Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Civil y ...
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1 Universidad de los Andes Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental Desarrollo de una Herramienta de Apoyo Para el Diseño de Pavimentos Porosos Proyecto de Grado Presentado por: Johanna Alejandra Pérez Carrillo Asesor: Juan Pablo Rodríguez Sánchez Bogotá, D.C. 2015
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1
Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental
Desarrollo de una Herramienta de Apoyo Para el Diseño de Pavimentos Porosos
Proyecto de Grado
Presentado por: Johanna Alejandra Pérez Carrillo
Asesor: Juan Pablo Rodríguez Sánchez
Bogotá, D.C.
2015
I
Tabla de contenido Tabla de contenido ....................................................................................................................... I
1. Introducción ................................................................................................................................ 1
1.1. Objetivo general .................................................................................................................. 2
1.2. Objetivos específicos ........................................................................................................... 2
2. Estado del Arte – Pavimentos Porosos ....................................................................................... 2
2.1. Tipos de pavimentos porosos (DENEVER, 2010) ................................................................. 3
2.2. Modelos de desempeño ...................................................................................................... 4
3. Metodología ............................................................................................................................ 6
3.1. Metodologías de diseño Hidrológico .................................................................................. 6
3.2. Metodología de diseño estructural AASHTO (AROCUTIPA, 2000) ...................................... 8
3.2.1. Variables de diseño. .................................................................................................... 9
3.2.2. Determinación del número estructural .................................................................... 10
3.2.3. Estimación de los espesores de las capas ................................................................. 11
3.3. Programa PAVP ................................................................................................................. 11
3.4. Modelo SWMM ................................................................................................................. 12
4. Implementación ........................................................................................................................ 13
4.1. Áreas de estudio seleccionadas ........................................................................................ 13
4.1.1. Características y variables de las zonas seleccionadas. ............................................ 13
4.1.2. Información Hidrológica de las zonas de estudio ..................................................... 15
4.2. Implementación de PAVP .................................................................................................. 16
4.2.1. Resultados - Espesores de la capa subbase .............................................................. 16
4.2.2. Resultados- Costos de Implementación y mantenimiento ....................................... 18
4.2.3. Diseño final. ............................................................................................................... 20
4.3. Evaluación del pavimento diseñado - SWMM .................................................................. 20
4.3.1. Parámetros ingresados .............................................................................................. 20
4.3.2. Resultados ................................................................................................................. 24
5. Conclusiones.............................................................................................................................. 27
6. Bibliografía ................................................................................................................................ 28
Anexos ............................................................................................................................................... 31
1. Anexo- Memorias de Cálculo ................................................................................................ 31
2. Anexo- Manual del Usuario ................................................................................................... 34
II
Índice de Figuras
Figura 1 Pavimentos porosos sin infiltración ...................................................................................... 3
Figura 2 Pavimentos porosos de infiltración completa ....................................................................... 4
Figura 3 Sistema de infiltración parcial ............................................................................................... 4
Figura 4 Esquema del pavimento (SN, D) .......................................................................................... 11
Figura 5 Diagrama de procesos del modelo SWMM ......................................................................... 12
Figura 6 Esquema de la unidad LID de pavimento poroso (EPA, 2010) ............................................ 12
Figura 7 Zona de estudio1 ................................................................................................................. 13
Figura 8 Zona de estudio2 ................................................................................................................. 13
Figura 9 Mapa del sistema de tuberías de la zona 1 ......................................................................... 14
Figura 10 Mapa del sistema de tuberías de la zona 2 ....................................................................... 14
Figura 11 Curva IDF estación Vitelma ............................................................................................... 15
Figura 12 Resultados- Dimensionamiento capa sub base – Zona 1 .................................................. 16
Figura 13 Resultados- Dimensionamiento capa sub base- Zona 2 .................................................... 17
Figura 14 Costos - Tipo de pavimento - Zona de estudio 1 ............................................................... 18
Figura 15 Costos - Tipo de pavimento - Zona de estudio 2 ............................................................... 18
Figura 16 Costos - Tipo de infiltración- Zona de estudio 1 ................................................................ 19
Figura 17 Costos - Tipo de infiltración- Zona de estudio 2 ................................................................ 19
Figura 18Representación del caso de estudio en SWMM 5.0 .......................................................... 20
Figura 19 Variación de la escorrentía en función del periodo de retorno- Zona de estudio 1 ......... 25
Figura 20 Variación de la escorrentía en función del periodo de retorno- Zona de estudio 2 ......... 25
Figura 21 Infiltración del agua lluvia en función de TR- Zona de estudio 1 ...................................... 26
Figura 22 Infiltración del agua lluvia en función de TR- Zona de estudio 2 ...................................... 26
Índice de Tablas
Tabla 1 Características de las variables de diseño de los Pavimentos Porosos (Centro de
Investigaciones en Ingeniería Ambiental CIIA, 2015) .......................................................................... 2
Tabla 2 Guía de selección del tipo de sistema de pavimento poroso (Woods-Ballard, y otros, 2007)
............................................................................................................................................................. 3
Tabla 3 Modelos empleados para la evaluación de desempeño de pavimentos porosos-1 .............. 4
Tabla 4 Modelos empleados para la evaluación de desempeño de pavimentos porosos- 2 ............. 5
Tabla 5 Ecuaciones de las metodologías de diseño Hidrológico ......................................................... 7
Tabla 6 Valores de referencia de Servicialidad ................................................................................... 9
Tabla 7 Espesores Mínimos, en pulgadas en función de Ejes equivalentes (AASHTO, 1993) ............. 9
Tabla 8 Valores de referencia para coeficientes de drenaje (mi) ..................................................... 10
Tabla 9 Ubicación de las zonas de estudio e información de suelos ................................................ 13
Tabla 10 Coeficiente de aporte del área de drenaje ......................................................................... 14
Tabla 11 Sistema de tuberías ............................................................................................................ 14
Tabla 13 Parámetros de ajuste .......................................................................................................... 15
Tabla 12 Intensidad máxima obtenida a partir del análisis de frecuencia ........................................ 15
Tabla 14 Diseño preliminar ............................................................................................................... 20
Tabla 15 Parámetros estimados (EPA, 2010) .................................................................................... 21
Tabla 16 Parámetros de la cuenca .................................................................................................... 21
III
Tabla 17 Parámetros infiltración HORTON........................................................................................ 21
Tabla 18 Parámetros de nodos y conductos ..................................................................................... 22
Tabla 19 Parámetros LID- Suelo ........................................................................................................ 22
Tabla 20 Coeficiente de descarga y altura de desagüe ..................................................................... 24
Tabla 21 Hietogramas de diseño para los diferentes periodos de retorno ...................................... 24
Tabla 22 Reducciones de escorrentía correspondientes a la zona de estudio 1 .............................. 25
Tabla 23 Reducciones de escorrentía correspondientes a la zona de estudio 2 .............................. 25
Tabla 24 Números estructurales de las capas de rodadura, base y subbase.................................... 33
1
1. Introducción
La evolución de los sistemas de drenaje y alcantarillado han cambiado con forme a las necesidades
y el avance en tecnología e ingeniería. Ciudades como Bogotá, han tenido un proceso de
urbanización acelerado que ha alterado sustancialmente la hidrología de sus cuencas, modificando
el drenaje natural y el proceso de transformación lluvia-escorrentía (Dolz & Gómez, 1994, pág. 55).
Como consecuencia de lo anterior y el sub dimensionamiento de la estructura de drenaje de la
ciudad, se han sobrepasado las capacidades de los sistemas ocasionando inundaciones en épocas
de lluvia. La forma como se ha planteado dar solución al colapso del sistema, ha sido fomentar el
desarrollo de nuevas técnicas, tecnologías y avances en ingeniería que propendan hacia una ciudad
sostenible, en este contexto se proponen sistemas de aprovechamiento de agua lluvia como
alternativa para controlar y mitigar los impactos en tiempos de lluvia.
Una de las técnicas más completas que se han estudiado, en temas de Sistemas de Drenaje Urbano
Sostenible (SUDS) es la implementación de pavimentos porosos, esto debido a que son estructuras
capaces de: soportar la carga generada por peatones o el tráfico vehicular y permitir la percolación
del agua lluvia hacia las capas inferiores del pavimento. Una vez infiltrada el agua, el sistema permite
un almacenamiento temporal antes de que ésta: se termine de infiltrar en el suelo, sea reusada o
de llegue al sistema de drenaje de la zona. Otra de las ventajas que presenta este sistema y por la
cual es considerado como un sistema integral, es su capacidad de funcionamiento como módulo de
tratamiento, al funcionar como un filtro que retiene sedimentos y contribuye a la eliminación de
contaminantes y patógenos, mejorando así la calidad del agua del efluente (Woods-Ballard, y otros,
2007).
En este contexto se desarrolló la herramienta computacional PAVP (Programa de Diseño de
Pavimentos Porosos) que tiene como objetivo facilitar el dimensionamiento de la estructura de un
sistema de pavimentos porosos, con enfoque y aplicación para la ciudad de Bogotá. Para determinar
la utilidad de la herramienta computacional desarrollada, se llevó a cabo un análisis de validez y
exactitud del programa, presentando los beneficios y reducciones de escorrentía reales que
generaría un sistema diseñado para un área de estudio determinada. En una primera parte, se
presenta una revisión de literatura en la que se consideraron los métodos y manuales de diseño
hidrológico y estructural más empleados para el diseño de pavimentos porosos, así como los
métodos de evaluación del desempeño de estas estructuras. Para la segunda parte del documento
se realiza una breve descripción de la herramienta PAVP, para después presentar los resultados de
su implementación en dos zonas de estudio ubicadas en la ciudad de Bogotá. Finalmente, se evalúan
los sistemas dimensionados mediante el modelo SWMM, desarrollando algunas conclusiones sobre
la efectividad del programa y la definición de las variables más relevantes para el dimensionamiento
de un sistema óptimo. De esta manera, si se presenta de forma resumida el alcance del presente
Proyecto de Grado está dirigido a alcanzar los siguientes objetivos:
2
1.1. Objetivo general Desarrollar y aplicar una herramienta computacional de diseño de pavimentos porosos, haciendo
uso del programa Visual Basic de Excel, que permita tomar decisiones sobre cual es
dimensionamiento optimo del sistema.
1.2. Objetivos específicos
Identificar, estudiar y analizar las normas de diseño de pavimentos porosos aplicadas en
Colombia, comparándolas con las diferentes guías de diseño empleadas en el programa.
Proponer un programa que permita identificar el dimensionamiento óptimo de un
sistema de pavimento poroso, comparando diferentes metodologías de diseño y el
costo que representan.
Reconocer los diferentes modelos que han sido empleados para evaluar la eficiencia de
sistemas de pavimentos porosos, implementando el método más completo en la
verificación del diseño propuesto.
Reconocer las variables de diseño que tienen mayor influencia en el desempeño y
dimensionamiento de los pavimentos porosos.
2. Estado del Arte – Pavimentos Porosos
Los pavimentos porosos son estructuras de drenaje urbano que permiten: regular el caudal máximo,
disminuir los volúmenes de escorrentía, recargar naturalmente los acuíferos y promover la
remoción de contaminantes presentes en la escorrentía (Woods-Ballard, y otros, 2007). No
obstante, la implementación de esta tipología de SUDS no es ilimitada, ya que cuenta con distintas
restricciones (Tabla 1), de esta forma que dependiendo de las características del área puede variar
el diseño y el tipo de sistema a implementar.
