DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

PROYECTO DE GRADO

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA

PISTA DE PRUEBA DE PAVIMENTOS

DANIEL ALBERTO MORENO OLIVEROS

Asesor: PhD. Bernardo Caicedo H.

Santafé de Bogotá, 2008

SISTEMA DE BIBLIOTECAS

IDENTIFICACIÓN TRABAJO DE GRADO

FECHA

DD MM AAAA

06 02 2008

1. IDENTIFICACIÓN AUTOR(ES) DEL TRABAJO DE GRADO

DOCUMENTO DE IDENTIDAD CÓDIGO Tipo Número

APELLIDOS

NOMBRES

CORREO ELECTRONICO

200511545 CC 79501800 MORENO OLIVEROS DANIEL ALBERTO

[email protected] [email protected]

PROGRAMA MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL

FACULTAD FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DEPARTAMENTO DE ING. CIVIL

ENTREGÓ FORMATO:

SB-10 "Entrega trabajo de grado y autorización de uso a favor de la Universidad de los Andes".

SB-11 "Cesión de derechos de autor a favor de la Universidad de los Andes".

2. INFORMACIÓN GENERAL DEL TRABAJO DE GRADO

TÍTULO DEL TRABAJO DE GRADO: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PISTA DE PRUEBAS ACELERADAS DE PAVIMENTOS

DESCRIPCIÓN FÍSICA:

Número de páginas: 185

Ilustraciones: 82

MATERIAL ACOMPAÑANTE (Cantidad):

Casetes Audio:

Discos compactos:

Casetes Video:

Diapositivas:

Disquetes: Otros: ¿Cuáles?

FECHA ELABORACIÓN TRABAJO DE GRADO

DD MM AAAA

25 01 2008

RESUMEN DEL TRABAJO DE GRADO: Este proyecto busca realizar el diseño y construcción de una pista de pruebas aceleradas para estructuras de pavimento absorbiendo la experiencia inicial del carrusel circular existente en el CIMOC, para llevarla a una geometría lineal que genere menores costos y más eficiencia en la evaluación. Este modelo físico pretende controlar entre otras variables climáticas, de carga, drenaje y nivel freático, efectuando análisis sobre estructuras típicas que se construyen en las vías de la Sabana de Bogotá. ABSTRACT: This project designs and construct a racetrack for accelerated test of pavement structures, the past track of CIMOC was circular, this lab model be linear now, but this will give more performance and re-duce the cost. This laboratory could be climatic with drain and load controlled, will use quaternary soft clay and common granular materials of pavement structure constructions of Bogotá Colombia.

OBJETIVOS DEL TRABAJO DE GRADO: El objeto principal de este proyecto es construir un modelo físico de la estructura de un pavimento, en el cual se puedan establecer condiciones controladas de clima, carga, refuerzo, drenaje, geología, nivel freático, succión, evapotranspiración, y especialmente parámetros índice de los suelos de soporte o subrasante, como lo son: relación de vacíos, índices de consistencia, distribución granulométrica, compresibilidad y resistencia al esfuerzo cortante. Este modelo presentará un escenario que permitirá controlar la mayoría de estas variables, usando un espacio físico a escala real en donde se darán condiciones de carga hasta un máximo de 8 toneladas con velocidades entre los 5 a los 60 km/h en las repeticiones que sean necesarias para lograr igualar el nivel del tránsito promedio con ejes equivalentes a 8.2 Toneladas del diseño específico que haya sido medido en el tramo en estudio, hasta un máximo de 1’000.000 de repeticiones por semana; entorno ambiental de la ciudad de Bogotá, incluyendo la posibilidad en el futuro cercano, de reducir temperatura con la instalación de motores de cuarto frío y aumento de temperatura con lámparas ultravioleta y así obtener un rango de temperatura entre 8°C a 35°C en la mezcla asfáltica; materiales de construcción de pavimentos fáciles de instalar usando fuentes de agregados locales y mezclas o granulometrías típicas de materiales granulares y concretos asfálticos en la aplicación de la contratación vial de Bogotá o de la Nación; control del nivel freático desde la condición seca hasta la saturada; instrumentación que permita conocer los esfuerzos y deformaciones verticales y tangenciales respectivos sobre las fronteras de las diferentes capas de diseño en la estructura del pavimento; y finalmente, la implementación de materiales de subrasante tomados in situ para reinstalarlos en el modelo, en condiciones de remoldeo o sensitividad lo más bajo posibles, de tal forma que se permita

analizar las variables de soporte y deformabilidad con aproximación a la realidad del diseño racional en el modelo empleando los parámetros índice de los depósitos de materiales naturales del área de análisis.

METODOLOGÍA DEL TRABAJO DE GRADO: El presente trabajo se desarrolla a partir de la primera experiencia con el carrusel de fatiga del CIMOC, buscando dentro de la experiencia internacional pautas y variables que aumenten su eficiencia y reduzcan los costos de construcción y operación. Posteriormente se implementa un convenio con el Instituto de Desarrollo Urbano de Bogotá con el objeto de darle un usuario al laboratorio de modelos de pavimentos como justificación de la inversión y posteriormente se efectúa su construcción anexa a la del Edificio Mario Laserna.

CONCLUSIONES DEL TRABAJO DE GRADO: - Los planteamientos realizados en la fase de diseño se lograron llevar a buen término durante la fase constructiva, sin embargo, la prueba de su eficiencia solo se podrá analizar durante la fase de calibración y operación. - La instalación de los materiales se ejecutó con procedimientos estándares y homogéneos, sin embargo, no se descarta que exista comportamiento disímil en las capas de arcilla o granular de la estructura del pavimento, ya que se observaron que algunos viajes llegaban con humedades diferentes o pequeñas variaciones de color y textura, así como cantidad de sobretamaños en los granulares. - Se hizo todo lo posible por mantener la humedad natural con la cual llegaba la arcilla a la obra, durante el proceso de compactación, pero se acepta que no todas las capas presentaron la misma humedad al llegar, ya que los tiempos de acarreo y colocación no fueron similares. Sin embargo, una vez instaladas las capas, se adicionaba agua a través del sistema hidráulico de suministro permitiendo el ascenso del nivel equivalente a la altura del 50% del espesor de la capa colocada. - La manipulación de arcillas de baja consistencia en grandes volúmenes para compactación en espacio reducido y con equipos de pequeña envergadura es un problema a solucionar con la selección de un proveedor con mejores recursos. - Una de las variables ambientales a tener en cuenta en el sitio de ubicación del tanque es que no hay una tasa de evapotranspiración similar a la que existe en una vía a cielo abierto. - No fue posible la instalación, puesta en marcha y prueba del tanque cisterna, en razón a que PAI, no dejó instalado el riel de ascenso solicitado, por ello se tomó la decisión de aplazar su colocación y accionar el flujo de agua con el control en la abertura del registro de paso. - La colocación del concreto asfáltico se vio retrasada en dos momentos, el primero por el vencimiento del contratista inicial Páez y Casas Asociados, y en segundo término, por la falta de posesión de equipos con envergadura adecuada al sitio del proyecto por parte del nuevo proveedor Patria S.A. Finalmente esta capa se instaló en la segunda semana del mes de enero de 2008. - Si bien la selección de los granulares para la estructura de pavimento se realizó con verificación y ajustes granulométricos, se observó, durante la etapa de control, que las gradaciones habían variado, falla originada en el proveedor; sin embargo, las resistencias al desgaste mecánico corresponden a las planteadas, y las granulometrías en una cantera natural de bajo nivel industrial, constantemente varían, aunque no es del todo preocupante en razón a que los despachos a clientes de la cantera concuerdan con el objetivo de modelar pavimentos reales en la ciudad de Bogotá. - Una reevaluación importante a la hora de plantear este tipo de proyectos es el rendimiento del proceso constructivo, ya que el espacio, la geometría de movilidad y las políticas de operabilidad, limitan mucho el desempeño y eficiencia de la mano de obra. - El peso real de la estructura del carro de carga juega un papel fundamental en el diseño teórico, ya que en la teoría se usaron variaciones entre 200 y 400 kg, y el proveedor nunca aseguró el valor último logrado, pero si indicó que el rango de diseño era correcto. Por ello no se descarta la posibilidad de ajuste en tipo y cantidad de amortiguadores requeridos. - Las experiencias vividas en Europa y Estados Unidos son una Herramienta totalmente indispensable, porque de alguna manera se puede establecer con un grado de incertidumbre algo variable pero favorable, cuales son las situaciones que se deben tener en cuenta para el diseño y construcción de un sistema como este, las experiencias transmitidas, si bien no resuelven las inquietudes planteadas, si generan una orientación valiosa para llegar a las metas trazadas. - Los procesos y métodos adecuados de un plan de operación apropiado es el resultado acumulado de la calibración y análisis del comportamiento del equipo en su arranque.

PALABRAS CLAVES (TEMAS) DEL TRABAJO DE GRADO: Carrusel, pista de prueba, tanque de tierras, carro de carga, estructura de pavimento, modelo de pavimento, instrumentación del modelo.

ACUERDOS DE CONFIDENCIALIDAD: TIENE ACUERDO(S) NO TIENE ACUERDO(S) Si selecciona tener acuerdo de confidencialidad, por favor diligencie el siguiente cuadro:

Desde Hasta Persona natural o jurídica

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1.

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3.

4.

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

DE UNA PISTA DE PRUEBA DE PAVIMENTOS

DANIEL ALBERTO MORENO OLIVEROS

Asesor: PhD. Bernardo Caicedo H.

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL Y AMBIENTAL

MAESTRIA EN INGENIERÌA CIVIL

Área de Geotecnia e Infraestructura Vial

Santafé de Bogotá, 2008

MIC 2008-I-26

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PISTA DE PRUEBA DE PAVIMENTOS.

Agradecimientos

A Nuestro Señor, por la vida y el amor recibido.

Al Ing. Bernardo Caicedo, por sus enseñanzas y la confianza depositada en

mi para desarrollar este hermoso proyecto.

A Claudia Marcela, mi esposa, por todo su apoyo y fuerza transmitida.

A mi Madre, por su ejemplarizante lucha.

Al personal del CIMOC y de Páez & Casas Aso., por toda su dedicación.

Dedicado a quien me enseñó

a observar el futuro a través

de los ojos de mi hijo.

D.M.G. Q.E.P.D.

MIC 2008-I-26


DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

DE UNA PISTA DE PRUEBA DE PAVIMENTOS

CONTENIDO

CAPITULO I - INTRODUCCIÓN 1

1. Objetivo General 1

2. Objetivos Específicos 1

3. Alcance 4

4. Justificación 6

5. Estructura del Documento 10

CAPITULO II - NOCIONES GENERALES 12

1. Estado del Arte 13

2. Aplicaciones de una Pista de Prueba 35

CAPITULO III - DISEÑO PISTA DE PRUEBAS DE PAVIMENTOS 41

1. Tanque de Pruebas 41

2. Marco de Carga o Viga 43

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3. Carro de Carga 45

4. Sistema de Apoyo 48

5. Sistema de Drenaje y Suministro 49

6. Estructura del Pavimento 54

6.1 Primera Capa (Grava) 54

6.2 Segunda Capa (Arcilla) 54

6.3 Tercera Capa (Granulares) 57

6.4 Cuarta Capa (Rodadura) 61

7. Instrumentación 62

8. Instrumentación Externa 65

9. Equipos Mecanicos de Apoyo 70

CAPITULO IV - CONSTRUCCIÓN DE LA PISTA DE PRUEBAS 77

1. Tanque de Tierras 77

2. Instalaciones Hidráulicas 82

2.1 Sistema de Suministro 82

2.2 Sistema de Colección 83

3. Capa de Subrasante 85

3.1 Sistema de Suministro 86

3.2 Transporte y Depósito 87

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3.3 Instalación 88

4. Capas Granulares 90

5. Carro de Carga 92

CAPITULO V - INDICACIONES GENERALES 98

1. Descripción del Funcionamiento 98

1.1 Retiro e Instalación de Materiales 98

1.2 Aplicaciones de Carga 102

2. Conclusiones 103

3. Recomendaciones 106

CAPITULO VI - BIBLIOGRAFÍA 108

ANEXOS

ANEXO A. ENSAYOS DE LABORATORIO

ANEXO B. PLANOS DE DISEÑO

ANEXO C. VITACORA DE EJECUCIÓN

ANEXO D. DIAGRAMAS DE LOCALIZACIÓN DE CANTERAS

ANEXO E. CANTIDADES DE OBRA EJECUTADAS

ANEXO F. GLOSARIO

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LISTA DE TABLAS

TABLA I.1.- Red Vial Nacional, INV 2005

TABLA II.1.- Relación de Laboratorios Internacionales donde se

realizan Pruebas Aceleradas de Pavimentos

TABLA III.1.- Tipos Generales de Daños Superficiales

TABLA III.2.- Hoja de Cálculo para Determinar el Número de

Amortiguadores de Resorte Requeridos

TABLA III.3.- Hoja de Cálculo para Capacidad de Amortiguadores

Neumáticos

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LISTA DE FIGURAS

FIGURA II.1.- Construcción Tanque para la Pista de Pruebas BAST

FIGURA II.2.- Estructura Inicial del Pavimento en la Pista BAST

FIGURA II.3.- Panorámica Pista CEDEX

FIGURA II.4.- Sección Transversal de la Pista CEDEX

FIGURA II.5.- Compactación de Capa Granular en LINTRACK

FIGURA II.6.- Instalación de la carpeta Asfáltica en LINTRACK

FIGURA II.7.- Vista del Carro de Carga en LAVOC

FIGURA II.8.- Perfil General de la Pista en LAVOC

FIGURA II.9.- Panorámica General de la Pista ETHZ

FIGURA II.10.- Vista General de la Pista LIRA

FIGURA II.11.- Detalle del Carro de Carga en RTM

FIGURA II.12.- Detalle del Pequeño Tanque en DRESDEN

FIGURA II.13.- Pista de Prueba en TRL

FIGURA II.14.- Vista General de la Pista OULU

FIGURA II.15.- Detalle del Carro de Carga en KANSAS

FIGURA II.16.- Vista y Diseño de la Viga y Carro de Carga en

NOTTINGHAM

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FIGURA III.1.- Perfil General del Diseño del Tanque de Pruebas en

CIMOC UNIANDES.

FIGURA III.2.- Dimensiones de Diseño del Tanque de Prueba en

CIMOC UNIANDES

FIGURA III.3.- Viga del Antiguo Carrusel de Fatiga CIMOC

FIGURA III.4.- Troque del Carro de Pruebas en PURDUE

FIGURA III.5.- Transmisión de Cargas Bajo una rueda Dual Sencilla.

FIGURA III.6.- Axonometría del Drenaje del Tanque en CIMOC

FIGURA III.7.- Detalle en Planta del Extremo de Salida en el Tanque de

Drenaje del CIMOC

FIGURA III.8.- Pruebas de Compresión Axial No Confinada a Diferentes

Muestras In Situ

FIGURA III.9.- Pruebas de Consolidación a Diferentes Muestras in Situ

FIGURA III.10.- Localización de canteras para Adquisición de Materia

Prima

FIGURA III.11.- Distribuciones Granulométricas Deseables para la

Materia Prima Colocar como Base Granular en la Pista

de Pruebas del CIMOC

FIGURA III.12.- Gradación Obtenida de Muestras de la Cantera Vista

Hermosa en Mondoñedo

FIGURA III.13.- Gradación Obtenida de Muestras de la Cantera Panamá

en Soacha

FIGURA III.14.- Medición y Captura de Desplazamiento

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FIGURA III.15.- Medidor de Tensión Horizontal

FIGURA III.16.- Medidores de Esfuerzo Vertical (Celdas de Carga)

FIGURA III.17.- Sensores de Humedad

FIGURA III.18.- Medidor de Succión

FIGURA III.19.- Viga Benkelman y Medición de Ahuellamiento

FIGURA III.20.- Daños Superficiales

FIGURA III.21.- Amortiguadores

FIGURA III.22.- Interface del Software de Cálculo para Amortiguadores

de Resorte Enidine

FIGURA III.23.- Tipos de Amortiguadores de Resorte para Trabajo

Pesado Enidine

FIGURA III.24.- Regulador de Presión

FIGURA III.25.- Válvulas Solenoides

FIGURA III.26.- Control de Velocidad

FIGURA III.27.- Sistema de Adquisición de Datos

FIGURA IV.1.- Vista Superior del Tanque de Pruebas. Ed. Mario

Laserna Universidad de Los Andes

FIGURA IV.2.- Vista Estructural del Tanque

FIGURA IV.3.- Vista Interior del Tanque

FIGURA IV.4.- Adecuación Inicial del Tanque

FIGURA IV.5.- Adecuación Inicial del Tanque

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FIGURA IV.6.- Procedimiento de Instalación de la Geomembrana

FIGURA IV.7.- Propiedades de la Geomembrana PAVCO

FIGURA IV.8.- Ductería para el Suministro de Agua

FIGURA IV.9.- Tanque Cisterna para Control de Flujo del Nivel Freático

FIGURA IV.10.- Capa Filtrante del Sistema de Drenaje

FIGURA IV.11.- Construcción de los Tramos Filtrantes del Sistema de

Drenaje

FIGURA IV.12.- Tendido de la Tubería de Colección y Suministro Interno

FIGURA IV.13.- Instalación de Ductos para los Sensores de

Desplazamientos

FIGURA IV.14.- Sitio y Proceso de Excavación de la Fuente Natural en

Arcilla

FIGURA IV.15.- Diferencia de Aspecto Físico de la Arcilla entre el Estado

Inalterado y el Remoldeado

FIGURA IV.16.- Fases del Procedimiento de Transporte de la Materia

Prima Arcilla

FIGURA IV.17.- Procedimiento de Extendido y Equipo de Amasado

FIGURA IV.18.- Toma de Muestras Inalteradas en Shelby y CBR

FIGURA IV.19.- Toma de Muestras en la Cantera Vista Hermosa Sector

Mondoñedo Vía a la Mesa al Occidente de Bogotá

Colombia

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FIGURA IV.20.- Toma de Muestras en la Cantera Panamá en el Municipio

de Soacha al Sur de Bogotá Colombia

FIGURA IV.21.- Suministro, Extendida y Compactación de Bases

Granulares

FIGURA IV.22.- Diferenciación de los dos Sectores de Análisis ya

Terminados

FIGURA IV.23.- Control de Calidad a la Compactación de las Capas

Granulares

FIGURA IV.24.- Preparación para el Montaje de la Viga de Soporte del

Carro de Carga

FIGURA IV.25.- Empotramiento de las Columnas de Soporte y Acople de

la Viga

FIGURA IV.26.- Vista Inferior, Superior y Longitudinal de la Viga

FIGURA IV.27.- Sistema de Movilidad del Carro de Carga

FIGURA IV.28.- Sistema de Ruedas de Transferencia de Carga

FIGURA IV.29.- Suspensión Vertical para Transmitir Presión de Carga

FIGURA IV.30.- Sistema de Transferencia de reacción para cambio de

Dirección

FIGURA IV.31.- Eje de Diseño Sencillo Dual

FIGURA IV.32.- Finalización de la Instalación de la Instrumentación

FIGURA IV.33.- Imprimación y Extendida de la Carpeta Asfáltica

FIGURA IV.34.- Compactación de la Carpeta Asfáltica

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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PISTA DE PRUEBA DE PAVIMENTOS. 1

CAPITULO I. INTRODUCCIÓN

1. OBJETIVO GENERAL

Con el fin de permitir la prueba acelerada de estructuras de pavimento y bajo

la necesidad de traslado de los laboratorios del CIMOC, se planteó la idea de

absorber la experiencia inicial de un carrusel circular para diseñar y construir

una nueva pista de pavimentos con mejor control sobre las variables de

análisis, mayor alcance de funcionamiento y menor espacio de ocupación.

