Guia Rehabilitacion Invias 2008

PRÓLOGO DE LA SEGUNDA EDICIÓN Mediante Resolución 2658 del 27 de junio de 2002, el Instituto Nacional de Vías adoptó la “Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras”. Los cinco años largos que han transcurrido desde entonces, han aconsejado su actualización, para adaptarla a las experiencias que se han obtenido con su empleo, al estado actual de la red vial nacional, a las condiciones prevalecientes del tránsito que circula por ella, al avance en los sistemas constructivos, a la evolución tecnológica en el campo de los materiales de construcción, a la necesidad de enfatizar el empleo de aquellos modernos sistemas no destructivos de evaluación de pavimentos que han demostrado su utilidad, y al hecho de que el INVÍAS ha asumido recientemente la administración de la red vial terciaria del país, la cual incluye algunos tramos pavimentados. Asimismo, la necesidad insoslayable de proteger el medio ambiente obliga a privilegiar el estudio y la aplicación de las técnicas de rehabilitación de pavimentos que resulten menos agresivas para el entorno y que, a la vez, produzcan las menores repercusiones desfavorables sobre la circulación vehicular durante la ejecución de los trabajos de rehabilitación, en particular en lo referente a la seguridad de los usuarios. Por otra parte, considerando que el Ministerio de Transporte, mediante Resoluciones 3288 y 3290 del 15 de agosto de 2007, ordenó la adopción de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras y las Normas de Ensayo de Materiales para Carreteras, elaboradas en 2006 por el Instituto Nacional de Vías, se hace necesario incluir en la Guía las referencias pertinentes a los materiales y a los procedimientos establecidos en dichos documentos, con el fin de mantener la coherencia necesaria entre las diferentes publicaciones técnicas de la entidad. El lector podrá observar la inclusión de algunos temas no considerados en la primera edición, así como un cambio de enfoque en las pautas para el diseño de los refuerzos, buscando adaptar la guía a la actual práctica común de la ingeniería de pavimentos colombiana. También, advertirá que algunos de los asuntos conservan el texto de la primera edición, por cuanto se ha considerado que durante el último lustro no se han producido modificaciones que ameriten un cambio en ellos y, además, no han sido objeto de observaciones por parte de los usuarios del documento. Manteniendo su tradicional y permanente espíritu de actualización en el campo tecnológico, el Instituto Nacional de Vías agradece todas las sugerencias que realicen los lectores de esta nueva versión de la guía metodológica, las cuales serán tenidas muy en cuenta para la siguiente actualización, la cual habrá de producirse en los años venideros.

DANIEL ANDRÉS GARCÍA ARIZABALETA

Director General

Bogotá D.C., mayo de 2008

PRÓLOGO DE LA PRIMERA EDICIÓN Con motivo de los estudios del primer plan de recuperación de la red nacional pavimentada, el antiguo Ministerio de Obras Públicas elaboró, en marzo de 1974, una nota técnica denominada “Guía para la reestructuración de los pavimentos”. A pesar de los enormes avances que ha tenido desde entonces la mecánica de las calzadas como ciencia, del gran desarrollo tecnológico alcanzado por los equipos de construcción de carreteras y del hecho de que a partir de 1981 las inversiones en mantenimiento y rehabilitación de la red vial nacional han superado siempre las destinadas a la provisión de nuevas carreteras, no se ha dispuesto de un documento propio actualizado que fije las pautas generales bajo las cuales se deben realizar los diseños de las obras de rehabilitación de los pavimentos de las vías rurales del país. Debido a esta carencia, los estudios que han soportado las obras de rehabilitación se basan en métodos foráneos de muy diversa concepción, con requerimientos de información muy diferentes, con distintos grados de confiabilidad en los diseños e, inclusive, con toques de tipo personal que desfiguran los principios bajos los cuales ellos fueron desarrollados. La falta de uniformidad de criterio en este sentido ha representado un punto de debilidad para el INVÍAS, dada la imposibilidad de conocer si las soluciones aplicadas eran realmente las más favorables desde los puntos de vista técnico y económico, a la vez que le han impedido definir unas condiciones razonables de evolución del deterioro de los pavimentos que alimenten con un adecuado nivel de confianza los sistemas de administración del mantenimiento que utiliza la entidad. En la intención de superar estas dificultades, el Instituto ha elaborado esta “Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras”, basada en técnicas de evaluación, diagnóstico y diseño actualizadas y cuya única originalidad es la correspondiente al ordenamiento e interdependencia de los temas tratados, así como al suministro de pautas de trabajo precisas y uniformes, destinadas a lograr coherencia en los diseños que se deriven de su aplicación. Por el dinamismo propio de la ingeniería de pavimentos, el Instituto es consciente de la necesidad casi permanente de actualización de esta guía que hoy pone a consideración de la ingeniería vial nacional. Por tal motivo, agradece de antemano todas las observaciones que realicen sus lectores destinadas a su mejoramiento y, consecuentemente, al mejoramiento de la gestión de la entidad y del servicio a los usuarios de la red vial colombiana.

GLORIA CECILIA OSPINA GÓMEZ Directora General

Bogotá, D.C., marzo de 2002

ADVERTENCIA A LOS USUARIO DE LA GUÍA La presente guía metodológica se ha elaborado con el propósito de orientar a quienes tengan a su cargo el diseño de las obras de rehabilitación de los pavimentos asfálticos de las carreteras a cargo del Instituto Nacional de Vías. Para su preparación se han adoptado procedimientos de tecnología reciente, al alcance de las posibilidades de la consultoría colombiana, debidamente validados en diseños elaborados en diferentes proyectos de la red vial nacional. La guía incluye programas de cómputo y hojas de cálculo, tanto de elaboración propia, como foránea, ésta última debidamente autorizada por sus autores, cuya finalidad es facilitar la labor del ingeniero diseñador. En la elaboración de esta guía, sus autores han tenido un cuidado razonable. No obstante, el Instituto Nacional de Vías no asume ninguna responsabilidad por las inexactitudes que ella pueda contener o por el uso que le den los usuarios, quienes deberán aplicar su buen criterio ingenieril y su responsabilidad en todas las determinaciones que tome en relación con los diseños que elaboren con base en ella.

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TABLA DE CONTENIDO

PARTE 1 - INTRODUCCIÓN 1

1.1. GENERALIDADES 3 1.2. GÉNERO 5 1.3. ÁMBITO DE APLICACIÓN DE LA GUÍA 5

1.3.1. Conceptos generales 5 1.3.2. Tipos de pavimentos considerados en la Guía 6

1.4. NIVELES JERÁRQUICOS DE INFORMACIÓN 7 1.5. PLAN DE ACCIÓN 9 1.6. PERÍODO DE DISEÑO DE LAS OBRAS DE REHABILITACIÓN DEL PAVIMENTO 10

PARTE 2 - RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN 13 2.1. GENERALIDADES 15 CAPÍTULO 1 - DEFINICIÓN DEL SECTOR VIAL 19 CAPÍTULO 2 - RECOLECCIÓN DE ANTECEDENTES 21 CAPÍTULO 3 - GUÍAS PARA EL ANÁLISIS DEL TRÁNSITO 23

2.3.1. Introducción 23 2.3.2. Tránsito Promedio Diario Anual (TPDA) 24 2.3.3. Proporción del Tránsito Promedio Diario constituido por

vehículos comerciales (VC) 28 2.3.4. Distribución direccional del tránsito de vehículos

comerciales (DD) 28 2.3.5. Distribución del tránsito de vehículos comerciales por

carril (DC) 29 2.3.6. Distribución de los vehículos comerciales por clases 31 2.3.7. Evolución histórica del tránsito automotor 31 2.3.8. Factor vehicular de deterioro (Factor Camión) 34

Instituto Nacional de Vías Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras

ii

2.3.8.1. Carga equivalente para diseño 34 2.3.8.2. Concepto del factor de equivalencia de carga

por eje (FECE) 35 2.3.8.3. Los sistemas de ejes de los vehículos automotores 36 2.3.8.4. Obtención de la información sobre las cargas por

eje y vehiculares 37 2.3.8.5. Concepto de los factores vehiculares de deterioro 41 2.3.8.6. Aplicación de los FECE en el cálculo del factor vehicular

de deterioro (Factor Camión) 44

2.3.9. Conversión del tránsito mixto en aplicaciones equivalentes del eje de referencia 44

2.3.10. Tasas de crecimiento del tránsito de los vehículos comerciales 47 2.3.11. Proyección del tránsito 48 2.3.12. Algunos factores que afectan la precisión del cálculo de

los ejes equivalentes para el diseño 50 2.3.12.1. La validez de los FECE obtenidos en el AASHO ROAD

TEST, para el medio colombiano 50 2.3.12.2. Efecto de las condiciones de aplicación de la carga 53

2.3.13. Resumen 58

CAPÍTULO 4 - GUÍAS PARA LA CLASIFICACIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE LOS DETERIOROS DEL PAVIMENTO 63

2.4.1. Introducción 63 2.4.2. Clasificación y cuantificación de los deterioros de un

pavimento asfáltico en el método VIZIR 67 2.4.3. Algunos deterioros no contemplados por el sistema 70 2.4.4. Registro manual y procesamiento de la información sobre

los deterioros de los pavimentos 70

CAPÍTULO 5 - GUÍAS PARA LA MEDICIÓN DEL PERFIL Y DE LA REGULARIDAD SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO 73

2.5.1. Introducción 73 2.5.2. Técnicas para medir la regularidad superficial del pavimento 76

2.5.2.1. Clase 1: Medidas de precisión del perfil 76 2.5.2.2. Clase 2: Otros métodos perfilométricos 77 2.5.2.3. Clase 3: Medidores de rugosidad del tipo respuesta

(RTRRMs) 77 2.5.2.4. Clase 4: Evaluaciones subjetivas 78

2.5.3. El “Índice de Rugosidad Internacional” o “Índice de Regularidad Internacional” (IRI) 79

2.5.3.1. Definición del IRI 79

Tabla de contenido

iii

2.5.3.2. Modelo del cuarto de carro 79 2.5.3.3. Cálculo del IRI 81

2.5.4. Medida de la Regularidad Superficial 81 2.5.5. Aplicación de los resultados de las medidas de Regularidad

Superficial 82 2.5.6. Comodidad para la circulación (Serviciabilidad) 83 2.5.7. Niveles jerárquicos de información 87

CAPÍTULO 6 - GUÍAS PARA LA MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO 89

2.6.1. Introducción 89 2.6.2. Oferta y demanda de fricción 89 2.6.3. Factores que afectan la fricción superficial 90

2.6.3.1. Diseño y condición de los neumáticos 90 2.6.3.2. Microtextura y macrotextura del pavimento 92 2.6.3.3. La altura de la lámina de agua sobre la superficie 94 2.6.3.4. Influencia del tránsito 97 2.6.3.5. Influencia de la velocidad de los vehículos 97 2.6.3.6. Influencia de la estación en la cual se realizan las medidas 97

2.6.4. Influencia de la composición y de la colocación de las mezclas asfálticas de rodadura sobre la adherencia neumático - pavimento [ref. 2.6.7] 98

2.6.5. Evaluación de la resistencia al deslizamiento y la textura superficial 99

2.6.5.1. Medida de la resistencia al deslizamiento 100 2.6.5.2. Medida de la textura superficial 104

2.6.6. Valores mínimos deseables de adherencia en pavimentos asfálticos nuevos y en servicio 106

2.6.7. El Índice de Fricción Internacional (IFI) 107 2.6.8. Evolución del coeficiente de resistencia al deslizamiento y de

la macrotextura 108 2.6.9. Aplicabilidad de las medidas de resistencia al deslizamiento y

textura 109 2.6.10. Niveles jerárquicos de información 109

CAPÍTULO 7 - GUÍAS PARA LA MEDICIÓN DEL RUIDO EN EL CONTACTO NEUMÁTICO - PAVIMENTO 113

2.7.1. Introducción 113 2.7.2. Naturaleza del ruido 113

2.7.2.1. Intensidad 114


iv

2.7.2.2. Adición de niveles de presión sonora 116 2.7.2.3. Propagación del ruido con la distancia 117 2.7.2.4. Frecuencia 119 2.7.2.5. Intensidad y frecuencia 120 2.7.2.6. Efecto de enmascaramiento 121

2.7.3. El ruido del tránsito automotor 122 2.7.3.1. Estándares del ruido del tránsito vial 122 2.7.3.2. Causas del ruido del tránsito vial 122 2.7.3.3. Mecanismos de generación de ruido en el contacto

neumático-pavimento 123 2.7.3.4. Textura y ruido 123 2.7.3.5. Efecto del tipo de neumático y de la velocidad 124

2.7.4. Métodos de medida del ruido producido por el tránsito vial 125 2.7.4.1. Método de la pasada SPB 125 2.7.4.2. Método de la pasada CPB 125 2.7.4.3. Método de proximidad cercana CPX 126 2.7.4.4. Comparación entre procedimientos 128

2.7.5. El ruido según el tipo de rodadura asfáltica 129 2.7.5.1. Mezclas drenantes 129 2.7.5.2. Mezclas stone matrix asphalt (SMA) 130 2.7.5.3. Mezclas densas convencionales 130 2.7.5.4. Tratamientos superficiales 131

2.7.6. Variación del ruido del pavimento durante el transcurso del tiempo 131

2.7.7. Superficies silenciosas vs superficies seguras 131

CAPÍTULO 8 - GUÍAS PARA LA CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO MEDIANTE PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS – MEDIDA DE DEFLEXIONES 135

2.8.1. Introducción 135 2.8.2. Deflexiones del pavimento 136 2.8.3. Equipos para la medida de las deflexiones 138

2.8.3.1. Sistemas de medida de deflexión bajo carga estática o cuasi-estática 139

2.8.3.2. Sistemas de medida de deflexión bajo carga vibratoria sinusoidal 141

2.8.3.3. Sistemas de medida de deflexión bajo carga por impacto 143

2.8.4. Factores que afectan la magnitud de las deflexiones 144 2.8.4.1. Factores debidos a la carga 145 2.8.4.2. Factores debidos al pavimento 147 2.8.4.3. Factores debidos a las condiciones climáticas 148

2.8.4.3.1. Efecto de la temperatura 148

Tabla de contenido

v

2.8.4.3.2. Efecto de las lluvias 150

2.8.5. Ejecución de los ensayos de deflexión 150 2.8.5.1. Medidas de la temperatura de las capas asfálticas 150 2.8.5.2. Ubicación de los sitios de ensayo y frecuencia de las medidas 151 2.8.5.3. Auscultación deflectométrica intensiva 152

2.8.6. Limitaciones en el uso de las deflexiones 152

CAPITULO 9 - GUÍAS PARA LA CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DE UN PAVIMENTO ASFALTICO MEDIANTE OTRAS PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS 155

2.9.1. Empleo del Georradar para la determinación de los espesores 155 2.9.1.1. Principio de operación e interpretación de la información 155 2.9.1.2. Integración del georradar con el deflectómetro de impacto 160 2.9.1.3. Limitaciones en el uso del georradar para la determinación

de los espesores de las capas de un pavimento 160 2.9.1.4. Normalización y aplicación 161

2.9.2. Sistemas de propagación de ondas superficiales para la determinación de la respuesta elástica de un pavimento asfáltico 161

2.9.2.1. Propagación de ondas superficiales en pavimentos 162 2.9.2.2. Métodos de modo simple 165 2.9.2.3. Métodos multimodales 167

2.9.3. Comparación de las características de los distintos métodos 168

CAPITULO 10 - GUÍAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES

DEL PAVIMENTO Y DE LA SUBRASANTE MEDIANTE PRUEBAS DESTRUCTIVAS 171

2.10.1. Introducción 171 2.10.2. Núcleos y apiques 171 2.10.3. Programa de ensayos 173 2.10.4. Inspección visual de las muestras 174 2.10.5. Número requerido de ensayos 176 2.10.6. Niveles de información 182

CAPITULO 11 - GUÍAS PARA LA INSPECCIÓN DEL DRENAJE CON FINES DEL DISEÑO DE LAS OBRAS DE REHABILITACIÓN DEL PAVIMENTO 185

2.11.1. Importancia del drenaje en la rehabilitación de pavimentos 185 2.11.2. Fuentes de agua que afectan el pavimento 186 2.11.3. Aspectos que se deben considerar para la inspección del

drenaje del pavimento 189


vi

2.11.4. Factores extrínsecos e intrínsecos del drenaje de los pavimentos 192 2.11.4.1. Factores extrínsecos 192 2.11.4.2. Factores intrínsecos 194

2.11.5. Sistemas para el manejo del agua que afecta al pavimento 194 2.11.5.1. Condiciones geométricas y textura superficial del pavimento 195 2.11.5.2. Drenaje superficial 195 2.11.5.3. Drenaje interno 196

2.11.6. Inspección del sistema de drenaje existente 199 2.11.7. Niveles de jerarquía 202

PARTE 3 - EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN GLOBAL DEL PAVIMENTO 205

3.1. GENERALIDADES 207 CAPÍTULO 1 - GUÍAS PARA LA EVALUACIÓN DE LOS DETERIOROS DEL PAVIMENTO 209

3.1.1. Determinación del Índice de Deterioro Superficial 209 3.1.2. Juicio sobre la capacidad del pavimento a partir de la evaluación

de los deterioros del tipo A 212 3.1.3. Los deterioros del tipo B y el juicio sobre la capacidad del

pavimento 212 3.1.4. Aplicaciones del inventario de los deterioros del pavimento 218

CAPÍTULO 2 - GUÍAS PARA LA EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO 219

3.2.1. Definición de sectores de respuesta elástica homogénea 219 3.2.2. Determinación de los Módulos Dinámicos de las diferentes

capas del pavimento, a partir de los valores de deflexión 221 3.2.2.1. Proceso de retrocálculo 223 3.2.2.2. Profundidad de la capa rígida 228 3.2.2.3. Determinación del módulo de la subrasante por cálculo

directo 231 3.2.2.4. Determinación del módulo de la subrasante mediante

ecuaciones de regresión 234 3.2.2.5. Determinación del módulo de las capas granulares mediante

ecuaciones de regresión 236

Tabla de contenido

vii

3.2.2.6. Determinación del módulo de las capas asfálticas mediante cálculo directo 237

3.2.2.7. Determinación del módulo de las capas asfálticas mediante ecuaciones de regresión 239

3.2.3. Otros parámetros basados en el Cuenco de Deflexión que brindan información sobre la condición estructural del pavimento 239

3.2.4. Evaluación de la capacidad estructural de un pavimento asfáltico a partir de las deflexiones 241

3.2.4.1. Determinación del SNeff según la guía AASHTO-93 241 3.2.4.2. Determinación del SNeff según el método Rohde 241 3.2.4.3. Determinación del SNeff según el método YONAPAVE 242

3.2.5. Niveles jerárquicos para la determinación de la capacidad estructural del pavimento a partir de las medidas de deflexión 242

3.2.6. Evaluación estructural de pavimentos cuyo comportamiento no sea esencialmente elástico 243

CAPITULO 3 - GUÍAS PARA LA EVALUACION FUNCIONAL DEL PAVIMENTO 247

3.3.1. Evaluación de la regularidad superficial 247 3.3.2. Evaluación de la resistencia al deslizamiento 248 3.3.3. Evaluación del ruido en el contacto neumático - pavimento 248

CAPITULO 4 - GUÍAS PARA LA EVALUACION DEL DRENAJE 251 3.4.1. Calificación de la información sobre el drenaje 251

CAPITULO 5 - GUÍAS PARA LA EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN GLOBAL DEL PAVIMENTO 253

3.5.1. Evaluación estructural global 253 3.5.2. Evaluación funcional global 254 3.5.3. Incidencia del drenaje en el juicio sobre la capacidad global

del pavimento 256 3.5.4. Áreas débiles localizadas 257 3.5.5. Definición de sectores homogéneos 257 3.5.6. Diagnóstico de la situación existente 258


viii

PARTE 4 - SELECCIÓN DE TÉCNICAS DE REHABILITACIÓN 259

4.1. GENERALIDADES 261

CAPÍTULO 1 - DESCRIPCIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE REHABILITACIÓN 263

