laboratorio
TRANSCRIPT
VI CONGRESO NACIONAL DEL ASFALTO
ASOCIACIÓN PERUANA DE CAMINOS
LIMA – PERU
15, 16 y 17 de Octubre de 2003
EL PAVIMENTO FLEXIBLE SOBRE PUENTES Y VIADUCTOS: CONSTRUCCIÓN, SUS CARACTERÍSTICAS Y DEFECTOS
Cássio Eduardo Lima de Paiva Profesor Doctor de la UNICAMP – Universidad Estadual de Campinas Campinas - BRASIL
[email protected] Creso de Franco Peixoto Profesor del Centro Universitario de la Fundación Educacional Inaciana São Bernardo do Campo – Estado de São Paulo - BRASIL Profesor de la UNICAMP – Universidad Estadual de Campinas Campinas – BRASIL
RESUMEN
Un pavimento flexible sobre puentes y viaductos es una estructura delgada yuxtapuesta sobre una gran estructura o sea, el tablero del puente o del viaducto y los efectos dinámicos del tráfico. Normalmente en Brasil estos pavimentos presentan poca vida útil y exigen procesos de mantenimiento periódicos, que producen razonables perturbaciones en el flujo de tráfico. Este trabajo describe los tipos de pavimento usualmente empleados sobre puentes y viaductos en Europa y en los Estados Unidos de América y los materiales de construcción en ellos utilizados. También se describen defectos que aparecen en este tipo de pavimento en función de su naturaleza específica. Finalmente, son realizadas algunas sugerencias que podrían contribuir para una mejor comprensión del comportamiento de los pavimentos sobre puentes y viaductos. 1. INTRODUCCIÓN Las obras de arte especiales son cada vez más frecuentes a lo largo del trazado de las carreteras, sean para cruzar ríos como para permitir cruzamientos en el desnivel sobre otras vías terrestres. Cuando las carreteras o vías urbanas comportan tráfico frecuente y económico, además de estratégicamente importantes; la estructura de transposición resulta una necesidad absoluta para permitir el pleno y continuo flujo de tráfico. Viaductos y puentes cuyas formas y comportamientos son diferenciados (desde pequeños puentes de madera hasta grandes puentes metálicas del tipo pénsil o de estays) presentan la misma contribución para la vía terrestre a la que sirven, o sea, permitir la transposición de forma segura de los vehículos sobre el curso del agua o de otras vías. Los puentes y viaductos de mayor porte siempre presentan estructuras de concreto, metálicas o mixtas. Sobre el tablero de la obra de arte especial se hace un revestimiento que visa a protegerlos de las intemperies y proporcionar comodidad y seguridad a los vehículos y usuarios. Los pavimentos sobre puentes y viaductos, no obstante se destinen a proporcionar seguridad y comodidad al tráfico, normalmente presentan vida útil en condición integra menor que los pavimentos normales de igual composición. Debido a esto, es preciso una permanente atención por parte de los órganos gestores de las carreteras o vías urbanas en cuanto a la necesidad de sus reparaciones. Este trabajo procura hacer el análisis de los diferentes tipos de pavimentos flexibles ejecutados sobre las obras de arte especiales, tales como puentes y viaductos, así como evaluar los tipos de defectos observados en las obras existentes. 2. ASPECTOS CONDICIONANTES DE PROYECTO DE PAVIMENTO SOBRE PUENTES O VIADUTOS Un revestimiento tiene normalmente como uno de sus objetivos la impermeabilización completa o parcial de la carretera sobre la cual fue realizado. El pavimento debe igualmente proteger el tablero del puente o del viaducto de la acción directa de las
intemperies, principalmente del agua y de la nieve en los países que tienen un invierno muy fuerte. En esos países se realiza un tratamiento impermeabilizante sobre el tablero, antes de la ejecución del pavimento propiamente dicho. El pavimento debe presentar durabilidad suficiente para proteger el tablero de la acción directa del tráfico. Pero su espesura debe ser reducida para no contribuir considerablemente al peso sobre la estructura. A pesar de esto, como otro pavimento cualquiera, también debe proporcionar a los usuarios una regularidad de la superficie y coeficiente de adherencia adecuado que pueda contribuir para minimizar el peligro de deslizamiento sobre películas de agua. La concepción y proyecto del pavimento sobre obras de arte especiales debe considerar los siguientes factores de proyecto: a) intensidad y composición del tráfico solicitante a lo largo de la vida útil de la estructura y del tráfico de la obra durante su construcción; b) tipo de puente o viaducto, tipo y material del tablero, flexibilidad estructural, desplazamientos verticales sobre cargamento cíclico, amplitud de las deformaciones térmicas, acabado del tablero; c) extensión de la superficie que debe ser pavimentada y esquema estructural del puente, sobre todo el emplazamiento de las articulaciones y de las juntas de dilatación de la estructura; d) variables climáticas: amplitud térmica e intensidad crítica de la