evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional
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UNIVERSIDAD CENTRAL ¨MARTA ABREU¨ DE LAS VILLAS
FACULTAD DE CONSTRUCCIONES
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel
Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método
ACN-PCN.
Autor: Luis Daniel Pernús Santiago
Tutor: Dr. Sc. Ing. Gilberto Julio Quevedo Sotolongo
Santa Clara -2016-
¨Año 58 de la Revolución¨
CONSTANCIA Y CERTIFICACIÓN
Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta
Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería
Civil, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime
conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos,
ni publicados sin autorización de la Universidad.
_____________________
Firma del Autor
Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la
dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de
esta envergadura referido a la temática señalada.
Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo
Responsable de la Información Científico - Técnica
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTOS
Hola a todos, le quisiera dar gracias a dios por darme la vida por haberme concedido la
oportunidad de conocer a cada una de las personas que siempre han creído en mí. En mi corto
camino recorrido por la vida he descubierto que vale la pena luchar por algo e ir a la lucha con
determinación, abrazar la vida y vivir con pasión porque el mundo pertenece a quien se atreve y
la vida es mucho para ser insignificante. Para caminar en la vida, además de saber a dónde
queremos ir es importante saber también quiénes somos y de dónde venimos, nada ocurre sin
esfuerzo, es preciso tener fe y para eso tenemos que derrumbar las barreras del prejuicio.
Necesitamos aprender a dar gracias por los éxitos y también por esas situaciones que nos obligan
a superarnos, si nunca enfrentamos retos jamás podremos descubrir ni desarrollar nuestras
potencialidades, si eliminamos lo imposible, seguramente en lo que queda hallaremos la solución.
A lo largo de estos cinco años de estudios en la carrera de ingeniería civil los cuales se traducen
en esfuerzo y dedicación les agradezco a mis profesores de la UCLV (2011-2016) por ser fuente
de conocimiento y experiencia, a mi tutor y profesor el Doctor Ingeniero Gilberto Quevedo
Sotolongo a quién deseo expresar mis más sinceros agradecimientos, cuya experiencia y
consejos guiaron mis pasos en la investigación realizada. A mis amigos quienes con su apoyo
incondicional han sido imprescindible para el logro de este resultado, al Msc. Ing. Juan Francisco
Tay Araujo por la revisión del trabajo.
Para mis padres gracias por existir y enseñarme amar y mirar la vida como lo hacen ustedes. A
mis hermanos Julito y Chabely les agradezco por todo su apoyo y acompañamiento, los cuales
me enseñaron que a lo largo de la vida siempre habrán retos y beneficios, que todo tiempo tiene
su lado bueno y su lado difícil, y la magia está en saber disfrutar lo positivo de cada momento.
Mis agradecimientos a cada persona de mi familia, en especial aquellos que ya no están; mi
abuelo Otilio Pernús, mi abuela Flora y mi tía abuela Margarita (tata), quienes con su amor
brindado inspiraron en mí la capacidad de soñar, y sentir la esperanza como la virtud del que está
en camino y se dirige a alguna parte y que no es por tanto, un simple caminar por el gusto de
caminar, sino que tiene un fin, una meta, que es la que da sentido e ilumina el camino. Para todos
los que me han dado aliento, consejos y su mano solidaria sin esperar nada, ¡muchas gracias!,
dios los bendiga.
RESUMEN
l trabajo que se presenta en esta investigación, intenta abordar el estado del arte de los
diferentes métodos desarrollados por los estados que forman parte de la OACI
(Organización de Aviación Civil Internacional) para determinar la resistencia de los
pavimentos, haciendo énfasis en el método ACN-PCN y al mismo tiempo contribuir con
argumentos investigativos y matemáticos a la justificación de la capacidad resistente de la pista
área en estudio, para lograr un adecuado y satisfactorio empleo de la misma, elaborando un
procedimiento que permita evaluar los pavimentos flexibles y rígidos de las pistas áreas
existentes en Cuba.
En el desarrollo del mismo se realiza una amplia búsqueda bibliográfica de las características de
las capas que componen las estructuras de pavimentos, basándose en el comportamiento que
presentan las mismas, estableciendo también una relación entre el método ACN-PCN y las
deformaciones producidas en los pavimentos. Se definieron estructuras de pavimentos flexibles
y una estructura de pavimento rígido, asignándole a cada material componente de cada una de
las estructuras de pavimentos, propiedades físicos-mecánicas en magnitud de bajas, medias y
altas. Mediante el levantamiento de los deterioros presentes en la pista se identificaron los tramos
más dañados.
Para el cálculo de las tensiones & deformaciones en las capas componentes de las estructuras
de pavimentos debido a la presión que ejerce una de las patas principales de las aeronaves sobre
la pista se analizan las estructuras mediante un modelo axial-simétrico basado en el método de
elementos finitos (MEF) con la ayuda del programa SIGMA/W™ (2007) haciendo énfasis en las
invariantes que intervienen en el proceso de modelación.
Con todas estas premisas, se realiza una evaluación de la pista área del aeropuerto internacional
¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara, Cuba, y se proponen variantes para aumentar la
capacidad resistente de la pista.
E
ABSTRACT
he work presented in this research, attempts to address the state of art of different
methods developed by states that are part of the ICAO (International Civil Aviation
Organization) to determine the pavement strength, emphasizing the ACN method PCN
while contributing to research and mathematical justification of the bearing capacity of the track
area under study arguments for proper and successful use of it, developing a procedure for
evaluating flexible and rigid pavements in existing areas tracks in Cuba.
In the development this work it was performed an extensive literature search of the characteristics
of the layers that make up the pavement structures, based on the behavior they exhibit, also
establishing a relationship between the ACN-PCN method and deformations on pavements. There
were defined structures flexible pavement and rigid pavement structure, assigning each material
component of each pavement structures, physical-mechanical properties in scale of low, medium
and high. By lifting the damage present on the track the most damaged sections were identified.
To calculate the tensions & deformations in the component layers of pavement structures due to
the pressure of the main legs of aircraft on track structures analyzed by an axial-symmetric model
based on the method elements finite (MEF) with the help of SIGMA/W™ (2007) program
emphasizing the invariants involved in the modeling process.
With all these premises, an evaluation of the track area ¨Abel Santamaria¨ International Airport in
the city of Santa Clara, Cuba is done, and variants are proposed to increase the bearing capacity
of the track.
T
ÍNDICE GENERAL
TABLA DE CONTENIDO
Antecedentes. .............................................................................................................................. I
Planteamiento y definición del problema. ................................................................................... III
Hipótesis. .................................................................................................................................. IV
Objetivo general. ....................................................................................................................... IV
Objetivos específicos. ............................................................................................................... IV
Tareas científicas. ...................................................................................................................... V
Novedades científicas. ............................................................................................................... V
Estructura del Trabajo. .............................................................................................................. VI
CAPÍTULO I: EVALUACIÓN TÉCNICA DE PISTAS AÉREAS. ESTADO DEL ARTE. .............. 1
1.1. Introducción. ..................................................................................................................... 1
1.2. Métodos para determinar la resistencia de pavimentos en aeropuertos. ........................... 3
1.2.1 Práctica de Canadá. .................................................................................................. 3
1.2.2 Práctica de Francia. ................................................................................................... 4
1.2.3 Práctica del Reino Unido. .......................................................................................... 4
1.2.4 Práctica de los Estados Unidos. ................................................................................ 4
1.2.5 Método ACN-PCN. .................................................................................................... 5
1.3. Instrumentación y ensayos físicos a escala real para la determinación de la capacidad de
carga de las estructuras de pavimentos en pistas áreas. ............................................................ 6
1.3.1 Ensayo de Prueba de Placa. ..................................................................................... 7
1.4. Caracterización de las cargas. .......................................................................................... 8
1.4.1 Efecto de las cargas repetitivas sobre el comportamiento de los pavimentos. ......... 10
1.4.2 Características de las aeronaves que afectan la resistencia de los pavimentos. ..... 11
1.4.3 Característica de la determinación de la aeronave de cálculo y las salidas anuales
equivalentes de la aeronave de cálculo. ................................................................................ 12
1.5. Caracterización del pavimento. ....................................................................................... 13
1.5.1 Metodología para determinar el PCN para pavimentos flexibles establecido en el
método ACN-PCN. ................................................................................................................ 13
1.5.2 Metodología para determinar el PCN para pavimentos rígidos establecido en el
método ACN-PCN. ................................................................................................................ 15
1.5.3 Caracterización de la pista. ...................................................................................... 17
1.6 Caracterización geotécnica. ............................................................................................ 20
1.6.1 Comprobación del comportamiento tenso-deformacional lineal del suelo. ............... 20
1.6.2 Determinación de asientos absolutos. ..................................................................... 22
ÍNDICE GENERAL
1.6.3 Asentamiento no lineal............................................................................................. 23
1.7 La modelación matemática y los métodos numéricos. .................................................... 24
1.8 Programa a utilizar para la modelación matemática de la pista área. .............................. 27
1.9 Conclusiones parciales. .................................................................................................. 28
CAPITULO II: DEFINICIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO DE LA PISTA.
LEVANTAMIENTO PATOLÓGICO DE LOS DETERIOROS DE LA PISTA. ............................ 29
2.1 Estudios ingeniero-geológicos. ....................................................................................... 29
2.2 Definición de las estructuras de pavimento en la pista del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ de
la ciudad de Santa Clara. .......................................................................................................... 30
2.3 Características del aeropuerto y la pista. ........................................................................ 33
2.4 Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. .................................................. 34
2.5 Análisis de las posibles causas. ...................................................................................... 37
2.6 Conclusiones parciales. .................................................................................................. 38
CAPÍTULO III: MODELACIÓN MATEMÁTICA DE LA PISTA AÉREA DEL AEROPUERTO
¨ABEL SANTAMARÍA¨. ............................................................................................................ 39
3.1 Introducción a la modelación. ......................................................................................... 39
3.2 Modelación matemática de la pista. ................................................................................ 43
3.2.1 Modelación geométrica. ........................................................................................... 45
3.2.2 Modelación de vínculos y conexiones. ..................................................................... 49
3.2.3 Modelación del material. .......................................................................................... 50
3.2.4 Modelación de las cargas. ....................................................................................... 52
3.3 Ejemplo de modelación y análisis en 2D de una estructura de pavimento utilizando
SIGMA/W™ (2007). Obtención de diagrama carga vs deformación. ......................................... 54
3.4 Conclusiones parciales. .................................................................................................. 57
CAPÍTULO IV: APLICACIÓN DEL MÉTODO ACN-PCN A LA PISTA AÉREA DEL
AEROPUERTO ¨ABEL SANTAMARÍA¨. .................................................................................. 58
4.1 Metodología para evaluar los pavimentos flexibles y rígidos de las pistas áreas existente
en Cuba. ................................................................................................................................... 59
4.2 Determinación de la aeronave de cálculo y las salidas anuales equivalentes a la aeronave
de cálculo. ................................................................................................................................. 63
4.3 Determinación de la resistencia del pavimento (PCN) de la pista de aterrizaje y despegue
del aeropuerto “Abel Santamaría” de la ciudad de Santa Clara. ................................................ 65
4.3.1 Evaluación preliminar del método ACN-PCN a las estructuras típicas del pavimento
flexible de la pista. ................................................................................................................. 65
4.3.2 Evaluación preliminar del método ACN-PCN a la estructura típica del pavimento rígido
de la pista. ............................................................................................................................. 67
ÍNDICE GENERAL
4.4 Diseño de ensayo de prueba de placa. ........................................................................... 68
4.5 Propuesta para el mejoramiento de la capacidad resistente del pavimento de la pista. .. 72
4.6 Determinación del número de repeticiones de la carga de la aeronave de cálculo. Tiempo
de explotación de las estructuras de pavimentos. ..................................................................... 75
4.7 Conclusiones parciales. .................................................................................................. 76
Conclusiones. .......................................................................................................................... 78
Recomendaciones. .................................................................................................................. 80
Referencia bibliográfica. ......................................................................................................... 81
ANEXO A: ACN para varios tipos de aeronaves sobre pavimento rígido y flexible. .......... 83
ANEXO B: Gráfico para corregir k por deformación de placa. ............................................. 84
ANEXO C: Secciones de la planta de deterioros de la pista. ............................................... 85
ANEXO D: Deterioros detectados en la pista. ....................................................................... 87
INTRODUCCIÓN
I
Antecedentes.
a infraestructura aeroportuaria de un país es signo inequívoco de su nivel de desarrollo
e interrelación con el resto del mundo; parte medular de tal infraestructura es la calidad
de las pistas de aterrizaje cuya prioridad más allá del confort es la seguridad. La
importancia de una pista de aterrizaje bien construida influye en la seguridad del personal que la
usa, en la conservación de la aeronave y en la economía de operación y mantenimiento de un
aeropuerto. La vida útil de una pista aérea de despegue y de aterrizaje bien ejecutada puede
llegar hasta a los 30 años en buenas condiciones y extenderse hasta por 15 más con un
moderado mantenimiento.
Para lograr pistas de aterrizaje adecuadas según los estrictos estándares de calidad
internacionales regidos por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) tienen lugar
una serie de estudios previos que incluyen el de mecánica de suelos para saber sobre
qué tipo de terreno se va a trabajar y, en consecuencia, el tratamiento idóneo, ya que no es
lo mismo calcular la resistencia de una pista sobre un terreno rocoso, que sobre uno arcilloso, de
terraplén u otro.
Estudios geohidrológicos para saber la cantidad de agua contenida en el subsuelo, así como
para detectar la presencia de posibles cárcavas que pusieran en riesgo la estabilidad de la
cimentación, ocasionando fracturas al no ser rellenadas. Con estos estudios también se puede
conocer la presencia de vestigios de antiguos ríos ya sofocados por la tierra, causantes de
escurrimientos en determinadas épocas del año.
Estudios geográficos para identificar la presencia de obstáculos visuales de tipo natural como
elevaciones considerables del terreno o vegetación. Los pavimentos de aeropuertos son sistemas
estructurales complejos que abarcan muchas variables incluyendo diversas combinaciones de
configuración geométrica, ambiente, construcción, materiales, cargas, mantenimiento, economía
y comportamiento.
L
INTRODUCCIÓN
II
Las variables mencionadas deben tenerse en cuenta en los métodos de diseño de pavimentos
nuevos y en los que se utilicen para ampliar, reforzar, rehabilitar o reemplazar los existentes de
acuerdo con su nivel de servicio. Se requiere entonces contar con técnicas convenientes de
evaluación que hagan posible decidir sobre las últimas actividades y desarrollar, comprobar o
ajustar métodos de diseño. La evaluación es básica para planear el futuro y debe dar el estado
del pavimento en cualquier momento; sus alcances deben ser lo suficientemente amplios para
cubrir el balance económico avión-pavimento-usuario.
En Cuba se ha incrementado en los últimos años el tráfico aéreo, y las maniobras de los aviones
en los aeropuertos debido, fundamentalmente, a la ampliación de las relaciones con los países
del mundo, auge en el turismo, el cual se incrementó en cerca de un 20 % en el 2015, el comercio
y aumento de las relaciones familiares de la comunidad cubana con el exterior, todo esto lleva a
un aumento enorme del transporte aéreo, con la llegada y salida de gran cantidad de vuelos a los
aeropuertos cubanos a lo largo de todo el país, pues, al ser una isla, esta vía de transportación
constituye la fundamental para el trasiego de pasajeros entre nuestro país y el resto del mundo,
así como útil para el traslado de mercancías.
Por su ubicación privilegiada en el centro del país, el aeropuerto de la ciudad de Santa Clara se
reviste de una importancia adicional por las posibilidades de conexión con los diferentes destinos
de Cuba.
Cuba es miembro de la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional) y se inscribe en sus
tratados y reglamentaciones, las cuales debe cumplir como todo país que se integre en la
Organización. Por ello es necesario que cada aeropuerto tenga definido los diferentes tipos de
aeronaves que pueden aterrizar de acuerdo al tráfico y a las características de los pavimentos
que tienen, así como otras condiciones necesarias de seguridad.
Los pavimentos en los aeropuertos son diferentes a los de las carreteras ya que las cargas que
actúan sobre ellos son mucho mayores y las condiciones de circulación también. Los tipos de
aeronaves son variables así como sus cargas, todo influyendo en la estructura de forma diferente,
en su estacionamiento, aterrizaje o despegue.
INTRODUCCIÓN
III
En la actualidad la Empresa Cubana de Aeropuertos y Servicios Aeronáuticos (ECASA) se ha dado la
tarea de certificar los aeropuertos cubanos de acuerdo a la metodología internacional de la OACI
para conocer los diferentes aviones que pueden realizar maniobras en cada aeropuerto de
nuestro país y con qué ciclo de acuerdo a las características de cada uno entre otras cosas de
sus pavimentos, que ya están construidos y que tienen diferentes capas con comportamiento
variable, en algunos casos sin la documentación de las características de los mismos lo cual solo
puede resultar de mediciones in situ sin poder parar el tráfico aéreo en las terminales a estudiar.
En el caso de deficiencias inclusive su posible refuerzo para mejorar las características de
resistencia y el aterrizaje de aviones de mayor tamaño.
Teniendo como premisa todo lo expresado anteriormente el presente trabajo se propone realizar una
evaluación de la pista del aeropuerto de Santa Clara para determinar la capacidad portante y el estado en
que se encuentra la superficie, con el fin de soportar el incremento de las cargas que se espera para los
próximos años, brindar los resultados de recientes investigaciones ingeniero-geológicas realizadas por la
Empresa Nacional de Investigaciones Aplicadas (ENIA) para determinar las características físico-mecánicas
de los materiales componentes de la pista y ofrecer una panorámica del método de evaluación de pistas
aeroportuarias Aicraft Classification Number-Pavement Classification Number (ACN-PCN), establecido por
la OACI desde noviembre 25, 1981, todo ello con el propósito de aportar argumentos que permitan certificar
la pista del aeropuerto internacional “Abel Santamaría”.
Planteamiento y definición del problema.
Los adelantos en la aeronáutica civil internacional ha implicado la aparición de aviones de
mayores prestaciones, lo que unido a otros factores ha traído aparejado la necesidad de la
revisión de los criterios de diseño y revisión de las pistas, de manera tal que resulten apropiadas
y seguras para la operatividad de las naves en los aeropuertos, lo que hoy es exigido por los
organismos internacionales, aparejado con esto está el avance en los métodos y software de
cálculos, que nos permiten hoy arrojar criterios más certeros en este sentido.
En la actualidad a nivel internacional se cuenta con la tecnología para determinar la capacidad
portante de las pistas aéreas resultando muy costosa para Cuba, donde no se ha establecido un
procedimiento factible de evaluación de pistas de aeropuertos, que permitan la certificación de
las pistas ante los organismos internacionales rectores.
INTRODUCCIÓN
IV
Por las razones anteriormente comentadas el problema científico que aborda este trabajo puede
ser resumido en el planteamiento de la siguiente interrogante:
¿Cuál es hoy la capacidad portante real de la pista aérea del aeropuerto internacional “Abel
Santamaría” de la ciudad de Santa Clara, Cuba, según el método ACN-PCN establecido por la
OACI desde el 25 de noviembre de 1981?