El objeto principal de este proyecto es construir un modelo físico de la

estructura de un pavimento en el cual se puedan establecer condiciones

controladas de clima, carga, refuerzo, drenaje, geología, nivel freático,

succión, evapotranspiración, y especialmente parámetros índice de los

suelos de soporte o subrasante, como lo son: relación de vacíos, índices de

consistencia, distribución granulométrica, compresibilidad y resistencia al

esfuerzo cortante.

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Con el presente proyecto se busca permitir el análisis de las deficiencias

estructurales de las carreteras locales en Bogotá y las nacionales en

Colombia, las cuales tienen origen en múltiples razones como son:

2.1. Uso inapropiado de materiales,

2.2. Escasez de fuentes de materiales adecuados,

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2.3. Falta de control en el exceso de carga,

2.4. Procesos deficientes o inadecuados de construcción,

2.5. Falta de análisis apropiados de los materiales de subrasante,

2.6. Inexistencia parcial o total de infraestructura complementaria,

2.7. Topografía, geología y variabilidad de los subsuelos,

2.8. Mantenimiento y administración insuficientes,

2.9. Empleo, en la mayoría de los casos, de métodos empíricos de diseño,

los cuales se basan en la experiencia de modelos configurados en

otros países bajo condiciones no necesariamente similares a las

nuestras.

Este modelo presentará un escenario que permitirá controlar la mayoría de

estas variables, usando un espacio físico a escala real en donde se darán

condiciones de carga hasta un máximo de 8 toneladas con velocidades entre

los 5 a los 60 km/h en las repeticiones que sean necesarias para lograr

igualar el nivel del tránsito promedio con ejes equivalentes a 8.2 toneladas

del diseño específico que haya sido medido en el tramo en estudio, hasta un

máximo de 1’000.000 de repeticiones por semana; entorno ambiental de la

ciudad de Bogotá, incluyendo la posibilidad en el futuro cercano de reducir

temperatura con la instalación de motores de cuarto frío y aumento de

temperatura con lámparas ultravioleta y así obtener un rango de temperatura

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entre 8°C a 35°C en la mezcla asfáltica; materiales de construcción de

pavimentos fáciles de instalar usando fuentes de agregados locales y

mezclas o granulometrías típicas de materiales granulares y concretos

asfálticos en la aplicación de la contratación vial de Bogotá o de la nación;

control del nivel freático desde la condición seca hasta la saturada;

instrumentación que permita conocer los esfuerzos y deformaciones

verticales y tangenciales respectivos sobre las fronteras de las diferentes

capas de diseño en la estructura del pavimento; y finalmente, la

implementación de materiales de subrasante tomados in situ para

reinstalarlos en el modelo, en condiciones de remoldeo o sensitividad lo más

bajo posibles, de tal forma que se permita analizar las variables de soporte y

deformabilidad con aproximación a la realidad del diseño racional en el

modelo empleando los parámetros índice de los depósitos de materiales

naturales del área de análisis.

Entonces, el presente informe busca responder la búsqueda de medios para

la modelación y evaluación de estructuras de pavimentos a escala tal que se

puedan observar los fenómenos del comportamiento de forma que sean

óptimas las soluciones que se entreguen a la inversión pública o privada.

Consecuentemente, el trabajo de investigación responde a las inquietudes

planteadas inicialmente, a saber:

a. ¿Cuáles son los parámetros indispensables a tener en cuenta en el

diseño de una pista de prueba a escala real para modelar estructuras de

pavimento dentro de un laboratorio bajo condiciones controladas y en

condiciones de pruebas en tiempo real y acelerado?

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b. ¿Cuáles son las variables relevantes que permiten la construcción de

una pista lineal de prueba de pavimentos para la evaluación eficiente de la

operatividad de su estructura de pavimento?

c. ¿Cuál es el proceso adecuado para la construcción de la pista de

prueba?, cuáles son sus cantidades de obra y cuáles son los precios que

esta construcción conlleva?

d. ¿Cuáles son las condiciones mínimas necesarias para la

implementación de montajes que permitan la prueba o evaluación de la

estructura de un pavimento dentro de una pista de laboratorio en condiciones

controladas?

e. ¿Cuáles son las formas de interpretación de los datos obtenidos

mediante instrumentación específica como sistema de medición de datos en

una estructura de pavimento dentro de una pista de prueba?

3. ALCANCE

Para la creación de soluciones en ingeniería existen muchos métodos de

análisis que permiten establecer si los diseños específicos son realmente

eficientes, económicos y seguros, inicialmente están los métodos

matemáticos o físicos con los cuales se puede predimensionar y

posteriormente analizar si un modelo empírico se ajusta o no al evento en

cuestión. En otra fase podemos constituir modelos a escala de laboratorio

con los cuales podemos establecer si el régimen teórico establecido es útil,

pero seguramente a tal escala serán un poco imprecisos los resultados o

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peor aún las mediciones, las cuales generalmente no involucran parámetros

de entorno y se concluye por la necesidad de un modelo a escala piloto en el

cual pueden intervenir mayor número de variables, pero nunca con fidelidad

al fenómeno existente; es en este momento cuando se requieren

observaciones en situaciones similares en el mundo físico real y

posiblemente permitan simular este comportamiento con un modelo numérico

que represente el comportamiento observado y prediga los resultados

esperados, sin embargo, no existe mejor modelo como aquel que prueba los

fenómenos y establece los comportamientos del diseño en forma directa, con

un entorno completo en sus variables, con los materiales y solicitaciones a

escala real tal como existirán en el sitio de construcción del proyecto en

análisis.

El DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PISTA DE PRUEBA DE

PAVIMENTOS pretende generar un espacio dentro de las instalaciones del

CIMOC en el nuevo edificio Mario Laserna del Departamento de Ingeniería

Civil y Ambiental de la Universidad de Los Andes, en el cual se pueda

manufacturar estructuras de pavimento diseñadas bajo condiciones

deseadas, controladas y en especial a escala 1:1 respecto del proyecto real

que se instauraría en cualquier sitio de la ciudad o del país, en el cual se

modelan o simulan en tiempo, por lo general acelerado, las variables

existentes que generarán un desempeño para analizar la estructura del

pavimento bajo las condiciones de entorno específicas.

El presente trabajo de investigación desea establecer la forma de simulación

en condiciones controladas en un espacio de laboratorio de todas o gran

parte de las variables que inciden en el comportamiento de una estructura de

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pavimento, como lo son por ejemplo el tren de cargas del sistema vehicular,

el número de vehículos que transitan, la velocidad a la cual lo hacen, manejo

de humedades, nivel freático y succión en subrasantes, módulos de

elasticidad de materiales naturales, granulares, estabilizados y concretos

asfálticos e hidráulicos, parámetros de fatiga y ahuellamiento,

envejecimiento, esfuerzos, desplazamientos y deformaciones, etc.. De esta

manera se podrá establecer de forma específica los tipos y formas de

degradación de los pavimentos y al final se lograrán procesos de diseño o

construcción más eficientes, seguros y económicos.

Si bien la Universidad de los Andes ya contaba con una pista de prueba de

pavimentos, el presente diseño aspira a generar una nueva pista lineal que

reduzca los tiempos de evaluación y los costos de construcción del carrusel

de prueba en razón a que la longitud efectiva es de 4 a 5 veces menor que

en la pista circular. Sin embargo, la información obtenida en la geometría

circular a lo largo de estos últimos cinco años será valiosa para la generación

de comparación de parámetros que permitirán crear nuevas variables o

condiciones de entorno como el clima, el nivel freático y/o el drenaje, lo cual

será posible gracias a la obtención de un set de sensores especializados y

modernos que se utilizarían en las dos huellas de la pista de prueba.

4. JUSTIFICACIÓN

Para nadie es desconocido que la infraestructura vial de nuestro país es

deficiente, existen muchos caminos por pavimentar para permitir la salida de

productos agrícolas, redes existentes con carencia de características

geométricas y estructurales eficientes, sistemas en muy mal estado de

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servicio al usuario, y, en ocasiones por causas desconocidas, estructuras

recientes que inexplicablemente no presentan ni una quinta parte de tiempo

de servicio a aquel para la cual fue diseñada; si bien este proyecto no desea

entregar facilidades para que esta red comience a crecer de forma radical, si

pretende dar una herramienta que permitirá a los diseños realizados dentro

de la red vial nacional ser mucho más eficientes, de tal forma que se eviten

gastos de reconstrucción significativos o simplemente se reduzcan los costos

de operatividad por la optimización de materiales o para la creación de

nuevos métodos, técnicas de construcción o materiales innovadores en el

soporte de cargas vehiculares.

Actualmente Colombia cuenta con una red vial cercana a las siguientes

cifras:

TOTAL RED NACIONAL

RED PAVIMENTADA RED EN AFIRMADO RED TOTAL

Estado B R M B R M P A Total

Longitud (km) 7,737.47 2,456.50 1,324.46 2,002.52 1,572.02 1,016.79 11,518.44 4,397.49 15,915.93

Porcentaje 67.17% 21.33% 11.50% 45.54% 35.75% 23.12% 72.37% 27.63% 100%

Tabla I. 1 Red Vial Nacional. Fuente INV 2005.1

Colombia adelanta un plan de inversiones ambicioso que inició desde el año

2005 denominado plan vías para la paz y plan 2500, que buscan modernizar

la red vial y proveer más y mejores rutas comerciales; por otra parte, a nivel

distrital no es difícil entender que dentro de la modernización del sistema de

1 Instituto Nacional de Vías. 2005. Página web: www.invias.gov.co

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transporte urbano, Transmilenio es un proyecto que conlleva de forma directa

e indirecta, la construcción de una red vial bastante compleja y por sobre

todo con tránsito que apenas estamos entendiendo, por ejemplo en cuanto al

tipo de buses utilizados, la forma cómo distribuyen sus cargas, a las

presiones que transmiten, la demanda diaria, y no en menor importancia los

diferentes tipos de rodaduras y estructuras del pavimentos por la cual se

desplazan estos buses, etc.. Por lo tanto, es tema de alta urgencia generar

una infraestructura eficiente que permita el rápido y continuo desarrollo de un

país.

Como la deficiencia es evidente, y de cara a las solicitudes que

continuamente las instituciones de control vial como el INVIAS a nivel

Nacional, el IDU a nivel Distrital en Bogotá, municipios y otras entidades, los

profesionales de la ingeniería deben contar con recursos que les permita

asegurar que las inversiones de la nación cubrirán las expectativas de

desarrollos requeridas.

Existen varias razones teóricas o prácticas que permitieron responder las

inquietudes planteadas, y que finalmente cubren con creces la inversión en

este proyecto:

4.1. Tener una herramienta que permita comparar los procesos de diseño

y construcción de estructuras de sostén del tránsito comercial y

automotor particular.

4.2. A través de la realización del proyecto se convocó a diferentes

profesionales y entidades competentes, hacia una ingeniería

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eficiente e integral, basada en la optimización de procesos

tecnológicos requeridos.

4.3. Una pista de prueba de pavimentos bajo un ambiente controlado

permite variar las condiciones ambientales, del subsuelo, de los

materiales, de los procesos constructivos, de las solicitaciones, etc.,

permitiendo extender los criterios de análisis y por ende proyectar

con mayor amplitud las expectativas de diseño de una estructura de

pavimentos.

4.4. Con los resultados que se obtengan a partir del uso de esta pista

lineal de prueba de pavimentos se podrá generar una base de datos

que motive a la evaluación de los inventarios de la red vial existente

y su comportamiento actual y futuro.

4.5. Con los resultados de la instrumentación de estas pistas de prueba se

permite abrir una ventana a la evaluación de pavimentos y a la

potencial forma de auscultación y análisis en campo y en el

escritorio.

4.6. Permitir el acceso a este tipo de formas de evaluación, facilita a los

productores y a los generadores de tecnología, buscar nuevas

fronteras en la implementación de materiales y equipos.

En síntesis, este proyecto de investigación aporta al fundamento de la

ingeniería de pavimentos una herramienta para abrir fronteras hacia

estructuras de carreteras realmente eficientes, duraderas, económicas,

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estables, modernas, cómodas, versátiles y por sobre todo seguras, con una

cobertura casi total en lo que se refiere a variables de análisis para cada

diseño particular, en razón a que aún no existen métodos de análisis que

cubran simultáneamente todas ellas, reduciendo los sobrecostos para

contratistas o entidades estatales, debido a que sus estudios no cuentan con

presupuestos capaces de cubrir modelaciones de este tipo para cada

proyecto y dándoles la oportunidad de programar pruebas más económicas

en este tipo de laboratorio de modelos para pavimentos.

5. ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO

Este documento presenta el análisis y los resultados de la propuesta de

diseño y construcción de una pista de pruebas de pavimentos, mediante la

creación de cinco (5) capítulos informativos, en los cuales el lector podrá

ordenadamente conocer en un primer capítulo todo lo referente a los

objetivos, descripciones y justificaciones del proyecto; en un segundo

capítulo todo aquello que históricamente permitió tener una premisa o punto

de partida de diseño, es decir, la experiencia mundial sobre el tema; en un

tercer capítulo todo lo pertinente al diseño de la estructura física y de

operatividad de la pista; posteriormente, en el cuarto capítulo se esboza todo

lo concerniente al proceso y desarrollo de la construcción; para finalmente,

entregar una serie de indicaciones, parámetros de operatividad y

conclusiones.

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CAPITULO II. - NOCIONES GENERALES

1. ESTADO DEL ARTE

Existen en el mundo algunas pistas que permiten analizar estructuras bajo

condiciones ambientales similares a las que presenta el entorno donde se

construirá la carretera definitiva, condiciones del subsuelo modeladas y

simuladas, condiciones geométricas iguales y procesos constructivos

idénticos con los materiales que se utilizarán para su desarrollo, existen

cortas y largas, circulares y lineales de geometría variable con diferentes

criterios económicos y tipos diferentes de equipos para medición, como por

ejemplo: manipular el envejecimiento por climas cálidos y fríos, nivel freático,

succión, presión de poros, entre otras.

La universidad de los Andes contaba con una pista de prueba circular

ubicada anteriormente en el CIMOC en puente Aranda en la Ciudad de

Bogotá2, es objetivo de este trabajo lograr el diseño y la construcción de una

pista de prueba lineal dentro de un tanque volumétrico bajo condiciones

controladas y medibles, para modelar diferentes variables de los materiales

de construcción, el suelo de subrasante, las condiciones climáticas, los

procesos constructivos o la influencia de las variables de cada uno de ellos,

comparar resultados entre tramos y entre tipos de pistas, etc.

Para ello se ha tomado la experiencia internacional para aplicar la fase

2 PÉREZ Romero, Sergio Alejandro. Tesis MIC. Bogotá Uniandes 2000

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constructiva a la nueva pista del CIMOC y planear las pruebas aceleradas de

pavimentos en el laboratorio de modelos3, entre ellas:

PAIS SITIO NOMBRE

U.S.A.

KANSAS

Purdue - INDIANA Malean – VIRGINIA

Port Allen – LOUSIANA Monticello – MINNESOTA

Lancaster – OHIO

Laboratorio de Pruebas de Infraestructura Civil Universidad de Kansas

Laboratorio Universidad de Purdue Centro de Prueba de la Administración Federal Centro de Prueba de la Administración Federal Centro de Prueba de la Administración Federal Centro de Prueba de la Administración Federal

SUIZA Lausanne

Zurich

Laboraoire de Voies de Circulation LAVOC Département de Génie Civil DGC

Ecole Polytechnique Federale Federal Institute of Technology ETH

ALEMANIA Bergisch Gladbach Dresden

Federal Higway Research Institute BAST Technishe Universitdt Dresden

DINAMARCA Lyngby Technical University DenmarK Danish Road Institute

ESPAÑA Madrid Centro de Estudios y Experimentación Obras Públicas CEDEX

FRANCIA Nantes Laboratorie Central des Points et Chaussées

FINLANDIA Oulu Helsinki

University of Oulu Technical Research Centre of Finland VTT

HOLANDA Delft

Delft University of Technology DUT Road and Hydraulic Engineering (Div. M. Transp.)

