adecuaciÓn de las instrucciones 6.1 ic y 6.2 ic sobre secciones de pavimento a las singularidades...

8/16/2019 ADECUACIÓN DE LAS INSTRUCCIONES 6.1 IC Y 6.2 IC SOBRE SECCIONES DE PAVIMENTO A LAS SINGULARIDADES DE LOS PAVIMENTOS DE MÉXIC…

1/36

UNIVERSIDAD VERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

MAESTRÍA EN VÍAS TERRESTRESREGIÓN XALAPA

Protocolo de Trabajo Recepcional

“ADECUACIÓN DE LAS INSTRUCCIONES 6.1 IC Y 6.2 IC

SOBRE SECCIONES DE PAVIMENTO A LAS

SINGULARIDADES DE LOS PAVIMENTOS DE MÉXICO

MEDIANTE MODELIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO

DE FIRMES”

Nombre del Alumno

ING. ERICK EDUARDO FERNÁNDEZ RODRÍGUEZ

Director:

Dr. Saúl Castillo Aguilar


2/36

Protocolo de trabajo recepcional

ii

Xalapa Enríquez Veracruz 2016

Contenido

INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 1

OBJETIVOS ................................................................................................................................. 2

Objetivo General ................................................................................................................... 2

Objetivos Específicos ............................................................................................................. 2

1. Firmes carreteros ....................... ......................... ........................... ......................... ........... 3

1.1. Capas de un firme ........................ ......................... .......................... ......................... ....... 3

1.2. Métodos de diseño y evaluación de firmes de carreteras ......................... ....................... 4

1.2.1. Dimensionamiento de firmes ........................ .......................... .......................... ...... 5

1.2.2. Estudios preliminares para el dimensionamiento de firmes ....................... .............. 6

1.2.3. Estudios preliminares para el diseño de firmes en México ......................... .............. 6

1.3. Dimensionamiento analítico del firme: modelos de respuesta y modelos de

comportamiento ........................................................................................................................ 7

1.3.1. Caracterización de la solicitación en firmes. Tráfico vehicular. ........................... ...... 7

1.3.2. Geotecnia del sitio. Caracterización de materiales................................ ................. 11

1.3.3. Requisitos de las capas de apoyo en la normativa mexicana para carreteras ......... 13

1.4. Procedimiento general de dimensionamiento ......................... ......................... ............. 19

1.4.1. Modelos de respuesta ........................... .......................... ......................... ............. 22

1.4.2. Modelos de comportamiento ........................ .......................... .......................... .... 22

1.5. Análisis mecanicista de firmes rígidos ....................... .......................... .......................... 24

1.5.1. Estudios preliminares ....................... .......................... ......................... .................. 24

1.5.2. Metodología de diseño de firmes de concreto hidráulico .......................... ............ 24

1.5.3. Modelos de deterioro ........................... .......................... ......................... ............. 25

Definiciones ................................................................................................................................. 29

Cronograma de actividades ......................... ......................... ............. ¡Error! Marcador no definido.

Bibliografía .................................................................................................................................. 33


3/36

1

“ADECUACIÓN DE LAS INSTRUCCIONES 6 1 IC Y 6 2 IC SOBRE SECCIONES DE

PAVIMENTO A LAS SINGULARIDADES DE LOS PAVIMENTOS DE MÉXICO”

INTRODUCCIÓN

En la actualidad se está utilizando la normatividad española en materia de diseño estructural y

construcción de pavimentos en carreteras mexicanas, lo cual no es aconsejable sin un análisis

técnico del desempeño final de los pavimentos diseñados con esta metodología, debido a que los

materiales utilizados, las técnicas constructivas y las auscultaciones previas para la caracterización

del suelo existente no se corresponden con los utilizados en España.

La problemática reside en la incertidumbre que existe al tratar de implementar un método de

diseño de pavimentos en una región para el que no ha sido generado, esto a falta de una teoría

científica sobre el comportamiento de los pavimentos, ya que la validación de un método de

diseño, hasta ahora, sólo se puede realizar a partir de la observación empírica del funcionamientoa largo plazo del pavimento. Los criterios utilizados en otros países tienen en consideración las

condiciones prevalecientes allí, tales como clima, proceso constructivo y técnico, materiales, etc.

Por tal motivo no es fácil transferir directamente los métodos desarrollados en otros países a

México, a menos que se verifique que se ajusta a las características prevalecientes de la región.

En la publicación técnica No. 104 del Instituto Mexicano del Transporte (IMT), se menciona la

relevancia del “Método de Diseño Español”, este es un catálogo de secciones de firme para

pavimentos publicado en 1989 por el entonces Ministerio de Obras Públicas y Urbanismo (MOPU),

el cual fue modificado y publicado en el año 2003 en la Instrucción de Carreteras de la Dirección

General de Carreteras de España para adaptarlo al incremento del tráfico, al estado de lascarreteras españolas y a la evaluación tecnológica de los materiales y sistemas constructivos

específicos de la pavimentación (Rico Rodríguez , et al., 1998).

El objeto de este trabajo de investigación es evaluar el desempeño de cada sección de pavimento

propuesta en la normatividad 6.1-IC “Firmes flexibles” y 6.2-IC “Firmes rígidos” de la Instrucción

de Carreteras de España, de acuerdo a las características requeridas en los materiales y técnicas

constructivas usadas en la República Mexicana y verificar la funcionalidad de la metodología de

diseño en el territorio mexicano.

Para ello se obtendrán las características del comportamiento mecánico de los materiales térreos,

determinando principalmente el módulo de rigidez (módulo de Young) y coeficiente de Poisson, se

recopilaran las principales leyes de fatiga para determinar el comportamiento general de las

diversas estructuras de pavimentos, considerando el efecto del tránsito y los que provienen del

intemperismo y el efecto del agua.

Como resultado final, se comprobará la durabilidad de cada sección de pavimento con las

características de tráfico vehicular para la que fue propuesta y en aquellos casos en que el


4/36


2

comportamiento de resistencia al deterioro no sea el adecuado, recomendar la no utilización o el

uso para un tráfico vehicular inferior.

Las Instrucciones 6.1-IC y 6.2-IC instruyen que, para los proyectos de construcción de nuevas

carreteras o reconstrucción de las ya existentes se utilice el “Catálogo de Secciones de Firmes

Flexibles y Rígidos”, haciendo notar que no aplica para el diseño de refuerzos de pavimentos ni a

secciones de pavimentos sobre alguna estructura, lo cual seguirá en pie para el caso de la revisión

aquí presentada.

Para tales fines, se realizará la modelación matemática del comportamiento mecánico-estructural

de los pavimentos mediante programas de elemento finito, los cuales emplean ecuaciones

constitutivas para el cálculo de esfuerzos y deformaciones, estos suponen que el material es un

continuo (no se tiene en cuenta el comportamiento individual de los componentes del material,

sino su comportamiento global a nivel macro-mecánico). Estos programas reproducen la respuesta

del firme ante la aplicación de carga y aparecen como muy razonables en el campo de la

predicción de la vida previsible para la deformación permanente y por fatiga provocadas por eltráfico vehicular en los firmes carreteros, ya que los resultados son muy aproximados con el

funcionamiento real y arrojan suficiente información para dar recomendaciones y adoptar

criterios. Para el análisis de las secciones de pavimento rígido se utilizará el software ISLAB 2000 y

para los pavimentos flexibles los softwares PLAXYS V. 8.6 y Ansys.

OBJETIVOS

Objetivo General

Corroborar el eficiente comportamiento ante el deterioro, a lo largo de la vida útil de proyecto, de

las secciones estructurales de pavimento propuestas en el catálogo de secciones de firmes de laDirección General de Carreteras de España, modelando cada una de ellas conforme a las

características de los materiales y las técnicas de construcción que rigen este tipo de

infraestructura en México, y considerando los modelos de respuesta y comportamiento ideales.

Objetivos Específicos

1.

