Caracterización del suelo: Clasificación de los materiales granulares.


Los materiales granulares que se utilizan en los trabajos de pavimentación pueden clasificarse en:

a)      Materiales para refuerzo de la subrasante, que tienen:

-        I.S. o el C.B.R. mayor que el de la subrasante.
-         Expansión    2 %

b)     Materiales para sub-base, que tienen:

-         I.S. o el C.B.R.    20 %
-         I.G.  =  0
-         Expansión      1  %   (medida con sobrecarga de 10 lb)

c)      Materiales para capa base, que tienen:

-        C.B.R.     80 %.
-        Expansión     0,5  %   (medida con sobrecarga de 10 lb)
-        LL     25   y     I.P.       6

En el caso extremo de que el Límite Líquido sea superior a 25 % y/o el Índice de Plasticidad sea superior a 6 %, el material puede ser empleado en capa base si cumple con las otras exigencias técnicas y además el Equivalente de Arena es superior a 30 %.

Los materiales para capa base granular deben tener una granulometría que corresponda a una de las curvas granulométricas que se muestran en la tabla V.4.

Tabla  V.4. Granulometría del Material para Capa Base

La fracción que pasa por el tamiz No. 200 debe ser inferior a ⅔ de la fracción que pasa por el tamiz No. 40. La fracción gruesa debe tener un desgaste, por el ensayo de Los Ángeles, inferior a 50 %. Se puede aceptar un porcentaje mayor de desgaste, si se tiene experiencia en el uso de ese material en otras obras.

Caracterización del suelo: Capacidad de soporte.


Para determinar la capacidad de soporte de la subrasante y de los mate­riales granulares que forman el pavimento se utiliza el ensayo de C.B.R. en muestras de prueba no deformadas o preparadas en laboratorio, en condiciones de densidad y humedad especificas.

Cuando se requiera una mayor seguridad, en vez del C.B.R, se puede utilizar un C.B.R corregido en función del Índice de Grupo (I.G.), que en este caso se denomina Índice de Suporte (I.S.), el cual está dado por:


Con la condición que:     I.S.    C.B.R.

C.B.R. =  valor del C.B.R. determinado por el ensayo en sitio en las condiciones ya descritas.
C.B.R. I.G   =   valor dado por la tabla V.3.

Tabla V.3. Valor del CBR corregido en función del (IG)

Caracterización del suelo: Clasificación por el metodo AASHTO.


El requerimiento de parámetros de diseño correspondientes a las características del suelo, determina que la clasificación de suelos se realice por el Método AASHTO (M 145), principalmente con el fin de obtener el Índice de Grupo.

Este método clasifica a los suelos, de acuerdo a su composición granulométrica, su límite líquido y su índice de plasticidad, en siete grupos de A-1 a A-7. Los suelos cuyas partículas pasan el tamiz No. 200 (0,075 mm) en un porcentaje menor al 35 %, forman los Grupos A1, A2, A3 y los subgrupos que corresponden. En cambio los suelos finos limo-arcillosos que contienen más del 35 % de material fino que pasa el Tamiz No. 200, constituyen los Grupos A-4, A-5, A-6, A-7 y los correspondientes subgrupos.

La ventaja de este método radica en la posibilidad de evaluar la calidad del suelo a través del “Índice de Grupo”. Los suelos que tienen similar comportamiento se encuentran en el mismo grupo y están representados por un determinado Índice.

Los índices de grupo de los materiales granulares están comprendidos entre 0 y 4, los correspondientes a suelos limosos entre 8 y 12, y los correspondientes a suelos arcillosos entre 11 y 20 ó un número mayor.

El índice de grupo debe ser escrito entre paréntesis, su valor puede ser determinado mediante la fórmula siguiente:


donde:             F  =   Porcentaje que pasa el tamiz No. 200
                                   LL =  Límite Líquido
                                   IP  =  Índice de Plasticidad

La clasificación de suelos por el Método AASHTO se muestra en las tablas V.1 y V.2.

Tabla V.1. Clasificación de suelos Método AASHTO (Material Granular)

Tabla V.2. Clasificación de suelos Método AASHTO (Material Limo-Arcilloso)

Pavimentos de concreto Asfáltico método del DNER-81: Introducción.


INTRODUCCIÓN

La abreviatura DNER significa “Departamento Nacional de Estradas de Rodagem” del Brasil.


Este método tiene como base el trabajo de J.W. Turnbull  C.R. Foster y R.G. Ahlvin del Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los E.E.U.U. “Design of Flexible Pavements Considering Mixed Loads and Traffic Volume”,  y en las conclusiones obtenidas en los tramos experimentales de la AASHTO, y en el trabajo del Ing. Murillo Lopes de Souza.