lluvia; e) continuidad en el del mismo tipo de pavimento de la carretera, pues, en obras de pequeña extensión, se debe considerar la hipótesis o en el de la mutación del tipo de pavimento que debe ser utilizado, rígido o flexible y, consecuentemente, de la textura superficial del revestimiento como un todo; f) áreas de influencia de la obra de arte especial: región rural o urbana; g) tipo de material del pavimento bituminoso que será ejecutado en capa única o en multicapas; h) criterios para ejecución de eventuales reparaciones y procedimientos de mantenimiento de pavimentos. Una gran preocupación de los diseñadores de puentes puede ocurrir cuando el pavimento es bituminoso y su mantenimiento correctivo puede ser hecho solamente con adición de nuevas capas sobre el pavimento existente, aumentando el peso propio de toda la estructura; i) riesgo aceptable en función de las variables involucradas. 3. TIPOS DE PAVIMENTOS SOBRE OBRAS DE ARTE ESPECIALES Los tipos de pavimentos sobre las obras de arte especiales son divididos en dos grandes grupos: pavimentos flexibles bituminosos, constituidos de mezclas de agregados con asfaltos comunes o productos resultantes de mezclas de asfaltos con polímeros y/o gomas y pavimentos rígidos de concreto de cemento Portland. Existe una gran variedad de pavimentos de naturaleza asfáltica. En la selección de pavimento se debe considerar el tipo de tablero del puente; para un tablero metálico hecho de hojas metálicas, por ejemplo, de 10 a 16 mm, el principal factor a ser considerado es la gran flexibilidad del tablero y, por consiguiente, se debe emplear revestimientos poco espesos, de 10 a 30 mm de espesor, con muy alta resistencia mecánica y baja susceptibilidad térmica, tales como micro-concretos bituminosos, con asfalto modificado o mezclas bituminosas con polímeros elastoméricos. Sin embargo, si el
tablero es de hormigón, se ponen una o dos capas bituminosas con espesor total cambiando entre 3 y 10 cm. Las capas bituminosas pueden ser compuestas de asfaltos comunes o por micro-concreto o aún mezclas con materiales de cohesión. Las soluciones a frío son menos empleadas. Las mezclas porosas o drenables han sido empleadas con más frecuencia en los países europeos. En los Estados Unidos de América en el proceso de ejecución de la capa asfáltica, según criterio del Instituto del Asfalto (1), se recomienda la ejecución de procesos de limpieza enérgica de modo que garantice la plena adherencia del pavimento al tablero. El pavimento de tipo adhesivo es aquel que se pone sobre el tablero del puente cuando aún está siendo curado. Sin embargo, para crear una condición de máxima adhesión entre ambos, es deseable que el acabado del tablero sea áspero. En los EEUU se emplea comúnmente un proceso de limpieza enérgica y después, la aplicación de epoxi para garantizar la perfecta adhesión al pavimento. El pavimento independiente es generalmente empleado cuando el pavimento de la carretera ya es de concreto, utilizándose entonces sobre el puente una solución semejante, pero con menor espesor. En este caso, es usual realizar un proceso de impermeabilización sobre el tablero antes de la ejecución del pavimento. Debido al mayor peso propio de la estructura del puente, esta constituye la principal restricción al empleo de esta solución. El proceso de impermeabilización del tablero para a la durabilidad de las obras de arte especiales es tan importante en los países de invierno riguroso, que el Transport Research Road Laboratory, a mediados de la década de “1980”, organizó una gran campaña de pruebas en varias carreteras del Reino Unido. Conforme relatado por Croney (2) fueron experimentados mástiques bituminosos, membranas poliméricas, elastoméricas y aplicaciones de pintura asfálticas puras, de concreto y de asfalto. Las experiencias terminaron con la selección de algunas membranas que han recibido dos certificados para otras aplicaciones en el Reino Unido. En Brasil, hasta la década de 1970 fueron empleados predominantemente pavimentos bituminosos sobre obras de arte especiales, pero a partir de la construcción de la Rodovia dos Imigrantes (Carretera de los Inmigrantes), se comenzaron a emplear también pavimentos de concreto de cemento Portland. En el caso de la Rodovia dos Imigrantes el pavimento de concreto era del tipo adherido con espesor de diez centímetros, apud Pitta (4), Ferrari Mattos Junior y Amarla Neto (3). En los días actuales el tipo de pavimento es escogido, en general, por el proyectista del puente en función de sus características y de los factores condicionantes anteriormente presentados. 4. DEFECTOS OBSERVADOS EN PAVIMENTOS SOBRE OBRAS DE ARTE ESPECIALES Los defectos posibles de ser observados en los pavimentos bituminosos sobre obras de arte especiales son los siguientes: a. Burbuja – es un fenómeno que surge con mayor frecuencia si el tablero es de concreto y si la pintura impermeabilizante o ligante es aplicada mientras el tratamiento del tablero