4.1.1. Tratamientos de preparación 263 4.1.1.1. Sello de fisuras 263 4.1.1.2. Parcheo y bacheo 264 4.1.1.3. Capa de nivelación 265 4.1.1.4. Fresado 266 4.1.1.5. Otros tratamientos previos 266

4.1.2. Restauración 267 4.1.2.1. Sello tipo niebla o riego en negro 269 4.1.2.2. Sello de arena – asfalto 270 4.1.2.3. Tratamiento superficial 271 4.1.2.4. Lechada asfáltica 272 4.1.2.5. Microaglomerado en frío 273 4.1.2.6. Sello del Cabo (Cape seal) 273 4.1.2.7. Microaglomerado en caliente 273 4.1.2.8. Mezcla drenante 274 4.1.2.9. Sobrecapa delgada 275 4.1.2.10. Limitaciones y efectividad de los trabajos de restauración 275

4.1.3. Refuerzo 276 4.1.3.1. Tratamiento previo al refuerzo 277 4.1.3.2. El problema de la reflexión de las fisuras 279 4.1.3.3. El ahuellamiento del refuerzo 285 4.1.3.4. Oportunidad para el refuerzo 287

4.1.4. Reciclado 289 4.1.4.1. Reciclado en planta en caliente 290 4.1.4.2. Reciclado en el sitio 291

4.1.4.2.1. Reciclado superficial en caliente 293 4.1.4.2.2. Reciclado en frío en el sitio 295

4.1.4.2.2.1. Reciclado en frío en el sitio con ligantes hidrocarbonados 296 4.1.4.2.2.2. Reciclado en frío con conglomerantes hidráulicos 300 4.1.4.2.2.3. Reciclado mixto en frío en el sitio 301

4.1.4.3. Consideraciones adicionales 301

4.1.5. Reconstrucción 301 4.1.5.1. Reconstrucción de tipo flexible 302 4.1.5.2. Reconstrucción de tipo semiflexible o semirrígido 302 4.1.5.3. Reconstrucción de tipo rígido 303 4.1.5.4. Recubrimiento blanco 303

Tabla de contenido

ix

4.1.6. Corrección de fallas localizadas 303 4.1.7. Otros materiales para la rehabilitación 304

CAPÍTULO 2 - TÉCNICAS INDICADAS POR LA EVALUACIÓN DE

DETERIOROS 307

CAPÍTULO 3 - TÉCNICAS INDICADAS POR LAS EVALUACIONES

ESTRUCTURAL, FUNCIONAL Y DEL DRENAJE 313 4.3.1. Generalidades 313 4.3.2. La vida residual del pavimento 314

4.3.2.1. Criterio de agrietamiento por fatiga 315 4.3.2.2. Criterio de deformación permanente 319 4.3.2.3. Aclaración sobre las ecuaciones de fatiga incluidas en la guía 322

4.3.3. Técnicas indicadas por las evaluaciones estructural y funcional 322 4.3.4. Técnicas indicadas por la evaluación del drenaje 322

PARTE 5 - GUÍAS PARA LA FORMACIÓN DE ESTRATEGIAS DE REHABILITACIÓN 329


CAPÍTULO 1- COMBINACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE REHABILITACIÓN EN ESTRATEGIAS 333

5.1.1. Formación de las estrategias de rehabilitación 333 5.1.2. Formación de estrategias plausibles 333 5.1.3. Tratamientos previos 333 5.1.4. Otras consideraciones de ingeniería que afectan la elección de

la estrategia 335 5.1.4.1. Geometría de la carretera 335 5.1.4.2. Comportamiento de pavimentos similares en el área del

proyecto 336 5.1.4.3. Características periféricas 336

CAPÍTULO 2- DISEÑO DE LA REHABILITACIÓN 341 5.2.1. Diseño de las obras de restauración 341 5.2.2. Diseño mecanístico de la rehabilitación 342

5.2.2.1. Análisis de la subrasante 343 5.2.2.2. Análisis de las capas granulares 344


x

5.2.2.3. Análisis de las capas asfálticas antiguas y de los refuerzos 346 5.2.2.4. Deterioro acumulado y vida residual 348 5.2.2.5. Diseño mecanístico de estructuras recicladas en frío con

adición de estabilizantes 351 5.2.2.5.1. Reciclado con ligantes hidrocarbonados 353 5.2.2.5.2. Reciclados con cemento 356 5.2.2.5.3. Consideraciones especiales sobre el tránsito de diseño 360

5.2.2.6. Desarrollo del método para el cálculo de refuerzos y de las estructuras recicladas 360

5.2.3. Diseño de la rehabilitación por el método AASHTO-93 360 5.2.3.1. Aspectos generales del método de diseño AASHTO-93 361 5.2.3.2. Descripción del método 362 5.2.3.3. Número estructural efectivo 364 5.2.3.4. Determinación del número estructural efectivo a partir de

la condición actual de las capas estructurales 365 5.2.3.5. Determinación del número estructural efectivo a partir de las

medidas de deflexión 367 5.2.3.5.1. Módulo resiliente de la subrasante 368 5.2.3.5.2. Módulo efectivo del pavimento 369 5.2.3.5.3. Número estructural efectivo 369 5.2.3.5.4. Ajuste del número estructural efectivo por fresado 370

5.2.3.6. Módulo de la subrasante para diseño 370 5.2.3.7. Cálculo del espesor de refuerzo 371 5.2.3.8. Diseño de las estructuras recicladas por el método AASHTO 374 5.2.3.9. Hojas electrónicas para el cálculo de refuerzos 376

5.2.4. Diseño de pavimentos reconstruidos 376 5.2.5. Incidencia de los bacheos en el diseño de refuerzos 377 5.2.6. Ampliaciones 377 5.2.7. Bermas 380 5.2.8. Consideraciones finales sobre el drenaje 382

CAPÍTULO 3 - SELECCIÓN DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN 389

5.3.1. Generalidades 389 5.3.2. Capas de rodadura de tipo asfáltico 389 5.3.3. Capas de rodadura en concreto hidráulico 391

CAPÍTULO 4 - PREDICCIÓN Y EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LAS ESTRATEGIAS DE REHABILITACIÓN 393

5.4.1. Predicción del comportamiento 393 5.4.2. Evaluación del comportamiento 393

Tabla de contenido

xi

APÉNDICE 397

PARTE 6 - ANÁLISIS ECONÓMICO 419


CAPÍTULO 1 - ANÁLISIS DE COSTOS DURANTE EL CICLO DE VIDA 423 6.1.1. Costos y beneficios de un proyecto de rehabilitación de

pavimentos 423 6.1.1.1. Principales costos a tener en cuenta en la evaluación 424

6.1.1.1.1. Principales costos para la entidad vial 425 6.1.1.1.2. Principales costos y beneficios para los usuarios 430

6.1.2. Métodos de evaluación económica aplicables en un proyecto de rehabilitación de pavimentos 434

6.1.2.1. Definiciones conceptuales 434 6.1.2.2. Métodos para la evaluación económica de las estrategias 436

6.1.3. El HDM - 4 como herramienta para la evaluación técnico económica de proyectos viales 440

6.1.3.1. Funciones y usos del HDM-4 en la gestión de carreteras 442 6.1.3.2. Componentes de cálculo del modelo HDM-4 443

6.1.3.2.1. Modelo de deterioro de carreteras/RD Model (Road Deterioration Model) 443

6.1.3.2.2. Modelo de las obras de mantenimiento/WE Model (Works Effects Model) 443

6.1.3.2.3. Modelo de efectos para los usuarios/RUE Model (Road User Effects Model) 444

6.1.3.2.4. Modelo de efectos sociales y ambientales/SEE Model (Social and Environment Effects) 446

6.1.3.3. Indicadores Económicos 446 6.1.3.4. Precios económicos y financieros 447 6.1.3.5. Información requerida por el Modelo HDM-4 447 6.1.3.6. Estudio y análisis de proyectos de rehabilitación de

pavimentos 449 6.1.3.7. Estimación de costos de mantenimiento con HDM-4 449 6.1.3.8. Procedimiento operativo para evaluación de proyectos con

el modelo HDM-4 451 6.1.3.9. Manejo básico del modelo HDM-4 451

6.1.3.9.1. Ingreso al Programa 451 6.1.3.9.2. Organización de las bases de datos y configuración básica 453


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6.1.3.10. Ejemplo de aplicación de HDM-4 en rehabilitación de pavimentos asfálticos 454

6.1.4. Análisis de sensibilidad a los parámetros básicos del ACCV 466

PARTE 7 - GUÍAS PARA LA ELECCIÓN DE LA ESTRATEGIA DE REHABILITACIÓN 469


CAPÍTULO 1 - ANÁLISIS DE FACTORES NO MONETARIOS 473 7.1.1. Factores por considerar 473

CAPÍTULO 2 - SELECCIÓN DE LA ESTRATEGIA PREFERIDA 477

PARTE 8 - CONSTRUCCIÓN Y SEGUIMIENTO 481

8.1. CONSTRUCCIÓN DE LA OBRA DISEÑADA 483 8.2. SEGUIMIENTO Y RETROALIMENTACIÓN 485

PARTE 1

Introducción


2

Parte 1 - Introducción

3

PARTE 1 INTRODUCCIÓN

1.1. GENERALIDADES

El buen servicio de un pavimento es su capacidad para proporcionar a los usuarios comodidad, seguridad y economía. La recuperación del nivel de servicio de un pavimento en uso, por medio de obras de rehabilitación, se hace necesaria por una o más de las siguientes razones: - Incomodidad para la circulación vehicular.

- Exceso de defectos superficiales.

- Reducción de la adherencia entre la calzada y los neumáticos de los vehículos.

- Necesidad excesiva de servicios de mantenimiento rutinario.

- Costos de operación elevados para los usuarios.

- Capacidad estructural inadecuada para las solicitaciones del tránsito previsto. Las actividades requeridas para la rehabilitación de las estructuras de pavimento se van haciendo más importantes, en magnitud y costo, a medida que ellas se deterioran a causa de los efectos ambientales y el tránsito. El énfasis en la administración de pavimentos es la preservación de la inversión inicial, mediante la aplicación oportuna de tratamientos adecuados de mantenimiento y de rehabilitación para prolongar la vida de estas estructuras. De particular interés para el Instituto Nacional de Vías es establecer la oportunidad de la aplicación de un tratamiento particular de mantenimiento o rehabilitación en función de la condición del pavimento. El mantenimiento y la rehabilitación de un pavimento cubren un rango muy amplio de actuaciones, las cuales varían desde la simple corrección de defectos superficiales para mejorar la calidad de la circulación vehicular, hasta las operaciones de reconstrucción, destinadas a recuperar totalmente la capacidad estructural de la calzada. El diseño de las obras de mantenimiento y de rehabilitación de un pavimento asfáltico tiene tanto de arte como de ciencia. En general, no existen ábacos,


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fórmulas o programas de cómputo que brinden una solución satisfactoria a todas las situaciones que deba enfrentar un diseñador. Consecuentemente, el estudio de estos problemas requiere una combinación de análisis y de buen juicio, muy superior a la requerida para el diseño de estructuras de pavimento nuevas.

Ante estas limitaciones, es necesaria una retroalimentación continua en relación con el comportamiento de las estrategias aplicadas. Debido a ello, aún no se puede considerar que existan soluciones “correctas” o “equivocadas” para el diseño de estos trabajos sino, simplemente, estrategias “buenas” o “mejores”. La mejor estrategia será aquella que, dentro de las limitaciones del proyecto, dé lugar a un diseño técnicamente idóneo, maximice los beneficios económicos y brinde una respuesta razonable a los factores no monetarios del proyecto. La determinación de la mejor estrategia es, sin duda, un problema complejo que requiere una respuesta paso a paso como se propone en esta segunda edición de la guía metodológica. El ingeniero diseñador será el responsable de determinar, con base en su mejor juicio, esa mejor estrategia para cada combinación de condiciones técnicas y de entorno y las limitaciones que deba enfrentar. El principal objetivo de esta segunda edición, al igual que en la primera, es constituir una guía de tipo metodológico y no una norma taxativa de diseño aplicable a cualquier situación, imposible de elaborar con una confiabilidad razonable, a la luz del estado actual del conocimiento y de nuestras posibilidades tecnológicas. Por tal razón, se circunscribe al establecimiento de criterios generales que permitan la selección y el proyecto de soluciones idóneas para la rehabilitación de los pavimentos asfálticos de las carreteras a cargo del Instituto Nacional de Vías. Los procedimientos que en definitiva se utilicen para el dimensionamiento de las obras y los espesores resultantes de los mismos, serán de entera responsabilidad de los diseñadores, quienes deberán sustentarlos debidamente a la luz del estado del arte y del desarrollo tecnológico del país, en el instante en que sean presentados los estudios. Como en la primera edición de la guía, la elaboración de ésta se basa en el uso de metodologías actualizadas, recomendadas por organizaciones internacionales que han gozado de amplio reconocimiento y aplicación entre los ingenieros de pavimentos del país. La presente edición de la guía se ha estructurado de manera algo diferente a la anterior. Por ello, se compone de un volumen básico donde se encuentran las pautas fundamentales para el diagnóstico y para la configuración de los diseños; en


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tanto que los detalles referentes a la información auxiliar requerida, así como los instructivos para efectuar algunos tipos de evaluaciones, se encuentran en el cuerpo de anexos que acompaña al documento principal. 1.2. GÉNERO Aunque los diferentes oficios, profesiones y funciones que se mencionan a lo largo de este documento se encuentran en género masculino en aras de la brevedad, el lector habrá de interpretar siempre que la referencia es extensiva al género femenino. 1.3. ÁMBITO DE APLICACIÓN DE LA GUÍA

1.3.1. Conceptos generales Esta guía metodológica tiene aplicación en los estudios y proyectos de rehabilitación de los pavimentos asfálticos de las carreteras en servicio a cargo del Instituto Nacional de Vías, entendiendo el término “rehabilitación”, para los efectos de este documento, como un mejoramiento funcional o estructural del pavimento, que da lugar tanto a una extensión de su vida de servicio, como a la provisión de una superficie de rodamiento más cómoda y segura y a reducciones en los costos de operación vehicular. Dicho mejoramiento comprende alguna de las cuatro alternativas de intervención que se describen a continuación, las cuales conforman un conjunto denominado 4R:

- Restauración, Que consiste en la ejecución de trabajos que mejoran la condición superficial del pavimento, pero no aumentan su capacidad estructural.

- Refuerzo, que consiste en la colocación de capas de pavimento que proporcionan capacidad estructural adicional o mejoran el nivel de servicio a los usuarios.

- Reciclado, que consiste en la reutilización de parte de las capas de la estructura existente, para mejorar su capacidad estructural. La adición de nuevos materiales es necesaria para mejorar la resistencia y el comportamiento del pavimento mejorado.


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- Reconstrucción, que consiste en la remoción de capas y el reemplazo parcial o total del pavimento, para mejorar su capacidad estructural, adaptándolo a las necesidades del tránsito futuro.

La rehabilitación funcional se encuentra enmarcada fundamentalmente en la restauración y parcialmente en el refuerzo, éste último cuando su colocación tiene la finalidad básica de corregir deficiencias funcionales del pavimento. La rehabilitación estructural puede quedar comprendida en el refuerzo, si éste se construye con el fin principal de prolongar la vida de servicio de la calzada; así mismo, queda cubierta por las actividades de reciclado y de reconstrucción. Se considera que con cualquier intervención de rehabilitación estructural se corrigen las deficiencias funcionales que presente la estructura. Las actividades generales de mantenimiento rutinario, cuya finalidad es preservar la condición superficial del pavimento, la seguridad y la comodidad en la circulación y que, por lo tanto, sólo pretenden ayudar a que la estructura alcance el período de diseño previsto, no forman parte del contenido de este documento. En el caso de que los estudios y proyectos de rehabilitación incluyan tramos de nueva construcción y se contemple que ella sea de tipo asfáltico, se aplicará para ellos la versión más reciente del “Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito” o del “Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con bajos volúmenes de tránsito”, según el tipo de vía objeto de los estudios. Cuando los trabajos proyectados incluyan ampliaciones, modificaciones de alineamiento o duplicación de calzadas, aprovechando parte de la calzada a ser rehabilitada, se aplicarán, de manera conjunta y complementaria, esta guía metodológica y el manual que resulte aplicable de los citados en el párrafo anterior, salvo que los Términos de Referencia del estudio permitan algo en contrario. 1.3.2. Tipos de pavimentos considerados en la Guía Como lo establece su nombre, la guía metodológica sólo es aplicable a la rehabilitación de pavimentos asfálticos, comprendidos específicamente los siguientes:


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- Flexibles, constituidos por capas granulares no tratadas, incluida la denominada base, protegidas por capas asfálticas de espesor que, generalmente, no excede de 150 milímetros.

- Semi-flexibles, los cuales pueden estar compuestos por una estructura típica similar a la de los flexibles, pero en los cuales el espesor de las capas asfálticas superiores excede de 150 milímetros o, también, aquellos que no han sido construidos con una capa de base granular, sino con una base estabilizada con un producto bituminoso.

- Semi-rígidos, constituidos en su parte superior por capas asfálticas de cualquier espesor, colocadas sobre una o más capas ligadas con un conglomerante hidráulico o puzolánico.

No son objeto de estudio en esta guía los pavimentos compuestos, entendiendo por tales los constituidos por un pavimento de concreto hidráulico protegido por una sobrecapa asfáltica, ni las vías en “afirmado”. La rehabilitación de estas estructuras deberá ser enfrentada mediante estudios específicos, de acuerdo con sus características y sus condiciones de uso. 1.4. NIVELES JERÁRQUICOS DE INFORMACIÓN Al momento de la elaboración de la primera edición de la guía, el Instituto Nacional de Vías sólo tenía bajo su jurisdicción las carreteras nacionales de la denominada red primaria. En el año 2003, el Decreto 2056 adicionó dentro de su objeto la ejecución de las políticas, estrategias, planes, programas y proyectos de la infraestructura de la red vial terciaria, cuyos volúmenes de tránsito son muy inferiores a los existentes en las vías que la entidad atendía con anterioridad. En consecuencia con ello, esta nueva edición del documento debe considerar, también, los estudios y proyectos de rehabilitación de los tramos de la red terciaria que posean cobertura asfáltica. Es evidente, sin embargo, que los recursos asignados para los estudios y para la rehabilitación de las vías pavimentadas de menor tránsito serán muy limitados, motivo por el cual resulta conveniente el establecimiento de niveles de jerarquía en la información requerida para los diseños, asociados ellos con la disponibilidad de recursos y con la criticidad de la falla prematura de las estructuras rehabilitadas. Los niveles jerárquicos presentan las siguientes ventajas prácticas:


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- Brindan al ingeniero gran flexibilidad en la elección de un enfoque de ingeniería consistente con el tiempo, costo e importancia del proyecto

- Permiten a la entidad desarrollar una metodología de diseño inicial, consistente

con sus posibilidades técnicas - Brindan un método conveniente de mejorar la competencia técnica de la

entidad, de manera gradual con el tiempo - Aseguran el desarrollo del diseño más exacto y eficiente en costo, compatible

con los recursos financieros y técnicos de la entidad En ese orden de ideas, en la presente edición de la guía se establecen tres niveles jerárquicos para los diferentes datos de la información básica requerida para el diseño:

- Nivel 1, el cual permite alcanzar el mayor grado de calidad en el diseño. Es el nivel deseable para las carreteras donde circulan los mayores volúmenes de tránsito en el país y donde las consecuencias económicas de una falla prematura son siempre importantes. Los diseños ajustados a este nivel deberán disponer de datos de tránsito confiables, soportados por registros históricos y por información real sobre las magnitudes de las cargas circulantes; con resultados ensayos de campo y laboratorio de tecnología reciente para la valoración de los suelos y de los materiales de construcción; así como con resultados de pruebas no destructivas de evaluación funcional y estructural de la calzada, realizadas con equipos de última generación y alto rendimiento.