Determinar mediante pruebas de tracción directa el módulo de elasticidad y el coeficiente

de Poisson para los materiales empleados en la construcción de las secciones.

2.

Realizar el modelo de respuesta de cada una de las secciones estructurales.

3.

Aplicar las leyes de fatiga recolectadas de la bibliografía para analizar el comportamientoal deterioro.

4.

Concluir si son adecuadas o no las secciones estructurales propuestas en la normativa 6.1-

IC “Firmes flexibles” y 6.2-IC “Firmes rígidos” de la Instrucción de Carreteras de España

para su aplicación en México.


5/36


3

1. Firmes carreteros

Las carreteras están formadas por la disposición horizontal de distintas capas de materiales, con

diferentes comportamientos mecánicos, superpuestas y apoyadas sobre una explanada mejorada.

La función de la carretera es doble: por una parte debe proporcionar una superficie cómoda y

segura para la circulación de los vehículos, y por otro lado debe transmitir las cargas debidas altráfico, suficientemente amortiguadas a la explanada como para que puedan ser soportadas por

esta (Ruiz Rubio, 2010).

Debido a estas dos funciones que debe cumplir la estructura se toman en cuenta dos aspectos

fundamentales en el diseño de firmes: por un lado la resistencia de la estructura, que condicionará

los materiales y espesores que deberán utilizarse en el diseño y construcción de la misma, y por

otro lado la comodidad y seguridad ante la circulación, que definirá las condiciones de textura y

acabado que se exigirán a las capas superficiales para que la carretera cumpla esas funciones

(Bañón Blázquez & Beviá García, 2000).

Se ha vuelto de uso general que las dependencias a cargo de la planeación, coordinación y

evaluación de obras de infraestructura carretera expidan catálogos de firmes en los que,

dependiendo del tipo de tráfico y del tipo de explanada, se presentan distintas soluciones

constructivas que son equivalentes en cuanto a su composición estructural. Estos catálogos son

herramientas útiles para el diseño de los firmes y son el resultado del estudio analítico y

experimental de las distintas soluciones que plantean las dependencias correspondientes.

Estos catálogos de secciones estructurales para firmes tienen como finalidad ser una guía rápida

de consulta para todos los involucrados en la realización de estudios y proyectos de firmes nuevos

y rehabilitación de los existentes. Con estas guías se pretende que en los estudios y proyectos defirmes carreteros se proponga una estructura mínima, según las condiciones regionales y de

transito de cada proyecto en particular.

Estos catálogos no se deben considerar como mandatarios sobre un diseño realizado

adecuadamente para un proyecto en particular.

1.1. Capas de un firme

Capa Subrasante. Es el terreno de cimentación del firme. Puede ser el suelo natural, debidamente

recortado y compactado; o puede ser, debido a los requisitos del diseño geométrico, cuando elsuelo natural es deficiente, y el material seleccionado de relleno es de buena calidad. En todo caso

el material deberá cumplir con las normas de calidad que exijan las dependencias de orden público

a cargo de la gestión de proyectos carreteros.


6/36


4

Capa Sub-base. Es una capa de materiales pétreos, de buena graduación, construida sobre la

subrasante. Esta capa, al igual que la anterior, deberá cumplir con los requisitos de compactación

y de calidad a los que se hace referencia para la capa subrasante.

Esta capa es la que subyace a la capa base, cuando ésta es necesaria, como en el caso de los

pavimentos flexibles. Normalmente, la sub-base se construye para lograr espesores menores de lacapa base, en el caso de pavimentos flexibles, en el caso de pavimentos de concreto hidráulico, en

muchos casos resulta conveniente colocar una capa sub-base cuando las especificaciones para

firmes son más exigentes.

Base. Constituye la capa intermedia entre la capa de rodamiento y la sub-base. Generalmente se

la usa en los pavimentos flexibles. Se compone de materiales pétreos con buena distribución

granulométrica. Esta capa permite reducir los espesores de carpeta, dada su función estructural

importante al reducir los esfuerzos cortantes que se transmiten hacia las capas inferiores. Además

cumple una función drenante del agua atrapada dentro del cuerpo del firme.

Carpeta. Superficie de rodamiento construida por materiales endurecidos para pasar minimizados

los esfuerzos hacia las terracerías. Pueden ser materiales granulares con o sin liga, o más

comúnmente de concreto asfáltico o hidráulico, en sus diferentes variantes. Constituye el área

propiamente dicha por donde circulan los vehículos y peatones.

a)

Carpetas de concreto hidráulico. Está constituida por una losa de concreto hidráulico. La

losa puede ser de concreto hidráulico simple o con acero de refuerzo continuo. Si son de

concreto simple; éstas se construirán con o sin dispositivos de transferencia de carga.

La losa de concreto hidráulico es muy susceptible a los efectos de la expansión ycontracción generados por los cambios de temperatura. Suele requerirse de extrema

precaución y control de conservación en el sellado de juntas para evitar problemas

posteriores.

b)

Carpetas de concreto asfáltico. Es aquella que está formada por suelos con características

especiales y cemento asfáltico, sobre ella actúan directamente las cargas del tránsito

vehicular y en muchos casos se encarga de proporcionar las características funcionales al

pavimento. Estructuralmente, absorbe y transmite los esfuerzos horizontales y verticales a

las capas que yacen bajo ella.

1.2. Métodos de diseño y evaluación de firmes de carreteras

Los métodos de dimensionamiento de firmes se pueden clasificar en tres grupos: los métodos

empíricos, los analíticos y los catálogos.


7/36


5

Los métodos analíticos consisten en determinar las tensiones y deformaciones críticas a través de

un modelo matemático, denominado modelo de respuesta, para después, con los valores de

tensión y deformación críticos realizar los modelos de comportamiento, para así obtener el

número de repeticiones de cargas que puede soportar la estructura antes de producirse el fallo.

Esos modelos tienen una calibración empírica pero tienen la ventaja de poder tratar distintas

condiciones del firme (Mateos Moreno, 2003).

Por su parte, los catálogos son métodos basados en un conocimiento empírico y/o analítico que

presentan tablas de doble entrada, por un lado el tipo de tráfico que se prevé que tenga que

soportar el firme, y por otro el tipo de explanada sobre la que se asienta, y en función de esos

factores se presentan estructuras de firme que son equivalentes con los tipos de materiales,

espesores y composición dentro de las capas (Ruiz Rubio, 2010).

En España existe la Norma 6.1 IC “Secciones de firme”, y es la instrucción de firmes de nueva

construcción, que ha sido objeto de distintas modificaciones con el paso de los años. Esta

instrucción contiene tanto las especificaciones técnicas de los materiales empleados en laconstrucción de carreteras como un catálogo de secciones de firme con las distintas soluciones de

diseño propuestas, en función del tráfico que se prevé que tendrá que soportar la carretera y el

tipo de explanada sobre la que se asiente.

De la misma forma la Dirección General de Servicios Técnicos (DGST) de la Secretaria de

Comunicaciones y Transporte publicó (SCT) público el “Catalogo de Secciones Estructurales de

Pavimento para las Carreteras de la República Mexicana” como una guía rápida de consulta para

todos los involucrados en la realización de estudios y proyectos de pavimentos nuevos y

rehabilitaciones de los existentes. El catálogo ha sido elaborado para los climas, tránsito vehicular

y materiales más comunes existentes en México.

1.2.1. Dimensionamiento de firmes

El dimensionamiento de firmes es una parte del proyecto de diseño de carreteras que consiste en

determinar los materiales que conforman las distintas capas de la estructura y sus espesores, con

el fin de que la carretera soporte las cargas del tráfico para el cual se proyecta y los deterioros que

este provoca durante una vida de servicio determinada (Ruiz Rubio, 2010).

Los materiales, los espesores de las capas constituyentes y la composición dentro del firme se

eligen en función de las características del proyecto.

Por otra parte, dichas propiedades para una mezcla dada, son muy sensibles a los cambios de

temperatura, humedad, grado de confinamiento del material y a procesos de deterioro con el

paso del tiempo, por lo que se necesita la información correspondiente para el inicio de los

trabajos de diseño de firmes.