Public Works and Water Management DWW RUMANIA Iasi Technical University Gh. Asachi SUECIA Linköping Swedish Road and Transport Research Institute VTI

ESLOVAQUIA Bratislava Vuis-Cestey Ltd. Research Institute

REINO UNIDO Crowthorne Nottingham

TRL University of Nottingham

Tabla II. 1 Relación de Laboratorios Internacionales donde se realizan pruebas aceleradas en pavimentos 4 5.

3 ACCELERATED TESTING FOR STUDYING PAVEMENT DESIGN AND PERFORMANCE, Reporte FHWA-KS-99-2. Melhem, H. May/1999, y FHW-KS-03-6 Nov/2003. Kansas State University.

4 NATIONAL COOPERATIVE HIGWAY RESEARCH PROGRAM, Reporte 512. Washington

D.C.2003.

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El proyecto TREE (EQUIPO DE INVESTIGACIÓN DE TRANSPORTE EN

EUROPA) reporta datos de los últimos trabajos realizados por las entidades

en Europa anteriormente mencionadas, de las cuales, desde el punto de

vista de construcción y análisis de variables de diseño, tenemos4:

1.1. EL CENTRO DE INVESTIGACIÓN DE CAMINOS BELGA

El BRRC busca estudiar la efectividad de las capas entre la estructura del

pavimento reforzadas con, geotextiles, mayas, acero de refuerzo, etc., con lo

cual se mejora la mezcla asfáltica en la prevención de agrietamiento

reflexivo. Para estas pruebas también se ha diseñado y construido una pista

de pruebas, la cual permite observar la amplitud de aplicaciones del proyecto

en beneficio de la investigación. Una comparación de los resultados con un

sistema de la referencia hace posible evaluar el efecto entre la interfaz (pista)

y el objeto de análisis. En el proceso se utilizan varios equipos de medición,

complementarios, los cuales serán requeridos por futuras investigaciones

aplicadas a la pista de la Universidad de los Andes, entre ellos:

o DSR (Reómetro Dinámico de Corte) para la determinación del módulo

dinámico de corte de cemento asfáltico o materiales bituminosos para un

rango alto de temperaturas y frecuencias,

5 COST 347. Improvements in Pavement Research withAccelerated Load testing. European

Cooperationin the field of Science and Technical Research. Junio 2002.

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o BBR (Reómetro Para Flexión en Vigas) para el estudio de las

propiedades de relajación a bajas temperaturas en las carpetas asfálticas,

o ZSV (Cera Viscosidad de Corte) para el estudio de la resistencia a la

deformación permanente de una carpeta asfáltica a temperaturas altas,

o DTT (Prueba de Tensión Directa) para el estudio de propiedades

mecánicas a bajas temperaturas,

o RTFOT (Prueba en Horno Rotatorio de Película Delgada) para simular el

envejecimiento del cemento asfáltico durante su proceso de producción,

o RCAT (Prueba de Envejecimiento de Cilindro Rodante) simula el

envejecimiento en campo a largo plazo de mezclas asfálticas.

1.2. BAST - INSTITUTO FEDERAL DE INVESTIGACIONES DE

CARRETERAS DE ALEMANIA

Figura II. 1 Construcción Tanque para Pista de Pruebas BAST

En el BASt la sección de la prueba está un tanque de concreto con

dimensiones de: longitud 38,0 m, ancho 7,50 m, y profundidad 3,00 m. La

sección de prueba puede ser dividida en partes diferentes, cada una con

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sistemas de construcción o materiales disitintos. Según ellos, desde un punto

de vista comparativo, el número óptimo de partes es ocho, derivados del

tamaño del área de carga y la anchura del eje del camión de 3,75 m.

Figura II. 2 Estructura Inicial del Pavimento Pista BAST

Presentan simulación de las condiciones climáticas. Para simular radiación

solar se usa luces infrarrojas y para simular lluvia se utiliza un sistema de

tuberías con agua a temperatura y volumen graduable para reducir la de la

carpeta asfáltica en la sección de la prueba, llegando a producir de

enfriamiento entre 0 °C y -22.5°C.

El nivel de agua freática puede regularse por medio del suministro de agua y

medios del desagüe.

La sección de la prueba se carga por el actuador puntual con 145 impulsos

eléctrico por minuto con 57 kN generando 6 millones de repeticiones de

carga con una proporción de aceleración de 20 años en 30 días.

0.0 m 0.16 m 0.41 m 1.66 m 2.00 m 3.00 m

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Para el presente proyecto, el tanque de BASt y el de la universidad de

Kansas, son los sistemas que más aportan ideas para el proceso de diseño

de la pista de prueba de la Universidad de los Andes, en lo que tiene que ver

con la infraestructura de operación, como el drenaje, la climatización, etc.

1.3. CEDEX

Figura II. 3 Panorámica Pista CEDEX

En el Centro de estudios y experimentación de Obras públicas en Madrid

España, analizan qué pasa en la huella con pruebas supervisadas

aceleradas en las secciones de pavimento a cielo abierto y a escala real.

Este equipo consiste en dos tramos rectos de 75 m unidos por dos curvas

redondas con un radio de 25 m. La huella comprende 6 secciones de prueba,

25 m cada una. Las simulaciones de tráfico se llevan a cabo por dos

vehículos guiados por una viga de concreto a una velocidad de 60 km/h,

cuyas características corresponden a la de un camión con la máxima carga

permitida. La pista permite un máximo de 2x106 repeticiones de carga por

año, y usualmente unas 1x105 cargas por mes.

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Figura II. 4 Sección Transversal de la Pista CEDEX

La estructura inicialmente colocada se diseñó con una capa asfáltica de

espesor y características variables por sección, dos capas de base y

subbase granular entre 25 y 50 cm, una única capa de material natural de

subrasante conformada por arcillas con espesor de 110 cm y finalmente un

sistema de drenaje granular.

1.4. LINTRACK – CENTRO DE FACILIDADES PARA PRUEBA DE

PAVIMENTOS DE HOLANDA - INSTITUTO DE INGENIERÍA

HIDRÁULICO

LINTRACK es una pista de prueba de pavimentos acelerado que simula el

tráfico de vehículos pesados. Este Laboratorio de Investigación de Caminos

y del Ferrocarril (RRRL) es manejado por la Universidad Tecnológica de Delft

(DUT) y el Instituto de Ingeniería de Caminos e Hidráulica (DWW) en

conjunto con el Ministerio Holandés de Transporte, Trabajos Públicos y

Dirección de Agua.

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Figura II. 5 Compactación de Capa Granular en LINTRACK

Figura II. 6 Instalación de la Carpeta Asfáltica en LINTRACK

LINTRACK está permanentemente al aire libre para cada prueba, tiene una

longitud disponible para ensayos de aproximadamente 55 metros, de los

cuales 10 metros se encuentran instrumentados. Presenta un carro en acero

y llanta dual con recorrido de 20 m a lo largo de una viga con movimiento

bidireccional. La carga en la rueda es ajustable entre 15 a 100 kN. La

velocidad máxima es 20 km/h, con la cual puede lograrse aproximadamente

1000 repeticiones de carga por hora. El equipo puede trabajar sobre huellas

diferentes a la principal, puede simular condiciones de sol o lluvia, y puede

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calentar la rodadura con radiación infrarroja para aumentar la temperatura

hasta máximo 35ºC.

1.5. EL LABORATOIRE DES VOIES DE LA CIRCULACIÓN (LAVOC-EPFL)

Este laboratorio consiste en un sistema que puede modificar su carro a rueda

simple o dual y reproduce las cargas dinámicas inducidas por el tráfico

pesado con muy buena precisión.

Figura II. 7 Vista del Carro de Carga en LAVOC

Esta montado en una viga guía recta, el movimiento del eje no es

homogéneo, sino alternante de forma sinusoidal para darle dinamismo a la

simulación del tránsito. El tanque o piscina dentro del cual se coloca la

estructura de pavimento para ser probado cuanta con las siguientes

herramientas:

o Manejo de nivel freático,

o Control de temperatura dentro del rango -10°C y +45°C,

o Control de las condiciones ambientales.

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o El pavimento para tráfico pesado genera huellas con los siguientes

rasgos principales:

repeticiones hasta 2000 por hora,

carga máxima de 130 kN,

velocidad máxima de 2,7 m/s,

longitud de análisis efectivo de 4 m,

velocidad constante en el tramo efectivo de 2 m/s,

movimiento transversal hasta 40 centímetros.

Figura II. 8 Perfil General de la pista en LAVOC

1.6. INSTITUTO NACIONAL SUECO DE INVESTIGACIÓN DE

TRANSPORTE Y CARRETERAS (ETH)

El simulador de carreteras Sueco es una máquina que tiene seis (6) ruedas

que se desplazan sobre una huella circular para cualquier tipo de rodadura.

El diámetro de la calzada es de 5.25 m, la longitud es de 16.5 m y el ancho

máximo de huella es 0.85 m. Las ruedas pueden encajarse a varias

distancias radiales del centro de la máquina y el eje de la máquina puede

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moverse despacio o velozmente por medio de un dispositivo excéntrico.

Permite movimiento lateral para evaluar comportamiento de neumáticos en

etapas de frenado, derrape y desplazamiento en curvas con o sin peralte. La

velocidad durante el movimiento es de aproximadamente 50 km/h. Tiene un

sistema de simulación climática, usando circulación de aire dentro del

laboratorio logrando temperaturas desde +10°C. La energía de trabajo del

motor de impulso puede ser diesel o eléctrica.

1.7. EL INSTITUTO FEDERAL SUIZO DE TECNOLOGÍA

El sistema de prueba de carreteras Rundlauf en Suiza presenta las

siguientes especificaciones:

o Tanque de concreto de sección circular, con diámetro de 32 m,

o Control del nivel freático,

Figura II. 9 Panorámica General de la Pista ETHZ

o Sistema de carga de tres brazos, cada uno con opción de ejes simples

duales, tándem o tridem,

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o La carga ajustable de 50 kN, 80 kN ó 160 kN),

o La velocidad variable o constante hasta 80 km/h,

o La desplazamiento transversal ajustable hasta un ancho máximo de

1.35 m,

o Repeticiones entre 100 000 y 150 000 por mes.

1.8. LA UNIVERSIDAD TÉCNICA "GH. ASACHI" RUMANIA

La pista circular en concreto reforzado tiene un diámetro de 15 metros,

calzada de 3 metros de ancho y estructura de 2 metros de profundidad. Los

pavimentos se construyen dentro del tanque sobre una capa de suelo natural

de 1.2 metros de espesor, más una capa filtrante de 0.2 m al fondo del pozo,

que contiene un sistema de desagüe por donde el agua suministra o drena

agua según se requiera simulando así el nivel freático.

Figura II. 10 Vista General de la Pista LIRA

La máquina de tercera generación, inicialmente construida en 1997, consiste

en una viga de acero de 15 metros de longitud, cada extremo se apoya en un

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sistema de ruedas duales equipado con llantas de camión estándar. El motor,

de pivote central, proporciona la rotación con energía eléctrica, permitiendo

una velocidad máxima de 20 km/h, limitada por razones de seguridad.

El periodo de carga es de aproximadamente 4.25 segundos, el brazo tiene

un peso de 115 kN, para que cada rueda dual transmita una carga

concentrada de 57.5 kN para el vehículo de diseño según normas Rumanas.

El Laboratorio es fijo, al igual que en el presente proyecto, tiene control de

condiciones de temperatura sobre la superficie de rodadura entre +16°C

(invierno) hasta +35°C (verano), las primeras se logran con un dispositivo de

aire acondicionado para refrescar el laboratorio (-15°-20°C) y bajo

congelación con una planta con aire frío (esta modalidad se proporciona en

1/4 de la longitud total de la huella).

1.9. LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DE DINAMARCA

El sistema de prueba dinamarqués presenta un ancho de 2.5 metros (8.2

pies) y una longitud de 27 metros (89 pies), los 9 metros centrales (30 pies)

corresponde a la sección de la prueba efectiva, qué es una zona con una

estructura de pavimento hasta 2 metros (6.6 pies) de profundidad. Presenta

además una cámara cerrada para control del clima, con dimensiones de 4 m

(13 pies) ancho y 3.8 m (12.5 pies) de alto.

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Figura II. 11 Detalle del carro de carga en RTM

El control climático se logra calentando y refrescando los equipos dentro de

la cámara con temperaturas desde -10° C (14 F) a + 40° C (104 F), gracias a

circulación de aire a la temperatura deseada. El nivel de agua freática se

controla automáticamente y puede ser modificado a voluntad. La carga del

carro es hidráulicamente aplicada por una sola rueda o por un sistema dual

hasta máximo 65 kN (14.6 kips) y una velocidad máxima de

aproximadamente 25 km/h (16 mph), se pueden aplicar 10000 repeticiones

de carga durante un día (24 horas), esto corresponde aproximadamente a

4000 pasadas de un camión estándar de 80 kN por eje. La rueda puede

cambiarse automáticamente de posición durante la prueba para analizar

condiciones de distribución de carga.

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1.10. TECHNISCHE UNIVERSITDT DRESDE

Las pruebas de este laboratorio permiten medir deformaciones horizontales

en las carpetas del pavimento dentro de una caja de concreto reforzado, con

aplicación de cargas horizontales o verticales, las cargas son inducidas por

un sistema hidráulico puntual que permite frecuencias hasta 10 hz., el

sistema está normalizado a una carga admisible Alemana de 57,5 kN por

rueda, la carga horizontal máxima es de 34.5 kN simulando fuerzas de

frenado, aceleración o derrape bajo un coeficiente de fricción µ=0.60 entre el

caucho y el hormigón. La carga dinámica es sinusoidal en magnitud con una

frecuencia de aproximadamente 5 Hz.

Figura II. 12 Detalle del pequeño Tanque en Dresden

Las dimensiones del tanque son de 1,00 m de altura, ancho de 2.50 m y 5.00

metros de longitud construida con marcos de perfil en acero.

Las capas están constituidas por agregados aplanados bajo norma Alemana

(RStO 86/89) con un espesor de 49 cm, seguida de 20 centímetros de arena

gruesa compactada en capas sucesivas; las capas de pavimento se colocan

manualmente con espesor de 5 mm adicionales al diámetro promedio de la

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grava. En algunos casos se usa piedra tallada o cortada para generar capas

controladas. Las cargas se aplican con plato de acero de 300 mm de

diámetro, bajo la cual se coloca una lámina de caucho para transferir las

fuerzas horizontales en el pavimento por la fricción.

Las deformaciones son medidas con LVDTs (transductores de resistencia

variable lineal). Las deformaciones verticales son medidas con tres

transductores de desplazamiento.

Adicionalmente un sistema ”photogrammetric” con intervalos de tiempo

preestablecidos de antemano toma imágenes fotográficas de una sección de

2.00 m x 2.00 m en la superficie del pavimento. La cámara digital está fija

sobre el tanque de prueba en un marco independiente, las fotografías son

analizadas mediante un software especial y busca comparar la posición de

referencia de los materiales respecto de su colocación inicial. Los ciclos de

carga pueden llegar a ser de hasta 1x106 repeticiones.

1.11. EL LABORATORIO DE INVESTIGACIÓN DE TRANSPORTE

Figura II. 13 Pista de Pruebas TRL

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La pista de Prueba de Pavimentos del TRL en el Reino Unido es un

laboratorio bajo techo, dentro del cual se pueden construir pistas de 10

metros de largo por 25 metros de ancho y 3 de profundidad en un tanque de

concreto reforzado, los tramos de análisis se pueden dividir en secciones de

2.4 metros de longitud, de tal forma que se tienen nueve (9) diferentes

secciones a lo ancho del tanque. El carro de carga aplica entre 2.3 a 10

toneladas (± 2%) con velocidades entre 1 a 20 kph usando ruedas duales o

sencillas, delgadas o anchas. Estas cargas pueden aplicarse en una o dos

direcciones y la carga puede orientarse lateral o longitudinalmente con

incrementos programados a 450 mm de inclinación o totalmente verticales.

El sistema controla temperatura con calentadores infrarrojos y tuberías de

aire frío, además se controlan tensiones y deformaciones a través de una red

instrumentada.

1.12. INSTITUTO DE CONSTRUCTION Y MANTENIMIENTO DE CAMINOS -

TU WIEN

El laboratorio del “Instituto de Construcción y Mantenimiento de Caminos” se

concentra en el comportamiento de pavimentos a base de rodaduras

asfálticas con carpetas de prueba que se modelan previamente de forma

numérica, incluyendo condiciones climáticas y cargas mecánicas

controladas.

El equipo dispone de:

o triaxial dinámico,

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o uniaxial dinámico para fatiga y tensiones de prueba,

o control de temperatura,

o construcción con compactador de rodillo mecanizado.

Por otro lado, se cuenta con tecnología SHRP que prueba materiales con

(DSR, BBR, RV, RTFOT, PAV), etc., y además se compara con resultados

de pruebas Marshall.