- Nivel 2, el cual conduce a una calidad de diseño intermedia. Es el que se aplica cuando no se dispone de los recursos económicos y materiales requeridos para una valoración del primer nivel. En este caso, la información sobre el tránsito también ha de fundamentarse en registros históricos, pero se admite complementarla con datos regionales sobre el espectro de cargas y sobre los factores de daño asociados; los módulos resilientes requeridos para el diagnóstico y para los diseños pueden ser estimados mediante correlaciones reconocidas, y las valoraciones no destructivas de las capacidades estructural y funcional de las calzadas pueden combinar el uso de equipos de última generación y alto rendimiento con el empleo de equipos de menor rendimiento y precisión, que hayan sido de reconocida aceptación en el medio colombiano.


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- Nivel 3, el cual conduce a los diseños de menor calidad, aplicable sólo para aquellas vías donde las consecuencias políticas y económicas de las fallas prematuras resulten asumibles y de bajo impacto para la administración. En este nivel resulta aceptable el uso de información elemental sobre el tránsito, así como el empleo de valores medios de las características de suelos y materiales, obtenidos por correlaciones de tipo regional o general. En relación con las evaluaciones funcionales y estructurales del pavimento en servicio, ellas se podrán adelantar mediante procedimientos de bajo costo, incluidos algunos de tipo visual recomendados en la bibliografía especializada.

El procedimiento de diseño de las obras de rehabilitación es el mismo, independientemente del nivel jerárquico de los datos de entrada utilizados. Así mismo, es posible el uso de datos de diferente nivel para cualquier diseño; sin embargo, en este caso se deberá tener en cuenta que la calidad del diseño estará asociada con el menor nivel jerárquico de la información básica suministrada. 1.5. PLAN DE ACCIÓN Las habilidades y el conocimiento ingenieril requeridos para el diseño de las obras de rehabilitación de un pavimento asfáltico son muy diferentes de los necesarios para el diseño y construcción nuevos, lo que genera nuevos retos y responsabilidades a los ingenieros. Es indispensable, por lo tanto, que el proyectista esté debidamente familiarizado con los conceptos técnicos y con la información que se requiere para diseñar y construir obras de rehabilitación de pavimentos. Debido a su amplitud y complejidad, no todos los aspectos técnicos alcanzan a ser tratados en una guía de reducida extensión. No obstante, este documento hace énfasis en los conceptos técnicos más importantes y en la información relevante que debe ser obtenida y considerada en todo trabajo de esta índole en las carreteras nacionales. Con el propósito de que los estudios de rehabilitación que sean elaborados para el Instituto Nacional de Vías conserven un esquema coherente en los aspectos conceptuales y ordenados en relación con su presentación, en la Figura 1.1 se establece el orden en el cual se debe obtener y procesar la información. Tal como lo muestra la figura, el trabajo de diseño se debe desarrollar en seis etapas, conforme se resume a continuación y se trata en detalle en los capítulos siguientes. Una séptima etapa, relacionada con la construcción de las obras y el seguimiento


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de su comportamiento durante el tiempo, necesaria para retroalimentar el sistema, excede el alcance de esta guía. Posteriormente, a través de sus dependencias regionales y de los Administradores de Mantenimiento Vial, el Instituto Nacional de Vías realizará el seguimiento a las obras construidas, con el fin de verificar su comportamiento y obtener información que permita aplicar la experiencia obtenida en los futuros proyectos de mantenimiento y rehabilitación de los pavimentos asfálticos de la red vial nacional. 1.6. PERÍODO DE DISEÑO DE LAS OBRAS DE REHABILITACIÓN DEL PAVIMENTO En el estado actual de la práctica de la ingeniería de pavimentos, en el que las actividades de planeación, diseño, construcción, mantenimiento y rehabilitación se deben vincular dentro de un marco único de carácter integral, el diseñador de la estructura tiene la libertad de considerar múltiples estrategias alternativas de actuación durante un período de análisis relativamente prolongado -restringido únicamente por las limitaciones tecnológicas, ambientales y presupuestales- las cuales somete a un análisis de costos durante el ciclo de vida, de manera de recomendar aquella que, considerando las posibilidades y las restricciones, resulte más favorable para la comunidad. Sin embargo, estos sistemas, que desde los puntos de vista conceptual y técnico están razonablemente bien resueltos, encuentran dificultades insalvables de aplicación en países en desarrollo con situaciones inestables en los campos económico y social, debido a la permanente incertidumbre existente en relación con la asignación de recursos a mediano o inclusive a corto plazo para el mantenimiento de la infraestructura carretera. Ante esta realidad, y en tanto se logren implementar las soluciones institucionales requeridas para superar estas restricciones, la opción que se recomienda en este manual consiste en el diseño y comparación de alternativas técnicamente viables de rehabilitación, de acuerdo con la capacidad estructural y funcional del pavimento por intervenir y la disponibilidad inmediata de fondos para su materialización, realizando un análisis de costos durante el ciclo de vida de ellas, suponiendo unas condiciones razonables de intervención en el futuro, con la expectativa de que en los años venideros se logre consolidar una política de compromiso gubernamental a largo plazo para el mantenimiento de la red vial nacional.


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Figura 1.1. – Proceso del diseño de la rehabilitación del pavimento


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En este orden de ideas, la Tabla 1.1 presenta los períodos de diseño que se proponen para el diseño de las obras iniciales de rehabilitación de los pavimentos asfálticos de la red vial nacional, adaptando en ella la clasificación vial establecida en las “Especificaciones generales de construcción de carreteras” del INVÍAS y teniendo en cuenta, además, el hecho de que la entidad administra en la actualidad la red carretera terciaria del país. Aunque la Tabla 1.1 señala con un número preciso los años del “periodo de diseño”, este no debe ser interpretado como un lapso exacto y perentorio, sino como sinónimo de un “período de análisis de tránsito”, es decir, como el lapso que transcurre entre la puesta en servicio de las obras de rehabilitación y el instante en el cual haya circulado sobre ellas el número de ejes equivalentes estimado al efectuar el análisis de tránsito.

Tabla 1.1. Períodos de diseño de las obras de rehabilitación de los pavimentos asfálticos de las

carreteras nacionales

ALTERNATIVA DE REHABILITACIÓN

CATEGORÍA DEL TRÁNSITO

NT1 NT2 NT3

Caminos rurales con tránsito medio y bajo

Colectoras interurbanas, caminos rurales e industriales

principales

Autopistas interurbanas, caminos

interurbanos principales

NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES DE 80 kN EN EL CARRIL DE DISEÑO DURANTE EL PERÍODO DE DISEÑO DE LAS OBRAS DE REHABILITACIÓN

< 0.5*106 0.5*106 – 5*106 > 5*106

PERÍODO DE DISEÑO (años)

Restauración Depende de las técnicas de intervención

Refuerzo 8 10 12

Reciclado 10 15 20

Reconstrucción 10 15 20

PARTE 2

Recolección de Información


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Parte 2 – Recolección de información

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PARTE 2 RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN

2.1. GENERALIDADES

La recolección de información sirve tres importantes propósitos para el proceso de evaluación y estudio de las soluciones potenciales para la rehabilitación de un pavimento asfáltico:

- Suministra la información cualitativa requerida para determinar las causas del deterioro del pavimento y para desarrollar alternativas adecuadas para reparar los daños y prevenir su recurrencia.

- Proporciona la información cuantitativa requerida para el diseño de las obras (espesores de refuerzo, por ejemplo) y estimar las cantidades de obra por ejecutar, así como para valorar la tasa de deterioro del pavimento y calcular las consecuencias económicas de un atraso en la ejecución de las obras.

- Permite la comparación de los costos de los ciclos de vida de las diversas estrategias consideradas como factibles.

Tanto en la evaluación del pavimento como en el diseño de las obras, el objetivo del ingeniero vial es, fundamentalmente, económico, aunque sin soslayar los aspectos ambientales y sociales del proyecto. Para alcanzarlo, deberá realizar el uso más eficiente de los recursos disponibles que le permita obtener datos confiables que, a su vez, se traduzcan en alternativas de diseño técnica, económica, social y ambientalmente idóneas. La información específica por recolectar no es la misma para todos los proyectos. Así, por ejemplo, si los niveles de deformación superficial son tan considerables que permiten concluir la necesidad de una reconstrucción parcial o total de la


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estructura, las medidas de rugosidad, deflexión y fricción carecen de relevancia. Si, por ejemplo, en un proyecto se considera la opción de reciclado de la capa superficial, será necesario tomar muestras del material que la constituye y realizar un diseño para determinar si la nueva mezcla resulta apropiada para soportar el tránsito que circulará sobre la estructura rehabilitada. La Tabla 2.1, adaptada de una similar incluida en la Guía de diseño de pavimentos AASHTO-93 (ref. 2.1), resume la información requerida para las diferentes alternativas de acción que se plantean en esta Guía. Los datos están clasificados como necesarios, deseables o normalmente innecesarios. El tamaño del proyecto suele determinar la cantidad de recursos que se debe invertir en un estudio de rehabilitación. Las vías principales, las cuales soportan los mayores volúmenes de tránsito, requieren una evaluación más amplia y más detallada que las de bajo tránsito. Ello no significa, en modo alguno, que la recolección de información sea menos importante en estas últimas, sino que los efectos de los daños prematuros en las vías más importantes tienen implicaciones de mayor severidad. Todos los datos que se obtengan deberán ser analizados de manera cuidadosa y sistemática. Los procedimientos para ello, variarán de un pavimento a otro, dependiendo de los hallazgos durante el proceso de recolección de la información. Muchos de los datos pueden ser obtenidos en las dependencias del Instituto Nacional de Vías a partir de la información que, de manera rutinaria, se recolecta en las carreteras nacionales. Otros, requerirán de la ejecución de pruebas combinadas de campo y laboratorio. REFERENCIAS 2.1 AASHTO, “AASHTO guide for the design of pavement structures”, Washington, 1993


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19

CAPÍTULO 1 DEFINICIÓN DEL SECTOR VIAL

El sector vial objeto del estudio deberá ser localizado dentro de la geografía regional, identificado de acuerdo con la nomenclatura oficial del INVÍAS y sus límites han de ser definidos según los postes de referencia instalados por la entidad, tal como lo muestra el ejemplo de la Figura 2.1.1.

Figura 2.1.1. – Ubicación del sector objeto del estudio de rehabilitación, comprendido entre el PR 94 y el PR 114 del tramo 2514 de la ruta 25 de la red vial nacional


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21

CAPÍTULO 2 RECOLECCIÓN DE ANTECEDENTES

Los datos por recolectar en esta primera etapa se refieren a los estudios y diseños geométricos, hidráulicos y del pavimento original, informes técnicos de la interventoría de las obras, planos “record”, informes sobre actividades posteriores de mantenimiento y rehabilitación, características de las obras de drenaje superficial y subterráneo construidas, condiciones climáticas prevalecientes, tránsito circulante, accidentalidad, etc. Todos estos datos deberán ser considerados con la debida precaución, pues no siempre resultan confiables, debido a la posibilidad de discrepancias entre los registros de la construcción y mantenimiento y las características de la estructura real. Por lo tanto, ellos requieren validación con el resto de la información que se obtenga en desarrollo de la Primera Etapa. La recolección de antecedentes permite realizar una definición preliminar de unidades de análisis, caracterizadas por una combinación única de los diferentes factores considerados, como lo muestra la Figura 2.2.1. La exactitud de la definición de las unidades definitivas de diseño de las obras dependerá, en buena parte, de la precisión de la información histórica. Si esta última es abundante y confiable, su contribución será mucho más valiosa y precisa que la que se puede lograr a partir de observaciones y evaluaciones actuales, por cuanto los cambios de algunos de los factores antes citados, no siempre resultan evidentes a través de la observación.


22

Longitud del proyecto PR94 PR 114

Historia de la construcción y del mantenimiento

REC – 5 (reconstrucción

hace 5 años)

OR – 12 (pavimento original – 12 años)

REF – 3 (refuerzo –

3 años)

Estructura del pavimento actual

E 1

E 2

E 3

E 4

Subrasante

S 1

S 2

Tránsito actual

T 1

T 2

Unidades preliminares de análisis

U 1 REC – 5

E 1 S 1 T 1

U 2 OR-12

E 2 S 1 T 1

U 3 OR – 12

E 2 S 2 T 1

U 4 OR – 12

E 3 S 2 T 1

U 5 REF – 3

E 4 S 2 T 2

Figura 2.2.1. – Definición de unidades de análisis preliminares


23

CAPÍTULO 3 GUÍAS PARA EL ANÁLISIS DEL TRÁNSITO

2.3.1. Introducción

Una correcta planificación de las mejoras de un pavimento exige, además del conocimiento de las condiciones físicas y estructurales de la carretera, una apropiada valoración del tránsito pasado, actual y futuro de la misma [ref. 2.3.1]. Desde el punto de vista estructural, la estimación del tránsito requiere, en los términos en los cuales está elaborada la presente guía, una estimación el número de ejes circulantes por carril y su distribución en diferentes grupos de carga, para la actualidad y para la vida futura del diseño. En algunos casos, también es necesario conocer el tránsito acumulado que ha soportado el pavimento hasta el instante de la construcción de las obras de rehabilitación. La tendencia cada vez más acentuada hacia la aplicación de métodos mecanicistas para el diseño de pavimentos asfálticos y de sus rehabilitaciones, exige una consideración directa y precisa de la relación existente entre las cargas por eje y los factores que determinan la vida de estas estructuras. En tal sentido, cada vez resulta más necesario el conocimiento del espectro real de las cargas por eje aplicadas al pavimento por el flujo de tránsito prevaleciente o estimado hacia el futuro, tal como lo plantean, desde hace varios años, algunos métodos de diseño de pavimentos de hormigón. La precisión en el pronóstico del tránsito bajo este último principio, sólo tiene un razonable margen de confianza si se dispone de información permanente sobre el número y el tipo de vehículos que circulan por las vías, así como sobre la configuración y los pesos de los ejes de los diferentes grupos vehiculares. Esta información solamente es posible recabarla a través de conteos automáticos y sistemas de pesaje de vehículos en movimiento. Aunque este procedimiento resulta el más apropiado en el estado actual del conocimiento, su aplicabilidad no es practicable a corto plazo en países que carezcan de la logística necesaria para obtener información permanente y confiable sobre los volúmenes vehiculares y sobre los espectros de cargas en sus redes de carreteras. Por este motivo, en la elaboración de esta Guía se ha conservado el criterio tradicional de los ejes simples equivalentes.


24

En consecuencia con lo anterior y teniendo en cuenta, además, los niveles de tránsito tan variables que soporta la red de carreteras a cargo del INVÍAS, la presente Guía metodológica define tres niveles jerárquicos de información respecto de la calidad de los datos de entrada para el análisis del tránsito con fines del diseño de las obras de rehabilitación de los pavimentos asfálticos de las carreteras nacionales. Estos niveles representan el grado de aproximación con el cual el diseñador puede estimar la variable tránsito para el diseño de las obras en el sector vial objeto del estudio. En términos amplios, ellos se definen así:

- Nivel 1, cuando existe un conocimiento aceptable de las características del

tránsito pasado y previsto. Este conocimiento “aceptable” implica disponer de información confiable sobre la evolución reciente de los volúmenes de tránsito en el sector del proyecto, discriminados por tipos de vehículos; así como datos reales y recientes sobre las cargas por eje circulantes por el sector vial.

- Nivel 2, cuando existe un conocimiento modesto de las características del

tránsito pasado y previsto. Este conocimiento “modesto” implica disponer de información confiable sobre la evolución reciente de los volúmenes de tránsito en el sector del proyecto, discriminados por tipos de vehículos; en tanto que, respecto de la magnitud de las cargas por eje de los vehículos pesados, se admite el uso de información proveniente de otras carreteras con características similares de uso por parte de los buses y camiones.

- Nivel 3, cuando el conocimiento de las características del tránsito pasado y previsto es deficiente. Es el caso típico de las carreteras con bajos volúmenes de tránsito, en las cuales el INVÍAS no ha establecido estaciones de conteo y en las que, por supuesto, tampoco existe información alguna sobre la magnitud de las cargas circulantes, resultando aceptable el uso de factores promedio sobre equivalencias de cargas por eje, de origen regional o nacional.

Independientemente del nivel correspondiente a los datos de tránsito que se utilicen, los diseños exigen la obtención del tránsito de diseño en términos de ejes equivalentes, de acuerdo con las definiciones y el procedimiento que se describen en el presente capítulo. 2.3.2. Tránsito Promedio Diario Anual (TPDA)

Según se define en los boletines anuales sobre volúmenes de tránsito publicados por el INVÍAS, el tránsito promedio diario es el número total de vehículos que pasan durante un período dado, en días completos, igual o menor a un año y mayor


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que un día, dividido entre el número de días del período. Los boletines del INVÍAS presentan información referente a tres tipos de tránsitos promedios diarios, así: - Sobre el tránsito promedio anual (TPDA) y el tránsito promedio diario mensual

(TPDM), en los tramos de la red a su cargo en los cuales tiene instaladas estaciones de peaje. La información presentada en los boletines en relación con estos tránsitos no discrimina los vehículos por tipo, pero ella es posible obtenerla en las oficinas centrales del INVÍAS.

- Sobre el tránsito promedio diario semanal (TPDS), en más de 800 estaciones de

conteo manual, distribuidas en cerca de 20,000 kilómetros de la red vial nacional. Esta información aparece discriminada, tanto por tipo de vehículo (liviano, bus y camión), como por tipo de camión (clases 2P, 2G, 3/4, 3S2, 3S3). Así mismo, junto con el TPDS de cada estación, se informa su valor de desviación estándar (s), el cual mide la dispersión de los tránsitos de los 7 días de la semana del conteo, en relación con el promedio semanal.

La precisión en las proyecciones de tránsito está necesariamente ligada a la calidad de los datos con los cuales se realizan. El valor del TPDA constituye, sin duda, la mejor información en este sentido (nivel 1); sin embargo, debido a que ella es recabada sólo en muy pocos sectores de la red vial nacional, será mucho más frecuente disponer de los valores del TPDS. En los estudios de rutina para el diseño de obras de rehabilitación de los pavimentos asfálticos de las carreteras nacionales y salvo que el INVÍAS determine lo contrario, el valor del TPDS se podrá asumir como representativo del TPDA. Esta suposición implica ubicarse en el nivel 2 de la información sobre tránsito. Las técnicas estadísticas aplicadas a la ingeniería de tránsito permiten expandir los valores de tránsito promedio diario semanal (TPDS) a valores de tránsito promedio diario anual (TPDA), considerando que muestras de datos sujetas a las mismas técnicas de análisis, posibilitan la generalización del comportamiento de una población, siempre que se haga un análisis previo de la variabilidad de ellas para poder afirmar, con cierto nivel de confiabilidad, que sus resultados pueden ser aplicados a otras muestras o al universo de la población. Mediante este principio y con ciertas limitaciones, los volúmenes de TPDS (media muestral) pueden ser utilizados para estimar un rango dentro del cual se puede encontrar el TPDA (media poblacional). Este último valor, por su carácter universal, permite un mejor conocimiento del comportamiento del tránsito. La expresión por aplicar, es la siguiente:


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1N

nN

n

szTPDSTPDA c

Donde: zc: Valor crítico o coeficiente de confianza, dependiente del nivel de confianza deseado. Para una distribución normal y un nivel de confianza de 90 %, zc = 1.64. Si el nivel de confianza se aumenta a 95 %, zc = 1.96.

s: Desviación estándar de la muestra.