Pavimentos: Espesores mínimos en función del SN.


En el control de los espesores D1, D2 y D3, a través del SN, se busca dar protección a las capas granulares no tratadas, de las tensiones verticales excesivas que producirían deformaciones permanentes, como se muestra en el gráfico siguiente.

Los materiales son seleccionados para cada capa, de acuerdo a las recomendaciones del método, por tanto se conocen los módulos resilientes de cada capa. Usando el ábaco de la figura IV.2 se determinan los números estructurales requeridos para proteger cada capa no tratada, utilizando el módulo resiliente de la capa que es encuentra inmediatamente por debajo, por ejemplo para sacar el espesor D1 de la carpeta se considera el MR de la capa base y así se obtiene el SN1 que debe ser soportado por la carpeta asfáltica, de donde:





 

Se adopta un espesor D1 ligeramente mayor y el número estructural absorbido por esta capa será:



Para determinar el espesor mínimo de la capa base, se entra al ábaco con el MR de la sub-base, para obtener el número estructural SN2 que será absorbido por la carpeta y la capa base, de donde:


Se adopta un espesor D2 ligeramente mayor y el número estructural absorbido será:

 SNb = Número estructural de la base

Finalmente para la sub-base se ingresa con el MR que corresponde a la subrasante y se obtiene  SN3 = SN para todo el paquete estructural, por tanto el espesor será:

 
Se adopta un espesor D3 ligeramente mayor y el número estructural absorbido por la sub-base será:

 SNsb = Número estructural de la sub-base

La suma de los números estructurales de las capas que constituyen el pavimento debe ser mayor o igual a:


Este procedimiento no es aplicable para determinar espesores sobre capas que tengan un módulo resiliente mayor a 40.000 psi (280 MPa). En este caso los espesores se determinaran mediante criterios constructivos o de acuerdo a la relación costo-eficiencia.

Tabla IV.9. Factores equivalentes de carga, ejes simples, pt = 2,0


Tabla IV.10. Factores equivalentes de carga, ejes tandem, pt = 2,0


Tabla IV.11. Factores equivalentes de carga, ejes tridem, pt = 2,0


Tabla IV.12. Factores equivalentes de carga, ejes simples, pt = 2,5


Tabla IV.13. Factores equivalentes de carga, ejes tandem, pt = 2,5


Tabla IV.14. Factores equivalentes de carga, ejes tridem, pt = 2,5  


Tabla IV.15. Factores equivalentes de carga, ejes simples, pt = 3,0

Tabla IV.16. Factores equivalentes de carga, ejes tandem, pt = 3,0 


Tabla IV.17. Factores equivalentes de carga, ejes tridem, pt = 3,0
   

Pavimentos: Determinación de espesores por capas.

La estructura del pavimento flexible está formada por un sistema de varias capas, por lo cual debe dimensionarse cada una de ellas considerando sus características propias.

Una vez que el diseñador ha obtenido el Número Estructural SN para la sección estructural del pavimento, se requiere determinar una sección multicapa, que en conjunto provea una suficiente capacidad de soporte, equivalente al número estructural de diseño. Para este fin se utiliza la siguiente ecuación que permite obtener los espesores de la capa de rodamiento o carpeta, de la capa base y de la sub-base:



donde:

a1, a2 y a3    = Coeficientes estructurales de capa de carpeta, base y sub-base respectivamente.

D1, D2 y D3  = Espesor de la carpeta, base y sub-base respectivamente, en pulgadas.

m2 y m3        = Coeficientes de drenaje para base y sub-base, respectivamente.

De la misma manera se deberá obtener los coeficientes estructurales de la carpeta asfáltica (a1), de la capa base (a2) y de la sub-base (a3), utilizando los valores del módulo de resiliencia correspondientes a cada una de ellas.

Los coeficientes de capa a1, a2 y a3 se obtienen utilizando las correlaciones de valores de diferentes pruebas de laboratorio: Módulo Resiliente, Texas Triaxial, Valor R y CBR, tal como se muestra en las siguientes figuras:

Para carpeta asfáltica.                                     (a1)      Figura IV.3

Para bases granulares.                         (a2)      Figura IV.4

Para sub-bases granulares.                              (a3)      Figura IV.5

Para bases estabilizadas con cemento              Figura IV.6

Para bases estabilizadas con asfalto.                            Figura IV.7

Para capas estabilizadas con cemento o asfalto y para la superficie de rodadura de concreto asfáltico, el método no considera una posible influencia de la calidad del drenaje, por lo que en la ecuación de diseño solo intervienen los valores de m2 y m3


En Tabla IV.8 se muestran los espesores mínimos para carpetas asfálticas y bases granulares, sugeridos en función del tránsito.

