PROYECTO DE
- 1. Diseño de Pavimentos. Una visión a futuro IntRoduccIón Recientemente, el gran desarrollo en la computación ha permitido que muchas teorías de análisis puedan aplicarse a las condiciones prácticas. Esta aplicación se efectúa mediante el uso de nomogramas de diseño o catálogos de estructuras. Además, por el amplio uso de la computadora, ahora se usan directamente en los nuevos métodos de diseño, con diversas modalidades como análisis estructural empleando sistemas de capas múltiples o mediante elementos finitos. De esta manera se utilizan, cada vez con mayor frecuencia, los modelos de simulación para el diseño de pavimentos. Los métodos de diseño para pavimentos flexibles se pueden clasificar de una manera general en cinco categorías, como se indica en la Tabla 1. Los métodos empíricos basan fundamentalmente la selección del suelo en función Paul Garnica Anguas [email protected] de su granulometría y de su plasticidad. Como ejemplo podemos citar el sitema de clasificación americano de Public Roads (pr) desarrollado por Hogentogler y Terzaghi en 1929, en donde al material de subrasante se clasifica como uniforme (de A1 a A8) o como no uniforme (de B1 a B3). El sistema PR lo modificó en 1945 el Highway Research Board (hrb) para agrupar los suelos en categorías de A1 a A7. El Departamento de Carreteras de California le agregó al método empírico un índice de resistencia, llamado cbr (California Bearing Ratio) en la literatura aglosajona o vrs (Valor Relativo de Soporte) en español. El vrs de un suelo se define como la relación, expresada en porcentaje, entre la presión necesaria para penetrar con un vástago los primeros 0.25 cm (0.1 plg) y la presión requerida para tener la misma penetración en un material arbitrario, adoptado como patrón. El método empírico más representativo es sin duda el del Valor Relativo de Soporte (vrs). Actualmente se reconoce que el vrs parece un índice demasiado sujeto a condiciones circunstanciales como para considerarlo un buen índice del comportamiento mecánico de un suelo, y sin embargo, más de la mitad de los pavimentos en el mundo se siguen diseñando con este método. Los métodos basados en el equilibrio límite consisten fundamentalmente en determinar el espesor de pavimento necesario para que no se presenten fallas por sobrepasar la resistencia al esfuerzo cortante del suelo; estos métodos no se utilizan ya que los pavimentos modernos deben diseñarse para hacer posible el tránsito expedito de vehículos con la comodidad, seguridad y economía previstos en el proyecto y no por condiciones de resistencia al esfuerzo cortante. En lo que respecta al uso de ecuaciones de regresión, obtenidas en tramos de prueba, para el diseño de pavimentos un buen ejemplo lo constituye el Método aashto. Este método es utilizado en varios países, incluyendo México, aún y cuando no es aplicable a países de clima cálido como el nuestro. Las tendencias actuales, en lo que se refiere a métodos de diseño, indican una preferencia marcada por
- 2. el desarrollo de métodos racionales basados en la mecánica de los materiales que conforman el pavimento. Estos métodos se han calificado como mecanicistas, en el sentido que relacionan los niveles de la solicitación (car-gas por eje) transmitida al sistema estructural, que constituye el pavimento, con la respuesta obtenida en términos de esfuerzos y deformaciones. La respuesta así obtenida permite predecir, en principio, los niveles de deterioro esperados a partir de ensayes de laboratorio y del comportamiento observado en campo. La dependencia en el comportamiento observado del pavimento es necesaria, ya que la Teoría sola no ha demostrado ser suficiente para la realización de diseños reales. pRogRAmAs de InvestIgAcIón en los estAdos unIdos Antecedentes La red de carreteras interestatales de los Estados Unidos fue diseñada y construida entre los años 1955 a 1995 esencialmente, dando lugar a uno de los sistemas de transporte más moderno y masivo del mundo. Sin embargo, 15 años antes de que dicho sistema fuese completado se empezaron a observar niveles de deterioro importantes en las carreteras. Esta situación comprometía la inversión realizada dado los altos costos necesarios para mantener, rehabilitar y operar la red actual. En respuesta a esta situación y por iniciativa de la Federal Highway Administration (fhwa) del Departamento de Transporte de los Estados Unidos, se estableció durante 1987 el programa denominado shrp (Strategic Highway Research Program) como una unidad independiente del Consejo Nacional para la Investigación Científica de ese país. El objetivo global del programa shrp es el de proveer las herramientas necesarias para mejorar el comportamiento de los pavimentos e incrementar así la duración de su vida útil, mejorando las condiciones de transporte sin ocasionar mayores incrementos en los recursos financieros. Las áreas estratégicas en las cuales el programa