8/36


6

1.2.2. Estudios preliminares para el dimensionamiento de firmes

Los métodos de dimensionamiento utilizan como datos de entrada:

El tráfico vehicular que se prevé que soportará el firme durante su vida útil. Solamente se

tiene en cuenta el tráfico pesado, que es el que da lugar a la rotura y deformaciones de lascapas de firme.

La capacidad de soporte de los suelos sobre los que se construye el firme. Esa parte es la

denominada explanada.

Las propiedades mecánicas de los materiales de cada una de las capas del firme, ya que

condicionan su comportamiento estructural.

La climatología, ya que hay variables ambientales como la humedad y la temperatura que

afectan al comportamiento mecánico de los materiales que conforman la estructura.

Como resultado de la aplicación de los métodos de dimensionamiento se obtiene:

La definición del firme a través de los materiales, sus espesores y la composición dentro de

la estructura.

Las condiciones tanto climatológicas como de tráfico para las cuales se ha obtenido esa

definición de firme.

1.2.3. Estudios preliminares para el diseño de firmes en México

Los estudios preliminares para el diseño de un pavimento exigidos en México son:

a)

Rango de tránsito vehicular.

Se parte de los aforos de tránsito vehicular para pavimentos existentes (en caso de

rehabilitación) o del estudio de tránsito estimado para firmes nuevos.

b)

Región donde se localiza el pavimento

Para determinar la región donde se encuentra o donde se construirá el firme se requiere

conocer la temperatura máxima y mínima, la precipitación pluvial máxima y el tipo de

terreno natural (explanada) del sitio.

c) Caracterización de materiales

Es necesario verificar que los materiales que se utilizarán para construir las capas del

pavimento cumplan con las características mecánicas establecidas en la normativa

correspondiente de la SCT.


9/36


7

A partir de los datos anteriores es posible realizar el diseño de la estructura del firme que

corresponda con los valores obtenidos para dichos datos.

1.3. Dimensionamiento analítico del firme: modelos de respuesta y modelos

de comportamiento

El estudio experimental del comportamiento de los firmes requiere de un tiempo y coste

considerable. Además los datos son difíciles de extrapolar a otro tipo de condiciones distintas a las

del ensayo. Esto provoca que la modelación y simulación de la respuesta y el comportamiento de

un firme de carreteras sean unas herramientas muy útiles tanto en el dimensionamiento como en

el estudio del deterioro de este tipo de estructuras, ya que se obtienen resultados en un corto

periodo de tiempo y con un coste mucho menor (Mateos Moreno, 2003).

La creciente incorporación de nuevos materiales en este tipo de estructuras, materiales tratados,

materiales reciclados (escorias de acería, mezclas de polvo de neumático,…), etc., y la evolución de

la tecnología de computación han provocado que cada vez se use más la modelación matemáticapara el diseño y estudio de las carreteras, ya que permiten reproducir distintas hipótesis de cálculo

y comparar los resultados (Mateo Moreno, 2010).

1.3.1. Caracterización de la solicitación en firmes. Tráfico vehicular.

Cuando un neumático se desplaza por la superficie de una carretera, un punto cualquiera de la

sección estructural situado por delante de la carga se ve sometido a tensiones. La magnitud de las

tensiones y deformaciones depende del tipo, magnitud y velocidad de la carga, construcción del

firme, tipo de explanada, temperatura, profundidad del elemento considerado, etc. Ver (Garnica

Anguas, et al., 2002). La ciencia de los materiales que estudia estas características es la reología.

La caracterización de las solicitaciones producidas por el tránsito sobre una infraestructura

carretera es bastante compleja, debido no sólo a la variabilidad de los distintos vehículos

existentes, sino también a las interacciones vehículo-pavimento que producen fenómenos con

solicitaciones adicionales a las propias cargas estáticas del tránsito.

Los efectos dinámicos de los vehículos en movimiento se transforman en impacto y vibraciones en

los que intervienen el estado superficial del pavimento y el tipo de suspensión del vehículo. En

general, los vehículos en marcha transmiten al neumático una carga de magnitud variable, según

el movimiento oscilatorio de la masa suspendida, cuya frecuencia varia con la velocidad y tipo depavimento. Los máximos pueden ser un 40 o 50 % superiores a los normales con carga estática.

Este aumento de carga se refleja sobre el pavimento en forma de presión de contacto y/o

incremento de la superficie de rodadura.


10/36


8

El patrón de esfuerzos inducidos a una estructura de pavimento como resultado del tránsito de

vehículos es muy complejo. Un elemento de pavimento está sujeto a pulsos de carga que

involucran componentes de esfuerzos normales y cortantes. Los esfuerzos son transitorios y

cambian con el tiempo conforme la carga avanza. El esfuerzo cortante cambia de sentido

conforme la carga pasa, provocando así una rotación de los ejes de esfuerzos principales. (Lekarp,

et al., 1997).

La figura 1-1 muestra el esquema de una sección longitudinal de las capas de un firme, sobre las

cual una carga se mueve a velocidad constante.

Es estado de esfuerzos experimentado por el punto P (debido a la cargas en el punto A) puede

observarse en la Figura 1-1 (a); en este punto actúan tanto esfuerzos normales como esfuerzos

cortantes.

Cuando la carga se mueve al punto B, los esfuerzos cortantes son nulos y únicamente actúan los

esfuerzos normales, como se presenta en la Figura 1-1(b); en este punto se tiene un estado triaxialde esfuerzos, debido a que se presentan sólo esfuerzos normales.

La dirección de los esfuerzos cortantes originados en el punto C es contraria a la dirección de

esfuerzos originados en el punto A, como se muestra en la Figura 1-1 (c).

Figura 1-1 Estado de esfuerzos en la subrasante

En laboratorio se realizan pruebas triaxiales simulando la condición B tratando de reproducir las

condiciones más desfavorables. Durante las pruebas debe aplicarse una presión de confinamiento

que varíe con el esfuerzo desviador; sin embargo, es difícil simular en laboratorio este cambio, porlo que la presión de confinamiento se mantiene constante y el esfuerzo desviador es el que se

aplica en forma repetida.


11/36


9

Estado de esfuerzos que producen las cargas en función de la magnitud y tipología

Los neumáticos de los vehículos se apoyan sobre el pavimento produciendo una huella de forma

distinta para cada tipo de neumático, presión de inflado, carga por rueda, velocidad y estado de la

superficie. Cuando está en movimiento, además de variar la forma de la huella, aparecen

solicitaciones distintas a las verticales, que son las que existen cuando el vehículo está detenido ocon movimiento uniforme: aparecen esfuerzos horizontales debido al rozamiento y a los cambios

de trayectoria, succiones de agua contenida en la sección estructural y esfuerzos verticales de

impacto por efectos del movimiento del vehículo y las irregularidades de la carretera.

Los esfuerzos horizontales de aceleración y frenado o en curvas de pequeño radio, que se pueden

producir en zonas localizadas, influyen también en el estado de esfuerzos y deformaciones del

pavimento. Cuando en la superficie de un pavimento se originan esfuerzos tangenciales, éstos

deben ser resistidos por los 8-10 cm superiores, pero en general no afectan a las capas inferiores.

Por ello, la forma práctica con la que se resuelven estos problemas, es proyectando capas de

rodamiento cuya resistencia al esfuerzo cortante sea suficientemente alta para garantizar que nose produzcan rupturas o deformaciones por cizallamiento.

Los efectos dinámicos de los vehículos en movimiento se transforman en impactos y vibraciones

en los que intervienen el estado superficial del pavimento y el tipo de suspensión del vehículo. En

general, los vehículos en marcha transmiten al neumático una carga de magnitud variable, según

el movimiento oscilatorio de la masa suspendida, cuya frecuencia varía con la velocidad y tipo de

pavimento. Los máximos pueden ser un 40 o 50% superiores a los normales con carga estática.