en él está aún incompleto y por lo tanto, aún conserva alguna humedad. Este defecto se asocia al aparecimiento de fisuras y trincas en forma circular. b. Desliz – puede ocurrir cuando el espesor del pavimento es reducido y su adherencia en él fue indebidamente hecha. Este defecto puede ocurrir, también, cuando el tablero presenta fuertes inclinaciones longitudinal y/o transversal. c. Degradaciones de origen térmico – los diferentes coeficientes de dilatación de los materiales de contacto pueden producir problemas de compatibilidad de deformaciones que se traducen en la separación del pavimento en relación al tablero, la apertura de las juntas de construcción y/o aparición de fisuras del pavimento. d. Fatiga – la repetición de las cargas viarias provoca fatiga por deflexión en el pavimento y el consecuente surgimiento de fisuras. En el caso específico de los pavimentos sobre obras de arte especiales este fenómeno es acelerado debido a las deformaciones y vibraciones del puente. f. Deformaciones permanentes – este tipo de defecto es muy común en pavimentos sobre obras de arte especiales y son producidos en pavimentos bituminosos espesos, presentando aspecto muy semejante al de los pavimentos normales, pero, en el caso de los puentes, las deformaciones son agravadas por el efecto martillo del tablero sobre el pavimento. g. Exudaciones – son más frecuentes en pavimentos sobre tableros que han recibido tratamiento impermeabilizante con material bituminoso poco estable permitiendo que el mástique de impermeabilización suba hasta la superficie, dejándola mucho lisa y poco segura para los vehículos. h. Infiltraciones – debido a la porosidad de los pavimentos especiales o por defecto del pavimento, el agua puede penetrar y quedar retenida sobre la película de tratamiento de impermeabilización, en el caso de que exista dispositivo de drenaje específico. En este caso, la retención del agua favorece la desintegración del pavimento. Algunos de los defectos descritos fueran encontrados en la investigación desarrollada por los autores en la búsqueda del registro fotográfico que pudiera ilustrar los mencionados defectos. En las fotos siguientes serán indicados algunos de los defectos registrados.
Foto 1. Pavimento flexible con trincas, próximo del tablero
Foto 2. Junta de apoyo del tablero de una puente con abertura excesiva y drenaje deficiente
Foto 3. Deformación de pavimento asfáltico de una puente, por fluencia
5. EVALUACIÓN DE TENSIONES Y DEFORMACIONES El pavimento sobre puentes y viaductos puede sufrir deformaciones permanentes acentuadas en función de la carga y de las características del tablero. En este trabajo fueron determinadas tensiones y deformaciones producidas en diferentes tipos de pavimentos flexibles yuxtapuestos sobre un tablero de puente. Las tensiones y deformaciones fueron originadas por una carga patrón, permitiendo la comparación con casos reales. En el modelo establecido, la carga patrón que presenta dos ruedas en un semieje con carga de proyecto de 8.2 tf y 2.05 tf por rueda, está aplicada sobre el sistema pavimento-tablero del puente. El tablero fue considerado como un suporte rígido para estudio de diferentes tipos y espesores del pavimento. El modelo matemático de las características físicas, tanto del revestimiento como del tablero, tomadas como sistema único, fuera estudiado utilizándose el software ELSYM5, el cual es considerado suficiente para esta aproximación preliminar. El pavimento propuesto en este abordaje se compone de una capa única del tipo revestimiento, compuesto por tres diferentes tipos de servicios y espesores diversos, tal como aparecen en el Cuadro 1. Como ya habíamos comentado, el tablero del puente fue considerado rígido con módulo resilente para cálculo, de 500.000 kgf/cm2. En la Figura 1 están representados los elementos del modelo para pavimento-tablero, en corte vertical. En la Figura 2 se muestra una perspectiva del sistema estudiado con la carga del semi-eje patrón. Cuadro 1 Características del Sistema Pavimento-Tablero Para Estudio de Puentes Tipo de servicio: Concreto Bituminoso Stone Mastic Asphalt Micro Concreto espesores (cm): 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 y10 4, 5 y 6 1, 1.5 Módulo resilente
(kgf/cm2) 35.000 45.000 25.000
Coeficiente de Poisson
0.35 0.40 0.25
REVESTIMIENTO
TABLERO
x cmν ν
E (kgf/cm2)
E=500.000kgf/cm2: el valor adoptadorepresenta el tablero como rígido
=0,25Z
(revest.)
Figura 1 Sistema Pavimento-Tablero (vista en corte vertical) El sistema presentado fue estudiado a través del sofware ELSYM5, obteniendo los valores de deformaciones y tensiones presentados en lo Cuadro 2, para puntos en la
profundidad de 0,5 cm y en lo Cuadro 3, para puntos en la profundidad 0,5 cm encima del tablero.