shrp enfoca su atención son las siguientes: • • Asfaltos • • Mantenimiento de pavimentos • • Comportamiento de pavimentos En lo que sigue se describe lo esencial de cada una de esas áreas. Asfaltos Dentro del tema de los asfaltos, el programa SHRP considera que el mejoramiento del comportamiento de los pavimentos pasa necesariamente por un programa de investigación que permita aumentar el conocimiento de las propiedades físicas, químicas, reológicas y mecánicas de cementos y concretos asfálticos. Los resultados de la investigación deberán permitir: a) El desarrollo de nuevas especificaciones para ligantes asfálticos, desde el punto de vista del comportamiento esperado del pavimento, así como de los métodos y equipos de ensaye adecuados. b) Diseñar un sistema computacional para el diseño de mezclas asfálticas en base también al comportamiento esperado, incluyendo métodos y equipos de ensaye. c) Proponer una metodología para la evaluación de asfaltos modificados. Dado lo complejo de la química de los asfaltos, las especificaciones correspondientes actuales han sido desarrolladas hasta ahora tomando como base pruebas para la determinación de propiedades físicas únicamente. Ejemplo de esas pruebas son las de penetración, viscosidad y ductilidad, que se realizan en condiciones de temperatura estándar. La correlación entre esas pruebas y el comportamiento de un pavimento es completamente empírica, por lo que se requiere que transcurra mucho tiempo antes de poderla validar adecuadamente. Un ejemplo de lo anterior lo constituye la prueba de penetración. Esta prueba da una indicación de la rigidez del asfalto, pero una relación entre penetración y comportamiento no se ha podido obtener por la experiencia. Otra limitación de los ensayes actuales es que los resultados no cubren el rango completo de temperaturas típicas en pavimentos. Por ejemplo, aunque la viscosidad es una propiedad fundamental de flujo, el ensaye provee sólo información del comportamiento viscoso a altas temperaturas, ya que la prueba se realiza a 60 y 135°C. Del mismo modo, el ensaye de penetración sólo describe la consistencia del asfalto a temperaturas medias (25°C). El comportamiento elástico del asfalto a bajas temperaturas no puede predecirse a partir de esa información. Las especificaciones actuales para asfaltos pueden clasificar diferentes asfaltos en una misma categoría, aún cuando tengan distintas características de comportamiento. Como un ejemplo, la Figura 1 muestra tres asfaltos (A, B y C) que tienen la misma clasificación ya que cumplen con los límites de viscosidad especificados a 60°C, cierta penetración mímima a 25°C y una viscosidad mínima a 135°C. Los asfaltos A y B
- 3. muestran la misma dependencia del comportamiento en Figura 1. Evolución de la consistencia de tres asfaltos en función de la temperatura. función de la temperatura, pero los valores de consistencia son muy diferentes para cualquier valor de la temperatura. Los asfaltos A y C tienen la misma consistencia a bajas temperaturas pero completamente diferentes a altas temperaturas. Los asfaltos B y C únicamente coinciden en el valor de la consistencia a 60°C. Como esos asfaltos se clasifican actualmente en una misma categoría, se puede esperar, erróneamente, que tengan las mismas características durante el proceso de construcción y el mismo comportamiento en condiciones climáticas completamente diferentes. Debido a lo anterior, el programa SHRP propone una serie de nuevas especificaciones para asfaltos, modificados o no, basadas en la realización de ensayes de laboratorio relativamente novedosos. Estos ensayes permiten medir propiedades físicas del asfalto que están relacionadas directamente con su comportamiento real en campo. La Tabla 2 lista los nuevos equipos de prueba con una breve descripción de su utilización en las nuevas especificaciones. Las nuevas especificaciones consideran las tres etapas críticas durante la vida del asfalto. Los ensayes realizados sobre el asfalto virgen original representan las etapas de su transporte, almacenamiento y manejo. La siguiente etapa es la de producción de la mezcla asfáltica y construcción que se simula con la prueba Rolling Thin Film Oven (horno para película delgada rolada). La tercera y última etapa del asfalto, que corresponde a la vida útil del pavimento, se simula por medio del Pressure Aging Vessel (recipiente para envejecimiento por presión). El uso de las nuevas especificaciones debe permitir la selección del asfalto adecuado en función de las condiciones locales de temperatura para obtener siempre un buen comportamiento durante las condiciones de trabajo del pavimento. Tabla 2. Breve descripción de los equipos de prueba que propone el programa sHRp para evaluar las propiedades del asfalto EquipoPropósito Deformación Permanentertfo (horno para película delgada Simulan el envejecimiento del asfalto Fracturamiento por fatigarolada) pav(recipiente