Adicionalmente cuenta con una máquina nueva triaxial celular para analizar

diferentes tipos de asfaltos con probetas de dimensiones de 100 mm de

diámetro y altura de 200 mm; se desarrolló e instaló al laboratorio contigua a

el instituto de investigación “Christian-Doppler” para la optimización del

desempeño de pavimentos flexibles”. Sobre el concreto asfáltico se monta

una célula del triaxial especial que se sitúa dentro de una cámara climatizada

y prueba varios tipos de cargas axiales y presiones de confinamiento, este

triaxial servo hidráulico incluye dos reguladores independientes de tensión, la

primera para la carga axial dinámica y la segunda para presión radial

dinámica. Estos dos circuitos hidráulicos pueden operarse de forma

independiente y pueden crear los estados de tensión siguientes:

Cargas axiales dinámicas en combinación con:

o Presión de confinamiento estática,

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o Presión de confinamiento oscilante con desfase controlado

independiente,

La estructuración de la máquina:

o Cargas axiales dinámicas de -50 kN (a compresión) hasta +50 kN (en

tensión),

o Presión estática de confinamiento (con fase ajustable a las cargas

axiales),

o Carga axial y frecuencias de presión de confinamiento entre 0 a 10 Hz

(con una amplitud de +/-0,5 mm),

o Clima de cámara controlado a temperaturas entre -10 °C a +65 °C,

o Además es posible investigar el cambio volumétrico en el centro de la

capa asfáltica durante cada ciclo de carga debido al uso de un testigo

especial denominada “Célula Volumétrica” (sólo para estados de

presión de confinamiento estática).

Para control de errores se usa materiales diferentes, con varias pruebas bajo

control electromecánico en un marco de carga con un solo tornillo de carga

para adquisición de datos por computadora y sistema de mando con cámara

de clima controlado, 4 LVDTs (transductores lineales y diferenciales

variables). La cámara climática permite controlar temperaturas con exactitud

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desde ±0,5°C, y si los LVDTs se disponen por fuera de la cámara de clima la

exactitud puede llegar a ser de 0.20 °C.

En 2004 se adquirió un nuevo software de comprobación para los

procedimientos de prueba denominado "UTM5P" de ELE Internacional.

1.13. LA UNIVERSIDAD DE OULU

Esta pista de prueba de pavimento tiene tres componentes principales:

o Mecanismo hidráulico de carro de carga, incluso para inclinar la rueda,

o Sistema de instrumentación por computadora que controla los datos

de ensayo,

o Memoria de sistema y análisis estadístico automático,

o Caja de prueba en que la estructura del pavimento va a ser probada

con las siguientes características:

Figura II. 14 Vista General de la pista Oulu

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1200x900x600 mm (largo, ancho, alto) permitiendo una

estructura con espesor máximo de 600 mm,

La caja de prueba es movible,

Potenciómetros que miden desviaciones verticales,

Celdas de presión,

Sensores láser para medir el perfil de la superficie,

Sensores de temperatura,

Sensor para localizar la posición de la rueda,

Potenciómetros a medir las deformaciones elásticas y

permanentes,

La carga entre 7 a 25 kN,

La llanta es de superficie lisa con presión ajustable. Por

ejemplo: una carga de rueda de 10 kN con la llanta a presión de

600 kPa causa una tensión en la superficie de 700 kPa

aproximadamente,

La velocidad de la rueda en la zona de prueba es 1.4 m/sec

(aproximadamente 5 km/h),

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El equipo es unidireccional o bidireccional,

Temperatura controlable entre +5 °C y +60 °C.

1.14. LABORATORIO DE PRUEBAS ACELERADAS UNIVERSIDAD DE

KANSAS

Figura II. 15 Detalle del carro de carga en Kansas

El laboratorio tiene 537 m² de espacio disponible, de los cuales 418 m² son

para pruebas de carga y el área instrumentada está en un tanque con 93 m².

Este presenta dos zonas de prueba, la primera con un carril de 9.8 m de

largo 6.1 metro de ancho y 1.8 metros de profundidad y un segundo carril

más pequeño de 3.7 m de longitud, 6.1 metros de ancho e igual profundidad.

El equipo consiste de dos vigas que permiten el rodamiento de un sistema de

dos ejes tipo tándem con un desplazamiento total de 12.8 metros, el motor

aporta 20 HP con 300 ciclos por hora o 600 pasadas si se cuentan las dos

direcciones, con una velocidad media de 5.6 km/h, el cual se usa

principalmente para vías con pavimento flexible.

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También cuenta con un pulsador fijo, que transmite cargas con mayor

velocidad y por ende un mayor número de aplicaciones de carga para

pavimentos rígidos, con aproximadamente 9000 repeticiones por hora.

Cuenta con un sistema de control de temperatura que varía entre -23°C

hasta +66°C. Para este control se cuenta con una tubería galvanizada

embebida en el material con aproximadamente 20.3 cm de separación entre

tubos a través del cual circula agua a diferentes temperaturas.

Adicionalmente cuanta con luces infrarrojas y monitoreo electrónico a lo

ancho de los 6.1 m de calzada, el cual logra aumento de temperaturas hasta

un máximo de 121°C.

Tiene un sistema de control de humedad con tres colectores de agua

dispuestos horizontalmente en tubería de 4”, el cual sirve para administrar o

drenar el fluido. La estructura puede construirse a lo largo de 1.9 metros en

donde los 20 cm más profundos se usan para colocar instrumentación y

sistemas de simulación. Las cargas aplicadas pueden llegar a los 151 kN,

incluyendo fuerzas laterales apara análisis del comportamiento de llantas y

cargas excéntricas.

1.15. UNIVERSIDA DDE NOTTINGHAM U-NOTT-PTF

Figura II. 16 Vista y diseño de la Viga y Carro de Carga en Nottingham Reino Unido

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Es una pista por secciones de 4.8x2.4 metros de perfil y 7.3 de longitud útil

en el centro de tres luces, con carga máxima de 15 kN, velocidad de 16 km/h,

generada por un tren de 500 mm de diámetro y una conformación de viga y

carro de carga muy similar a lo que se ha deseado para la pista de pruebas

del CIMOC.

2. APLICACIONES DE UNA PISTA DE PUEBA DE PAVIMENTOS

El fin último de un carrusel o pista de pruebas aceleradas para pavimentos es

poder observar y medir los fenómenos producidos al transmitir esfuerzos que

generan deterioro al presentarse repeticiones sucesivas de deformaciones

provocadas por las excitaciones externas, lo cual conlleva a un estado de

fatiga de los materiales de conformación y su inevitable reducción de la

calidad de servicio.

De allí que las posibilidades de empleo para una pista de pruebas son

innumerables, entre las que no se pueden dejar de lado:

Evaluación de las estructuras de pavimento mediante el análisis

de las variables paramétricas empíricas, como son: número de

ejes equivalentes de diseño, servicialidad, capacidad de

soporte, carga equivalente y durabilidad.

Evaluación de las estructuras de pavimento mediante el análisis

de las variables paramétricas racionales, como son: número de

ejes equivalentes de diseño, servicialidad, capacidad de

soporte, carga equivalente, durabilidad, factores de corrección

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por temperatura de las capas asfálticas, por el tipo de

subrasante, deformación y esfuerzos admisibles.

Comparación de curvas de fatiga de materiales en laboratorio

para mezclas asfálticas con su curva de fatiga a escala real de

trabajo.

Comportamiento de nuevas tecnologías en adiciones a las

mezclas asfálticas para reducir fatiga, aumentar durabilidad o

reducir valores de las magnitudes límite de las variables

admisibles.

Conocer de forma directa la influencia de los espesores de

refuerzo en el comportamiento de los diseños planteados frente

a diversas cargas, repeticiones o condiciones de soporte de los

suelos naturales.

Evaluar la probabilidad de uso en alternativas de procesos

constructivos o de colocación de materiales.

Establecer la influencia de las capas ligadas y no ligadas en el

diseño de una estructura.

Establecer la eficiencia de procedimientos de mantenimiento o

reparación de pavimentos, y el comportamiento de las fronteras

entre el pavimento antiguo y el nuevo, ya sea en sectores

parcialmente reconstituidos (baches) o de capas de refuerzo.

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Analizar las condiciones de fatiga de un material a partir de las

modificaciones de sus variables externas.

Establecer la influencia de la humedad, la succión y la

saturación de las capas naturales o granulares debida a la

presencia total o parcial de nivel freático.

Comparar diferentes métodos constructivos en la colocación o

en la preparación de cada una de las capas que conforman la

estructura.

Comparar los diferentes tipos o fuentes de materiales bajo

criterios de una misma estructura de pavimentos y variables de

carga.

Comparar las diferentes formas o tecnologías de diseño de

estructuras de pavimento.

Comparar las diferentes alternativas de estructuras, como lo

son:

o Flexible: conformada básicamente por capas granulares gruesas y delgadas, capas de rodadura en concreto asfáltico mezclados en caliente o en frío.

o Rígida: constituida por delgadas capas granulares e importantes capas de concreto a base de cemento Pórtland, reforzadas o sin refuerzo.

o Articulado: constituido por capas granulares gruesas y rodaduras en adoquines de concreto hidráulico o de arcilla.

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o Capas asfálticas gruesas: conformadas únicamente por una o varias capas de concretos asfáltico mezclados en caliente, y que llegan a tener espesores similares a las demás estructuras, pero no utilizan rellenos granulares.

o Pavimentos tratados con ligante hidráulico: los cuales aportan cementantes a materiales granulares, y que proporcionan mayor rigidez.

o Pavimentos de estructuras mixtas o inversas, las cuales entre otras virtudes, aprovechan los tiempos de fatiga de las diferentes capas flexibles, rígidas y/o granulares, para alargar los tiempos de durabilidad de la estructura total.

Comparar las diferentes variables internas para cada tipo de

estructura, por ejemplo: la distancia entre juntas de

construcción, tipos de formaleta en concretos hidráulicos, tipos,

tamaños y forma de los pasadores, etc.

Implementar el uso de elementos de refuerzo sintético como

geotextiles, geomembranas, mallas o materiales variados.

Analizar la influencia del drenaje superficial o la presencia del

agua de escorrentía sobre las rodaduras.

Analizar la influencia de los cambios climáticos o de la forma

como los agentes como el sol o el viento inciden en la

durabilidad de la estructura.

Analizar la ventaja que aportan las capas drenantes en los

pavimentos, las cuales están conformadas especialmente por

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suelos granulares abiertos estabilizados mecánicamente con

cementantes o ligantes.

Analizar el uso y viabilidad de materiales reciclables.

Analizar la influencia sobre la preparación de las mezclas

respecto del tiempo, modo de transporte de los materiales al

sitio de colocación, y el tipo de planta industrial que la prepara.

Implementar nuevas tecnologías para medición del

comportamiento de materiales y estructuras de pavimento.

Analizar los diferentes fenómenos o tipos de daños

superficiales, reológicos y estructurales de los componentes de

un pavimento.

Además de apreciar las diferentes formas y tamaños de los

fenómenos de fisuración en las rodaduras de un pavimento,

establecer sus periodos, magnitudes y la velocidad de

ocurrencia.

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CAPITULO III. - DISEÑO PISTA DE PRUEBAS PARA PAVIMENTOS

Entre mayor número de variables se quieran controlar, mayor será la

complejidad e inversión de una pista de prueba de pavimentos, por ello es

necesario establecer el alcance descrito con la lista de elementos que se

deben tener en cuenta para el diseño de este proyecto, estos son:

1. EL TANQUE DE PRUEBAS

El tanque de pruebas, también llamado hoyo, piscina o pit, está instalado en

el sótano 1 del edificio Mario Laserna de la Facultad de Ingeniería y el

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental. Totalmente construido en

concreto reforzado, con paredes de gran espesor (0.45 metros en promedio)

que constituyen parte de la viga de reacción para las pruebas del laboratorio

de carga de estructuras de gran solicitación, tiene dimensiones6 en el vacío

de 10.45 metros de longitud, 3.62 metros de ancho y 3.6 metros de altura, sin

embargo la envergadura superior presenta un espacio libre de 11.28 metros

limitados por dos paredes de seguridad denominadas barreras New Jersy en

concreto reforzado, las cuales tienen una altura de 1.30 metros, un ancho de

4.52 metros y un espesor variable entre los 0.30 metros en la cresta y de

0.40 metros en la base.

6 PROYECTOS Y DISEÑOS LTDA. P&D. GARCIA Reyes Luís Enrique, PEREZ Silva Alejandro.

Localización y Desarrollo de Muros de Columnas Planta de Cimentación y Formaleta Sótano

1. Plano E-18. Julio 29 de 2005.

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Figura III. 1 Perfil General del Diseño del Tanque de Pruebas CIMOC Uniandes

Figura III. 2 Dimensiones de Diseño del Tanque de prueba CIMOC Uniandes

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Estas dimensiones permitirán al equipo de laboratorio de pavimentos

modelar simultáneamente dos estructuras y cada una de ellas tendrá dos

puntos de análisis o dos huellas de circulación diferentes para modificar

algunas de las características del modelo como número de repeticiones o la

velocidad de tránsito.

Finalmente el tanque tendrá un revestimiento para protección de humedad.

2. EL MARCO O VIGA DE CARGA.

El laboratorio completo consta de un área operativa de aproximadamente 90

m² (18mx5m), el cual está provisto de un puente grúa con un recorrido de

aproximadamente 13.8 metros y un carro de simulación soportado por un

perfil en acero de 11.3 metros.

La rasante de la estructura del pavimento se encuentra al nivel NE-5.33, es

decir 30 cm por debajo del nivel de piso del sótano 1, y que desde el fondo

del tanque deja disponibles 2.87 metros de profundidad para distribuir capas

de la estructura del pavimento. Sobre ella circulará el carro de carga en

dirección norte-sur y sur-norte, recorrido bidireccional de 10.4 metros, con un

sistema mono eje dual amortiguado vertical y horizontalmente, propulsado

por energía eléctrica.

El sistema de reacción va con una viga formada por dos rieles en pórtico

metálico con cuatro patines que pueden ser de uno o tres apoyos cada uno,

el predimensionamiento y la eficiencia en el montaje de motores de impulso,

son una gran ventaja para el aprovechamiento de espacio. Para ello se

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utilizó el marco existente en el carrusel circular, con la longitud justa, altura

de alma de 8”, ancho 1.20 aprox., y altura total de 9 ¼”.

Figura III. 3 Viga del Antiguo Carrusel de Fatiga CIMOC

Para soportar reacciones de carga vertical sin deformación importante es

necesaria la actuación y transmisión de esfuerzos desde la viga hacia los

muros de contención o reacción (muros New Jersey), ello se logra a través

de cuatro (4) columnas de 1.3 metros de altura y con sección de perfil de 4”

de ancho y 3/8” de espesor, empotradas con seis pernos expansivos

dispuestos horizontalmente cuatro de ½” y dos de 1” y dos más de forma

vertical que ancla la zapata de 20x20 cm contra el piso de la parte superior

del tanque. Además de los esfuerzos verticales deberá absorber el impacto

que genera el carro cuando cambia de dirección en los dos sentidos,

teniendo en cuenta fricción y su peso propio. La viga resultó diseñada con un

factor de seguridad de 3.0.

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3. CARRO DE CARGA

El carro de carga es un bastidor que consta de un sistema de rueda sencilla

dual bidireccional con rin 8.25x22.5-10 de pernos y llantas 12 R22.5-16 10 o

12 lonas (puede ser sellomatic por ser la más comercial), con un diámetro

total de 73 a 75 cm según presión de inflado, en promedio con presión de

inflado de 80 ±2 psi, es decir, la presión de contacto es de 5.6 kg/cm², con

una distancia entre ejes de llantas de 32.7 cm y un radio de carga cercano a

los 10.28 cm, esto como medidas estándar para diseño racional.

Se desea lograr una transmisión de cargas ajustable a voluntad desde

aproximadamente los 25 kN hasta los 65 kN, de tal forma que se puedan

simular vehículos desde 4.5 toneladas, 8.2 toneladas en el eje estándar,

hasta 13 toneladas, etc., teniendo en cuenta que este carro tiene un solo

apoyo, es decir cargará la mitad del valor del eje estudiado.

El sistema será impulsado por un motor eléctrico capaz de generar una

velocidad media controlable entre 0 km/h (vehículos estacionarios) hasta 60

km/h (velocidad normal de tránsito de diseño), ya que el material asfáltico

tiene un comportamiento viscoelástico, es decir, la deformación depende del

tiempo y en el mismo sentido el módulo de elasticidad del material depende

del número de aplicaciones o frecuencia de carga que para la velocidad

normal será de 10 Hertz, por lo tanto se requieren al menos 4285 ciclos de

carga con velocidad constante en al menos el 70% del tramo libre central del

tanque, es decir a lo largo de 7.0 metros aproximadamente. Si ello se lograra,

querría decir que se requieren 234 horas o 10 días de 24 horas para lograr

1x106 pasadas del vehículo estándar. Tal vez lo más factible y alcanzable sin

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lugar a dudas es generar una frecuencia de carga de 5 Hertz, es decir una

velocidad de 30 km/h, pero solo se sabrá cuando se equilibren los sistemas

de impulso y de amortiguamiento.

En la foto siguiente se puede observar el carro instalado en la universidad de

Purdue en Indiana (USA), que tiene un aspecto similar, pero con variables

disímiles a la que se pretende en el laboratorio de pruebas aceleradas de

pavimentos en la Universidad de Los Andes.

Figura III. 4 Troque del Carro de Pruebas Rueda Dual. Accelerated Pavement Testing Indiana Department of Transportation 2

Lograr esta velocidad es uno de los retos que ofrece el proyecto, ya que

implica que en una distancia menor de 1.5 metros se debe lograr reducir la

velocidad a cero y reacelerar el carro para el regreso, esto requiere un

sistema de desaceleración muy eficiente, el cual se pretende logar con

amortiguadores hidráulicos de impacto, como se verá más adelante, y

obviamente un pórtico metálico muy bien logrado.

El movimiento del carro se logra mediante un sistema de tiro que podrá

construirse con piñones, cadenas o en su defecto con poleas y guayas, de

los cuales posiblemente el último sea el más factible; este genera la tensión

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requerida en cualquiera de los dos sentidos para el avance de la rueda y

aplicación de la carga vertical sobre la rodadura de pavimento.

Las ruedas tendrán un sistema de suspensión o amortiguación, tal como

sucede en el vehículo estándar, lo cual garantiza no solo la reducción de

fuerzas de fricción y la durabilidad al troque de carga, sino que aplicará la

presión sobre el amortiguador neumático para generar la carga vertical de

diseño.