X
Y
Z
2050kgf
2050kgfRuedassometiendo elpavimento:
mitad de uno eje de 8,2 tf
Carga 1(0,0;0,0;0) (x;y;z )
Carga 2(0,0;28,8cm;0,0))
P3(0;14,4;Z1); P4(0;14,4;Z2)
bloc correspondiente al pavimento (capa)
bloc correspondiente al tablero del puente
Z1= 0,5 cmZ2= (espesor del revestimento)-0,5 cm
P1(0;0;Z1); P2(0;0;Z2)
(espesores em cm)
Figura 2 Perspectiva del Sistema Estudiado: Pavimento, Tablero y Carga Los puntos estudiados en el Cuadro 2 presentan una profundidad idéntica de 0,5 cm bajo de la superficie de rodadura, siendo el punto P1 ubicado verticalmente debajo del centro físico de una rueda y el punto P3, ubicado verticalmente también debajo a 0,5 cm , en el punto medio de la distancia entre las dos ruedas. Las deformaciones presentadas en el Cuadro 2 son verticales y las tensiones presentadas son las máximas verticales, cuya notación esta asociada a “z”. Las tensiones horizontales están asociadas a “x” correspondiente a una dirección sobre el plano horizontal y “y” ” corresponde a la dirección perpendicular a “x” pero sobre el mismo plano. Los valores presentados de tensión son los máximos valores generados por las ruedas en lo plano horizontal. La carga es de 8,2 tf, típico de lo eje patrón. En lo Cuadro 2 aparecen representadas también las medias y el desvío patrón de los valores de las tensiones. En el Cuadro 3 son presentadas las tensiones y deformaciones para los diferentes tipos de servicios y espesores, para un punto ubicado a 0,5 cm arriba de la faceta en medio de pavimento y del tablero, cuya denominación es P2, y para otro punto, el punto P4, que se encuentra a la misma profundidad pero sobre la vertical del punto medio de separación de las dos ruedas. Los valores reportados de las deformaciones, tensiones y cargas condicionados a los puntos P2 y P4 del Cuadro 3 son equivalentes a los valores del Cuadro 2. En lo Cuadro 3 están también las medias y el desvió patrón de los valores de las tensiones. En el Cuadro 4 son presentadas las tensiones y deformaciones para los diferentes tipos de servicios y espesores, de forma idéntica al Cuadro 2 pero con una carga de 10 tf cuya geometría es idéntica al eje patrón. Los puntos estudiados son P1 y P3. En el Cuadro 4 son mostradas las medias y los desvíos patrón de los valores de las tensiones.
Cuadro 2 Tensiones y Deformaciones en el Sistema Pavimento-Tablero – Profundidad: 0,5 cm – Carga: 8,2 tf (eje patrón)
Tipo de servicio: Concreto Bituminoso STONE MASTIC ASPHALT(Stone Matrix Asphalt)
Micro Concreto
Punto de estudio: Punto P1: Punto P3: Punto P1: Punto P3: Punto P1: Punto P3: Coordenadas
(x;y;z): (0;0;-0,5) (0;14,4;-0,5): (0;0;-0,5) (0;14,4;-0,5): (0;0;-0,5) (0;14,4;-0,5):
E = 1 cm σx/y =2,00 σz = 5,62 ∆z = 36
σx/y = 0,09 σz = 0,03 ∆z = 19
E = 1,5 cm σx/y =2,01 σz = 5,62 ∆z = 45
σx/y = 0,10 σz = 0,03 ∆z = 18
e = 3 cm σx/y = 3,04 σz = 5,61 ∆z = 50
σx/y = 0,53 σz = 0,01 ∆z = 18
e = 4 cm σx/y = 2,84 σz = 5,61 ∆z = 60
σx/y = 0,47 σz = 0,01 ∆z = 16
σx/y = 3,38 σz = 5,61 ∆z = 46
σx/y = 0,88 σz = 0,01 ∆z = 14
e = 5 cm σx/y = 2,67 σz = 5,62 ∆z = 71
σx/y = 0,31 σz = 0,02 ∆z = 15
σx/y = 3,12 σz = 5,61 ∆z = 53
σx/y = 0,73 σz = 0,02 ∆z = 13
e = 6 cm σx/y =2,59 σz = 5,62 ∆z = 83
σx/y = 0,13 σz = 0,02 ∆z = 16
σx/y = 2,98 σz = 5,62 ∆z = 61
σx/y = 0,54 σz = 0,02 ∆z = 13
e = 7 cm σx/y = 2,61 σz = 5,62 ∆z = 95
σx/y = 0,20 σz = 0,02 ∆z = 18
e = 8 cm σx/y = 2,69 σz = 5,62 ∆z = 11
σx/y = 0,26 σz = 0,03 ∆z = 21
e = 9 cm σx/y = 2,80 σz = 5,62 ∆z = 12
σx/y = 0,40 σz = 0,03 ∆z = 24
e = 10 cm σx/y = 2,92 σz = 5,62 ∆z = 13
σx/y = 0,53 σz = 0,03 ∆z = 28
σx/y: media:
desvio patrón:
2,77 0,16
0,35 0,15
3,16 0,20
0,72 0,17
2,00 0,00
0,10 0,00
σz: média:
desvio patrón:
5,62 0,00
0,02 0,00
5,61 0,00
0,02 0,00
5,62 0,00
0,03 0,00
Convención: σz: tensión vertical (kgf/cm2); σx/y: máxima tensión horizontal ocurrida en el plano horizontal (kgf/cm2); ∆z: máxima deformación vertical (10-2 mm); e: espesor del pavimento (cm) En el Cuadro 5 son presentadas las tensiones y deformaciones para los diferentes tipos de servicios y espesores, para un punto, P2, ubicado a 0,5 cm encima de la faceta entre pavimento y tablero, en la dirección de la línea vertical bajo el centro físico de una rueda.