Tabla 1 Características de las variables de diseño de los Pavimentos Porosos (Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental CIIA, 2015)
Parámetro Características
Tasa de infiltración del subsuelo > 13 mm/h
Tasa de infiltración del pavimento > 28 mm/h
Espacio de Vacíos Adoquines > 8% Plásticos > 20%
Asfalto/Concreto >2%
Pendiente Longitudinal 0.5 – 3%
Tiempo de drenaje máximo 48 – 72h
Razón Área Impermeable: Área Permeable 3:1
Profundidad a la Tabla de Agua < 60 cm – No Recomendado < 1.5 m – Usar Drenajes > 1.5 m – No requiere
Drenajes
Pendiente del Área Tributaria 5%
Área de Drenaje 4 1000-40000 m
3
2.1. Tipos de pavimentos porosos (DENEVER, 2010) Los pavimentos porosos son implementados teniendo como base las características del suelo y su
uso, como se presenta en la Tabla 2, de forma que es posible encontrar tres tipos de sistemas de
pavimento poroso: de infiltración nula, total o parcial. El sistema de infiltración nula, presentada en
la Figura 1 impide la infiltración del agua lluvia al acuífero, por lo que es recomendado bajo
condiciones de escorrentía con cargas contaminantes muy altas, provenientes de suelos o
actividades industriales. Contrario al primer sistema presentado, se presenta en la Figura 2 la
sección de un pavimentos porosos de infiltración completa, en la que se da libre ingreso del agua
lluvia, éste tipo de estructuras son recomendadas en suelos con capacidad de infiltrar el agua total
en periodos menores a 12 horas. Por otra parte, los sistemas de infiltración parcial cuentan con una
combinación entre las estructuras anteriormente mencionadas, ya que el agua lluvia que no se
infiltra es evacuada de la estructura por medio de tuberías de drenaje, como se expone en la Figura
3.
Tabla 2 Guía de selección del tipo de sistema de pavimento poroso (Woods-Ballard, y otros, 2007)
Característica Infiltración Total
Infiltración Parcial
Sin Infiltración
Permeabilidad (m/s) 10-6-10-3
10-8-10-6 x
10-10-10-8 X X
Contaminantes presentes en el agua X X
Profundidad de la tabla de agua menor a 1m
X X
Figura 1 Pavimentos porosos sin infiltración
4
Figura 2 Pavimentos porosos de infiltración completa
Figura 3 Sistema de infiltración parcial
2.2. Modelos de desempeño Como parte de la investigación e implementación de sistemas de pavimentos porosos, se han
desarrollado diferentes modelos y técnicas para evaluar su desempeño, cumpliendo así con el
objetivo de cuantificar dimensionamientos y tipos de estructuras óptimas para determinadas
condiciones y características. En este contexto se realiza una revisión bibliográfica resumida en la
Tabla 3, en la que se presentan estudios y modelos para la evaluación del desempeño de SUDS.
Tabla 3 Modelos empleados para la evaluación de desempeño de pavimentos porosos-1
Modelo (ECN) SWMM5-LID- PROPAV
Schwartz method: effective curve number
Storm Water Management Model for Low impact Design
Descripción
El método consiste en encontrar una curva de relación entre la precipitación y la escorrentía generada.
Es una herramienta computacional, empleada para la evaluación del desempeño hidrológico de diferentes estructuras LID.
Es un modelo independiente de comparación y optimización de sistemas.
5
Parámetros Características del área
Uso de la tierra
Precipitación
Suelo (porosidad)
Estructura del pavimento(capacidad de infiltración y espesores )
Características de la superficie.
Estructura del pavimento
Coeficiente y exponente de drenaje
Características de la cuenca.
Alcances y limitaciones
Se puede proponer una curva de diseño, independiente del evento de lluvia.
Hay incertidumbre en la forma en que se asumen las pérdidas iniciales del sistema, ya que estas representan las pérdidas de un pavimento convencional (curva 98).
No es apropiado para sistemas de pavimentos porosos con sistema de drenaje.
Sobreestima la escorrentía del sistema.
Incorpora algoritmos físicamente basados de LID, usando balances simples de masa en los que se mira el cambio de volumen de agua en cada capa del pavimento con respecto al tiempo.
Es capaz de predecir los caudales máximos para pavimentos porosos con infiltración natural y con sistema de drenaje.
No cuenta con una precisión alta para estimar volúmenes de descarga, ya que tiende a sobreestimar los flujos.
Es posible llegar a evaluar diferentes diseños y alternativas, optimizando el sistema.
No hay gran variedad de documentos que referencien el uso del programa para estructura de pavimentos porosos.
Capacidad de descarga
No requiere descargar un modelo computacional.
Disponible para descargar. No se encuentra disponible para descarga.
Fuente Hydrologic Characterization of Undrained Porous Pavements (Martin & Kaye, 2014)
Hydraulic and hydrologic modelling of permeable pavement (Hohaia, Fassman , Hunt, & Collins, 2011)
Porous Pavement Hydrology (Syrrakou, Fitch, Elliasen , Ahearn, & Pinder, 2010)
Tabla 4 Modelos empleados para la evaluación de desempeño de pavimentos porosos- 2
Modelo VS2DTI Geoestudio SEEP/W ERWIN
Descripción
Modelo que hace uso de aproximaciones finitas para resolver la ecuación de Richard para el flujo, y la ecuación de advección dispersión para el transporte.
Herramienta que mediante un código de elementos finitos y la información del flujo de agua dentro de la estructura, permite reconocer el diseño optimo del sistema.
Es un modelo simple que consta de seis secciones, que representan las distintas capas y espacios del pavimento
Parámetros Conductividad del suelo
Área disponible
Volumen a almacenar
Conductividad del suelo
Dimensiones y tipo de límites entre capas
Altura de agua a almacenar.
Profundidad de la precipitación y el reservorio.
Sistema de drenaje
Características del área
6
Alcances y limitaciones
Es posible realizar un análisis desde 1D a 3D.
Mediante el uso de aproximaciones finitas es capaz de modelar los fenómenos de advección, dispersión y transporte de contaminantes
La versión de descarga gratuita únicamente permite un análisis en 2D y cuenta con restricciones de aplicación.
EL modelo puede ser complementado con 7 modelos adicionales, como CTRAN/W, que es utilizado para análisis de transporte de contaminantes.
Es posible considerar el sistema con redes de flujo en estado estacionario y transitorio
La versión gratuita para estudiantes cuenta con diversas restricciones.
Se representa el sistema como una combinación de estructuras con diferentes características. En este sentido se representa el sistema de pavimento poroso a través de elementos como carreteas y zanjas filtrantes (soakaway).
Alto nivel de ajuste.
Capacidad de descarga
Disponible para descarga. Disponible para descarga. Disponible online
Fuente
(USGS, 2015) Guía del usuario para SEEP/W. (Geo- Slope Office, 2001)
Modelling the outflow from a porous pavement (Schlüter & Jefferies, 2002)
Teniendo la información presentada en las tablas 3 y 4, se puede concluir que el modelo más
apropiado para la evaluación de los sistemas diseñados es el modelo SWMM. El uso de la
herramienta LID, hace que SWMM sea el modelo más confiable para la evaluación y balance
hidrológico del pavimento. No obstante podría proponerse en un futuro emplear la herramienta
SEEP, para la evaluación y validación de las restricciones existentes para los SUDS, aprovechando su
extensión a análisis de contaminantes.
3. Metodología
En esta sección se presenta de forma resumida la metodología empleada en el desarrollo del
proyecto y su respectivo análisis, presentando en una primera parte los métodos hidráulicos y
estructurales estudiados para el desarrollo de la herramienta computacional PAVP. Una vez
presentada la base matemática del programa, se expone de forma breve el resultado de la
herramienta computacional, para finalmente presentar el modelo elegido para la evaluación del
pavimento poroso dimensionado.
3.1. Metodologías de diseño Hidrológico Países pioneros en la implementación de sistemas de pavimentos porosos, como Japón, Holanda y
Australia, han generado distintas metodologías y guías de diseño basadas en la hidráulica de la
estructura. Las metodologías presentadas en la Tabla 5 tienen como objetivo llegar a un
dimensionamiento, basado en un balance de masa simple, que garantice un drenaje y
funcionamiento adecuado del sistema, de manera que se cumplan con las distintas restricciones y
recomendaciones para la implementación de pavimentos porosos.
7
Tabla 5 Ecuaciones de las metodologías de diseño Hidrológico
Método Volumen o altura del afluente Ec Volumen o altura del efluente Ec
Método Chile1
𝑉𝑎𝑓𝑙 = 1.25 ∗ 0.001 ∗ 𝐶 ∗ 𝐼 ∗ 𝐴 ∗𝑑
60
1 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 0.001 ∗ 𝑓 ∗ 0.33 ∗ 𝐴𝑝𝑎𝑣 ∗
𝑑
60 2
Método de lluvias2
𝐻𝑖𝑛 = 𝐼 ∗𝑑
60
3
𝐻𝑜𝑢𝑡 =𝑄𝑠
𝑆𝑎∗
𝑑
60
4
𝑄𝑠 = 0.1 ∗ 𝑓 ∗ 0.27 ∗ 𝐴𝑝𝑎𝑣 5
𝑆𝑎 = 𝐶 ∗ 𝐴 6
Método de Virginia3
𝐻𝑖𝑛 = (𝑅 + 1) ∗ 𝐼 ∗𝑑
60
7 𝐻𝑜𝑢𝑡 =𝑓 ∗ 𝑑
2 ∗ 60
8
Método manual de
SUDS4
𝐻𝑖𝑛 = 𝑑 ∗ 𝐼 ∗𝐴
𝐴𝑝𝑎𝑣
9 𝐻𝑜𝑢𝑡 =
𝑑 ∗ 𝑓
𝐹𝑆
10
Volumen Máximo
𝑽𝒎á𝒙 =𝒎á𝒙(𝑯𝒊𝒏 − 𝑯𝒐𝒖𝒕) ∗ 𝑨𝒑𝒂𝒗
𝟏𝟎𝟎𝟎
11
Espesor de la capa subbase
𝒆 = 𝑽𝒂𝒍𝒎/𝜼 12
Variables
Hin /out: V: d: I: A /Apav: C: Qs: f: Sa: R: FS: e: 𝜼:
Lámina de agua de entrada y salida (mm) Volumen de almacenamiento Duración del evento de precipitación (min) Intensidad de lluvia como función del periodo de retorno (mm/h) Área de drenaje y del pavimento poroso (m2) Coeficiente de aporte Caudal de salida de la estructura (m3/s) capacidad de infiltración del suelo (mm/h) Superficie activa (m2) Razón (A/Apav) Factor de seguridad espesor de la capa (m) Porosidad del suelo
Fuentes 1 (Ministerio de Vivienda y Urbanismo, 1996)
2 (Ramos Ragúa , 2015)
3 (VIRGINIA, 2013) 4 (Wuguang, In Tai, Hyunwook, & Yoon-Ho, 2013)
8
Para la implementación de los métodos presentados, es necesario mostrar dentro de la metodología
del proyecto las herramientas de análisis de precipitación empleadas. Para el caso de estudio
desarrollado, se emplearon las curvas de Intensidad Duración y Frecuencia en la estimación de las
variables de intensidad y duración solicitadas, de la misma forma se emplea el método de bloque
alterno para la generación de un hietograma de referencia.
Curvas IDF
Las curvas de Intensidad- duración- Frecuencia permiten estimar las frecuencias de sobrepaso (TR)
de los eventos lluviosos observados partir de su intervalo de observación (d) y de su intensidad
medida (I), por interpolación gráfica o matemática (Torres Abello, 2004). Para la generación de las
curvas IDF se toma la información pluviométrica de una estación de medición, mirando el intervalo
de tiempo entre registros y la precipitación asociada a este intervalo, encontrando la intensidad
para distintos conjuntos de datos equivalentes a una hora.
Posteriormente, se toma la intensidad máxima obtenida para distintas duraciones para cada
conjunto de datos. Teniendo los valores de máxima intensidad en cada año y su respectiva duración,
se ajustan a una distribución de probabilidad de Gumbel Tipo 1. Finalmente, se determinan los
parámetros de ajuste de la ecuación IDF representada por la ecuación de Montana a partir del
método de mínimos cuadrados.