para envejecimiento Mide las propiedades del asfalto a por presión) temperaturas intermedias y altas dsr (reómetro de corte dinámico) Flujo Viscosímetro rotacionalMide las propiedades del asfalto para altas temperaturas Mantenimiento en pavimentos En esta línea de investigación el objetivo del programa shrp consiste en evaluar la práctica actual de las operaciones comunes de mantenimiento en pavimentos. Lo anterior incluye técnicas de mantenimiento preventivo, técnicas para la evaluación de la condición superficial y estructural de un pavimento, dispositivos para el control del tráfico durante las actividades de mantenimiento y señalamientos de protección para los trabajadores, así como técnicas para el control y manejo de nieve y hielo Comportamiento de pavimentos a largo plazo La importancia de ésta área se explica por los altos costos que implican actualmente, las actividades de rehabilitación y reconstrucción de pavimentos en los Estados Unidos. A pesar de ello, ningún proyecto de investigación para mejorar el entendimiento del comportamiento de los pavimentos a largo plazo había sido desarrollado desde la realización del tramo experimental aastho en 1960. Poco se conoce de la influencia, en el comportamiento de los pavimentos, de
- 4. variables tales que las condiciones climáticas, prácticas de conservación y mantenimiento, efectos de la carga repetida a largo plazo, variaciones de los materiales y prácticas constructivas. El programa SHRP en esta área pretende incrementar la vida de los pavimentos investigando su comportamiento para secciones estructurales diferentes, materiales de construcción y niveles de carga también diferentes y considerando la influencia del tipo de medio ambiente en que se encuentra, del terreno de cimentación y de las prácticas de conservación y mantenimiento. Las actividades de investigación a realizar implican: • • Evaluación de los métodos de diseño existentes. • • Desarrollo de estrategias y procedimientos de diseño para la rehabilitación de pavimentos existentes. • • Desarrollo de ecuaciones de diseño mejoradas para pavimentos nuevos o reconstruidos. • • Determinación de los efectos en el comportamiento y deterioro de pavimentos, de los niveles de carga, del medio ambiente, variabilidad y propiedades de los materiales, calidad de la construcción y niveles de mantenimiento. • • Determinación de los procedimientos de diseño específicos para mejorar el comportamiento de los pavimentos. • • Creación de una base de datos nacional para soportar esos objetivos y necesidades futuras. pRogRAmAs de InvestIgAcIón euRopeos Introducción Entre los años 1989 y 1990 se llevó a cabo una colaboración internacional entre 14 países miembros, principalmente europeos, de la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos (ocde) para el desarrollo de un programa de investigación sobre pavimentos. A dicho programa se le denominó Proyecto force (First ocdeResearch Common Experiment) y tuvo un costo de $700,000 dólares americanos. Los objetivos del proyectos fueron básicamente los dos siguientes: 1 Contribuir a la investigación actual sobre el comportamiento de materiales para carreteras y procedimientos de diseño para pavimentos. 2 Demostrar la capacidad real de colaboración internacional en un tema de interés mutuo. El experimento se realizó en dos etapas; la primera se llevo a cabo en la pista de pruebas a escala natural del Laboratorio Central de Puentes y Caminos (lcpc) ubicada en la ciudad de Nantes, Francia. La segunda etapa consistió en trabajos individuales en otros países con experimentos similares. Los objetivos técnicos de la primera etapa fueron la realización de ensayes de fatiga sobre diferentes estructuras de pavimento para cargas repetidas de 10 y 11.5 toneladas por eje, la verificación de los procedimentos de diseño y mantenimiento utilizados por los países participantes, la estandarización de equipos de prueba, procedimentos de medición y de interpretación de resultados. En la segunda etapa del proyecto se buscó la comparación de resultados obtenidos en experimentos similares pero en diferentes lugares. La discusión de los resultados obtenidos se puede dividir en tres grupos: (1) las características de los pavimentos y materiales en el experimento, (2) el comportamiento mecánico medido de los mismos, y (3) los ensayes cruzados realizados por otros países. Cada uno de estos grupos se discute a continuación. Pavimentos y materiales utilizados Un tema central en lo relativo al comportamiento de pavimentos es, sin duda, el problema de las propiedades de los materiales que lo conforman. Dado que la tendencia actual sigue hacia el uso de modelos matemáticos, basados en la teoría de la viscoelasticidad, ha llegado a ser esencial en la investigación de campo el tener información confiable sobre las especificaciones de los materiales utilizados así como de sus propiedades mecánicas. Sin lo anterior, es muy difícil el explicar las desviaciones entre los comportamientos esperado y observado de los pavimentos. Es interesante notar que, mientras muchos de los participantes en el Proyecto forceeran capaces de evaluar la composición y propiedades de los materiales asfálticos, pocos podían hacer lo mismo para los materiales granulares empleados y menos aún para los suelos utilizados. Esto es un reflejo de la tendencia, en los últimos años, hacia el estudio del comportamiento de materiales asfálticos. Sin embargo, es claro que toda investigación sobre pavimentos es imposible sin un conocimiento completo del comportamiento mecánico de los suelos. Lo anterior fue reconocido por los países participantes y se considero