Hipótesis.
La elaboración de un procedimiento factible combinando la valoración del estado físico de la pista,
su modelación matemática y el diseño del ensayo de pruebas de placa in-situ para su
implementación en las condiciones cubanas que permita evaluar los pavimentos flexibles y rígidos
de las pistas aéreas acorde al método de evaluación ACN-PCN establecido por la OACI permitirá
determinar la capacidad portante de la pista aérea del aeropuerto internacional ̈ Abel Santamaría¨
estableciendo un análisis de las posibles variantes de mejoramiento que garanticen de manera
sustentable una mejora continua de los resultados.
Objetivo general.
Elaborar un procedimiento que permita evaluar los pavimentos flexibles y rígidos de las pistas
aéreas existentes en Cuba a partir del método (ACN-PCN) establecido por la OACI, combinando
la valoración del estado físico de la pista, su modelación matemática, pruebas de carga in-situ y
el correcto análisis del régimen de explotación del aeropuerto.
Objetivos específicos.
Realizar una búsqueda bibliográfica nacional e internacional sobre el estado del arte de
los métodos de evaluación tanto para pavimentos flexibles como para pavimentos rígidos
en las pistas aéreas.
INTRODUCCIÓN
V
Realizar una valoración del método (ACN-PCN) auxiliándonos de técnica de modelación
numérica y la instrumentación para caracterizar los principales parámetros que intervienen
en el método y su influencia en la etapa de proyección y revisión.
Proponer un procedimiento alternativo para la aplicación del método (ACN-PCN), en las
condiciones de Cuba, que resulte factible aplicar en la evaluación de la pista del caso de
estudio analizado.
Aplicar a la pista área del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ el método ACN-PCN para su
evaluación.
Proponer variantes para el mejoramiento de la resistencia del pavimento de la pista área
del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨.
Tareas científicas.
Realizar una búsqueda y análisis bibliográfico de los métodos de evaluación de resistencia
de pavimentos en pistas aéreas. Estado del arte.
Realizar un levantamiento patológico en toda la pista dando ubicación, descripción,
posibles causas y magnitud de todas las averías de la pista actual.
Clasificar los distintos perfiles que presenta el pavimento de la pista, para establecer las
estructuras típicas.
Evaluación preliminar del método ACN-PCN a las estructuras típicas del pavimento de la
pista.
Determinación de las ubicaciones de las pruebas de placas y su diseño.
Modelación numérica del comportamiento de las estructuras del pavimento de la pista.
Propuesta para aumentar la resistencia del pavimento (PCN) de la pista del aeropuerto
internacional ¨Abel Santamaría¨.
Novedades científicas.
El aspecto novedoso del trabajo puede reconocerse en:
Introducir en Cuba la aplicación de una metodología de evaluación de pistas aéreas con
la que se podrá obtener tabulados todos los pavimentos de nuestro país, en términos de
INTRODUCCIÓN
VI
PCN, con el objetivo de determinar la aeronave crítica para determinada pista, según sea
el tipo de pavimento flexible y rígido existente en la misma.
Aportar criterios a la hora de aumentar el PCN en una pista, con propuestas concretas,
elementos de juicio basados en la evaluación de las condiciones económicas y
tecnológicas actuales del país.
Estructura del Trabajo. RESUMEN
INTRODUCCIÓN: Antecedentes, planteamiento y definición del problema, hipótesis, objetivos,
tareas científicas, novedades científicas y estructura del trabajo.
CAPÍTULO I: Evaluación técnica de pistas aéreas. Estado del Arte.
CAPÍTULO II: Definición de las estructuras de pavimento de la pista. Levantamiento patológico
de los deterioros de la pista.
CAPÍTULO III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨.
CAPÍTULO IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel
Santamaría¨.
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANEXOS
INTRODUCCIÓN
VII
Figura 0.1 Diagrama de la metodología de la investigación.
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 1
CAPÍTULO I: EVALUACIÓN TÉCNICA DE PISTAS AÉREAS. ESTADO DEL ARTE.
1.1. Introducción.
EI incremento en las operaciones aéreas y en el tamaño y peso de las aeronaves, ha traído como
consecuencia la modificación de criterios de diseño y construcción de pavimentos para
aeropuertos y la necesidad de evaluar la capacidad portante de los ya existentes para definir si
debe acudirse a medidas de reacondicionamiento como las capas de refuerzo. También se hace
necesaria la evaluación en el caso de problemas relativos al diseño, los materiales usados o las
técnicas de construcción, los cuales introducen dudas o discrepancias sobre el comportamiento
de la obra en proceso o terminada o pueden manifestarse en un deterioro rápido del pavimento.
Los pavimentos de aeropuertos son sistemas estructurales complejos que abarcan muchas
variables incluyendo diversas combinaciones de configuración geométrica, ambiente,
construcción, materiales, cargas, mantenimiento, economía y comportamiento. Se requiere
entonces contar con técnicas convenientes de evaluación que hagan posible decidir sobre las
últimas actividades y desarrollar, comprobar o ajustar métodos de diseño.(García López, 1979)
La evaluación técnica del estado del pavimento, tanto desde el punto de vista del nivel de servicio
que otorga al usuario, como de la capacidad de resistir las solicitaciones de cargas durante un
periodo de su vida útil*, es el paso fundamental para asignar las acciones de conservación más
adecuadas que deben ser aplicadas en el pavimento a evaluar. El diagnóstico de las condiciones
del pavimento comprende básicamente una evaluación del estado funcional del pavimento y
una evaluación de las condiciones estructurales de este.(Thenoux Z. and Gaete P.)
La evaluación del estado funcional del pavimento, tiene por objeto el reconocimiento de aquellas
deficiencias que se relacionan principalmente con la calidad de la superficie y el estado general
de las condiciones del pavimento, considerando todos aquellos factores que afectan
negativamente a la serviciabilidad, seguridad y costos del usuario. Entre este tipo de deficiencias
se encuentran:
* vida útil: el número acumulado de ejes equivalentes que soportará el pavimento en los años de vida de
diseño. El número ejes equivalentes de diseño tiene además asociado un coeficiente de confiabilidad que
puede ser desde un 50% hasta un 90%, según sea la importancia de la vía.
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 2
Pavimentos flexibles.(Miranda Rebolledo, 2010)
Fisuras y Grietas (por fatigamiento, en bloque, longitudinales, transversales, etc.).
Deterioro superficial (parches deteriorados, ahuellamiento, exudaciones, desgaste, etc.).
Otros Deterioros (descenso de la berma, surgencia de fino y agua, etc.).
Pavimentos rígidos.(Miranda Rebolledo, 2010)
Juntas (deficiencia del sellado, separación de la junta longitudinal, juntas saltadas).
Fisuras y Grietas (grietas de esquina, longitudinales, transversales).
Deterioro superficial (fisuramiento por retracción, desintegración, baches).
Otros Deterioros (escalonamiento de juntas y grietas, descenso de la berma, surgencia
de finos).
La evaluación estructural del pavimento, tiene por objeto la cuantificación de la capacidad
portante remanente del pavimento. La falta de capacidad portante de un pavimento genera en
este un deterioro progresivo que se manifiesta en niveles excesivos de agrietamientos y
deformaciones, no recuperables a través de la simple aplicación de acciones de conservación
preventivas.
Las razones por las cuales la capacidad portante de un pavimento requiere ser reforzada se debe
a las siguientes causas:
1. Pavimento cercano a cumplir su vida de diseño: Los ejes equivalentes acumulados han
alcanzado los límites considerados en el diseño original.
2. Espesor de diseño insuficiente: Un espesor de proyecto insuficiente se puede relacionar
con algunas de las siguientes causa:
- Tránsito de diseño subestimado.
- Empleo de parámetros de diseño no representativos tales como; resistencia subrasante,
resistencia capas estructurales, condiciones de drenaje, juntas de traspaso de cargas
(hormigón), estratigrafías de carga, etc.
3. Calidad de la construcción: Aun estando bien diseñado un pavimento la mala calidad de
la construcción puede minorar substancialmente la capacidad portante.
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 3
4. Conservación: Aun estando bien diseñado y construido un pavimento la inadecuada
conservación de la estructura y sistema de drenajes, pueden provocar el deterioro
acelerado de este.
La evaluación de los pavimentos es una operación de alta complejidad que requiere la síntesis
de los siguientes elementos por un equipo de especialistas:
1. Ubicación del aeropuerto (geología, topografía, etc.)
2. Climatología (hidrología, temperaturas.).
3. Geotecnia del sitio.
4. Información acerca de materiales, construcción, política de mantenimiento, trabajos de
reconstrucción o refuerzos, etc.
5. Observaciones de la condición superficial de los pavimentos: catálogo de daños, examen
del drenaje y subdrenaje, etc.
6. Mediciones especiales del tipo no destructivo como perfilografía longitudinal
(irregularidades), coeficiente de rozamiento y capacidad portante.
1.2. Métodos para determinar la resistencia de pavimentos en aeropuertos.
Para determinar la resistencia de pavimentos en aeropuertos los estados que forman parte de la
OACI han desarrollado diferentes métodos que se pueden agrupar en cinco clases:(OACI, 1983)
Práctica de Canadá.
Práctica de Francia.
Práctica del Reino Unido.
Práctica de los Estados Unidos.
Método ACN-PCN (establecido por la Organización de Aviación Civil Internacional).
1.2.1 Práctica de Canadá.
La práctica de Canadá consiste en llevar a cabo mediciones de resistencia en las superficies de
los pavimentos flexibles, mientras que en los pavimentos rígidos normalmente no se mide su
resistencia, ya que la resistencia calculadas a base del espesor de la losa y el módulo de
resistencia estimado se consideran suficientemente precisas. La medida de la resistencia es la
carga en KN que producirá una deflexión de 12.5 mm después de 10 repeticiones de carga,
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 4
aplicando esta carga a través de una placa circular rígida de 76.2 mm de diámetro. En la práctica
se emplean varios métodos de ensayos para medir la resistencia, los cuales comprenden
procedimientos de ensayo con placa de carga repetitiva como no repetitivas, utilizando placas de
diferentes tamaños. La determinación de la resistencia tiene validez tanto para la resistencia del
terreno de cimentación como para las mediciones en la superficie de un pavimento flexible.
1.2.2 Práctica de Francia.
Dentro de esta práctica se utilizan dos métodos para determinar los parámetros estructurales
representativos del pavimento:
método de cálculo inverso.
ensayos no destructivos con placa de carga en la superficie del pavimento.
Método de cálculo inverso: Consiste en determinar una estructura de pavimento que pueda
soportar un tráfico dado durante su vida útil. Este método exige muchas perforaciones de prueba
y ensayos del pavimento.
Ensayos de placa no destructivos: Proporcionan la carga admisible para una rueda simple en un
gran número de puntos de un pavimento flexible y la carga admisible en las esquinas de las losas
en el caso de un pavimento rígido. Los ensayos de placa reducen considerablemente el número
de ensayos destructivos con el propósito de aplicar una verificación fiable en el caso de
pavimentos flexibles y de permitir evaluar la calidad de la transferencia de carga en el caso de
pavimentos rígidos.
1.2.3 Práctica del Reino Unido.
Esta práctica consiste en seguir el método de notificación ACN-PCN de la OACI, para los
pavimentos de la aeronave. Utilizando el ACN con respecto a la aeronave de diseño y cada
autoridad aeroportuaria decide sobre el PCN que ha de publicarse para el pavimento en cuestión.
1.2.4 Práctica de los Estados Unidos.
Para la evaluación de pavimentos flexibles se utilizan las curvas de cálculo para determinar la
resistencia del pavimento. Los datos requeridos son los valores CBR del terreno y de la capa de
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cimentación, los espesores del revestimiento, de las capas de firme y de cimiento y el nivel anual
de salidas. El cálculo que produzca la carga más baja admisible servirá de referencia para la
evaluación.
Los datos requeridos para la evaluación de pavimentos rígidos son la resistencia del hormigón a
la flexión, el valor k de la cimentación, el espesor de la losa y el nivel anual de salidas. Para
establecer la resistencia del pavimento se utilizan las curvas de cálculo, determinándose la misma
en el punto de intersección con las líneas de carga.
1.2.5 Método ACN-PCN.
La Organización Internacional de Aeronáutica Civil (OACI) ha establecido una regulación
obligatoria, que para operar los aeropuertos internacionales, los mismos deben estar certificados
a través de un procedimiento desarrollado para tal efecto, denominado ACN-PCN, el cual es un
un método para reportar la resistencia relativa de los pavimentos de manera que los operadores
de aeropuertos puedan evaluar la operación aceptable de los aeropuertos.(OACI, 2012)
El ACN (AirCraft Classification Number) es un número que expresa el efecto relativo de una
aeronave de peso dado sobre un pavimento con una categoría del terreno de cimentación
especificada.
El PCN (Paviment Classification Number) es el número que expresa la capacidad de carga de un
pavimento para un número ilimitado de operaciones (varios PCN podrían obtenerse si la
resistencia del pavimento depende de importantes variaciones estacionales).
El número de clasificación de pavimentos (PCN) notificado indicará que una aeronave con
número de clasificación de aeronaves (ACN) igual o inferior al PCN notificado puede operar sobre
ese pavimento, a reserva de cualquier limitación con respecto a la presión de los neumáticos, o
a la masa total de la aeronave para un tipo determinado de aeronave.
La capacidad portante de un pavimento destinado a las aeronaves de masa en la plataforma
(rampa) superior a 5 700 kg se obtendrá mediante el método del Número de clasificación de
aeronaves (ACN)-Número de clasificación de pavimentos (PCN), notificando la siguiente
información:
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El número de clasificación de pavimentos (PCN).
El tipo de pavimento para determinar el valor (ACN-PCN).
La categoría de resistencia del terreno de cimentación.
La categoría o el valor de la presión máxima permisible de los neumáticos y el método de
evaluación.
En este método se abordan unos apéndices los cuales son de mucha importancia a la hora de
inspeccionar las pistas como son
Metodología para definir la capacidad de carga de los pavimentos.
Pruebas de placas no destructivas.
Pruebas complementarias para la evaluación de la capacidad de carga de los pavimentos.
Calidad del perfil longitudinal de las pistas.
Resistencia al derrapamiento de las pistas.
1.3. Instrumentación y ensayos físicos a escala real para la determinación de la
capacidad de carga de las estructuras de pavimentos en pistas áreas.
Para evaluar la condición real que exhibe un pavimento, es necesario desarrollar varias etapas,
iniciando con la auscultación en campo. En la actualidad, se ha intensificado el uso de métodos
no destructivos de deflexiones por la rapidez, facilidad y versatilidad con que permiten recolectar
información relevante.
Desde el punto de vista del comportamiento estructural del pavimento, uno de los fundamentos
conceptuales es la aceptación de que ̈ la deficiencia estructural puede correlacionarse con alguna
medida hecha desde la superficie del pavimento. La deflexión parece ser el concepto que mejor
sirve para estos fines, pues su magnitud mide el defecto estructural, aunque no lo analice ni lo
localice¨.(A. et al., 1998)
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La medición de deflexiones en la superficie con métodos no destructivos, se basa en simular el
efecto de las cargas de tránsito sobre el pavimento, midiendo la respuesta de desplazamientos
verticales generada. Con base en la respuesta medida, se estiman parámetros e indicadores de
comportamiento global del pavimento ante cargas. A nivel mundial se cuenta con una gran
cantidad de equipos para determinar deflexiones en campo, sin embargo, los de mayor uso son
los deflectómetros de impacto cuya magnitud de carga y tiempo de aplicación, ha permitido
simular satisfactoriamente el efecto del tránsito sobre el pavimento, en esta categoría se pueden
mencionar el deformómetro rodante de alta velocidad RDT y los deflectómetros de impacto tipo
Falling Weight Deflectometer (FWD) o Heavy Weight Deflectometer (HWD). El FWD genera un
impacto en el pavimento y mide en forma muy exacta las deflexiones de pavimento resultantes,
cuando están en la posición estática y el HWD permite determinar el valor máximo de la carga,
el tiempo de ascenso y la forma de la curva producida por el impacto, además de la medición de
carga/deflexión, el HWD registra la posición del punto medido con coordenadas geográficas, la
temperatura del aire y la temperatura de la superficie del pavimento.(Pérez Salazar, 2004)
Las pruebas consisten en aplicar un impulso de carga (Q) en caída libre sobre una placa circular
colocada en la superficie del pavimento, cuya magnitud varía entre 0.7 y 16 ton (6.7 y 156 kN) en
el equipo FWD y entre 2.7 y 24.5 ton (26 a 240 kN) en el equipo HWD. La respuesta de deflexiones
del pavimento, se registra por medio de sensores localizados radialmente a diferentes distancias
del eje de aplicación de carga. Los valores registrados se grafican en función de la ubicación de
cada sensor, para obtener finalmente el perfil de desplazamientos verticales, o cuenca de
deflexión.(Beltrán, 2012)
Figura 1.3 Equipos empleados para determinar parámetros asociados con la capacidad estructural de pavimentos.
1.3.1 Ensayo de Prueba de Placa.
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Consisten en aplicar cargas repetitivas al
pavimento. Las cargas, las deflexiones y las
elongaciones son registradas, la selección de los
escalones de carga, las mediciones realizadas y
el análisis de resultados dependen de la
estructura del pavimento. El diámetro de la placa
se elige de tal forma que la presión aplicada al
pavimento sea similar a la presión de neumáticos
de aeronaves comunes, de forma general el
diámetro será de 17 a 26 pulgadas, 40-65 cm. El objetivo de la prueba es caracterizar el
comportamiento por fatiga del conjunto pavimento-cimentación. El ensayo de prueba de placa no
destructivo puede usarse para establecer la carga de seguridad por rueda simple y como vía para
obtener información del comportamiento de la pista de manera que sirva para calibrar las
propiedades de los materiales que componen al pavimento en estudio, siendo esta una ventaja
porque puede realizarse con el equipamiento existente en Cuba, sin necesidad de utilizar los
equipos costosos que existen en países desarrollados.
1.4. Caracterización de las cargas.
La sobrecarga de los pavimentos puede ser provocada por cargas excesivas, por un ritmo de
utilización considerablemente elevado, o por ambos factores a la vez. Las cargas superiores a
las definidas (por cálculo o evaluación) acortan la vida útil del pavimento, mientras que las cargas
menores la prolongan. Salvo que se trate de una sobrecarga masiva, los pavimentos no están
supeditados, en su comportamiento estructural, a determinado límite de carga, por encima del
cual podrían experimentar fallas repentinas o catastróficas. Dado su comportamiento, un
pavimento puede soportar reiteradamente una carga definible durante un número previsto de
veces en el transcurso de su vida útil. En consecuencia, una sobrecarga ocasional de poca
importancia puede aceptarse, de ser necesario, ya que reducirá en poca medida la vida útil del
pavimento y acelerará relativamente poco su deterioro. Para las operaciones en que la magnitud
de la sobrecarga o la frecuencia de utilización del pavimento no justifiquen un análisis detallado,
se sugieren los siguientes criterios:
Figura 1.4 Ensayo de prueba de Placa.