Figura III. 5 Transmisión de Cargas bajo una Rueda Dual Sencilla

El carro podría ir guiado por un sistema de patines sobre cada monorriel, ver

plano 1 en detalle previo de diseño; este “trole” o patín consta de tres ruedas

pequeñas, preferiblemente en caucho de alta dureza (para reducir la fricción

y el ruido), dispuesta en forma triangular con una sola de ellas por encima del

riel y dos por debajo, sin embargo, existe la posibilidad de aplicar patines

simples para reducir costos y facilitar su construcción, tal disposición no será

inestable en razón a que el monorriel está equilibrado por un pórtico o

bastidor (carro) que lleva la rueda, y obviamente porque la mayor fuerza la

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realiza en sentido vertical ascendente para obtener la reacción necesaria que

debe transmitirse a la rasante.

4. SISTEMAS DE APOYO

Principalmente se tiene la posibilidad de subdividir el área del tanque en al

menos cuatro tramos del sector útil de la pista, para modelar formas

diferentes de estructura de pavimento, obviamente para un mismo tipo de

subrasante, eso sí logrando que los anchos de franjas sean lo

suficientemente espaciosas para que el radio de carga de la llanta no

transfiera carga a la otra estructura cuando el vehículo está en el centro de la

franja, es decir si la profundidad de influencia es aproximadamente 2 veces el

diámetro de carga, el radio de la zona influenciada a tal profundidad con una

relación de transmisión de esfuerzo de 2:1 (v:h) será máximo 9 veces este

radio de carga, por lo tanto para la llanta prevista este valor es de 96.0 cm,

es decir que dividiendo los siete (7) metros centrales en 4 partes iguales,

tendremos una franja de 175 cm, lo que quiere decir que durante un trayecto

de 79 cm en cada franja, el vehículo no transmitirá esfuerzos a las

estructuras vecinas, garantizando así lecturas de variables totalmente

independientes por cada una de ellas, y de esa manera poder evaluar cuatro

alternativas distintas para un mismo caso de diseño para optimizar el

desempeño de la subrasante en el sitio de la obra prevista con un grado de

certeza mucho mayor al de la incertidumbre del cálculo sin modelación.

Dentro del tanque es posible instalar sistemas paralelos que permitirán la

evaluación de los parámetros de estudio, dentro de los cuales se tiene:

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o Un sistema de conductos bajo la rasante, que transporte agua a

temperaturas variables a voluntad, de tal forma que se simule

cambios climáticos directamente sobre los materiales.

o Un sistema de lámparas infrarrojo y/o ultravioleta, para aumentar

temperatura y/o para simular envejecimiento por radiación solar.

Estos dos más la tubería enterrada deberán permitir un rango de

temperaturas entre los 5°C y los +40°C.

o Un sistema de control de humedad relativa para mantener los rangos

entre 20% a 100%.

o Un sistema de drenaje e inyección de agua, para simular nivel

freático, drenaje, escorrentía, aumentar grado de saturación y si es

posible succión.

o Finalmente está el sistema de monta carga a través de un puente

grúa de 5 toneladas de capacidad, que facilita el movimiento de la

viga para traslado del carro o remplazo de materiales.

5. Sistema de Drenaje y Suministro

El sistema de drenaje y suministro se constituye básicamente por dos

sistemas de tuberías distintos, el primero constituirá el suministro con entrada

directa del sistema de suministro de la ciudad en un diámetro de dos

pulgadas y el segundo por un sistema de recolección y evacuación en 1” y 2”.

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Inicialmente se pretendió instalar el sistema de recolección con una

distribución en espina de pescado, pero finalmente se entregó diseño al

contratista con un sistema perpendicular de tuberías.

Los tubos de colección son en PVC de 2” perforados manualmente (más

sencillo) o con tubería comercial novaform para drenaje, revestido en

geotextil no tejido grueso para evitar taponamientos.

Figura III. 6 Axonometría del Drenaje del Tanque

Figura III. 7 Detalle en Planta del extremo de Salida Drenaje Tanque CIMOC

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DIAMETROS DEL SISTEMA DE DRENAJE

a) Número de laterales N

LateralesmmLateralesN 1406.13

8.045.10

====

La mitad por un lado y la restante por el otro.

b) Diámetro de laterales

( ) dondl *2 2/1=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

AoAsn *00015.0

Donde:

n = número de orificios por lateral

do = diámetro de cada orificio

As = Area superficial de la estructura

Ao = Area de cada orificio de drenaje

o Diámetro de orificios de drenaje ( do ). Asumido inicialmente

( ) mdo 009525.0"8/3 ==

o Area de cada orificio ( Ao )

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( )4

00254.0* 2mAo π=

20000399.0 mAo =

o Número de orificios por lateral ( n )

2

2

0000399.062.37*00015.0

mmn =

Orificiosn .142=

dondl *2 2/1=

"8/3*)142(2 2/1=dl

"6"7.6 ==dl máximo admitido

Para el diseño se considerará un diámetro de 2”

c) Diámetro de Principal ( Dp )

( ) dlNpDp *2 2/1=

Diámetro Principal 4”

PERDIDAS DE ENERGÍA EN EL SISTEMA DE DRENAJE

Laterales

ltdlc

Qlhf ***2785.0

851.1

63.2 ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

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Donde:

Ql = caudal drenado por cada lateral = 0.71 lts/seg

C = coeficiente de rugosidad P.V.C. C = 150

Lt = longitud del lateral Lt = 3.4 m

segmlaterales

segmQl /00071.0142

/0010.0 33

==

cmmxmm

segmhf 98.010805.940.3*)0508.0(*150*2785.0

/00071.0 3851.1

63.2

3

==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= −

a) Principal

cmmxmm

segmhf 7.610697.612*)0508.0(*150*2785.0

/0010.0 2851.1

63.2

3

==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= −

b) Accesorios

3 codos de 90”, B= 0.90

Válvula de compuerta B = 0.65

2

3

)0508.0(*4*/004.0

msegm

ApQpVl

π==

Vl = 1.97 m/seg

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cmmsegm

segmg

VlBhf 313077.0)/81.9(*2

)/97.1(*55.1*2 2

22

====

Perdidas totales de energía

∑ ==++= 39cmcm68.3831cmcm7.6cm98.0hf

6. ESTRUCTURA DEL PAVIMENTO

Para un estudio del IDU que adelanta la universidad, la primera estructura de

pavimento se conforma por una rodadura flexible, con dos secciones de

análisis, las cuales tendrán una capa tratada para lograr la gradación

deseada y otra estabilizada con arena, y aunque busca el mismo objetivo,

redunda en mejorar su densidad y módulo de rigidez.

6.1. La primera capa (inferior) de 30 cm de espesor se constituye de grava

de trituración con gradación homogénea de tamaño máximo de ¾”

apisonada manualmente y libre de finos.

6.2. Una segunda capa con espesor de 2.5 metros se conforma de arcilla

natural obtenida de excavación a cielo abierto en un sector definido de

la ciudad, localizado en la calle 97 con autopista Norte, en el área del

edificio Logic y tomada del estrato localizado entre el nivel -3.5 a -5.0

metros, que corresponde al sótano 2 de la estructura.

La siguiente es la caracterización de dicho material:

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Descripción: Arcilla de color gris de consistencia blanda

Clasificación: CH (USCS), A-5-7 (AASTHO)

Límite Líquido: 100% a 237%

Límite Plástico: 45% a 60%

Humedad Natural: 50% a 140%

Porcentaje más fino: 12% con diámetro de 0.005 mm

Lavado en Tamiz Nº 200: 99%

Gravedad Específica: 2.55 – 2.57

Relación de vacíos: 3.50

Coef. Compresibilidad: 1.83

Coef. Recuperación: 0.33

Esf. Último Comp.Simple: 0.25 a 0.45 kg/cm2

Cohesión No Drenada Media: 0.16 kg/cm2

Las siguientes son los resultados del ensayo de compresión axial no

confinada y de consolidación lenta con un ciclo de carga, producto de

muestras del estudio de suelos preliminar y de las muestras tomadas in situ:

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0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 100 200 300 400 500 600 700

Ed. Logic M # 1 Ed. Logic M # 2 Ed. Área-91 M # 1 Ed. Área-91 M # 2 Alfonso Uribe 3,7 m Alfonso Uribe 4,4 m

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0,1 1 10

A.Uribe 3,7m A.Uribe 4,4m D.Moreno

Figura III. 8 Pruebas de Compresión Axial No Confinada a Diferentes Muestras In situ

Figura III. 9 Pruebas de Consolidación a Diferentes Muestras In situ

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Las muestras tomadas por el ing. Alfonso Uribe en el estudio de suelos

previo al diseño del edificio Logic, tienen un resultado similar a las tomadas

durante el proyecto previo a la fase de explotación de la arcilla. Las tomadas

al Edificio Área 91 son ligeramente disímiles, variables y más compresibles.

Es importante aclarar que esta capa debe encapsularse en un geotextil no

tejido con el fin de evitar efectos de borde, dada la baja fricción entre la

geomembrana y la arcilla. En general todas las capas presentan esta

envoltura para proteger la geomembrana y evitar efectos de frontera.

6.3. La capa de granulares o tercera en colocación, se instala con dos

materiales diferentes en comportamiento mecánico dividiendo el tanque

en dos mitades al norte y sur, en las cuales la base granular triturada

tiene origen en la Cantera de Vista Hermosa ubicada en el sector de

Mondoñedo vía La Mesa y Base granular seleccionada de la cantera

Panamá ubicada en el Municipio de Soacha al sur de Bogotá.

Figura III. 10 Localización de canteras para adquisición de materia prima.

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Las gradaciones ideales se plantearon de acuerdo a la selección de

materiales realizada por el Ing. Octavio Coronado, Ph.D., en su tesis titulada

“Etude du comportement mécanique de matériaux granulaires compactés

non saturés sous chargements cycliques”, en donde se caracteriza a los

materiales de Vista Hermosa con índices de plasticidad de 9%, desgaste en

la máquina de los Ángeles del 20% y la distribución granulométrica que se

observa en la figura 11, de igual forma, allí se caracteriza a los materiales de

Soacha con un índice de plasticidad de 16%, un desgaste del 56% y la

gradación que se puede observar en la siguiente ilustración.

Figura III. 11 Distribuciones granulométricas Deseables para la materia Prima a

colocar como Base granular en la pista de Pruebas del CIMOC7

7 CORONADO G., Octavio. Etude du comportement mécanique de matériaux granulaires

compactés non saturés sous chargements cycliques. Capítulo II. 2006, UniAndes Bogotá.

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Cabe anotar, que las gradaciones planteadas presentaron tratamiento,

mediante eliminación de sobretamaños y estabilización con arena del Guamo

(Tolima), lo cual se ejecuta en la medida de las proporciones necesarias para

ajustar las siguientes gradaciones obtenidas.

Figura III. 12 Gradación Obtenidas de Muestras de la Cantera Vista Hermosa en

Mondoñedo

En esta cantera se lograron tres tipos de gradaciones diferentes, todas

originadas en areniscas de grano fino meteorizadas de rocas poco

cementadas, gravas limosas de color habano algo arcillosas en gradaciones

comerciales B200, B400 y B600. Este material solo requiere eliminación de

sobretamaños y ajuste a gradación comercial Bg-Br2 del IDU.

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Figura III. 13 Gradación Obtenidas de Muestras de la Cantera Panamá en Soacha

En la cantera Panamá de Soacha el material es producto de selección con

origen en porcelanitas meteorizadas de rocas poco cementadas, gravas limo

arcillosas de color habano claro en gradaciones comerciales B400 y B600.

Este material claramente requiere eliminación de sobretamaños y

estabilización con arena del Guamo.

Estas capas se disponen por capas con espesor entre 15 y 20 cm,

dependiendo del equipo compactador del que disponga el contratista. Se

revisarán densidades durante su instalación, no aceptando valores relativos

menores al 97% del Próctor modificado.

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6.4. La última capa o capa de rodadura, con siete (7) centímetros de

espesor compactado mínimo al 99% de la densidad patrón, se conforma

de mezcla densa en caliente con gradación MDC-2, distribuida y

colocada por Patria S.A., que debe presentar las características

enunciadas en el artículo 450 de la norma de construcción del instituto

Nacional de Vías, resumida así:

o Gradación MDC-2, emplea tamaños que permite instalar capas

de más de 5 cm y menos de 12 cm. Su tamaño máximo y

máximo nominal es de 19 mm, con un contenido de intermedios

entre 20% a 30% y finos en no más de un 8%. Curva

granulométrica uniforme para garantizar su adecuado y

homogéneo comportamiento.

o Estabilidad Marshall mínima de 750 kg

o Flujo de la mezcla entre 3 a 5 milímetros.

o Porcentaje de asfalto, en relación al peso seco de los agregados

no menor al 4% y no mayor al 5.5%

o Vacíos con aire entre 4% y 7%

o Vacíos en el agregado mineral mínimo de 14%

o Instalación a una temperatura entre los 100ºC y los 120ºC, o

ajustada según la viscosidad del asfalto de preparación.

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7. INSTRUMENTACIÓN

En lo que se refiere a instrumentación, existe gran variedad y cantidad de

elementos que arrojarán datos o facilitarán comportamiento o utilidades de

aplicación del trabajo. Lo que quiere decir que básicamente hay tres tipos de

instrumentación: los sensores que miden las variables externas como la

humedad, la temperatura, los tensiómetros, psicrómetros y sondas TDR; los

sensores que miden las fuerzas externas como la carga vertical, la velocidad,

la presión de contacto, el choque de frenado o absorción de impacto, y,

finalmente los que permiten medir la variabilidad de los parámetros de los

materiales y el suelo de subrasante, como deformímetros eléctricos, los

sensores de deformación dinámica, esfuerzo vertical, etc.

Algunas variables podrían ser verificadas en superficie mediante métodos

simples. La periodicidad sería a ritmo semilogarítmico según la frecuencia de

cargas. Los datos podrán ser tomados y almacenados por una unidad de

adquisición de datos de 8 canales de 100 Hz.

Dentro de los instrumentos de medición de comportamiento de materiales

tenemos entre los más importantes:

Sensores de Desplazamiento: son equipos que determinan deflexiones y

las puede convertir en desplazamiento, como por ejemplo el LVDT con

referencias fijas y variables, tienen una longitud cercana a 3.5 metros y están

anclados.

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(a) (b) Figura III. 14 (a) LVDT. Medición de Desplazamiento. (b) Capturador de Desplazamiento

Para instalar estos sensores (MDD Beer medidores de deflexión dinámica),

se incluyen de manera previa a la colocación de los materiales cuatro (4)

tubos en PVC tipo Agua Lluvia, de 3.5 metros de longitud y 4” de diámetro,

incluye tapón, equidistantes entre sí, apoyados sobre bases metálicas de

30x30 cm y 1 cm de espesor, acoplados y pernados para garantizar su

posición.

Sensores de Desplazamiento: son dispositivos delgados (strain gauge)

soldados a platinas de aluminio que forman una H, provistos de protección

contra impacto mecánico y cambios de temperatura, permiten medir la

deformación horizontal en la frontera de las capas de materiales asfálticos

permitiendo calibrar modelos y cálculos de computador.

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Figura III. 15 Medidor de Tensión Horizontal

Este sensor mide el desplazamiento horizontal en respuesta a una aplicación

de carga fundamentado en la medida de la tensión de conductores delgados,

tienen una precisión hasta de 10-3 mm/m. Su construcción incluye dos barras

de aluminio separadas por un conductor fino revestido con plástico o resina,

el cual es calibrado en función de la resistividad eléctrica presente durante su

cambio longitudinal.

Medida de Esfuerzos en los materiales No Ligados: son celdas de alta

rigidez (baja flexibilidad), la relación radio/espesor es muy baja y tienen una

cavidad interna provista de un líquido que asegura su rigidez y suprime el

ruido generado por la vibración de altas frecuencias.

Figura III. 16 Medidores de Esfuerzo Vertical (Celdas de Carga)

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Sensores de medida de la Humedad en materiales No Ligados: es

importante medir humedad para determinar la rigidez de materiales no

tratados y para analizar la migración de agua bajo las capas del pavimento y

la influencia de las condiciones climáticas en su comportamiento. Las sondas

de reflectometría TDR miden la constante dieléctrica del suelo mediante una

correlación apropiada.

Figura III. 17 Sensores de humedad

Medida de la Succión de Materiales No Ligados: La succión o presión de

poros negativa es directamente proporcional a la humedad del suelo, y

permite establecer su rigidez. Existen los psicrómetros y los

equitensiómetros, son en cerámica, traen calibrado la porosidad y calculan el

calor de condensación o evaporación en un par termoeléctrico.

Figura III. 18 Medidor de Succión

8. INSTRUMENTACIÓN EXTERNA

Existen muchos otros equipos que se usarán para toma de datos de apoyo,

algunos de ellos usados normalmente en los estudios actuales de

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auscultación de vías como la viga Benkelman, regla para perfiles

transversales y longitudinales, microscopios de grietas y densidad de fisuras,

etc.

(a) (b)

Figura III. 19 (a) Viga Benkelman (b) Medición de Ahuellamiento

La rehabilitación de pavimentos es un conjunto de acciones de conservación

que aplicadas en un periodo específico mantienen un nivel de servicio

adecuado, y así como en la consultoría de vías, para la pista también

existirán dos aspectos de evaluación: uno funcional y otro estructural, y en

general ello clasifica las carreteras de la siguiente forma:

• VIAS DESTRUIDAS: presentan daños serios, requieren continua

reparación pero con ello no logran su estabilización superficial. La

solución solo es la reconstrucción parcial o completa con un costo

superior al 50% del valor de la vía completamente nueva.