El otro punto, P4, ubicase bajo un punto alineado verticalmente con el punto medio de separación de las dos ruedas. En el Cuadro 5 las deformaciones y tensiones son correspondientes a la presentación de lo Cuadro 2 y la carga tiene la misma configuración del eje patrón pero la carga es de 10 tf. En lo Cuadro 5 están representados también las medias y el desvío patrón de los valores de las tensiones. Cuadro 3 Tensiones y Deformaciones en el Sistema Pavimento-Tablero – a 0,5 cm del tablero – Carga: 8,2 tf (eje patrón) Tipo de servicio: Concreto Bituminoso STONE MASTIC ASPHALT
(Stone matrix asphalt) Micro Concreto
Punto de estudio: Punto P2: Punto P4: Punto P2: Punto P4: Punto P2: Punto P4: Coordenadas (x;y;z):
(0;0;e-0,5) (0;14,4;e-0,5):
(0;0;e-0,5) (0;14,4;e-0,5): (0;0;e-0,5) (0;14,4;e-0,5):
e = 1 cm σx/y = 2,00 σz = 5,62 ∆z = 36
σx/y = 0,09 σz = 0,03 ∆z = 19
e = 1,5 cm σx/y =2,01 σz = 5,62 ∆z = 45
σx/y = 0,10 σz = 0,03 ∆z = 18
e = 3 cm σx/y = 3,04 σz = 5,53 ∆z = 30
σx/y = 0,53 σz = 0,09 ∆z = 19
e = 4 cm σx/y = 2,95 σz = 5,46 ∆z = 97
σx/y = 0,77 σz = 0,31 ∆z = 23
σx/y = 3,57 σz = 5,41 ∆z = 27
σx/y = 0,97 σz = 0,32 ∆z = 18
e = 5 cm σx/y = 2,88 σz = 5,44 ∆z = 29
σx/y = 0,95 σz = 0,63 ∆z = 19
σx/y = 3,47 σz = 5,37 ∆z = 26
σx/y = 1,16 σz = 0,62 ∆z = 19
e = 6 cm σx/y = 2,80 σz = 5,43 ∆z = 99
σx/y = 1,07 σz = 0,94 ∆z = 10
σx/y = 3,37 σz = 5,35 ∆z = 26
σx/y = 1,29 σz = 0,92 ∆z = 19
e = 7 cm σx/y = 2,71 σz = 5,38 ∆z = 28
σx/y = 1,16 σz = 1,22 ∆z = 20
e = 8 cm σx/y = 2,59 σz = 5,26 ∆z = 27
σx/y = 1,22 σz = 1,46 ∆z = 20
e = 9 cm σx/y = 2,46 σz = 5,09 ∆z = 26
σx/y = 1,26 σz = 1,66 ∆z = 20
e = 10 cm σx/y = 2,32 σz = 4,87 ∆z = 25
σx/y = 1,29 σz = 1,82 ∆z = 20
σx/y: media: desvio patrón:
2,72 0,25
1,03 0,27
3,47 0,10
1,14 0,16
2,01 0,00
0,10 0,01
σz: média: desvio patrón:
5,31 0,22
1,02 0,63
5,38 0,03
0,62 0,30
5,62 0,00
0,03 0,00
Convención: σz: tensión vertical (kgf/cm2); σx/y: máxima tensión horizontal ocurrida en el plano horizontal (kgf/cm2); ∆z: máxima deformación vertical (10-2 mm); e: espesor del pavimento (cm) En la Figura 3 aparece un gráfico de las deformaciones verticales y espesores, relativo al punto P1, ubicado a medio centímetro bajo de una rueda del eje patrón, cuyos valores están presentados en el Cuadro 2. Las deformaciones son correspondientes a los
espesores estudiados del servicio tipo CONCRETO BITUMINOSO, STONE MASTIC ASPHALT y MICRO CONCRETO, presentados en el Cuadro 2. Cuadro 4 Tensiones y Deformaciones en el Sistema Pavimento-Tablero – Profundidad: 0,5 cm de profundidad – Cargamiento: 10 tf (configuración de lo eje patrón) Tipo de servicio: Concreto Bituminoso STONE MASTIC ASPHALT
