CONSIDERACIONES GENERALES Y RECOMENDACIONES SOBRE EL DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS INTERTRABADOS Por: Ing. Timoteo Gordillo (*) I.- Definición de pavimento Un pavimento es la superficie de rodamiento para los distintos tipos de vehículos, formada por el agrupamiento de capas de distintos materiales destinados a distribuir y transmitir las cargas aplicadas por el tránsito, a la fundación ó subrasante. II.- Paquete estructural típico de un pavimento En general un pavimento está compuesto por las siguientes capas: 1. Capa de rodadura: Recibe directamente las cargas de tránsito. Resiste esfuerzos rasantes o de corte (horizontales) y proporciona una superficie de rodamiento cómoda y segura. 2. Base: Resiste y distribuye esfuerzos normales (verticales) 3. Subbase: Complementaria de la base (por economía) o correctiva de subrasante (como capa de transición) 4. Subrasante: Capa de fundación de la estructura del pavimento. Resiste esfuerzos normales (verticales) sin grandes deformaciones Esquema comparativo de los diferentes tipos de pavimentos. III.- Parámetros para el diseño estructural de un pavimento en general 1. Propiedades de suelos, materiales y mezclas : Definen el comportamiento y espesores de las capas. Determinación de sus características según los principios y criterios de la Mecánica de Suelos (CBR, MR, etc). 2. Condiciones ambientales y drenajes 2.1.Lluvia: incidencia sobre subrasantes; bases y subbases 2.2.Nivel Freático: afectación de la subrasante 1
2.3.Temperatura: incidencia sobre la capa de rodadura 2.4.Heladas: afectación de la subrasante y la base 3. Tránsito 3.1.Magnitud de cargas 3.2.Presión de inflado de neumáticos 3.3.Área de contacto de los neumáticos (impronta) 3.4.Frecuencia y número de repeticiones de las cargas 3.5.Velocidades de aplicación de cargas IV - Clasificación general de los Métodos de Diseño Estructural de pavimentos a) Empíricos: Basados en parámetros que correlacionan propidades físicas de los materiales : Valor Soporte de California (CBR) : Representa la resistencia al corte de un suelo bajo condiciones de humedad y densidad controlada, mediante la determinación de la resistencia a la penetración por punzonado de un vástago, en una muestra de material compactado en un molde rígido. También se mide la expansión del suelo. Coeficiente de Balasto: Este módulo, se obtiene mediante un simple ensayo de carga sobre el terreno, que se realiza utilizando una placa metálica rígida de sección cuadrada de 30,5 cm de lado ó de sección circular con un diámetro de 30,5 cm, que se monta como se muestra en el esquema de la Fig. N 1. b) Mecanísticos: Basados en el análisis del comportamiento mecánico de los materiales. 2
Este método considera las siguientes hipótesis de cálculo : Comportamiento no lineal de los suelos y materiales granulares Es posible definir "módulos elásticos": Módulo elástico tangencial y Módulo elástico secante. Variables de diseño definidas en función del nivel de tensiones y deformaciones. Para niveles de deformación muy bajos, el módulo tangencial es muy similar al módulo secante. Cuanto menor es el nivel de deformación, mayor es el valor modular (rigidez) V.- Pavimentos intertrabados de adoquines de hormigón (PIAH) Esquema de un PIAH/Corte del Paquete V.1. Mecanismo de funcionamiento de la capa de rodadura de adoquines En la capa de rodadura, los adoquines no trabajan de manera independiente sino solidariamente unos con otros. Este trabajo conjunto de las unidades depende del entrelazamiento vertical, horizontal y rotación horizontal que se genera entre ellas en relación al patrón de colocación (aparejo o forma como están dispuestos los adoquines en el plano del pavimento), a su estabilidad dimensional y pequeñas tolerancias y la presencia de una junta estrecha llena de material granular fino (arena fina). Todo esto conduce a que cuando un adoquín es sometido a una carga, parte de ésta se trasmite a través de la junta, a las unidades vecinas, y parte a la capa de arena subyacente, para lo cual es fundamental tener un espesor adecuado (mayor de 60 mm), el cual, al rotar las piezas, les permite generar una palanca suficiente entre ellos, evitando el arrastrarse de unos a otros, impidiéndoles girar y salirse de su nicho. En las primeras investigaciones desarrolladas por la Cement & Concret Association del Reino Unido (Allan Liley y John Knapton), a comienzos de la década de 1970, se determinó que la rigidez de la capa de rodadura de adoquines de 80 mm de espesor conjuntamente con la capa de arena de 40 mm de espesor, debidamente sellada y compactada, era equivalente a la de una capa de 160 mm de concreto asfaltico. Esta relación inicial de 1.3 aproximadamente, se ha discutido y verificado ampliamente en diversas investigaciones, ha llevado por razones de seguridad a que los calculistas, asuman un factor de 1 a 1.2 para dicha equivalencia. 3