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 9
1. En el caso de pavimentos flexibles, los movimientos ocasionales de aeronaves cuyo ACN
no exceda del 10% del PCN notificado, no serían perjudiciales para el pavimento.
2. En el caso de pavimentos rígidos o compuestos, en los cuales una capa de pavimento
rígido constituye un elemento primordial de la estructura, los movimientos ocasionales de
aeronaves cuyo ACN no exceda en más de un 5% el PCN notificado, no serían
perjudiciales para el pavimento.
3. Si se desconoce la estructura del pavimento, debería aplicarse una limitación del 5%.
4. El número anual de movimientos de sobrecarga no debería exceder de un 5%,
aproximadamente, de los movimientos totales anuales de la aeronave.
Las aeronaves pueden operar con diversas combinaciones de tren de carga sobre los pavimentos
de las diferentes estructuras de un aeropuerto. Por ello, la OACI desde hace varias décadas
adoptó un procedimiento estandarizado para la determinación del ACN, el cual persigue encontrar
una rueda equivalente simple de la aeronave que sustituya para efectos de análisis al tren de
aterrizaje actual.
1. Para la pierna principal del tren de aterrizaje principal de la aeronave en cuestión, se
calcula el espesor de pavimento necesario mediante los métodos siguientes
Para pavimentos flexibles en función del CBR de la subrasante.
Para pavimentos rígidos en función de la resistencia a la flexión del concreto, resistencia
de la subrasante o del conjunto subrasante-subbase, los tipos, frecuencias y magnitudes
de las cargas por eje esperadas y el periodo de diseño.
2. Se calcula la carga sobre rueda simple inflada a presión estándar de 1.25 MPa.
3. La carga así obtenida (carga por rueda simple) se representa por CRSE, y se calcula el
ACN por la expresión siguiente:
ACN=2
1000×CRSE Expresión 1.1
Con CRSE en (Kg)
Donde:
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CRSE: carga por rueda simple equivalente del tren de aterrizaje principal de la aeronave
en cuestión (depende de la distribución de las ruedas).
2/1000: coeficiente que se seleccionó para que los ACN de la mayoría de las aeronaves
queden entre 0 y 100.
4. Para facilitar los resultados de publicación, este método lo hace calculando todos los ACN
con respecto a cuatro categorías de terrenos de cimentación (cada una de las cuatro
categorías de terreno de cimentación corresponde a un CBR o K típico) y para dos pesos
(peso máximo y mínimo de despegue).
El valor ACN en pavimentos rígidos difiere del obtenido en flexibles, esto se debe a que cada uno
utiliza parámetros diferentes para su determinación. A partir de dichos parámetros se deriva de
manera matemática la carga de rueda simple con la cual se realizan análisis de interacción entre
el tren de aterrizaje y el pavimento. En este análisis se supone que el esfuerzo que ocasiona la
carga de rueda es igual en toda la estructura.(García Saldivar, 2014)
1.4.1 Efecto de las cargas repetitivas sobre el comportamiento de los pavimentos.
En el pavimento flexible bajo carga repetida se produce un incremento de la deflexión vertical
para una carga dada, el cual es proporcional al logaritmo del número de las repeticiones de la
carga. Para deflexiones no muy pequeñas los materiales que componen la estructura del
pavimento y particularmente los suelos se comportan elasto-plásticamente, pudiendo (aun para
deflexiones pequeñas bajo la carga impuesta) producirse el fallo de la estructura debido a la
acumulación de las deformaciones plásticas residuales. La flexión y recuperación elástica de una
capa de hormigón asfaltico debido al paso de las cargas, induce tensiones de tracción en la cara
inferior de este, la repetición de este fenómeno causa el fallo por fatiga de la superficie asfáltica,
dando lugar a grietas.(Torres Vila, 1999)
En el pavimento rígido la acumulación de deformaciones plásticas en el material que sustenta la
losa, provoca la pérdida del soporte y como consecuencia el fallo de esta, fundamentalmente en
las esquinas, donde la deflexión de la misma es mayor y es más probable que se produzca este
fenómeno, el cual es menor cuando bajo las losas se construyen bases de materiales granulares
de baja plasticidad o bases estabilizadas compactadas a elevada densidad. Otro factor importante
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es la fatiga del hormigón bajo carga repetida, la cual es uno de los dos elementos principales que
se deben tener en cuenta en el diseño de las losas de hormigón.(Torres Vila, 1999)
1.4.2 Características de las aeronaves que afectan la resistencia de los pavimentos.
Las características principales de las aeronaves que afectan la resistencia de los pavimentos son
las siguientes:
Peso máximo de despegue.
Porcentaje de carga sobre la rueda de la proa.
Disposición de las ruedas.
Carga sobre una pata del tren de aterrizaje principal.
Presión de los neumáticos.
Área de contacto de los neumáticos (de cada uno).
Las cargas de los aviones se trasmiten al pavimento a través del tren de aterrizaje, que
normalmente consta de dos patas principales y una auxiliar, quedando esta última cerca de la
proa (disposición más frecuente en la actualidad), o cerca de la cola (sistema antiguo).
Usualmente, el por ciento del peso del avión que baja por el tren principal se encuentra entre
85%- 95%, siendo más frecuente en los aviones actuales valores cercanos al 95%; cuando no se
tenga información más precisa puede tomarse este valor para el diseño.
La carga que soporta cada pata se trasmite al pavimento por una o varias ruedas provistas de
neumáticos de caucho. En los trenes de aterrizaje de las aeronaves actualmente en servicio,
generalmente se usan los siguientes sistemas de patas principales:
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Figura 1.5 Disposiciones típicas y dimensiones S, Sp, St y d de los trenes de aterrizaje.
Donde:
d: distancia interior entre las huellas de los neumáticos de ruedas duales.
S: distancia entre los centros de las huellas de los neumáticos duales.
Sp: separación diagonal entre los centros de las huellas.
St: distancia entre ejes del tandem.
1.4.3 Característica de la determinación de la aeronave de cálculo y las salidas anuales
equivalentes de la aeronave de cálculo.
La aeronave de cálculo y las salidas anuales equivalentes de la aeronave de cálculo se
determinan a parir del régimen de explotación de un aeropuerto. Hay una fuerte tendencia a
expresar la resistencia del pavimento en función de cierta carga seleccionada correspondiente al
nivel admisible de uso repetido, y a expresar cada carga aplicada a un pavimento en función del
equivalente numérico de esta. La aeronave de cálculo debe seleccionarse sobre la base del
número de salidas anuales que tenga en una pista. Existe una tendencia a utilizar como aeronave
de cálculo la más repetitiva en la pista. Las salidas anuales equivalente de la aeronave de cálculo
se determina agrupando la diversidad de aeronaves en una configuración común del tren de
aterrizaje, luego de agrupadas las aeronaves en la misma configuración de tren de aterrizaje, la
conversión a salidas anuales equivalentes de la aeronave de cálculo, se determina según la
siguiente expresión:
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log R1= log R2×√W2
W1 o R1=(R2)
√W2W1 Expresión 1.2
Donde:
R1: Salidas anuales equivalentes de la aeronave de cálculo.
R2: Salidas anuales expresadas en el tren de aterrizaje de la aeronave de cálculo.
W1: Carga sobre la rueda de la aeronave de cálculo; Kg.
W2: Carga sobre la rueda de la aeronave en cuestión; Kg.
Para este cálculo se supone que el 95% del peso grueso del avión tienen que ser apoyados por
el tren de aterrizaje principal.
1.5. Caracterización del pavimento.
El cálculo de PCN requiere conocer con la mayor exactitud posible las características del terreno
de cimentación:
El CBR de la cimentación y el espesor total equivalente teniendo presente el coeficiente
de equivalencia para el material que se esté trabajando, donde este hace referencia a
algunos de ellos en pavimentos flexibles.
El módulo de reacción corregido de la subbase, espesor de la losa y el esfuerzo permisible
a la tensión por flexión del hormigón para pavimentos rígidos.
Los ACN y el PCN se reflejan en este método de una forma sencilla, para diferentes tipos de
aeronaves en función del tipo de suelo que se haya clasificado, en el caso de ACN, y para
pavimentos PCN, en función de los parámetros del tipo de pavimento que se vaya a utilizar.
1.5.1 Metodología para determinar el PCN para pavimentos flexibles establecido en el
método ACN-PCN.
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 14
PCN= (1
500) ×
(e×100)2
1
0.57×CBR-0.025
Expresión 1.3
Donde:
e: Espesor equivalente en cm, a partir de convertir el pavimento en un material
homogéneo equivalente de E = 500 Mpa, e=hi· (Ei/500).
CBR: CBR de la cimentación en %
Este método considera toda las capas componentes del pavimento, como una sola capa
homogénea de módulo 500 MPa, y además solo toma en cuenta el CBR del suelo que esté,
inmediatamente debajo del pavimento. Lo cual es válido pero no es totalmente correcto, ya que,
cada capa del pavimento tiene módulos diferentes, y también puede darse el caso de que existan
más de un suelo debajo del pavimento con diferentes valores de CBR. A partir de esto se le
realizaron modificaciones al método, como un promedio pesado en función de los espesores, los
módulos y las tensiones medias actuantes en cada material para determinar un nuevo espesor
equivalente (e) y para el caso en que debajo del pavimento aparezcan dos suelos o más,
diferentes, y que estén dentro de la potencia activa también se pueden hacer modificaciones,
determinando un CBRprom., en función de los espesores de cada suelo, y de los CBR de los
mismos.(García Pérez, 2003)
𝑒 = ∑ ℎ𝑖 × [𝐸𝑖
500×
𝜎𝑧𝑝𝑖
𝜎𝑧𝑝 𝑝𝑟𝑜𝑚.] Expresión 1.4
𝐶𝐵𝑅 = ∑ [ℎ𝑖×𝜎𝑧𝑝𝑖
∑ℎ𝑖×𝜎𝑧𝑝𝑖
𝐶𝐵𝑅𝑖
] Expresión 1.5
Donde:
En caso de la expresión de e:
hi: Espesor de las diferentes capas.
Ei: Módulo del material de cada capa.
zpi: Tensión media en cada capa.
zppromedio: Promedio de las tensiones medias de cada capa.
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En caso de la expresión de CBR:
hi: espesor de la capa de cada suelo.
zpi: tensión media en cada suelo.
CBRi: CBR de cada suelo.
1.5.2 Metodología para determinar el PCN para pavimentos rígidos establecido en el
método ACN-PCN.
Para la determinación del PCN en pavimentos rígidos, de acuerdo al espesor de losa de hormigón
y el módulo de reacción corregido se entra al ábaco con dichos valores y se determina el PCN.
Figura 1.6 ábaco para determinar el PCN en pavimentos rígidos.
El módulo de reacción de la subrasante (k) de una estructura de pavimento representa la relación
existente entre la presión que se aplica mediante una placa circular de sección ya establecida y
la penetración o deflexión que resulta de ello. Para determinar el módulo k se debe aplicar
una presión al suelo similar a la que le transmitirá el pavimento ya puesto en operación, esta
presión, por lo general, equivale a 0.7 kg/cm2 o 10 psi. El área de las placas circulares están
establecidas en la normativa, siendo la placa de mayor superficie aquella que posee un diámetro
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 16
de 76.2 cm, sobre ella se van colocando en forma piramidal las demás placas, y con los
deflectómetros se van registrando las deformaciones verticales que va presentando el suelo.
Figura 1.7 Mecanismo del ensayo de placa de carga para determinar k (módulo de reacción de la subrasante).
El valor de k se obtiene realizando un promedio de las deformaciones obtenidas (Δ) y empleando
la siguiente expresión:
k=p
Δ Mpa/m Expresión 1.6
Donde:
p: presión de 0.7 kg/cm2 (70 KPa).
Δ: promedio de las deformaciones obtenidas mm.
Cuando no se pueda realizar los ensayos de placa de carga, el módulo de reacción de la
subrasante se puede obtener mediante una expresión matemática que involucra el valor de CBR.
k=(1500xCBR
26)0.7788
(𝑝𝑐𝑖) Expresión 1.7
El valor de k que se obtiene esta dado en libras por pulgadas cúbicas, por ello se debe tener
cuidado al utilizar dicho valor. La otra manera de obtener k es entrando a un ábaco con el valor
del CBR del suelo adyacente a la losa.
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 17
1.5.3 Caracterización de la pista.
Los pavimentos son estructuras compuesta por un conjunto de capas superpuestas de materiales
adecuadamente compactados. Su función es proporcionar una superficie de rodadura cómoda y
segura. La solución del pavimento de una pista aérea puede ejecutarse sobre la base de dos
tipos de soluciones diferentes:
Pavimentos flexibles.
Pavimentos rígidos.
El comportamiento de los mismos al aplicarles cargas es muy diferente. En los pavimentos
rígidos, debido a la consistencia de la superficie de rodadura, se produce una buena distribución
de las cargas, dando como resultado tensiones muy bajas en la subrasante y en los pavimentos
flexibles la superficie de rodadura al tener menos rigidez se deforma más y se producen mayores
tensiones en la subrasante.(Miranda Rebolledo, 2010)
Figura 1.8 Tensiones producidas en los pavimentos.
La estructura de un pavimento flexible está compuesta normalmente por cuatro capas:
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Superficie.(capa de rodadura, capa intermedia)
Capa de base.
Capa de subbase.
Capa de subrasante
Superficie: Esta capa se coloca sobre la base, siendo su objetivo principal proteger la estructura
del pavimento, impermeabilizando la superficie, para evitar las filtraciones de agua de lluvia que
podrían saturar las capas inferiores, evitando que afecte directamente a las otras capas del
pavimento. Esta capa también contribuye en la capacidad de soporte del pavimento, absorbiendo
cargas, esto considerando un espesor mayor a 4 centímetros. Debe ser resistente a las presiones
verticales y horizontales impuestas por la acción directa de los neumáticos, resistente a la
abrasión, así como soportar sin degradarse, la acción directa y destructiva de los agentes
atmosféricos. La superficie es la parte más costosa de los pavimentos flexibles y por lo tanto, en
el diseño debe contemplarse la utilización del espesor mínimo permisible. Usualmente está
constituida por dos capas; la capa de rodadura, relativamente fina, construida con hormigón
asfáltico el cual le da a la superficie las condiciones de lisura, impermeabilidad y textura
necesaria, y la capa intermedia, la cual está compuesta de un hormigón asfáltico más grueso y
más estable el cual le brinda una capacidad estructural elevada a toda la superficie.
Capa base: La función principal de esta capa, es proporcionar un elemento resistente que pueda
transmitir los esfuerzos producidos por el tránsito, hacia la subbase y la subrasante, con una
intensidad adecuada, sirviendo así a reducir el espesor de la carpeta de rodado, que es la más
costosa. Un factor fundamental en la base, es el material que la constituye, éste debe ser
friccionarte y provisto de vacíos, para poder garantizar la resistencia correcta y la permanecía de
esta en el tiempo, bajo condiciones externas, como puede ser el contenido del agua. Los
espesores de las bases dependen del proyecto que se trate, pero suele considerarse que entre
10 a 15 cm, es el espesor mínimo para poder construir.
Capa de subbase: Es una capa de material granular seleccionado, de baja plasticidad y
resistencia a la humedad,juega un rol meramente económico en los pavimentos flexibles,
buscando obtener el espesor necesario utilizando el material más barato posible, lo que trae un
aumento en el espesor total del pavimento. La subbase también aporta sirviendo de transición
entre la base y la subrasante; siendo ocupada como un tipo de filtro para evitar que el material
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 19
de la base se incruste en la sub-rasante, a su vez apoya en la absorción de las deformaciones
que provienen de la subrasante.
Capa de subrasante: Esta capa debe ser capaz de resistir los esfuerzos que le son transmitidos
por el pavimento. La estabilidad de la estructura del pavimento solo puede ser conseguida cuando
en la subrasante se alcanzan los niveles de compactación exigidos, y el mantenimiento de esta
estabilidad solo es posible al prever en el proyecto la ejecución de las obras de drenaje que
garanticen la uniformidad de las condiciones de humedad de la explanación a lo largo del tiempo.
La estructura de un pavimento rígido está compuesta normalmente por tres capas:
Losa de hormigón hidráulico.
Capa de subbase
Capa de subrasante
Existen varios tipos de pavimentos rígidos:
Pavimentos de hormigón simple con juntas espaciadas, con y sin elementos de traspaso
de carga.
Pavimentos de hormigón con malla de refuerzo, elementos de traspaso de carga y juntas
espaciadas.
Pavimentos de hormigón armado en una o dos direcciones.
Pavimentos de hormigón armado postensado.
Losa de hormigón hidráulico: Sus funciones fundamentales son, proveer un valor de soporte
elevado, para que resista las cargas concentradas que provienen de la ruedas de los vehículos,
entregar una textura superficial poco resbaladiza para un mejor agarre de los automóviles,
prevenir a la superficie de la penetración de agua, proporcionar a la capa de rodadura una gran
resistencia al desgate y una buena visibilidad para una mayor seguridad. Su espesor depende
del tipo de aeronave de diseño y la categoría del aeropuerto, pueden variar desde 250-400 mm.
Capa de subbase: Esta capa básicamente se requiere por la existencia de la subrasante, dentro
de las principales funciones se destacan, la eliminación de la acción de bombeo, proporcionar
más uniformidad a la losa de concreto.
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 20
Elección del tipo de pavimento a emplear en pistas de aeropuertos:
Pavimentos rígidos: Para aeropuertos que van a ser utilizados, fundamentalmente por aviones
de reacción y turbohélices, las plataformas y cabezas de pista deberían ser de pavimento rígido.
Esto se debe a la cantidad de combustible que se derrama y al efecto producido por las cargas
estáticas y de gran peso, afectadas además por el efecto de la vibración que se produce en las
cabezas de las pistas durante el proceso de llevar los motores de la aeronave a pleno régimen
de trabajo con ella detenida.
Pavimentos flexibles: Estos pavimentos trabajan mejor en áreas donde las aeronaves se
desplazan rápidamente, como son la porción central de las pistas de aterrizaje y de despegue,
calles de rodaje de salida etc.
1.6 Caracterización geotécnica.
Para interpretar más fácilmente el método ACN-PCN, veremos la relación que existe entre el
método ACN-PCN y el análisis por deformación.
1.6.1 Comprobación del comportamiento tenso-deformacional lineal del suelo.
Cuando se diseña para el segundo estado límite; y al menos para un estrato, las características
deformacionales han sido expresadas a través del módulo de deformación general E0, entonces
habrá que chequear la condición de linealidad. Para la combinación de carga por deformación es
necesario limitar el estado tensional en el suelo hasta una zona donde se pueda considerar la
linealidad entre las tensiones y las deformaciones.