Tabla IV.8. Espesores Mínimos, en pulgadas, en Función de los Ejes Equivalentes





Figura IV.3. Ábaco para estimar el número estructural de la carpeta asfáltica “a1”.
 
Figura IV.4. Ábaco para estimar el número estructural de la capa base granular “a2”.
 
Figura IV.5. Ábaco para estimar el número estructural de la sub-base granular “a3”.
 
Figura IV.6. Ábaco para estimar el número estructural de la capa base estabilizada con cemento.

Figura IV.7. Ábaco para estimar el número estructural de la capa base estabilizada con asfalto.

 

Pavimentos: Determinación del número estructural "SN".

El método está basado en el cálculo del Número Estructural “SN” sobre la capa subrasante o cuerpo del terraplén. Para esto se dispone de la Figura IV.2 y de la ecuación siguiente:






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 subrasante

SN =   Número estructural



Figura IV.2. Ábaco de diseño AASHTO para pavimentos flexibles.

Bombas de flujo axial.


Se constituyen cuando la carga de la bomba debe ser aún menor en relación con el caudal, que en los casos anteriores. El impelente de este tipo de bombas está provisto de paletas que inducen el flujo del líquido bombeado en dirección axial.

En este tipo de bombas las paletas directrices se colocan en muchas ocasiones antes del impelente. Las figuras 7.11 y 7.12 nos muestran bombas de flujo axial. Estas bombas se usan para manejar grandes caudales de líquido contra cargas de bombeo relativamente pequeñas, y en ellas, no se puede hablar de fuerza centrífuga en la transmisión de energía a la corriente.

 FIG. 7.11 BOMBA DE FLUJO AXIAL



FIG. 7.12 CORTE ESQUEMATICO DE UNA BOMBA DE FLUJO AXIAL




Se usan, principalmente para drenaje, riego, desde canales con pequeña diferencia de nivel, bombeo en salinas, etc. Las bombas axiales horizontales pierden mucho, si existe un codo en la succión o si tienen que trabajar con una carga de succión; es por eso que en la actualidad  se  usa  más  cada  día  en  este  tipo  de bombas  el  montaje  vertical  con  los impelentes sumergidos en el agua para evitar la succión, y la conexión a la planta de fuerza motriz a través de un cabezal de engranes en ángulo recto, dando de este modo una flexibilidad extraordinaria a la instalación.



Bombas de flujo diagonal o mixto.


Se construyen dándole al impelente una forma tal que las paletas ya no quedan dispuestas en forma radial, esto se hace, sobre todo, cuando el caudal de la bomba es grande y el diámetro del tubo de aspiración también es grande, en relación con el diámetro que debe darse al impelente para producir la carga requerida. Cuando con un impelente de flujo diagonal o mixto se quiere obtener un caudal mayor, en relación con la carga suministrada al fluido, el diseño del impelente se modifica y se produce lo que se conoce como rodete de tipo helicoidal (véase la figura 7.10).

 FIG. 7.10 IMPELENTE DE TIPO HELICOIDAL

En lo que sigue usaremos el término centrífuga para indicar tanto las bombas de flujo radial como las de flujo mixto. 
 

Aplicaciones de las bombas centrífugas.


El campo de aplicación de las bombas centrifugas es muy amplio y cada día se ensancha más. Esta gran amplitud de posibilidades de aplicación de este tipo de bombas se debe, como ya hemos señalado anteriormente, a varios factores, entre los que se destacan: su gran adaptabilidad a motores eléctricos de alta velocidad y a turbinas de vapor; el número mínimo de partes móviles que las componen, lo que hace que el desgaste sea pequeño; y el bajo costo y tamaño relativamente pequeño de la bomba, en relación con el volumen de líquido que puede manejar.

Las bombas   centrífugas   resultan   elemento   indispensable   en   las   instalaciones   de abastecimiento de agua para poblaciones, industrias, edificios, etc., en los sistemas de riego y drenaje, en los alcantarillados de aguas residuales, en los sistemas de acumulación de las estaciones hidroeléctricas, en los sistemas de alta presión de alimentación de calderas, en las prensas hidráulicas, en la circulación de agua para calefacción, refrigeración o plantas térmicas, y en la impulsión de toda clase de líquidos, ya sean viscosos, corrosivos, jugos de frutas, leche, etc., en las instalaciones industriales.