Donde n: Tamaño de la muestra (7 días). N: Tamaño de la población (número de días del año). TDi: Volumen de tránsito del día “i”.

En el Ejercicio 1 del Anexo A se presenta un ejemplo sobre la utilización de estas expresiones. Ellas, sin embargo, deberán ser tratadas de manera muy cuidadosa, por cuanto el tránsito vehicular por las carreteras colombianas no tiende a la constancia durante todo el año, sino que presenta algunos picos muy marcados, principalmente en épocas vacacionales o de cosechas agrícolas. Por este motivo, los volúmenes del tránsito promedio diario que caracterizan cada mes suelen ser diferentes. Por otra parte, las campañas de conteo manual del INVÍAS no siempre se efectúan en semanas pertenecientes a los meses en los cuales el tránsito representa razonablemente el promedio anual, por cuanto ellas dependen, fundamentalmente, de la disponibilidad presupuestal para su ejecución. Por lo tanto, la expansión del TPDS a TPDA mediante estas expresiones no implica un mejoramiento en el nivel jerárquico de la información. Las variaciones mensuales del tránsito por las carreteras nacionales quedan demostradas al comparar los valores de TPDS con los de TPDA en todos los sectores de la red vial en los cuales el INVÍAS y el INCO disponen de ambos datos. Con fines ilustrativos, en la Tabla 2.3.1 se presentan los “factores de estacionalidad mensual” (TPDM/TPDA) obtenidos durante los años 2002 y 2003 en la estación

1n

TPDS)(TDis

2


27

“Carimagua”, ubicada en el PR 60 del sector Caucasia – Sincelejo. Como se puede apreciar en ella, el tránsito circulante entre Junio y Noviembre se asemeja razonablemente al promedio anual (Factor de estacionalidad mensual cercano a 1.0), en tanto que en los demás meses, en especial en Enero, Mayo y Diciembre, las diferencias tienden a ser importantes.

Tabla 2.3.1. Relaciones TPDM / TPDA en la estación Carimagua

AÑO MES

E F M A M J J A S O N D

2002 1.23 0.92 0.98 0.96 0.88 0.97 1.03 0.98 0.96 0.95 0.99 1.16

2003 1.29 0.99 0.91 0.97 0.92 0.96 1.02 0.98 0.97 0.96 1.02 1.23

Promedio 1.26 0.96 0.95 0.97 0.90 0.97 1.03 0.98 0.97 0.96 1.01 1.20

Este tipo de relaciones sólo pueden ser establecidas en Colombia en los sectores viales con estaciones de peaje. La incertidumbre en los sectores donde únicamente se posee información del TPDS se puede manejar aplicando los factores de vías ubicadas en la misma región, con rasgos similares en el comportamiento del tránsito. Este tipo de manejo corresponde a un nivel 2 en la jerarquía de la información. Para las carreteras de la red terciaria no suele existir información oficial sobre los volúmenes de tránsito. No obstante, por las características de ellas, no se requiere un alto grado de fineza en ese sentido (nivel 3 de información). Como se indica en el Manual de Diseño de Pavimentos Asfálticos en Vías con Bajos Volúmenes de Tránsito, publicado por el INVÍAS en 1997, “basta con considerar adecuadamente sus variaciones semanales y de temporada. Los días de mercado representan una proporción importante del tránsito pesado semanal y su efecto se puede compensar mediante dos conteos, uno en un día corriente y otro durante el día de mercado. Como estas carreteras prácticamente no tienen tránsito nocturno, conteos de 16 horas (de 6 a.m. a 10 p.m.) resultan normalmente adecuados y precisos. La temporada agrícola también tiene gran incidencia. Durante y después de las cosechas se presenta un considerable aumento en el tránsito de vehículos pesados, el cual deberá tener en cuenta el diseñador”. El Ejercicio 2 del Anexo A, tomado de la referencia que se acaba de citar, describe un procedimiento simple para estimar un valor razonable del TPDA en una vía de bajo tránsito, correspondiente a la red terciaria.


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2.3.3. Proporción del Tránsito Promedio Diario constituido por vehículos comerciales (VC)

Como las cargas por eje y vehiculares de relevancia para el comportamiento estructural de un pavimento son las correspondientes a los buses y los camiones (vehículos comerciales), los conteos que se realicen con fines de diseño de pavimentos deberán discriminar el tránsito por tipo de vehículo. 2.3.4. Distribución direccional del tránsito de vehículos comerciales (DD)

La distribución direccional (DD) corresponde a la proporción del tránsito de vehículos comerciales que circula en una dirección. Generalmente, se considera que la mitad de ellos circula en cada dirección (DD = 0.50). No obstante, si las observaciones a largo plazo en el lugar indican que la tendencia es diferente, se deberá utilizar el valor observado. El uso del valor observado de largo plazo en el sector vial del proyecto constituye el nivel 1 de la información. La Tabla 2.3.2 muestra, para algunas de las vías nacionales de acceso a Bogotá D.C. [ref. 2.3.2], la distribución direccional del tránsito durante el año 2000, obtenida a partir de los conteos manuales. Se puede advertir que, aunque en algunos casos la distribución fue prácticamente simétrica, la tendencia general de la distribución de los vehículos pesados en las dos direcciones es hacia el desequilibrio, presentándose diferencias de consideración en las proporciones de las diversas clases de camiones en una misma vía. El nivel 2 de información corresponde al uso de factores de distribución direccional de índole regional, en tanto que, a falta absoluta de información confiable sobre el particular, se recomienda adoptar un DD = 0.55 (nivel 3). Este valor es levemente conservativo y concuerda con el adoptado por defecto en la Guía de diseño AASHTO 2002 [ref. 2.3.4].


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Tabla 2.3.2. Distribución direccional del tránsito en cuatro carreteras de acceso a Bogotá D.C. (año

2000)

Carretera DIRECCIÓN %A %B % CAMIONES

2 3 / 4 3S2 3S3

Guaymaral – La Caro Entrada 52.2 48.8 56.3 63.1 57.3 56.5

Salida 47.8 51.2 43.7 36.9 42.7 43.5

Soacha – T del Salto Entrada 50.4 40.3 50.8 49.2 47.8 46.9

Salida 49.6 59.7 49.2 50.8 52.2 53.1

Fontibón – Tres esquinas Entrada 50.4 50.1 53.5 53.5 51.9 51.8

Salida 49.6 49.9 46.5 46.5 48.1 48.2

El Cortijo - Siberia Entrada 47.2 42.9 40.8 38.8 29.6 30.6

Salida 52.8 57.1 59.2 61.2 70.4 69.4

2.3.5. Distribución del tránsito de vehículos comerciales por carril (DC) La distribución del tránsito de vehículos comerciales por carril depende del número de carriles que tenga la carretera en cada dirección. Si bien es evidente que cuando la vía sólo tiene un carril por dirección, éste acoge el 100 % del tránsito circulante en dicha dirección (DC = 1.0), en el caso de vías con más de un carril por dirección, el carril exterior suele conducir un mayor número de vehículos comerciales –y, consecuentemente, un mayor número de ejes simples equivalentes- que el interior, razón por la cual se le denomina “carril de diseño”. En vías de carriles múltiples, los factores de distribución por carril son altamente dependientes de factores relacionados con el tipo y con la localización de la vía y, principalmente, con la cultura de los conductores de los vehículos comerciales. Para este caso, el nivel 1 de información se aplica a factores DC determinados específicamente en el sector vial del proyecto, obtenidos mediante conteos vehiculares de tipo manual o automático. El uso de factores de tipo regional, obtenidos por el mismo procedimiento, constituye el nivel 2 de información, en tanto que el nivel 3 se refiere a recomendaciones de tipo general, como las incluidas en la Tabla 2.3.3, la cual presenta las proporciones de distribución por carril (DC) que recomiendan el manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito del INVIAS [ref. 2.3.3] y el método AASHTO 2002 [ref. 2.3.4], o en la Tabla 2.3.4, donde se muestran las proporciones recomendadas en un estudio del programa NCHRP, realizado hace algunos años en los Estados Unidos de América [ref. 2.3.5].


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Tabla 2.3.3. Factores de distribución por carril (DC) según el Manual de diseño de pavimentos

asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito del INVIAS de 1998 y según el método AASHTO 2002

NÚMERO DE CARRILES EN CADA DIRECCIÓN

FACTOR DE DISTRIBUCIÓN PARA EL CARRIL DE DISEÑO (DC)

INVIAS AASHTO 2002

1 1.0 1.0

2 0.90 0.9

3 0.75 0.6

4 Sin información 0.4

Tabla 2.3.4. Factor de distribución por carril (DC) según el NCHRP Report 277

(ref. 2.3.5)

TPD EN UNA DIRECCIÓN

2 CARRILES POR DIRECCIÓN

3 CARRILES POR DIRECCIÓN

INTERIOR EXTERIOR INTERIOR CENTRAL EXTERIOR

2000 4000 6000 8000

10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 50000 60000 70000 80000

100000

0.06 0.12 0.15 0.18 0.19 0.23 0.25 0.27 0.28 0.30 0.31 0.33 0.34

- - -

0.94 0.88 0.85 0.82 0.81 0.77 0.75 0.73 0.72 0.70 0.69 0.67 0.66

- - -

0.06 0.06 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.08 0.09

0.12 0.18 0.21 0.23 0.25 0.28 0.30 0.32 0.33 0.34 0.35 0.37 0.39 0.40 0.41 0.42

0.82 0.76 0.72 0.70 0.68 0.65 0.63 0.61 0.59 0.58 0.57 0.55 0.53 0.52 0.51 0.49


31

2.3.6. Distribución de los vehículos comerciales por clases

Por la variedad de su tamaño y de las configuraciones de sus ejes, los efectos de los distintos tipos de camiones sobre las estructuras de los pavimentos son diferentes. De ahí la conveniencia de establecer la proporción en que cada tipo de camión circula sobre el segmento objeto del diseño. La clasificación de los vehículos en Colombia se encuentra reglamentada por ICONTEC [ref. 2.3.6], y corresponde a la representada parcialmente en la Figura 2.3.1 para los camiones. Ella fue acogida por el Ministerio de Transporte en la Resolución 4100 del 28 de diciembre de 2004, mediante la cual se adoptaron los límites de pesos y dimensiones en los vehículos de transporte terrestre automotor de carga por carretera.

CLASE ESQUEMA CLASE ESQUEMA

2

2S3

3

3S1

2S1

3S2

2S2

3S3

Figura 2.3.1. – Clasificación de los camiones (sólo incluye los más frecuentes en las carreteras nacionales)

Los datos de nivel 1 sobre la distribución de los vehículos comerciales por clases serán aquellos obtenidos en el sector vial del proyecto como resultado de conteos vehiculares, en tanto que los de nivel 2 corresponderán a extrapolaciones de información de tipo regional. Por su parte, el nivel 3 estará constituido por datos fijados con base en la experiencia local, o extraídos de información consolidada de carácter nacional. 2.3.7. Evolución histórica del tránsito automotor El Instituto Nacional de Vías posee registros anuales continuos del tránsito promedio diario semanal, en la mayoría de las carreteras nacionales, desde 1968. Cuenta, además, con información sobre el TPDA en los puntos donde tiene


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instaladas estaciones de peaje. Toda esta información es apropiada para conocer el tránsito que ha circulado por los pavimentos y para realizar las proyecciones hacia el futuro, requeridas para el diseño de las obras de mantenimiento y de rehabilitación. Como solamente los buses y los camiones (vehículos comerciales) son tenidos en cuenta en los análisis de tránsito referentes a las estructuras de los pavimentos, cuando se vayan a estudiar tendencias y a realizar proyecciones afines a los propósitos de esta Guía, se deberá extractar de los boletines de tránsito del INVIAS la parte pertinente a la evolución que ha tenido el tránsito de dichos vehículos (discriminada por tipo de vehículo, siempre que ello resulte posible) desde las últimas obras de importancia a que haya sido sometida la calzada (construcción nueva o rehabilitación, según el caso). Estos datos, representados gráficamente como se muestra en la Figura 2.3.2, proporcionan una excelente visual de la tendencia histórica y permiten adoptar decisiones respecto de sus posibilidades hacia el futuro.

Figura 2.3.2. – Evolución histórica del tránsito de distintos tipos de vehículos por las carreteras colombianas

Las Tablas 2.3.5 y 2.3.6 presentan la evolución que ha tenido en los últimos 30 años la distribución vehicular sobre las carreteras de la red nacional. En la primera se aprecia que, proporcionalmente, el tránsito de vehículos comerciales ha decrecido, mientras la segunda muestra que, dentro del conjunto conformado por los


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camiones, se ha venido presentando una tendencia creciente hacia la participación de aquéllos de mayor tamaño, en razón de su mayor eficiencia en recorridos de media y de larga distancia.

Tabla 2.3.5. Distribución del tránsito por tipo de vehículo en la red vial nacional

AÑO % VEHÍCULOS

LIVIANOS % BUSES % CAMIONES

1975 1980 1985 1990 1996 2000 2003

46.5 52.5 58.6 60.2 62.1 64.1 62.5

13.9 12.3 11.0 9.2 8.3 9.0

10.6

39.6 35.2 30.4 30.6 29.6 26.9 26.9

Tabla 2.3.6.

Composición de la flota de camiones circulante por la red vial nacional

CAMIÓN PROPORCIÓN CIRCULANTE (%)

1981 1986 1990 1997 2003

2 3

3S2 3S3

Otros

79.5 8.6 8.9 0.0 3.0

77.4 8.4

12.6 0.7 0.9

77.2 7.6

10.8 3.8 0.6

70.5 9.8 9.7 8.9 1.0

64.0 9.7

10.7 15.4 0.2

Los registros del INVÍAS permiten advertir, además, que a medida que el tránsito promedio diario de las vías es mayor, situación típica en las vías de acceso a los grandes centros urbanos del país, la proporción de vehículos livianos aumenta considerablemente (Tabla 2.3.7) [ref. 2.3.7]. El conocimiento del tránsito que ha circulado durante los años previos al instante del estudio para el diseño de obras de rehabilitación es importante, por cuanto contribuye en la determinación de la eventual vida residual del pavimento. La información incluida en los boletines de tránsito del INVÍAS y los factores de deterioro disponibles (preferiblemente discriminados por tipo de vehículo comercial), son los datos requeridos para realizar la estimación, tal como se indica en un ejemplo que se presenta más adelante.


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2.3.8. Factor vehicular de deterioro (Factor Camión) El factor vehicular de deterioro se puede definir como el número de ejes simples, de rueda doble, de 80 kN (8.2 toneladas), que producirían en el pavimento un deterioro equivalente al ocasionado por la circulación de un vehículo comercial. El proceso de determinación de dicho factor requiere algunas consideraciones previas.

Tabla 2.3.7. Tránsito promedio diario por rangos y composición

(Año 1996)

RANGO DE TPD COMPOSICIÓN LONGITUD CARRETERAS

EN EL RANGO DE TPD (km)

% LONGITUD EN EL RANGO %A %B %C

0 – 500 501 – 1000

1000 – 1500 1501 – 2000 2001 – 3000 3001 – 5000

5001 – 10000 10001 - 15000 15001 – 25000

> 25000

55 66 63 60 61 61 67 70 73 77

11 6 8 9 8 8 8

10 10 10

34 28 29 31 31 31 25 20 17 13

5470 2872 1833 1930 2036 2031 988 282 11 34

31.3 16.4 10.5 11.0 11.6 11.6 5.6 1.6 0.6 0.2

2.3.8.1. Carga equivalente para diseño Todo vehículo que hace uso de un pavimento produce en las diferentes capas de éste y en la subrasante, esfuerzos, deformaciones y deflexiones, infligiendo una cantidad infinitesimal de deterioro en la estructura. A medida que las repeticiones de carga se acumulan, también lo hacen las cantidades de deterioro, reduciendo así la vida del pavimento. Diferentes tipos de vehículos y de configuraciones de ejes, producen efectos diferentes, los cuales se traducen en distintos niveles de deterioro en el pavimento. Debido a la dificultad que entraña la estimación del deterioro causado por cada uno de los vehículos que utiliza un pavimento, los expertos encontraron apropiado expresar la cantidad de deterioro producida por cada carga real, en términos de la cantidad equivalente de deterioro ocasionada por una carga de referencia. La carga de referencia utilizada para el diseño y evaluación de pavimentos asfálticos por la


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mayoría de agencias viales y métodos de diseño de pavimentos, es un eje simple, con sistema de rueda doble, de 80 kN (8.2 toneladas). Dicha carga fue adoptada en Colombia hace muchos años y con base en ella se elaboró el manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito del Instituto Nacional de Vías [ref. 2.3.3]. Es, también, la carga de referencia que se utiliza para los propósitos de esta Guía metodológica. 2.3.8.2. Concepto del factor de equivalencia de carga por eje (FECE) La base para la conversión de las cargas reales del tránsito en aplicaciones equivalentes de la carga de referencia fue desarrollada a partir de los datos obtenidos en el AASHO ROAD TEST, realizado en Ottawa, Illinois, entre 1958 y 1960 [ref. 2.3.8]. En dicha prueba, pavimentos construidos con iguales diseños fueron sometidos a la acción de diferentes cargas y configuraciones de ejes, de manera que se pudiera determinar el efecto producido por cada tipo de eje y cada magnitud de carga sobre el deterioro del pavimento, expresado en términos de pérdida del índice de servicio presente (ISP). Así, el factor de equivalencia de carga por eje (FECE) fue finalmente definido mediante la expresión:

lidadserviciabi de pérdida igual producen que j, iónconfigurac y magnitud de ejes de Número

lidadserviciabi de pérdida cierta producen que referencia de ejes de NúmeroFECE

Para explicar el significado de esta expresión, considérense dos pavimentos idénticos sometidos a la acción de dos ejes del mismo tipo, cuya carga es de diferente magnitud. Supóngase que en el primero, la acción de 100,000 aplicaciones de un eje simple de rueda doble de 80 kN (8.2 T) produjo una caída del índice de servicio presente de 4.2 a 2.5, mientras que el segundo soportó 10,000 aplicaciones de un eje simple de rueda doble de 142 kN (15.5 T) antes de sufrir la mima pérdida en el índice de servicio. En consecuencia, el factor de equivalencia de carga por eje (FECE) es:

FECE = 100,000 / 10,000 = 10 Lo que significa que una pasada de un eje simple de rueda doble de 142 kN (14.5 T) produce en el pavimento la misma cantidad de deterioro que 10 pasadas de un eje simple de rueda doble de 80 kN (8.2 T). Es importante señalar que la AASHO determinó que estos factores de equivalencia de carga por eje son función, tanto del tipo de pavimento, como de la condición


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estructural del mismo, del sistema de eje (simple, doble, triple o cuádruple), de la magnitud de la carga por eje y del índice de servicio final que se considere. Tablas con valores de los factores de equivalencia de carga por eje (FECE), para diversas combinaciones de las variables citadas, se encuentran en la Guía de diseño de pavimentos de la AASHTO, versión 1993 [ref. 2.3.9]. Desde un punto de vista más práctico y más fácil de comprender, los FECE se expresan en términos de la magnitud de las cargas involucradas en su cálculo, las cuales deben corresponder a la misma configuración de eje. En ese orden de ideas, una expresión equivalente a la anterior, es la siguiente:

n

Pr

PiFECE

Donde “n” es un coeficiente obtenido empíricamente. Para los mismos datos del problema resuelto atrás, se tendría:

10 = (142 / 80)n De donde: n = 4.01 El valor numérico de “n” no es absolutamente constante, aunque oscila dentro de un entorno más o menos restringido y cercano a 4 para los pavimentos asfálticos de estructura flexible, lo que ha llevado a la mayoría de los diseñadores a recomendar la adopción de un exponente igual a “4” en la solución de los problemas rutinarios de estos pavimentos. Por ese motivo, esta ecuación es conocida como de “ley de la cuarta potencia”. En el caso de los pavimentos asfálticos con capas ligadas hidráulicamente, se ha determinado que el factor exponencial es mucho más elevado (entre 8 y 12) [ref. 2.3.10], lo que implica que al diseñar estas estructuras, las cargas pesadas son determinantes, aunque su presencia sea poco frecuente.

