Ejercicios

Universidad Privada Boliviana

P R A C TI C A N ° 5

Docente: M.Sc. Ing. Luis Lazarte Villarroel 1.

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El siguiente ejercicio permite comprender los pasos a seguir en el dimensionamiento de un pavimento flexible por el método del MOPT: Diseñar un pavimento flexible para una carretera de dos carriles en una zona en la que el nivel freático permanecerá a una distancia de la superficie subrasante (aproximadamente 1,8 metros). El suelo de subrasante consiste en una arcilla limosa de alta plasticidad cuyo C.B.R. en condiciones representativas es de 4%. El tránsito promedio diario durante el primer año de servicio del pavimento se estima en 520 vehículos, de los cuales el 70% serán comerciales (buses y camiones). El factor camión es 1,6. La tasa de crecimiento anual del tránsito se espera que sea 8% y el pavimento ha de diseñarse para un período de 12 años. Diseñar un pavimento de concreto asfáltico (Método del Instituto del Asfalto) para una vía de cuatro carriles en la que se espera un tránsito promedio diario inicial de 1200 vehículos, de los cuales un 55% de buses y camiones, cuya tasa anual de crecimiento se estima en 7,5% durante cada uno de los 15 años previstos como período de diseño. El factor camión es 1,8. El suelo de subrasante es una grava arcillosa cuyo C.B.R. es 8,5%. En base al ejemplo N° 2 determinar los espesores de pavimentos con bases estabilizadas, con emulsión asfáltica tipo I; II y III. En base al ejemplo N° 2 determinar espesores espesores de pavimento con base de tipo granular. Debe construirse una capa de sub-base de 10 centímetros de espesor en un ancho promedio de 10 metros. El material a utilizar presenta, en estado suelto, un peso unitario seco de 1.600 kg/m 3 y las especificaciones exigen que en la obra se compacte a 1.920 kg/m 3. ¿Si se dispone de volquetes de 4 m3. de capacidad, a qué separación deben colocarse los viajes en la vía? Supóngase que debe construirse una base de 12 12 centímetros de espesor en un ancho de 8.0 metros, mediante la mezcla de dos materiales, A y B en proporciones en peso de 35 y 65% respectivamente, según dosificación previa. ¿Cómo deben distribuirse los materiales a lo largo de la vía para obtener un material uniforme que cumpla con la especificación, si los pesos unitarios secos de ellos en estado suelto son 1.350 y 1.450 kg/m3 respectivamente y la mezcla debe compactarse en la vía a una densidad seca de 2.000 kg/m3? Diseñar un pavimento de concreto asfáltico en todo su espesor, espesor, para las siguientes condiciones: - Módulo de sub-rasante: Mr = 44 MPa - Tráfico de Diseño: EAL = 107 Diseñar un pavimento asfáltico usando una base de de agregados no tratados, para las siguientes condiciones: - Módulo de sub-rasante: Mr = 46,4 MPa - Tráfico de Diseño: EAL = 106 - Preparar dos diseños: uno para bases de 150 milímetros y otro para 300 milímetros. Diseñar un pavimento flexible para una vía rural troncal, por el método AASHTO - 93 para un período de diseño de 15 años y en cual se espera un tránsito promedio diario inicial de vehículos comerciales de 488 en cuatro carriles, con un crecimiento de tránsito de 3,0% anual y un factor camión de 1.5. Teniendo en cuenta que se trata de una carretera de 4 carriles (2 por sentido), se asume un coeficiente de confiabilidad de 95% y una desviación estándar de 0,35. Según el estudio de suelos, no existirán materiales expansivos, pero la pluviosidad de la zona exigirá la construcción de dispositivos de drenaje que evacuen los excesos de agua en el término de un día. Se espera que la calidad de la construcción sea tal que el índice de servicio inicial (p 0) sea 4,1 y se ha seleccionado un índice final (pt) de 2,0. El suelo de subrasante presenta, bajo las condiciones de humedad y densidad esperadas, un CBR de diseño de 3,5% . Los materiales disponibles para la construcción de las capas de subbase y base granular tienen CBR de 35 y 80% a los niveles de construcción exigidos por las especificaciones. Para la temperatura media de la zona de proyecto (15ºC), se estima que el módulo elástico del concreto asfáltico sea 25.000 Kg/cm2 (350.000 psi). En relación con el drenaje, y considerando lo expuesto, se puede tomar un valor m i = 1.15