En el diseño por estabilidad esto no queda garantizado, ya que se aplican los coeficientes f, g y
s reduciéndose la capacidad de carga de la cimentación, pero aún queda la incertidumbre de
que se alcance o no la zona de linealidad
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Para garantizar un comportamiento lineal del suelo es necesario garantizar que las tensiones
actuantes no sobrepasen el valor de la presión del límite de linealidad del suelo (R´) con el
cumplimiento de:
P R’ Expresión 1.8
Las tensiones actuantes se determinan en función de la combinación de carga para el diseño por
deformación con sus valores característicos o de servicio. La tensión bruta P se determina como:
P=N
b×l Expresión 1.9
El valor de la presión límite de linealidad del suelo se determina mediante:
R'=γc1×γc2
K×[Mγ
'×Kz×b×γ
2* +M'q×q*+M'c×c*] Expresión 2.0
Donde:
C1, C2: Coeficientes que dependen de las condiciones de trabajo del suelo y del tipo de
estructura.
K: Coeficiente de fiabilidad que depende del método para determinar las características
de cálculo del suelo, sus valores son:
K=1.0: Si se realizan ensayos de campo o de laboratorio.
K=1.1: Si las características se obtienen de tablas.
Kz: coeficiente que toma en cuenta, en cierta medida, la influencia de la longitud de la
cimentación, vale:
- Kz = 1.0, Para b 10m
- Kz = 8/b + 0.2, Para b 10m
b: Ancho de la cimentación
d: Profundidad de cimentación.
q*: Presión efectiva, a nivel de solera, alrededor del cimiento, q* = 1* d + qsq*
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 22
2*: Peso específico minorado por encima y por debajo del nivel de cimentación.
La presión límite de linealidad del suelo R’, está en función de las características físico-mecánicas
de cálculo del suelo, determinadas para una probabilidad de diseño del 85 %. Los valores de g
que se utilizarán son los obtenidos del estudio estadístico.
1.6.2 Determinación de asientos absolutos.
El asiento absoluto en los puntos característicos de la base de un cimiento para cada estrato (Si),
se calcula por el Método de Sumatoria de Capas según la expresión siguiente:
Si= ∑Hi
6×[εis+4×εic+εiI]
NEi=1 Expresión 2.1
Donde:
NE: Cantidad de estratos por debajo del nivel de solera hasta una profundidad igual a la
potencia activa (Ha),
Hi: Espesor del estrato existente por debajo del nivel de solera hasta una profundidad
igual a la potencia activa.
is: Variación de la deformación unitaria vertical en un punto de la frontera superior del
estrato calculada en una vertical que pasa por el punto característico.
ic: Variación de la deformación unitaria vertical en el centro del estrato
iI: Variación de la deformación unitaria vertical en la frontera inferior del estrato
La determinación de depende del modo en que sean suministradas las características
deformacionales del suelo pudiéndose presentar los siguientes casos:
1. Suelos con comportamiento tenso-deformacional lineal. En este caso se conoce el valor del
módulo general de deformación (E0).
ε=σ'zp
E0 Expresión 2.2
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 23
2. Suelos con un comportamiento tenso-deformacional parcialmente lineal.
Curva de e vs ’z
ε=ei-ef
1+ei Expresión 2.3
Donde:
ei: Índice de poros correspondiente a la tensión por peso propio ’zg en el punto de la
masa de suelo donde se determina .
ef: Índice de poros correspondiente a la tensión final ’zg +’zp.
1.6.3 Asentamiento no lineal.
El asentamiento no lineal se determina cuando en el punto superior de un suelo zg +’zp. > R, se
calcula asentamiento no lineal mediante la siguiente fórmula establecida en el método de Duncan:
𝑆𝑖 = ∑ [𝜎′𝑧𝑝𝑖𝑠
𝐸𝐷𝑖𝑠+ 4 ×
𝜎′𝑧𝑝𝑖𝑐
𝐸𝐷𝑖𝑐+
𝜎′𝑧𝑝𝑖𝐼
𝐸𝐷𝑖𝐼]𝑁𝐸
𝑖=1 Expresión 2.4
Donde:
'zp: tensión actuante en el punto analizado.
ED: modulo corregido de Duncan.
𝐸𝐷 = 𝐸0 × (1 − (𝜎′𝑧𝑝
𝑞𝑏𝑟∗ )) Expresión 2.5
Donde:
'zp: tensión actuante en el punto analizado
E0: Modulo de deformación del suelo.
q*br: capacidad de carga del suelo.
Para poder formular el método ACN-PCN para su implementación en las condiciones cubanas:
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 24
En el análisis de la deformación se determina para los suelos la tensión límite de linealidad en
sus puntos superiores comparándola con las tensiones que se generan en dichos puntos, dando
la posibilidad de calcular los asientos lineales en los suelos siempre que se cumpla que (σzp +
σzg) ≤R, y de calcular el asentamiento de igual forma pero sumándole una componente no lineal
para el caso que no se cumpla la condición antes mencionada. Estos valores de deformación
deben encontrarse entre los valores lógicos y permisibles de una cimentación.
1.7 La modelación matemática y los métodos numéricos.
La modelación es el método de manejo práctico o teórico de un sistema por medio del cual se
estudiará este, pero no como tal, sino por medio de un sistema auxiliar natural o artificial, el cual,
desde el punto de vista de los intereses planteados, concuerda con el sistema real que se estudie.
El concepto de modelación se puede definir de la manera siguiente ¨simplificar o reducir el medio
real a uno físico en el cual sea posible aplicar las ecuaciones constitutivas que gobiernan el
problema. Se define como relaciones constitutivas las expresiones matemáticas de las leyes
físicas que gobierna el problema que se estudia¨.
Si se conoce el comportamiento elemental del material del dominio, se necesitan procedimientos
para extender tal comportamiento a todo el problema y resolver para las condiciones de contorno
impuestas. Existen varias alternativas para dar este paso, cada una constituye un método
(Analítico, Empíricos y Numéricos). Dentro de los métodos numéricos se puede citar el Método
de las Diferencias Finitas (MDF) y el Método de los Elementos Finitos (MEF).
El MDF ha sido el instrumento de cálculo tradicional dentro de la Mecánica de Fluidos porque la
representación de la geometría no es tan complicada como en la Mecánica de Sólidos, además
en muchas de las aplicaciones de interés industrial, los problemas tienen carácter no lineal.
El método de los elementos finitos (M.E.F.) apareció en el mundo de la ingeniería en la década
de los sesenta del siglo XX, y se ha convertido en una herramienta imprescindible en casi todas
las disciplinas técnicas, es un método numérico, ampliamente aplicado para resolver problemas
que cubren casi todo el espectro de análisis de problemas ingenieriles. Por su complejidad, es un
método cuya implementación está basada en la utilización de técnicas computacionales y puede
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 25
ser empleado para la solución de problemas estáticos, dinámicos y térmicos en sistemas
discretos o continuos.
Las bondades del MEF para resolver modelos de estructuras de suelo complejas lo hacen, no
solo aconsejable sino indiscutiblemente, la mejor alternativa para modelar problemas como el
objeto de estudio de este trabajo.
El planteamiento del método de los elementos finitos es la división del sistema estructural en
zonas (elementos) más pequeña y fácilmente manejable. En el análisis estructural lo normal es
plantear el problema en términos de desplazamientos. Dentro de cada elemento se impone una
serie de restricciones a dichos desplazamientos; en particular se asume que variarán conforme a
un tipo predeterminado de funciones (funciones de forma).Mediante la aplicación de una
determinada formulación, en general energética, se obtiene un sistema de ecuaciones cuyas
incógnitas son los desplazamientos. A partir de éstos podrán obtenerse las demás variables de
respuesta estructural (tensiones, deformaciones, velocidades etc.). La ventaja del M.E.F. reside
en su gran flexibilidad. Permite abordar casi cualquier modelo constitutivo (no-linealidad, visco-
elasticidad, anisotropía, etc.), geometría (efectos de contorno, espesor variable, etc.)
o tipo de análisis.(Mateos Moreno, 2003)
Durante el proceso de evolución de los métodos de modelación para dar solución a los problemas
en el campo de la ingeniería, se han establecidos varios esquemas generales (Sowers, 1977) y
otros particulares, en el ámbito de la geotecnia, para representar las condiciones del suelo
(Becker), pero para los fines prácticos el proceso de modelación puede resumirse en el diagrama
de la figura 1.9:
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 26
Figura 1.9 Esquema del proceso de modelación en la ingeniería
En la evaluación de pavimentos de pistas de aeropuertos el ¨problema real¨ representado de
forma irregular está dirigido a la evaluación de la resistencia de las estructuras de pavimentos en
pistas aéreas, con el objetivo de proponer variantes para aumentar la resistencia de acuerdo al
régimen de explotación de la pista y así prolongar la vida útil de la estructura de pavimento.
Los modelos presentan las siguientes características:
Modelo de las acciones: Modelar las solicitaciones actuantes.
Modelo del material: Modelo del comportamiento del material y sus parámetros.
Modelo geométrico: Modelar el conjunto pavimento-cimentación de la pista aérea.
El método de solución consiste en determinar la resistencia del pavimento de la pista aérea
auxiliándonos de parámetros que se puedan determinar desde el punto de vista ingenieril y crear
una base teórica para realizar recomendaciones apropiadas para la etapa de diseño.
El método de diseño en el presente trabajo es modelar el comportamiento de estructuras de
pavimentos de pistas aéreas.
La aplicación de la modelación matemática y métodos numéricos en la evaluación de pistas
aéreas se realizó por primera vez en Cuba en la pista aérea del aeropuerto ¨Jaime Gonzáles¨ de
la ciudad de Cienfuegos. Para la creación del modelo se tuvieron en cuenta las diferentes capas
componentes de la pista, el área cargada, para poder hacer un análisis axial simétrico, se
consideró un área equivalente igual al área de los dos neumáticos de cada pata principal de la
Métodos de Diseño y
Seguridad
Modelo geométrico
Modelo del Material
Modelo de vínculos y
conexiones
Solución del Modelo del Problema
Real
Modelo de las acciones
Métodos de solución
Problema real
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 27
aeronave (en el caso de tener 4 neumáticos la pata principal de la aeronave, se consideraron
solamente las dos gomas más cercanas, ya que la separación que existe entre los pares más
lejanos hace que no tengan influencia de tensiones entre sí). Se realizó un análisis del estado
tensional obtenido, considerando modelo elasto-plástico de los mismos, considerando un criterio
de falla según Mohr- Coulomb. Los resultados de la modelación fueron corroborados por la
prueba de carga in-situ la cual se diseñó a partir de un ensayo de prueba de placa, que simulara
el efecto de una de la patas del avión.
En el trabajo se basará la modelación en un análisis plano, axial-simétrico, teniendo en cuenta
las recomendaciones anteriores, calibrando el modelo utilizado de acuerdo a los resultados a
escala real y las normativas actuales. Para el caso de la modelación de los materiales, se
considera un modelo elasto-plástico de los mismos.
1.8 Programa a utilizar para la modelación matemática de la pista área.
Dentro de los programas de aplicación para la toma de decisiones en la modelización de estados
tensionales y cálculo de asientos en el terreno, podría establecerse una clara distinción entre los
que permiten un modelado tridimensional y los axial-simétricos.
El modelado tridimensional permite la consideración de cualquier número de cargas, ya sean fijas
o en movimiento. Sin embargo, la definición de la malla es más compleja, y el número de
elementos mucho más elevado. Son habituales modelos con decenas, o cientos, de miles de
grados de libertad, lo que en un análisis dinámico y/o no-lineal puede requerir, aún con los
ordenadores más potentes del mercado, horas o días de procesamiento, uno de los más
utilizados es el programa ABAQUS el cual proporciona una amplia gama de leyes constitutivas y
tipos de análisis.
Los programas que utilizan modelos del tipo axial-simétrico se basan en la simetría radial del
problema de una carga circular aplicada sobre un pavimento multicapa. Su gran ventaja es que
el mallado es bidimensional, lo que hace que tanto la definición del mismo como los
requerimientos de cálculo sean mucho más sencillos. El gran inconveniente de los programas
axial-simétricos es que sólo permiten una única carga; no pueden modelar, por ejemplo, una
rueda gemela, ya que esto requeriría dos cargas (una por cada neumático), entre ellos podemos
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Capítulo I: Evaluación Técnica de pistas aéreas. Estado del arte. 28
mencionar el SIGMA/W™ (2007) el cual no considera los efectos dinámicos, o la carga en
movimiento.
Para la modelación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ el programa
a emplear es el SIGMA/W™ (2007) el cual ofrece muchas herramientas para la visualización de
los resultados, como; ver deformado vectores de malla o desplazamiento en cualquier ampliación,
generar contornos o trazados XY de más de 30 parámetros calculados, incluyendo la
deformación, la tensión total y efectiva, la tensión y la presión del agua intersticial, visualización
en modo sombreado de zonas de rendimiento. También permite ver el estado de tensión en
cualquier nodo o elemento de punto de Gauss como un círculo de Mohr con los diagramas de
fuerza espacial asociados y trazar distribución del esfuerzo cortante o momento a lo largo de los
elementos estructurales, permite modelar varias repeticiones de carga.
1.9 Conclusiones parciales.
1. El método ACN-PCN establecido por la OACI solo se concibe para reportar la resistencia de
los pavimentos, no debe entenderse como un procedimiento de diseño o evaluación de
pavimentos, tampoco restringe la metodología utilizada para diseñar o evaluar una estructura
de pavimento.
2. La determinación de la resistencia del pavimento de la pista aérea del aeropuerto
internacional ¨Abel Santamaría¨ empleando el método ACN-PCN permite conocer el grado
en que el pavimento de la pista resulta estructuralmente adecuado a las exigencias del tráfico
que lo utiliza.
3. El uso adecuado de los programas con base en el método de elementos finitos requiere unos
conocimientos teóricos y una experiencia muy superior a lo requerido para el uso de los
habituales programas de tipo multicapa elástico lineal. El conocimiento del método resulta
imprescindible, no sólo para comprender los procesos que desarrollan los programas, sino
además para plantear correctamente el problema e interpretar los resultados.
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo II: Definición de las estructuras de pavimentos de la pista. Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. 29
CAPITULO II: DEFINICIÓN DE LAS ESTRUCTURAS DE PAVIMENTO DE LA PISTA.
LEVANTAMIENTO PATOLÓGICO DE LOS DETERIOROS DE LA PISTA.
2.1 Estudios ingeniero-geológicos.
Los trabajos investigativos realizados por el Grupo de Ingeniería y Desarrollo de la UIC – ENIA
Villa Clara fueron ejecutados siguiendo las necesidades planteadas en la Tarea Técnica emitida,
con la inclusión de algunos detalles complementarios que satisfacen la misma. Estos trabajos se
procedieron en el año 2005 con el objetivo de concluir los trabajos investigativos en el tramo de
pavimento flexible iniciados en 1997 con la finalidad de ofrecer información necesaria para el
cálculo del refuerzo de la estructura del pavimento de la pista para la reparación propuesta en el
año 2007. En la actualidad los trabajos ingeniero-geológico con los que se cuenta son los
realizados en el año 2005 en el tramo de pavimento flexible, los cuales se emplearon para los
fines de esta investigación.
Para acometer los trabajos de investigación ingeniero-geológicos realizados en el año 2005 se
dividió la pista en dos tramo, un primer tramo de la estación 40+0.0-200+0.0 y un segundo tramo
de la estación 200+0.0-301+7.0, permitiendo conocer la estratigrafía del área, representados por
las siguientes capas de suelo:
Estrato Nº 1: Hormigón Asfáltico en Caliente (HAC) con espesores entre 0.18 y 0.20 mts.
Estrato Nº 3: Relleno representado por gravas arcillo-arenosa, algo limosa, el tamaño de las
gravas generalmente hasta 2 pulgadas de diámetro, en otros casos superiores, en ocasiones
aparecen intercalaciones de lentes de arena, algunas manchas oscuras al parecer material
orgánico, consistencia dura. Espesor entre 0,75 y 2,05 m, NSPT = 37. Presenta color gris verdoso
a pardo gris, clasifica según su composición granulométrica y plasticidad como un suelo A-2-7 (0)
en el sistema de clasificación HRB y según la FAA cae dentro del grupo E-7. El valor del Límite
Líquido (LL) alcanza el orden de 51 %, con un índice de Plasticidad (IP) de 23 %.
Estrato Nº 4: Suelo natural representado por el eluvio de roca serpentinita, caracterizado por
gravas areno-arcillosas, en ocasiones gravas arcillosa, con abundantes manchas de óxido de
consistencia muy dura, NSPT = 76. Presenta color gris verdoso a pardo gris, clasifica según su
composición granulométrica y plasticidad como un suelo GW.
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo II: Definición de las estructuras de pavimentos de la pista. Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. 30
Estrato Nº 6: Capa vegetal compuesta por arcilla plástica orgánica, color negro pardo.
En el tramo de 40+0.0-200+0.00 fueron realizadas un total de 14 calas, más una cala adicional
(C-18) que corresponde a la etapa de la investigación comenzada en 1997. Las profundidades
de las mismas oscilaron entre 1,95 y 5,05 metros para un total de 40,60 metros lineales y en el
tramo 200+0.0-301+7.0 fueron realizadas un total de 22 calas a profundidades entre 1,60 y 3,35
metros para un total de 57,05 metros lineales de perforación. La distancia entre puntos perforados
osciló entre 120 y 200 metros, distribuidos por perfiles de la siguiente manera:
Perfil 40+0.0-100+0.0 Perfil 100+0.0-200+0.0
Perfil 200+0.0-301+7.0
Figura 2.1 Perfiles ingeniero-geológicos en el tramo de pavimento flexible de la pista de estudio
2.2 Definición de las estructuras de pavimento en la pista del aeropuerto ¨Abel
Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara.
Para la selección de las estructuras se realizó un análisis de los perfiles longitudinales de la pista
en el tramo de pavimento flexible realizando una tipificación de los distintos perfiles que presenta
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo II: Definición de las estructuras de pavimentos de la pista. Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. 31
el pavimento de la pista, llegando a establecer 3 estructuras de pavimento flexible tomando las
condiciones más críticas en cada caso, donde en lo general se mantienen los mismos materiales
y solo varían los espesores de los estratos en algunos tramos.
Figura 2.2 Estructuras típicas de pavimento en el tramo de pavimento flexible de la pista.
La estructura de pavimento de Hormigon hidráulico (H.H) se encuentra de la estación 0.00-
40+0.0, para definir los suelos debajo de la superficie, se consideró que los mismos estratos que
comenzaban en la estación 40+0.0 venían del tramo anterior.
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo II: Definición de las estructuras de pavimentos de la pista. Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. 32
Figura 2.3 Estructura típica de pavimento en el tramo de pavimento rígido de la pista.
A partir de las investigaciones realizadas se establecieron las características de los materiales
que componen las diferentes capas de cada estructura de pavimento, mostradas en la tabla 2.2.
Las propiedades físicas se tomaron del informe ingeniero-geológico de la pista y las propiedades
mecánicas se determinaron por tablas, estableciendo posibles valores altos, medios y bajos de
dichas propiedades, para con las pruebas de cargas poder calibrar las que mejor se corresponden
con los resultados experimentales.
Tabla 2.2 Características de los materiales componentes de las diferentes estructuras del pavimento.