2.3.8.3. Los sistemas de ejes de los vehículos automotores El deterioro que sufre un pavimento al ser sometido a cierta carga total, se reduce a medida que la carga se distribuye sobre un mayor número de ejes y de neumáticos. En tal sentido, resulta evidente el beneficio de la distribución de una


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determinada carga sobre un sistema de eje múltiple (tándem, triple o cuádruple) respecto de su distribución sobre un eje simple. Se considera que un sistema de dos ejes simples consecutivos constituye un eje tándem, si las líneas de rotación de los dos ejes están a más de 1016 mm pero a no más de 2438 mm; mientras que tres ejes simples consecutivos constituyen un eje triple o trídem y cuatro consecutivos constituyen un sistema cuádruple, si la separación entre dos ejes consecutivos del respectivo grupo es mayor de 1016 mm, pero no excede de 2438 mm. La Tabla 2.3.8 muestra las cargas de referencia adoptadas por el Instituto Nacional de Vías para los diferentes sistemas de ejes de los vehículos automotores, con propósitos de evaluación y de diseño de pavimentos asfálticos [ref. 2.3.3]. Se considera que cada una de estas cargas da lugar a un FECE unitario, es decir, que produce en un pavimento asfáltico la misma cantidad de deterioro que el eje simple con sistema de rueda doble de 80 kN (8.2 T). En Colombia aún no circulan los ejes cuádruples; sin embargo, en el instante en que lo hagan, será necesario considerarlos de manera independiente.

Tabla 2.3.8. Cargas de referencia adoptadas por el Instituto Nacional de Vías para el diseño de

pavimentos asfálticos [ref. 2.3.3]

TIPO DE EJE CARGA DE REFERENCIA

kN T

Simple de rueda simple 65 6.6

Simple de rueda doble 80 8.2

Tándem de rueda doble 146 15.0

Triple de rueda doble 225 23.0

2.3.8.4. Obtención de la información sobre las cargas por eje y vehiculares La disponibilidad de datos precisos y representativos sobre los pesos por eje de los buses y de los camiones es crítica en la estimación de las cargas del tránsito. Los tipos de ejes y las magnitudes de sus cargas tienen un impacto muy importante en relación con su efecto sobre el pavimento. Se debe tener presente que el tipo y el peso de cada eje resultan más críticos para el pavimento que el peso total del mismo vehículo. Dos camiones distintos pueden transmitir el mismo peso total al


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pavimento, pero causar en éste un efecto muy diferente, dependiendo de la configuración de sus ejes y de la distribución de la carga sobre ellos. Para explicar lo anterior, considérense dos camiones con un peso total de 145 kN. El primero de clase “2” (antiguo C2) con un eje simple direccional de 65 kN y un eje trasero, también simple, de 80 kN; en tanto que el segundo, de clase “3” (antiguo C3), también tiene un eje delantero de 65 kN, mientras que el trasero es un sistema tándem de 80 kN. Como lo muestra la Tabla 2.3.9, mientras el impacto del primero equivale al de 2 ejes simples de 80 kN, el del segundo es tan sólo de 1.09, a pesar de que los dos transitan con el mismo peso total.

Tabla 2.3.9. Comparación del efecto producido sobre un pavimento flexible por una misma carga

vehicular total, distribuida mediante diferentes sistemas de ejes

CAMIÓN EJE PESO DEL EJE

(kN)

FECE (LEY DE LA 4ª

POTENCIA)

2 Simple direccional Simple no direccional

65 80

1.0 1.0

Equivalencia en ejes de 80 kN (8.2 T) 2.0

3 Simple direccional Tándem

65 80

1.0 0.09

Equivalencia en ejes de 80 kN (8.2 T) 1.09

En lo que respecta a la recolección de datos sobre pesos por eje, ella se realiza en tres tipos de básculas: (i) estáticas o fijas, (ii) portátiles y (iii) de peso en movimiento o weight-in-motion (WIM). Básculas estáticas Son básculas de tipo fijo, que se instalan al lado de las carreteras, en las cuales se pesan únicamente los camiones que circulan por dichas vías (Figura 2.3.3). Existen muchas dificultades con la confiabilidad de los datos de este tipo de básculas para los análisis requeridos con propósitos de diseño de pavimentos. Si su operación no es continua, los datos recolectados representan solamente una muestra muy limitada de las cargas reales de los camiones, durante determinados días del mes. Así mismo, siempre que les resulta posible, los conductores de los camiones sobrecargados buscan circular por vías alternas durante los días en los que las


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básculas están en operación, lo que le resta fidelidad a la información obtenida. La información obtenida con estas básculas se considera de nivel 2.

Figura 2.3.3. – Báscula estática

Básculas portátiles Son las más utilizadas por el Instituto Nacional de Vías durante sus campañas periódicas de recolección de datos de carga vehicular (Figura 2.3.4). Aunque presentan la ventaja de la facilidad de su instalación y de la ejecución de los operativos, lo que brinda la posibilidad de obtener datos de carga en muchas carreteras del país a un costo relativamente bajo, la información que se obtiene se encuentra afectada por los mismos problemas que se presentan con las básculas estáticas. En primer lugar, los datos comprenden una muestra muy limitada de la flota vehicular y, por lo tanto, pueden no ser representativos de las condiciones reales. Ello se debe a que, por la reducida duración de los operativos –no suele exceder de 15 días- se pudiera requerir la aplicación de ajustes de tipo estacional. Así mismo, los conductores de los camiones, al enterarse de la existencia de los operativos, buscan vías alternas y, en caso de no encontrarlas, tienden a reducir el peso vehicular durante el lapso durante el cual operan las básculas. Como en el caso de las básculas estáticas, su información se considera de nivel 2.


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Figura 2.3.4. – Básculas portátiles

Básculas de peso en movimiento (WIM) Este tipo de básculas ha constituido un avance en el análisis de las cargas del tránsito con fines de análisis de ingeniería. Se trata de dispositivos que se instalan en la capa de rodadura del pavimento y registran, de manera permanente, los pesos en movimiento de los vehículos al circular por la carretera (Figura 2.3.5). Este tipo de básculas ofrece un alto grado de flexibilidad y de agilidad en la recolección y el procesamiento de los datos, a la vez que evita las molestias e inseguridades que genera la detención de los vehículos, anula las prevenciones de los transportadores, por cuanto éstos generalmente ignoran su presencia y permite la recolección de un gran número de datos a un costo unitario relativamente bajo. La mayor objeción que presenta su empleo, es la referente a su precisión. Algunas comparaciones que se han realizado entre medidas con básculas fijas y con básculas WIM, muestran diferencias hasta de 8 % en los pesos por eje y hasta de 6 % en los pesos brutos vehiculares. Se debe tener presente que la báscula WIM mide el efecto de una carga dinámica que se desplaza sobre la carretera, la cual puede resultar diferente del peso estático, debido a la rugosidad de la superficie y al sistema de suspensión vehicular. A bajas velocidades y con pavimentos de alta lisura, el ajuste entre los valores determinados por ambos dispositivos es mucho mayor. De todas maneras, los datos obtenidos por este medio son los más representativos de los pesos de los vehículos comerciales circulantes por cualquier sector de carretera, motivo por el cual se considera que su información es de nivel 1.


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Figura 2.3.5. – Báscula de peso en movimiento

El nivel 3 sobre información de cargas por eje corresponde a los casos en los cuales no existe conocimiento específico de la magnitud de las cargas circulantes en el segmento objeto del estudio, debiéndose apelar al uso de datos promedios, provenientes de estudios de tipo regional o nacional u otra información obtenida por defecto. 2.3.8.5. Concepto de los factores vehiculares de deterioro Los factores de equivalencia de carga por eje (FECE) proporcionan una manera de expresar niveles equivalentes de deterioro entre diferentes cargas por eje; sin embargo, resulta mucho más conveniente expresar ese deterioro equivalente en términos de la cantidad de deterioro producida por un vehículo completo. En otras palabras, al sumar los deterioros generados por todos los ejes de un determinado vehículo, se obtiene la cantidad de deterioro producido por una pasada de él sobre el pavimento. Esta adición de efectos está incorporada en el concepto del factor vehicular de deterioro, el cual se define como el número de ejes simples equivalentes de referencia que producen el mismo deterioro en el pavimento que la pasada de un vehículo comercial [ref. 2.3.11]. El factor vehicular de deterioro puede ser calculado para cada tipo de camión o bus; o como un promedio para todo el flujo del tránsito pesado, caso en el cual se conoce como “factor camión”. Aunque la mayoría de los diseñadores colombianos realizan sus cálculos utilizando el segundo de los criterios citados, resulta mucho más recomendable, para los efectos de evaluación y prognosis del tránsito, calcular factores de deterioro independientes para cada tipo de vehículo pesado, en razón


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de la distinta tasa de crecimiento anual que presenta el tránsito de los diferentes vehículos comerciales. La Tabla 2.3.10 muestra los factores vehiculares de deterioro promedios obtenidos para distintos tipos de camiones en algunas encuestas realizadas durante los últimos años en las carreteras nacionales [ref. 2.3.12][ref. 2.3.13][ref. 2.3.14]. Con fines comparativos, las dos últimas columnas de la tabla muestran los valores de este parámetro en las carreteras de Pakistán y los Estados Unidos de América [ref. 2.3.15]. Respecto de los buses, la información disponible en el país es muy limitada, motivo por el cual se acepta el uso de los factores recomendados en el manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito (0.40 para el bus corriente y 1.00 para el bus metropolitano), salvo que se disponga de datos reales para el sector vial objeto de los estudios.

Tabla 2.3.10.

Factores vehiculares de deterioro para diferentes tipos de vehículos

TIPO DE CAMIÓN

FACTOR VEHICULAR DE DETERIORO (EJES SIMPLES DE 80 kN)

MOPT 1992

INVÍAS 1996

INVÍAS 2003

DATOS PAKISTÁN

DATOS USA

2 2.16 3.44 2.15 4.67 0.21

3 4.39 3.76 3.15 8.84 1.59

2 S1 - 3.37 3.13 - -

3 S1 - 2.22 2.33 - -

2 S2 - 3.42 2.27 10.35 1.32

3 S2 4.21 4.40 4.21 14.73 1.39

3 S3 4.42 4.72 5.31 10.90 1.39

Con el fin de disponer de un mayor nivel jerárquico en la información de tránsito y, consecuentemente, alcanzar una mejor calidad en el diseño de las obras de rehabilitación, es recomendable acudir a los datos reales de la carretera específica bajo consideración, siempre que ello resulte posible, pues los promedios nacionales se basan en valores individuales enormemente dispersos, como se puede apreciar en los casos presentados en la Tabla 2.3.11.

Durante los últimos años del siglo XX se advirtieron aumentos de consideración en los factores vehiculares de deterioro para todos los tipos de vehículos pesados, tanto por las mejoras en la fabricación de éstos, como por los incrementos que tuvieron los límites legales de carga y la tendencia a la sobrecarga por parte de los


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transportadores nacionales. Mientras en el año 1970 el Ministerio de Obras Públicas indicaba que un factor camión de 1.5 constituía un razonable promedio para los diseños de los pavimentos de las carreteras nacionales, los datos incluidos en la Tabla 2.3.10 indican que en la actualidad su valor es, cuando menos, 100 % mayor. Es probable que por las limitaciones propias de los vehículos y de la infraestructura vial nacional, no se continúen presentando aumentos sustanciales; sin embargo, de preverse, es recomendable considerar tal situación al realizar las proyecciones de las cargas del tránsito.

Tabla 2.3.11. Variabilidad entre los factores vehiculares de deterioro obtenidos en algunos tramos de la

red vial nacional (año 2003)

CARRETERA ESTACIÓN DE

PESAJE

FACTOR VEHICULAR DE DETERIORO SEGÚN CAMIÓN

2 3 3S2 3S3

Manizales - Chinchiná Cenicafé 1.25 2.04 2.75 2.73

Girardot - Bogotá El Salero 2.49 3.54 4.91 5.42

Buenaventura - Mediacanoa Mediacanoa 3.98 5.90 7.78 6.93

Promedio nacional 23 estaciones 2.15 3.15 4.21 5.31

Un aspecto importante, que a menudo es pasado por alto en las evaluaciones del tránsito con propósitos de diseño de pavimentos nuevos y rehabilitados, es el hecho de que, en algunas carreteras, los pesos de los camiones son mayores en una dirección que en la otra, lo que da lugar a factores vehiculares de deterioro diferentes. Los factores camión promedio por dirección en algunas carreteras nacionales durante el año 2000, incluidos en la Tabla 2.3.12, indican que esta situación se presenta con más frecuencia de la que se cree, razón por la cual es necesario que los estudios de tránsito consideren adecuadamente estos desbalances (nivel 1 de información).

Tabla 2.3.12. Factores camión por dirección en algunas carreteras colombianas

(Encuestas del año 2000)

CARRETERA FACTOR CAMIÓN

DIRECCIÓN 1 DIRECCIÓN 2

Bogotá – Tunja Cerritos – Cartago Melgar – Girardot Buga – Buenaventura Bogotá – Honda

3.39 2.21 3.48 5.05 2.96

4.41 3.26 4.59 3.17 3.74


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2.3.8.6. Aplicación de los FECE en el cálculo del factor vehicular de deterioro (Factor Camión)

La determinación del factor camión exige el cómputo de los factores de equivalencia de carga por eje, a través de los cuales el flujo de diferentes cargas por eje se convierte en un número equivalente de aplicaciones de la carga de referencia. Hecho esto, el factor camión se obtiene dividiendo el número de aplicaciones de la carga de referencia por el número de camiones que se pesaron. Por ejemplo, considérese la información que muestra la Tabla 2.3.13, recolectada al pesar 220 camiones en un segmento específico de una vía pavimentada. Un ejemplo completo del cálculo del factor camión para un pavimento flexible, a partir de los resultados de un operativo de pesaje, se presenta en Ejercicio 6 del Anexo A.

Tabla 2.3.13. Ejemplo de cálculo de factor camión

TIPO DE EJE PESO (kN)

NÚMERO DE EJES

FECE (LEY DE LA 4ª

POTENCIA)

NÚMERO DE EJES SIMPLES

EQUIVALENTES DE 80 kN

Simple direccional Simple no direccional Tándem Tándem

65 98 80

213

220 150 50 20

1.0 2.25 0.09 4.45

220 338

5 91

Ejes equivalentes de 80 kN para todos los ejes que se pesaron (1) Total de camiones objeto del pesaje (2) Factor camión = (1) / (2)

654 220 2.97

2.3.9. Conversión del tránsito mixto en aplicaciones equivalentes del eje de referencia

Esta conversión, que se realiza partiendo de los conceptos presentados en los numerales precedentes, permite hacer estimaciones, tanto del tránsito que ya ha circulado sobre el pavimento, como del previsible hacia el futuro. El cálculo se puede realizar de dos maneras: utilizando un factor camión promedio para todos los vehículos comerciales (buses y camiones), o haciendo cálculos individuales por vehículo comercial, aplicando el factor vehicular de deterioro específico de cada uno de ellos. Mientras este último procedimiento es más preciso y más


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recomendable (nivel 1), el primero permite cálculos más rápidos y suficientemente aproximados para la mayoría de los estudios de rutina (niveles 2 y 3). El número de ejes simples equivalentes (NESE) de 80 kN (8,2 T) en el carril de diseño durante un año “i”, se determina mediante la expresión:

NESEi = TPDAi * VC * DD * DC * FC * 365 Donde: NESEi: Número de aplicaciones del eje de referencia en el carril de

diseño durante el año “i”, equivalentes al tránsito real, en cuanto a su efecto sobre el pavimento.

TPDAi: Tránsito promedio diario anual en ambas direcciones, durante

el año “i” (numeral 2.3.2).

VC: Proporción del TPDAi, en cifras decimales, que está constituida por vehículos comerciales (buses+camiones) (numeral 2.3.3).

DD: Distribución direccional del tránsito de los vehículos

comerciales, en cifras centesimales (numeral 2.3.4).

DC: Proporción, en cifras centesimales, de los vehículos comerciales circulantes en una dirección, que utiliza el carril de diseño (numeral 2.3.5).

FC: Factor vehicular de deterioro (factor camión) (numeral 2.3.8).

Esta expresión está planteada para calcular el número de ejes de acuerdo con el primero de los dos procedimientos descritos antes. Sin embargo, la fórmula también es aplicable para hacer cálculos separados para cada tipo de vehículo comercial de acuerdo con el segundo procedimiento, con algunas precauciones, consistentes en que: (i) en el término VC sólo se debe considerar la proporción del tipo específico de vehículo comercial dentro del flujo general y (ii) en el término FC se utilizará el factor vehicular de deterioro calculado expresamente para ese vehículo comercial. Calculados los NESEj para los diferentes tipos de vehículos comerciales, la suma de ellos dará como resultado el número total de aplicaciones del eje de referencia en el carril de diseño durante el año “i” (NESEi). Para determinar el valor de los NESE durante un lapso de varios años, es preciso realizar el cómputo para cada uno de los años del período, empleando los valores


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del tránsito real si el cálculo se refiere a períodos anteriores o aplicando tasas de crecimiento apropiadas según la tendencia observada en la vía objeto del análisis. La suma de los valores anuales obtenidos, permite obtener el NESE durante el período deseado. El procedimiento para ello se describe a continuación mediante un sencillo ejemplo. Considérese una carretera de dos carriles en la cual el factor de distribución direccional del tránsito (DD) es 0.50, sometida a trabajos de rehabilitación que se terminaron hace 5 años (n-5), en la cual se presentó desde entonces la evolución del tránsito promedio diario (TPDS, por cuanto el tramo sólo posee estaciones de conteo manual) que se muestra en la Tabla 2.3.14. Se incluyen en ella los factores vehiculares de deterioro representativos de los diversos tipos de vehículos pesados (los factores de los camiones han sido tomados de la Tabla 2.3.10 para el año 2003 y el referente al bus, se tomó del manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito del INVÍAS).

Tabla 2.3.14. Valores del TPDS y distribución por tipo de vehículo (Ejemplo)

AÑO TPDS AUTOS BUSES CAMIONES

DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL DE CAMIONES

% % % 2 3 3S2 3S3

n-5 1560 65 10 25 74 13 10 3

n-4 1464 64 11 25 71 14 10 5

n-3 1700 65 9 26 73 14 8 5

n-2 1768 63 11 26 73 14 8 5

n-1 1890 66 9 25 72 14 7 7

actual 1954 67 6 27 72 14 7 7

Factores vehiculares de deterioro

1.00 - 2.15 3.15 4.21 5.31

El procedimiento para el cálculo del número de ejes simples equivalentes en el carril de diseño, durante el año “n-5” (NESEn-5), es el que ilustra la Tabla 2.3.15. Reiterando el procedimiento, se obtienen los ejes simples equivalentes de 80 kN (8.2 T) en el carril de diseño para cada uno de los años considerados (NESEi), así como el valor acumulado de los mismos, tal como se resume en la Tabla 2.3.16. En los cálculos se ha supuesto que los factores de deterioro vehicular permanecen constantes con el transcurso de los años. Como lo muestra la Tabla 2.3.10, dicha constancia no parece corresponder a la realidad del tránsito por las vías


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colombianas, lo que crea en los resultados una imprecisión que resulta prácticamente imposible de evitar.