10. Diseñar un pavimento de concreto asfáltico en todo su espesor, para las siguientes condiciones: - Módulo de sub-rasante: Mr = 41.4 MPa - Clima: MAAT = 15.5°C - Tráfico de Diseño: EAL = 106 Explicación de los Términos: El módulo de sub-rasante (Mr) o Módulo Resiliente es un ensayo triaxial cíclico que intenta reproducir los esfuerzos en las capas de un pavimento de las cargas móviles del tránsito. Considerando las limitaciones de la mayor parte de los laboratorios para efectuar éste ensayo el I. del A. permite correlacionarlo con el CBR mediante: Mr (MPa) = 10.3 CBR El tráfico de diseño (EAL-Equivalent Axle Loads), es el número de aplicaciones de un eje simple de 18.000 lbs (80 kN). Se determina de la siguiente manera: a) Determinar el número promedio de cada tipo de vehículo espectado en el Carril de Diseño (cualquiera de los dos carriles en una vía de dos carriles y el carril exterior en una vía de carriles múltiples) durante el primer año de tránsito. b) Determinar de los datos de cargas por eje o seleccionar de la Tabla 4.3.2.b, un Factor Camión (Número de aplicaciones de cargas por eje simple equivalente a 80 kN, en una pasada de un vehículo) para cada tipo de vehículo hallado en 1. Factor Camión se determina de los datos de carga por eje, multiplicando el número de ejes en cada clase de peso por el correspondiente Factor de Equivalencia de Carga (Tabla 4.3.2.c) y dividiendo la suma de los productos por el número total de vehículos involucrados. En la práctica se han reportado Factores Camión superiores al máximo de 2.21 indicado en la Tabla 4.3.2.b, en carreteras sujetas a un tránsito de grandes volúmenes de camiones muy pesados. Bajo ciertas circunstancias (entradas a zonas comerciales o mineras), el Factor Camión puede exceder de 5.0. En esas circunstancias especiales y por consideraciones de diseño, se puede usar un Factor Camión obtenido de mezclar el tráfico normal con ciertos porcentajes de los correspondientes a esos volúmenes de tránsito muy pesado. c) Seleccionar de la Tabla 4.3.2.d un Factor de Crecimiento para todos los vehículos o factores separados para cada tipo de vehículo. d) Multiplicar el número de vehículos de cada tipo por el Factor Camión y el Factor (o Factores) de crecimiento determinados en los pasos 2 y 3. e) Sumar los valores obtenidos para hallar el EAL. 11.- Diseñar un pavimento teniendo en cuenta estas características Ubicación: rural Clasificación: primaria Datos de tránsito Tránsito anual inicial esperado (ambas direcciones) = 1, 67 x 106 ESALs Distribución direccional DD = 0,50 Distribución de camiones TD = 0,70 Crecimiento de camiones (por año) = 4% Propiedades de materiales Módulo de concreto asfáltico M AC = 2070 MPa = 300000 psi Módulo resiliente base granular MBS = 172 MPa = 25000 psi Módulo resiliente sub base granular MSB = 82,7 MPa = 12000 psi Módulo resiliente subrasante: Invierno (med. Diciembre –fines Febrero) MR = 207 MPa = 30000 psi Primavera (med. Marzo-fines Abril) MR = 6,89 MPa = 1000 psi Verano y otoño (princ. Mayo-med. Diciembre) MR = 34,5 MPa = 5000 psi 12.- Diseñar un pavimento flexible para una autopista urbana, W 18 = 2 x 106 ESALs. El agua drena del pavimento en aproximadamente una semana y la estructura del pavimento está expuesta a niveles próximos a la saturación en un 30% del tiempo. Los datos son: Módulo elástico del concreto asfáltico a 20ºC (68ºF) = 3100 MPa = 450000 psi -Base CBR = 100% MBS = 214 MPa = 310000 psi -Sub base CBR = 22% MSB = 93,1 MPa = 13500 psi -Subrasante CBR = 6% MR = 62,1 MPa = 9000 psi 13.- Diseñar un pavimento flexible para un período de diseño de 12 años y en cual se espera un tránsito promedio diario inicial de vehículos comerciales de 388 en dos carriles, con un crecimiento de tránsito de 3% anual y un factor camión de 1.5. Teniendo en cuenta que se trata de una vía rural troncal, se asume un coeficiente de confiabilidad de 90 % y una desviación estándar de 0,45. Según el estudio de suelos, no existirán materiales expansivos, pero la pluviosidad de la zona exigirá la construcción de dispositivos de drenaje que evacuen los excesos de agua en el término de un día. Se espera que la calidad de la construcción sea tal que el índice de servicio inicial (p 0) sea 4.3 y se ha seleccionado un índice final (pt) de 2.0. El suelo de subrasante presenta, bajo las condiciones de humedad y densidad esperadas, un CBR = 5% . Los materiales disponibles para la construcción de las capas de subbase y base granular tienen CBR de 25 y 80% a los niveles de construcción exigidos por las especificaciones, a los cuales corresponden coeficientes estructurales de 0.10 y 0.13 respectivamente.