Este aumento de cargas se refleja sobre el pavimento en forma de presión de contacto y/o

incremento de la superficie de rodada.

En la figura 1-2 se muestra cómo cuando la rueda cargada avanza se producen pulsaciones de los

esfuerzos verticales y horizontales, que son acompañados de una doble pulsación del esfuerzo

cortante con una señal contraria en el plano horizontal y vertical; aquí también se muestra la

relación entre el esfuerzo y el tiempo. Se observa que a medida que el vehículo se va a cercando al

punto P (Figura 1-1), el esfuerzo cortante se incrementa hasta llegar a un máximo para luego

descender hasta un valor cero (en el momento en el que el esfuerzo vertical es el máximo); luego

se incrementa nuevamente (pero ahora con signo negativo) hasta lograr un máximo negativo, para

después crecer y llegar a cero; describiendo con este comportamiento una onda senoidal

completa.


12/36


10

Figura 1-2 Pulsaciones de carga originadas por el movimiento del tránsito vehicular (Garnica

Anguas, et al., 2002)

En la Figura 1-2a, se puede apreciar el desarrollo de los esfuerzos verticales, horizontales y

cortantes (generados en un elemento del suelo) originados por la aplicación de las cargas

impuestas por el tránsito.

Si los firmes se encuentran bien construidos, las tensiones que sufren los distintos elementos del

firme son inferiores a las de rotura. El fallo, es decir cuando la estructura ya no puede desempeñar

la función para la que está concebida, se produce por la repetición de las solicitaciones, que

producen un fenómeno de fatiga.

Se denomina respuesta del firme ante el paso de la carga al conjunto de tensiones y

deformaciones que se producen en las distintas capas de la estructura. La acumulación de estas

deformaciones y tensiones debido a un proceso de fatiga es lo que provoca el fallo estructural de

la capa. El tipo de proceso de fatiga es característico del material (suelos, roca, mezcla bituminosa,

etc.) y de su posición dentro de la estructura. Ello determinará el punto de cálculo de esas

tensiones y deformaciones.


13/36


11

Los deterioros se pueden producir en cualquiera de los componentes del firme, dependiendo de

dónde se produzcan resultarán en un tipo diferente de fallo de la estructura.

El dimensionamiento analítico del firme consiste en el cálculo de las tensiones y deformaciones

que soportan los materiales que conforman las distintas capas del firme en estudio bajo el paso de

la carga, de forma que se pueda evaluar si éste es adecuado para las condiciones de tráfico, climay explanada a las que estará expuesto durante su vida útil (Mateos Moreno, 2003).

La vida útil de un firme se define como el periodo de tiempo durante el cual no se producirán

deterioros que provoquen el fallo de la estructura.

Los métodos de dimensionamiento analítico se componen de dos tipos de modelos: un modelo de

respuesta, con el que se calculan las tensiones y deformaciones críticas y un modelo de

comportamiento, que incluye las leyes de fatiga que relacionan los parámetros críticos de cada

material con el número máximo de cargas soportadas por este.

Hay una serie de criterios de dimensionamiento que deben tenerse en cuenta. Aquellos que se

contemplan en los métodos analíticos son los siguientes:

Las deformaciones de la explanada no deben ser excesivas por lo que el firme debe

soportar las cargas de tráfico amortiguando las tensiones y deformaciones que llegan a la

explanada.

Las capas con materiales ligantes, como las mezclas bituminosas o materiales tratados con

conglomerantes, deben soportar las cargas del tráfico sin que se produzcan

agrietamientos.

1.3.2. Geotecnia del sitio. Caracterización de materiales

El tipo de suelo existente en el sitio determinará en gran medida la estructura del pavimento a

construir. Así en la gran mayoría de los casos, por condiciones de trazo geométrico, topografía y

calidad de los suelos naturales de apoyo, es necesario colocar una capa de transición sobre la cual

se construyan los firmes. Esta capa generalmente será de mejores características de resistencia y

de deformación que los suelos existentes en la zona.

De una manera sencilla se puede decir que las propiedades fundamentales de los materiales queusualmente son parte de la sección estructural de un pavimento, se deben determinar a partir de

ensayes de laboratorio de carga repetida.


14/36


12

Mezclas asfálticas

Para el caso de las mezclas asfálticas, la propiedad se llama módulo dinámico, determinado según

la norma ASTM D3497, en donde un espécimen cilíndrico se somete a pulsos repetidos de cierto

esfuerzo cíclico, en condiciones de compresión no confinada. El módulo dinámico se calcula como

el cociente entre el esfuerzo aplicado y la deformación unitaria elástica en cada ciclo de carga.

El ensaye se deberá realizar para el rango de temperaturas esperado en el lugar, la velocidad de

operación esperada, y para el diseño volumétrico de la mezcla seleccionada.

Concreto hidráulico

Para el caso del concreto hidráulico y materiales estabilizados, se requiere el valor del módulo de

elasticidad tal y como se obtiene convencionalmente con la norma ASTM C469, y una estimación

del valor de la resistencia a la tensión, ya sea obtenido a flexión (ASTM C78) ó en tensión indirecta

(ASTM C496), a fin de determinar el módulo de ruptura de esa clase de materiales. Para elconcreto, también se requiere el valor del coeficiente de expansión térmica.

Suelos cohesivos y material granular

Para suelos y materiales granulares, la propiedad de referencia es el módulo de resiliencia, que se

ejecuta de acuerdo con la norma AASHTO T274, y cuyo montaje se muestra en la figura 2.6. En

este caso, la prueba se ejecuta por medio de un ensaye triaxial donde la presión de confinamiento

es constante, y el esfuerzo desviador se aplica cíclicamente. El módulo de resiliencia se define

como el cociente entre el esfuerzo desviador aplicado y la deformación unitaria elástica en cada

ciclo de carga.

Los ensayes de módulo de resiliencia se deben realizar en condiciones representativas de la

colocación de los materiales en obra, como son las características de peso volumétrico, contenido

de agua de compactación, método de compactación, granulometría, etc, ya que el ensaye es muy

sensible a esas condiciones.

En todos los materiales se necesitarán los valores correspondientes a la relación de Poisson.

Basados en un estudio específico, los módulos mencionados se podrán estimar a partir de la

medición de otros parámetros más comunes, como puede ser la resistencia a la compresión

simple, o el valor relativo de soporte. Sin embargo, siempre será una mejor práctica la ejecución

directa de los ensayes.


15/36


13

1.3.3. Requisitos de las capas de apoyo en la normativa mexicana para carreteras

Las capas de apoyo del pavimento de concreto podrán ser los suelos naturales o terreno natural,

siempre y cuando estos sean de buena calidad. Cuando este no es el caso, se debe construir una

capa de transición o de sub-base, a fin de que tal depósito cumpla una función estructural, y de

esta manera los espesores de pavimento requeridos se reduzcan. Esta capa al ser de tipo granular,servirá también para drenar el agua que tiende a acumularse en la parte inferior de los

pavimentos, ya sea por lluvia o por elevaciones estacionales de los niveles freáticos del terreno.

En casos especiales será necesario dar una estabilización adicional a la capa sub-base.

Particularmente en casos en que el terreno natural sea excesivamente deformable.

Requisitos de la capa subyacente

Los materiales para la capa subyacente son suelos y fragmentos de roca, productos de los cortes o

de la extracción en bancos, que se utilizan para formar dicha capa inmediatamente encima delcuerpo de un terraplén.