Ecuación de Montana
𝐼(𝑑) = 𝐶1(𝑑 + 𝑋0)𝐶2 Ecuación 13
Donde
I(d): Intensidad (mm/h)
d: duración del evento de precipitación (min)
C1, C2, X0: Parámetros de ajuste
(Sociedad Estándares de Ingeniería para aguas y suelos LTDA.)
Método del Bloque alterno
El método de bloque alterno permite obtener un hietograma de diseño partiendo de la información
de las curvas IDF, de forma que haciendo uso de los parámetros encontrados para la ecuación de
Montana, se calculan las intensidades y precipitaciones para intervalos de 60 min. A continuación,
se procede a organizar la información a forma de hietograma triangular, ubicando la precipitación
registrada en los 60 minutos más lluviosos en el centro, para después empezar alternar las
ubicaciones de los registros de precipitación de forma descendente (Chow , Maidment, & Mays,
1994).
3.2. Metodología de diseño estructural AASHTO (AROCUTIPA, 2000)
El diseño para el pavimento flexible según la AASHTO está basado en la determinación del Número
Estructural “SN” que debe soportar el nivel de carga exigido por el proyecto (AROCUTIPA, 2000). A
continuación se presemtan las distintas variables, parámetros y cálculos necesarios para el
desarrollo de esta metodología.
9
3.2.1. Variables de diseño.
Servicialidad: Se usa como una medida del comportamiento del pavimento, la misma que
se relaciona con la seguridad y comodidad que puede brindar al usuario, cuando éste circula
por la vía. La escala de clasificación de esta variable va desde 0 a 5.
Tabla 6 Valores de referencia de Servicialidad
Índice de Servicialidad Clasificación
5-4 Muy buena
4-3 Buena
3-2 Regular
2-1 Mala
1-0 Muy mala
Nivel de confianza: Se define como la probabilidad de que el pavimento diseñado se
comporte de manera satisfactoria durante toda su vida útil, bajo las solicitaciones de carga,
o la probabilidad de que los problemas de deformación y fallas estén por debajo de los
niveles permisibles.
Desviación estándar Normal: Es usada como factor de corrección del comportamiento real
del pavimento y la propuesta del método AASHTO.
Una vez elegido un nivel de confianza y obtenidos los resultados del diseño, éstos son
corregidos por dos tipos de incertidumbre: la confiabilidad de los parámetros de entrada,
y de las propias ecuaciones de diseño basadas en los tramos de prueba. Para este fin, se
considera un factor de corrección que representa la desviación estándar, el rango sugerido
por el método AASHTO es de:
0.4 ≤ 𝑆𝑜 ≥ 0.5
Tránsito de diseño: Se basa en estimar el número de ejes equivalentes a 8,2 toneladas
(NE8.2) en el carril de diseño. En la Tabla 7 se presentan los espesores mínimos para las
capas de carpeta asfalto y base granular de acuerdo al número de ejes equivalentes,
propuestos por el método AASHTO.
Tabla 7 Espesores Mínimos, en pulgadas en función de Ejes equivalentes (AASHTO, 1993)
Tránsito (ESAL’s) En Ejes Equivalentes
Carpetas De Concreto Asfáltico
Bases Granulares
> 50000 1 o TS 4
50001-150000 2 4
150001-500000 2.5 4
500001-20000000 3 6
2000001-7000000 3.5 6
>7000000 4 6
Coeficiente de drenaje: Este parámetro depende principalmente de la capacidad de drenaje
del pavimento y el porcentaje de tiempo durante el cual el pavimento está expuesto a
niveles de humedad próximos a la saturación en el transcurso de un año.
10
Tabla 8 Valores de referencia para coeficientes de drenaje (mi)
Calidad de Drenaje
% de tiempo en el que el pavimento está expuesto a nivel de humedad próximos a la saturación
Menos del 1% 1-5% 5-25% Más de 25%
Excelente 1.40 - 1.35 1.35 – 1.3 1.30 – 1.20 1.2
Bueno 1.35 – 1.25 1-25 – 1.15 1.15 – 1.00 1.00
Regular 1-25 – 1.15 1.15 – 1.05 1.00 – 0.80 0.8
Malo 1.15 – 1.05 1.05 – 0.8 0.80 – 0.60 0.6
Muy malo 1.05 – 0.95 0.95 – 0.75 0.75 – 0.40 0.4
Módulo de resiliencia (MR)- Propiedad de la capa: Es el parámetro utilizado con el fin de
representar las propiedades de los suelos de la subrasante en el diseño de pavimentos
flexibles. Para determinarlo, la guía recomienda realizar el ensayo AASHTO T274 sobre una
muestra representativa, no obstante se presenta la alternativa de estimación a partir de
correlaciones con el porcentaje CBR (California Bearing Ratio).
Coeficientes estructurales de las capas (ai): Los coeficientes estructurales están
relacionados con los parámetros resistentes de las bases granulares, sub bases granulares,
bases tratadas con asfalto y bases tratadas con cemento. Dentro de la guía de diseño
AASHTO se encuentra una serie de Ábacos que representan los coeficientes estructurales
para cada capa del pavimento en función del CBR o el módulo de elasticidad.
3.2.2. Determinación del número estructural
El método de diseño AASHTO, está basado en el cálculo del Número Estructural “SN” sobre la capa
subrasante o cuerpo del terraplén. Para esto se dispone de la siguiente ecuación:
𝐿𝑜𝑔𝑊18 = 𝑍𝑟 ∗ 𝑆𝑜 + 9.36 ∗ 𝐿𝑜𝑔(𝑆𝑁 + 1) − 0.20 +
𝐿𝑜𝑔(∆𝑃𝑆𝐼)4.2 − 1.5
0.4 +1094
(𝑆𝑁 + 1)5.19
+ 2.32 ∗ 𝐿𝑜𝑔𝑀𝑅 − 8.07
Ecuación 14
Donde:
𝑊18: Tráfico equivalente o ESAL´s
Zr: Factor de desviación normal para un nivel de confiabilidad R
So: Desviación estándar
∆𝑃𝑆𝐼: Diferencia entre los índices de servicio inicial y el final deseado
MR: Módulo de resiliencia efectivo de la capa
SN: Número estructural
11
3.2.3. Estimación de los espesores de las capas
Los espesores de las capas individuales (Di) se obtienen a partir de las ecuaciones presentadas más
adelante, que garantizan el número estructural del pavimento. El procedimiento se realiza
considerando las distintas capas como se presenta en el siguiente esquema.
Figura 4 Esquema del pavimento (SN, D)
𝐷1∗ ≥
𝑆𝑁1
𝑎1
Ecuación 15
𝑆𝑁1∗ = 𝑎1 ∗ 𝐷1∗ ≥ 𝑆𝑁1 Ecuación 16
𝐷2∗ = (𝑆𝑁2 − 𝑆𝑁1∗)/𝑎2𝑚2 Ecuación 17
𝑆𝑁1∗ + 𝑆𝑁2∗ ≥ 𝑆𝑁2 Ecuación 18
𝐷3∗ = [𝑆𝑁3 − (𝑆𝑁1∗ + 𝑆𝑁2∗)]/𝑎3𝑚3 Ecuación 19
Donde:
SN: Número estructural de la capa
D: Espesor de la capa
a: coeficiente estructural de la capa
m: coeficiente de la capa modificado.
*Indica el valor realmente usado, el cual debe ser igual o mayor que el valor requerido según el
algoritmo (Escuela de ingeniería, s.f.).
3.3. Programa PAVP El programa PAPV desarrollado en el marco de este proyecto, consiste en una herramienta
computacional de diseño de pavimentos porosos, capaz de indicar cuales son los espesores y áreas
recomendadas para este tipo de SUDS, teniendo como base: las características hidrológicas de la
zona, propiedades del suelo, el tipo de infiltración del sistema, materiales empleados, método de
diseño desarrollado y los costos asociados a su implementación. Como anexo (Anexo2) se
encuentra el manual de usuario, en el cual se puede encontrar una información más amplia del
programa, así como sus bases e implementación.
12
3.4. Modelo SWMM Teniendo en como referencia la información presentada en las tablas de Modelos empleados para
la evaluación de desempeño de pavimentos porosos-1 y 2, se presenta el modelo computacional
Storm Water Management Model como la herramienta más completa para la evaluación de
sistemas de pavimentos porosos.
El programa SWMM, es un modelo dinámico enfocado en la gestión de aguas pluviales, cuyo
proceso se basa en un balance de masa representado en el diagrama de procesos mostrado en la
Figura 5. La herramienta realiza simulaciones de precipitaciones ya sea para un único
acontecimiento o para realizar una simulación continua en periodo extendido, permitiendo seguir
la evolución de la cantidad y la calidad del agua de escorrentía de cada cuenca, así como el caudal,
el nivel de agua en los pozos o la calidad del agua en cada tubería y canal durante una simulación
compuesta por múltiples intervalos de tiempo (EPA, 2010).
Una de las ventajas del modelo SWMM frente a los demás estudiados para la evaluación del
desempeño, es la existencia de un módulo de simulación específico para unidades de LID (Low
Impact Development), en el cual se puede considerar una estructura de pavimento poroso con o sin
sistema de drenaje. El funcionamiento de los sistemas de pavimento poroso es representado en el
modelo como se indica en la siguiente figura.
Figura 6 Esquema de la unidad LID de pavimento poroso (EPA, 2010)
Abstracción inicial
Escorrentía
Controles LID
Descarga
Tratamiento/ desviación
Precipitación
Deshielo
Evaporación/
Infiltración
Acuíferos Construcciones
Canales, tuberías y estructuras
de almacenamiento Agua residual
RDII
Figura 5 Diagrama de procesos del modelo SWMM
13
4. Implementación
4.1. Áreas de estudio seleccionadas Zona 1
Para la elección del área de estudio, se tuvo en cuenta la ubicación de las subcuentas prioritarias en
la ciudad de Bogotá, definidas como aquellas subcuencas con un mayor número de unidades de
gestión ambiental prioritarias, correspondientes a áreas de drenaje definidas según las
características locales de drenaje sanitario y/o pluvial. (Centro de Investigaciones en Ingeniería
Ambiental CIIA, 2015). Asimismo, se consideraron las ubicaciones de las áreas potenciales para la
ubicación de pavimentos porosos, teniendo restricciones de: pendiente (0,5-5%), nivel freático
(>3m) y distancia a cimientos (>6m). Llegando a la elección de un área con alto potencial para la
implementación de pavimentos porosos, dentro de la subcuenca Interceptor derecho de Fucha.
Zona 2
Se seleccionó como segundo caso de estudio un área dentro del Parque metropolitano San Cristóbal,
en la que actualmente se desarrollan estudios para la implementación de pavimentos porosos como
parte de un plan piloto de implementación de SUDS, llevado a cabo por la Universidad de los Andes
y la empresa de Acueducto y alcantarillado de Bogotá.
4.1.1. Características y variables de las zonas seleccionadas. Tabla 9 Ubicación de las zonas de estudio e información de suelos
Ubicación - Tipo de suelo
Figura 7 Zona de estudio1
Figura 8 Zona de estudio2
Características Zona de estudio 1 Zona de estudio 2
Localidad Antonio Nariño San Cristóbal
Dirección Calle 12 Sur # 14 Diagonal 13 Sur # 3
Actividad Área residencial Zona verde
Tipo de Suelo1
Deposito fluvio- Lacustre Formación Bogotá
Suelo con depósitos de los ríos Bogotá, Tunjuelito y afluentes con geoformas planas a ligeramente onduladas, de composición limo-arcillosa
Parte superior predominantemente arcillosa; alternancia de areniscas y arcillolitas en la parte inferior.