Para la temperatura media de la zona del proyecto (15ºC), se estima que el módulo elástico del concreto asfáltico sea 25.000 Kg/cm2 (350.000 psi). En relación con el drenaje, y considerando lo ya expuesto, se puede tomar un valor mi = 1.15 14. Se tienen los siguientes datos, hallar el Factor Camión. Pt = 2.5 SN = 4” TIPO DE VEHICULO

Carga por eje (Kips)

Volumen de tráfico Diario

Tipo de eje

Nº de ejes

LEFs

Nº de Esals

 Automóviles o vagonetas, 4 Simple 850 otros livianos Microbuses, camión 10 Simple 440 pequeño Bus y camión mediano 16 Simple 260 Bus grande 34 Tandem 230 Camión Semiremolque 36 Tandem 240 Camión Semiremolque 48 Tridem 196 TOTALES 15. Diseñar un pavimento flexible por el método AASHTO Periodo de Diseño = 20 años Tasa de crecimiento anual = 2% Indice de serviciabilidad final Pt = 2.5 Factor de Distribución direccional Fd = 0.5 Factor de distribución por carril Fc = 0.8 Número Estructural SN = 4” TIPO DE VEHÍCULO

Nº de Ejes

Bus y Camión mediano

2

Bus grande Tandem

2

Tipo de Eje/Peso por eje (Kips) Simple

Tandem

Tridem

12 20 14 28 14

Semi remolque Tridem

3

36 50

TOTALES

16. Diseñar un pavimento teniendo en cuenta estas características Ubicación: rural Clasificación: primaria Datos de tránsito Tránsito anual inicial esperado (ambas direcciones) = 1, 23 x 106 ESALs Distribución direccional DD = 0,50 Distribución de camiones TD = 0,80 Crecimiento de camiones (por año) = 5% Propiedades de materiales Módulo de concreto asfáltico M AC = 2070 MPa = 300000 psi Módulo resiliente base granular MBS = 172 MPa = 25000 psi Módulo resiliente sub base granular MSB = 82,7 MPa = 12000 psi Módulo resiliente subrasante: Invierno (med. Diciembre –fines Febrero) MR = 207 MPa = 30000 psi Primavera (med. Marzo-fines Abril) MR = 6,89 MPa = 1000 psi Verano y otoño (princ. Mayo-med. Diciembre) MR = 34,5 MPa = 5000 psi 17.- Diseñar un pavimento flexible para una autopista urbana, W 18 = 2 x 106 ESALs. El agua drena del pavimento en aproximadamente una semana y l a estructura del pavimento está expuesta a niveles próximos a la saturación en un 30% del tiempo. Los datos son: Módulo elástico del concreto asfáltico a 20ºC (68ºF) = 3100 MPa = 450000 psi -Base CBR = 100% MBS = 214 MPa = 31000 psi -Sub base CBR = 22% MSB = 93,1 MPa = 13500 psi -Subrasante CBR = 6% MR = 62,1 MPa = 9000 psi 18. Cálculo de la carga acumulada equivalente en un eje para una carretera propuesta con 8 carriles, usando factores de equivalencia de carga. Se va a construir una carretera dividida, de ocho carriles, en un nuevo trazo. Los pronósticos de volumen de tránsito indican que el tránsito promedio diario anual (AADT) en ambas direcciones durante el primer año de operación será 12 000, con la siguiente mezcla de vehículos y cargas por eje.  