• VIAS CON PUNTO CRITICO: presentan daños serios, que requieren

refuerzo superficial urgente o a corto plazo con el objeto que se

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prolongue algunos años adicionales su vida útil. Sus costos oscilan

entre el 5-20% del valor de la vía completamente nueva.

• VIAS CON DESGASTE ACELERADO: presentan mantenimiento

insuficiente, o daños frecuentes producto de su deficiencia

constructiva o técnica inicial. Implican mantenimientos con periodos

mucho más corto de los previstos. Su aspecto general es bueno y solo

especialistas detectan profundamente sus daños.

• VIAS ASEGURADAS: sin daños o daños tenues, incluidas en el

programa de evaluación permanente y con un proyecto de

conservación adecuado ya que cuentan con un financiamiento y

administración adecuados. La cantidad de vías en este grupo es muy

pequeña.

Esta clasificación se logra mediante una evaluación técnica de los

pavimentos, y en resumen se pueden configurar como:

• EVALUACION FUNCIONAL: esta caracterización se hace respecto de

la calidad y nivel de seguridad que ofrece el pavimento, y más

específicamente la capa de rodadura, esta involucra procesos de

observación y medición in situ, como:

Inspección Visual:

Fallas por insuficiencia estructural (mala calidad o espesores),

Fallas por defectos constructivos (errores en procesos),

Fallas por fatiga (repetición de cargas admisible excedidas),

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Rugosidad,

Ahuellamiento,

Deterioro superficial,

Deslizamiento.

(a) (b)

Figura III. 20 Daños Superficiales (a) Piel de Cocodrilo (b) Fisuras

• GRUPOS DE DETERIORO: esta caracterización se hace respecto de

las consecuencias visuales acumuladas que obstruyen el buen

servicio a los usuarios, como:

Desintegración de los materiales en la capa de rodadura

Agrietamientos de la capa de rodadura

Deformaciones superficiales localizadas

Deformaciones de la capa de rodadura en las huellas

(ahuellamiento)

Pulimento de la textura superficial

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Daños asociados a la fatiga de las capas asfálticas

Fisuras transversales en la huella

Fisuras longitudinales en las huellas

Piel de Cocodrilo

Bloques

Ojo de Pescado

Daños asociados a la deformación del perfil por deformaciones plásticas acumuladas

Asentamientos Transversales

Asentamientos longitudinales

Hundimientos

DAÑOS ESTRUCTURALES

Daños asociados a la inestabilidad de la banca

Fisuras en media luna

Media luna

Fisuras longitudinales

Fisuras transversales

Daños asociados a deficiencias en el diseño o fabricación de la capa asfáltica

Exudación

Fisura Parabólica

Desplazamiento de Borde

Surcos

Pérdida de ligante

Pérdida de agregado

Descascaramiento

Ojo de pescado

Fisura de junta

DAÑOS

SUPERFICIALES

Daños asociados a la calidad de los materiales y su afinidad

Pérdida de agregado

Pérdida de ligante

Descascaramiento

Ojo de pescado

Pulimento

Cabeza dura

Tabla III.1 Tipos Generales de Daños Superficiales

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9. EQUIPOS MECÁNICOS DE APOYO

De otro lado se requieren herramientas y equipos de apoyo para el

funcionamiento de la pista pero no constituyen sistemas de medición de

datos, como por ejemplo:

AMORTIGUADORES

(a) (b)

Figura III. 21 (a) Absolvedor de Impacto de Resorte (b) Absolvedor de Impacto Neumático

Cuyo objeto es reducir abruptamente la velocidad horizontal del vehículo

permitiendo la reacción sobre los muros New Jersey, o, controlar las

ondulaciones verticales del bastidor a manera de suspensión. Para los dos

casos estas son las memorias de cálculo de eficiencia:

a) Amortiguadores de Resorte

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LONGITUD DEL RECORRIDO [m]: 10,0TEMPERATURA DE TRABAJO [°C] : 20°CNUMERO DE CICLOS POR HORA: 1000VELOCIDAD MEDIA LINEAL [km/h]: 10,0VELOCIDAD MEDIA LINEAL [m/s]: 2,77

N° de amortiguadores Fuerza Choque Max Fuerza PropulsoraPOTENCIA DEL MOTOR [Kw] MASA SISTEMA [kg] NECESARIOS TIPO CARRERA CARGA G E.max /Ciclo E.max /H máxima máxima

40 200 4 Non. 165 <6 <33% >98% <26% 0,0%40 250 4 Non. 165 <6 <33% >98% <26% 0,0%40 300 4 Non. 165 <6 <33% >98% <26% 0,0%40 200 4 Non. 165 <6 <33% >98% <26% 0,0%60 250 6 Non. 165 <15 <32% >95% <25% 0,0%60 300 6 Non. 165 <15 <32% >95% <25% 0,0%60 200 6 Non. 165 <15 <32% >95% <25% 0,0%60 250 6 Non. 165 <15 <32% >95% <25% 0,0%80 300 8 Non. 165 <17 <30% >85% <24% 0,0%

OEM 3MX5

NUMERO DE CICLOS POR HORA: 2000VELOCIDAD MEDIA LINEAL [km/h]: 20,0VELOCIDAD MEDIA LINEAL [m/s]: 5,55

N° de amortiguadores Fuerza Choque Max Fuerza PropulsoraPOTENCIA DEL MOTOR [Kw] MASA SISTEMA [kg] NECESARIOS TIPOCARRERA CARGA GE.max /Ciclo E.max /H máxima máxima

40 200 6 Non. 165 13,14 15,2% 91,2% 11,8% 0,0%40 250 7 Non. 165 12,49 16,0% 96,3% 12,4% 0,0%40 300 9 Non. 165 12,17 14,8% 89,0% 11,5% 0,0%40 200 10 Non. 165 11,98 15,4% 92,7% 12,0% 0,0%60 250 7 Non. 165 13,94 16,5% 99,1% 12,8% 0,0%60 300 9 Non. 165 12,96 15,1% 90,9% 11,8% 0,0%60 200 10 Non. 165 12,47 15,7% 94,2% 12,2% 0,0%60 250 11 Non. 165 12,18 16,1% 97,0% 12,5% 0,0%80 300 9 Non. 165 14,92 15,6% 93,5% 12,1% 0,0%

OEM 3MX6,5

NUMERO DE CICLOS POR HORA: 3000VELOCIDAD MEDIA LINEAL [km/h]: 30,0VELOCIDAD MEDIA LINEAL [m/s]: 8,33

N° de amortiguadores Fuerza Choque Max Fuerza PropulsoraPOTENCIA DEL MOTOR [Kw] MASA SISTEMA [kg] NECESARIOS TIPOCARRERA CARGA GE.max /Ciclo E.max /H máxima máxima

40 200 Non. 165 0,0%40 250 10 Non. 165 0,0%40 300 Non. 165 0,0%40 200 Non. 165 0,0%60 250 Non. 165 0,0%60 300 Non. 165 0,0%60 200 Non. 165 0,0%60 250 Non. 165 0,0%80 300 Non. 165 0,0%

OEM 3MX6,5

(a)

(b)

(c)

Tabla III.2 Hoja de Cálculo para Número de Amortiguadores Requeridos para: (a) 1000 ciclos por hora y resortes OEM3Mx5,5 (b) 2000 ciclos por hora y resortes

OEM3Mx6,5 (c) 3000 ciclos por hora y resortes OEM3Mx6,5

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Este cálculo se realiza en el software libre Enisize III versión 4.0, del

fabricante ENIDINE, anexo a los catálogos de producto, bajo la información

básica de temperatura ambiente (20ªC), peso del carro entre 200 a 400 kg,

distancia de recorrido (10 metros), número de ciclos y velocidad variables.

Figura III. 22 Interface del Software de Cálculo para Amortiguadores de Resorte

Los resortes seleccionados tienen referencia en la longitud de

desplazamiento entre 16 y 17 cm, y máxima capacidad de carga (12000 N),

así como su geometría propia, disponibles así8:

8 Enidine IMC Company – Shock Absorbers and Rate Control Product Cataloge. 2003.

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Figura III. 23 Tipos de Amortiguadores de Resorte para Trabajo Pesado

b) Amortiguadores Neumáticos

De igual forma, para los amortiguadores de aire a presión se obtiene la

siguiente hoja de cálculo, la cual muestra una menor cantidad necesaria de

amortiguadores, lo cual induce a pensar una mejor eficiencia:

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Max Pressure 33 psiVolume ac. 350 dm3Mass Kg 500 KgInit Speed 5 m/s # air springs 2

X Wheel Total Height (cm) Air Spring diameter (cm)Vol air spring (lit) Pressure air spring (psi) F air spring (N) Acceleration (m/s2)time (s) Speed (m/s)

0 0 5 5

10 10 15 15 20 20 39,37 18,20 33,00 17985,89 71,94 0,57839 0,0864469925 25 37,71 21,65 32,42 16234,13 64,94 0,02709 1,8456369

27,18 27,18 36,98 23,02 32,20 15470,36 61,88 0,00906 2,4062635430 30 36,04 24,69 31,93 14694,01 58,78 0,00951 2,9652355935 35 34,38 27,35 31,51 13317,49 53,27 0,01356 3,6875335140 40 32,72 29,63 31,16 11208,25 44,83 0,01185 4,2188722545 45 31,05 31,55 30,87 9099,01 36,40 0,01084 4,6133377850 50 29,39 33,13 30,63 6989,78 27,96 0,01021 4,8987099

52,07 52,07 28,702 33,69 30,55 6116,55 24,47 0,00414 5

2 Air springs YI-3B14-411

Tabla III.3 Hoja de Cálculo para Capacidad de Amortiguadores Neumáticos

El sistema de frenado por choque sobre el muro de rebote mediante los dos

sistemas planteados: impacto de tipo pesado hidráulico de rango industrial

(sección de émbolo ancho, resorte, cargado con nitrógeno) y de sistema

neumático de trabajo pesado (sin émbolo, ancho y cargado con aire), las

dimensiones y capacidad o modelo se escogerá apropiadamente para la

fuerza de impacto calculada entre 1.40 MN·m hasta 5.58 MN·m si se logra

trabajo a 60 KPH. Al parecer el que está cargado con aire presenta una

mejor eficiencia debido a que su recuperación es más rápida de tal forma que

se encuentra listo para el siguiente impacto a los 0.8 segundos. Pero con

estos parámetros y según las curvas del fabricante denominado Enidine Inc.,

los parámetros de frecuencia y velocidad son muy altos para velocidades por

encima de 6 m/s. y el orden de fuerzas de choque admisibles están entre 175

kN y 600 kN.

Sin embargo, estos últimos, para el caso de control de carga vertical de

empuje del carro, requiere un sistema de control de presión para la aplicación

constante de la carga de diseño.

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Figura III. 24 Regulador de Presión

Otros Equipos

Figura III. 25 Válvulas Solenoides, para el control de velocidad horizontal del carro de carga.

Figura III. 26 Control de Velocidad para seleccionar y regular la velocidad del carro de carga y mantener las condiciones de ensayo homogéneas durante todos los ciclos de repetición

Figura III. 27 Sistema de adquisición de Datos y Central de Captura de Datos, con los cuales se logra obtener y transferir la información que se mide en la pista a un software de control e interface de observación de resultados.

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CAPITULO IV. - CONSTRUCCIÓN DE LA PISTA DE PRUEBAS

El proyecto inicia con la contratación de PAI S.A., como firma administradora

de la obra del Edifico Mario Laserna como la Nueva Facultad de Ingeniería

de la Universidad de los Andes, a su vez esta firma subcontrata con personal

especializado en cada una de las áreas e instalaciones del proyecto global,

para el caso concreto de la pista de pruebas de pavimentos, al cual se le

denominó durante la obra “Tanque de Tierras”, se emplearon los servicios de

la firma PAEZ & CASAS ASOCIADOS Ltda.

1. EL TANQUE DE TIERRAS

El tanque para pruebas aceleradas de pavimentos, se localiza en el

laboratorio de modelos a nivel de sótano 1 del edificio Mario Laserna de la

Facultad de Ingeniería en la Carrera 1 Nº 18A-10 de la Ciudad de Bogotá

Colombia.

El área total del laboratorio de modelos es de 15x4.5 dentro del cual aparece

la estructura del tanque, de forma rectangular en planta, cuadrado en sección

y completamente construido en concreto reforzado, tiene 11 metros de

longitud, con ancho y profundidad de 3.60 metros, sus muros tienen espesor

de 50 cm y la placa de fondo 1.0 metros, sobresalen en los extremos norte y

sur sobre la superficie del tanque, dos muros denominados New Jersey con

1.30 metros de altura y 40 cm de espesor, cuyo objetivo es propiciar la

reacción al carro de carga.

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Figura IV. 1 Vista superior del Tanque de Pruebas – Ed. Mario Laserna Uniandes.

Estas fotografías tomadas el 26 de marzo de 2006, daban testimonio de la

realidad del laboratorio de modelos y propiciaban el inicio del proyecto de

grado que se entrega en este informe.

Figura IV. 2 Vista Estructural del Tanque

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Este tanque hace parte de la placa de fundación del edificio Mario Laserna y

constituye a su vez el sistema de reacción para los laboratorios de modelos

físicos de la facultad de Ingeniería.

Figura IV. 3 Vista Interior del Tanque

Las dimensiones anotadas fueron verificadas para poder predecir los

volúmenes de material requeridos durante la fase de llenado e instalación de

la ductería de suministro y drenaje.

El primer procedimiento realizado sobre el tanque fue la limpieza de la

superficie a la vista y el sellado de los orificios de los tortones, fonclas o

espadas con la que se erigió la estructura. Estos fueron rellenados con pasta

de cemento y epóxico impermeable.

De igual forma se instalaron unos pases hidráulicos en PVC, en el muro

norte, para dar paso a dos puntos de doble uso en 2” y tres de 1” para uso

exclusivo de drenaje, estos también fueron sellados con epóxico.

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(a) Sellado de Orificios (b) Pases de Drenaje en 1” (c) Pases Suministro en 2”

Figura IV. 4 Adecuación Inicial del tanque

Si bien los concretos no se veían porosos aún con tratamiento de

impermeabilización, existen puntos o juntas de elementos que pueden

presentar flujo de agua a sitios que requieren estar libres de humedad, por

ello, el paso siguiente fue la instalación de un revestimiento interno,

conformado por una geomembrana termo formada en resina de polietileno de

alta densidad marca PAVCO y con referencia 40 mil, resistente a ataque

químico y agresión ambiental con coeficiente de permeabilidad del orden de

1x10-12 cm/s.

(a) Geomembrana PAVCO 40 mil (b) Montaje de Geomembrana

Figura IV. 5 Adecuación Inicial del tanque

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PROPIEDADES Geomembrana 40 mil UnidadResistencia en Fluencia 16,0 kN/mResistencia en Rotura 28,0 kN/mElongación en fluencia 13,0 %Elongación Een Rotura 700,0 %Resistencia al Rasgado 135,0 kNResistencia al Punzonamiento 357,0 kNEspesor Nominal 1,00 mmEspesor Individual 0,90 mmDensidad 0,94 g/cm3Contenido Negro de humo 2,0 - 3,0 %Color Estándar NEGROTipo de plímero HDPE

MEC

AN

ICA

SFI

SIC

AS

(a) Armado (b) Termoformado (c) Prueba de Sellado

Figura IV. 6 Procedimiento de Instalación de la geomembrana

Figura IV. 7 Propiedades de la Geomembrana PAVCO9

La intención de instalar geomembrana 40 mil es proporcionar la mayor

protección posible con los recursos comerciales existentes, la geomembrana

60 mil no está disponible en el mercado nacional.

9 AMANCO, PAVCO Geomembrana Lisa de Alta Densidad, Septiembre de 2004.

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2. INSTALACIONES HIDRAULICAS

Las instalaciones hidráulicas del tanque se dividen en dos fases:

2.1. Sistema de Suministro

Consiste en la red de entrada de agua que recorre el cielo falso del sótano 2

desde la caja principal de registro y control del edificio a través de una

tubería en cobre de 2” pulgadas de diámetro, doblada y soldada a los

accesorios en acero (acoples, registros, válvulas, etc.).

(a) Registros (b) Soldadura (c) Ductos de Drenaje (d) Ductos de Entrada

Figura IV. 8 Ductería para el Suministro de Agua

Esta red registra en los manómetros, bajo uso normal, una presión entre 60 y

80 psi, lo cual puede generar en área, el posible levantamiento del grupo de

capas de la estructura de pavimento, lo cual mitigará mediante el uso de dos

columnas o chimeneas de alivio, las cuales pueden ser utilizadas como

piezómetros de control de aguas freáticas y un tanque de alivio en acrílico de

50 x 30 x 50 cm con marco metálico de refuerzo, a modo de cisterna de

control de nivel de presión y control de caudal, unido a la tubería rígida con

ductos flexibles para permitir su movimiento vertical a lo largo de un riel

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mecánico para la selección del nivel freático. Este sistema aún no ha sido

posible instalar debido a la existencia comercial de un elevador adecuado.

Figura IV. 9 Tanque cisterna para control de flujo del Nivel Freático

2.2. Sistema de Colección

Consiste en la red enterrada en tubería de PVC, una parte ciega y otra

perforada, embebida en una capa de grava de gradación abierta, producto de

trituración y con tamaño nominal de ¾”, el cual se presentó en un 75% con

tamaños de ½” y algunos sobretamaños en 1”, los mayores tamaños (menos

del 2%) fue eliminado.

(a) Vertido (b) Instalación (c) Caracterización

Figura IV. 10 Capa Filtrante del Sistema de Drenaje

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La red de 2” dividida en una principal longitudinal de 10.25 metros de largo, y

otra transversal que se desprende en uniones “T” a manera de filtro con

perforaciones cada 5 cm en ¼” y longitud de 2.90 metros con tapón terminal

embebida en un geotextil de protección contra conmatación.