- 5. para una futura cooperación internacional. Entre las conclusiones importantes destaca la utilidad de equipos de campo para la evaluación de la capacidad estructural de los pavimentos. En particular, se señala que los deflectómetros de impacto (en inglés fwd-Falling Weight Deflectometers) son equipos que permiten la obtención rápida de mucha información sobre la resistencia relativa en cada una de las diferentes áreas de un pavimento. Dicha información se puede correlacionar con otras mediciones realizadas en esas áreas. Además, los valores de deflexión obtenidos pueden servir, con una interpretación cuidadosa, a estimar los módulos de elasticidad de cada una de las capas que constituyen la sección estructural del pavimento. Comportamiento observado Durante el experimento se recopiló información sobre deflexiones, temperaturas, longitud de fisuras, profundidad de roderas, condiciones climáticas, deformaciones en el pavimento, etc. En total de acumularon 60 millones de valores que necesitan de un manejo e interpretación adecuados. A pesar de toda esa información algunos investigadores concluyeron que mediciones más extensivas y frecuentes son necesarias para hacer comparaciones entre lo teórico y lo medido. Esto hace ver que en este tipo de experimentos el problema del tratamiento de la información es muy importante. La cantidad de datos necesaria se puede determinar adecuadamente a partir de una teoría de comportamiento de pavimentos adecuada. Hasta ahora, los modelos utilizados están basados en los métodos mecanicistas que se describen con mayor detalle posteriormente. Tal cantidad de datos hace necesario el uso de análisis estadísticos para el tratamiento de la información de manera a interpretar los resultados y poder obtener conclusiones. Una alternativa al uso de los métodos estadístico es el análisis dimensional para identificar a priori las variables importantes que necesitar ser medidas en un experimento. Cabe señalar que Westergaard, en 1926, utilizó el análisis dimensional para resolver el problema del cálculo del esfuerzo de tensión máximo en pavimentos rígidos. Entre las conclusiones más relevantes obtenidas cabe destacar las siguientes: • • La tecnología actual permite la medición de deflexiones con una precisión aceptable, pero la medición de deformaciones no es todavía confiable. • • La deformación permanente observada es proporcional a la rigidez de la estructura de pavimento. Al parecer, lo anterior no se puede afirmar para el caso de agrietamientos. • • Entre los factores que influyen más en el comportamiento se indicaron la calidad del suelo de apoyo y el espesor de la carpeta asfáltica. • • Los factores de equivalencia entre las cargas estudiadas de 10 y 11.5 Ton dependen del tipo de deterioro a considerar. Ensayes cruzados Como ya se indico anteriormente, la segunda etapa del Programa forceconsistió en la realización de experimentos similares en países tales que España, Estados Unidos, Australia, Finlandia y otros. Estos ensayes cruzados tenían como objetivo el de comparar los resultados obtenidos en la ciudad de Nantes con otros obtenidos en instalaciones diferentes sobre estructuras de pavimento similares. Sin embargo, las diferencias entre resultados fueron muy importantes. Lo anterior cuestiona la realización de ensayes cruzados en diversos países; sin embargo, los costos involucrados en los experimentos a gran escala hacen que el número de variables que se puede incluir en el programa experimental correspondiente sea demasiado limitado. Lo anterior llama necesariamente a una cooperación internacional en vistas de obtener mayores ventajas de las instalaciones de prueba disponibles. metodologíA geneRAl de los métodos de dIseño mecAnIcIstAs La Figura 2 muestra la metodología general para el diseño de pavimentos flexibles. En dicha figura, se asume que los materiales a ser utilizados en la estructura del pavimento son conocidos a priori, y que sólo la configuración del pavimento está sujeta a iteraciones de diseño. Si la configuración del pavimento propuesto no satisface los requisitos de diseño, será entonces necesario cambiar los tipos y propiedades de los materiales a utilizar. En lo que sigue se explican brevemente cada uno de los pasos que constituyen la metodología. Configuración del pavimento