Automóvil (1 000 lb/eje) = 50 por ciento Camiones sencillos de 2 ejes (6 000 lb/eje) = 33 por ciento Camiones sencillos de 3 ejes (10 000 lb/eje) = 17 por ciento

Se espera que la mezcla vehicular permanezca igual durante la vida de diseño del pavimento. Si la tasa anual esperada de crecimiento de tránsito es 4 por ciento para todos los vehículos, determinar la ESAL de diseño, para un periodo de diseño de 20 años. Se aplicaran los siguientes datos: Factores de equivalencia de carga (de la tabla 20.3)  Automóviles (1 000 lb/eje) = 0.00002 (despreciable) Camiones sencillos de 2 ejes (6 000 lb/eje) = 0.01043 Camiones sencillos de 3 ejes (10 000 lb/eje) = 0.0877 Tabla 20.3 Factores de equivalencia de carga Carga bruta por eje

Factores de equivalencia de carga

kN

lb

Ejes sencillos

4.45 8.9 17.8 26.7 35.6 44.5 53.4 62.3 71.2 80.0 89.0 97.9 106.8 115.6 124.5 133.4 142.3 151.2 160.1 169.0 178.0 187.0 195.7 204.5 213.5 222.4 231.3 240.2 249.0 258.0 267.0 275.8 284.5 293.5 302.5 311.5 320.0 329.0 338.0 347.0 356.0 364.7 373.6 382.5 391.4 400.3

1 000 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000 14 000 16 000 18 000 20 000 22 000 24 000 26 000 28 000 30 000 32 000 34 000 36 000 38 000 40 000 42 000 44 000 46 000 48 000 50 000 52 000 54 000 56 000 58 000 60 000 62 000 64 000 66 000 68 000 70 000 72 000 74 000 76 000 78 000 80 000 82 000 84 000 86 000 88 000 90 000

0.00002 0.00018 0.00209 0.01043 0.0343 0.0877 0.189 0.360 0.623 1.000 1.51 2.18 3.03 4.09 5.39 6.97 8.88 11.18 13.93 17.20 21.08 25.6 31.00 37.24 44.50 52.88

Ejes tándem

Ejes trídem

0.0003 0.001 0.003 0.007 0.014 0.027 0.047 0.077 0.121 0.180 0.260 0.364 0.495 0.658 0.857 1.095 1.39 1.70 2.08 42.51 3.00 3.55 4.17 4.86 5.63 6.47 7.41 8.45 9.59 10.84 12.22 13.73 15.38 17.19 19.16 21.32 23.66 26.22 29.0 32.0 35.3 38.8 42.6 46.8

0.0003 0.001 0.002 0.003 0.006 0.011 0.017 0.027 0.040 0.057 0.080 0.109 0.145 0.191 0.246 0.313 0.393 0.487 0.597 0.723 0.868 1.033 1.22 1.43 1.66 1.91 2.20 2.51 2.85 3.22 3.62 4.05 4.52 5.03 5.57 6.15 6.78 7.45 8.2 8.9 9.8 10.6 11.6

 Nota: se muestran kN convertidos a lb con margen de 0.1 por ciento en libras lb. FUENTE : Thickness Design –  Asphalt Pavements for Highways and Streets, Manual Series No. 1, The ASphalt Institute, Lexington, Ky., febrero de 1991.