Figura IV. 11 Construcción de los Tramos Filtrantes del Sistema de Drenaje

Figura IV. 12 Tendido de la Tubería de Colección y Suministro Interno

Toda la tubería fue limpiada y soldada con aditivos adecuados,

posteriormente envuelta en doble capa con el geotextil y cocida con doble

hilo uno en alambre dulce o acero negro de amarre estructural en puntos

específicos cada 50 centímetros y otra costura continua en hilo de nylon.

Finalmente la capa filtrante se envolvió por completo en geotextil NT4000, en

parte con el objeto de proteger la geomembrana del efecto punzonamiento

sobre la grava.

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(a) Ubicación de bajantes para LVDT (b) Zapata de Anclaje para Bajantes

Figura IV. 13 Instalación de Ductos para los Sensores de Desplazamiento

Por encima de esta capa se instalaron cuatro (4) zapatas de soporte para

tubería (tipo agua lluvia) que contendrá los sistemas de medida LVDT para

deformación, estas zapatas se armaron con láminas de 10 mm de grosor

soldada a un anillo con diámetro externo de 4” para adosar la tubería y

posteriormente pernarla y fijarla.

3. CAPA DE SUBRASANTE

La capa de subrasante o relleno natural se efectuó con arcilla remoldeada

obtenida de la excavación de los sótanos del edificio LOGIC ubicado en la

Calle 97 con Autopista Norte, en general esta etapa se subdivide en tres

grandes procesos: la extracción, el transporte y la instalación. Sin embargo

esta fase concibió la mayor parte del tiempo de ejecución del proyecto.

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3.1. La Extracción

A partir del estudio de suelos efectuado por el Ing. Alfonso Uribe se observo

en el perfil estratigráfico promedio, que el material útil para este proyecto era

una arcilla CH de color gris de baja consistencia y alta relación de vacíos.

Durante esta etapa fue necesario coordinar las dos obras, la primera la del

edificio Logic que sirve de fuente de material con la excavación del sótano

con el objeto de establecer el momento preciso de aparición del material útil,

pero ello solo fue posible después de la construcción del sistema de pilotaje y

contrafuertes de la estructura de fundación, ello acumuló un tiempo de

ejecución de aproximadamente cinco meses.

Figura IV. 14 Sitio y Proceso de Excavación de la Fuente Natural en Arcilla10

10 PROKSOL-Project Knowledge Solutions, Edificio Logic Calle 97 Autopista Norte, Bogotá Col.

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Claramente el material sufre una pronunciada alteración durante este

proceso, al punto de generar una sensitividad entre 1.5 a 2.8, medida con

respecto a la misma humedad entre ensayos de compresión axial no

confinada inalterado sobre la remoldeada, es decir, en promedio la

resistencia al corte tiendió a bajar a la mitad.

(a) Aspecto de la Arcilla In Situ (b) Aspecto de la Arcilla remoldeada

Figura IV. 15 Diferencia de aspecto físico de la arcilla entre el estado inalterado y el remoldeado

3.2. Transporte y Depósito

Durante esta etapa se presentaron inconvenientes de continuidad operativa

debido a que las franjas de tiempo para movilidad de volquetas en las calles

de Bogotá (10:00 am a 5:00 pm), adicionalmente se redujo el espacio para

almacenaje de la arcilla y la distancia de este al tanque para verterla, por

momentos se requirió emplear equipos de acarreo de corta distancia

(minicargador bobcat) para la disposición de los materiales entre el stock y el

tanque. Otro factor que requirió atención fue el intemperismo o exposición a

el sol y la lluvia sobre los materiales, lo cual no hubiese sido grave, siempre y

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cuando los procedimientos internos del administrador de obra para la

movilidad de los equipos no hubiese sido restrictiva, en tal sentido, fue

necesario la constante irrigación con agua potable y cobertura impermeable

para reducir la pérdida de agua por evapotranspiración.

Figura IV. 16 Fases del Procedimiento de Transporte de la Materia Prima Arcilla

3.3. Instalación

El procedimiento de colocación tuvo que pasar por varios ensayos de error

para encontrar la mejor manera de generar consolidación acelerada en la

arcilla sin que generara obstrucciones como el hundimiento del equipo de

compactación y su consecuente deterioro, finalmente el mejor procedimiento

consistió en emplear capas de máximo 40 cm de espesor cubriéndolas

temporalmente con mantos de geotextil grueso y generando el impacto de

amasado del equipo sobre este; por obvias razones, esto produjo un

rendimiento muy bajo en el desarrollo del ítem de compactación.

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En razón a que no fue posible disponer de un equipo amasador pata de

cabra, debido a la profundidad y tamaño del tanque y acceso al laboratorio,

se empleó un equipo de amasado por impacto comúnmente llamado saltarín.

Figura IV. 17 Procedimiento de Extendido y Equipo de Amasado

Siempre se buscó que la energía de compactación en laboratorio generará la

misma densidad lograda en el procedimiento de compactación de obra, con

el objeto de entregar un grado de sensitividad fiable para análisis.

El muestreo programado inicialmente no fue de alta densidad, en razón a que

se deseaba caracterizar la arcilla mecánicamente en su estado final de

consolidación mediante la realización de apiques posteriores a la instalación

de todas las capas del pavimento.

Figura IV. 18 Toma de muestras Inalteradas en Shelby y CBR

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Finalmente esta capa permanece envuelta en geotextil no tejido 4000 para

evitar la contaminación de los granulares, sin embargo, deja la inquietud de

ser una idea buena, en el sentido de tomas futuras para análisis mecánico.

4. CAPAS GRANULARES

Con el objeto de cumplir las especificaciones del estudio para el IDU, la

instalación de las capas granulares se realizó con división del área de trabajo

en dos secciones, del lado norte se colocó base granular producto de

trituración proveniente de la Cantera Vista Hermosa, grava areno limosa con

tamaños eliminados mayores a 1”, y, del lado sur una base granular

seleccionada obtenida en de la Cantera Panamá localizada en la parte alta

del Municipio de Soacha al sur de Bogotá.

Figura IV. 19 Toma de Muestras en la Cantera Vista Hermosa Sector Mondoñedo Vía

La Mesa Cundinamarca al occidente de Bogotá Colombia.

Figura IV. 20 Toma de Muestras en la Cantera Panamá Municipio de Soacha

Cundinamarca al sur de Bogotá Colombia.

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Previamente se visitaron las canteras para obtener muestras de diferentes

granulometrías comerciales, se obtuvieron muestras de material B200, B400

y B600 de las dos canteras, sin embargo el B200 de la cantera Panamá se

descartó por contaminación. Estas se caracterizaron y posteriormente se

analizaron para seleccionar la Bg-Br2 norma IDU de la Cantera Vista

Hermosa y B400 de la Cantera Panamá, requiriéndose eliminación de

sobretamaños y mezcla con arena del guamo en proporción 1:3 para el

material de Soacha de acuerdo a las granulometrías teóricas planteadas por

el Ing. Octavio Coronado.7

Figura IV. 21 Suministro, Extendida y Compactación de Bases Granulares

(a) Instalación de la Última Capa (Lado Sur) (b) Soacha (al Sur) Vista Hermosa al Norte

Figura IV. 22 Diferenciación de los dos Sectores ya Terminados

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En estas capas también se llevó control de densidades mediante patrón con

Próctor Modificado y tomas de densidad in situ con valores aceptables no

menores a 98%. Estos registros quedaron archivados en el laboratorio de

suelos del CIMOC.

Figura IV. 23 Control de Calidad a la Compactación de las Capas Granulares

5. CARRO DE CARGA

El carro se puede desplazar con velocidades entre 5 y 60 km/h, lo cual

permite tener cerca de 1’000.000 de repeticiones de carga por semana, ello

es, cinco veces más a lo que aportaba el carrusel circular desmantelado del

CIMOC.

Figura IV. 24 Preparación para el Montaje de la Viga de soporte del Carro de Carga

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El bastidor del carro de carga tiene una longitud de 1.40 metros, un ancho de

0.95 metros y un brazo de carga de 0.70 metros. Recorre su trayectoria útil

de 10.45 metros gracias a una viga empotrada sobre los muros de reacción.

Figura IV. 25 Empotramiento de las Columnas de Soporte y Acople de la Viga

Figura IV. 26 Vista Inferior, Superior y Longitudinal de la Viga

El sistema de rodamiento es externo a las aletas de la viga y con un medio

de rebote dado por dos pares de amortiguadores neumáticos instalados

sobre el eje de impulso aportado por un motor de 40 HP, el cual mediante un

conjunto de poleas genera tensión sobre una guaya de acero que realiza el

tiro y le da la velocidad necesaria al carro para su movilidad en una de las

dos direcciones.

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(a) Polea de Reacción en la Viga (b) Polea de Movilidad en el Carro (c) Polea de Tiro en el Motor

Figura IV. 27 Sistema de Movilidad del Carro de Carga

La suspensión neumática vertical aplica una presión de hasta 150 psi, es

decir, 4000 kg de fuerza, y como el brazo tiene una relación de momento 1:2

(0.7/1.40), se logra aplicar sobre el bastidor hasta 8 toneladas, en un sistema

dual de llantas de eje simple, lo que significa, por ejemplo, que para modelar

el vehículo de diseño de eje simple y sistema dual de ruedas de 8.2

toneladas según reglamento del Ministerio de Transporte se requiere tan solo

aplicar 76.87 psi de presión sobre la suspensión neumática. Sin embargo

para ello es importante que las ruedas estén en contacto con la rodadura, y

para lograrlo, el bastidor debe estar empotrado a una altura entre 1.20 y 1.50

metros entre la viga superior del carro hasta la superficie del piso.

Figura IV. 28 Sistema de Ruedas de Transferencia de Carga

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La distancia entre ejes de ruedas es de 33.5 cm con un ancho de llanta de

20.5 cm y presiones de inflado hasta 100 psi.

Figura IV. 29 Suspensión Vertical para Transmitir Presión de Carga

Figura IV. 30 Sistema de Transferencia de Reacción para Cambio de Dirección

Figura IV. 31 Eje de Diseño Sencillo Dual

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Finalmente en la segunda semana del mes de enero de 2008, se culmina la

instalación de los sensores y de la carpeta asfáltica para rodadura.

Figura IV. 32 Finalización de la Instalación de la Instrumentación

Figura IV. 33 Imprimación y Extendida de la Carpeta Asfáltica

Figura IV. 34 Compactación de la Carpeta Asfáltica

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CAPITULO V - INDICACIONES GENERALES

1. DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO

1.1. Retiro o Instalación de Materiales

Para realizar movimientos de tierra o materiales de análisis se debe retirar la

viga guía del carro hacia uno de los costados opuestos de inserción de

material, retirar el carro de la rasante con su sistema de elevación hidráulico

y finalmente elevar todo el sistema hasta el punto de anclaje más alto en las

columnas de sostén empotradas en los muros de reacción, este

procedimiento puede requerir apoyo de la grúa móvil montada en el cielo

raso del laboratorio con capacidad de 5 toneladas.

1.1.1. Retiro

a) Para el retiro es importante tener cuidado con la zona de protección de

las caras internas del tanque evitando rasgar con los equipos de

excavación el manto de geomembrana y las tiras metálicas de sostén

de la misma.

b) Se sugiere el retiro de todo el geotextil que se encuentre rasgado y

remplazarlo por uno de igual condición (NT 4000) bajo las mismas

instrucciones de instalación, el geotextil que se encuentre en buen

estado deberá ser lavado o soplado para garantizar su condición de

permeabilidad.

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c) El material granular de filtro deberá ser lavado y retamizado para

eliminar partículas trituradas o desmenuzadas.

d) Se deben retirar e inspeccionar todas las tuberías instaladas al nivel -

3.30 respecto de la superficie del sótano 1, se deben lavar con agua a

presión, restaurar todas las uniones de accesorios y remplazar todas

las secciones fisuradas.

e) El material de base granular no podrá ser mezclado, es decir, se debe

tener en cuenta la disposición de instalación para evitar contaminación

de las condiciones. En situación normal no debería reutilizarse el

material, a menos, que se demuestre con una distribución

granulométrica que no se ha presentado lavado del material o

trituración por las cargas de la circulación de la carga.

f) El concreto asfáltico deberá ser retirado siempre que el análisis no

implique estudios sobre reforzamientos o reparaciones superficiales.

Este retiro deberá iniciarse preferiblemente con cortadora, el martillo

neumático es poco recomendable para este material tan delgado, se

debe tener en cuenta una penetración no mayor a 6 o 7 cm, en bloque

de no más de 70x70 para su fácil disposición a botadero. El retiro con

fresadora aunque antieconómico es posible, sin embargo debe

tenerse en cuenta que no será posible el aprovechamiento del 100%

del material dependiendo de las dimensiones del equipo utilizado y

tendría fines únicamente experimentales.

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g) En general se sugiere que durante un cambio de materiales se realice

un lavado general del tanque, especialmente para retirar materia

orgánica que se aloje en el filtro y la tubería de drenaje vertical y

horizontal.

1.1.2. Instalaciones Nuevas

Para la colocación de nuevos recursos, la condición más importante es tener

en cuenta los parámetros geométricos del modelo y la cantidad y tipo de

materiales seleccionados, sin embargo se deben tener en cuenta las

siguientes apreciaciones:

a. Tener en cuenta que la granulometría y tubería instalada permite una

evacuación e inserción de agua a razón de 1 litro por segundo, gracias

a sus 14 tubos transversales de 2 metros de longitud con 142 ranuras

cada uno, pérdidas totales hasta de 39 cm y una velocidad de flujo de

1.97 m/s.

b. La compactación de suelos arcillosos de baja consistencia es solo

posible con vibrocompactador de amasado “saltarín” en capas de no

más de 40 cm cubiertas con geotextil durante el proceso de amasado,

para evitar que el equipo se entierre y mantener la eficiencia del

proceso.

c. Los granulares deben tener la densidad específica de diseño, no se

considera posible obtener más del 95% del Próctor modificado en la

primera capa cuando esta tiene más de 10 cm de espesor, debido

principalmente al rebote que ofrece el material blando bajo ella.

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d. Para la imprimación del concreto asfáltico se debe limpiar muy bien la

superficie previo secado para una mejor adherencia; esta imprimación

debe cubrir el 100% del área del tanque, incluyendo las áreas laterales

que tendrán contacto con el concreto asfáltico de tal manera que se

eliminen fuerzas friccionantes longitudinales en la superficie de la

rodadura y con ello una condición de borde no deseable.

e. Se debe evitar la conexión directa del sistema de suministro de agua

con el sistema de alimentación para evitar flotación o fuerzas de

empuje sobre las capas estructurales del pavimento; para reducir su

impacto se ha diseñado dos filtros verticales perforados ubicados en

los extremos del tanque para aliviar y equilibrar presiones y un sistema

de elevación del nivel freático que proporciona el flujo de manera

controlada y lenta.

f. La colocación de la instrumentación debe ser muy precisa en lo que se

refiere a su localización espacial, para poder comparar los resultados

entre los diferentes instrumentos.

g. La colocación de celdas de carga debe tener especial cuidado en lo

que se refiere al contacto entre el anillo sensor y el material instalado

en el piso, para evitar mal empalme y en consecuencia lecturas

erróneas.

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1.2. Aplicaciones de Carga

Para aplicar carga al sistema es necesario inicialmente ajustar el nivel de la

viga, lo recomendable para un nivel de rasante de -0.30 m, es usar el tercer

nivel (de arriba hacia abajo) de acople en la columna de anclaje.

Seleccionar la velocidad longitudinal y transversal de movimiento del carro en

panel de control eléctrico de encendido.

Seleccionar en el manómetro de presión sobre el bastidor de carga el nivel

de carga que se debe aplicar, teniendo en cuenta la relación de carga 1:2 y

una presión máxima de 150 psi de capacidad por 4000 kg, es decir, 1 psi

aplica 53.33 kg de carga en el bastidor.

Tomar en planilla la hora de inicio de la prueba y las lecturas de información

a periodos preferiblemente regulares, así como el cálculo o conteo de las

repeticiones de carga de acuerdo a la velocidad, tiempo y distancia de

aplicación.

Llevar a cabo todos los procedimientos de operación que se encuentran en la

sala de control del laboratorio de modelos de pavimentos, con los que se

asegura una correcta inicialización eléctrica de todos los sistemas de

encendido del equipo.

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2. CONCLUSIONES

De acuerdo a lo que se planteo en la propuesta se están evidenciando todos

los parámetros de diseño del sistema de prueba acelerada de pavimentos en

una pista de prueba; es evidente que los principales son los materiales del

que está hecha la estructura, las condiciones climáticas simuladas y las

cargas de trabajo. Sin embargo existen muchos otros que intervienen

directamente en la posibilidad de construir la pista como:

o Los planteamientos realizados en la fase de diseño se lograron llevar

a buen término durante la fase constructiva, sin embargo, la prueba de

su eficiencia solo se podrá analizar durante la fase de calibración y

operación.

o La instalación de los materiales se ejecutó con procedimientos

estándares y homogéneos, sin embargo, no se descarta que exista

comportamiento disímil en las capas de arcilla o granular de la

estructura del pavimento, ya que se observaron que algunos viajes

llegaban con humedades diferentes o pequeñas variaciones de color y

textura, así como cantidad de sobretamaños en los granulares.

o Se hizo todo lo posible por mantener la humedad natural con la cual

llegaba la arcilla a la obra, durante el proceso de compactación, pero

se acepta que no todas las capas presentaron la misma humedad al

llegar, ya que los tiempos de acarreo y colocación no fueron similares.