Capas Φ (ْ) E (Mpa) (KN/m3) CBR (%) Tramos (metros)
A-2-7
38 33
19.42
20
0.3
0-450;620-1375
450-620;1375-2542
2764-3017
39 35 25
40 40 30
A-2-7
35 25
19.42
17
0.3 2542-2764 37 30 20
38 35 25
Suelo natural grava
arcillo-arenosa (GW)
32 25
20.09
15
0.32 0.0-450;620-1375
2542-2764 33 38 20
36 37 30
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Capítulo II: Definición de las estructuras de pavimentos de la pista. Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. 33
Suelo natural grava arcillo-arenosa (GW)
32 25
20.09
20
0.32 450-620;1375-2542
2764-3017 33 38 25
36 37 30
capa vegetal 7 6 19.43 3 0.4 0-450;620-1375
2542-2764
Hormigón asfaltico - 750 23 - 0.4 400-3017
Hormigón hidráulico - 25743 24 - 0.2 0.0-400
2.3 Características del aeropuerto y la pista.
El Aeropuerto Internacional “Abel Santamaría Cuadrado”, se encuentra en la región central de
la isla, en la Provincia de Villa Clara y juega un importante papel en la estrategia del desarrollo
turístico de esta región. Este aeropuerto tuvo una notable ampliación en el año 2007, en
correspondencia con los planes y demanda turística de la cayeria norte de la región central del
país. Como resultado de la ampliación se cuadruplicó su capacidad de 1000 m2 a 4500 m2,
incorporándosele tecnología de punta en todo el edificio terminal, cumpliendo satisfactoriamente
los estándares mundiales para este tipo de instalaciones, vuelan a este importante destino
turístico 6 prestigiosas compañías extranjeras.
La pista del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ tiene una longitud de 3017 m. divididos
en 2617.0 m de pavimento flexible de Hormigón Asfáltico Caliente (HAC) y 400 m de Hormigón
Hidráulico (H. H.) en la cabeza de despegue (08), y un ancho de 45 m. La pista presenta una
característica y es que anteriormente fue utilizada por la aviación militar solamente.
Figura 2.4 Descripción de los diferentes pavimentos en la pista, plataformas y calles de rodaje.
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo II: Definición de las estructuras de pavimentos de la pista. Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. 34
2.4 Levantamiento patológico de los deterioros de la pista.
El pavimento a lo largo de su vida útil está sometido a múltiples solicitaciones (generadas por el
paso del tráfico, fenómenos de infiltración y erosión selectiva) las cuales hacen inevitablemente
la fatiga del pavimento. La consecuencia inmediata y tangible de este desgaste es la aparición
de diversos deterioros. Los deterioros determinados en la pista se dividen en 80 para el pavimento
asfaltico y 5 para el pavimento de hormigón hidráulico, se tomaron fotografías de cada uno de los
deterioros. La ubicación y descripción de estos puntos se muestran a continuación en la siguiente
tabla 2.3:
Tabla 2.3 Levantamiento patológico en la pista.
No. Estaciones Descripción de los deterioros de la superficie Pavimento flexible
1 40+0.0-45+0.0
Deterioro de Reparaciones (parches). Grietas en los bordes y mala calidad del material empleado en la reparación.
2 40+0.0-45+0.0 Eje Fisuras y Grietas por fatigamiento, endurecimiento de asfalto. Pintura de señalización provoca un secado del asfalto y junto a las cargas repetitivas de las aeronaves se agrieta.
3 40+0.0-45+0.0 Derecha del eje
Grietas longitudinales paralela al eje de la pista, abertura mayor de 3 mm.
4 40+0.0-45+0.0
Izquierda del eje Fisuras y Grietas en Bloque.
5 40+0.0-45+0.0 Derecha del eje
Surgencia de finos y agua. Mancha de humedad en la superficie.
6 40+0.0-45+0.0
Izquierda del eje Grietas transversales perpendicular al eje de la pista, presente en los parches deteriorados.
7 40+0.0-45+0.0
Izquierda del eje Presencia de asfalto sin agregado en la superficie (exudación). Mancha de asfalto sin endurecer.
8 40+0.0-45+0.0 Derecha del eje
Exposición de agregados, falta de textura superficial y ligante.
9 40+0.0-45+0.0 Grieta reflejada, unión de paños de pavimentos (flexible-flexible), pérdida de material de sello en la unión.
10 65+0.0-70+0.0
Izquierda del eje Grieta longitudinal paralela al eje de la pista, abertura entre 3 mm y 5 mm, exposición de agregado perdida de ligante.
11 80+0.0-85+0.0
Perpendicular al eje Grieta reflejada, unión de paños de pavimentos (flexible-flexible)
12 80+0.0-85+0.0 Derecha del eje
Grietas longitudinales paralela al eje de la pista.
13 85+0.0-90+0.0 Derecha del eje
Grietas longitudinales paralela al eje de la pista.
14 90+0.0-95+0.0 Derecha del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
15 95+0.0 Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
16 95+0.0-100+0.0 Derecha del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
17 110+0.0-115+0.0 Izquierda del eje
Grieta reflejada, unión de paños de pavimentos (flexible-flexible)
18 115+0.0-120+0.0 Derecha del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista, longitud entre 2 m y 5 m.
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Capítulo II: Definición de las estructuras de pavimentos de la pista. Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. 35
19 120+0.0-125+0.0 Derecha del eje
Surgencia de finos y agua.
20 130+0.0-135+0.0 Derecha del eje
Grieta reflejada, unión de paños de pavimentos (flexible-flexible)
21 140+0.0-145+0.0 Derecha del eje
Grietas longitudinales paralela al eje de la pista.
22 165+0.0 Derecha Surgencia de finos y agua.
23 165+0.0-170+0.0 Izquierda del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
24 170+0.0-175+0.0 Derecha del eje
Grietas longitudinales paralela al eje de la pista
25 170+0.0-175+0.0 Derecha del eje
Fisuras en retícula, grietas longitudinales alargadas.
26 175+0.0-180+0.0 Derecha del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
27 175+0.0-180+0.0 Izquierda del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
28 180+0.0-185+0.0 Izquierda del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
29 185+0.0-190+0.0 Derecha del eje
Grieta reflejada, unión de paños de pavimentos (flexible-flexible)
30 195+0.0-200+0.0 Izquierda del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
31 200+0.0-205+0.0 Derecha del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
32 205+0.0-210+0.0 Derecha del eje
Grietas longitudinales paralela al eje de la pista
33 210+0.0-215+0.0 Izquierda del eje
Grieta reflejada, unión de paños de pavimentos (flexible-flexible)
34 220+0.0-225+0.0 Derecha del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista, abertura entre 3 mm y 5 mm
35 225+0.0 Eje Grieta longitudinal paralela al eje de la pista
36 225+0.0-230+0.0 Derecha del eje
Grieta reflejada, unión de paños de pavimentos (flexible-flexible)
37 225+0.0-230+0.0 Izquierda del eje
Grieta reflejada, unión de paños de pavimentos (flexible-flexible)
38 225+0.0-230+0.0
Perpendicular al eje Grieta reflejada, unión de paños de pavimentos (flexible-flexible)
39 230+0.0-235+0.0 Izquierda del eje
Exposición de agregado, perdida de textura.
40 235+0.0-240+0.0 Derecha del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista, abertura > 5 mm
41 240+0.0-245+0.0 Derecha del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
42 245+0.0-250+0.0 Eje Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
43 245+0.0-250+0.0 Izquierda del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
44 250+0.0-255+0.0 Izquierda del eje
Fisuras en retícula y pérdida de la capa de rodadura, presencia de un bache sin llegar a la capa base.
45 250+0.0-255+0.0 Izquierda del eje
Exposición de agregados y pérdida de la capa de rodadura, baches sin llegar a la capa base.
46 250+0.0-255+0.0
Perpendicular al eje Grieta reflejada, unión de paños de pavimentos (flexible-flexible)
47 255+0.0-260+0.0 Presencia de baches puntuales en la superficie.
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Capítulo II: Definición de las estructuras de pavimentos de la pista. Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. 36
Izquierda del eje
48 255+0.0-260+0.0 Derecha del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
49 260+0.0-265+0.0 Izquierda del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista
50 260+0.0-265+0.0 Derecha del eje
Grietas longitudinales paralela al eje de la pista, algunas > 5 mm de abertura.
51 265+0.0-270+0.0 Izquierda del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
52 270+0.0-275+0.0 Eje Fisuras y Grietas por fatigamiento, endurecimiento de asfalto. Pintura de señalización provoca un secado del asfalto y junto a las cargas repetitivas de las aeronaves se agrieta.
53 275+0.0-280+0.0 Derecha del eje
Grieta longitudinal paralela al eje de la pista
54 280+0.0-285+0.0 Derecha del eje
Presencia de un bache.
55 280+0.0-285+0.0 Derecha del eje
Presencia de baches puntuales en la superficie.
56 285+0.0 Grieta longitudinal paralela al eje de la pista.
57 285+0.0-290+0.0 Derecha del eje
Grietas longitudinales paralela al eje de la pista
58 290+0.0-295+0.0 Eje Fisuras y Grietas por fatigamiento, endurecimiento de asfalto. Pintura de señalización provoca un secado del asfalto y junto a las cargas repetitivas de las aeronaves se agrieta.
59 295+0.0-300+0.0 Eje Grieta longitudinal paralela al eje de la pista 60 300+0.0-301+7.0 Grietas longitudinales paralela al eje de la pista.
Pavimento rígido
61 Umbral de la pista Grieta transversal en paño de losa.
62 Umbral de la pista Presencia de vegetación en la junta longitudinal, desnivel entre losas
63 Umbral de la pista Rotura de esquina.
64 Umbral de la pista Cuarteo en malla y surgencia de humedad.
65 Umbral de la pista Fisuras por retracción del hormigón, abertura pequeña.
Las estructuras mantienen las mismas capas de suelo en los siguientes tramos mostrados,
determinando qué % representan para la longitud de 3017 m de la pista:
Estructura 1 (40+0.0-45+0.0; 62+0.0-137+5.0); 26.68%
Estructura 2 (45+0.0-62+0.0; 137+5.0-254+2.0; 276+4.0-301+7.0); 52.7%
Estructura 3 (254+2.0-276+4.0); 7.36%
Estructura de pavimento rígido (0+0.00-40+0.00); 13.26%
Los espesores de las capas de suelo en las estructuras 2 y 3 en los tramos definidos, varían
según lo siguiente:
Estructura 2 (capa de asfalto 150-200, capa A-2-7 750-2100)
Estructura 3 (capa A-2-7 850-1800, capa vegetal 250-300)
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Capítulo II: Definición de las estructuras de pavimentos de la pista. Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. 37
2.5 Análisis de las posibles causas.
Los deterioros observados en los pavimentos de la pista área fueron numerosos, producto de la
acción de las cargas de las aeronaves, inadecuado sistema de control de mantenimiento del
pavimento y empleo de materiales con muy poca calidad.
Tabla 2.4 Resumen de deterioros y causas.
Deterioros Causas
Grietas longitudinales paralela al eje de la pista.
-Rigidizacion de la mezcla asfáltica por pérdida de flexibilidad. -Fatiga de la estructura (cargas repetitivas).
Fisuras y Grietas por fatigamiento. -Rigidización de la mezcla asfáltica por envejecimiento, efecto de pintura de la señalización.
Baches. -Arranque de los materiales provocados por el tráfico de aeronaves. -Subdrenaje inadecuado.
Grieta reflejada. -Generadas por movimientos entre las juntas, debido a los cambios de temperatura y humedad.
Exposición de agregados y pérdida de la capa de rodadura.
-Envejecimiento del ligante (asfalto) -Uso de agregado con tamaño inadecuado.
Fisuras en retícula. -Uso de ligantes (asfaltos) muy duros.
Surgencia de finos y agua. -Inadecuado sistema de subdrenaje, exceso de finos en la estructura, filtración de aguas.
Deterioro de Reparaciones (parches). -Proceso constructivo deficiente.
Fisuras y Grietas en Bloque. -Baja capacidad de carga de la subrasante.
Grietas transversales perpendicular al eje de la pista.
Rigidizacion de la mezcla asfáltica por pérdida de flexibilidad. -Fatiga de la estructura (cargas repetitivas).
Presencia de asfalto sin agregado en la superficie (exudación).
-Uso de ligante (asfalto) muy blando.
Presencia de vegetación en la junta entre losas de hormigón hidráulico
-Pérdida de material sellante entre juntas de losas
de hormigón hidráulico.
Rotura de esquina. -Falta de apoyo de la losa, existencia de sobrecarga en las esquinas.
Cuarteo en malla y surgencia de agua. -Falta de capacidad portante de la base.
Fisuras por retracción. -Curado inapropiado del hormigón. -Acción del clima.
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Capítulo II: Definición de las estructuras de pavimentos de la pista. Levantamiento patológico de los deterioros de la pista. 38
2.6 Conclusiones parciales.
1. Las estructuras de pavimento definidas permiten junto con la valoración del estado físico
de la pista, decidir la ubicación de los ensayos de prueba de placa a realizar para determinar
la condición estructural del material bajo la superficie de pavimento.
2. Es oportuno señalar que los tipos de deterioros encontrados corresponden a los que más
frecuentemente afectan a todas las estructuras de pavimentos. El levantamiento de los
deterioros en la pista permitió evidenciar que tramos de la pista son los más dañados sin
llegar a efectuar un diagnóstico que expresara la calidad (excelente, buena, mala) de la
superficie del pavimento.
3. Se determinó que los tramos que presentan un mayor número de deterioros en la pista para
el pavimento flexible van de la estación 40+0.0-45+0.0 y 254+2.0-301+7.0 determinados
por grietas longitudinales y reflejadas, fisuras en retícula y baches, encontrándose en estos
tramos dos de las estaciones (41+5.0; 260+0.0) definidas para el análisis de la resistencia
del pavimento flexible. El tramo crítico para el pavimento rígido se encuentra de la estación
30+0.0-40+0.0 evidenciándose roturas de esquina en las losas y cuarteo de las mismas
hallándose en este tramo la estructura de pavimento rígido definida (30+0.0).
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 39
CAPÍTULO III: MODELACIÓN MATEMÁTICA DE LA PISTA AÉREA DEL
AEROPUERTO ¨ABEL SANTAMARÍA¨.
La modelación matemática permite definir los elementos, es decir, la región, las condiciones,
iniciales, de contorno o borde y de vínculos, además de las ecuaciones que describen el modelo
físico o ecuaciones de gobierno del problema. Antes de realizar la solución definitiva del modelo
matemático es necesario realizar ensayos, o al menos, un número mínimo de ensayos reales con
el objetivo de obtener las variables de respuesta o control, que a su vez son los patrones de
calibración del modelo numérico.
3.1 Introducción a la modelación.
Para enfrentar cualquier problema ingenieril innumerables son las formas de resolverlos y el
modelo propuesto es soluble con la utilización de simplificaciones o con la aplicación de potentes
programas de computación con base en diferentes métodos numéricos o analíticos. Diferentes
autores coinciden en que los procedimientos a la hora de resolver un problema de modelación
mediante programas que emplean el método de elementos finitos deben seguir la siguiente
secuencia de pasos:(Cubillos, 2002)
1. Discretización o modelado de la estructura: La estructura es dividida en una cantidad finita
de elementos, con ayuda de un preprocesador. Este paso es uno de los más cruciales para
obtener una solución exacta del problema, de esta forma, determinar el tamaño o la cantidad
de elementos en cierta área o volumen del elemento a analizar representa una ventaja del
método, pero a la vez implica que el usuario debe estar muy consciente de esto para no
generar cálculos innecesarios o soluciones erróneas.
2. Definir las propiedades de los elementos componentes de la estructura.
3. Ensamblar las matrices de rigidez de los elementos: La matriz de rigidez de un elemento,
consiste de coeficientes los cuales pueden ser derivados del equilibrio, residuos ponderados
o métodos de energía. La matriz de rigidez del elemento se refiere a los desplazamientos
nodales al ser aplicadas fuerzas en los nodos (K·F = U). El ensamble de las matrices de
rigidez, implica la aplicación de equilibrio para toda la estructura. Este paso es realizado por
el software empleado.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 40
4. Aplicación de las cargas: Fuerzas externas concentradas o fuerzas uniformes y momentos
según los modelos de distribución espacial y magnitud establecidos en las normas.
5. Definir las condiciones de continuidad en las fronteras: Las condiciones de apoyo deben ser
dadas, por ejemplo, si el desplazamiento de ciertos nodos es conocido. Usando los
elementos de la frontera se pueden determinar las reacciones en los mismos.
6. Solucionar el sistema de ecuaciones algebraicas lineales: La secuencial aplicación de los
pasos descritos, conduce a un sistema de ecuaciones algebraicas simultáneas, que es
solucionado por la computadora, donde los desplazamientos nodales son desconocidos.
7. Calcular los esfuerzos: El software realiza las operaciones computacionales orientadas a
calcular los esfuerzos, deformaciones u otra información relevante. El post-procesador ayuda
a visualizar la salida en forma gráfica.
Limitaciones y errores en la aplicación del Método de Elementos Finitos:
Las limitaciones más comunes del MEF son:
El MEF calcula soluciones numéricas concretas y adaptadas a unos datos particulares
de entrada, no puede hacerse un análisis de sensibilidad sencillo que permita conocer
como variará la solución si alguno de los parámetros se altera ligeramente.
El MEF proporciona una solución aproximada cuyo margen de error en general es
desconocido, especialmente para los problemas no-lineales o dependientes del tiempo
en general.
En el MEF la mayoría de aplicaciones prácticas requiere mucho tiempo para ajustar
detalles de la geometría, existiendo frecuentemente problemas de mal condicionamiento
de las mallas, desigual grado de convergencia de la solución aproximada hacia la
solución exacta en diferentes puntos, etc. En general una simulación requiere el uso de
numerosas pruebas y ensayos con geometrías simplificadas o casos menos generales
Debido al carácter de la aproximación de elementos finitos la solución está afectada por diversas
fuentes de error, siendo estas los más usuales:(Oñate, 1995)
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 41
Error de discretización: es inherente al carácter polinómico de la aproximación de
elementos finitos. Se puede demostrar que el error es proporcional al gradiente de
deformación o tensiones, debiéndose utilizar un criterio ingenieril para elegir tamaño de
elementos menores en zonas mayores gradientes de deformaciones o concentración de
tensiones. Este error es sensible además a la relación de lados del elemento finito
conocida como relación de forma (aspect ratio), siendo recomendable mantener esta
relación próxima a la unidad. Cuando los elementos conformados por un mallado
rectangular tienen una rectangularidad de más de 10 en el análisis de deformación y de
más de 3 en el análisis de esfuerzos se introducen errores en el cálculo, por lo que
deberán evitarse en lo posible rectangularidades tan altas.(Cubillos, 2002)
Error de aproximación de la geometría: en ocasiones los contornos de la estructura no
son reproducidos de forma exacta por funciones polinómicas o lo que es frecuente, puede
que ni siquiera se conozca la expresión analítica de la geometría, disponiéndose
únicamente de las coordenadas de una serie de puntos aislados del contorno, por lo que
una de las alternativa para reducir dicho error es refinando la malla en los contornos.