- 6. El primer paso de la metodología implica la suposición de una configuración inicial del pavimento que incluye el número de capas, su espesor y el tipo de materiales a utilizar. Esto se puede realizar convenientemente en base a la experiencia local ya adquirida o haciendo referencia a catálogos de secciones estructurales para pavimentos que emplean paises como Francia y España. Las especificaciones de los materiales a utilizar en cada una de las capas pueden basarse en la experiencia ya validada o apoyándose en recomendaciones de calidad propias de cada País. Figura 2. Metodología general para el diseño de pavimentos Caracterización de materiales comportamiento. El módulo de resiliencia está La propiedad básica de los materiales que conllamado a sustituir al Valor Relativo de Soporte forman las capas (carpeta asfáltica, base, subbase por las razones siguientes: y subrasante) de un pavimento es el Módulo de Resiliencia, que es una medida de las propiedades • Es una propiedad mecánica básica que puede elásticas de un suelo pero reconociendo la usarse en análisis mecanicistas de sistemas de existencia de características no lineales en su capas múltiples para predecir diferentes tipos de deterioros, como son el agrietamiento, las de-formaciones permanentes, la rugosidad, etc., • • El procedimiento para su obtención está normalizado (aashto T 274), • • Se le ha reconocido internacionalmente como método para la caracterización de materiales y para su uso en diseño y evaluación de pavimentos, • • Existen técnicas no destructivas para su medición en campo. La dificultad actual que existe para la determinación y uso común del módulo de resiliencia es la necesidad de equipos triaxiales cíclicos que no son todavía comunes en los laboratorios de pruebas. Debido a ello se han propuesto varias ecuaciones de correlación entre el módulo de resiliencia y otros parámetros de fácil obtención como lo es el Valor Relativo de Soporte. Dichas correlaciones son de dudosa extrapolación a las condiciones nacionales por lo que su uso no es recomendable. Actualmente, el Instituto Mexicano del Transporte (imt) posee un programa ambicioso de investigación encaminado a la caracterización, por el módulo de resiliencia, de materiales usuales de construcción para pavimentos. Asimismo, algunos estudios para la caracterización de bases granulares han sido llevados a cabo por el Instituto de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México. Modelos climáticos Si la temperatura y los contenidos de agua en el pavimento varian considerablemente durante el año, será necesario considerar diferentes valores para los módulos de resiliencia de cada una de las capas que conforman el pavimento en función de la época del año. La determinación de dicha variación necesita de la utilización de modelos climáticos. Estos modelos incluyen los modelos de transferencia de calor (Dempsey y Thompson, 1970) para determinar la distribución espacial y temporal de temperaturas, los modelos de equilibrio (Dempsey et al, 1986) para determinar la distribución final de humedades a nivel de la subrasante, y los modelos de infiltración y drenaje (Liu y Lytton, 1984) para poder predecir el grado de saturación en capas granulares. La utilización práctica de los modelos climáticos necesita de la determinación y/o medición de ciertos parámetros como son los datos climáticos y las propiedades térmicas de los materiales. Los datos climáticos incluyen las temperaturas del aire diarias máxima y mínima, la velocidad del viento y el porcentaje de sol. Las propiedades térmicas incluyen la conductividad térmica, la capacidad de calor y el calor latente de fusión. El grado de saturación en la base y en la subrasante se predice diariamente considerando la distribución de
- 7. probabilidad de la cantidad de lluvia, las probabilidades de días secos y lluviosos, la infiltración de agua en el pavimento a través de grietas y juntas, el drenaje de la capa de base, y las probabilidades de aumento o disminución del contenido de agua en las capas del pavimento. La temperatura y la humedad son variables climáticas importantes en el diseño de pavimentos. El módulo de la carpeta asfáltica depende de la temperatura del pavimento, mientras que los módulos de la base, subbase y subrasante varian considerablemente con los cambios en sus contenidos de agua. En suelos cohesivos, incluyendo suelos granulares con un significativo porcentaje de finos, la resistencia y el módulo de resiliencia son muy sensitivos a pequeños cambios en el contenido de agua (del orden del 1 %). Condiciones de tráfico El tráfico debe subdividirse en un cierto número de grupos de carga, cada uno con diferentes configuraciones y magnitudes de carga y diferente número de repeticiones. La magnitud de la carga, la configuración, separación entre