Clasificación de las bombas centrífugas atendiendo diversos aspectos.


Cuando una bomba centrífuga tiene un solo impelente se dice que es de una sola etapa. Si tiene dos impelentes dentro de la misma caja y están colocados en serie, se dice que es de dos etapas; si tiene varios impelentes se dice que es de varias etapas o multicelular.

La foto 7.4 nos muestran respectivamente una bomba centrífuga de una sola etapa y de dos etapas.


FOTO 7.4 BOMBAS CENTRÍFUGAS DE UNA ETAPA (SUPERIOR) Y DE DOS ETAPAS (INFERIOR)

De  acuerdo  con  la  posición  de  su  eje  motriz  podemos  clasificarlas  como  bombas centrífugas horizontales y bombas centrífugas verticales.

Bombas centrífugas horizontales

Las bombas centrífugas horizontales se usan generalmente para aspirar de pozos llanos, casi nunca con el nivel del agua a más de 20 pies (6.1 m) por debajo del centro del impelente,  y  desde  luego  con  el  límite  máximo  de  aspiración  que  fija  la  presión atmosférica.  Cuando  se  necesita  extraer  agua  a  mayor  profundidad  se  usan  bombas centrífugas verticales de pozo profundo. Las bombas centrífugas horizontales pueden verse en las foto 7.3 y 7.4.

Ceba de las bombas centrífugas horizontales

Cuando las bombas centrífugas se encuentran colocadas por encima del nivel del agua que van a bombear, es necesario, para que puedan trabajar, que el tubo de succión y la bomba, estén completamente llenos del líquido, antes de que la bomba comience a funcionar. Uno de los medios más simples de lograr esto, es el de colocar una válvula de pie en el extremo inferior del tubo de succión, por debajo del nivel del agua.

Bombas centrífugas verticales

Para extraer el agua cuando se encuentra por debajo del nivel donde se puede extraer con la ayuda de la presión atmosférica (normalmente a profundidades mayores de 20 pies), se usan  las  bombas  centrífugas  verticales  de  pozo  profundo.  Estas  bombas  son  del  tipo turbina, y el cuerpo de la bomba, se instala por debajo del nivel del agua. Como se observa en la foto 7.5 nos muestran una bomba centrífuga vertical y una de pozo profundo.

 
FOTO 7.5 BOMBA CENTRÍFUGA VERTICAL Y BOMBA CENTRÍFUGA VERTICAL DE POZO PROFUNDO

Por las ventajas que significa el montaje vertical en muchos casos, y por el gran desarrollo que ha tenido el diseño de este tipo de bombas, las bombas verticales de pozo profundo se aplican  cada  día  más  en trabajos  que  antes  estaban  reservados  sólo  para  bombas horizontales.



Bombas Centrífugas.

Reciben el líquido que ha entrado por el tubo de aspiración en dirección axial a través de la parte central u ojo del impelente, y el impelente lo impulsa entonces en dirección radial, hacia afuera, absorbiendo el líquido de este modo, la energía, que producirá a la salida de la bomba la carga a presión correspondiente. Como se muestra en la figura 7.8.

Los álabes de las bombas centrífugas, están dispuestos en forma radial con el objeto precisamente, de orientar el flujo en esa dirección. En la foto 7.3 podemos apreciar una bomba centrífuga accionada por un motor eléctrico.

FOTO 7.2 BOMBA CENTRÍFUGA DE MOTOR ELECTRICO 

La figura 7.8 nos muestra la representación esquemática de una bomba centrífuga en cortes siguiendo distintos ejes.


FIG. 7.8 REPRESENTACION ESQUEMATICA DE UNA BOMBA CENTRÍFUGA


Con el objeto de retardar la velocidad del líquido y transformar la carga a velocidad en carga a presión, se sitúan a veces en la caja, alrededor del impelente una serie de paletas fijas, que se conocen con el nombre de paletas directrices o álabes directores, y también como distribuidor o difusor. De este modo se forma una serie de conductos divergentes dentro de la caja.

Las bombas centrífugas provistas de difusor se conocen como bombas tipo turbina como se muestra en la foto 7.3.

 FOTO 7.3 BOMBA TIPO TURBINA
 

Los impelentes de las bombas centrífugas pueden ser:

a)  abiertos, si las paletas no tienen paredes laterales
b)  semicerrados, si el lado posterior del rodete está tapado por una pared
c)  cerrados, si los dos lados del impelente están provistos de paredes que tapen las paletas

La figura 7.9 nos muestra los tres tipos de impelentes.

 FIG. 7.9 TIPOS DE ALABES