Error en el cálculo de las integrales del elemento: el cálculo analítico de las integrales del
elemento puede revestir cierta dificultad y se recomienda utilizar integración numérica.
Es necesario escoger el orden de integración adecuado o se cometerá un error al evaluar
por defecto estas integrales.
Errores en la solución del sistema de ecuaciones: la principal causa de este error se debe
al mal condicionamiento de las ecuaciones, debido a la existencia de un elemento o grupo
de elementos de gran rigidez conectados a otro u otros elementos de baja rigidez.
Errores asociados a la ecuación constitutiva: una inapropiada selección de los dos
coeficientes básicos que definen la ecuación constitutiva (módulo de Young y coeficiente
de Poisson), puede producir errores de una magnitud superior a la suma de todos los
mencionados anteriormente.
Atendiendo a minimizar los errores de discretización ya mencionados, la concepción del mallado
debe:
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 42
Evitar en lo posible las relaciones de forma que se alejen de las configuraciones
recomendadas como buenas y siempre que sea posible cercana a la unidad.
Evitar la ubicación de elementos adyacentes de geometrías desproporcionadas y que de ser
necesarios estos cambios de geometría sean graduales.
La malla debe ser suficientemente fina en las zonas más solicitadas, quiere decir, en las
zonas donde existan grandes variaciones de los desplazamientos y las tensiones. Estas
variaciones son coaccionadas ya sea por una carga, o por la presencia de una singularidad
geométrica (ángulo brusco, cambio de espesor), por los contornos geométricos de fuerte
curvatura (cavidades), o también por las características mecánicas localmente muy leves o
muy fuertes en correspondencia a este medio.
Una aproximación ingenieril en la búsqueda de malla racional consiste en realizar evaluaciones
de la sensibilidad de determinada respuesta estructural (desplazamiento, tensión, fuerza u otra)
en un mismo punto de la estructura para una secuencia de mallas de tamaños diferentes que se
ajusten al requerimiento geométrico general del problema real.
Similarmente otros autores recomiendan una lista de parámetros acumulados de la experiencia y
seleccionados de diferentes fuentes:
Definir los nodos en todas aquellas regiones donde se requieran información acerca de los
esfuerzos y desplazamientos.
La proporción de los elementos es definida por la relación entre sus dimensiones. Los buenos
elementos se caracterizan por que su proporción es cercana a la unidad y los ángulos se
acercan a los 90º, obteniéndose resultados confiables, mientras que los elementos pobres
generan resultados inexactos y los ilegales generan modelos de elementos finitos inválidos
figura 3.1.
Preferencia por el uso de cuadriláteros, elementos sólidos de seis lados y hexágonos,
excepto donde los elementos triangulares y tetraedros son necesarios para acomodar
irregularidades geometrías y de cargas.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 43
Para elementos triangulares, evitar ángulos agudos menores a 30º y para elementos
cuadriláteros evitar ángulos obtusos mayores a 120º.
a)
b)
c)
Figura 3.1. Elementos finitos a) Buenos b) Pobres c) Ilegales
Uno de los métodos de reducir el error de discretización es disminuir el tamaño de los elementos
finitos, procedimiento conocido como método h. En este ámbito, el mayor esfuerzo de los
investigadores en la actualidad se centra en la traducción ingenieril del concepto matemático de
estimación de este error como base para diseñar metodologías que permitan obtener soluciones
más exactas mediante estrategias de refinamiento adaptables.
Para el análisis de los fenómenos que se presentan en la problemática de evaluación y
certificación de pistas áreas, el empleo de modelos numéricos en 2D para el caso de la pista en
estudio permite obtener resultados que serán indicativos del problema real en la medida en que
los modelo representen exactamente sus propiedades esenciales, aprovechando la característica
simétrica de la aplicación de la carga en un área circular utilizando un análisis axial-simétrico,
determina la elección del modelo en 2D.
En la solución de problemas ingenieril es necesario un proceso de selección de los programas
computacionales a utilizar, estos deben cumplir con las exigencias de la problemática planteada
y poner herramientas de cálculo y ventajas que faciliten el desarrollo de la investigación.
3.2 Modelación matemática de la pista.
El objetivo de la modelación matemática de la pista es diseñar el ensayo de prueba de placa que
se realizará in-situ, el cual permitirá calibrar los materiales que componen las estructuras de
pavimento modeladas.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 44
La modelación matemática puede entenderse entonces como el proceso integrador mediante el
cual la estructura real (pavimento multicapa) es representado mediante un modelo idealizado en
el que parte de los atributos de la estructura (forma y dimensiones de los capas componentes del
pavimento, propiedades de los materiales, magnitud y distribución de las cargas) son traducidos
a una serie de relaciones cuantitativas (modelo analítico) con vistas a ser resuelto generalmente
de forma matemática con los procedimientos de cálculo disponibles, para obtener de él un grupo
de respuestas supuestamente iguales que las de la estructura real de la cual fue derivado el
modelo.
Para realizar la modelación matemática por invariantes se deben tener en cuenta los siguientes
aspectos:
Modelación geométrica
Modelación del material
Modelación de los vínculos y conexiones
Modelo de carga
En base a dichos aspectos, se incluyen a continuación los requisitos que debía cumplir el
programa SIGMA/W™ (2007) utilizado para la modelización:
Modelos constitutivos de los materiales:
- capa de superficie (asfalto y hormigón hidráulico): Lineal-elástico
- suelos: Elasto-plásticos.
Solicitaciones: Carga estática.
- Magnitud de la carga: constante
- Superficie de contacto: circular
- Lo anteriormente mencionado condiciona el análisis axial-simétrico de la pista de estudio.
Geometría: sistema multicapa
- Espesor de capa: constante
- Extensión horizontal: infinita (o asimilable).
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 45
3.2.1 Modelación geométrica.
La definición del modelo geométrico plano o espacial está condicionada en primer término por la
propia naturaleza de la estructura a idealizar, el modelo de acciones a que estará sometida la
misma, el comportamiento tenso-deformacional de la estructura real y la finalidad que persigue
el análisis en cuanto al tipo de respuesta estructural que se desea evaluar.
En cualquier caso, el modelo debe partir del principio elemental de coincidencia en la distribución
espacial de los elementos del modelo con los del problema real, así como la representación
consecuente de las regiones (region) que correspondan con la mayor precisión posible a las
posiciones que las entidades físicas que ellos representan ocupan en sistema físico real.
Para la modelación geométrica de la pista se tendrán en cuenta todas las capas y espesores de
las mismas que constituyen la estructura de pavimento real, realizando diferentes modelos para
las estructuras definidas en el tramo de pavimento flexible. Para lo cual se deberá elegir una malla
que permita lograr que todas estas entidades físicas queden representadas en el modelo con una
precisión adecuada.
Un aspecto importante del desarrollo del modelo geométrico cuando se idealizan estructuras
continuas con elementos finitos es la dimensión de la retícula o mallado. Como regla general, el
proceso de definición de un modelo de elementos finitos puede iniciarse con un modelo sencillo,
cuyos resultados evaluados bajo una correcta comprensión del comportamiento del sistema
analizado, pueden ayudar a decidir si es necesaria la adopción de un modelo más refinado a
expensas de un mayor esfuerzo computacional.
En la figura 3.2 se muestra la secuencia de varios modelos de evaluación con diferentes mallados,
que forman parte del propio modelo para la estructura de pavimento en la estación 41+5.0 para
evaluar la variación de la respuesta estructural del modelo ante el cambio de dimensión de la
retícula.
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Figura 3.2 Estrategia de refinado de la malla en base a la aproximación asintótica de la respuesta estructural
evaluada.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 47
En este caso, en virtud de que el modelo está básicamente orientado a la determinación de
tensiones y desplazamientos, se eligió como respuesta estructural medible el desplazamiento
nodal en el punto superior de la corona del pavimento situado en el eje de simetría. Para analizar
los desplazamiento en cada refinado de la malla se colocó una presión igual a 1000 kN/m2 en un
radio de 0.25 m respecto al eje de simetría del modelo.
Figura 3.3 Estrategia de refinado de la malla en base a la aproximación asintótica de la respuesta
estructural evaluada.
En la figura 3.3 se aprecia que con un buen juicio, se puede elegir el mallado de 0,09 x 0,1 m
como adecuado para realizar la discretización del modelo para la estructura de pavimento en la
estación 41+5.0 ya que la respuesta evaluada comienza una tendencia asintótica a partir de esta
malla, y para valores inferiores a 0.05 el esfuerzo computacional evidenciado es mayor.
La relación de forma (aspect ratio) de los elementos finitos de esta malla resulta igual a 1,1, valor
que se encuentra dentro del rango admitido como aceptable. La malla además cumple con el
importante requisito de ser submúltiplo de las dimensiones horizontales y verticales de la
coordinación modular de la estructura de pavimento.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 48
Características de los modelos geométricos.
Al igual que para la selección de las estaciones, para construir los modelos geométricos se
tuvieron en cuenta varias consideraciones; algunas de ellas a partir de los resultados de estudios
ingeniero-geológico.
Se consideró una estructura compuesta por 4 capas paras las secciones de pavimento
flexible 1, 3 y la sección de pavimento rígido; superficie asfáltica o superficie de hormigón
hidráulico, relleno representado por gravas arcillo-arenosa (A-2-7), capa vegetal, suelo
natural representado por el eluvio de roca serpentinita (GW), y para la sección de pavimento
flexible 2 una estructura compuesta por 3 capas (superficie asfáltica, A-2-7 y GW). Cada una
de ellas ubicadas en orden descendente desde la superficie de la estructura.
La geometría general para los modelos realizados de las diferentes estructuras de
pavimento es la siguiente.
Para los modelos se planteó una sección de 3 m de ancho y profundidad igual a la potencia
activa Ha (σzp ≈ 20%σzg), teniendo en cuenta que cuando se emplea el método de elementos
finitos el contorno debe situarse a una distancia suficientemente grande de forma que pueda
considerarse como infinita para que no se afecte al área alrededor de la carga;
determinándose que la respuesta estructural del pavimento para distancia a la carga
superiores a 2,0 m es prácticamente nula; por lo que definir un modelo con dimensiones
iguales o superiores a esta longitud sería adecuado.
La sección de los elementos finitos para los modelos de las estructuras de pavimentos es de
0.09x0.1 y la malla está compuesta por elementos rectangulares de 4 nodos.
Para todos los modelos la distancia en la que estará aplicada la carga en magnitud de presión
(kN/m2), que no es más que el radio de la huella del área circular equivalente considerada
para dos neumáticos, es igual a 0.25 m.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 49
3.2.2 Modelación de vínculos y conexiones.
En este aspecto es importante logar la correspondencia de las condiciones de contorno que
definen las fronteras del modelo matemático (KeyIn/Boundary Conditions) y la verdadera
naturaleza del problema real.
El modelo de vínculos y conexiones entre las fronteras del modelo, también denominado modelo
de continuidad en las fronteras, incide radicalmente en la distribución de tensiones en el terreno
y el campo de desplazamiento de los nodos.
En los problemas de modelación mecánicos se distinguen dos clases de condiciones de contorno:
Restricciones de desplazamientos
Fuerzas aplicadas en los nodos
Las primeras son las restricciones cinemáticas que están relacionadas con el modelo de
conexiones entre los puntos del terreno, y se caracterizan por:
Zonas de puntos del terreno con desplazamiento horizontal impedido (x=0), que
corresponde a zonas del eje de simetría y a zonas del otro borde del problema, donde se
desarrollarán los asientos.
Zonas de puntos del terreno que corresponden a zonas con coacción al desplazamiento
horizontal y vertical (x=0; y=0), que corresponden al límite inferior del dominio.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 50
Figura 3.4 Condiciones de contorno de los modelos.
3.2.3 Modelación del material.
La definición del modelo del material incluye los siguientes aspectos:
1. Definir el tipo de comportamiento del material según alguno de los modelos y teorías
conocidas, figura 3.5.
2. Cuantificar los parámetros asociados al modelo de comportamiento seleccionado.
Lineal elástico
Elástico-no lineal
Elasto-plástico
Plástico
Figura 3.5 Modelos de comportamiento del material.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 51
Se considera para este análisis la linealidad de la capa de superficie, caracterizándose por su
densidad , módulo de Poisson , el módulo de deformación de Young E, y para los suelos un
comportamiento elasto-plástico caracterizado por la densidad , módulo de Poisson , el módulo
de deformación de Young E y ϕ para tomar en cuenta la plasticidad.
Figura 3.6 Parámetros asociados al comportamiento lineal-elástico de las capas de superficie.
La asignación de un comportamiento elasto-plástico para los suelos, es porque se trata de
materiales que presentan un dominio elástico muy reducido apareciendo deformaciones
irrecuperables, que experimentan deformaciones volumétricas cuando se somete a una tensión
de corte pura, las cuales varían a lo largo del proceso. Los fenómenos de la no linealidad y
aparición de deformaciones irrecuperables pueden describirse mediante el modelo de la elasto-
plasticidad, lo que permite determinar los esfuerzos cortantes máximos que puede soportar el
suelo en función de la tensión de confinamiento y los parámetros del modelo de falla considerado.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 52
Figura 3.7 Parámetros asociados al comportamiento elasto-plástico de los suelos.
3.2.4 Modelación de las cargas.
La carga actuante de una de las patas principales de la aeronave, establece las siguientes
características:
Determina que los valores críticos de esfuerzo, deformación y deflexión ocurren en el eje
de simetría bajo el centro del área circular de aplicación de la carga.
La carga aplicada a un pavimento por un neumático es similar a una placa flexible con
radio “a” y presión de contacto uniforme “q”.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 53
El modelo geométrico confeccionado trata de reproducir la acción del sistema de distribución de
ruedas en una de las patas principales de la aeronave a una distribución de ruedas gemelas
llevándolo a uno de diámetro equivalente (De) y radio a.
Figura 3.8 Conversión de sistema de distribución de ruedas a una distribución de ruedas gemelas.
Para determinar el radio del área circular equivalente a la huella de dos neumáticos, se empleó
la siguiente expresión:
𝑎 = √𝑃
𝑝𝑥𝜋
2 ….. (cm) Expresión 2.6
Donde:
P: carga actuante, CRSE (kg)
p: presión de inflado de los neumáticos, igual a 8,7 kg/cm2
El radio determinado es igual a 0.25 m y un diámetro equivalente de 0.5 m, dando como resultado
un área equivalente de 0.19 m2. Esta área equivalente sirve para todas las aeronaves, ya que
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 54
casi todas las áreas, de cada neumático (de las diferentes aeronaves) se pueden aproximar a
0.19 m2.(García Pérez, 2003)
La presión actuante de una de las patas principales en un radio de 0.25 m se determina a través
de la siguiente expresión:
𝑝 =𝑃
𝜋𝑥𝑎2 ……(KPa) Expresión 2.7
Las tensiones en la profundidad según la ley de distribución de presiones por carga impuesta van
disminuyendo ya que existe una relación no lineal entre las σ, la profundidad y la distancia del
punto de aplicación de la carga.
Figura 3.9 Magnitud de la presión y distribución de las tensiones en el terreno.
Como se expuso en el diseño metodológico de este trabajo, la modelación matemática tiene solo
como finalidad la obtención de los desplazamientos para cada acción, para con ello obtener los
diagramas de fuerza contra deformación (P vs S) y diseñar el ensayo de prueba de placa.
3.3 Ejemplo de modelación y análisis en 2D de una estructura de pavimento
utilizando SIGMA/W™ (2007). Obtención de diagrama carga vs deformación.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 55
La estructura de pavimento mostrada en la modelación siguiente corresponde a la que se
encuentra en la estación 41+5.0. El modelo presentado es para las propiedades bajas de los
suelos componentes de la estructura.
Datos para la modelación.
capa de superficie: relleno A-2-7: capa vegetal: Suelo natural GW:
espesor= 0.19 m espesor= 1.6 m espesor= 0.15 m espesor= 0.86 m
comportamiento lineal-
elástico
comportamiento elasto-
plástico
comportamiento elasto-
plástico
comportamiento elasto-
plástico
E= 750 kN/m2 E= 33 000 kN/m2 E= 6000 kN/m2 E= 25 000 kN/m2
=23 kN/m3 =19.42 kN/m3, Φ=38ْ =19.43 kN/m3, Φ=7ْ =20.09 kN/m3, Φ=32ْ
carga =170 KN (CRSE) Aeronave: A320-100 Tren de aterrizaje: Bogie
q=865.8 kN/m2 consideración: CBR=f(capa vegetal+gw)
Modelo.
Figura 4.0 Modelo realizado para las propiedades bajas de los suelos de la estructura de pavimento 1.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 56
Análisis de los resultados.
Figura 4.1 Análisis de los resultados obtenidos para el modelo realizado para las propiedades bajas de los suelos
de la estructura de pavimento 1.
La respuesta evaluada es el desplazamiento máximo resultante de la acción de la carga. Para
construir el diagrama carga vs deformación de las propiedades bajas de la estructura de
pavimento flexible 1 se consideró la carga actuante en escalones de carga, teniendo en cuenta
que al pasar al segundo escalón de carga se deben tomar las deformaciones del escalón anterior
repitiendo el proceso para los siguientes escalones.
Figura 4.2 Diagrama de carga vs deformación de las propiedades bajas de la estructura de pavimento flexible 1.
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Capítulo III: Modelación matemática de la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨. 57
La deformación obtenida en el modelo es inferior a la deformación determinada por los métodos
analíticos, comprobándose así para las otras estructuras de pavimentos, lo que condiciona el
empleo de los modelos para la determinación de la deformacion unitaria. Para cada estructura de
pavimento se realizaron los diagramas carga vs deformación realizando un informe con todo el
diseño del ensayo de prueba de placa a realizar en la pista (in-situ), donde se ofrece toda la
información necesaria para la realización de este ensayo: estaciones, carga etc. Además se
brindan las deformaciones al final de cada escalón de carga.
3.4 Conclusiones parciales.
1. La precisión de los resultados que se obtienen mediante la modelación computacional
depende en gran medida de la correcta información que se tenga sobre las capas del
pavimento, acerca de las características resistentes de los materiales componentes.
2. Del estudio realizado a la temática de la modelación matemática de pistas de aeropuertos
mediante el método de elementos finitos se puede concluir que con este enfoque, y
aplicando las reglas y sugerencias encontradas en la literatura revisada es posible lograr
modelos muy consistentes y representativos de los sistemas reales estudiados que brindan
resultados con una precisión adecuada para el problema ingenieril evaluado.
3. Con la solución ingenieril para el refinamiento del mallado desarrollada en este capítulo se
logra poner en práctica una de las sugerencias para la corrección del error de discretización
que permite elegir la malla “racional”, para la respuesta estructural evaluada,
preferentemente entre otras más refinadas que brindan resultados similares pero que
implicarían mayores esfuerzos computacionales de pre-proceso y tiempo de cálculo.
4. La realización de modelos axial-simétrico de radio equivalente a partir de un eje uniaxial
central, considera que las estructuras de pavimentos tienen las mismas características en
cualquier plano que pase por el eje central de análisis en cualquier dirección.