14
Pendiente2 1.84 0.03
Porosidad 0.423 0.4
CBR 8 8
Nivel Freático2 4.29m 4.9m
Infiltración 10.2205mm/h 5.75mm/h
Fuentes 1 (Seisan), 2 (Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental CIIA, 2015)
Tabla 10 Coeficiente de aporte del área de drenaje
Áreas consideradas y coeficientes de escorrentía
Zona Zona de estudio 1 Zona de estudio2
Área C. de escorrentía Área C. de escorrentía
Pavimento Poroso 1999.83 m2 - 107.3 m2 -
Área impermeable 3400.5 m2 0.81 713.15m2 0.81
Zonas verdes 150.577 m2 0.231 0m2 0.231
Área total de drenaje 3551.07 m2 0.776 713.15 m2 0.8
Suponiendo :
Techos de concreto
Periodo de retorno de 5 años
Cubierta de pasto mayor del 75% del área.
Pendiente: Plano 0-2% 1Fuente: (Portafolio)
Tabla 11 Sistema de tuberías
Sistema de tuberías - Drenaje
Figura 9 Mapa del sistema de tuberías de la zona 1
Figura 10 Mapa del sistema de tuberías de la zona 2
Tipo Zona de estudio 1 Zona de estudio 2
Longitud Diámetro Longitud Diámetro
Local pluvial - - 523.8 1.1
Troncal pluvial 213.9 m - 265.9 1.2
Sanitario troncal 266 m 1.8 m - -
Sanitario local 180.88 m 0.2 m 1201.79 m 0.2m
Pozos Combinados :4 Pluviales: 8
Sumideros Combinados: 4 Pluviales: 10
15
4.1.2. Información Hidrológica de las zonas de estudio Para realizar la selección de la estación de medición se realizó un proceso de comparación, en el que
se buscó la estación pluviométrica que tuviera una distancia mínima a cada una de las zonas de
estudio. Obteniendo para ambos casos la estación de Vitelma como estación de referencia.
La información hidrológica presentada en las Tablas 12 y 13 es proporcionada por el Estudio y
Revisión de las Curvas IDF/ PADF Para la Sabana de Bogotá realizado por el acueducto de agua y
alcantarillado de Bogotá. En la sección 3.1 se explica la metodología empleada en el análisis de los
datos pluviométricos, presentando de forma resumida el proceso de obtención de los parámetros
de Montana presentados en la Tabla 13, partiendo de los parámetros de la ecuación se presentan
las intensidades máximas (Tabla 13 y Figura 11) teniendo como referencia periodos de retorno de
3, 5, 10, 25, 50 y 100 años y duraciones de 15, 30, 60, 120 y 30 minutos.
Tabla 12 Parámetros de ajuste
PARÁMETROS DE LA ECUACION DE AJUSTE
Parámetro tr 3 años tr 5 años tr 10 años tr 25 años tr 50 años tr 100 años
c1 4052.16 4506.37 5237.86 5987.43 6691.39 7188.01
x0 30.8 31.2 31.9 32.2 32.6 32.7
c2 -1.07 -1.06 -1.06 -1.06 -1.06 -1.05
Tabla 13 Intensidad máxima obtenida a partir del análisis de frecuencia
INTENSIDAD MÁXIMA OBTENIDA A PARTIR DEL ANÁLISIS DE FRECUENCIA (mm/h)
duración tr 3 años tr 5 años tr 10 años tr 25 años tr 50 años tr 100 años
15 67.5 76.3 87.3 101.2 111.6 121.8
30 51.4 58.5 67.4 78.6 86.9 95.2
60 32.4 36.9 42.4 49.4 54.6 59.8
120 18.3 21 24.4 28.6 31.8 34.9
360 7 8.1 9.4 11.1 12.3 13.6
Figura 11 Curva IDF estación Vitelma
16
4.2. Implementación de PAVP Se implementó el programa PAPV para las zonas de estudio seleccionadas, teniendo como
parámetros la información presentada de la Tabla 9 a la ¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia., adicionalmente se realizaron estimaciones del material que compone el pavimento,
esto debido al déficit estudios puntuales para la determinación de las propiedades del suelo en las
zonas de estudio. Las estimaciones enlistadas a continuación, son realizadas de acuerdo a
información del estado vial, recomendaciones y valores de referencia.
Se consideraron los valores asociados a una vía de clasificación local y de calidad de drenaje
aceptable.
La carpeta de rodadura considera un valor medio de módulo de elasticidad de 250000
asociados a un coeficiente estructural de 0.35.
Se le asignó a la base granular y sub base, CBRs de 70 y 30 respectivamente asociados a un MR
y coeficiente estructural de acuerdo a la información mostrada en los ábacos presentados en
la guía de diseño AASHTO.
4.2.1. Resultados - Espesores de la capa subbase Las siguientes figuras presentan los resultados obtenidos del diseño estructural del pavimento para
las zonas de estudio.
Figura 12 Resultados- Dimensionamiento capa sub base – Zona 1
17
Figura 13 Resultados- Dimensionamiento capa sub base- Zona 2
De acuerdo a los resultados de los métodos de diseño hidráulico para las lluvias de diseño de
1,5,10,25,50 y 100 años presentados, se puede observar de forma general que el espesor de la capa
subbase tiende a aumentar de forma proporcional al periodo de retorno. Asimismo, se puede
observar que para ambos casos los mayores espesores planteados corresponden a los obtenidos
por el método de diseño de Virginia, teniendo una mayor variabilidad para la zona de estudio 1. Por
otra parte, se encuentra que el método que presenta los menores valores de dimensionamiento
corresponde al método de lluvias, generando un error relativo de hasta 45%, si se compara con los
valores obtenidos para el método de Virginia.
Para la elección del método a implementar en el desarrollo de este proyecto, se tiene en cuenta que
la variabilidad de los valores encontrados responde a las suposiciones y factores de seguridad
propuestos en cada método de diseño. En este contexto y con el objetivo de no sub o sobre
dimensionar el sistema, se excluyen los diseños obtenidos mediante los métodos de diseño de
Lluvias y Virginia. En este punto se elige el método de Chile como el método de diseño a
implementar, teniendo como fundamento el nivel de confianza que aporta mediante los factores
de seguridad, de forma que propone coeficientes que aumentan el volumen de entrada y disminuye
el volumen del efluente esperado, dando paso a un mayor volumen de almacenamiento de diseño.
Como recomendación de las guías de diseño hidrológico, para vías de paso vehicular se debe
comparar los resultados obtenidos con un método de diseño estructural de pavimentos, con el
objetivo de generar un grado se seguridad vial. En el caso de estudio se tiene que para ambas zonas
el dimensionamiento hidrológico es mayor al dimensionamiento propuesto por el método AASHTO,
certificando la resistencia del sistema bajo condiciones de diseño hidrológico.
18
4.2.2. Resultados- Costos de Implementación y mantenimiento Las figuras que se presentan a continuación presentan la variación del costo de implementación del
sistema, teniendo que ésta es significativamente mayor al emplear pavimentos de concreto o asfalto
poroso, no obstante, cabe mencionar que el concreto o asfalto poroso es el tipo de pavimento
permeable más resistente y recomendado para vías de uso vehicular (DENEVER, 2010). Teniendo en
cuenta lo anterior y el uso potencial para parqueadero de las zonas elegidas, se opta por la tipología
de pavimento poroso asfaltico o de concreto.
Figura 14 Costos - Tipo de pavimento - Zona de estudio 1
Figura 15 Costos - Tipo de pavimento - Zona de estudio 2
$40
$60
$80
$100
$120
$140
$160
$180
$200
Adoquinesentrelazados
Adoquines concretoporoso
Poroso
Co
sto
($
mill
on
es)
Costos según el tipo de de pavimento poroso(TR=10 años)
Método de lluvias
Método Chile
Método de Virginia
Método de SUDS
ASSHTO
$5
$10
$15
$20
$25
$30
$35
Adoquinesentrelazados
adoquines concreto/asfaltoporoso
poroso
Co
sto
($
mill
on
es)
Costos según el tipo de de pavimento poroso(TR=10 años)
Método delluvias
MétodoChile
Método deVirginia
Método deSUDS
ASSHTO
19
Por otra parte, al realizar un análisis de costo teniendo como parámetro de comparación el tipo de
sistema empleado (Figura 16) (Figura 17), se presenta una relación inversa entre infiltración y costo,
de manera que cuando se garantiza un mayor nivel de infiltración se van reduciendo los costos
asociados al sistema. La relación entre el costo y el tipo de sistema, se deriva de la necesidad de
implementar barreras de impermeabilización y distintos tipos de sistemas de drenaje.
Figura 16 Costos - Tipo de infiltración- Zona de estudio 1
Figura 17 Costos - Tipo de infiltración- Zona de estudio 2
Otro de los parámetros considerados y que tiene un grado de afectación significativo en la
evaluación de los costos asociados al proyecto, es la existencia de pendiente del terreno, ya que
implica la instalación de barreras laterales y la división en celdas del sistema. Considerando que para
los dos casos de estudio se tiene una pendiente mayor a cero, se dispuso de barreras laterales
repartidas de forma uniforme a dentro de la estructura del sistema.
$100
$110
$120
$130
$140
$150
$160
$170
$180
$190
Infiltracióncompleta
Infiltraciónparcial
Sin infiltración
Co
sto
($
mill
on
es)
Costos segun el tipo de infiltracion(TR=10 años)
Método de lluvias
Método Chile
Método de Virginia
Método de SUDS
ASSHTO
$10
$15
$20
$25
$30
$35
$40
Infiltracióncompleta
Infiltraciónparcial
Sin infiltración
Co
sto
($
mill
on
es)
Costos segun el tipo de infiltracion(TR=10 años)
Método de lluvias
Método Chile
Método de Virginia
Método de SUDS
ASSHTO
20
4.2.3. Diseño final. Teniendo en cuenta que la mayoría de estructuras de drenaje colombianas son realizadas para un
periodo de retorno de 10 años (EPM, 2014), se consideran los siguientes diseños finales.
Tabla 14 Diseño preliminar
Zona de estudio 1 Zona de estudio 2
Método de diseño Método de Chile
Periodo de retorno 10 años
Costo del proyecto $161 millones $12 millones
Capa Espesor(cm) Espesor (cm)
Carpeta de Rodadura 12.49 12.46
Base 15.24 15.24
Súbase 19.165 90.03
La diferencia en el dimensionamiento de la capa subbase y los costos de proyecto para las zonas de
estudio seleccionadas, responde a diversos factores como la diferencia de proporciones entre el
área disponible para la implementación del sistema de pavimentos porosos y el área tributaria
asociada. Otro factor que influencia la diferencia de dimensiones de las capas subbase para la zona
de estudio, es el bajo nivel de infiltración que con que cuenta la zona de estudio 2 comparada con
la tasa de infiltración disponible para la zona de estudio 1.
4.3. Evaluación del pavimento diseñado - SWMM La evaluación de desempeño de los pavimentos definidos en la sección anterior se hace por medio
de la estimación de la infiltración en los sistemas diseñados y la escorrentía generada en el área
total de las subcuencas estudiadas. Antes de realizar la evaluación del sistema, se presenta la
definición los casos de estudio dentro del modelo SWMM, teniendo como base la siguiente
representación gráfica de las zonas de estudio.
Figura 18Representación del caso de estudio en SWMM 5.0
4.3.1. Parámetros ingresados Los parámetros considerados para la definición de la cuenca, el modulo LID, conductos, nodos y
series de tiempo de lluvia, se fundamentan en la descripción del área de estudio y los resultados
obtenidos en el diseño del sistema. Los parámetros que no se encuentran incluidos en la descripción
de la zona de estudio son estimados teniendo en cuenta las características de la zona de estudio, el
tipo de suelo y los valores típicos o recomendados por el manual de usuario del modelo (Tabla 15).
21
Tabla 15 Parámetros estimados (EPA, 2010)
Parámetro Valor
Coeficiente de Manning para escorrentía superficial.
Cemento 0.015
Pasto natural 0.13
Almacenamiento en depresión
Superficie impermeable 1.25- 2.5mm
Césped, pastos y hierba 2.5- 5mm
Parámetros de la cuenca y conductos
La Tabla 16 y la Tabla 17 presentan los valores empleados como valores por defecto para la
subcuenca representada en el modelo. Del mismo modo, la Tabla 18 presentan los parámetros
ingresados para la evaluación de nodos y conductos.