ejes, radio y presión de contacto son variables utilizadas en los modelos estructurales, mientras que el número de repeticiones se usa en los modelos de deterioro. En México, las condiciones de tráfico actuales se conocen con bastante aproximación gracias a los estudios de aforos realizados por la S.C.T. y de pesos y dimensiones de los vehículos de carga que circulan sobre la red nacional carretera realizados por el imt. Modelos estructurales El desarrollo de la futura guía aashto para diseño de pavimentos usará modelos estructurales de elementos finitos o basados en sistemas multicapas. Modelos de Elementos Finitos En Estados Unidos, los programas más recomendados son los denominados illi-pave y mich-pave, el primero desarrollado por la Universidad de Illinois y el segundo por la de Michigan. Según Huang, 1993, esos programas presentan muchas deficiencias que necesitan corregirse antes de poder utilizarse confiablemente. El problema más serio es que las soluciones elásticas lineales obtenidas por esos modelos difieren notablemente de los obtenidos usando la Teoría de elasticidad multicapas. Otra limitación es la representación de las cargas por eje por una sola área circular. Se puede demostrar que el uso de un eje sencillo equivalente para reemplazar un eje dual conduce a un subdiseño para pavimentos con carpetas asfálticas de pequeño espesor, ya que debido al radio de contacto más grande en el eje sencillo las deformaciones de tensión en la base de la carpeta son menores que las obtenidos bajo un eje dual. Se necesita aumentar la capacidad de esos modelos introduciendo la posibilidad de modelar ejes múltiples. Modelos de Sistemas Multicapas En el mercado están disponibles muchos programas que utilizan este tipo de modelos. Los más comunes son los denominados elsym5 (fhwa), kenlayer (Universidad de Kentucky), vesys (mit) y dama (ai). De esos modelos, el más versátil parece ser kenlayer, ya que permite modelar sistemas de pavimento compuestos de capas cuyo comportamiento puede ser elástico lineal o no lineal, o bien viscoelástico, y bajo sistemas de carga con ejes múltiples. La utilización de estos modelos implica la aceptación de las hipótesis de las teorías de la elasticidad y de la viscoelasticidad. Aún cuando se puede demostrar que un suelo, sometido a solicitaciones de carga como las que impone el tráfico a un pavimento, presenta un comportamiento esfuerzodeformación que se puede considerar de tipo elástico, existe un debate actual sobre las posibilidades de aplicación reales para fines de diseño de pavimentos de esos conceptos. Respuesta del pavimento La respuesta de un pavimento ante una solicitación está dada en términos de esfuerzos, σ, deformaciones, ε, y deflexiones, ω, y es obtenida a partir de los modelos estructurales descritos en la sección anterior. En general, se acepta que los cuatro indicadores más significativos del comportamiento de un pavimento flexible son la deflexión superficial, la deformación a la tensión en la carpeta asfáltica, y los esfuerzos y deformaciones de compresión en la subrasante. La deflexión superficial y la máxima deformación a la tensión en el plano inferior de la carpeta asfáltica están directamente relacionadas con el agrietamiento del concreto asfáltico por fatiga. Los esfuerzos y deformaciones de compresión en la subrasante se relacionan con las deformaciones permanentes (roderas) en el pavimento. Consecuentemente, la suficiencia del diseño estructural de un pavimento se puede evaluar comparando los esfuerzos y deformaciones calculados en puntos críticos del pavimento con los valores permitidos, obtenidos de ensayes de laboratorio en los materiales constitutivos. Análisis de confiabilidad Los métodos de diseño de pavimentos pueden ser de tipo determinístico o bien probabilístico. En el tipo
- 8. determinístico, cada factor o variable que interviene en el diseño tiene un valor fijo determinado en base a un factor de seguridad asignado por el proyectista. Utilizando su juicio ingenieril, el proyectista asignará factores de seguridad altos donde la incertidumbre sea alta o bien tenga mucha influencia en el diseño final. Esta manera de proceder, que es de hecho la más usual, puede producir un sobre o subdiseño, dependiendo de las magnitudes de los factores de seguridad aplicados y de la sensitividad de los procedimientos de diseño. Un procedimiento alternativo es el método probabilístico en donde a cada factor o variable de diseño se le asigna un valor medio y una varianza. De esta manera, el factor de seguridad que se le aplica a cada uno de los factores, así como su sensitividad en el diseño final, son automáticamente tomados en consideración y entonces se puede evaluar la confiabilidad del diseño. La confiabilidad se define entonces como la probabilidad de que el diseño propuesto cumpla con las funciones especificadas en el proyecto durante el período de diseño considerado. Modelos de deterioro