(Stone matrix asphalt) Micro Concreto
Punto de estudio: Punto P1: Punto P3: Punto P1: Punto P3: Punto P1: Punto P3: Coordenadas
(x;y;z): (0;0;-0,5) (0;14,4;-0,5): (0;0;-0,5) (0;14,4;-0,5): (0;0;-0,5) (0;14,4;-0,5):
e = 1 cm σx/y = 2,00 σz =5,58 ∆z = 39
σx/y = 0,12 σz = 0,08 ∆z = 23
e = 1,5 cm σx/y = σz = ∆z =
σx/y = σz = ∆z =
e = 3 cm σx/y = 3,04 σz = 5,61 ∆z = 50
σx/y = 0,53 σz = 0,01 ∆z = 17
e = 4 cm σx/y = 2,91 σz = 5,58 ∆z = 63
σx/y = 0,48 σz = 0,06 ∆z = 21
σx/y = 3,49 σz = 5,58 ∆z = 48
σx/y = 0,99 σz = 0,06 ∆z = 19
e = 5 cm σx/y = 2,74 σz = 558 ∆z = 73
σx/y = 0,28 σz = 0,07 ∆z = 23
σx/y = 3,25 σz = 5,58 ∆z = 55
σx/y = 0,80 σz = 0,07 ∆z = 19
e = 6 cm σx/y = 2,65 σz = 5,59 ∆z = 84
σx/y = 0,13 σz = 0,08 ∆z = 25
σx/y = 3,08 σz = 5,58 ∆z = 62
σx/y = 0,60 σz = 0,08 ∆z = 20
e = 7 cm σx/y = 2,62 σz = 5,59 ∆z = 96
σx/y = 0,08 σz = 0,08 ∆z = 29
e = 8 cm σx/y = 2,66 σz = 5,59 ∆z = 11
σx/y = σz = ∆z =
e = 9 cm σx/y = 2,74 σz = 5,59 ∆z = 12
σx/y = 0,38 σz = 0,09 ∆z = 39
e = 10 cm σx/y = 2,84 σz = 5,59 ∆z = 13
σx/y = 0,50 σz = 0,09 ∆z = 44
σx/y: media: desvio patrón:
2,78 0,15
0,33 0,17
3,27 0,21
0,80 0,20
2,00 0,01
0,13 0,01
σz: média: desvio patrón:
5,59 0,01
0,07 0,03
5,58 0,00
0,07 0,01
5,58 0,00
0,07 0,02
Convención: σz: tensión vertical (kgf/cm2); σx/y:máxima tensión horizontal ocurrida en el plano horizontal (kgf/cm2); ∆z: máxima deformación vertical (10-2 mm); e: espesor do pavimento (cm)
En la Figura 4 son representadas gráficamente las deformaciones verticales y espesores, a medio centímetro bajo de una rueda del eje cargando 10 tf con configuración del eje patrón. Las deformaciones son correspondientes a los espesores estudiados del servicio tipo CONCRETO BITUMINOSO, STONE MASTIC ASPHALT y MICRO CONCRETO, presentados en el Cuadro 4. Cuadro 5 Tensiones y Deformaciones en el Sistema Pavimento-Tablero – a 0,5 cm del tablero – Carga: 10 tf (configuración de lo eje patrón)
Tipo de servicio: Concreto Bituminoso STONE MASTIC ASPHALT(Stone matrix asphalt)
Micro Concreto
Punto de estudio: Punto P2: Punto P4: Punto P2: Punto P4: Punto P2: Punto P4: Coordenadas (x;y;z):
(0;0;e-0,5) (0;14,4;e-0,5):
(0;0;e-0,5) (0;14,4;e-0,5): (0;0;e-0,5) (0;14,4;e-0,5):
e = 1 cm σx/y = 2,00 σz = 5,58 ∆z = 39
σx/y = 0,12 σz = 0,08 ∆z = 23
e = 1,5 cm σx/y = σz = ∆z =
σx/y = σz = ∆z =
e = 3 cm σx/y = 3,04 σz = 5,53 ∆z = 30
σx/y = 0,53 σz = 0,09 ∆z = 19
e = 4 cm σx/y = 2,99 σz = 5,48 ∆z = 33
σx/y = 1,33 σz = 0,92 ∆z = 24
σx/y = 3,63 σz = 5,44 ∆z = 30
σx/y = 0,90 σz = 1,62 ∆z = 23
e = 5 cm σx/y = 2,92 σz = 5,45 ∆z = 32
σx/y = 1,47 σz = 1,40 ∆z = 24
σx/y = 3,53 σz = 5,38 ∆z = 30
σx/y = 1,77 σz = 1,38 ∆z = 24
e = 6 cm σx/y = 2,86 σz = 5,44 ∆z = 32