Tabla 16 Parámetros de la cuenca
Propiedad Valor
Área (ha) 0.555 0.0823
Ancho (m) 67.66 27.5
Pendiente 1.84 0.03
Área impermeable % 97.29 100
n-Impermeable 0.015
n-Permeable 0.13
Alm. Dep.- Impermeable 1.25
Alm. Dep.- Permeable 2.25
% Alm. Dep. 0 25
Modelo de infiltración HORTON
El porcentaje de área impermeable presentado, no incluye el área del pavimento poroso para
eliminar la redundancia generada al agregar el control LID. En cuanto a los parámetros de la
infiltración de Horton se tuvo en cuenta que los valores típicos del coeficiente de decaimiento están
entre 2 y 7, por lo que se asume un valor de 5 para el área de estudio. Asimismo, se eligió un tiempo
de secado de 2 días siguiendo las recomendaciones del manual de usuario. Para esta evaluación del
sistema, se consideró que no hay límite máximo del volumen de infiltración posible, por lo que el
parámetro de volumen máximo no aplica. No obstante, es necesario reafirmar que los resultados
de esta evaluación pueden variar si se realiza un estudio más profundo de las características del
suelo y del sistema.
Tabla 17 Parámetros infiltración HORTON
Propiedad Valor
Tasa de inf máx. (mm/h) 10.22
Tasa de inf mín. (mm/h) 9
Constante de decaimiento (1/h) 5
Tiempo de secado (días) 2
Volumen máx. 0
22
Adicional a los parámetros por defecto, la cuenca de estudio requiere de información adicional
como: el pluviómetro asociado a la cuenca, punto de descarga y usos de suelo. Esta última
información, será omitida ya que está relacionada a la modelación de contaminantes.
Tabla 18 Parámetros de nodos y conductos
Propiedad Valor Z1 Valor Z2
Node invert 0
Node Max. Depth 0
Node Ponded Area 0
Longitud del conducto (m) 180.88 263
Geometría del conducto CIRCULAR
Diámetro (m) 0.2
Rugosidad 0.01
Unidades de flujo LPS
Método de cálculo Onda Cinemática
Ecuación de la tubería Hazen-Williams
Parámetros del pavimento poroso
Superficie
Anteriormente se han considerado las áreas verdes de las zonas de estudio, por lo que en se
considera un valor de 0 para al parámetro de cobertura vegetal y de almacenamiento en superficie.
Por otra parte se da un valor de 0.017 (García Haba, Perales Monoparler, & Doménech, 2004) al
coeficiente de manning, un valor de 0.19 a la relación de vacíos, correspondiente a una porosidad
de 16%, típica de pavimentos porosos (Trujillo López & Quiroz Lasprilla, 2013).
Pavimento
Teniendo en cuenta los resultados del programa de diseño de pavimentos porosos se asigna un
espesor de 126.64mm. En cuanto a la relación de vacíos se le asigna un valor de 0.19, teniendo en
cuenta que se tiene la misma porosidad de la superficie. Finalmente para esta capa se asume que
cuenta con una alta permeabilidad y no cuenta con colmatación.
Suelo
Para el espesor de esta capa se le asigna el valor de 152.4mm, correspondiente a la capa base
obtenida mediante el método de diseño estructural AASHTO. La siguiente tabla presenta los
parámetros requeridos para la evaluación de esta capa.
Tabla 19 Parámetros LID- Suelo
Parámetro Valor (Z1) Valor (Z2) Fuente
Porosidad 0.423 0.4 (García, Rodriguez, López, & Tenorio, 2010)
Capacidad de campo 0.232 0.22 (EPA, 2010)
Punto de marchitamiento 0.116 0.116 (EPA, 2010)
Conductividad (mm/h) 3.3 3.3 (EPA, 2010)
Pendiente de conductividad
15 15 (CHI Support, 2015)
Cabeza de succión (mm) 89 89 (EPA, 2010)
23
Almacenamiento
Esta capa corresponde a la capa sub base por lo que se tienen en cuenta los espesores obtenidos
por el método de diseño de Chile y un periodo de retorno de 10 años. En cuanto a la relación de
vacíos de la capa, se considera un valor de 0.733 correspondiente a una porosidad aproximada de
0.4 y se le asigna una permeabilidad de 2.5 (valor de referencia).
Drenaje
Dado que las tasas de infiltración de las zonas de estudio se encuentran por debajo a las tasas
recomendadas para sistemas de infiltración completa, se le asigna un sistema de drenaje a ambas
estructuras. De esta forma se emplea: la Ecuación 21, para el cálculo del coeficiente de descarga (C);
la Ecuación 20 , para hallar la altura de desagüe (Hd) (EPA, 2010) y la Ecuación 22 (propuesta por el
Ministerio de Vivienda y Urbanismo de Chile), para la estimación del tiempo medio de vaciado (T)
(Ramos Ragúa , 2015).
𝑞 = 𝐶(ℎ − 𝐻𝑑)𝑛 Ecuación 20
𝐶 = 2 ∗𝐷
12
𝑇
Ecuación 21
𝑇 =𝜂 ∗ 𝑒
𝐶𝑠 ∗ 𝑓
Ecuación 22
Donde:
C: Coeficiente de descarga
q: Caudal de salida del sistema (mm/h)
h: Altura almacenada (mm)
Hd: Altura de la tubería de desagüe (mm)
D: Altura almacenada (mm)
T: Tiempo medio de vaciado 8h)
Ƞ: Porosidad de la capa subbase
Cs: coeficiente de seguridad
La altura de la tubería de desagüe se estima considerando los espesores obtenidos para cada
periodo de retorno y una tubería de diámetro de 10.16 cm ubicada en la parte superior de la capa
subbase, de acuerdo con las recomendaciones del departamento de planeación y desarrollo de
Seattle (Department of Planning and Development, 2009).
Para el cálculo del tiempo de retorno y el coeficiente de descarga, se consideran las propiedades de
considera: una porosidad de 0,4, correspondiente a la subbase; un coeficiente de seguridad de
0.333, correspondiente al método de Chile y una altura de almacenamiento igual al producto entre
los volúmenes de descarga obtenidos por el programa y el área del pavimento. Igualmente, se
considera un exponente de descarga de 0,5 de acuerdo con las recomendaciones del manual del
usuario SWMM (EPA, 2010).
24
Para un espesor de 29.41 cm obtenido por medio del método de diseño AASHTO para ambos casos,
se tiene: un coeficiente de descarga de 192.5mm, tiempo de vaciado de 37 horas y una altura de
desagüe de 192.5mm. En las siguientes tablas se presentan los parámetros encontrados parara cada
método de diseño hidráulico en cada zona de estudio.
Tabla 20 Coeficiente de descarga y altura de desagüe
Zona de estudio Método Hd (mm) T (h) C
1 Método de Lluvias 66.4 21 1.23
Método de Chile 90.4 24 1.15
Método de Virginia 209.4 39 0.90
Método de SUDS 88.4 24 1.15
2 Método de Lluvias 634.4 154 0.35
Método de Chile 801.4 188 0.32
Método de Virginia 926.4 215 0.30
Método de SUDS 786.4 185 0.32
Datos de precipitación
Haciendo uso de la información de lluvias manejada hasta este punto del trabajo, correspondiente
a las curvas IDF de la estación VITELMA, se desarrolló el método de bloque alterno con intervalos
de duración de 60 min, obteniendo las siguientes intensidades de lluvia.
Tabla 21 Hietogramas de diseño para los diferentes periodos de retorno
Duración (h)
Intensidad parcial alternada (mm/h)
Tr 3 años TR 5 años Tr 10 años Tr 25 años Tr 50 años Tr 100 años
1 0.368 0.539 0.652 0.758 0.866 1.150
2 1.830 2.318 2.755 3.179 3.597 4.332
3 32.510 37.691 43.455 49.502 55.069 61.827
4 5.292 6.419 7.564 8.696 9.791 11.390
5 0.792 1.063 1.273 1.474 1.675 2.104
6 0.164 0.281 0.345 0.404 0.464 0.667
4.3.2. Resultados
Una vez ingresados los respectivos parámetros de: la subcuenca, nodos y módulo LID, se corre el
modelo para los datos de precipitación presentados en la Tabla 21. Los resultados de la
implementación de un sistema de pavimento poroso en la zona de estudio 1, que se presentan en
La Tabla 22, revelan que es posible reducir en gran medida la producción de agua lluvia que se
convierte en escorrentía. De esta forma, el área correspondiente a una zona de uso residencial con
secciones de parqueadero, podría proponerse como un área de desconexión parcial al sistema de
manejo de aguas pluviales de Bogotá. Por otra parte, en la Figura 19 y la Figura 20 se enseña el
proceso de escorrentía en las subcuencas, presentando una reducción de 76% y 54% para la zona
de estudio 1 y 2 respectivamente.
25
Figura 19 Variación de la escorrentía en función del periodo de retorno- Zona de estudio 1
Tabla 22 Reducciones de escorrentía correspondientes a la zona de estudio 1
TR 3 años 5 años 10 años 25 años 50 años 100 años
Máximo (mm/h) 16.26 18.88 21.79 24.85 27.66 31.08
Reducción (mm/h) 50.35 47.73 44.82 41.76 38.95 35.53
reducción % 76% 72% 67% 63% 58% 53%
Figura 20 Variación de la escorrentía en función del periodo de retorno- Zona de estudio 2
Tabla 23 Reducciones de escorrentía correspondientes a la zona de estudio 2
TR 3 años 5 años 10 años 25 años 50 años 100 años
Máximo (mm/h) 6.46 7.49 8.64 9.84 11.07 13.32
Reducción (mm/h) 7.67 6.64 5.49 4.29 3.06 0.81
reducción % 54% 47% 39% 30% 22% 6%
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00
Esco
rre
ntí
a (L
/s)
Tiempo (HH:MM:SS)
Variación De La Escorrentia Con Respecto a TR
Sin pavimento
3 años
5 años
10 años
25 años
50 años
100 años
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0:00:00 2:24:00 4:48:00 7:12:00 9:36:00
Esco
rre
ntí
a (L
/s)
Tiempo (HH:MM:SS)
Variación de escorrentía en función de TR
sinpavimento3 años
5 años
10 años
25 años
50 años
26
Las Figuras 21 y 22 presentan la infiltración del sistema, presentando una tendencia de reducción
de la tasa de infiltración cuando el pavimento está a punto de llegar a su punto de saturación y de
generación de escorrentía. De forma general se puede decir que los pavimentos presentados
cuentan con una mayor eficiencia para menores periodos de retorno.
Figura 21 Infiltración del agua lluvia en función de TR- Zona de estudio 1
Figura 22 Infiltración del agua lluvia en función de TR- Zona de estudio 2
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00
Infi
ltra
ció
n (
mm
/h)
Hora (HH:MM:SS)
Infiltración del agua lluvia en función de TR
3años
5 años
10 años
25 años
50 años
0.07
0.12
0.17
0.22
0.27
0.32
0.37
0:00:00 4:48:00 9:36:00 14:24:00 19:12:00 0:00:00 4:48:00
Infi
ltra
ció
n (
mm
/h)
Tiempo (HH:MM:SS)
Infiltración del agua lluvia en función del TR
3 años
5 años
10 años
25 años
50 años
100 años
27
5. Conclusiones El programa generado permite realizar una comparación objetiva entre las distintas
metodologías de diseño estudiadas, presentando los métodos de diseño de SUDS y Chile
como los más acertados para el dimensionamiento de sistemas de pavimentos porosos.