Sin embargo, una vez instaladas las capas, se adicionaba agua a

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través del sistema hidráulico de suministro permitiendo el ascenso del

nivel equivalente a la altura del 50% del espesor de la capa colocada.

o La manipulación de arcillas de baja consistencia en grandes

volúmenes para compactación en espacio reducido y con equipos de

pequeña envergadura es un problema a solucionar con la selección de

un proveedor con mejores recursos.

o Una de las variables ambientales a tener en cuenta en el sitio de

ubicación del tanque es que no hay una tasa de evapotranspiración

similar a la que existe en una vía a cielo abierto.

o No fue posible la instalación, puesta en marcha y prueba del tanque

cisterna, en razón a que PAI, no dejó instalado el riel de ascenso

solicitado, por ello se tomó la decisión de aplazar su colocación y

accionar el flujo de agua con el control en la abertura del registro de

paso.

o La colocación del concreto asfáltico se vio retrasada en dos

momentos, el primero por el vencimiento del contratista inicial Páez y

Casas Asociados, y en segundo término, por la falta de posesión de

equipos con envergadura adecuada al sitio del proyecto por parte del

nuevo proveedor Patria S.A. Finalmente esta capa se instaló en la

segunda semana del mes de enero de 2008.

o Si bien la selección de los granulares para la estructura de pavimento

se realizó con verificación y ajustes granulométricos, se observó,

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durante la etapa de control, que las gradaciones habían variado, falla

originada en el proveedor; sin embargo, las resistencias al desgaste

mecánico corresponden a las planteadas, y las granulometrías en una

cantera natural de bajo nivel industrial, constantemente varían, aunque

no es del todo preocupante en razón a que los despachos a clientes

de la cantera concuerdan con el objetivo de modelar pavimentos

reales en la ciudad de Bogotá.

o Una reevaluación importante a la hora de plantear este tipo de

proyectos es el rendimiento del proceso constructivo, ya que el

espacio, la geometría de movilidad y las políticas de operabilidad,

limitan mucho el desempeño y eficiencia de la mano de obra.

o El peso real de la estructura del carro de carga juega un papel

fundamental en el diseño teórico, ya que en la teoría se usaron

variaciones entre 200 y 400 kg, y el proveedor nunca aseguró el valor

último logrado, pero si indicó que el rango de diseño era correcto. Por

ello no se descarta la posibilidad de ajuste en tipo y cantidad de

amortiguadores requeridos.

o Las experiencias vividas en Europa y Estados Unidos son una

Herramienta totalmente indispensable, porque de alguna manera se

puede establecer con un grado de incertidumbre algo variable pero

favorable, cuales son las situaciones que se deben tener en cuenta

para el diseño y construcción de un sistema como este, las

experiencias transmitidas, si bien no resuelven las inquietudes

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planteadas, si generan una orientación valiosa para llegar a las metas

trazadas.

o Los procesos y métodos adecuados de un plan de operación

apropiado es el resultado acumulado de la calibración y análisis del

comportamiento del equipo en su arranque.

3. RECOMENDACIONES

o La velocidad del carro, con la cual podemos establecer la frecuencia

de fatiga de los materiales asfálticos a velocidades típicas de los

vehículos que componen un tránsito estándar, está pendiente de

establecerse, no solo para saber si la velocidad deseada es posible,

sino para estimar cuales son los parámetros físicos del equipo (motor

y sistema de poleas) que permite lograr un eficiente funcionamiento

del carro a velocidad y presión constantes.

o Los plazos enunciados en la propuesta nunca fueron posibles de

ejecutar, el tiempo previsto prácticamente se triplicó, en razón a que

muchas de las variables causante no son situaciones que se puedan

controlar con facilidad: por ejemplo los tiempos de extracción y

ejecución de obras donde se obtienen materias primas, la

disponibilidad de equipos especiales, los procedimientos especiales y

cronogramas de trabajo de obras de envergadura que limitan la

libertad de operación, etc.

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o Finalmente llega el momento de comenzar a manipular el equipo, en

donde se debe poner especial atención a los protocolos de uso,

generándose entonces la necesidad de crear planillas y

procedimientos estándar para una correcta operabilidad.

o El mayor éxito observado en el proyecto, es la participación

profesional de un grupo versátil e interdisciplinario que aboga

constantemente por resultados, gracias a la suma de sus

responsabilidades individuales. Sin embargo es un reto que debe

siempre plantearse al inicio de este tipo de proyectos es la buena

interacción entre todos los involucrados, ya que a causa de retraso

alguno por parte de un participante, se genera la desprogramación de

todo el funcionamiento del trabajo.

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CAPITULO V. BIBLIOGRAFÍA

1. PÉREZ Romero, Sergio Alejandro. Tesis de Magíster en ingeniería Civil. Bogotá Uniandes 2000

2. ACCELERATED TESTING FOR STUDYING PAVEMENT DESIGN AND PERFORMANCE, Reporte FHWA-KS-99-2. Hani Melhem. Kansas State University. Manhattan, Mayo de 1999, y reporte FHW-KS-03-6 Noviembre de 2003.

3. NATIONAL COOPERATIVE HIGWAY RESEARCH PROGRAM, Reporte 512. Washington D.C.2003.

4. COST 347. Improvements in Pavement Research withAccelerated Load testing. European Cooperationin the field of Science and Technical Research. Junio 2002.

5. PROYECTOS Y DISEÑOS LTDA. P&D. GARCIA reyes Luís Enrique, PEREZ Silva Alejandro. Localización y Desarrollo de Muros de Columnas Planta de Cimentación y Formaleta Sótano 1. Plano E-18. Julio 29 de 2005.

6. CAICEDO H. Bernardo. Convocatoria en inversión en equipos Edificio Mario Laserna. Capítulo 5. Equipos de Investigación Experimental y Equipos Estratégicos.

7. Road trasnport Research. OECD – Organization for Economics Coperation and Development. Full Scale Pavement Test. 1991. Paris CEDEX 16, France.

8. CORONADO G., Octavio. Etude du comportement mécanique de matériaux granulaires compactés non saturés sous chargements cycliques. Capítulo II. 2006, UniAndes Bogotá.

9. Enidine IMC Company – Shock Absorbers and Rate Control Product Cataloge. 2003.

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10. AMANCO, PAVCO Geomembrana Lisa de Alta Densidad, Sept. 2004.

11. PROKSOL-Project Knowledge Solutions, Edificio Logic Calle 97 Autopista Norte, Bogotá Col.

12. URIBE, Alfonso. Estudio de Suelos Edificio Logic Calle 97 Autopista Norte, Bogotá Col.

13. http://www.enidine.com/HImain.html

14. http://rebar.ecn.purdue.edu/APT/Photos/Equipment.htm

15. http://www.pave-test.org/.../A_L_T-Pave.htm

16. http://www.tree-transport-facilities.net/treesitev2/

17. http://www.bast.de

18. http://www.cedex.es

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ANEXO A

ENSAYOS DE LABORATORIO

CONTIENE

o Ensayos de Caracterización efectuados por el Ing. Alfonso Uribe, dentro del marco de consultoría del Edificio Logic, incluye un compendio de los perfiles estratigráficos particulares.

o Ensayos de Caracterización dentro del proyecto a muestras inalteradas in situ a nivel de excavación entre -4.0 y -6.0

o Ensayos de Caracterización dentro del proyecto a muestras tomadas con Shelby al suelo remoldeado por amasado.

o Gradaciones de control a los materiales granulares.

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ANEXO B

PLANOS DE DISEÑO

CONTIENE

o PLANO DE LA GEOMETRÍA ESTRUCTURAL Y DETALLES.

o BOCETO DEL DISEÑO DE LA VIGA Y DETALLES DEL CARRO DE CARGA.

o PLANO DE LAS INSTALACIONES HIDRÁULICAS Y TUBERÍA PERFORADA DE FILTRO PARA LAS COLECTORAS.

o DETALLES HIDRAULICOS.

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ANEXO C

BITACORA

CONTIENE

o Cronograma de actividades en el tiempo.

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BITÁCORA RESUMIDA DE EJECUCIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN

FECHA DESCRIPCIÓN AVANCE

MAYO 2005

RECONOCIMIENTO DE TERRENO DURANTE LA CONSTRUCCIÓN DE LOS PILOTES DE CIMENTACIÓN Y CONOCIMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACIÓN

OCTUBRE 2005 PRESENTACIÓN DE LA PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN OCT. 05 – MAY. 06 DESARROLLO DEL MARCO DE INVESTIGACIÓN TESIS I

MAYO 2006 SUSTENTACIÓN Y APROBACIÓN TESIS I

AGOSTO 2006 VINCULACIÓN A LA OBRA DEL EDIFICIO MARIO LASERNA. Ya se encuentra construido el tanque y los muros de reacción, la estructura del edificio está culminada.

30%

SEPT. – NOV. 2006

BUSQUEDA DE LA FUENTE DE ARCILLA. Edifico Logic, iniciaría excavaciones en Enero de 2007. Limpieza de las caras internas del muro, sellado de hoyos de espadas, intrusión de pasantes hidráulicos.

32%

DICIEMBRE 2006

Instalación de GEOMEMBRANA termoformada y recubrimiento de la misma con geotextil NT 4000. Se aprueba Pendiente Especial.

37%

ENERO 2007

Instalación de la tubería de cobre de suministro en 2” x2 y drenaje en 1” x3. Se efectuó prueba de inundación al tanque, durante 8 días no se presentaron fugas ni perdidas de nivel visibles, no se observó humedad en las paredes exteriores del sótano 2.

40%

FEBRERO – MARZO 2007

Instalación de la grava del filtro en el fondo 30 cm, apisonada, corte y armado de la tubería en PVC para distribución y colección interna. Se instalaron 2 piezómetros en 2” con perforación de filtro en longitud de 100 cm y se ubicaron en los extremos del tanque, también se instaló 3 tubos de salida de drenaje en 1”.

45%

Abril de 2007

Se inicia el transporte y acopio de la arcilla, inicialmente la instalación es muy lenta, en 20 días no se colocó sino una capa, mientras se efectuaron pruebas de procedimientos de

48%

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extendido, homogenización y compactación de la arcilla. La capa corresponde a unos 30 cm ya compactada, es decir el 15% del espesor total a colocar.

Mayo de 2007

Se compacta una capa por semana en promedio, la altura total de la capa es ahora cerca de 1.50 metros. Es decir el 60% del espesor total de la capa. El transporte se realiza a un ritmo de volqueta diaria, la principal causa de pérdida de rendimiento es la extendida y el trasiego del material. Por otra parte el suministro de arcilla desde la obra no es continuo por diferentes circunstancias con las máquinas de excavación.

60%

Junio de 2007

No se aprueba un nuevo pendiente especial, se requiere matricular nuevamente la asignatura. El suministro de arcilla se ve detenido mientras la obra continua con la colocación de contrafuertes de contención

60%

Julio de 2007

Solo hasta finales del mes de julio se continúa con la instalación de la capa. Y a finales del mes de agosto queda concluida la instalación del material de rasante del modelo.

72%

Agosto de 2007 Se realizan todas las pruebas referentes a la selección de los materiales granulares a instalar.

72%

Septiembre de 2007

Suministro y eliminación de sobretamaños del material granular de Vista Hermosa en el sector norte del tanque. La capa queda concluida y compactada.

78%

Octubre de 2007

Suministro, eliminación de sobretamaños y mezcla con arena del Guamo del material granular de Panamá (Soacha) en el sector sur del tanque. La capa queda concluida y compactada.

84%

Noviembre de 2007

El Sr. Segundo parra inicia la instalación de la viga, empotrando inicialmente unas columnas de soporte ancladas al muro de reacción.

89%

Diciembre de 2007

El Sr. Segundo parra realiza el Montaje del Carro de carga, el sistema de poleas, el motor, el tren de rodaje, amortiguadores y sistemas neumáticos.

94%

Dic. Enero 2008 Se montan los primeros humedómetros. 95%

* Enero de 2008 Falta montar los strain gauge y LVDT…………………….……… Falta Suministro y colocación Mezcla Densa en Caliente……… Falta instalación de tableros de control y conexión a software…

1% pend. 3% pend. 1% pend.

* Esta última fase quedó programada entre el 18 al 25 de enero de 2008.

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ANEXO D

LOCALIZACIÓN DE FUENTES DE MATERIAL

CONTIENE

o Guía de ubicación para acceder a la Cantera Vista Hermosa en Mondoñedo vía a la Mesa Cundinamarca, al pie de la Planta de Patria S.A.

o Guía de ubicación para acceder a la Cantera Panamá en Soacha Cundinamarca.

o Localización del edifico Logic en Bogotá Calle 97 con Autopista Norte.

Recebera Vista HermosaGarcía Triana & Cia. S.A.

y

Planta de Asfalto Patria S.A.

Planta Patria S.A.Contacto:Ing. Elmer Sá[email protected]

www.receberavistahermosa.com827-5268827-5274

313-8934505315-3223298

Recebera Hernando Peñalosa

Autopista Sur a Bogotá

CanteraPanamá

CanteraHERNANDOPEÑALOSA

Cantera

SOACHAMelgar

Recebera Hernando PeñalosaFinca San JoséLuís Hernando Peñalosa Hijo313 – 3312708315 – 81107737126581Diagonal 15 y Diagonal 17Barrio El CaguaSoacha (CND)

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FUENTE DE ARCILLA

EDIFICICO LOGIC PROKSOL

Calle 97 Autopista Norte

CALLE 100

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ANEXO E

CANTIDADES DE OBRA

CONTIENE

o Listado de cantidades de obra efectuadas por el contratista Páez Casas Asociados Ltda.

o Soportes Trasiego o Acarreo de Arcilla

o Soportes de Tiempos de uso del compactador

o Soportes de Jornales en extendida y compactación de arcilla

o Soportes en Extensión y compactación de Materiales Granulares.

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ANEXO F

GLOSARIO

CONTIENE

Listado de palabras clave explicadas en su concepto técnico.

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CONCEPTOS IMPORTANTES

Para entender y poder analizar el comportamiento de los materiales y capas

que conforman una estructura de pavimento es importante conocer los

conceptos fundamentales que gobiernan su conducta, como por ejemplo:

ARCILLA: Suelo fino de partícula laminada conformada potencialmente en grumos en relación a la humedad y a la presencia de material cementante.

AGREGADO: Material natural reconformado producto de preparación por trituración y/o selección.

ASENTAMIENTO: Hundimiento gradual de una estructura, el cual puede ser homogéneo o relativo y ocurre de forma retardada o inmediata.

AASHTO: Siglas de American Association of State Highways and Transit Officials.

BASE GRANULAR: Capa o elemento de la estructura de un pavimento consistente en material granular heterogéneo compactado con densidad y rigidez altas.

BITUMEN: Material en estado líquido o sólido producto de la destilación del petróleo y utilizado como cementante asfáltico.

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CAPA DE CONFORMACIÓN: Capa de pavimento conformada por la reinstalación (excavación y compactación) de suelos naturales de baja capacidad de soporte.

CEMENTO ASFÁLTICO: Material ligante bituminoso con propiedades mecánicas flexibles.

CEMENTO HIDRAULICO: Material ligante de reacción hidráulica que forma cristales con propiedades mecánicas de alta rigidez.

CONCRETO ASFÁLTICO: Mezcla de agregados y cemento asfáltico.

CONCRETO HIDRÁULICO: Mezcla de agregados y cemento hidráulico.

CONSOLIDACIÓN: Proceso de cambio volumétrico con reducción de vacíos que experimenta un material de baja consistencia.

DEFLEXIÓN: Medida de la deformación o desplazamiento tomada como la distancia que recorre una partícula de un cuerpo desde un punto relativo a otro.

DEFORMACIÓN: Cambio del tamaño y forma de un cuerpo sólido.

DENSIDAD: Mediada de la relación entre la masa de un cuerpo y el espacio o volumen que ocupa.

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DRENAJE: Condición o característica de la masa del suelo que permite el flujo de agua hacia el exterior. Medio físico por cual se conduce el agua desalojada por un cuerpo.

EMPÍRICO: Análisis fundamentado exclusivamente en la experiencia y observación de dicho fenómeno.

FATIGA: Condición final de resistencia de un cuerpo producida por la permanente incidencia del agente externo generador.

FILTRO: Elemento drenante o conductor de agua que permite separación de partículas suspendidas a través de un lecho granular.

FISURA: Discontinuidad estrecha en la masa de un cuerpo sólido.

GRANULOMETRÍA: Análisis para determinar cantidades relativas de partículas de un suelo o material granular

GRIETA: Discontinuidad apreciable (>1mm) en la masa de un cuerpo sólido.

ÍNDICE DE ABRASIÓN: Es un coeficiente de desgaste mecánico

LIGANTE: Sustancia que facilita la cohesión entre dos partículas similares.

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MATERIAL ESTABILIZADO: Material que tiene adición importante de un ligante para mejorar radicalmente sus propiedades de comportamiento mecánico.

MATERIAL MEJORADO: Material que tiene leve adición de un ligante para mejorar parcialmente sus propiedades de comportamiento mecánico.

MATERIAL TRATADO: Material que tiene leve adición de un ligante o importante adición de un granular para mejorar radicalmente sus propiedades de comportamiento físico.

NIVEL FREÁTICO: Posición a la que se encuentra un cúmulo de agua libre. Asociado al nivel piezométrico.

PAP: Prueba acelerada de pavimentos

RACIONAL: Análisis fundado en la razón y comportamiento de las propiedades físicas y mecánicas de un cuerpo.

RESISTENCIA AL CORTE: Valor máximo de esfuerzo que produce cizalladura al que puede ser sometido un material sin que experimente deformaciones excesivas.

REOLOGÍA: Mecánica de los cuerpos deformables incluyendo sus propiedades de elasticidad, viscosidad y fluidez.

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RODADURA: Capa de material denso útil para soportar directa y estructuralmente cargas vehiculares.

SUB BASE GRANULAR: Capa o elemento de la estructura de un pavimento consistente en material granular heterogéneo con sobretamaños compactado con densidad y rigidez moderadas, usada como relleno con el objeto de reducir costos de presupuesto de construcción.

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