Tabla 2.3.15. Determinación del NESEn-5 (Ejemplo)

TIPO DE VEHÍCULO

TPD DE CADA TIPO DE VEHÍCULO EN EL CARRIL DE DISEÑO (TPDi)

FACTOR VEHICULAR DE

DETERIORO

NÚMERO PROMEDIO

DIARIO DE EJES EQUIVALENTES EN EL CARRIL

DE DISEÑO

NÚMERO DE EJES

EQUIVALENTES EN EL CARRIL

DE DISEÑO EN n-5

(NESEn-5)

(1) TPD * %VC

(2) DD (3)

DC (4)

TPDi (5)=(2)*(3)*(4)

(Tabla 2.3.10) (6)

(7) = (5)*(6) (8) = (7)*365

BUS 1560*.10 0.5 1.0 78 1.0 78 28,470

2 1560*.25*.74 0.5 1.0 144.3 2.15 310.2 113,223

3 1560*.25*.13 0.5 1.0 25.4 3.15 80.0 29,200

3S2 1560*.25*.10 0.5 1.0 19.5 4.21 82.1 29,967

3S3 1560*.25*.03 0.5 1.0 5.9 5.31 31.3 11,425

TOTAL (NESEn-5) 212,285

Tabla 2.3.16.

Determinación del NESE para todos los años (Ejemplo)

AÑO NÚMERO ANUAL DE EJES SIMPLES EQUIVALENTES EN EL CARRIL DE DISEÑO

(NESE)

BUS 2 3 3S2 3S3 TOTAL

n-5 28,470 113,223 29,200 29,967 11,425 212,285

n-4 29,390 101,963 29,457 28,121 17,734 206,665

n-3 27,923 126,604 35,573 27,168 21,417 238,685

n-2 35,493 131,668 36,996 28,255 22,273 254,685

n-1 31,043 133,486 38,028 25,412 32,052 260,021

actual 21,396 149,047 42,461 28,375 35,789 277,068

TOTAL 173,715 755,991 211,715 167,298 140,690 1,449,409

2.3.10. Tasas de crecimiento del tránsito de los vehículos comerciales La mayor o menor precisión en la estimación del tránsito futuro descansa, en buena medida, en la decisión que se tome respecto de la tasa esperada de crecimiento del mismo. El manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito del INVIAS presenta una tabla con rangos de tasas de crecimiento del tránsito en la red vial nacional, según las tendencias


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observadas en las dos últimas décadas del pasado siglo [ref. 2.3.3]. Para los vehículos comerciales, menciona cifras que varían entre 3.0% y 6.0% por año. Estos valores, aunque representaban promedios razonables en la época de elaboración del manual, se apartan de la realidad actual en muchos tramos de la red, motivo por el cual es necesario que, para los estudios destinados al diseño de las obras de rehabilitación de sus pavimentos, el ingeniero realice la determinación de la tendencia a partir de los datos disponibles del proyecto bajo análisis, de acuerdo con las técnicas que se describen en el siguiente numeral u otras que resulten aplicables. La Tabla 2.3.17, elaborada a partir de los datos del tránsito promedio diario semanal (TPDS) de algunos tramos de carreteras nacionales tomados al azar, reafirma la conveniencia de efectuar las proyecciones con datos específicos de cada proyecto (niveles 1 y 2) y no con tendencias de tipo general (nivel 3).

Tabla 2.3.17 Crecimiento promedio del TPDS en algunas carreteras nacionales a partir de los valores de

los años 1999 y 2005

CARRETERA

TASA DE CRECIMIENTO ANUAL DEL TRÁNSITO PROMEDIO DIARIO SEMANAL ( % )

TODOS LOS VEHÍCULOS

BUSES CAMIONES

Soacha – T del Salto 0.9 5.0 7.4

San Gil – Los Curos 4.9 9.3 4.9

Barranquilla – Galapa 2.8 6.3 2.1

Castilla - Aipe 1.6 16.4 4.5

La Pintada – Santa Bárbara 1.6 3.6 2.3

2.3.11. Proyección del tránsito En la mayoría de las carreteras nacionales se ha presentado un incremento continuo en los volúmenes de tránsito, debido al aumento normal en la utilización de los vehículos. El deseo de las personas por movilizarse, la flexibilidad ofrecida por los vehículos automotores y el crecimiento económico, hacen que esta componente del transporte aumente año tras año. Como consecuencia de este dinamismo, es evidente que la sola valoración del volumen actual no resulta suficiente cuando el problema que se enfrenta es el del diseño de una estructura a mediano plazo, tal el caso de un pavimento. Dado que el Instituto Nacional de Vías dispone de información sobre la evolución del tránsito en las carreteras pavimentadas a su cargo, resulta posible ajustar


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tendencias de crecimiento de tipo matemático, que permitan pronosticar los volúmenes del tránsito futuro, aplicables tanto a la planeación como al diseño. En el caso de los pavimentos, la proyección exige, en primer término, la estimación del NESE en el año en el cual se prevé la habilitación de la estructura nueva o de las obras de rehabilitación (NESE0), estimación que resulta sencilla cuando se dispone de una ecuación que represente la tendencia del tránsito a través del tiempo (niveles de información 1 y 2). En relación con esta última, si bien la bibliografía internacional hace más énfasis en el uso de ecuaciones de tipo exponencial para establecer la tendencia en el crecimiento del tránsito, en muchas carreteras de la red vial nacional, principalmente pavimentadas, la tendencia ha sido, más bien, de tipo lineal recto. De todos modos, la elección de las tendencias recta o exponencial dependerá del grado ajuste de los datos a cada una de ellas, medido a través del coeficiente de correlación. A continuación, y una vez elegido el período de diseño de las obras, se realiza la expansión de los datos, de manera de estimar el NESE acumulado durante dicho lapso, cálculo que se puede realizar bien año por año, bien globalmente a través de la integración hacia el futuro de la ecuación de ajuste a los datos históricos. En el caso de que la expresión matemática sea de tipo exponencial, el número acumulado de ejes simples equivalentes de 80 kN (8.2 T) en el carril de diseño durante el período de diseño de las obras (N), se puede estimar mediante la expresión:

( )( ) ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+−+

=i1ln1i1

*NESENn

0

Donde: n: Período de diseño de las obras (años).

i: Tasa de crecimiento anual del NESE (en cifras centesimales).

Si la expresión matemática de mejor ajuste es de tipo lineal recto, el valor N se obtiene a través de la expresión;

2n*m

n*NESEN2

0 +=

Donde: m: Incremento anual constante en el número de ejes equivalentes

en el carril de diseño (pendiente de la recta).


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A pesar de que el cálculo de “N” es más rápido cuando las ecuaciones se aplican directamente al valor NESE que agrupa todos los vehículos comerciales, es más recomendable aplicarlas individualmente al NESE de cada tipo de vehículo comercial, efectuando luego la suma de ellos, en razón a que el patrón de crecimiento del tránsito anual del tránsito de cada uno de estos tipos de vehículos suele ser diferente. Si a causa de las obras de rehabilitación del pavimento se prevé la aparición de volúmenes de tránsito de buses y camiones adicionales a los normales del crecimiento histórico, su cuantía deberá ser considerada en la proyección. Estas adiciones, cuando se presentan, suelen ser muy limitadas en los proyectos normales de rehabilitación de los pavimentos de las carreteras nacionales, motivo por el cual se pueden pretermitir en la mayoría de los casos de rutina. 2.3.12. Algunos factores que afectan la precisión del cálculo de los ejes

equivalentes para el diseño Existen muchos factores, adicionales a los ya descritos, que inciden en la precisión del cálculo de los factores de equivalencia de carga por eje y, consecuentemente, en la estimación del NESE durante el período de diseño de las obras de rehabilitación del pavimento (N). Algunos de ellos se mencionan a continuación. 2.3.12.1. La validez de los FECE obtenidos en el AASHO ROAD TEST, para el medio

colombiano La aplicabilidad de los resultados del AASHO ROAD TEST a los pavimentos de los países en desarrollo ubicados en áreas tropicales, ha sido cuestionada desde hace largo tiempo por muchos motivos, entre ellos: - El medio ambiente demasiado frío en el cual se realizó la prueba, incluido un

ciclo de congelamiento que afectó el proceso de deterioro. - Los pavimentos ensayados, con grandes espesores de capas asfálticas sobre

subrasantes débiles, no son representativos de los pavimentos flexibles usuales en los países en desarrollo.

- No está claro qué tan aplicables son los ensayos acelerados con gran intensidad de cargas pesadas, a las vías comunes donde se mezclan, a lo largo del tiempo, vehículos livianos y pesados con menores volúmenes diarios de tránsito.


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- No se consideraron los efectos de las distintas políticas de mantenimiento ni de rehabilitación sobre el deterioro de los pavimentos.

- Las cargas máximas por eje en el ensayo fueron 133 kN (13.6 T) para ejes

simples y 214 kN (21.8 T) para ejes tándem, valores muy inferiores a los máximos usuales en países en desarrollo. Además, no circularon los ejes triples.

- No se incluyeron obras de subdrenaje en las secciones del ensayo. - Existen diferencias considerables entre las diversas interpretaciones que se han

dado a los resultados del ensayo. Si bien el análisis de Liddle es el más usado [ref. 2.3.16], el realizado por Shook y Finn [ref. 2.3.17] es también ampliamente utilizado y ambas interpretaciones dan resultados bastante diferentes al computar los efectos destructivos de cargas por eje muy pesadas.

Estos cuestionamientos motivaron, en parte, las investigaciones que se realizaron en Kenia (1971–1974) y en Brasil (1977– 982) con el auspicio del Banco Mundial, orientadas al estudio del deterioro de los pavimentos en los países tropicales a escala real, bajo condiciones de operación muy variables, investigaciones que dieron lugar al desarrollo del modelo HDM. El análisis de los datos obtenidos en el Brasil permitió deducir los efectos relativos de daño de las distintas cargas por eje, bajo la acción de carga mixta y a largo plazo, a diferencia de las condiciones del AASHO ROAD TEST y otros estudios posteriores de carga controlada acelerada. Según el estudio realizado en Brasil, el exponente por aplicar a la relación de las cargas axiales en la función de daño relativo es diferente, según el tipo de falla considerada. Para modos de deformación como el ahuellamiento y la rugosidad, se encontró que el valor 4.0 era razonable; para la iniciación y el progreso de las fisuras se encontraron valores entre 2.0 y 4.0, en tanto que para descascaramiento el exponente hallado fue 0.0. El desarrollo de sistemas de tipo analítico, facilitó la posibilidad de estudiar modos de deterioro de los pavimentos flexibles diferentes al de pérdida de serviciabilidad estudiado en el AASHO ROAD TEST. En particular, han sido muy estudiados el agrietamiento por fatiga de las capas ligadas con asfalto y la deformación permanente de las capas no ligadas, incluida la subrasante, bajo la acción repetida de las cargas del tránsito. Este tipo de análisis sustenta algunos de los métodos de diseño de pavimentos de mayor uso en la actualidad, como el de SHELL [ref. 2.3.18] y el del Instituto del Asfalto [ref. 2.3.11], así como el nuevo método AASHTO 2002 [ref. 2.3.19].


52

Al diseñar pavimentos bajo este concepto se ha encontrado, como era de esperar, que el número de repeticiones de carga para alcanzar la falla es diferente para los dos criterios (agrietamiento y deformación), debiendo escogerse aquél que resulte crítico, es decir, el que conduce a la falla con un menor número de repeticiones de carga. Los resultados de los ensayos de fatiga en el laboratorio sobre los materiales viales, permiten relacionar el número de repeticiones de carga para llegar a la falla

(NF) con la deformación unitaria ( ) a la cual es sometido el material (Figura 2.3.6), mediante expresiones del tipo:

b

ε1

aFN

Donde “a” y “b” son coeficientes obtenidos experimentalmente.

Figura 2.3.6. - Relación entre los niveles de deformación y las repeticiones de carga para llegar a la falla en un pavimento flexible.

Aplicando esta expresión a dos cargas por eje diferentes (Pr y Pi), se tiene:

b

rε1

aNr

b

iε1

aNi

De donde:

b

εNiNr

FECEr

iε


53

Se puede afirmar que no existe una ley general de equivalencia de cargas en relación con su poder destructivo sobre los pavimentos y que el exponente de equivalencia para los pavimentos de tipo flexible y semiflexible depende tanto del mecanismo de falla escogido (ahuellamiento, agrietamiento o pérdida de serviciabilidad), como de las características de la estructura y de la configuración de los ejes de los vehículos (número de ejes y de ruedas, espaciamiento entre ejes y tipo de neumáticos). Los valores extractados de diversas fuentes, que se resumen en la Tabla 2.3.18 muestran que el exponente varía en el amplio rango de 1 a 8, con una concentración de valores entre 2 y 6 [ref. 2.3.20]. Como se indicó antes, los factores exponenciales correspondientes a pavimentos asfálticos con capas ligadas hidráulicamente son más altos que éstos. Un estudio adelantado por Irick et al, para el Trucking Research Institute (TRI), destinado al reanálisis de los datos del AASHO ROAD TEST, llegó a la conclusión de que los FECE deben ser mayores que los recomendados por AASHTO cuando las cargas son livianas, y menores que éstos para las cargas más pesadas, como se resume en la Tabla 2.3.19 [ref. 2.3.21]. 2.3.12.2. Efecto de las condiciones de aplicación de la carga No sólo la magnitud de la carga ejerce influencia sobre el deterioro que sufre un pavimento bajo su aplicación. Aunque sin cuantificar con exactitud, debido a lo complejo de su valoración, se ha demostrado que las condiciones bajo las cuales ella se aplica, también inciden en la respuesta de la estructura. Entre dichas condiciones se pueden citar el tipo de neumático, la forma del área de contacto entre éste y el pavimento, las presiones de inflado y de contacto, el espaciamiento entre los ejes de un mismo sistema, la distribución de la carga sobre los ejes que componen un sistema tándem, triple o cuádruple, la manera como la carga se distribuya lateralmente sobre el pavimento, el efecto dinámico de la aplicación de la carga, etc. [ref. 2.3.20]. Algunos de estos aspectos se analizan a continuación. Tránsito canalizado Bajo condiciones normales, la distribución transversal de las cargas por eje sobre las carreteras colombianas es la que usualmente consideran los métodos de diseño de pavimentos. Sin embargo, si en algún tramo de la red se prevé que el tránsito de los vehículos pesados presente un fuerte nivel de canalización, el valor de tránsito por utilizar para el diseño de las obras de rehabilitación deberá ser 2.5 veces el determinado según el procedimiento indicado en el numeral 2.3.11 [ref. 2.3.18].


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Tabla 2.3.18. Exponentes para al cálculo de los factores de equivalencia de carga para pavimentos

flexibles

PAIS DE INVESTIGACION CRITERIO EXPONENTE

(n)

Australia Bélgica Brasil Finlandia Francia Inglaterra Italia Sudáfrica U.S.A.

Agrietamiento Ahuellamiento Agrietamiento Ahuellamiento Agrietamiento Ahuellamiento Agrietamiento Agrietamiento Ahuellamiento Agrietamiento Ahuellamiento Agrietamiento Agrietamiento

Pérdida serviciabilidad Ahuellamiento Agrietamiento

2.0 3.3 – 6.0

4.8 4.3

2.0 – 4.0 4.0

3.3 – 4.0 2.0

4.0 – 8.0 2.9 – 6.2 3.6 – 4.0 1.2 – 3.0 1.3 – 4.9 3.9 – 4.4 4.2 – 4.8 1.3 – 1.9

Presiones de inflado y de contacto El común de los proyectistas supone en sus evaluaciones y en sus diseños que la presión de inflado del neumático es igual a la de contacto entre éste y la superficie del pavimento (pi = pc) y que dicha presión actúa uniformemente sobre el área de contacto. Según De Beer [ref. 2.3.22], esta aproximación puede resultar válida para el diseño y el análisis de pavimentos con capas asfálticas relativamente espesas (mayores de 10 centímetros) pero, en el caso de revestimientos más delgados, dicha suposición requiere mayor validación, debido a la existencia de evidencias de que muchos de los deterioros de los pavimentos no se deben sólo a la acumulación de las cargas de diseño o a la sobrecarga de vehículos pesados sino, también, a la acción de esfuerzos elevados en la interfaz neumático – pavimento.


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Tabla 2.3.19. Comparación de factores de equivalencia de carga de AASHTO y TRI, para diversas

combinaciones de estructuras y magnitudes de carga por eje actuante (para pt = 2.5)

NÚMERO ESTRUCTURAL

EJE SIMPLE DE 53,4 kN

EJE SIMPLE DE 133.5 kN

EJE TÁNDEM DE 106.8 kN

EJE TÁNDEM DE 213.5 kN

TRI AASHTO TRI AASHTO TRI AASHTO TRI AASHTO

3.06 0.25 0.21 5.6 7.8 0.34 0.32 3.5 4.2

4.36 0.24 0.21 6.2 6.9 0.32 0.28 3.7 4.1

El mismo autor ha determinado que la presión en el contacto del neumático con el pavimento ni es constante ni sigue una distribución normal y recomienda emplear una aproximación con base en percentiles para obtener los esfuerzos de contacto requeridos con propósitos de diseño. Al efecto, plantea una ecuación general del tipo (pc = A*pi + B), en la que los coeficientes A y B dependen del percentil de confiabilidad elegido, como lo muestra la Tabla 2.3.20. El análisis de los datos de cerca de 1500 encuestas sobre camiones, realizadas en 1995 por la Universidad Nacional de Colombia para definir la carga de diseño de los puentes de la red vial nacional (ref. 2.3.23] indicó la circulación de neumáticos con presiones de inflado superiores a 820 kPa (8.5 kg/cm2), aunque el promedio fue de 570 kPa (5.81 kg/cm2), valor similar al utilizado en el AASHO ROAD TEST y al considerado por la mayoría de los métodos de diseño de pavimentos. Si este valor promedio se aplica a la expresión cuyas constantes están en la Tabla 2.3.20, se obtienen las presiones de contacto incluidas en la última columna de ella, las cuales se podrían emplear con propósitos de diseño y evaluación, según la confiabilidad que escoja el ingeniero. Por supuesto, si en un determinado proyecto hay evidencia de que el promedio de las presiones de inflado de los neumáticos de los vehículos comerciales es más elevado que el que se acaba de citar, el ingeniero deberá realizar los ajustes que sean necesarios para realizar sus evaluaciones.


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Tabla 2.3.20. Relaciones sugeridas entre pi y pc para diferentes percentiles de diseño

PERCENTIL DE DISEÑO

A B pc DE DISEÑO

(kPa) (*)

50 80 90 95

Máximo

0.730 0.690 0.723 0.746 0.833

174 296 310 311 312

590 690 720 740 790

(*)Para pi = 570 kPa

La presión de contacto y el factor de equivalencia de carga El aumento que han tenido en el tiempo las presiones de inflado y, consecuentemente, las de contacto, se ha traducido en niveles de esfuerzo de mayor intensidad en la capa de rodadura que, en muchos casos, son causantes de su deterioro prematuro, principalmente en forma de ahuellamientos y de fisuramientos en sentido descendente (top-down cracking). Empleando el programa ELSYM5 como herramienta de cálculo, Inserrato [ref. 2.3.24] analizó la incidencia directa de la presión de contacto sobre el factor de equivalencia de deterioro de un pavimento flexible. Los resultados del estudio indicaron que el efecto es más intenso a medida que los espesores de las capas asfálticas son menores. Si se parte de las gráficas incluidas en el trabajo de dicho autor, se puede establecer una ecuación genérica del factor de deterioro por esfuerzos de contacto (CSF), del tipo:

β

cr

c

p

pCSF

Donde pcr es la presión de contacto que se tome como referencia, y el exponente β es inversamente proporcional al espesor de las capas asfálticas (h) en un rango de 5 a 25 centímetros y se ajusta a la expresión:

h0.058*10

6.10β

La Tabla 2.3.21 muestra los valores del factor de deterioro por esfuerzos de contacto (CSF) para diferentes espesores de capas asfálticas, tomando como referencia una presión de contacto de 570 kPa.