Asimismo, la herramienta desarrollada permite realizar una comparación entre tipos de
pavimentos y sistemas de infiltración, encontrando grandes diferencias en los costos
asociados a su implementación. En este contexto se plantean las estructuras con sistema de
infiltración completa y de adoquines como las más económicas de implementar, lo cual no
quiere decir que necesariamente este tipo de estructuras sean las más recomendadas para
implementar. En este contexto, la elección de la configuración del sistema debe contar con
un estudio previo, en el que se reconozcan las demandas, los riesgos y limitaciones
asociados al uso del suelo.
Considerando la revisión de los modelos de evaluación del desempeño de SUDS, se elige
SWMM como el modelo más completo y acertado para la evaluación de sistemas de
pavimento poroso considerando: la presencia del módulo Low Impact Development (LID),
especializado en la evaluación de SUDS y la facilidad de acceso y descarga del programa. De
esta forma, Mediante el uso del módulo de LID se logró simular de forma efectiva el impacto
de la implementación de pavimentos porosos sobre determinadas subcuencas.
Teniendo como referentes los resultados de desempeño obtenidos para la zona de estudio
1, se propone que mediante el desarrollo de herramientas como PAPV se puede llegar a
impulsar la implementación y desarrollo de SUDS para zonas clasificadas como prioritarias
dentro de la ciudad de Bogotá. En este contexto, el presente proyecto promueve la
implementación de SUDS en la ciudad, al proporcionar una herramienta que facilita el
proceso de diseño, análisis de presupuesto y evaluación de Sistemas de Drenaje Urbano.
Los resultados de la evaluación del sistema demuestran la capacidad de los pavimentos
porosos para reducir la escorrentía generada del sistema. Para los casos de estudio
presentados, se señaló que el sistema diseñado es capaz de reducir los volúmenes de
escorrentía en un orden de 50 a 75%.
El diseño obtenido para los sistemas de pavimento poroso, cuenta con un alto nivel de
incertidumbre asociada a la falta de información de la composición y propiedades reales de
los materiales que componen el pavimento, por lo que la información presentada en la
Tabla 14 se debe tomar como un diseño preliminar de los sistemas. Para poder
complementar este proyecto y validar los resultados obtenidos se debe considerar un
estudio adicional de suelos.
Finalmente, se reconoció la capacidad de infiltración del sistema y la razón ente área de
pavimento tributaria como unas de las variables de diseño que tienen mayor influencia en
el diseño del sistema de pavimento poroso.
28
6. Bibliografía AASHTO. (1993). Guide for Design of Pavement Structures.
Alabama Department of Environmental Management. (2014). Permeable pavement. En Low
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desarrollo de las tecnologías y/o tipologías de SUDS que más se adapten a la problemática
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Porous Block Pavements Using an Accelerated Pavement Tester. Jurnal of Hidrologic
Engineering, 19(9).
Yong, C. F., McCarthy, D. T., & Deletic, A. (2013). Predicting physical clogging of porous and
permeable pavements. Journal of Hydrology, 48-55.
Anexos
1. Anexo- Memorias de Cálculo Con el objetivo de verificar y mostrar el procedimiento que se lleva a cabo al interior de la
herramienta computacional generada, en la siguiente sección se presenta un ejemplo de cálculo
para cada método empleado en el diseño del sistema para la zona de estudio 1.
Métodos Hidrológicos
Se determina el espesor de la capa sub base teniendo como referencia el almacenamiento máximo
para cada periodo de retorno, para el ejemplo de cálculo, se emplea u TR de 5 años y una duración
de 120 min.
Método de Lluvias
Calculo de altura afluente, efluente y volumen almacenado.
𝑄𝑜𝑢𝑡 = 0.1 ∗10.2205𝑚𝑚
ℎ/1000 / 3600 ∗ 1999.83𝑚2 = 5.67𝑋10−4𝑚3/𝑠
𝑆𝑎 = 0.776 ∗ 3551.07𝑚2 = 2755.63 𝑚2
𝑞𝑠 = (5.67𝑋10−4𝑚3
2755.63 𝑚2 ) ∗ 1000 ∗ 3600 = 0.74 𝑚𝑚/ℎ
𝐼 = 4506.37 ∗ (31.2 + 120)−1.06 = 22.05𝑚𝑚/ℎ
𝐻𝑖𝑛 =22.05𝑚𝑚
ℎ∗
120
60= 44.109 𝑚𝑚
𝐻𝑜𝑢𝑡 = 𝑞𝑠 ∗120
60= 1.48𝑚
𝐻𝑚𝑎𝑥 = (𝐻𝑖𝑛 − 𝐻𝑜𝑢𝑡)/ 1000 ∗ 𝑠𝑎 = 117.46𝑚3
Seleccionado el volumen máximo de almacenamiento para cada TR se aplica la ecuación
para la determinación del espesor de la capa.
𝑒 = 117.46𝑚3
0.423 ∗ 1999.83𝑚2= 0.138𝑚 = 13.8𝑐𝑚
Método de Chile
Calculo de volumen afluente, efluente y almacenado.
𝐼 = 4506.37 ∗ (31.2 + 120)−1.06 = 22.05𝑚𝑚/ℎ
𝑉𝑎𝑓𝑙 = 1.25 ∗ 0.001 ∗ 0.776 ∗ 3551.07𝑚2 ∗ (120/ 60) ∗ 𝐼 = 151.94𝑚3
𝑉𝑒𝑓𝑙 = 0.001 ∗ 10.2205 𝑚𝑚/ℎ ∗ 0.33 ∗ 1999.83𝑚2 ∗ 120/ 60 = 13.613𝑚3
𝑉𝑎𝑙𝑚 = 𝑉𝑎𝑓𝑙 − 𝑉𝑒𝑓𝑙 = 138.32𝑚3
32
Seleccionado el volumen máximo de almacenamiento para cada TR se aplica la para la
determinación del espesor de la capa.
𝑒 = 138.32𝑚3
0.423 ∗ 1999.83𝑚2= 0.1635𝑚 = 16.35𝑐𝑚
Método de Virginia
Calculo de altura afluente, efluente y volumen almacenado.
𝑅 =3551.07𝑚2
1999.83𝑚2= 1.77
𝐻𝑖𝑛 = (𝑅 + 1) ∗ 22.05𝑚𝑚
ℎ∗
120
60= 122.434𝑚𝑚
𝐻𝑜𝑢𝑡 = (22.05𝑚𝑚/ℎ/2) ∗ (120/60) = 10.221𝑚𝑚
𝑉𝑎𝑙𝑚 =𝐻𝑖𝑛 − 𝐻𝑜𝑢𝑡
1000∗ 1999.83 = 224.4081𝑚3
Seleccionado el volumen máximo de almacenamiento para cada TR se aplica la ecuación
para la determinación del espesor de la capa.
𝑒 = 224.4081𝑚3
0.423 ∗ 1999.83𝑚2= 0.265𝑚 = 26.5𝑐𝑚
Método de manual de SUDS
Calculo de altura afluente, efluente y volumen almacenado.
𝑅 =3551.07𝑚2
1999.83𝑚2= 1.77
𝐻𝑖𝑛 = 𝑅 ∗ 22.05𝑚𝑚
ℎ∗
120
60= 78.325𝑚𝑚
𝐻𝑜𝑢𝑡 = (22.05𝑚𝑚/ℎ/2) ∗ (120/60) = 10.221𝑚𝑚
𝑉𝑎𝑙𝑚 =𝐻𝑖𝑛 − 𝐻𝑜𝑢𝑡
1000∗ 1999.83 = 136.197𝑚3
Seleccionado el volumen máximo de almacenamiento para cada TR se aplica la ecuación
para la determinación del espesor de la capa.
𝑒 = 136.197𝑚3
0.423 ∗ 1999.83𝑚2= 0.161𝑚 = 16.1𝑐𝑚
33
Método estructural AASHTO
Determinación del número estructural:
Se determina el número estructural SN1 correspondiente a la carpeta de rodadura, teniendo en
cuenta el módulo resiliente de la capa inferior, es decir el de la base granular.
𝐿𝑜𝑔(615000) = 0.4 ∗ −0.841 + 9.36 ∗ 𝐿𝑜𝑔(𝑆𝑁 + 1) − 0.20 +
𝐿𝑜𝑔(2)4.2 − 1.5
0.4 +1094
(𝑆𝑁 + 1)5.19
+ 2.32
∗ 𝐿𝑜𝑔(14000) − 8.07
Despejando para la variable SN1, se obtiene un valor de 1.74 Posteriormente, se repite el
procedimiento para las capas de base granular y subbase, para obtener los valores SN2 y SN3
mostrados en la siguiente tabla:
Tabla 24 Números estructurales de las capas de rodadura, base y subbase
Parámetro Valor
SN1 1.74
SN2 2.28
SN3 2.46
Estimación de los espesores de las capas
Teniendo los números estructurales de las capas del pavimento, se estima el espesor teniendo en
cuenta las ecuaciones mostradas en la sección 3.2.3 Estimación de los espesores de las capas.
𝐷1∗ =1.74
0.35= 4.98𝑖𝑛 = 12.64𝑐𝑚
Como el espesor de la capa es mayor al espesor mínimo considerado para el tráfico de diseño, se
considera el espesor de 20.467 para la carpeta de rodadura.
𝐷2 =2.28 − 1.74
0.13 ∗ 1.2= 4.16 𝑖𝑛
Para la capa base no se obtiene un espesor mayor al mínimo recomendado para el tráfico de diseño
dado, por lo que se cambia a un valor de D2 igual a 6 in o 15.24cm y se corrige el número estructural
de la capa.
𝑆𝑁2 = 0.13 ∗ 1.2 ∗ 6 𝑖𝑛 = 0.936
Finalmente, se obtiene un espesor de la capa subbase de 40.51cm
𝐷3 =2.46 − (0.936 − 1.74)
0.11 ∗ 1.2= 11.578𝑖𝑛 = 29.408𝑐𝑚
2. Anexo- Manual del Usuario Universidad de los Andes
Facultad de Ingeniería Civil y Ambiental
Programa de Diseño de Pavimentos Porosos -PAVP
Manual del Usuario
Presentado por: Johanna Alejandra Pérez Carrillo
Asesor: Juan Pablo Rodríguez Sánchez
Bogotá, D.C.