σx/y = 1,55 σz = 1,78 ∆z = 25
σx/y = 3,44 σz = 5,36 ∆z = 29
σx/y = 1,86 σz = 1,75 ∆z = 23
e = 7 cm σx/y = 2,79 σz = 5,42 ∆z = 31
σx/y = 1,60 σz = 2,06 ∆z = 25
e = 8 cm σx/y = 2,70 σz = 5,35 ∆z = 31
σx/y = σz = ∆z =
e = 9 cm σx/y = 2,60 σz = 5,23 ∆z = 30
σx/y = 1,61 σz = 2,44 ∆z = 25
e = 10 cm σx/y = 2,48 σz = 5,07 ∆z = 29
σx/y = 1,65 σz = 2,56 ∆z = 25
σx/y: media: desvío patrón:
2,80 0,19
1,43 0,38
3,53 0,10
1,51 0,52
2,00 0,01
0,13 0,01
σz: media: desvío patrón:
5,37 0,15
1,69 0,85
5,39 0,04
1,58 0,19
5,59 0,01
0,05 0,04
Convención: σz: tensión vertical (kgf/cm2); σx/y: máxima tensión horizontal ocurrida en el plano horizontal (kgf/cm2); ∆z: máxima deformación vertical (10-2 mm); e: espesor del pavimento (cm) El análisis de comparación entre los Cuadros 1 y 2 permite observar, para el espesor de 3 cm en CONCRETO BITUMINOSO, relación de las tensiones entre los valores calculados en P1 y P2 igual a la unidad, cuando dividiéndose 3.04 por 3.04, mientras que, en el
espesor de 10 cm de lo mismo material, la relación resulta en un valor de 0.79, al dividir 2.32/2.92. En este último caso tenemos una disipación de la carga actuante del orden de 21 por ciento. Los cálculos efectuados permitieron constatar resultados previsibles, como, por ejemplo, la disminución brusca de los valores de deformación referentes al esfuerzo en el punto bajo una rueda, presentados en las Figuras 3 y 4 debido a la solicitación típica de solo una rueda. A partir de cierto nivel de profundidad, ocurre nuevamente el incremento de la deformación debido a la acción de las dos ruedas de manera conjunta.
0
20
40
60
80
100
1 1,5 3 4 5 6 7 8 9 10
espessores (cm)
defle
xion
es (1
0-2
mm
)
Concreto Bituminoso
Stone Mastic AsphaltMicro Concreto
Figura 4 Deformaciones Verticales Medidas a 0,5 cm Bajo de Una Rueda – revestimiento: MESCLA BITUMINOSA EN CALIENTE – Carga: 8,2 tf (eje patrón) Las capas de mayor resistencia, en el caso considerado de STONE MASTIC ASPHALT, presentan mayor capacidad de absorber tensiones, comparándolas a los mismos espesores dentro de cada caso de carga. En los Cuadros 3 y 4 como resultado de utilizar la carga permitida legalmente en Brasil, fue observado un aumento en todas las tensiones proporcionales a la nueva carga considerada.
Figura 5 Deformaciones Verticales Medidas a 0,5 cm Bajo de Una Rueda – revestimiento: MESCLA BITUMINOSA EN CALIENTE – Carga: 10 tf (configuración: eje patrón) En los dos estudios de carga realizados fue posible observar la disminución entre las diferencias numéricas en cada caso entre las tensiones verticales. Este hecho es comprobado a partir del reducido valor de lo desvío patrón.
