 0.09 0.20610737 0.45 0.50.1 0.5 0.1 0.5 0.46 0.20610737

0.11 0.79389263 0.11 0.79389263 0.47 0.024471740.12 0.97552826 0.12 0.97552826 0.48 0.024471740.13 0.97552826 0.13 0.97552826 0.49 0.206107370.14 0.79389263 0.14 0.79389263 0.5 0.50.15 0.5 0.15 0.5 0.51 0.793892630.16 0.20610737 0.16 0.20610737 0.52 0.975528260.17 0.02447174 0.17 0.02447174 0.53 0.975528260.18 0.02447174 0.18 0.02447174 0.54 0.793892630.19 0.20610737 0.19 0.20610737 0.55 0.50.2 0.5 0.2 0.5 0.56 0.20610737

0.21 0.79389263 0.21 0.79389263 0.57 0.024471740.22 0.97552826 0.22 0.97552826 0.58 0.024471740.23 0.97552826 0.23 0.97552826 0.59 0.206107370.24 0.79389263 0.24 0.79389263 0.6 0.50.25 0.5 0.25 0.5 0.61 0.793892630.26 0.20610737 0.26 0.20610737 0.62 0.975528260.27 0.02447174 0.27 0.02447174 0.63 0.975528260.28 0.02447174 0.28 0.02447174 0.64 0.793892630.29 0.20610737 0.29 0.20610737 0.65 0.50.3 0.5 0.3 0.5 0.66 0.20610737

0.31 0.79389263 0.67 0.024471740.32 0.97552826 0.68 0.024471740.33 0.97552826 0.69 0.206107370.34 0.79389263 0.7 0.50.35 0.5

Tráfico T3 Tráfico T4

FUNCIÓN PARA SIMULAR T3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

tiempo

f (t)

Page 79: DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO …

DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

79

t f (t) t f (t) t f (t)0 0.5 0.51 0.79389263 1.02 0.97552826

0.01 0.79389263 0.52 0.97552826 1.03 0.975528260.02 0.97552826 0.53 0.97552826 1.04 0.793892630.03 0.97552826 0.54 0.79389263 1.05 0.50.04 0.79389263 0.55 0.5 1.06 0.206107370.05 0.5 0.56 0.20610737 1.07 0.024471740.06 0.20610737 0.57 0.02447174 1.08 0.024471740.07 0.02447174 0.58 0.02447174 1.09 0.206107370.08 0.02447174 0.59 0.20610737 1.1 0.50.09 0.20610737 0.6 0.5 1.11 0.793892630.1 0.5 0.61 0.79389263 1.12 0.97552826

0.11 0.79389263 0.62 0.97552826 1.13 0.975528260.12 0.97552826 0.63 0.97552826 1.14 0.793892630.13 0.97552826 0.64 0.79389263 1.15 0.50.14 0.79389263 0.65 0.5 1.16 0.206107370.15 0.5 0.66 0.20610737 1.17 0.024471740.16 0.20610737 0.67 0.02447174 1.18 0.024471740.17 0.02447174 0.68 0.02447174 1.19 0.206107370.18 0.02447174 0.69 0.20610737 1.2 0.50.19 0.20610737 0.7 0.5 1.21 0.793892630.2 0.5 0.71 0.79389263 1.22 0.97552826

0.21 0.79389263 0.72 0.97552826 1.23 0.975528260.22 0.97552826 0.73 0.97552826 1.24 0.793892630.23 0.97552826 0.74 0.79389263 1.25 0.50.24 0.79389263 0.75 0.5 1.26 0.206107370.25 0.5 0.76 0.20610737 1.27 0.024471740.26 0.20610737 0.77 0.02447174 1.28 0.024471740.27 0.02447174 0.78 0.02447174 1.29 0.206107370.28 0.02447174 0.79 0.20610737 1.3 0.50.29 0.20610737 0.8 0.5 1.31 0.793892630.3 0.5 0.81 0.79389263 1.32 0.97552826

0.31 0.79389263 0.82 0.97552826 1.33 0.975528260.32 0.97552826 0.83 0.97552826 1.34 0.793892630.33 0.97552826 0.84 0.79389263 1.35 0.50.34 0.79389263 0.85 0.5 1.36 0.206107370.35 0.5 0.86 0.20610737 1.37 0.024471740.36 0.20610737 0.87 0.02447174 1.38 0.024471740.37 0.02447174 0.88 0.02447174 1.39 0.206107370.38 0.02447174 0.89 0.20610737 1.4 0.50.39 0.20610737 0.9 0.5 1.41 0.793892630.4 0.5 0.91 0.79389263 1.42 0.97552826

0.41 0.79389263 0.92 0.97552826 1.43 0.975528260.42 0.97552826 0.93 0.97552826 1.44 0.793892630.43 0.97552826 0.94 0.79389263 1.45 0.50.44 0.79389263 0.95 0.5 1.46 0.206107370.45 0.5 0.96 0.20610737 1.47 0.024471740.46 0.20610737 0.97 0.02447174 1.48 0.024471740.47 0.02447174 0.98 0.02447174 1.49 0.206107370.48 0.02447174 0.99 0.20610737 1.5 0.50.49 0.20610737 1 0.50.5 0.5 1.01 0.79389263