2015
i
Tabla de contenido Tabla de contenido ....................................................................................................................... i
1. Introducción ................................................................................................................................ 1
1.1. Que es programa PAVP? ..................................................................................................... 1
1.2. Aplicaciones del programa PAVP ........................................................................................ 1
1.3. Contenido del manual ......................................................................................................... 1
1.4. Recomendaciones antes de iniciar el programa ................................................................. 1
2. Tutorial ........................................................................................................................................ 2
2.1. Ejemplo de Estudio de un Área ........................................................................................... 2
2.2. Menú principal .................................................................................................................... 3
2.3. Módulo de Área de infiltración ........................................................................................... 3
2.3.1. Configuración del sistema ............................................................................................... 3
2.3.2. Parámetros ...................................................................................................................... 4
2.3.3. Resultados ....................................................................................................................... 5
2.4. Módulo de espesores .......................................................................................................... 5
2.4.1. Parámetros ...................................................................................................................... 5
2.4.1.1. Parámetros Subbase ............................................................................................... 6
2.4.1.2. Método estructural ................................................................................................. 6
2.4.1.3. Tipo de Pavimento .................................................................................................. 7
2.4.1.4. Tipo de infiltración (DENEVER, 2010) ...................................................................... 8
2.4.2. Resultados y opciones ..................................................................................................... 8
2.4.2.1. Métodos de diseño .................................................................................................. 8
2.4.2.2. Comparación entre espesores ................................................................................ 9
2.4.2.3. Comparación entre Costos .................................................................................... 10
2.4.2.4. Pestaña de Resultados .............................................................................................. 11
2.5. Tablas útiles ....................................................................................................................... 12
3. Bibliografía ................................................................................................................................ 14
ii
Índice de Figuras
Figura 1 Módulo principal ................................................................................................................... 3
Figura 2 Módulo de elección de la configuración del sistema. ........................................................... 3
Figura 3 Ventana de parámetros ......................................................................................................... 4
Figura 4 Ventana de elección de la estación de medición .................................................................. 4
Figura 5 Selección de la estación pluviométrica a partir de coordenadas. ......................................... 4
Figura 6 Resultados para el caso de estudio ....................................................................................... 5
Figura 7 Pestaña de parámetros y tipo de sistema ............................................................................. 5
Figura 8 Pestaña de parámetros del método ASSHTO ........................................................................ 6
Figura 9 2da pestaña de parámetros del método ASSHTO. ................................................................ 7
Figura 10 Adoquines entrelazados ...................................................................................................... 7
Figura 11 Adoquines de rejillas de concreto ....................................................................................... 7
Figura 12 Asfalto permeable ............................................................................................................... 7
Figura 13 Pavimento de grava porosa ................................................................................................. 7
Figura 14 Resultados numéricos del método de lluvias ...................................................................... 8
Figura 15 Selección de periodo de retorno a graficar ......................................................................... 9
Figura 16 Comportamiento gráfico del Método Lluvias TR 5 años ..................................................... 9
Figura 17 Comparación entre espesores............................................................................................. 9
Figura 18 Comparación de costos ..................................................................................................... 10
Figura 19 Información del sistema de drenaje para un pavimento convencional ............................ 11
Figura 20 Pestaña de resultados ....................................................................................................... 11
Índice de Tablas
Tabla 1 Características del área de estudio......................................................................................... 2
Tabla 2 Tipos de pavimentos porosos (DENEVER, 2010) .................................................................... 7
Tabla 3 Valores de referencia de Servicialidad ................................................................................. 12
Tabla 4 Valores del nivel de confianza R de acuerdo al tipo de camino ........................................... 12
Tabla 5 Factores de Desviación normal............................................................................................. 12
Tabla 6 Espesores Mínimos, en pulgadas en función de Ejes equivalentes (AASHTO, 1993) ........... 12
Tabla 7 Valores de Coeficiente de drenaje (mi) ................................................................................ 13
Tabla 8 Guía de clasificación del suelo (Woods-Ballard, y otros, 2007) ............................................ 13
Tabla 9 Características del Suelo (EPA, 2010) ................................................................................... 13
|1
1. Introducción
1.1. Que es programa PAVP?
EL Programa PAVP es una herramienta computacional que permite diseñar y comparar tipologías
de pavimentos porosos teniendo en cuenta diversas mitologías de diseño, configuraciones del
sistema y características de infiltración. De esta forma, el programa calcula el área y estructura
requerida para la implementación del SUD (Sistema Sostenible de Drenaje Urbano) para los
métodos de diseño enlistados a continuación en periodos de diseño de 3, 5, 10, 25,50 y 100 años.
Guías de diseño de SUDS (Sistemas Urbanos de Drenaje sostenible):
Método de Lluvias (Ramos Ragúa , 2015)
Método Chile (Ministerio de Vivienda y Urbanismo, 1996)
Metido Virginia (VIRGINIA, 2013)
Método de SUDS (Wuguang, In Tai, Hyunwook, & Yoon-Ho, 2013)
Guía de diseño recomendada en Colombia por el Instituto Nacional INVIAS
Método AASHTO 93 (American Association of State Highway And Transportation Officials).
Esta versión del programa, encuentra un uso específico para la ciudad de Bogotá, ya que cuenta con
la información pluviométrica de 67 estaciones de medición ubicadas dentro y hacia las afueras de
la ciudad.
1.2. Aplicaciones del programa PAVP
Aproximación del área necesaria para que el sistema de pavimento poroso sea óptimo.
Diseño y dimensionamiento de las distintas capas que componen un sistema de pavimento
poroso.
Comparación entre tipologías de pavimentos porosos y su respectiva infiltración.
Comparación entre guías de diseño, dimensionamiento y costos asociados a diferentes
configuraciones del sistema.
1.3. Contenido del manual
En este manual se presentan y describen las diferentes aplicaciones y módulos del programa,
aplicados a un caso de estudio. De esta forma se hace una breve descripción de cada parámetro
requerido, en donde se incluyen secciones de ayuda mostrando al usuario valores de referencia para
las diferentes variables.
1.4. Recomendaciones antes de iniciar el programa
El programa de diseño PAVP fue desarrollado haciendo uso de la herramienta
computacional Visual Basic de Excel, por lo que existen limitaciones para abrir y usar libros
de Excel en simultáneo con el programa.
|2
Para lograr un correcto funcionamiento del programa, se requiere que el usuario tome
como símbolo decimal el punto (.) y que de igual manera el computador se encuentre
configurado con este formato.
EL programa hace uso del mismo lenguaje computacional de Excel. Por ejemplo, para
ingresar un parámetro de notación científica se hace uso de la E (1X10-5= 1E-5).
El programa cuenta debe ser ejecutado en computadores de 64 bits.
2. Tutorial
2.1. Ejemplo de Estudio de un Área
En el siguiente tutorial se analiza el sistema de drenaje correspondiente a un área de uso residencial
de 5550.83 m2. Las características del área, se presentan en la Tabla 1.
Tabla 1 Características del área de estudio
Característica Descripción
Ubicación
Localidad Antonio Nariño
Dirección Calle 12 Sur # 14
Actividad Área residencial
Suelos
Tipo de Suelo1
Deposito fluvio- Lacustre
Suelo con depósitos de los ríos Bogotá, Tunjuelito y afluentes con geoformas planas a ligeramente onduladas, de composición limo-arcillosa
Pendiente2 1.84
Porosidad 0.423
CBR 8
Nivel Freático2 4.29m
Sistema de drenaje
Coeficiente de escorrentía 0.776
Área de drenaje 3551.07m2
Área del Pavimento poroso 1999.896m2
Ancho 67.66m
Tubería local pluvial 3 Longitud: 0m
Tubería troncal pluvial 3 Longitud: 213.9m Diámetro: 1.67
Pavimento MR – Coeficiente de la capa (a) Carpeta de Rodadura Base Subbase Subrasante
250000- 0.35 14000- 0.13 28000- 0.11 11400- 0.00
Fuentes 1 (Seisan)
2 (Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental CIIA, 2015)
|3
2.2. Menú principal
Al iniciar el programa, se despliega el menú principal con las opciones de diseño y sus respectivas
descripciones.
Área de infiltración: Permite al usuario encontrar el área
óptima que permita una evacuación completa del agua por
medio de sistemas de pavimentos porosos.
Espesor de las Capas: Permite al usuario encontrar el
espesor óptimo de cada capa del pavimento para un sistema de
asfalto poroso.
2.3. Módulo de Área de infiltración
2.3.1. Configuración del sistema
En este módulo se presentan las siguientes configuraciones del sistema planteadas en la guía de
diseño Stormwater Management Manual (Department of Water- Goverment of Western Australia,
2007):
Zona de infiltración dentro del área.
Zona de infiltración fuera del área: Esta configuración considera un factor de bloque
asociado al tiempo de concentración.
Infiltración por bloques: Asociado a bloques o adoquines intercalados con césped, en el que
se considera un factor de bloque debido a una variación en la conductividad hidráulica del
sistema.
Para efectos de este tutorial, se tendrá en cuenta la configuración con la Zona de infiltración dentro
del área (Figura 2).
Figura 2 Módulo de elección de la configuración del sistema.
Figura 1 Módulo principal
|4
2.3.2. Parámetros
En esta ventana se fijan los valores de estudio teniendo en cuenta la Tabla 1.
Conductividad: Conductividad hidráulica del suelo
completamente saturado en (m/s).
Coeficiente de escorrentía: Relación entre la parte de la
precipitación que circula superficialmente y la precipitación
total (valores recomendados en la sección 2.5).
Área total: Incluye el área de aporte y de implementación
del sistema.
Intensidad de lluvia: Se tiene la opción de ingresar el valor
directamente al programa o elegir la estación de medición
más cercana al área de estudio.
(EPA, 2010)
Al elegir la opción de intensidad de lluvia por estación de medición se despliega la ventana que se
presenta en la Figura 4, en la que se tiene la lista de las 67 estaciones de medición ubicadas en la
ciudad de Bogotá y dos opciones de ayuda.
Calcular estación más cercana: Compara las
coordenadas del área de estudio con las de las
diferentes estaciones de medición, mostrando
la más cercana.
Mirar mapa de estaciones disponibles:
Presenta un mapa con la información de las
localidades y la ubicación de las diferentes
estaciones pluviométricas.
Para este tutorial, se empleó la opción de calcular estación más cercana. De manera que, teniendo
las coordenadas del área de estudio, se encuentra que la estación de medición más cercana es la
P47- Vitelma.
Figura 5 Selección de la estación pluviométrica a partir de coordenadas.
Figura 3 Ventana de parámetros
Figura 4 Ventana de elección de la estación de medición
|5
2.3.3. Resultados
Teniendo los parámetros completos se obtiene una tabla de resultados en la que se presenta el área
necesaria para la implementación de un sistema de pavimentos porosos para distintos tiempos de
retorno y duraciones de precipitación. Una vez se obtienen los resultados del dimensionamiento se
puede elegir uno de los resultados mostrados, continuando así con el dimensionamiento de los
espesores para las distintas capas del pavimento.
Figura 6 Resultados para el caso de estudio
Recomendación: En Colombia normalmente se recomienda elegir un periodo de retorno de diseño
de 10 años para el diseño de sistemas de drenaje. (EPM, 2014)
2.4. Módulo de espesores
2.4.1. Parámetros En esta ventana se fijan los valores de estudio teniendo en cuenta la Tabla 1, y se elige una
configuración del pavimento de concreto poroso con infiltración parcial.
Figura 7 Pestaña de parámetros y tipo de sistema
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2.4.1.1. Parámetros Subbase
Área tributaria: Zona delimitada que contribuye con escorrentía al pavimento poroso.
% impermeable: Porcentaje del área tributaria que es completamente impermeable.
Ancho promedio: Dimensión promedio del ancho del área tributaria.
Área de pavimento: Área disponible para la implementación del sistema de pavimentos
porosos (m2).
Tasa de infiltración: Tasa de lluvia que se infiltra a la capa superior del suelo en el área
permeable de la subcuenca.
Coeficiente de escorrentía: Relación entre la parte de la precipitación que circula
superficialmente y la precipitación total.
Porosidad: Fracción volumétrica de huecos (volumen de huecos/unidad de volumen del
suelo).
Pendiente: Inclinación de la superficie del área de estudio.
Tránsito de diseño: Se basa en estimar el número de ejes equivalentes a 8,2 toneladas
(NE8.2) en el carril de diseño. Este valor representa una aproximación al número y peso de
los vehículos que transitan por la vía.
2.4.1.2. Método estructural
Aproximación NEE:
Esta opción dimensiona las capas de carpeta de rodadura y base de acuerdo a las especificaciones
AASHTO que relaciona un espesor mínimo de acuerdo al tránsito de diseño, tal como se presenta
en la Tabla 6. Esta opción de diseño no es recomendada pero se puede usar a manera de estudio
preliminar si no se conocen las propiedades de los materiales y/o las variables de diseño estructural.
Método AASHTO
El módulo de diseño estructural ASSHTO cuenta con dos pestañas principales, en las que se solicita
al usuario información de las propiedades del suelo y materiales que componen las distintas capas
del pavimento. La segunda pestaña, requiere los valores de coeficiente estructural de la capa (a) y
módulo de resiliencia (MR), que pue pueden ser ingresados directamente o por medio de los
parámetros CBR de la capa y tipo de suelo.
Nivel de confiabilidad: Probabilidad de que el
pavimento diseñado se comporte de manera
satisfactoria durante toda su vida útil, bajo las
solicitaciones de carga (%).
Servicialidad: Medida de la seguridad y comodidad
que puede brindar al usuario, cuando éste circula por la
vía. (0 a 5)
Coeficiente de drenaje: Mide la capacidad de
drenaje del pavimento.