Los modelos de deterioro incluyen el agrietamiento, debido a la fatiga y bajas temperaturas, y deformaciones permanentes. En su caso, puede incluirse la regularidad entre los modelos de deterioro. Si la confiabilidad para un cierto deterioro es menor que el nivel mínimo requerido, la configuración del pavimento deberá modificarse y comenzar una nueva iteración hasta la obtención del nivel requerido. Los modelos de deterioro son funciones de transferencia que relacionan la respuesta estructural de un sistema a varios tipos de deterioro. Estos modelos son el talón de Aquiles de los métodos de diseño mecanicistas, ya que requieren de una extensiva calibración y verificación en campo para ser confiables. En la literatura especializada existen muchos modelos para deformaciones permanentes en subrasantes y para fracturamiento por fatiga en mezclas asfálticas, pero falta mucho desarrollo en lo que se refiere a deformaciones permanentes en materiales granulares y mezclas asfálticas. El reporte I26 de la nchrp (National Cooperative Highway Research Program) de Estados Unidos sobre diseño de pavimentos por métodos mecanicistas recomienda el modelo de fracturamiento térmico de ShaninMcCullough para evaluar el potencial de fracturamiento una vez que el diseño de espesores ha terminado; si el potencial obtenido es alto o insatisfactorio, un cemento asfáltico más blando debe utilizarse. Dado que las deformaciones permanentes de la carpeta asfáltica son la principal componente de la deformación total en pavimentos de alto tránsito en donde los espesores de carpeta son grandes, una vez terminado el diseño de espesores debe evaluarse el potencial de deformaciones permanentes esperado. Si dicho potencial es alto, hay que variar el procedimiento de diseño de la mezcla asfáltica hasta la obtención de un potencial aceptable. Modelos de Fracturamiento por Fatiga El concepto de daño acumulado, propuesto por Miner en 1945, se utiliza para predecir el fracturamiento por fatiga. Según este concepto, el número permisible de repeticiones de carga está relacionado con el valor de la deformación de tensión en la parte inferior de la capa asfáltica. La cantidad de daño se mide por medio de lo que se denomina relación de daño, que es la relación entre los números de repeticiones esperadas y permisibles. Teóricamente, cuando esta relación es igual a 1, el daño se produce. Por supuesto, dadas las incertidumbres involucradas, el daño no se produce todo una vez que se alcanza ese valor de 1. Si se utilizan en el diseño los valores medios de cada parámetro, una relación de daño igual a 1 indica que la probabilidad de falla es de 50%, es decir, el 50% del área presentará fracturamiento por fatiga. La diferencia principal entre los diferentes métodos de diseño es la forma de la función de transferencia que relaciona las deformaciones de tensión, εt en la fibra inferior de la carpeta asfáltica, cuyo módulo de elasticidad es E1, con el número de repeticiones admisibles Nf. Por ejemplo, los métodos de diseño de la Compañía Shell y del Instituto del Asfalto usan la expresión -f2E1-f3 (1) Nf = f1εt donde f1, f2 y f3 son constantes que se determinan a partir de ensayes de fatiga llevados a cabo en el laboratorio y modificando f1 para correlacionar con el comportamiento observado en el campo. Para una mezcla asfáltica estándar de diseño, la ecuación del Instituto del Asfalto para limitar a 20% el área afectada por el fracturamiento es: Nf = 0.0769εt 3.291E10.854 (2) en tanto que la de la Compañía Shell es:
- 9. Nf = 0.0685εt 5.671E12.363 (3) Dado que el exponente f2 es mayor que f3 el efecto de εt en es más importante que el de Nf. Por ello, el término E1 puede llegar a omitirse y la ecuación (3) puede simplificarse y quedar como -f2 (4) Nf = f1εt La ecuación anterior es utilizada por diversas instituciones, la Tabla 3 resume los valores de f1 y f2 más usuales. Tabla 3. Criterios de fracturamiento por fatiga utilizados por diferentes instituciones Institución f1 f2 Dept. de Transporte 5 x 106 3.0 de Illinois, usa trrl, u.k. 1.66 x 1010 4.32 Puede notarse de la Tabla que el exponente f2 toma valores entre 3.0 y 4.76, pero el coeficiente f1 tiene variaciones de diferentes órdenes de magnitud, desde 5 x 106 hasta 4.92 x 1014 . Los exponentes f2 y f3 se determinan usualmente a partir de ensayes de fatiga sobre especímenes de laboratorio, mientras que f1 es un factor de ajuste para ser consistentes con los valores de campo. Pell (1987) señala que dicho factor de ajuste puede variar entre 5 y 700. Además, debido a las diferencias en materiales, métodos de prueba, condiciones de campo y modelos estructurales, es de prever que puede haber un gran número de funciones de transferencia. No importa cual sea la función de transferencia, lo importante es realizar muy cuidadosamente la calibración para ajustar las predicciones de deterioros con las observaciones de campo. Modelos de Deformación