Tráfico T5

Page 80: DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO …

DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

80

Unidades kgf, cm

Carga

Presión uniformemente repartida 6.62 kgf/cm²Radio del disco 12.5 cmArea 490.87 cm²Fuerza uniformemente distribuida 3249.58 KgfSeparación entre ruedas 37.5 cm

Adoquines

200 cm largo100 cm ancho80 cm altura

Propiedades

f'c 50 kg/cm²2.20E-06

0.0022 kg/cm³91923.882 kg/cm²

0.2

Junta estándar

0.2 cm espesor

Capa de arena

30 cm altura

Propiedades

4.678E-064.678E-03

15000.325

Capa de base (granular cemento)

Propiedades

3.930E-063.930E-03

2300000.25

Capa de base (Granular asfalto)

Propiedades

2.420E-062.420E-03 *

350000.350

* Densidad compactada [19]

Masa por unidad de volúmen

Módulo de elasticidadRelación de Poisson

Masa por unidad de volúmen

Módulo de elasticidadPeso por unidad de volúmen

Masa por unidad de volúmen

Masa por unidad de volúmenPeso por unidad de volúmenMódulo de elasticidadRelación de Poisson

Peso por unidad de volúmen

Peso por unidad de volúmenMódulo de elasticidadRelación de Poisson

Relación de Poisson

Page 81: DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO …

DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

81

Capa de subbase Grava de tamaño medio

25 cm

Propiedades

2.286E-062.286E-03

20000.35

Subrasante 1

50 cm

Propiedades

2.403E-062.403E-03

3000.35

Subrasante 2

50 cm

Propiedades

3.353E-063.353E-03

8000.35

Relación de Poisson

Módulo de elasticidadRelación de Poisson

Relación de Poisson

Masa por unidad de volúmen

Masa por unidad de volúmenPeso por unidad de volúmen

Masa por unidad de volúmenPeso por unidad de volúmenMódulo de elasticidad

Peso por unidad de volúmenMódulo de elasticidad

Page 82: DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO …

DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

82

ANEXO 4

Resumen de resultados SAP2000 NL

Page 83: DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO …

DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

83

Capa Factor Unidades Admisible DEPAV CASO 1 DiferenciaRodadura σt max kgf/cm² 1.50E+00 -1.68E+00 2.18E+01 -2.03E+01Base σt max kgf/cm² 7.79E+00 6.24E+00 4.15E+00 3.64E+00Subrasante εz max cm 4.46E-04 9.15E-05 9.94E-02 -9.89E-02

Capa Factor Unidades CASO 2 Diferencia CASO 3 DiferenciaRodadura σt max kgf/cm² 1.87E+01 -1.72E+01 9.75E+00 -8.25E+00Base σt max kgf/cm² 3.31E+00 4.48E+00 1.94E+00 5.85E+00Subrasante εz max cm 6.15E-02 -6.10E-02 6.59E-02 -6.55E-02

Capa Factor Unidades CASO 4 Diferencia CASO 5 DiferenciaRodadura σt max kgf/cm² 11.34 -9.84E+00 11.31 -9.81E+00Base σt max kgf/cm² 3.09 4.70E+00 6.97 8.19E-01Subrasante εz max cm 0.11173 -1.11E-01 0.084654 -8.42E-02

Capa Factor Unidades CASO 6 Diferencia CASO 7 DiferenciaRodadura σt max kgf/cm² 11.38 -9.88E+00 11.34 -9.84E+00Base σt max kgf/cm² 3.18 4.61E+00 2.64 5.15E+00Subrasante εz max cm 0.112118 -1.12E-01 0.036988 -3.65E-02

Notas: El signo negativo en la diferencia, significa que la admisibilidad no se cumple.El signo negativo en el esfuerzo significa que la capa trabaja a compresión

Caso 1: T3, S1, dos llantas, carga estática. Base granular cemento 37 cm, sin subbaseCaso 2: T3, S1una llanta, carga estática. Base granular cemento 37 cm, sin subbaseCaso 3: T3, S1,una llanta, carga dinámica. Base granular cemento 37 cm, sin subbaseCaso 4: T3, S1, dos llantas, carga dinámica. Base granular cemento 37 cm, sin subbaseCaso 5: T3, S1, dos llantas, carga dinámica. Base granular cemento 32 cm, subbase granular 25 cm Caso 6: T4, S1, dos llantas, carga dinámica. Base granular cemento 37 cm, sin subbaseCaso 7: T3, S2, dos llantas, carga dinámica. Base granular cemento 37 cm, sin subbase

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DISEÑO DE PAVIMENTOS ARTICULADOS PARA TRÁFICOS MEDIO Y ALTO

ICIV-2003-II-34

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ANEXO 5

NORMA TECNICA COLOMBIANA NTC 2017 – ADOQUINES DE

CONCRETO PARA PAVIMENTOS