Desviación estandar: Factor de corrección del
comportamiento real del pavimento y la propuesta del
método AASHTO. Figura 8 Pestaña de parámetros del método ASSHTO
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Como se presenta en la anterior figura la pestaña de variables de diseño tiene un botón que
despliega una ventana con algunas de las tablas de referencia encontradas en la sección 2.5 de este
tutorial.
Coeficiente de la capa (a): Medida de la capacidad
relativa de cada material para funcionar como parte de
la estructura de pavimento.
Módulo de Resiliencia (MR): Define el
comportamiento de esfuerzo- deformación del material
ante cargas cíclicas.
(Ramos Ragúa , 2015)
2.4.1.3. Tipo de Pavimento
La tipología del sistema varía dependiendo del material y la técnica empleada para la instalación de
la carpeta de rodadura. Tabla 2 Tipos de pavimentos porosos (DENEVER, 2010)
Pavimento Descripción
Figura 10 Adoquines entrelazados
Adoquines entrelazados: La capa de rodadura de este pavimento se compone de bloques de hormigón, colocados de forma que existen espacios entre bloque y bloque llenos de agregados que permiten la infiltración del agua lluvia. Dependiendo del fabricante se tiene una superficie abierta que está entre 5 y 15%.
Figura 11 Adoquines de rejillas de concreto
Adoquines de rejillas de concreto: También llamado pavimento de bloque modular, este tipo de sistemas se componen de unidades de bloques de hormigón con aberturas rellenas con material filtrante, que representan por lo menos el 20% del área total.
Figura 12 Asfalto permeable
Concreto/asfalto permeable: Consiste en una mezcla de agregados, arena, agua y un material ligantes (concreto o asfalto). La mezcla contiene una baja cantidad de arena lo que genera vacíos en la estructura, permitiendo tasas de infiltración del orden de 480 pulgadas/hora.
Figura 13 Pavimento de grava porosa
Pavimento de grava porosa: Consiste en una capa de rodadura de material grueso. Esta tipología de pavimento poroso se puede utilizar en suelos de grava convencional y es muy adecuado para aplicaciones industriales que no generen contaminantes de riesgo para la contaminación de aguas subterráneas.
Figura 9 2da pestaña de parámetros del método ASSHTO.
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2.4.1.4. Tipo de infiltración (DENEVER, 2010)
Infiltración completa: Estas secciones son diseñadas para infiltrar la totalidad del agua lluvia
que llega a la estructura, normalmente cuentan con un periodo de vaciado de 12 horas.
Infiltración parcial: Estas secciones no cuentan con una capa impermeabilizante por lo que
permite cierta infiltración. El agua lluvia que no se infiltra es evacuada de la estructura por
medio de tuberías de drenaje.
Sin infiltración: Sistema de pavimento poroso que incluye un sistema de drenaje y una capa
de impermeabilización que previene la infiltración del agua lluvia al acuífero. Normalmente
se emplea este tipo de pavimentos cuando se tienen suelos contaminados.
2.4.2. Resultados y opciones
2.4.2.1. Métodos de diseño
Una vez cargados los datos se obtienen los resultados del dimensionamiento de las distintas capas
del pavimento para cada método de diseño.
Resultados del Método de Lluvias
Figura 14 Resultados numéricos del método de lluvias
La opción “Gráfica de comportamiento” presentada en la página de respuesta de cada método,
presenta el comportamiento del ingreso y almacenamiento del agua lluvia en la estructura. Como
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se presenta en las siguientes figuras, es posible ver el comportamiento esperado de la estructura
dependiendo el periodo de retorno de diseño.
Figura 15 Selección de periodo de retorno a
graficar Figura 16 Comportamiento gráfico del Método Lluvias TR 5 años
2.4.2.2. Comparación entre espesores En esta pestaña se resumen los resultados obtenidos en los cinco métodos de diseño estudiados,
presentando una comparación gráfica del dimensionamiento del espesor de la capa subbase en
función del periodo de retorno.
Figura 17 Comparación entre espesores
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2.4.2.3. Comparación entre Costos
Los costos del proyecto son calculados para cada método, incluyendo factores como tipo de
pavimento y la infiltración del sistema. Asimismo se considera la instalación de barreras laterales y
el sistema de drenaje del pavimento, como función de la pendiente, ancho y área total del terreno.
En esta pestaña se pide al usuario información adicional al caso de estudio, para este caso los valores
adicionales se encuentran contenidos en la Tabla 1.
Figura 18 Comparación de costos
Información a incluir: Se crean las opciones de incluir los costos de mantenimiento por 10
años, con el objetivo de dar al usuario un costo más exacto del proyecto.
Comparación: El usuario tiene la opción de elegir entre una comparación que contemple
únicamente los costos de los métodos hidrológicos, o una comparación que incluya la
implementación de un sistema de pavimento convencional con sistema de drenaje. En el
segundo caso, se solicita al usuario ingresar información de los accesorios que compondrían
el sistema de drenaje del pavimento, como se presenta en la Figura 19.
Actualizar precios: Permite al usuario modificar los costos por m3 o m2 de cada capa o unidad
del sistema de drenaje.
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Incluir conexiones: Esta opción permite realizar una
aproximación más exacta del costo asociado al sistema de
drenaje, mediante la inclusión de costos asociados a
accesorios como codos y tapones para el sistema de tubería.
Los diámetros elegibles, corresponden al catálogo de
tuberías que se utilizan normalmente en el sistema de
drenaje de la ciudad.
2.4.2.4. Pestaña de Resultados
Esta pestaña presenta los resultados del dimensionamiento final de la estructura del pavimento con
los costos asociados al proyecto, teniendo en cuenta el periodo de retorno y el método seleccionado
por el usuario.
Recomendación: Se propone el método Chile como método recomendado, ya que cuenta con varios
factores de seguridad que si bien pueden incidir en el sobredimensionamiento de la estructura,
proporcionan una mayor seguridad en el diseño final.
Figura 20 Pestaña de resultados
Figura 19 Información del sistema de drenaje para un pavimento convencional
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Una vez elegido el método y el periodo de retorno, se tiene la opción de guardar los resultados
obtenidos por el programa en un libro de Excel de libre acceso. Adicionalmente, se da opción de
guardar información adicional como: los parámetros empleados, resultados obtenidos en todos los
métodos y las comparaciones realizadas.
2.5. Tablas útiles A continuación se presentan valores de referencia para los distintos parámetros requeridos por el
programa.
Variables y parámetros de diseño para el método ASSHTO (AROCUTIPA, 2000) Tabla 3 Valores de referencia de Servicialidad
Índice de Servicialidad Clasificación
5-4 Muy buena
4-3 Buena
3-2 Regular
2-1 Mala
1-0 Muy mala
Tabla 4 Valores del nivel de confianza R de acuerdo al tipo de camino
Tipo de camino Zonas urbanas Zonas Rurales
Autopistas 85-99-9 80-99.9
Carreteras de primer orden 80-90 75-95
Carreteras secundarias 80-95 75-95
Caminos vecinales 50-80 50-80
Tabla 5 Factores de Desviación normal
Confiablidad Zr Confiabilidad Zr
50 0 92 -1.405
60 -0.253 94 -1.555
70 -0.524 95 -1.645
75 -0.674 96 -1.751
80 -0.841 97 -1.881
85 -1.037 98 -2.054
90 -1.282 99 -2.327
Tabla 6 Espesores Mínimos, en pulgadas en función de Ejes equivalentes (AASHTO, 1993)
Tránsito (ESAL’s) En Ejes Equivalentes
Carpetas De Concreto Asfáltico
Bases Granulares
> 50000 1 o TS 4
50001-150000 2 4
150001-500000 2.5 4
500001-20000000 3 6
2000001-7000000 3.5 6
>7000000 4 6
TS=Tratamiento superficial
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Tabla 7 Valores de Coeficiente de drenaje (mi)
Calidad de Drenaje
% de tiempo en el que el pavimento está expuesto a nivel de humedad próximos a la saturación
Menos del 1% 1-5% 5-25% Más de 25%
Excelente 1.40 - 1.35 1.35 – 1.3 1.30 – 1.20 1.2
Bueno 1.35 – 1.25 1-25 – 1.15 1.15 – 1.00 1.00
Regular 1-25 – 1.15 1.15 – 1.05 1.00 – 0.80 0.8
Malo 1.15 – 1.05 1.05 – 0.8 0.80 – 0.60 0.6
Muy malo 1.05 – 0.95 0.95 – 0.75 0.75 – 0.40 0.4
Parámetros de diseño según el tipo de suelo
Tabla 8 Guía de clasificación del suelo (Woods-Ballard, y otros, 2007)
Clasificación del suelo Coeficiente de permeabilidad k(m/s) Rango de CBR
Arcilla pesadas 10-10 to 10-8 2 to 5
Arcilla limosa 10-9 to 10-8 3 to 6
Arcilla arenosa 10-9 to 10-6 5 to 20
Arena de baja gradación 5x10-7 to 5x10-6 10 to 40
Arena bien gradada 5x 10-6 to 10-4 10 to 40
Grava arenosa bien gradada 10-5 to 10-3 30 to 80
Tabla 9 Características del Suelo (EPA, 2010)
Textura del suelo k(mm\h) Ψ(mm) ɸ FC WP
Arena 120.4 49 0.437 0.062 0.024
Arena margosa 29.97 61 0.437 0.105 0.047
Marga arenosa 10.92 110 0.453 0.19 0.085
Marga 3.3 89 0.463 0.232 0.116
Sedimentos de marga 6.6 170 0.501 0.284 0.135
Marga areno-arcillosa 1.52 220 0.398 0.244 0.136
Marga arcillosa 1.02 210 0.464 0.31 0.187
Sedimentos de marga arcillosa
1.02 270 0.471 0.342 0.21
Arcilla arenosa 0.51 240 0.43 0.321 0.221
Sedimentos de arcilla 0.51 290 0.479 0.371 0.251
Arcilla 0.25 320 0.475 0.378 0.265
K : Conductividad hidráulica saturada Ψ: Altura de succión ɸ:Porosidad FC: Capacidad de campo WP: Punto de marchitamiento
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3. Bibliografía AASHTO. (1993). Guide for Design of Pavement Structures.
AROCUTIPA, P. C. (2000). Diseño de Pavimentos por Método AASHTO-93. Bogotá , Colombia .
Centro de Investigaciones en Ingeniería Ambiental CIIA. (2015). Informe sobre la investigación y
desarrollo de las tecnologías y/o tipologías de SUDS que más se adapten a la problemática
de la escorrentía urbana en la ciudad de Bogotá D.C. Bogotá: Universidad de los Andes,
Alcaldía Mayor de Bogotá D.C y Acueducto de Bogotá.
DENEVER. (2010). Permeable Pavement. In U. D. District, Urban Storm Drainage (p. 223). Denever:
Best Manegement Practices .
Department of Water- Goverment of Western Australia. (2007). Infiltration Systems - Previous
Pavement. In Stromwater Management Manual (pp. 81- 86). Western Australia.
EPA. (2010, Julio). SWMM 5.0 , Modelo de gestión de Aguas pluviales, MANUAL DEL USUSARIO.
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EPM. (2014, Enero 08). DECRETO 2014-DECGGL-1980. Colombia.
INSTITUTO NACIONAL DE VIAS. (2008). Manual de diseño de pavimentos para vías con bajos,
medios y altos volumenes de tránsito. Colombia: ICPC.
Ministerio de Vivienda y Urbanismo. (1996). Técnicas Alternativas para Soluciones de Aguas
Lluvias en Sectores Urbanos Guía de Diseño. Santiago: MINVU.
Ramos Ragúa , S. C. (2015). Proyecto de grado de ingeniería Ambiental- Pavimentos porosos como
alternativa de drenaje urbano sostenible aplicados a un caso de la ciudad de Bogotá.
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Porous Block Pavements Using an Accelerated Pavement Tester. Jurnal of Hidrologic
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