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Tabla 2.3.21. Factores de deterioro por esfuerzos de contacto (CSF) para diferentes espesores de capas

asfálticas y presiones de contacto

ESPESOR CAPAS

ASFÁLTICAS (cm)

β

PRESIÓN DE CONTACTO (kPa)

570 650 700

FACTOR DE DETERIORO POR ESFUERZOS DE CONTACTO (CSF)

5 3.128 1.00 1.51 1.90

10 1.604 1.00 1.23 1.30

15 0.823 1.00 1.11 1.18

20 0.422 1.00 1.06 1.09

25 0.216 1.00 1.03 1.05

Ejes con neumáticos de banda ancha A pesar de que su uso no se encuentra aún muy difundido, los neumáticos de banda ancha (Figura 2.3.7) están ganando adeptos por la mayor productividad que ofrecen al transportador en términos económicos y el menor consumo de combustible de los vehículos. El efecto destructivo de los ejes con este tipo de neumáticos sobre los pavimentos es significativo en relación con el producido por los de rodado dual por cuanto, para la misma carga por eje, el área de contacto con el pavimento es menor, lo que se traduce en una mayor presión de contacto. Por lo tanto, su efecto debe ser considerado de manera independiente. La información disponible al respecto no es aún muy abundante. Grover [ref. 2.3.25] cita que una carga por eje simple de 70.6 kN (7.2 T) sobre neumáticos de banda ancha de 16 ½” (419 mm) produjo el mismo efecto que una carga patrón de 80 kN aplicada con neumáticos convencionales de 10” (254 mm) de ancho. Un estudio más reciente, realizado por el Ministerio de Transporte de Ontario [ref. 2.3.26], ha indicado que la carga equivalente unitaria para eje simple con neumático de banda ancha es de sólo 6.6 toneladas. Aunque no parecen existir expectativas a corto plazo en relación con el uso generalizado de estos neumáticos en el país, en la eventualidad de que su presencia sea evidente en algún tramo de pavimento por rehabilitar, el ingeniero deberá considerar esta situación, empleando las cargas patrones por eje que correspondan, según lo establezcan los resultados de las investigaciones internacionales más recientes.


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Figura 2.3.7. – Rueda simple con neumático de banda ancha (445/50R22.5) y rueda doble con neumáticos convencionales (275/80R22.5)

2.3.13. Resumen Las principales fuentes de información requeridas para la caracterización del tránsito con fines del diseño de las obras de rehabilitación de los pavimentos asfálticos de la red vial nacional, se resumen en la Tabla 2.3.22. En ella se muestran, además, los niveles jerárquicos correspondientes a los diferentes datos de entrada, según lo establecido en el numeral 1.3 de esta Guía. Por otra parte, el Anexo A incluye un conjunto de ejercicios de aplicación relacionados con los conceptos expuestos en el presente capítulo.


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Tabla 2.3.22. Datos relacionados con el tránsito, requeridos para los 3 niveles de información

VARIABLE NIVEL JERÁRQUICO

1 2 3

TPD Conteos continuos durante el año (TPDA)

Conteos manuales de una semana (TPDS)

Conteos aislados

VC No se aplican niveles jerárquicos en este dato

DD Determinaciones de largo plazo en el sector del proyecto

Uso de factores de distribución de índole regional o nacional

Uso de recomendaciones de tipo general

DC Determinaciones específicas en el sector del proyecto

Uso de factores de distribución de índole regional o nacional

Uso de recomendaciones de tipo general

Información sobre cargas por eje

Básculas de peso en movimiento

Básculas estáticas o portátiles

Información de otras fuentes

Distribución direccional del

factor vehicular de deterioro

Uso del factor correspondiente al carril más cargado

Uso del factor promedio en ambas direcciones

Uso del factor promedio en ambas direcciones

Cálculo de los NESE

Determinación específica aplicando el factor de deterioro de cada tipo de vehículo comercial

Uso de valores promedio del factor vehicular de deterioro (factor camión)

Uso de valores promedio del factor vehicular de deterioro (factor camión)

Tasas de crecimiento de

tránsito

Uso de tasas reales en el sector del proyecto

Uso de tasas reales en el sector del proyecto

Uso de tendencias de tipo regional

REFERENCIAS 2.3.1 - LILLI F., LOCKHART J., “Métodos de diseño de espesores de refuerzo de pavimentos flexibles”, XXII Reunión del Asfalto, San Juan, Argentina, 1980. 2.3.2 - SANCHEZ F., “Análisis cualitativo y cuantitativo del tránsito automotor en las carreteras de acceso a Bogotá D.C. durante los últimos años”, XIII Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos, Universidad de los Andes, Bogotá, 2001. 2.3.3 – INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito”, Popayán, 1998.


60

2.3.4 – TRANSPORTATION RESEARCH BOARD, “Milestones 2002. Moving towards the 2003 pavement design guide”, NCHRP Project 1-37 A, Winter 2001. 2.3.5 – DARTER M.I., BECKER J.M., SAYDER M.B., SMITH R.E., “Portland cement concrete pavement evaluation system (COPES)”, NCHRP Report 277, TRB, Washington, 1985. 2.3.6 – ICONTEC, “Tipología para vehículos de transporte de carga terrestre. Norma técnica colombiana 4788”, Bogotá D.C., Agosto 2000. 2.3.7 – INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Patrimonio vial. Red carretera Nacional”, Santa Fe de Bogotá D.C., Febrero 1997. 2.3.8 – HIGHWAY RESEARCH BOARD, “The AASHO Road Test. Report 5. Pavement Research. Special Report 61E”, HRB, National Academy of Science, Washington, 1962. 2.3.9 – AASHTO, “AASHTO guide for the design of pavement structures”, Washington, 1993. 2.3.10 – SIFFETR M., LESCURE B., “Evaluation du trafic lourd et aplication au dimensionnement des chaussées”, Bulletin de Liason No 154, Laboratoire des Ponts et Chaussées, Paris, 1988. 2.3.11 – THE ASPHALT INSTITUTE, “Thickness design. Asphalt pavements for highways and streets, MS1”, Lexington, KY. 2.3.12 – MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS Y TRANSPORTE, “Volúmenes de tránsito”, Bogotá D.C., 1992. 2.3.13 – MURGUEITIO A., BENAVIDES C.A., SOLANO E., “Estudio de los factores daño de los vehículos que circulan por las carreteras colombianas”, XI Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos, Cartagena, 1997. 2.3.14 – INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Volúmenes de tránsito”, Bogotá D.C., 2003. 2.3.15 – NATIONAL HIGHWAY AUTORITY, “Save Roads! How it happens”, Pakistan, 2001.


61

2.3.16 – LIDDLE W.J., “Application of AASHO Road Test to the design of flexible structures”, First International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements, Ann Arbor, Michigan, 1962. 2.3.17 – SHOOK J.F., FINN F.F., “Thickness design relationships for asphalt pavements”, First International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements, Ann Arbor, Michigan, 1962. 2.3.18 – SHELL INTERNATIONAL PETROLEUM COMPANY, “Shell pavement design manual”, London, 1978. 2.3.19 – ARA Inc, ERES Consultant Division, “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures”, NCHRP Report 1-37A, Champaign, Illinois, March 2004. 2.3.20 – SANCHEZ F., “Las cargas del tránsito automotor y su efecto sobre el comportamiento de los pavimentos flexibles. Análisis de la situación existente en las carreteras colombianas en los albores del siglo XXI”, XIII Simposio Colombiano sobre Ingeniería de Pavimentos, Universidad de los Andes, Bogotá D.C., 2001. 2.3.21 – IRICK P., SEDES S., DÍAZ M. A., “Characteristics of load equivalence relationships associated with pavement distress and performance – Phase II study – Executive summary”, Trucking Research Institute, ATA Foundation, Alexandria, VA, December 1991. 2.3.22 - DE BEER M., C. FISHER C. & JOOSTE F.J., “Determination of pneumatic interface contact stresses under moving loads and some effects on pavements with asphalt surfacing layers”, Eighth International Conference on Asphalt Pavements, Proceedings, páginas 179-227, Seattle, State of Washington, 1997. 2.3.23 - UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA, “Estudio para la definición de la carga de diseño para puentes en Colombia”, Instituto Nacional de Vías, Santafé de Bogotá, 1996. 2.3.24 - INSERRATO M., V. FARAGGI V. & GAETE R., “El efecto de la presión de inflado y otros parámetros en los factores de equivalencia de los firmes flexibles”, Informe T3-03, Memorias del Sexto Congreso Ibero latinoamericano del Asfalto, Santiago de Chile, 1991.


62

2.3.25 - GROVER J., HAZEN P. & PETROS K., “Importance of trucks in pavement management”, Traffic Module for Advanced Pavement Management Course, Office of Environment and Planning, FHWA. 2.3.26 - PONNIAH J, “Use of new technology single wide-base tires: Impact on pavements”, Engineering Standards Branch Report, Ministry of Transportation, Ontario, Canada, November 2003.


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CAPÍTULO 4 GUÍAS PARA LA CLASIFICACIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE LOS

DETERIOROS DEL PAVIMENTO 2.4.1. Introducción El inventario de los daños visibles es, generalmente, el primero de un conjunto de pasos necesarios para evaluar la condición global de un pavimento. Esta información es la que determina la localización y la extensión de las investigaciones posteriores, con el fin de establecer un juicio apropiado sobre la condición del pavimento que es objeto de la evaluación. Existen muchos tipos de deterioros en los pavimentos asfálticos y diferentes niveles de gravedad para cada tipo. Estos deterioros se deben identificar considerando tres factores: 1. Tipo. Los deterioros se agrupan esencialmente en categorías, de acuerdo con los

mecanismos que los originan. Como un primer paso, se pueden clasificar de acuerdo con su causa primaria posible, sea ésta la acción del tránsito, sea la acción climática, sean los materiales o el proceso de construcción, como se resume en la Tabla 2.4.1.

Es preciso tener en cuenta, sin embargo, que a la luz de las exigencias y necesidades del usuario actual, se pueden presentar otras características indeseables, distintas de las relacionadas en la tabla. Deficiencias tales como el excesivo nivel de ruido que afecta a los residentes vecinos a la vía o las propiedades ópticas inadecuadas que afectan a los usuarios, pueden ser el resultado de una inapropiada selección de materiales de construcción, pero también se pueden originar en el desgaste o en la polución de la superficie de rodamiento y de la señalización horizontal.

Otra manera de clasificar los deterioros, es de acuerdo con la relación que ellos tengan con el comportamiento estructural del pavimento. Bajo esta perspectiva, se distinguen dos casos límites: deterioros estructurales y deterioros funcionales.


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Tabla 2.4.1 Clasificación general de los deterioros de los pavimentos asfálticos

CLASE TIPO DE DETERIORO CAUSADO

ORIGINALMENTE POR EL TRÁNSITO

CAUSADO ORIGINALMENTE

POR LOS MATERIALES, EL

CLIMA O LA CONSTRUCCIÓN

Fisuramientos1

Fisuramiento por fatiga (grietas longitudinales en la huella y piel de cocodrilo) Fisuramiento en bloque Fisuramiento de borde Fisuramiento longitudinal (no de fatiga) Fisuramiento transversal Fisuras parabólicas Fisuras de reflexión

X

X

X X X X X X

Deformaciones

Ahuellamiento Abultamientos Depresiones (baches) Desplazamientos de borde Deterioro de parches Expansiones

X

X

X X X X X

Desprendimientos

Separación entre calzada y berma Pulimento de agregados Ojos de pescado Descascaramiento Pérdida de película de ligante Pérdida de agregado

X X

X

X X X

Afloramientos Exudación Afloramiento de agua Afloramiento de finos

X

X X X

Otros deterioros

Desintegración de los bordes del pavimento Escalonamiento entre calzada y berma Erosión de las bermas Segregación

X

X X X

1 Aunque algunos documentos de ingeniería de pavimentos establecen una distinción entre los términos

“fisura” y “grieta” en función de su abertura, en esta guía se consideran sinónimos, de acuerdo con la definición de fisura que aparece en el diccionario de la RAE: “grieta que se produce en un objeto”.


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Los deterioros estructurales comprenden aquellos defectos de la superficie cuyo origen es la degradación de una o más capas constitutivas de la calzada, en una magnitud tal, que se puede considerar que se ha vencido o está por vencer el período de diseño de la estructura en las zonas afectadas. Los deterioros funcionales, que pueden estar acompañados o no de los anteriores, comprenden defectos asociados fundamentalmente con la capa asfáltica superficial que, aunque no guardan relación con el comportamiento estructural de la calzada, sí le impiden cumplir la función prevista, causando peligros o incomodidades a los usuarios.

2. Gravedad. Representa el nivel de severidad del deterioro en términos de su

progresión; entre más severo sea el deterioro, más importantes deberán ser las medidas para su corrección.

3. Extensión. Se refiere a la proporción del tramo evaluado que es afectada por un

determinado tipo de deterioro. Esta proporción puede estar referida a longitud o área, dependiendo de la metodología de evaluación que se utilice y del tipo de deterioro identificado. Así mismo, la extensión de algunos deterioros se define por el número de veces en que ellos se presentan en el tramo sometido a evaluación.

Cualquier procedimiento de inspección de deterioros que ignore siquiera uno de estos tres factores, no brindará la información adecuada para establecer un juicio apropiado sobre la condición del pavimento. No obstante, no existe un criterio universal para la valoración de cada uno de estos factores, razón por la cual se presentan diferencias, a veces importantes, entre los criterios adoptados por una u otra agencia. El inventario de los deterioros del pavimento se puede adelantar visualmente o de manera automatizada. Sin desconocer las ventajas de este último método en cuanto a rapidez, precisión y calidad de la información, es de prever que en los próximos años el sistema de identificación visual siga siendo el predominante en la inspección de los deterioros de los pavimentos de las carreteras colombianas y bajo tal principio se desarrollan las recomendaciones del presente capítulo. Ello no excluye, por supuesto, el empleo de sistemas de grabación de imágenes de video que puedan ser evaluadas con posterioridad en la oficina, bien registrando de manera manual los deterioros mientras se proyecta el video (Figura 2.4.1), bien de manera automática con el apoyo de algún programa de computador (Figura 2.4.2).


66

Cualquiera que sea el procedimiento empleado, los datos recolectados deben ser resumidos de manera que brinden una imagen muy precisa de la condición existente en el pavimento. Uno de los caminos más apropiados para ello, es su representación en formatos del tipo “esquema de itinerario”, en los cuales se pueden representar los diversos deterioros a lo largo del proyecto, con su extensión y nivel de gravedad. Estos esquemas tienen la ventaja de que en ellos se pueden representar simultáneamente otros datos de interés, tales como las deflexiones, la rugosidad, el estado del drenaje y el perfil del pavimento, lo que permite obtener, con un solo golpe de vista, una radiografía completa de la condición de la calzada en el tramo sometido a inspección.

Figura 2.4.1. – Imagen de video de la condición superficial del pavimento

Figura 2.4.2. – Vista de pantalla de un sistema automático de detección de grietas

El concepto de la evaluación de la condición superficial del pavimento se ha venido ampliando a través de la combinación de los deterioros en unos “índices” que representan la condición global de la superficie y suministran algunas pautas


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generales para la elección de la estrategia de mantenimiento o rehabilitación por aplicar. Es el caso del índice de degradación superficial adoptado por el LCPC en el método VIZIR [ref. 2.4.1], o de los índices de condición del pavimento, descritos en la norma ASTM D6433–03 [ref. 2.4.2] y en el reporte FHWA/OH-99/004 [ref. 2.4.3]. Para los propósitos de la presente guía metodológica, se ha adoptado como base el sistema VIZIR, el cual es de simple aplicación, establece una distinción clara entre los deterioros estructurales y los funcionales y, además, ha sido probado con éxito durante muchos años en la evaluación de pavimentos asfálticos en países en vías de desarrollo en zonas tropicales. 2.4.2. Clasificación y cuantificación de los deterioros de un pavimento asfáltico en

el método VIZIR El método clasifica los deterioros de los pavimentos asfálticos en dos grandes categorías, A y B, cuya identificación y niveles de gravedad se presentan en las Tablas 2.4.2 y 2.4.3. Laos deterioros del tipo A caracterizan una condición estructural del pavimento, sea que ella esté ligada a las condiciones de las diversas capas del pavimento y el suelo de subrasante o, simplemente, a las capas asfálticas. Se trata de degradaciones debidas a insuficiencia en la capacidad estructural de la calzada, cuyo remedio suele requerir el conocimiento de otros criterios de valoración (ensayos de resistencia o de respuesta, deflexiones, etc.). Estos deterioros comprenden las deformaciones y los fisuramientos ligados a la fatiga del pavimento. Los deterioros del tipo B, en su mayoría de tipo funcional, dan lugar a reparaciones que generalmente no están ligadas a la capacidad estructural de la calzada. Su origen se encuentra, más bien, en deficiencias constructivas y en condiciones locales particulares que el tránsito ayuda a poner en evidencia. Entre los deterioros del tipo B se pueden citar los fisuramientos motivados por asuntos distintos a la fatiga, los desprendimientos y los afloramientos. Los deterioros se representan en el esquema de itinerario por medio de rectángulos cuyo fondo (blanco, gris o negro) indica el nivel de gravedad (1, 2 o 3), en tanto que los lados de ellos determinan el comienzo y el fin de cada una de las secciones en las cuales se divide el proyecto para este tipo de evaluación. Para los estudios destinados al diseño de obras de mantenimiento y rehabilitación del pavimento, cada sección deberá tener una longitud de 100 metros, salvo


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instrucción diferente del INVÍAS. En el caso de carreteras de doble calzada, se deberán efectuar inventarios independientes para cada calzada. En el interior del rectángulo, se coloca un número, el cual expresa la extensión que ocupa el deterioro dentro de la sección evaluada. A menos que se indique expresamente lo contrario en las Tablas 2.4.2 y 2.4.3, la extensión corresponde al porcentaje de la longitud de la zona inventariada que se encuentra afectada por el deterioro respectivo. Como es posible que uno o más deterioros se presenten con distintos niveles de gravedad en una sección sometida a inspección, el nivel representativo de la sección se establece como un promedio ponderado, mediante la expresión:

321

321

lll

3l2llG

Donde: li: Longitud ocupada por el deterioro con gravedad “i” dentro del tramo bajo evaluación.

Como la gravedad es un número entero (1, 2 o 3), el valor obtenido al realizar la ponderación se deberá redondear de acuerdo con el siguiente criterio:

Si G < 1.5 se toma 1 Si 1.5 ≤ G < 2.5 se toma 2 Si G ≥ 2.5 se toma 3

Tabla 2.4.2. Niveles de gravedad de los deterioros del Tipo A

DETERIORO

NIVEL DE GRAVEDAD

Ahuellamiento y otras deformaciones estructurales

Sensible al usuario, pero poco importante Prof < 20 mm

Deformaciones importantes. Hundimientos localizados o ahuellamientos. 20 mm ≤ Prof ≤ 40 ≤ mm

Deformaciones que afectan de manera importante la comodidad y la seguridad de los usuarios. Prof > 40 mm

Fisuras longitudinales por fatiga

Fisuras finas en la huella de rodamiento. <6 mm

Fisuras abiertas y a menudo ramificadas.

Fisuras muy ramificadas, y/o muy abiertas. Bordes de fisuras ocasionalmente degradados.

Piel de cocodrilo

Piel de cocodrilo formada por mallas (> 500 mm) con fisuración fina, sin pérdida de materiales.

Mallas más densas (<500mm), con pérdidas ocasionales de materiales, desprendimientos y ojos de pescado en formación.

Mallas con grietas muy abiertas y con fragmentos separados. Las mallas son muy densas (<200 mm), con pérdida ocasional o generalizada de materiales.

Bacheos y parcheos

Intervención de superficie ligada a deterioros del tipo B.