Los materiales que se utilicen para la formación de la capa subyacente, en función de sus

características y de la intensidad del tránsito esperado en términos del número de ejes

equivalentes de ocho como dos (8,2) toneladas, acumulados durante la vida útil del pavimento

(∑ ), cumplirán con lo que se indica en la Tabla 1, a menos que exista un estudio previamenteaprobado por la Secretaría de Comunicaciones y Transportes, que justifique el empleo de

materiales con características distintas.

a)

Cuando las intensidades de tránsito (∑ ) sea menor de diez mil (10 000) ejesequivalentes, no se requiere la capa subyacente.

b)

Cuando las intensidades de tránsito (∑ ) sea de diez mil (10 000) a un (1) millón de ejesequivalentes, el material cumplirá con los requisitos de calidad que se establecen en la

Tabla 2 y tendrá un espesor mínimo de treinta (30) centímetros.

c)

Cuando las intensidades de tránsito (∑ ) sea de un (1) millón a diez (10) millones de ejesequivalentes, el material cumplirá con los requisitos de calidad que se establecen en la

Tabla 2 y tendrá un espesor mínimo de setenta (70) centímetros.

d)

Cuando las intensidades de tránsito (∑ ) sea mayor de diez (10) millones de ejesequivalentes, la capa subyacente será motivo de diseño especial.


16/36


14

Tabla 1. Requisitos de calidad de materiales para capa subyacente (SCT, 2002).

Requisitos de la capa subrasante

La norma mexicana que contiene los requisitos de calidad de los materiales que se utilicen en la

construcción de la capa subrasante de las terracerías menciona que los materiales utilizados para

la construcción son los suelos naturales, seleccionados o cribados, producto de los cortes o de la

extracción en bancos, que se utilizan para formar dicha capa inmediatamente encima de la cama

de los cortes, de la capa subyacente o del cuerpo de un terraplén cuando ésta última no se

construya, para servir de desplante a un pavimento.

En la Tabla 2 se puede apreciar que la normativa mexicana aun expresa el comportamiento

mecánico de los materiales con el Valor Relativo de Soporte CBR o VRS, el cual es un módulo

empírico, que para los fines de este trabajo resulta inservible, ya que en la actualidad la

modelación mecanicista solicita como propiedad de referencia para suelos y materiales

granulares el módulo resiliente Mr.


17/36


15

Tabla 2. Requisitos de calidad de materiales para capa subrasante (SCT, 2002).

Requisitos de la capa Sub base


construcción de la capa sub-base de los pavimentos menciona que los materiales utilizados para la

construcción son materiales granulares, que se colocan normalmente sobre la subrasante, para

formar una capa de apoyo para la base de pavimentos asfálticos.

Tabla 3. Requisitos de calidad de los materiales para sub-base de pavimentos asfálticos. (SCT,2002)


18/36


16

Requisitos de la capa base


construcción de la capa base de los pavimentos menciona que los materiales para la construcción

son materiales granulares, que se colocan normalmente sobre la sub-base o la subrasante, para

formar una capa de apoyo para una carpeta asfáltica, para una capa de rodadura asfáltica o parauna carpeta de concreto hidráulico.

Tabla 4. Requisitos de calidad de los materiales para base de pavimentos con carpetas de

concreto hidráulico. (SCT, 2002)

Tabla 5. Requisitos de calidad de los materiales para bases de pavimentos asfálticos. (SCT, 2002)


19/36


17

Requisitos de las capas superficiales del pavimento

a) Carpeta de concreto hidráulico

Los materiales que se utilicen en la elaboración de concreto hidráulico cumplirán con la calidad

indicada en la Normativa para la Infraestructura del Transporte de la SCT, adicionalmente deben

cumplir con las características mecánicas, tal como, módulo de ruptura (MR) obtenido a los 28 días

de edad, en vigas con cargas en los tercios medios. Como opción puede determinarse la

resistencia a la compresión simple (fć) también a los 28 días de edad y correlacionar fć con MR.

Normalmente se considera MR de 48 kg/cm2, al cual le corresponde un fć del orden de 350

kg/cm2.

Para las capas subyacentes al concreto hidráulico se determina el módulo de reacción (k) definido

como el esfuerzo necesario para producir una deformación previamente establecida. El valor de k

se obtiene de una prueba de placa realizada en campo. Para fines prácticos el valor de k se

determina mediante correlaciones con valores índice de resistencia como el Valor de Estabilidad

(R), CBR, etc. Normalmente se considera que el valor k de la capa subrasante es 17 kg/cm2.

b)

Carpeta de concreto asfáltico

Los materiales que se utilicen en la elaboración de concreto asfáltico cumplirán con la calidad

indicada en la Normativa para la Infraestructura del Transporte de la SCT.

Los materiales pétreos son los materiales naturales seleccionados o sujetos a tratamientos de

disgregación, cribado, trituración o lavado, que aglutinados con un material asfáltico se emplean

en la elaboración de las mezclas asfálticas y cumplirán con los requisitos de calidad que indica la

norma N·CMT·4·04/08 Materiales Pétreos para Mezclas Asfálticas.

La caracterización de los materiales se realiza mediante el módulo resiliente (Mr), el cual se define

como la relación del esfuerzo desviador entre la deformación resiliente ( = /).Los módulos resilientes se determinan en el laboratorio. En el caso de las mezclas asfálticas, el Mr

se determina con el ensayo de tensión indirecta descrito en la norma ASTM D 4123 con una

frecuencia de aplicación de carga de 1 Hz, magnitud de carga de 2 kN ± 0.2 (204 kgf ± 20) a una

temperatura de 20°C. Para las capas granulares el módulo resiliente se obtiene mediante pruebas

triaxiales de compresión aplicando cargas cíclicas, siguiendo el procedimiento indicado en la Guía

AASHTO 1993.

Normalmente se considera que la carpeta asfáltica debe tener un Mr mínimo de 35, 000 kg/cm2.

Para las capas de base, sub-base y subrasante se considera que los valores mínimos de Mr son los

que se indican en la Tabla 6.

Los valores de Mr mencionados son propuestos en el catálogo de secciones estructurales de

pavimentos para las carreteras de la república mexicana (DGST, 2012) para sus fines, pero en la

normativa N·CMT·4·05·003/08 Calidad de Mezclas Asfálticas para Carreteras se manejas valores

índice de estabilidad para metodologías de diseño Marshall y Hveem (Tablas 7 y 8).


20/36


18

Tabla 6. Módulos resilientes de base, sub-base y subrasante (DGST, 2012).

Tabla 6. Requisitos de calidad de los materiales para mezclas asfálticas de granulometría densa,diseñadas mediante el método Marshall (DGST, 2002).

Tabla 6. Requisitos de calidad de los materiales para mezclas asfálticas de granulometría densa,

diseñadas mediante el método Hveem (DGST, 2002).


21/36


19

1.4. Procedimiento general de dimensionamiento

El procedimiento general de dimensionamiento analítico consta de dos pasos necesarios: el

cálculo de las tensiones y deformaciones del firme y a continuación con los valores de tensión y

deformación críticos para cada capa se calcula el número de aplicaciones de carga que soporta la

estructura antes del fallo.

Hay que tener en cuenta que los firmes se deterioran de forma distinta dependiendo de su

composición. Esto conlleva a emplear un modelo de comportamiento distinto dependiendo de la

tipología del firme a dimensionar (Mateos Moreno, 2003).

Generalmente, desde el punto de vista mecanicista, se consideran dos principales formas de

deterioro que establecen los criterios de falla para los materiales en el cálculo analítico:

La deformación permanente por la repetición de cargas, la cual se acumula en la superficie

del firme debida a la deformación de la explanada y las variaciones climáticas. La fisuración de los materiales con algún tipo de ligante, como las mezclas bituminosas.

Los esfuerzos cortantes y de tensión, así como las deformaciones en las capas confinadas

causan la formación de microgrietas. Estas microgrietas acumuladas con la repetición de

cargas pueden generar macrogrietas visibles. Este proceso es llamado fatiga.

Deformación permanente de la explanada Fisuración por fatiga de la mezcla

Figura 1-3 Deterioros considerados en el cálculo analítico

El procedimiento sigue el esquema general mostrado en la Figura 1-4. Se establecen los

parámetros de entrada al modelo de respuesta, estos parámetros son: el tipo de tráfico, la

composición del firme indicando los espesores de las distintas capas y la disposición de los

materiales, las propiedades mecánicas de estos materiales y las condiciones climatológicas.