19. Cálculo de la carga acumulada equivalente en un eje para una carretera propuesta con dos carriles, usando factores de camión La proporción proyectada de vehículos, para una carretera principal rural de dos carriles durante su primer año de operación se presenta a continuación. En el primer año, el AADT será 3 000, la tasa de crecimiento anual es 5 por ciento y el periodo de diseño es 20 años. Determinar la ESAL acumulada con los factores de camión de la tabla 20.5.

 Automóviles = 66 por ciento Camiones sencillos De 2 ejes y 4 ruedas = 18 por ciento De 2 ejes y 6 ruedas = 8 por ciento De 3 ejes o más = 4 por ciento Tractores-semiremolques y combinación De 4 ejes o menos = 4 por ciento 20. Cálculo del espesor de un pavimento asfáltico de profundidad total (espesor pleno).Se va a tender un pavimento asfáltico de profundidad total para soportar una ESAL de 2 172 042. Si el CBR para la subrasante es 8, y la temperatura del aire ambiente media anual (MAAT) es 60ºF, determine la profundidad necesaria de la capa de asfalto 21. Diseño de un pavimento formado por superficie de concreto asfáltico y base de emulsión asfáltica. Diseñar un pavimento adecuado para soportar una ESAL de diseño de 1 303 225 sobre una subrasante que tiene módulo de resiliencia de 15 000 lb/pulg 2 , en una zona con MAAT de 60ºF. 22. Diseño de un pavimento formado por superficie de concreto asfáltico y base de agregado sin tratamiento Diseñar un pavimento adecuado en un área con MAAT de 60ºF, para soportar una ESAL de diseño de 1.3 x 106 sobre una subrasante con módulo de resiliencia de 15000 lb/pulg2 , estando el pavimento construido con una superficie de concreto asfáltico y una capa de base granular no tratada de 6 pulg. 23. Diseño de un pavimento de concreto asfáltico para construirlo en dos etapas Se va construir un pavimento total en concreto asfáltico, en dos etapas. El periodo de diseño es 10 años, y la segunda etapa se construirá 10 años después de la primera. Si la ESAL del carril de diseño durante el primer año es 60 000 y la tasa de crecimiento para todos los vehículos es 5 por ciento, determinar los espesores de asfalto para la primera y segunda etapas de la construcción, si el módulo de resiliencia de la subrasante es 15 000 lb/pulg2 , y la MAAT del área es 60ºF. 24. Diseño de un pavimento flexible usando el método de la AASHTO Se va a diseñar un pavimento flexible para una carretera interestatal urbana con el procedimiento de la guía AASHTO de 1993, para soportar una ESAL de diseño de 2 x 106 . Se estima que el agua tarda aproximadamente una semana en drenarse desde el interior del pavimento, y que la estructura del pavimento, y que la estructura del pavimento estará expuesta a niveles de humedad que se acercan a la saturación, el 30 por ciento del tiempo. Hay disponible la siguiente información adicional: Módulo de resiliencia del concreto asfáltico a 68ºF = 450 000 lb/pulg 2 Valor CBR del material de la capa de base = 80; Valor CBR del material de la capa de sub base = 22 Valor CBR del material de la capa de subrasante = 6 Determinar una estructura adecuada del pavimento, 25. Describa los componentes estructurales de un pavimento f lexible. 26. Describa el objetivo de la estabilización del suelo y al menos tres métodos para lograrla . 27, Describa el proceso de estabilización con cal, e indique las características del suelo en el cual es más efectiva. 28. Un estudio relativo a los pesos en ejes de un tramo en una carretera, obtuvo los siguientes datos sobre distribución de cargas en eje: Grupo de carga en eje sencillo (1 000lb)

No. de ejes por 1 000 vehículos

Grupo de carga en eje tándem (1 000lb)

No. de ejes por 1000 vehículos