020406080
100120
1 1,5 3 4 5 6 7 8 9 10
espessores (cm)
defle
xion
es (1
0-2
mm
)
Concreto Bituminoso
Stone Mastic AsphaltMicro Concreto
Las determinaciones de las tensiones verticales indican dispersión entre los valores encontrados de reducida a nula para las 3 situaciones de mezclas bituminosas consideradas. No obstante, este aspecto no debe ser un criterio de selección del material para el servicio. Por otro lado, las tensiones horizontales presentan mayor dispersión para los respectivos valores calculados entre los valores de los módulos resilentes considerados en este estudio preliminar. Los gráficos de las Figuras 3 y 4 muestran los valores de deformación en crecimiento continuo hasta el espesor de 7 cm, para los dos casos estudiados de carga. A partir de este espesor, puede observarse una brusca reducción en el valor de la deformación elástica recuperable. Apenas en función de estos resultados, es posible afirmar que el espesor de 8 cm es el más interesante en medio de los estudiados. 6. CONCLUSIÓN Los pavimentos sobre puentes y viaductos presentan comportamiento específico y diferente de su condición regular, debido a su estructura de suporte, que en este caso, es relativo a los puentes y a los viaductos. Este pavimento es una capa de reducida o ninguna deformación con relación al caso convencional de pavimentos ubicados sobre macizos deformables. En Brasil, se emplean, en general, las mimas tecnologías de materiales y técnicas constructivas de los pavimentos flexibles y bituminosos comunes alrededor del mundo. Los defectos observados demuestran que los pavimentos sobre obras de arte especiales presentan menor vida útil que los otros construidos en sistema de capas sobre suelos. Esta diferencia ocurre porque se espera de un pavimento sobre obra de arte especial el mismo comportamiento de un pavimento normal. Sin embargo, el pavimento sobre tablero de puentes o de viaductos está sujeto a solicitaciones específicas, principalmente en razón de la diferencia de la estructura de soporte. El pavimento común se deposita sobre macizo terroso deformable, mientras que el pavimento sobre puentes y viaductos se sitúa sobre una estructura prácticamente rígida debido a su reducida capacidad de deformación. En esto caso, el pavimento sobre tablero de puentes y viaductos actúa como elemento intermediario entre el tráfico y esta gran estructura rígida, sufriendo tensiones y deformaciones distintas a las del pavimento clásico. El pavimento sobre puentes y viaductos, actuando en la interfase tráfico y tablero, sufre los efectos deletéreos del tráfico y soporta la reacción del puente a estos efectos. Un proyecto de un pavimento patrón aplicado sobre puentes o viaductos debe contemplar su utilización específica, visto que hay una gran variedad de arreglos estructurales para los proyectos de los puentes que son empleados en los tableros para una gran amplitud de materiales. Estas reglas deberían actuar no de forma aislada del pavimento, sino de forma conjunta, permitiendo la debida relación estructural del tablero con el pavimento, intuyéndose un perfecto ajustamiento de trabajo de las dos estructuras. La tecnología de materiales ha desarrollado productos que presentan desempeño satisfactorio al ser aplicados sobre puentes. Materiales como mástiques bituminosos con adición de polímeros, fueron aplicados sobre tableros metálicos y han demostrado un desempeño adecuado en Brasil.
Al contrario del procedimiento poco cuidadoso que ha sido dado actualmente en la concepción del pavimento sobre las obras de arte especiales, se debe desarrollar un análisis criterioso de las soluciones, permitiendo que el pavimento aumente considerable de su vida útil. Este abordaje debe partir de soluciones consagradas, pero los materiales escogidos y los procedimientos constructivos deben ser adecuados al arreglo y al comportamiento de la estructura de un puente o viaducto. La correcta combinación entre materiales y la perfecta comprensión de las solicitaciones que el pavimento deberá soportar resultarán, con certeza, en pavimentos con larga vida útil. Sin duda, para que este hecho ocurra, es necesario que exista una perfecta combinación entre el proyectista del puentes y el proyectista del pavimento. Sobre todo, que el primero no acepte siempre la típica solución disponible. Es necesario que se desarrollen investigaciones que puedan esclarecer mejor el comportamiento de un pavimento sobre un puente o viaducto, de forma que su desempeño pueda ser mejorado, principalmente cuando se emplean soluciones convencionales como mezclas bituminosas usuales, muy utilizadas en obras urbanas. Los estudios de tensiones y de deformaciones desarrollados en este trabajo deben ser comprobados a través del empleo de otras herramientas computacionales, de tal manera que las conclusiones previas establecidas en este trabajo sean garantizadas. 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) Asphalt Institute. The Asphalt Handbook Manual. Series n.4 (MS-4). 1989 Edition. Lexington. 1989. (2)Croney, D. & Croney, P. The Design and Performance of Road Pavements. 2nd Edition. McGraw-Hill. London. 1992 (3)Ferrari, M. C.; Mattos, A. S.; Amaral Neto, E.. Processos Construtivos de Pavimentos de Concreto. Primeiro Seminário DERSA. São Paulo. 1977 (4) Pitta, M. R.. Os Pavimentos Rígidos da Rodovia dos Imigrantes - Justificativa, Conceição e Pratica de Projeto de Dimensionamento. Primeiro Seminário DERSA. São Paulo. 1977 AGRADECIMIENTOS Los autores muestran gran gratitud a D. Flávio Vieira de Souza, Profesor del Centro Universitario de la Fundación Educacional Inaciada y al Dr. Joel Mesa Hormaza, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo por su dedicada atención ante la revisión de este texto.