22/36


20

Posteriormente se obtienen las tensiones y deformaciones en los puntos críticos de la estructura

que provocan el fallo de la misma. Estos valores a su vez sirven de entrada para los distintos

modelos de comportamiento considerados. Para terminar se comprueba si el deterioro del firme

después de aplicar los modelos de comportamiento es admisible dentro del periodo de cálculo

considerado. Si no es así, se repite el proceso variando los parámetros de entrada hasta que se

cumpla (Mateo Moreno, 2010).

En este procedimiento no se tienen en cuenta los cambios en las propiedades de los materiales

que se producen a lo largo de la vida en servicio del firme.

Figura 1-4 Procedimiento general para el dimensionamiento analítico de firmes.

Parámetros de entrada

Modelo de respuesta

Tensiones y deformaciones criticas

de cada capa

Modelos de comportamiento

¿Se cumplen los

criterios de

desempeño?

La sección de firme es válida desde un punto de

vista técnico

Fin


23/36


21

Para tener en cuenta estos cambios, se puede dividir la vida del firme en distintos periodos en los

cuales se consideran constantes las propiedades de los materiales.

Para cada periodo j se calculan las tensiones y deformaciones que se producen en las distintas

capas y el número de aplicaciones de la carga tipo, , que es capaz de soportar para un criterio defallo i determinado en ese periodo j.

Cada periodo aportará un número de aplicaciones de carga distinto para el mismo criterio de fallo

i que irá asociado a un daño relativo del firme que va acumulándose de acuerdo a la ley de Miner,

1945, (Ben-Amoz, 1990). El firme va acumulando el daño de forma lineal a lo largo del tiempo.

Entonces, si el firme es capaz de aguantar N i aplicaciones de carga antes de fisurarse para un

criterio de fallo i, el daño provocado por este periodo determinado j dentro de la vida

útil será de:

=

El daño acumulado en la sección a lo largo de todos los periodos j de tiempo

considerados será:

=

Donde j representa un periodo determinado. Si el daño acumulado es menor que 1, entonces la

sección aguantará sin deteriorarse durante el tiempo total de proyecto. Un valor mucho menor a 1

indica un sobredimensionamiento de la sección, con lo que habría que volver a realizar el

procedimiento variando las condiciones iniciales de cálculo.

El coeficiente de Daño, D, así obtenido, está asociado a un cierto tipo de deterioro en el

pavimento, como los que se muestran en la Figura 13. El inverso de D representa el tiempo, T (en

años), en que se alcanzará el número de repeticiones admisible de ese deterioro y es el que se

debe comparar con el período de diseño deseado (usualmente 20 años en pavimentos asfálticos).

Las cargas provocadas por los vehículos pesados no son siempre iguales, ya que existe una amplia

variedad de vehículos pesados que circulan por las carreteras. Algunos de ellos presentan ejes

simples con ruedas normales, otros por el contrario están compuestos por distintos tipos de ejes y

ruedas. En la Figura 1-5 se puede observar un ejemplo de los casos expuestos anteriormente: en la

figura de la izquierda se tiene un vehículo pesado con dos ejes simples con ruedas normales, y en

la figura de la derecha se observa un vehículo con eje simple con ruedas normales en la parte

delantera y un eje doble, o tándem, con ruedas gemelas en la parte trasera (Cadavid Jáuregui,

2014).

(1.1)

(1.2)


24/36


22

Figura 1-5 Distinta tipología de camiones en función de sus ejes

Para el dimensionamiento de firmes es necesario convertir tráfico de una carretera en un número

equivalente de cargas de un eje tipo, el cual representa una carga tipo. En España se toma como

eje tipo equivalente el eje simple de 13 t con rueda gemela y la carga tipo, entonces, será la que le

llegue a cada una de las ruedas, es decir la cuarta parte del peso total del eje (Ruiz Rubio, 2010).

1.4.1. Modelos de respuesta

En los modelos de respuesta estructural se trata de obtener las deformaciones y tensiones que se

producen a distintas profundidades ante el paso de vehículos por encima de la estructura. Estos

modelos pueden ser mecánicos, probabilísticos y de regresión.

Los modelos de respuesta mecánicos son los más utilizados y dentro de este grupo se pueden

clasificar en dos categorías: los basados en sistemas multicapa y ecuaciones elásticas (Hipótesis de

Burmister ( (Burmister, 1954)), y los basados en elementos finitos (MEF).

La mayor parte de los modelos de respuesta se basan en la resolución de las ecuaciones

planteadas por Burmister para un sistema multicapa elástico lineal. La principal desventaja de

estos modelos es que considera a todos los materiales que conforman la estructura como elásticos

y lineales, lo que justifica el empleo de otro tipo de herramientas para el modelado de este tipo de

estructuras.

Los modelos basados en elementos finitos se usan para dividir un medio continuo (por ejemplo el

volumen de un pavimento) en un gran número de pequeños volúmenes discretos con el fin de

obtener una solución numérica aproximada para cada volumen, en lugar de una solución exacta

para todo el volumen.

1.4.2. Modelos de comportamiento

En los modelos de comportamiento lo que se busca es predecir la evolución en el tiempo de los

distintos mecanismos de deterioro que presentan los firmes a lo largo de su vida útil.

Los modelos de comportamiento deben ser calibrados y verificados por zonas para tener en

cuenta las distintas variables que afectan al comportamiento y asegurar que se ajustan

correctamente a los datos reales de deterioro.


25/36


23

Uno de los mecanismos de deterioro de mayor impacto tanto económico como ambiental, es la

fatiga de la mezcla bituminosa que provoca la aparición de fisuras en el firme. Otro mecanismo

predominante de deterioro y también costoso en su reparación, es la deformación permanente de

la explanada. El control de las deformaciones de la explanada permite controlar el resto de

deformaciones, tanto elásticas como plásticas, que se producen en el resto de materiales

colocados sobre ella. Estos mecanismos provocan que los parámetros críticos de la estructura seanla deformación vertical en la explanada y la deformación horizontal en el fondo de la capa de

mezcla bituminosa (Mateo Moreno, 2010).

Los modelos analíticos de comportamiento del firme predominantes son aquellos basados en

leyes de fatiga cuyo resultado es el número de repeticiones de carga tipo, N, que será capaz de

soportar el material estudiado antes de producirse el fallo.

En el caso de la deformación permanente de la explanada, la ley de fatiga que relaciona el número

de cargas admisibles Nd con la deformación vertical en la explanada εd se puede expresar de la

forma:

= 4 ∙ −5

Donde f 4 y f 5 son parámetros que varían dependiendo del método empleado para su obtención.

En el caso de la fisuración por fatiga de capas bituminosas, la ley de fatiga relaciona el número de

repeticiones de carga permitidas, N f , con la deformación horizontal máxima del fondo de la capa

de mezcla bituminosa, εt . La expresión general es de la forma:

= ∙ − ∙

Donde f 1 y f 2 son parámetros para cada mezcla y k puede introducir otro tipo de dependencias

como el módulo elástico, el porcentaje de huecos, contenido de ligante, etc. La mayor parte de las

veces k no se considera ya que no afecta a la ley de fatiga.

En el caso de fatiga de las capas tratadas con conglomerantes hidráulicos, normalmente se

relaciona el nivel máximo de tensiones y el número de repeticiones de carga hasta rotura. Las

expresiones son de la forma:

ó = 1 + ∙ log()

También se suelen usar expresiones similares a las que se emplean para las mezclas bituminosas

ya que los ensayos de laboratorio para determinar el comportamiento a fatiga de estos materiales

son similares a los de los materiales bituminosos.

(1.3)

(1.4)

(1.5)


26/36


24

Una vez que se ha definido la sección, con sus parámetros críticos y las leyes de fatiga

correspondientes (véase Figura 1-6), se calcula la respuesta del firme a una carga tipo y se halla el

número de aplicaciones de carga tipo Ni que permite cada modelo de comportamiento. El menor

de todos ellos será el que limite la capacidad estructural de la sección y el mecanismo de deterioro

crítico (Mateos Moreno, 2012).