permanente Dos procedimientos son los usuales para limitar las deformaciones permanentes. El primero consiste en limitar únicamente la deformación vertical de compresión en la fibra superior de la capa subrasante, y el segundo procedimiento en limitar la deformación permanente acumulada total en la superficie debida a la contribución de cada una de las capas que conforman el pavimento. En los métodos de diseño del Instituto del Asfalto y de la Compañía Shell, el número de repeticiones admisibles Nd para limitar las deformaciones permanentes, se relaciona con la deformación vertical de compresión εc en la fibra superior de lo subrasante con una ecuación del tipo Nd = f4εc-f5 (5) donde f4 y f5 son constantes que se determinan a partir de tramos de prueba o del comportamiento observado en el campo. En la Tabla 4 se muestran los valores típicos de f4 y f5 utilizados por diversas instituciones. Como puede apreciarse de la Tabla 7.3, el exponente f5 varía en un rango estrecho, pero no así el coeficiente f4. Nuevamente, f4 y f5 deben calibrarse para ajustar las predicciones con las observaciones de campo. En el primer procedimiento de control de deformaciones permanentes, se considera que controlando la deformación de compresión en la
- 10. fibra superior de la subrasante se puede limitar las deformaciones permanentes en superficie. Por ejemplo, el diseño utilizando el método del Instituto del Asfalto limita en principio la profundidad de rodera en superficie a 12.7 mm, en tanto que el método del trrl la limita a no más de 10.2 mm. Sin un procedimiento definido el control de deformaciones permanentes en la carpeta asfáltica se debe realizar por medio del mejoramiento de las técnicas de selección de materiales y del diseño de la mezcla utilizando, por ejemplo, las recomendaciones emitidas por el programa denominado shrp. Sin embargo, a menos que se utilicen espesores y materiales estándares en el diseño, la evaluación de deformaciones permanentes en superficie a partir de las deformaciones de compresión en la subrasante no es razonable. Bajo tráfico pesado y con grandes espesores de carpeta asfáltica, la mayor parte de la deformación permanente ocurre en esa capa y no en la subrasante. Lo más razonable es realizar la acumulación de deformaciones debidas a cada una de las capas del pavimento. Diseño final El diseño final se obtiene cuando la configura-ción del pavimento satisface los requisitos de confiabilidad para cada tipo de deterioro. conclusIones En Estados Unidos, existe una tendencia es hacia el uso de los métodos de diseño mecanicistas, como lo señala la misma guía para diseño de pavimentos editada por la aashto. Otros países, en particular de Francia, han adoptado ya dichos métodos. Sin embargo, las hipótesis básicas de la teoría de la elasticidad, que está a la base de los métodos mecanicistas, han sido cuestionadas y criticadas en repetidas ocasiones en relación con la naturaleza del problema de pavimentos. Otra crítica de importancia es que los modelos estructurales, del tipo de capas múltiples o de elementos finitos, sólo son aplicables a obras específicas donde haya un control de calidad riguroso, tanto en los materiales como en el proceso de construcción, de tal manera que la caracterización del modelo corresponda a la realidad. Aparentemente, en el caso de carreteras, la variación en materiales a lo largo del camino no permite garantizar dicha precisión, por lo que en la práctica su utilidad puede perderse. De lo tratado anteriormente se puede destacar lo siguiente: • En la actualidad hay consenso con respecto a los tipos de daño que deben tomarse en cuenta para establecer los criterios de deterioro. Estos son la deformación unitaria máxima a tensión en el plano inferior de la capa asfáltica y la deformación unitaria máxima a compresión en la subrasante. • • Los criterios utilizados en otros países tienen en consideración las condiciones prevalecientes en esos lugares, tales como clima, proceso constructivo y técnico, materiales, etc. Por tal motivo no es fácil transferir directamente los métodos desarrollados en esos países a México. Por ello es necesario realizar investigaciones con objeto de obtener métodos adecuados a las condiciones imperantes de nuestro país. Una de estas investigaciones por realizar, sería la estandarización de los materiales utilizados en la construcción de estas obras. • • El control de calidad tanto en la construcción como de los materiales utilizados en ésta, juegan un papel vital para lograr un producto final de buena calidad. Actualmente el Instituto Mexicano del Transporte lleva a cabo proyectos de investigación para profundizar en el comportamiento de los materiales de construcción para pavimentos sometidos a carga repetida, con la filosofía de que el mejoramiento del diseño de los pavimentos modernos que requiere el país pasa por un mejor conocimiento de la mecánica de dichos materiales.