O sea, que una capa de adoquines de 80 mm asentados sobre 40 mm de arena puede considerarse equivalente a entre 120 mm y 144 mm de concreto asfáltico. Por la similitud del comportamiento de un PIAH frente a las deformaciones y deflexiones, al pavimento de adoquines de hormigón se lo considera como a un pavimento flexible. Su capa de rodadura (CR) compuesta por los adoquines, más la cama de arena de asiento, tiene una característica estructural única y uniforme, por lo que no se lo debe denominar articulado, ya que ésta última implica discontinuidad entre sus elementos y un comportamiento diferencial entre las piezas. La rigidez de la CR no es fija sino que evoluciona y se incrementa con el tiempo (ciclo de dilatación y contracción de las unidades y del sistema completo) y con el paso de los vehículos (hasta 10.000 ejes estándar aproximadamente), alcanza su valor máximo o llega al estado de entrabamiento total. VI.- Métodos de Diseño y Cálculo de PIAH A continuación se indica un resumen de los métodos disponibles para el cálculo de un pavimento intertrabado, que pueden ser divididos en cuatro categorías: 1. Método del espesor equivalente 2. Diseño por tablas ó catálogos 3. Métodos basados en resultados de investigaciones y ensayos 4. Métodos mecanísticos 1. Método del espesor equivalente En este caso se asume que el pavimento puede ser calculado con los mismos métodos establecidos para los pavimentos flexibles (asfálticos) y que el conjunto conformado por los adoquines y su capa de arena de asiento, sustituyen una parte equivalente del paquete estructural obtenido. Entonces, no habiendo impedimento, el diseño se transforma en un problema simple, utilizando el mismo método recomendado para los flexibles. Sin embargo, no es estrictamente correcto que un pavimento intertrabado se deforma igual y responde de la misma manera a las deflexiones que un pavimento asfáltico, por lo que este concepto es criticado por los especialistas, dado que no tiene en cuenta ni explota la capacidad de un intertrabado en desarrollar en forma progresiva una mayor rigidez y trabazón entre las piezas, tolerando además importantes deflexiones transitorias y distribuyendo mejor la carga, reduciendo por lo tanto las tensiones por debajo de la cama de asiento. 2. Diseño por tablas ó catálogos Aquí los adoquines y el espesor de la base son seleccionados en base a la experiencia en la construcción de una vía sobre una subrasante similar al la del proyecto en consideración. Dado que hay una vasta experiencia en Europa, esta simple aproximación puede conducir a resultados satisfactorios. Este método es conveniente de ser aplicado solo en calles y no para pavimentos sometidos a cargas elevadas (depósitos industriales, plataformas en aeropuertos, playa de contenedores en puertos, etc.). Existen en el mundo varios catálogos pero en todos los casos, la vía es clasificada en términos del volumen del tránsito (como acumulación de los ejes equivalentes ESAL s), tipo de tráfico (residencial o industrial) y condiciones climáticas. Una vez obtenida la clasificación de la calle, se utiliza la tabla o catálogo para determinar el diseño del pavimento. Esta metodología de diseño es poco flexible (solo se tiene en cuenta un CBR entre 10 y 15 para caracterizar la resistencia de la subrasante) y conducirá a un diseño no optimizado. 4
3. Métodos basados en resultados de investigaciones y ensayos En este caso se trata de realizar ensayos sobre un prototipo de pavimento intertrabado, con el objetivo de obtener rangos de equivalencia o sustitución de materiales, pudiéndose mencionar como el más preciso y actualizado el desarrollado por el profesor Brian Shackel en la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia. Este método fue publicado inicialmente en 1978 y se refiere a pavimentos de adoquines sometidos a cargas de autopistas o vías primarias, incorporando bases granulares no mejoradas. Este demostró que es posible utilizar información (data) recopilada durante ensayos de tránsito mayorado o acelerado en el tiempo, en prototipos a escala natural para desarrollar un modelo estático para una resistencia dada de la subrasante, espesores de los adoquines y de la base para un determinado comportamiento, tal como la aparición de ahuellamientos. Estos modelos han sido extendidos para cubrir un rango completo de las condiciones de la subrasante utilizando un análisis mecanístico. Este método ha sido exitosamente utilizado para una variedad de climas desde finales de los 70 s, pero han sido reemplazados por procedimientos mecanísticos. 4. Métodos mecanísticos El primer método mecanístico consideraba al pavimento como un material homogéneo, isotrópico y flexible que se apoyaba sobre una subrasante flexilbe y cuya resistencia era definida en términos de su CBR. El segundo método mecanístico fue publicado en Gran Bretaña en 1979. Este se basaba en un análisis elástico sobre tres capas del pavimento y asumía que se podía aplicar el mismo criterio de relacionar la tensión en la subrasante de un intertrabado con la de un pavimento asfáltico para una misma vida útil. Por lo general este análisis es afectado por ya sea, por el cálculo de las tensiones de tracción en la subbase mejorada y determinado su vida útil por fatiga, o calculando las tensiones verticales de compresión actuando sobre una subbase granular y utilizando a éstas para predecir el ahuellamiento que se desarrollará bajo la acción del tráfico. Inicialmente, las aplicaciones más efectivas de los métodos mecanísticos fueron para calcular pavimentos intertrabados diseñados con subbases mejoradas de suelo cemento, incluyendo inclusive al hormigón pobre, pero posteriormente se incluyeron las subbases granulares no tratadas con cemento. Este método es actualmente aplicado mediante el uso de programas de computación específicos, tales como los propuestos por el SEPT (Small Element Pavement Technologists). Nota importante: Un pavimento Intertrabado sometido a cargas de tránsito, debe ser diseñado por un profesional idóneo con alcance de título, aplicando algunos de los métodos recomendados más arriba. (*) Director Técnico de la AABH 5