Figura 1-6 Cálculo del mecanismo critico de deterioro del firme diseñado

1.5. Análisis mecanicista de firmes rígidos

1.5.1. Estudios preliminares

Antes de iniciar cualquier proyecto de pavimentación se deberán tener en cuenta,

específicamente para el área, tramo o zona a construir, las siguientes consideraciones (Salazar

Rodríguez, 1998):

Tránsito vehicular de la calle, crucero, patio, corredor, etc.

Condiciones del terreno de apoyo

Descripciones y especificaciones para la fabricación del concreto

Diseño geométrico

Tránsito vehicular

1.5.2. Metodología de diseño de firmes de concreto hidráulico

1.

Diseñar las dimensiones de la losa tal que, solo un set de rueda de los vehículos cargue

una losa a la vez.


27/36


25

2.

Calcular las tensiones generadas en el concreto para diferentes condiciones (alabeo,

espesor, Carga Trafico, Tipo de eje, etc.). En lugares críticos dentro de la losa.

3.

Para calcular la cantidad admisibles de pasadas, de estos vehículos, dado las tensiones

generadas en el concreto, se utilizó el modelo de Fatiga propuesto por Corps of Engineers

y ERES Consultants, Inc. (ERES/COE). Modelo utilizado por el sistema de diseño M-EPDG

(AASHTO 2002)

log() = 2 ∙−.

Donde:

N número de pasadas

= (ó á )/(1 × ( )) 1 constante de calibración

4.

Suma de daño por fatiga generado en cada punto de control (Ley de Miner)

5.

Dada la cantidad de pasadas admisibles, se calcula el porcentaje de losas agrietadas con elsiguiente modelo (Modelo utilizado por el sistema de diseño M-EPDG (AASHTO 2002)):

% = 1−.98 Donde:

FD= Cantidad de fatiga acumulada en todas las condiciones

1.5.3. Modelos de deterioro

En pavimentos de concreto hidráulico, los deterioros que usualmente se consideran con

esenciales, sin ser los únicos, son el agrietamiento por fatiga, el escalonamiento entre losas y losdesprendimientos de bloque.

Para el caso del agrietamiento por fatiga, éste se puede propagar iniciando a partir del fondo de la

losa o bien desde la superficie. El inicio del agrietamiento se debe al desarrollo de esfuerzos

críticos de tensión en la losa de concreto en ciertas ubicaciones dentro del pavimento (Figura 1-7).

Los modelos de deterioro para el caso de agrietamiento por fatiga relacionan el número de

repeticiones N admisible con el nivel de esfuerzos aplicado, usualmente empleando la relación de

esfuerzos SR, definida como el cociente entre el esfuerzo σ de tensión máximo esperado en el

fondo de la losa y el valor de la resistencia a la tensión del concreto medida con base en el módulode ruptura Mr, es decir:

= (1.6)

(1.6)

(1.7)


28/36


26

Figura 1-7 Tipos de agrietamiento por fatiga considerados en pavimentos de concreto

Otro tipo de deterioro que se puede presentar es el escalonamiento entre juntas transversales,

que es factible de asociar a una falta de transferencia de carga entre dos losas consecutivas, ya sea

por escasez o ausencia de pasajuntas, bien por una capacidad de apoyo deficiente del material de

base. Desde un punto de vista estructural, este tipo de deterioro se asocia a las deflexiones

máximas que se pueden observar en las esquinas de las losas (Figura 1-9).


29/36


27

Figura 1-8 Escalonamiento en firmes de concreto hidráulico

Figura 1-9 Respuesta estructural asociada al escalonamiento entre losas

Es usual explicar el escalonamiento a partir del fenómeno de bombeo, que se presenta

cuando el material de base es erosionable, está saturado y la intensidad del tránsitovehicular es muy alta (Figura 1-10).


30/36


28

Figura 1-9 Esquema explicativo del fenómeno de bombeo en pavimentos de concreto

Los modelos matemáticos para calcular el nivel de escalonamiento hacen intervenir de forma

empírica el valor de la deflexión δ en la esquina de losa; un factor EROD relacionado con el

potencial de erosión del material; y un factor W con el agua libre presente; esto es:

= ∙

donde C es una constante de ajuste, y a ,b ,c son los factores de correlación. Un factor

fundamental lo juega el potencial de erosión de la base, que se puede estimar a partir de una

clasificación subjetiva (tabla 3.1), establecida por la Asociación Mundial de Carreteras (PIARC).

(1.7)


31/36


29

Definiciones

ARCÉN: A los efectos de esta norma se define como la franja longitudinal contigua a la calzada,

dotada de firme, pero no destinada al uso de vehículos automóviles más que en circunstancias

excepcionales.

AUSCULTACIÓN DE UN FIRME: Reconocimiento de las características estructurales o superficiales

de un firme mediante equipos específicos de medida.

CALZADA: Parte de la carretera destinada a la circulación de vehículos. Se compone de uno o de

varios carriles.

CAPA DE BASE: Capa del firme situada debajo del pavimento cuya misión es eminentemente

estructural.

CAPA DE RODADURA: Capa superior o única de un pavimento de mezcla bituminosa.

CAPA INTERMEDIA: Capa de un pavimento de mezcla bituminosa situada debajo de la capa de

rodadura.

CARRIL: Franja longitudinal en que puede estar dividida la calzada, delimitada o no por marcas

viales longitudinales, y con anchura suficiente para la circulación de una fila de automóviles que no

sean motocicletas.

CARRIL DE PROYECTO: Carril por el que en una calzada circula el mayor número de vehículos

pesados.

CATEGORÍAS DE EXPLANADA: Tipos de explanada que se establecen, en función de su capacidad

resistente, a los efectos de dimensionamiento de la sección estructural del firme.

CATEGORÍAS DE TRÁFICO PESADO: Intervalos que se establecen, a los efectos del

dimensionamiento de la sección estructural del firme, para la intensidad media diaria de vehículos

pesados (IMDp).

DEFLEXIÓN PATRÓN: Recuperación elástica de la superficie de un firme, al tomarse su medida

mediante la viga Benkelman, siguiendo el método de recuperación y en las condiciones indicadas

en la NLT-356.

DESMONTE: Parte de la explanación situada bajo el terreno original.


32/36


30

ESTABILIZACIÓN IN SITU: Mezcla homogénea y uniforme de un suelo con cal o con cemento y,

eventualmente agua, en la propia traza de la carretera, que tiene por objeto mejorar

determinadas propiedades de aquél.

EXPLANADA: Superficie sobre la que se apoya el firme, no perteneciente a su estructura.

FIRME: Conjunto de capas ejecutadas con materiales seleccionados, y, generalmente, tratados,

que constituye la superestructura de la plataforma, resiste las cargas del tráfico y permite que la

circulación tenga lugar con seguridad y comodidad.

FIRME FLEXIBLE: Firme constituido por capas granulares no tratadas y por un pavimento

bituminoso de espesor inferior a 15 cm (puede ser un tratamiento superficial).

FIRME SEMIFLEXIBLE: Firme constituido por capas de mezcla bituminosa, de espesor total igual o

superior a 15 cm, sobre capas granulares no tratadas.

FIRME SEMIRRÍGIDO: Firme constituido por un pavimento bituminoso de cualquier espesor sobre

una o más capas tratadas con conglomerantes hidráulicos, con espesor conjunto de éstas igual o

superior a 20 cm.

GRAVACEMENTO: Mezcla homogénea de áridos, cemento, agua y excepcionalmente aditivos,

realizada en central, que convenientemente compactada se utiliza como capa estructural en

firmes de carreteras.

HORMIGÓN MAGRO VIBRADO: Mezcla homogénea de áridos, cemento, agua y aditivos, empleada

en capas de base bajo pavimentos de hormigón, que se pone en obra con una consistencia tal querequiere el empleo de vibradores internos para su compactación.

JUNTA: Discontinuidad prevista, por razones estructurales o constructivas, entre dos zonas

contiguas de una capa de firme.