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ̈ Abel Santamaría¨ 58
CAPÍTULO IV: APLICACIÓN DEL MÉTODO ACN-PCN A LA PISTA AÉREA DEL
AEROPUERTO ¨ABEL SANTAMARÍA¨.
“La evaluación de la pista área del aeropuerto internacional “Abel Santamaría” de la ciudad de
Santa Clara empleando el método ACN-PCN” como se expuso en la introducción de la presente
investigación, se hace con el objetivo de determinar la capacidad portante y el estado en que se
encuentra la superficie, con el fin de soportar el incremento de las cargas que se espera para los
próximos años y ofrecer una panorámica del método de evaluación de pistas aeroportuarias
AirCraft Classification Number-Pavement Classification Number (ACN-PCN), con el propósito de
aportar argumentos que permitan certificar la pista.
Para realizar la investigación como se esclareció en el capítulo 2 utilizamos los estudios ingeniero-
geológicos realizados en el año 2005 a partir de los cuales se definieron las secciones o
estructuras de pavimentos dando descripción de las capas componentes de los mismos y en las
estaciones en la que se encuentran, asignándoles propiedades físico-mecánicas tomadas de
tablas.
El levantamiento patológico realizado de todas las averías presentes en la pista evidenció el
estado actual en que se encuentra el pavimento determinándose que la mayoría de los deterioros
son productos de un inadecuado sistema de mantenimiento encontrándose (exposición de
agregados, reparaciones mal ejecutadas). Las grietas encontradas presente en casi todo el tramo
de pavimento flexible, y algunas en varios paños de losa en el pavimento rígido, inducen a que
las mismas son productos del efecto de las cargas repetitivas de las aeronaves en los pavimentos,
lo cual causa el fallo por fatiga.
La determinación de la aeronave de cálculo y las salidas anuales equivalentes a esa aeronave,
permiten, analizar la influencia de la intensidad del tráfico aéreo en las pistas de los aeropuertos
y el conocimiento de la aeronave comercial más recurrente en la pista.
En el trabajo participaron varias entidades de la ENIA y el Centro de Investigación y Desarrollo
de las Estructuras y los Materiales (CIDEM) de la Facultad de Construcciones de la Universidad
Central “Marta Abreu” de las Villas (UCLV).
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 59
4.1 Metodología para evaluar los pavimentos flexibles y rígidos de las pistas áreas
existente en Cuba.
Los resultados de investigaciones realizadas en el aeropuerto “Jaime Gonzáles” de la ciudad de
Cienfuegos permitieron elaborar una metodología para la evaluación de pistas áreas construidas
de pavimento flexible la cual se complementa con la presente investigación realizada en el
aeropuerto “Abel Santamaría” de la ciudad de Santa Clara incorporándole además en este caso
el análisis para pavimento rígido.
1. Informe ingeniero-geológico.
Dictamen técnico de la pista con la caracterización de los materiales.
Descripción del lugar.
En caso de existir deterioros (dar identificación de zonas dañadas).
Trabajos de campo
Trabajos de laboratorios
Caracterización ingeniero-geológica
Perfil longitudinal de la pista. Calas (descripción de las capas) y geometría.
Plano de planta de la pista.
Tabla resumen de las propiedades físico-mecánicas de los suelos:
Propiedades de resistencia a cortante de los suelos (c y φ)
Resumen de los resultados de los ensayos proctor modificados y CBR de los
suelos de la cimentación.
Módulos (E) de los suelos que sustentan el pavimento de la pista (suelos de
cimentación)
Pesos específicos de cada uno de ellos
Coeficiente de Poisson de cada uno de ellos
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 60
Caracterización del hormigón asfáltico:
Granulometría
Densidad, estabilidad, deformación
Ensayos ultrasónicos
Ensayo de durabilidad y fatiga
Módulo de deformación E
Caracterización del hormigón hidráulico:
Granulometría
Densidad, estabilidad, deformación.
Ensayos ultrasónicos
Ensayo de durabilidad y fatiga
Módulo de elasticidad E
Inspección técnica de la pista.
Ubicación, descripción, posibles causas y magnitud de las patologías de las pistas
SIG de las patologías de la pista
Dictamen preliminar del estado técnico de la pista
2. Selección de estructuras de pavimento para el análisis.
Deben tomarse las estructuras que abarquen todos los materiales que intervienen en los
distintos perfiles de la pista y que coincidan con los tramos más deteriorados encontrados
en la inspección técnica, con el fin de calibrarlos y poder conocer las propiedades actuales
(en el momento que se realiza la evaluación) de cada uno de ellos.
3. Régimen de explotación de la pista aérea
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 61
Conocer el pronóstico de salidas anuales de todas las aeronaves que operan en la pista.
Definir aeronave de cálculo.
Convertir todas las aeronaves al mismo tipo de tren de aterrizaje de la aeronave de cálculo
Determinar el número de salidas anuales (totales) equivalentes a la aeronave de cálculo
4. Aplicación preliminar del método ACN-PCN. Modelación matemática de la pista.
Establecer intervalos de las propiedades físico-mecánicas de los materiales que
componen las estructuras de pavimento.
Determinación del PCN (método tradicional) a las estructuras de pavimento seleccionadas.
Seleccionar aeronaves cuyos valores de ACN se correspondan con los PCN (método tradicional)
de cada estructura de pavimento, definiendo la CRSE y el área de cada neumático.
Modelación matemática en 2D para obtener tensiones medias en cada capa de los
materiales que conforman las estructuras de pavimento y la potencia activa.
Determinación del PCN con las modificaciones implementadas.
Seleccionar aeronaves cuyo valor de ACN sea igual o inferior al PCN (modificado) de cada
estructura de pavimento.
Obtener de cada aeronave (para el análisis de cada estructura de pavimento):
Carga por rueda simple equivalente (CRSE)
Área circular equivalente.
5. Obtención de curvas carga vs deformación.
Definir las estaciones donde se realizaran los ensayos de prueba de placa (mínimas y que
abarque todos los materiales). El diámetro de placa en función del área circular equivalente para
los neumáticos de la aeronave en cuestión y la carga por rueda simple equivalente CRSE.
Llevar área de un neumático a un área circular equivalente (análisis axial-simétrico)
Establecer escalones de carga hasta llegar a la carga pronosticada (correspondiente al
CRSE).
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 62
Obtención de los resultados de la modelación de pruebas de cargas, curvas de P (carga)
vs. S (asentamiento), para cada estructura e intervalos de propiedades de los
materiales.
Diseño de la prueba de carga in-situ.
6. Ensayo de prueba de placa in-situ.
Aplicar a una placa rígida de diámetro (en función del área circular equivalente) que simula
la huella de dos neumáticos de la aeronave, cargas en distintos intervalos hasta llegar a
la carga pronosticada, determinándose la deformación final de cada uno de estos
intervalos. Como resultado se obtiene una curva carga vs deformación que se toma
como patrón para ajustar las curvas teóricas obtenidas de la modelación.
Para obtener el módulo de reacción k, una vez calculado si éste es menor a 56, el ensayo
está terminado y la carga puede retirarse. Si k≥56, se aplican incrementos adicionales de
carga de 16 KN. (35 KPa) hasta alcanzar 96 KN. (210 KPa.), permitiendo que cada uno
de los incrementos de carga permanezca hasta que la razón de deformación sea menor
a 0,025 mm/min. Deben leerse los tres diales micrométricos al final del proceso en cada
incremento de carga.
7. Calibración de materiales a partir del ensayo de prueba de placa.
Determinar para qué propiedades de los materiales el modelo se ajusta mejor a los
resultados experimentales obtenidos en los ensayos de prueba de placa in-situ.
Establecimiento de las propiedades físico mecánicas definitivas.
8. Determinación del módulo de reacción k corregido.
El valor de k calculado anteriormente (k≥56 Mpa/m), debe ser corregido por flexión de las
placas soportantes. Esta flexión redunda en una mayor deflexión entre el centro de la
placa que en el borde donde se miden las deflexiones, por lo tanto el valor de k es mayor
que el real. La corrección se hace por medio de un gráfico (ANEXO B), donde se entra
con el valor de k por la ordenada y se proyecta horizontalmente hasta interceptar la curva
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 63
dibujada. Luego el valor de k corregido es determinado proyectando verticalmente la
intersección del gráfico y leyendo su valor en la abscisa.
9. Obtención de parámetros necesarios para determinar capacidad resistente de la pista.
Tensiones medias en cada capa de material.
10. Determinación del PCN definitivo de la pista incluyendo modificaciones (considerando
también las tensiones medias de cada capa de material y la no homogeneidad de los
suelos de la cimentación).
Debe cumplirse que: ACN ≤ PCN
11. Análisis de los resultados. Variantes para el mejoramiento de la pista.
Criterios y análisis de alternativas para posible intervención de forma que con el mínimo
costo y cierre de la pista se pueda lograr el máximo aumento de la capacidad resistente
de la misma.
4.2 Determinación de la aeronave de cálculo y las salidas anuales equivalentes a
la aeronave de cálculo.
El pronóstico de salidas anuales de aeronaves da como resultado una lista de varias aeronaves
diferentes que utilizan la pista del aeropuerto de la ciudad de Santa Clara. La aeronave de cálculo
es aquella que más veces realiza operaciones en la pista (generalmente es una aeronave media
en cuanto al peso). La siguiente tabla muestra las aeronaves que se tiran en la pista de estudio
y las salidas anuales realizadas en el año 2015 y en los primeros meses del presente año.
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 64
Tabla 4.2 Salidas anuales de las aeronaves.
Aeronave
Tipo de tren de aterrizaje
Salidas anuales
Masa total de despegue
(máxima) kN
A310-300 Bogie 324 1549
A319-100 Rueda gemela 604 744
A320-200 Rueda gemela 680 759
A330-200 Bogie 66 2137
A330-300 Bogie 6 2088
B737-800 Rueda gemela 4238 777
B767-200 Bogie 42 1410
F-50 Rueda gemela 4 205
BAe-32 Rueda gemela 64 69
IL-86 Bogie 22 2054
MD-83 Rueda gemela 98 716
Otros 1532
Total 7680
Se analizó el tráfico y lo más recomendable, según la tendencia que existe internacionalmente,
es tomar como aeronave de cálculo el B737-800 que en este caso es la aeronave que tiene un
mayor número de salidas y tiene peso máximo de despegue medio con respecto a las demás, la
misma está equipada con un tren de aterrizaje de ruedas gemelas, de modo que todo el tráfico
debe agruparse en la misma configuración.
Una vez que la diversidad de aeronaves se ha agrupado en una configuración común del tren de
aterrizaje, se calculan las salidas anuales equivalentes de la aeronave de cálculo.
Tabla 4.3 Cálculo de las salidas anuales equivalentes de la aeronave de cálculo.
Aeronave Salidas anuales
Factor de conversión
Salidas con ruedas
gemelas R2
Carga por rueda W2
(kN)
Carga por rueda de la aeronave de
cálculo W1 (kN)
Salidas anuales equivalentes de la
aeronave de cálculo R1
A310-300 324 1.7 551 367.9 184.5 778
A319-100 604 1 604 176.7 184.5 591
A320-200 680 1 680 180.3 184.5 672
A330-200 66 1.7 112 507.5 184.5 186
A330-300 6 1.7 10 496 184.5 16
B737-800 4238 1 4238 184.5 184.5 4238
B767-200 42 1.7 71 334.9 184.5 96
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 65
F-50 4 1 4 48.7 184.5 2
BAe-32 64 1 64 16.4 184.5 19
IL-86 22 1.7 37 487.8 184.5 60
MD-83 98 1 98 170 184.5 94
Total 6752
4.3 Determinación de la resistencia del pavimento (PCN) de la pista de aterrizaje
y despegue del aeropuerto “Abel Santamaría” de la ciudad de Santa Clara.
Las aeronaves durante el aterrizaje van ligero de combustible, normalmente pesan un 5% menos
que durante el despegue, las cuales son muy pesada cuando van a realizar esta maniobra, pero
este peso pasa gradualmente del tren de aterrizaje a las alas, determinándose que durante las
maniobras de cargas del avión y los desplazamientos de la salida es cuando el pavimento
experimenta significativos esfuerzos causados por el peso del avión.
4.3.1 Evaluación preliminar del método ACN-PCN a las estructuras típicas del pavimento
flexible de la pista.
La evaluación preliminar del método ACN-PCN se realizó definiendo variantes a la hora de
calcular el número de clasificación de pavimento (PCN). La primera variante empleada está en
función de dos variables que intervienen en la expresión del PCN por el método tradicional (e;
CBR), para calcular el espesor equivalente se tomaron para las estructuras de pavimento 1 y 3
las capas de asfalto, relleno A-2-7 y capa vegetal, y en caso de la estructura 2 las capas de asfalto
y relleno A-2-7 dejando el CBR en función de la capa gw para todas las estructuras de
pavimentos, la siguiente tabla 4.4 muestra los resultados para esta primera variante:
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 66
Tabla 4.4 Resultados del cálculo del PCN por el método tradicional.
Estructuras CBR de la cimentación (%) PCN (método tradicional)
Estructura 1; e=f (asfalto+relleno A-2-7+capa vegetal), CBR=f (gw).
1
15 33
20 51
30 103
Estructura 2; e=f (asfalto+relleno A-2-7), CBR=f (gw).
2
20 33
25 46
30 65
Estructura 3; e=f (asfalto+relleno A-2-7+capa vegetal), CBR=f (gw).
3
15 22
20 36
30 75
La presencia de la capa vegetal en las estructuras de pavimento 1 y 3 influye en la capacidad
resistente del pavimento de la pista, con espesores considerables entre 15 cm y 25 cm,
determinando considerarla dentro de la cimentación de las estructuras. La segunda variante
propuesta radica que una vez calculado los valores del PCN (método tradicional) y haber hecho
una elección de aeronaves con valores de ACN≤PCN(método tradicional) determinando las tensiones
medias por carga impuesta debido a la acción de las aeronaves elegidas en cada capa de
material, empleando para esto los modelos realizados en el programa SIGMA/W™ (2007),
calcular el espesor equivalente y el CBR con las modificaciones aclaradas en el capítulo 1,
poniendo en función cada uno de las capas de suelo siguiente; e=f(asfalto+relleno A-2-7), y el
CBR=f(capa vegetal+gw). La estructura de pavimento 2 al no presentar capa vegetal se
consideró no realizar modificaciones, la cual se adapta a las condiciones que debe tener un
pavimento para aplicar el método de forma tradicional.
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 67
Tabla 4.5 Resultados del cálculo del PCN modificado para las estructuras 1 y 3.
Estructuras CBRsuelo1 (%) CBRsuelo 2 (%) CBRprom. (%) PCN(modificado)
1 3
15 8,98 18
20 10,50 22
30 12,34 29
3 3
15 6,50 8.1
20 8,02 11.4
30 10,30 17
Los resultados obtenidos por el PCN(modificado) para las estructuras 1 y 3 muestran que al considerar
la capa vegetal dentro de los suelos de la cimentación y las tensiones medias en cada capa de
material son menores los valores de capacidad resistente del pavimento.
4.3.2 Evaluación preliminar del método ACN-PCN a la estructura típica del pavimento
rígido de la pista.
Los valores de PCN obtenidos para la estructura de pavimento rígido se basan en resistencia
bajas, medias y altas del módulo de reacción o coeficiente de balasto (k) y en el espesor de la
losa de hormigón (h=25cm), auxiliándonos del ábaco mostrado en el capítulo 1. Para obtener los
valores de k se emplearon las propiedades bajas, medias y altas del CBR del suelo adyacente a
la losa de hormigón (A-2-7), obteniéndose como resultado los mostrados en la siguiente tabla 4.6.
Tabla 4.6 PCN preliminar para pavimento rígido.
CBR (%) Suelo A-2-7 k(MN/m3) PCN
20 69 28
25 100 31
30 150 35
El valor de PCN para pavimentos rígidos presenta como característica la determinación de dos
resultados, el primero es calibrando las propiedades del relleno A-2-7 una vez realizado el ensayo
de prueba de placa para luego a través de un ábaco y obtener el valor de k en función del CBR y
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 68
así poder entrar al ábaco de determinación del PCN (pavimento rígido), el segundo resultado es obtener
k cuando se realicen los ensayos de prueba de placa. El PCN (pavimento rígido) se tomará como el
menor valor de los resultados obtenidos.
4.4 Diseño de ensayo de prueba de placa.
Los resultados de la aplicación preliminar del método ACN-PCN en las estructuras de pavimentos
flexible y en la estructura de pavimento rígido, la modelación matemática y la valoración del
estado actual de la superficie, permitieron establecer las estaciones donde realizar los ensayos
de prueba de placa (Figura 4.4) determinándose la estación 41+5.0 buscando lo más cercano al
pavimento rígido para limitar lo menos posible el tráfico aéreo y la estación 260+0.0 al encontrarse
cercano al otro extremo de la pista no interrumpiendo el movimiento de las aeronaves. La estación
30+0.0 para el pavimento rígido fue determinada para la realización de los ensayos de prueba de
placa presentando una distancia relativamente corta de la estación 40+0.0 donde comienzan las
capas componentes de las estructuras de pavimentos flexibles para así no alejarnos de lo que
realmente se conoce. La estructura de pavimento 2 tomada como sección típica en la estación
140+0.0 se determinó no realizarle los ensayos de prueba de placa por su ubicación la cual
interrumpía el tráfico aéreo y al presentar valores de PCN aceptable evidenciándose que la misma
no muestra capa vegetal en las capas que la componen, determinándose la no presencia de
deterioros en ese tramo. Una vez realizados los ensayos de prueba de placa se pueden obtener
los siguientes resultados:
Obtención de la capacidad de carga del suelo para un asentamiento determinado.
Determinación del módulo de reacción o coeficiente de balasto (k).
Determinación de las características de la curva carga contra deformación del suelo,
para calibrar los modelos.
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 69
Figura 4.4 Estaciones a realizar ensayos de prueba de placa.
Las estaciones en el tramo de pavimento flexible a realizar los ensayos de prueba de placa serían
las siguientes:
Tabla 4.7 Datos para el ensayo de prueba de placa en la estructura de pavimento flexible 1.
Perfil Consideraciones Propiedades PCN Aeronave ACN CRSE (kN)
40+0.0-100+0.0
estación 41+5.0 capa vegetal+gw
cimentación
Bajo 18 A320-100 (Bogie) 18 170
Medio 22 A320-200 21 184
Alto 29 BAC 1-11 serie 500 29 237
Tabla 4.8 Datos para el ensayo de prueba de placa en la estructura de pavimento flexible 1.
Perfil Consideraciones Propiedades PCN Aeronave ACN CRSE (kN)
40+0.0-100+0.0
estación 41+5.0 gw cimentación
Bajo 33 A320-100 (rueda gemela) 33 330
Medio 51 IL-62M 50 420
Alto 103 CONCORDE 65 463
Tabla 4.9 Datos para el ensayo de prueba de placa en la estructura de pavimento flexible 3.