LECHADA BITUMINOSA: Mezcla fabricada a temperatura ambiente, con una emulsión bituminosa,

áridos, agua y aditivos, cuya consistencia es adecuada para su puesta en obra y puede aplicarse en

una o varias capas.

LEY DE FATIGA: Expresión matemática que permite estimar el número de aplicaciones de carga

que un material puede soportar hasta su agotamiento, en función de un determinado parámetro

característico de su comportamiento estructural.

MEZCLA BITUMINOSA ABIERTA EN FRÍO: Combinación de una emulsión bituminosa, áridos con un

contenido de finos muy reducido y aditivos, de manera que todas las partículas de árido queden


33/36


31

recubiertas de una película de ligante. Su proceso de fabricación no implica calentar el ligante ni

los áridos, y su puesta en obra se realiza a temperatura ambiente.

MEZCLA BITUMINOSA DE ALTO MÓDULO: Mezcla bituminosa en caliente en la que el valor del

módulo dinámico a veinte grados Celsius (20 °C), según la NLT-349, es superior a once mil

megapascales (11 000 MPa).

MEZCLA BITUMINOSA EN CALIENTE: Combinación de un ligante hidrocarbonado, áridos (incluido

el polvo mineral) y aditivos, de manera que todas las partículas de árido queden recubiertas de

una película de ligante. Su proceso de fabricación implica calentar el ligante y los áridos, y su

puesta en obra debe realizarse a una temperatura muy superior a la ambiente.

MEZCLA BITUMINOSA DISCONTINUA EN CALIENTE: Mezcla bituminosa en caliente para capas de

rodadura cuyos áridos presentan una discontinuidad granulométrica muy acentuada en los

tamices inferiores del árido grueso.

MÓDULO DE ELASTICIDAD: En un material de comportamiento esencialmente elástico es el

cociente entre la tensión aplicada en un ensayo uniaxial y la deformación unitaria producida en el

mismo eje.

PAVIMENTO: Parte superior de un firme, que debe resistir los esfuerzos producidos por la

circulación, proporcionando a ésta una superficie de rodadura cómoda y segura.

PAVIMENTO DE HORMIGÓN: Pavimento constituido por losas de hormigón en masa, separadas

por juntas, o por una losa continua de hormigón armado; el hormigón se pone en obra con una

consistencia tal que requiere el empleo de vibradores internos para su compactación y maquinariaespecífica para su extensión y acabado superficial.

RIEGO DE ADHERENCIA: Aplicación de una emulsión bituminosa sobre una capa tratada con

ligantes hidrocarbonados o con conglomerantes hidráulicos, previa a la colocación sobre ésta de

una mezcla bituminosa.

RIEGO DE CURADO: Aplicación de una película continua y uniforme de emulsión bituminosa sobre

una capa tratada con un conglomerante hidráulico, al objeto de impedir la evaporación prematura

de humedad.

RIEGO DE IMPRIMACIÓN: Aplicación de un ligante hidrocarbonado sobre una capa granular, previa

a la colocación sobre ésta de una capa bituminosa.

SUELOCEMENTO: Mezcla homogénea de materiales granulares (zahorra, suelo granular o

productos inertes de desecho), cemento, agua y eventualmente aditivos realizada en central, que

convenientemente compactada se utiliza como capa estructural en firmes de carretera.


34/36


32

TERRAPLÉN: Parte de la explanación situada sobre el terreno original.

TERRENO NATURAL: Terreno existente bajo la capa vegetal.

TRATAMIENTO SUPERFICIAL: Técnica de pavimentación cuyo objetivo es dotar al firme de unas

ciertas características superficiales, sin aumento directo y apreciable de la capacidad resistente nitampoco en general de la regularidad superficial.

VEHÍCULO PESADO: A los efectos de esta norma se incluyen en esta denominación los camiones de

carga útil superior a 3 t, de más de 4 ruedas y sin remolque; los camiones con uno o varios

remolques; los vehículos articulados y los vehículos especiales; y los vehículos dedicados al

transporte de personas con más de 9 plazas.

VÍA DE SERVICIO: Camino sensiblemente paralelo a una carretera, respecto de la cual tiene

carácter secundario, conectado a ésta solamente en algunos puntos, y que sirve a las propiedades

o edificios contiguos. Puede ser de sentido único o de doble sentido de circulación.

VIDA ÚTIL: Período de tiempo en el que el firme (o la capa del firme considerada) no presenta una

degradación estructural generalizada.

ZAHORRA: Material granular, de granulometría continua, utilizado como capa de firme. Se

denomina zahorra artificial al constituido por partículas total o parcialmente trituradas. Zahorra

natural es el material formado básicamente por partículas no trituradas.


35/36


33

Bibliografía

Bañón Blázquez, L. & Beviá García, J. F., 2000. Manual de carreteras. Volumen I: elementos y

proyecto. Alicante: s.n.

Ben-Amoz, M., 1990. A cumulative damage theory for fatigue life prediction. Lynn, MA:Engineering Fracture Mechanics.

Burmister, D. M., 1954. Principles of permeability testing of soils. Chicago: s.n.

Cadavid Jáuregui, B., 2014. MODELADO EN MODELICA DE LA RESPUESTA. Madrid: Universidad

Complutense de Madrid.

DGST, 2002. Calidad de Mezclas Asfálticas para Carreteras N-CMT-4-05-003/08. México: Dirección

General de Servicios Técnicos, SCT..

DGST, 2012. Catálogo de secciones estructurales de pavimentos para las carreteras de la republica

mexicana. México: Dirección General de Servicios Técnicos, SCT.

Garnica Anguas, P., Gómez López, J. A. & Sesma Martínez, J. A., 2002. Mecánica de materiales para

pavimentos. Sanfandila(Queretaro): Instituto Mexicano del Transporte.

Lekarp, F., Richardson, I. & Dawson, A., 1997. Influences on Permanent Deformation Behavior of

Unbound Granular Materials. Journal of the Transportation Research Board, Volumen 1547, pp.

68-75.

Mateo Moreno, A., 2010. Dimensionamiento analítico: planteamiento, conceptos y herramientas.

Madrid: Intevia.

Mateos Moreno, A., 2003. Modelación numérica de la respuesta estructural de los firmes flexiblesa partir de medidas experimentales en Pista de Ensayo a Escala Real. Madrid(Madrid): Universidad

Politécnica de Madrid.

Mateos Moreno, A., 2012. Comportamiento Estructural, Dimensionamiento y Diseño. Madrid:

Intevia.

Rico Rodríguez , A., Téllez Gutiérez, R. & Garnica Anguas, P., 1998. Pavimentos flexibles.

Problemática, metodologías de diseño y tendencia. Sanfandila(Querétaro): Instituto Mexicano del

Transporte.

Ruiz Rubio, A., 2010. Introducción al dimensionamiento de firmes. Intevia, p. 20.

Salazar Rodríguez, A., 1998. Guía para el diseño y construcción de pavimentos rígidos. México:IMCYC.

SCT, 2002. Materiales para bases hidráulicas N-CMT-4-02-02/11. México: Secretaría de

Comunicaciones y Transportes.


36/36


SCT, 2002. Materiales para Sub-base N-CMT-4-02-001/11. México: Secretaria de Comunicaciones y

Transportes.

SCT, 2002. Materiales para Subrasante N-CMT-1-03/02. México: Secretaria de Comunicaciones y

Transportes.

SCT, 2002. Materiales para Subrasante N-CMT-1-03-02. México: Secretaria de Comunicaciones yTransportes.

SCT, 2002. Materiales para Subyacente N-CMT-1-02/02. México: Secretaria de Comunicaciones y

Transportes.

SCT, N-CMT-4-04/08. Materiales pétreos para mezclas asfálticas. México: Secretaría de

Comunicaciones y Transportes.

adecuaciÓn de las instrucciones 6.1 ic y 6.2 ic sobre secciones de pavimento a las singularidades...

Documents