Perfil Consideraciones Propiedades PCN Aeronave ACN CRSE (kN)
200+0.0-301+7.0
estación 260+0.0 capa vegetal+gw
cimentación
Bajo 8,1 FOKKER 50 LTP 8 63,2
Medio 11,4 HS748 11 105,5
Alto 17 FOKKER 28 Mkl1000HTP 15 147,2
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 70
En el tramo de pavimento rígido la ubicación del ensayo de prueba de placa se realizará en el
umbral de la pista, encontrándose los mayores deterioros en las losas en ese tramo.
Tabla 5.1 Ensayo de prueba de placa en la estructura de pavimento rígido.
Perfil Consideraciones Propiedades PCN Aeronave ACN CRSE (kN)
- valores de CBR
del relleno A-2-7
Bajo 28 B707-120B 28 278
Medio 31 B737-200/200C Avanzado 30 253
Alto 35 B737-300 35 292
Las curvas de carga vs deformación de las estructuras de pavimentos donde se van a realizar
los ensayos de prueba de placa se muestran en la siguiente figura 4.5, determinándose valores
permisibles de deformación los cuales se encuentran en el intervalo de 0.91-4.67 cm para las
estructuras de pavimentos flexible y en el intervalo de 0.80-0.88 cm para la estructura de
pavimento rígido.
La calibración consiste en determinar cuáles de las curvas obtenidas de carga vs deformación
se corresponden con las características de la curva de carga vs deformación que se obtenga
una vez realizados los ensayos de prueba de placa.
Tabla 5.0 Datos para el ensayo de prueba de placa en la estructura de pavimento flexible 3.
Perfil Consideraciones Propiedades PCN Aeronave ACN CRSE (kN)
200+0.0-301+7.0
estación 260+0.0 gw cimentación
Bajo 22 B737-100 20 222
Medio 36 A310-200 36 330
Alto 75 A340-500 70 421,8
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 71
Figura 4.5 Curvas de carga vs deformación de cada estructura de pavimento.
La propuesta de aumentar la resistencia del pavimento de la pista se realizó considerando los
espesores de asfalto determinados en las investigaciones realizadas en el año 2005 sin tener en
cuenta la repavimentación llevada a cabo en el año 2007 al no contarse con datos de la misma.
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 72
4.5 Propuesta para el mejoramiento de la capacidad resistente del pavimento de
la pista.
Para aumentar la capacidad resistente del pavimento de la pista (PCN), la opción más idónea
para una pista área en explotación es aumentar el espesor de la capa de superficie siempre y
cuando sea un valor de recrecimiento permisible. Aumentar el CBR de los suelos de cimentación
y el módulo de las capas resultaría poco económico. En la siguiente figura 4.5 se muestra que le
sucede al valor del PCN en las estructuras de pavimentos flexibles para propiedades bajas,
medias y altas al aumentar el espesor de superficie en 4 cm, 8 cm, 12 cm y al valor del PCN en
la estructura de pavimento rígido al aumentar el espesor de la losa en 5 cm y 10 cm.
Figura 4.6 Variación del PCN en las estructuras para diferentes recrecimientos de espesores de superficie.
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 73
Al no realizarse los ensayos de prueba de placa tomaremos para continuar como resultado las
propiedades físicos-mecánicas de los suelos las medias, considerando que estas son las que se
corresponden para los suelos componentes de las estructuras de pavimentos.
El ACN de la aeronave de diseño B737-800 de la pista del aeropuerto internacional ¨Abel
Santamaría¨ para una resistencia media de los suelos presenta un valor de 46 para pavimentos
flexibles y un valor de 53 para pavimentos rígidos.
La propuesta para el mejoramiento de la resistencia del pavimento de la pista logrando un
mínimo de volumen de material y analizando los aumentos del PCN para diferentes
recrecimientos del espesor de la superficie en las estructuras de pavimentos para las propiedades
medias de los suelos de la (Figura 4.6) y los valores de ACN de la aeronave de diseño para los
distintos pavimentos seria la siguiente:
Para la estructura de pavimento flexible 1 en la variante de e=f (asfalto+relleno A-2-7), CBR=f
(gw+ capa vegetal) recrecer como mínimo el espesor de asfalto a 10 cm dando un valor de PCN
igual a 50 cumpliendo con las consideraciones del método ACN-PCN (ACN≤PCN) y para la otra
variante se mantendría el espesor de 19 cm.
Para la estructura de pavimento flexible 2 con los 18 cm que tiene satisface la condición del
método ACN-PCN.
Para la estructura de pavimento flexible 3 en la variante de e=f (asfalto+relleno A-2-7), CBR=f
(gw+ capa vegetal) recrecer como mínimo el espesor de asfalto a 17 cm obteniéndose un valor
de PCN igual a 47 cumpliendo con la condición de (ACN≤PCN) y para la otra variante recrecer
como mínimo 3 cm obteniéndose un valor de PCN igual a 50 comprobándose que satisface las
consideraciones del método ACN-PCN.
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 74
Para la estructura de pavimento rígido recrecer el espesor de la losa de hormigón como mínimo
8 cm dando un valor de PCN igual 58 cumpliendo con que el ACN de la aeronave de diseño sea
igual o inferior al PCN.
Figura 4.7 Propuesta de recrecimientos mínimos de espesores de superficie para las estructuras de pavimentos.
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 75
Para realizar la reparación total del espesor en el pavimento flexible teniendo en cuenta la
propuesta de recrecimientos mínimos de espesores de superficie, como alternativa se propone
utilizar el hormigón asfaltico existente como material de base, colocando el asfalto nuevo en los
tramos que abarcan las estructuras de pavimentos flexibles. El remplazo de las losas consiste en
la remoción de las mismas, involucrando este proceso un mejoramiento de la capa base y
subbase si fuese necesario.
4.6 Determinación del número de repeticiones de la carga de la aeronave de
cálculo. Tiempo de explotación de las estructuras de pavimentos.
A partir de haber considerado las propiedades medias para los suelos componentes de las
estructuras de pavimentos. La obtención del número de repeticiones de la aeronave de cálculo
se determina mediante la siguiente expresión (Loizos, 2000):
𝑁𝜀𝑧𝑧 = 1.02 × 10−7 × (𝜀𝑧𝑧)−4.167 Expresión 2.8
Donde:
Nɛzz: número de repeticiones de la carga de la aeronave de cálculo antes de que ocurra el fallo
(entre la unión de la subbase y los suelos de cimentación).
Ɛzz: deformación unitaria vertical en la zona de contacto de la subbase y los suelos de
cimentación.
Para obtener Ɛzz en países desarrollados utilizan equipos considerablemente costosos los cuales
no dispone Cuba, por tal motivo en esta investigación para obtener el valor de la deformación
unitaria vertical se emplean los modelos realizados en el SIGMA/W™ (2007). El tiempo de
explotación de las estructuras de pavimentos se determina empleando la siguiente expresión:
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Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 76
𝑇𝜀𝑧𝑧 = [𝑁𝜀𝑧𝑧
∑ 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠] × 12 ; meses Expresión 2.9
En cada estructura de pavimento se determinaron el número de repeticiones de carga de la
aeronave de cálculo y el tiempo de explotación de las mismas para las propiedades medias de
los suelos y los espesores de superficie de los resultados de las investigaciones realizadas en el
año 2005, evidenciándose que al concluir el tiempo de explotación comienza a ocurrir la falla en
la zona de contacto de la subbase y los suelos de la cimentación.
Tabla 5.2 Vida útil de las estructuras de pavimentos.
Estructuras de pavimentos Ɛzz (máx.) Nɛzz Tɛzz
1 0,0026 6031 11 meses
2 0,0018 27 918 4 años y 1 mes
3 0,0026 6031 11 meses
estructura de pavimento rígido 0,0022 12 098 1 año y 10 meses
Los resultados obtenidos demuestran que las estructuras de pavimentos críticas son las 1,3 y la
estructura de pavimento rígido determinando un tiempo de explotación menor que la estructura
de pavimento 2, los cuales se corresponden con el comportamiento determinado por el método
ACN-PCN teniendo en cuenta que el asfalto está en la condición sin falla.
4.7 Conclusiones parciales.
Las definiciones logradas en este capítulo constituyen una respuesta relacionada con la
problemática formulada en el planteamiento metodológico de la investigación y da cumplimiento
a los objetivos específicos del capítulo y general del trabajo y de su desarrollo se pueden extraer
las siguientes conclusiones:
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Capítulo IV: Aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto ¨Abel Santamaría¨ 77
1. La conclusión más importante de este capítulo se deriva de los resultados obtenidos de la
aplicación preliminar del método ACN-PCN a las estructuras de pavimentos
determinándose valores de PCN. Para aumentar la resistencia del pavimento (PCN) de la
pista en estudio se recomienda recrecer el espesor de la superficie de la manera que se
aborda en la investigación, considerando un valor medio de las propiedades de los suelos
componentes de las estructuras de pavimentos y la influencia del ACN de la aeronave de
diseño.
2. Los resultados preliminares de los valores de resistencia de pavimentos que se presentan
en este capítulo emplean para algunos en el caso del pavimento flexible las modificaciones
realizadas a las expresiones del espesor equivalente y CBR demostrando la importancia de
su consideración y evidenciándose resultados con una mayor exactitud.
3. La determinación del número de repeticiones de la aeronave de cálculo demuestra que un
pavimento puede resistir muchas repeticiones de una cierta carga y soportar una carga
mayor con menos repeticiones. El tiempo de explotación determinado para las estructuras
de pavimentos determina el número de repeticiones que la aeronave B737-800 puede
realizar en la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ antes de que sea
necesario una intervención en la misma.
4. La metodología de evaluación de pavimentos para pistas aéreas existentes en Cuba con
resultados satisfactorios de su aplicación en pavimentos flexibles se complementa para su
aplicación en pavimentos rígidos en la obtención del módulo de reacción k con la realización
de los ensayos de prueba de placa, logrando la creación de un procedimiento que abarca
la evaluación de pavimentos flexibles y rígidos de las pistas aéreas para su aplicación en
Cuba aprobando la certificación ante los organismos internacionales rectores.
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Conclusiones 78
Conclusiones.
Con el desarrollo del trabajo se ha dado cumplimiento a cada una de las tareas científicas y
objetivos declarados en el planteamiento metodológico de esta investigación a partir de la
formulación de la problemática planteada. En cada capítulo se han realizado valoraciones y
conclusiones parciales de los distintos aspectos tratados, por lo que a continuación enunciaremos
solo las conclusiones más generales obtenidas de la investigación, y que están estrechamente
relacionadas con los objetivos y tareas científicas planificadas en la misma.
1. Se realizó una revisión de la bibliografía nacional e internacional sobre los métodos para
determinar la resistencia de pavimentos en aeropuertos, determinándose emplear el método
ACN-PCN, indicado por la OACI para el análisis de la resistencia del pavimento de la pista
aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de manera que los operadores de
aeropuertos puedan evaluar la operación de la pista.
2. Se ha realizado una valoración del método ACN-PCN aplicado a las pistas aéreas en Cuba
empleando técnicas de modelación y revelando la importancia de aplicar las modificaciones
de las variables que intervienen en la determinación del PCN en los pavimentos flexibles.
3. En el trabajo se brinda una metodología que permite la evaluación de pavimentos flexibles y
rígidos de las pistas aéreas existentes en Cuba y las herramientas que permiten aplicar la
modelación matemática empleando programas de computación con base en el método de
elementos finitos, necesaria para realizar esta tarea.
4. La aplicación del método ACN-PCN a la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel
Santamaría¨ permite determinar la resistencia o capacidad soportante de las estructuras de
pavimentos definidas y junto con la valoración del estado físico de la pista y la modelación
matemática, determinar además las estaciones para realizar los ensayos de prueba de placa.
5. El estado actual de la pista sin tener en cuenta el recrecimiento por cualquier análisis ya sea
por el método ACN-PCN o por el número de repeticiones admisibles de la aeronave de diseño
dice que la estructura de pavimento rígido está prácticamente en falla al igual que las
estructuras de pavimento flexible 1 y 3, requiriendo de una intervención inmediata.
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Conclusiones 79
6. Dada la variante para aumentar la resistencia de las estructuras de pavimentos (PCN)
cumpliendo con las consideraciones del método ACN-PCN (ACN≤PCN) y logrando de forma
racional el recrecimiento necesario del espesor de la superficie de los pavimentos, se
obtuvieron valores de PCN igual a 46 y 58 para el pavimento flexible y rígido respectivamente.
7. Quedó demostrado que la presencia de la capa vegetal en dos de las tres estructuras de
pavimentos flexibles definidas al considerarla dentro de los suelos de cimentación los valores
de PCN determinados se encuentran por debajo de los obtenidos por el método tradicional,
aspecto que constituye una de las razones del porque realizar los ensayos de pruebas de
placas en las estructuras de pavimentos flexibles 1 y 3.
8. La selección de la aeronave de diseño B737-800 por la característica de presentar un mayor
número de salidas anuales respecto a las demás aeronaves que emplea la pista aérea del
aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ se debe a que las cargas repetitivas en los
pavimentos causan el fallo por fatiga en la superficie dando lugar a grietas, por lo que la
aeronave A330-200 la cual tiene el mayor peso de las que emplean el pavimento de la pista
aérea realizando un número menor de salidas anuales que el B737-800 no determina que sea
la aeronave de diseño.
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Recomendaciones 80
Recomendaciones.
A partir de la investigación realizada se presentan una serie de recomendaciones para la
evaluación de pistas de aeropuertos construidas de pavimentos flexible y rígido, empleando el
método ACN-PCN:
1. Continuar la investigación en la determinación del PCN definitivo de la pista aérea del
aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ con la realización de los ensayos de prueba de
placa y realizar la calibración determinando que propiedades de los materiales del modelo
se ajustan a los resultados experimentales obtenidos.
2. Proseguir la investigación relacionada con la modelación matemática con la aplicación del
método de elementos finitos realizando una modelación tridimensional para obtener un
modelo representativo lo más cercano posible a la problemática que se manifiesta en los
pavimentos de las pistas aéreas.
3. Desarrollar investigaciones encaminadas a generalizar la metodología para la evaluación de
pavimentos flexibles y rígidos de las pistas aéreas existentes en Cuba, la cual se implementó
en el trabajo y que ha sido aplicada con éxito en la pista construida de pavimento flexible del
aeropuerto internacional ¨Jaime Gonzáles¨ de la ciudad de Cienfuegos.
Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
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Evaluación de la pista aérea del aeropuerto internacional ¨Abel Santamaría¨ de la ciudad de Santa Clara empleando el método ACN-PCN
Anexos 83
ANEXO A: ACN para varios tipos de aeronaves sobre pavimento rígido y flexible.
Aeronave
Masa total de
despegue (Máx./Mín.)
kN
Presión de los
neumáticos (MPa)
ACN (pavimento flexible) CBR %
ACN (pavimento rígido) k (Mpa/m)
A 15
B 10
C 6
D 3
A 150
B 80
C 40
D 20
A310-200 1320
1.23 36 40 48 64 33 39 46 54
766 18 19 20 27 15 18 21 24
A310-300 1549
1.48 48 54 65 82 46 55 64 72
1118 31 34 40 53 30 35 41 47
A340-500 3590
1.42 70 76 90 121 60 70 83 97
1750 29 31 34 42 29 28 32 37
A319-100 632
0.89 30 32 36 42 31 34 37 39
382 17 18 19 23 17 19 20 22
A319-100 690
1.07 35 36 40 46 37 40 42 45
382 18 18 20 23 18 20 21 23
A320-100 gemela
680 1.34
35 36 40 46 39 41 43 45
397 19 19 20 23 20 22 23 24
A320-100;bogie 680
1.12 18 19 23 32 18 21 24 28
402 9 10 11 14 19 10 12 14
A320-200;bogie 735
1.21 19 21 26 35 18 22 26 30
403 9 10 11 14 9 10 11 13
BAC 1-11 serie 500
474 1.08
29 30 33 35 32 34 35 36
248 13 13 15 17 15 16 16 17
IL-62M 1680
1.08 50 57 67 83 43 52 62 71
714 17 18 20 26 16 17 19 22
CONCORDE 1850
1.26 65 72 81 98 61 71 82 91
787 21 22 26 32 21 22 25 29
HS748 211
0.59 8 9 11 13 10 11 11 12
122 4 5 6 7 5 5 6 6
FOKKER 28 Mkl1000HTP
295 0.69
13 15 17 20 15 16 18 18
166 6 7 8 10 8 8 9 10
B737-100 444
0.95 20 22 24 28 23 24 26 27
266 12 12 13 15 12 13 14 15
B737-800 777
1.47 44 46 51 56 51 53 56 57
406 21 21 23 26 24 25 26 27
B737-200/200C Avanzado
533 1.16
27 28 31 36 30 32 34 35
293 14 14 15 17 15 16 17 18
B737-300 615
1.14 31 33 37 41 35 37 39 41
329 15 16 17 20 17 18 19 20
FOKKER-50LTP 208
0.41 6 9 11 14 9 10 11 12
126 4 5 6 8 5 5 6 7
B707-120B 1170
1.17 31 34 41 54 28 33 39 46
578 13 14 15 20 12 12 15 17
IL-86 2054
0.88 34 36 43 61 26 31 38 46
1089 15 16 18 23 13 14 16 19
MD-83 716
1.14 42 45 50 53 47 50 52 54
355 18 19 21 24 20 22 23 24
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Anexos 84
ANEXO B: Gráfico para corregir k por deformación de placa.
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Anexos 85
ANEXO C: Secciones de la planta de deterioros de la pista.
Estación 40+0.00-70+0.00
Estación 80+0.00-100+0.00
Estación 110+0.00-135+0.00
Estación 140+0.00-170+0.00
Estación 170+0.00-200+0.00
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Anexos 86
Estación 200+0.00-230+0.00
Estación 230+0.00-260+0.00
Estación 260+0.00-290+0.00
Estación 295+0.00-300+0.00
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Anexos 87
ANEXO D: Deterioros detectados en la pista.
Deterioros encontrados en el umbral de la pista, estación 0+0.00-40+0.00 (pavimento de
hormigón hidráulico).
No. 61. Grieta transversal en paño de losa. No. 62. Presencia de vegetación en la junta
longitudinal, desnivel entre losas.
No. 63. Rotura de esquina. No. 64. Cuarteo en malla y surgencia de
humedad.
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Anexos 88
Deterioros encontrados entre las estaciones 40+0.00-45+0.00 (pavimento de hormigón asfaltico).
No. 3. Grieta longitudinal paralela al eje de
la pista, abertura mayor de 3 mm.
No. 9. Grieta reflejada en la unión de
paños de pavimento (flexible-flexible).
No. 4. Fisuras y grietas en bloque. No. 5. Mancha de humedad en la
superficie.
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Anexos 89
Deterioros encontrados entre las estaciones 45+0.00-261+7.00 (pavimento de hormigón
asfaltico).
No. 44. Fisuras en retícula y pérdida de la
capa de rodadura.
No. 40. Grieta longitudinal paralela al
eje de la pista, abertura mayor 5 mm.
No. 48. Grieta longitudinal paralela al eje de
la pista.
No. 55. Presencia de baches puntuales en
la superficie.