Intervenciones ligadas a deterioros tipo A Comportamiento satisfactorio de la reparación.

Ocurrencia de fallas en las zonas reparadas.

3 2 1


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Tabla 2.4.3. Niveles de gravedad de los deterioros del Tipo B

DETERIORO

NIVEL DE GRAVEDAD

Fisura longitudinal de junta de construcción

Fina y única < 6 mm

Ancha (≤ 6 mm) sin desprendimiento o Fina ramificada

Ancha (≤ 6 mm) con desprendimientos o ramificada

Fisuras de contracción térmica. Fisuras finas < 6 mm

Anchas (≤ 6 mm) sin desprendimiento, o finas con desprendimientos o fisuras ramificadas

Anchas (≤ 6 mm) con desprendimientos

Fisuras parabólicas. Fisuras finas < 6 mm

Anchas (≤ 6 mm) sin desprendimientos


Fisuras de borde Fisuras finas < 6 mm

Anchas (≤ 6 mm) sin desprendimientos


Abultamientos h< 20 mm 20 mm ≤ h≤ 40 mm h > 40 mm. Ojos de pescado*(por cada 100m)

Cantidad. < 5 5 a 10 < 5 > 10 5 a 10 Diámetro (mm)

≤ 300 ≤ 300 ≤ 1000 ≤ 300 ≤ 1000

Desprendimientos: Pérdida de película de

ligante. Pérdida de agregado

Pérdidas aisladas Pérdidas continuas Pérdidas generalizadas y muy marcadas

Descascaramiento Prof.(mm) ≤ 25 ≤ 25 > 25 > 25 Área(m

2) ≤ 0.8 > 0.8 ≤ 0.8 > 0.8

Pulimento agregados Long. Comprometida < 10% de la sección (100m).

Long. Comprometida ≥ 10% a < 50% de la sección (100m)

Long. Comprometida > 50% de la sección (100m)

Exudación Puntual, área específica

Continúa sobre las trayectorias por donde circulan las ruedas del vehículo

Continua y muy marcada, en diversas aéreas

Afloramientos: De mortero De agua

Localizados y apenas perceptibles.

Intensos Muy intensos

Desintegración de los bordes del pavimento

Inicio de la desintegración, sectores localizados.

La calzada ha sido afectada en un ancho de 500 mm o más

Erosión extrema que conduce a la desintegración del revestimiento

Escalonamiento entre calzada y berma.

Desnivel entre 10 mm y 50 mm.

Desnivel entre 50 y 100mm

Desnivel superior a 100mm.

Erosión de las bermas Erosión incipiente Erosión pronunciada

La erosión pone en peligro la estabilidad de la calzada y la seguridad de los usuarios

Segregación Long. comprometida < 10% de la sección (100m)

Long. comprometida ≥ 10% a < 50% de la sección (100m)

Long. comprometida > 50% de la sección (100m)

* Cuando el número de ojos de pescado supere el número y el tamaño descritos en la tabla, se deberá enfrentar como deterioro del tipo A.

3 2 1


70

2.4.3. Algunos deterioros no contemplados por el sistema El sistema no considera, para efectos de diagnóstico, algunos deterioros del pavimento, a veces espectaculares, que no están ligados directamente al comportamiento del mismo y de la subrasante. Es el caso, por ejemplo, de los fisuramientos longitudinales o en forma de media luna que se presentan en los taludes exteriores de secciones de pavimento a media ladera, causados por la inestabilidad de éstos; los fisuramientos, acompañados o no de levantamientos de la calzada, cuando ésta alcanza a ser afectada por un movimiento rotacional de un talud de corte; las deformaciones y fisuramientos excesivos de terraplenes construidos sobre suelos de muy limitada capacidad portante o de exageradas características expansivas y contráctiles; las deformaciones y fisuramientos generados por inestabilidades locales y regionales, etc. (Figura 2.4.3). Estos defectos, frecuentes en algunas carreteras nacionales y de efecto relevante en su comportamiento, deben ser analizados y resueltos con un enfoque geotécnico mucho más amplio, el cual supera el alcance de esta guía.

Figura 2.4.3. – Falla de un terraplén bajo un pavimento (ref. 2.4.4)

2.4.4. Registro manual y procesamiento de la información sobre los deterioros de

los pavimentos La campaña de inventario y registro manual de la información sobre los deterioros del pavimento comprende el recorrido, a pie y a lo largo de todo el sector vial por evaluar, de una comisión debidamente familiarizada con el trabajo por realizar. Los datos referentes a los tipos específicos de deterioros, sus niveles de gravedad y sus extensiones se deberán representar en forma numérica y en “mapas de deterioros” con su localización exacta, utilizando símbolos que los permitan identificar sin


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confusión, todo ello de acuerdo con las instrucciones contenidas en el “Instructivo para la inspección visual y la evaluación de los deterioros de un pavimento asfáltico”, el cual forma de la presente guía metodológica como Anexo B. El instructivo incluye un mosaico fotográfico de los deterioros típicos de los pavimentos asfálticos de la red vial nacional con la descripción de los mismos, así como formatos para el procesamiento de la información recolectada en el campo, de manera de obtener el “Índice de deterioro superficial” para cada uno de los tramos que conforman el segmento sometido a evaluación, según se describe en el Capítulo 1 de la Parte 3 de la presente guía metodológica. Debido a que el método propuesto exige el inventario de los deterioros en la totalidad de la calzada, independientemente de la importancia de la carretera, no se aplican niveles jerárquicos a la información referente a este parámetro. REFERENCIAS 2.4.1 – LCPC, “VIZIR, méthode assistée par ordenateur pour l’estimation des besoins de entretien d’un réseau routier”, Paris, Décembre 1991 2.4.2 – ASTM, “Standard practice for roads and parking lots pavement condition index surveys. Designation D6433-03”, West Conshohocken, PA 2.4.3 – DOT STATE OF OHIO, “Pavement condition rating system”, Report FHWA/OH-66-004, Westerville, Ohio, March 1998 2.4.4 – www.geoengineer.org


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CAPÍTULO 5 GUÍAS PARA LA MEDICIÓN DEL PERFIL Y DE LA REGULARIDAD

SUPERFICIAL DEL PAVIMENTO 2.5.1. Introducción La regularidad superficial es una medida del comportamiento funcional de un pavimento, a veces la única característica que percibe el usuario de la carretera, fundamentalmente, a través de la sensación de mayor o menor comodidad en la circulación. Se puede definir como el conjunto de efectos causados en los vehículos por las variaciones en el perfil longitudinal real de la calzada, respecto del teórico del proyecto. Las irregularidades de la superficie del pavimento propician aceleraciones verticales a los vehículos en movimiento y hacen que la circulación se vuelva incómoda, insegura y antieconómica. El perfil de la carretera contiene infinidad de irregularidades, conformadas por un conjunto de ondas aleatorias de frecuencia múltiple que se producen con diferentes amplitudes y longitudes de onda, tanto en sentido longitudinal como transversal, siendo las que ocurren en sentido longitudinal las que tienen un mayor efecto sobre las fuerzas indeseables que se presentan en los vehículos. En el informe del Comité Técnico de Características Superficiales de la AIPCR, presentado en el Congreso Mundial de Carreteras del año 1987, se propuso una clasificación de las características geométricas superficiales, con base en las longitudes de onda y las amplitudes de las irregularidades (Tabla 2.5.1)[ref. 2.5.1].

Tabla 2.5.1. Clasificación de las irregularidades superficiales de un pavimento

CARACTERÍSTICA LONGITUD DE ONDA

(mm) AMPLITUD

(mm)

Microtextura 0-0.5 0.001-0.5

Macrotextura 0.5-50 0.01-20

Megatextura 50-500 0.1-50

Regularidad superficial

Ondas cortas Ondas medias Ondas largas

500-5,000 5,000-15,000

15,000-50,000

1-20 5-50

10-200

Trazado > 50,000 10-5,000


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Figura 2.5.1. – Campo de influencia de las irregularidades superficiales de un pavimento sobre las interacciones carretera/vehículo

Algunos de los conceptos de la Tabla 2.5.1 han sido definidos por un comité de trabajo de la ISO, de la siguiente manera [ref. 2.5.2] [ref. 2.5.3]: Amplitud y longitud de onda: el perfil del pavimento se describe por el desplazamiento a lo largo de su superficie y por el desplazamiento en dirección normal a ella. Al primero se le llama distancia y al segundo amplitud. La distancia puede ser medida en sentido longitudinal o transversal a la dirección de marcha o en cualquier inclinación intermedia. Se denomina longitud de onda a la distancia mínima existente entre partes de la curva que se repiten periódicamente en dirección longitudinal al plano del pavimento, y amplitud a la mitad de la distancia entre la cresta y la base de la irregularidad (Figura 2.5.2).


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Figura 2.5.2. – Amplitud y longitud de onda

La microtextura de un pavimento es la desviación que presenta su superficie en relación con una superficie plana de dimensiones características en sentido longitudinal, inferiores a 0.5 mm. Este tipo de textura es la que hace al pavimento más o menos áspero, pero normalmente es tan pequeña, que no se puede apreciar a simple vista. La microtextura es importante para la adherencia entre el neumático y el pavimento y, por lo tanto, para la resistencia al deslizamiento. Influye adversamente en el desgaste de los neumáticos y en el ruido en las altas frecuencias del espectro acústico, pero, en todo caso, este tipo de irregularidad es siempre necesario. La macrotextura de un pavimento es la desviación que presenta su superficie en relación con una superficie plana de dimensiones características en sentido longitudinal comprendidas entre 0.5 y 50 mm. Este tipo de textura presenta longitudes de onda del mismo orden que los elementos de labrado del neumático en la zona de contacto con el pavimento. Las irregularidades de macrotextura son necesarias para una adecuada resistencia al deslizamiento a altas velocidades en condición de superficie húmeda. Su efecto se analiza en la sección referente a la resistencia al deslizamiento. La megatextura de un pavimento es la desviación que presenta su superficie con respecto a una superficie plana de dimensiones características en sentido longitudinal entre 50 y 500 mm. Esta textura presenta longitudes de onda del mismo orden de la interfaz neumático - pavimento. Las irregularidades de este tipo suelen estar relacionadas con la puesta en obra del pavimento o con diversos tipos de deterioros, tales como los baches y los abultamientos. La regularidad superficial, conocida también como rugosidad, es la desviación que presenta la superficie con respecto a una superficie plana con dimensiones características en sentido longitudinal correspondientes a una longitud de onda


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comprendida entre 0.5 y 50 metros. Los defectos de regularidad influyen en la masa suspendida de los vehículos, afectando la comodidad de los pasajeros. Longitudes de onda mayores a las que identifican la regularidad superficial, corresponden a las características geométricas del perfil de la carretera. 2.5.2. Técnicas para medir la regularidad superficial del pavimento Existen diferentes técnicas para medir la regularidad superficial de los pavimentos. La clasificación más conocida de ellas es la propuesta por el Banco Mundial [ref. 2.5.4], que las agrupa en 4 clases: 1. Medidas de precisión del perfil.

2. Otros métodos perfilométricos.

3. Medidores de rugosidad del tipo respuesta (RTRRMs).

4. Evaluaciones subjetivas. 2.5.2.1. Clase 1: Medidas de precisión del perfil Corresponden a sistemas de nivelación de precisión de la topografía clásica (mira y nivel), los cuales determinan el perfil real de la superficie del pavimento. El procedimiento es lento y resulta costoso, lo que lo hace poco práctico en evaluaciones a nivel de red o en proyectos específicos de longitud apreciable. Un paso en la automatización de este sistema es el medidor de perfil dipstick, equipo que, a través de un inclinómetro, obtiene la diferencia entre cotas de puntos consecutivos separados a corta distancia y la graba automáticamente. Los registros de las elevaciones permiten la obtención del perfil real del pavimento, mediante la aplicación informática instalada en el aparato. El manejo del equipo es manual y se hace pivotándolo alternativamente alrededor de sus dos puntos de apoyo. Normalmente, se pueden ensayar entre 150 y 200 metros por hora. Una versión más moderna del dispositivo, de tipo rodante, permite un rendimiento mayor en la determinación de los perfiles (del orden de 1 a 2 kilómetros por hora). Por su limitado rendimiento, la mayor aplicación actual de los sistemas de medida de precisión, es la determinación del perfil superficial en tramos cortos para la calibración de los equipos de las clases 2 y 3.


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2.5.2.2. Clase 2: Otros métodos perfilométricos Las medidas de la clase 2 se efectúan con perfilómetros, los cuales suministran una reproducción a escala, precisa y completa del perfil del pavimento dentro de cierto rango. La mayoría de estos equipos es de alto costo, y su complejidad aumenta de acuerdo con el tipo y el número de sensores que contengan. Los más sofisticados usan sistemas de referencia inercial (IRPS) y pueden medir y registrar el perfil longitudinal desplazándose a velocidades hasta de 100 kilómetros por hora. Estos equipos miden y computan el perfil longitudinal mediante la creación de una referencia inercial a través del uso de acelerómetros colocados en la carrocería del vehículo de medición, para medir el movimiento vertical de ésta. El desplazamiento relativo entre los acelerómetros y el perfil del pavimento se determina a través de sensores de “contacto” o de “no contacto”. La mayoría de los IRPS utilizan sensores de “no contacto” (ópticos o acústicos). Aunque sus costos de adquisición y de operación son elevados y sus sistemas de medición y registro son complejos, estos equipos son altamente eficientes y precisos. Algunos de ellos son, además, de función múltiple, lo que les permite obtener otras características de los pavimentos, tales como el ahuellamiento y la macrotextura. Recientemente, han aparecido en el mercado los perfilómetros livianos de “no contacto”, los cuales tienen un costo más bajo que los tradicionales y operan a menor velocidad (no exceden de 40 kilómetros por hora), aunque con la misma calidad en su información. Los primeros perfilómetros móviles empleaban un sistema de medida de contacto directo con el pavimento para medir el perfil. Algunos de ellos, como el analizador de perfil longitudinal (APL) francés, aún se encuentran en operación. Las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS privilegian el uso de los sistemas de las clases 1 y 2 para el recibo de pavimentos nuevos y de las obras de rehabilitación de los mismos. 2.5.2.3. Clase 3: Medidores de rugosidad del tipo respuesta (RTRRMs) La tercera técnica para la recolección de información sobre regularidad superficial es mediante el empleo de los medidores del tipo respuesta o sistemas de medición de rugosidad por reacción (RTRRMs). Estos equipos cuentan con un dispositivo (transductor) que detecta los movimientos verticales del eje trasero de un automóvil o del eje de un remolque, respecto de la carrocería del vehículo, a


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medida que éste se desplaza sobre la carretera, y los transmite a un microprocesador que registra la condición superficial del pavimento en milímetros o pulgadas acumuladas de movimiento relativo sobre una determinada distancia recorrida (Figura 2.5.3). Por lo tanto, los RTRRMs no miden el perfil real de la carretera, sino un efecto dinámico de las irregularidades del mismo, el cual puede ser atenuado o amplificado, dependiendo del sistema mecánico del vehículo.

Figura 2.5.3. –Esquema de RTRRM

Estos medidores han sido ampliamente utilizados por su bajo costo de adquisición y operación, por la facilidad de su manejo y por el alto rendimiento en las mediciones. Entre sus inconvenientes está el hecho de que la respuesta es sensible al tipo de vehículo donde está instalado el medidor, a las características de la suspensión del mismo, a la presión de inflado de las llantas y a la velocidad y a la distribución del peso del vehículo. Igualmente, requieren calibración frecuente para asegurar la precisión y la repetibilidad de las medidas. Esta categoría incluye dispositivos tales como el rugosímetro BPR, el Mays Meter Ride, el ROMDAS y el PCA Road Meter. Aunque con sistemas de medición diferentes, instrumentos tales como el MERLIN, los perfilógrafos y la regla rodante de 3 metros son considerados como dispositivos de medición de la clase 3. 2.5.2.4. Clase 4: Evaluaciones subjetivas En evaluaciones de tipo somero, en las que no se suele disponer ni requerir de métodos refinados para la medida de la regularidad superficial, ésta puede ser estimada por comparación con ciertos indicadores de tipo más o menos subjetivo, como la sensación de comodidad que experimenta un evaluador experto que transita en un vehículo automotor por la vía y los defectos superficiales relevantes que originan los movimientos del vehículo.


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2.5.3. El “Índice de Rugosidad Internacional” o “Índice de Regularidad Internacional” (IRI) *ref. 2.5.3+*ref. 2.5.4+*ref. 2.5.5+

La gran cantidad de equipos disponibles en el mercado para la medida de la regularidad del perfil longitudinal de los pavimentos y las enormes diferencias entre sus sistemas de medición y de registro, hacía muy difícil la comparación y la universalización de los resultados. El problema fue enfrentado a través de un experimento internacional, adelantado en Brasil en 1982, cuyo resultado fue una medida de referencia para las deformaciones longitudinales, a la cual se dio el nombre de “Índice de Rugosidad Internacional” (IRI), la cual proporciona una escala común y estable para las medidas de regularidad, con la cual se pueden correlacionar las lecturas obtenidas con los equipos de las clases 1, 2 y 3. 2.5.3.1. Definición del IRI El IRI es una medida de la influencia de la uniformidad del perfil longitudinal de la carretera sobre la calidad de la rodadura, que representa la vibración de un vehículo típico de pasajeros como resultado de la falta de regularidad de la superficie de la vía. Se define como la relación entre el movimiento acumulado entre las masas amortiguada y no amortiguada de un modelo matemático denominado “cuarto de carro” (cuya respuesta es similar a la de un automóvil) que circula a una velocidad de 80 kilómetros por hora, y la distancia recorrida. Este valor se expresa corrientemente en m/km. Un IRI = 0 significa una superficie totalmente lisa y su valor aumenta con las irregularidades del perfil. 2.5.3.2. Modelo del cuarto de carro La definición del IRI se establece a través de conceptos asociados a la mecánica vibratoria de sistemas dinámicos, a partir de la cual un vehículo se puede modelar, de manera simplificada, por un conjunto de masas ligadas entre sí y con la superficie de la vía, mediante un conjunto de resortes y amortiguadores. El movimiento sobre el perfil de la vía produce desplazamientos, velocidades y aceleraciones en las masas. Asumida esta forma de simular el comportamiento del vehículo al transitar sobre una vía, éste se simplifica, por simetría, como un “cuarto de carro”, y se modela por la magnitud de sus masas y las constantes de resorte y de amortiguación (Figura 2.5.4).


80

Figura 2.5.4. - Modelo del “cuarto de carro”

La masa del “cuarto de carro” se divide en dos 2 partes: la superior, soportada por el sistema de suspensión (masa suspendida) y la inferior, que es independiente de la anterior (masa no suspendida). La suspensión se esquematiza por un resorte (k2) y por un amortiguador (c2), en tanto que la masa no suspendida (prácticamente la rueda) se esquematiza por un resorte (k1), el cual representa la deformabilidad o rigidez del neumático. Si a los valores de los parámetros m1, m2, k1, k2 y c2 se les asignan los valores mostrados en la Figura 2.5.4 y se fija como velocidad de referencia 80 km/h, se tienen establecidas las bases para obtener el IRI. Teniendo en cuenta lo anterior, el IRI en cada punto de la vía se define como el valor absoluto de la variable |z’2 – z’1| de las masas suspendida y no suspendida. A la variable |z’2 – z’1| se le denomina “pendiente rectificada del perfil filtrado” porque, en definitiva, es la pendiente de un perfil, distinto pero derivado del perfil de la vía, filtrado por las características del modelo de cuarto de carro.


81

Si, además, se tiene en cuenta que los datos del perfil longitudinal son discretos, es decir, que son adquiridos mediante muestreo (una cota cada determinado intervalo), el IRI es la media aritmética de la sumatoria de todos los valores de la variable |z’2 – z’1| en la longitud de evaluación. La expresión algebraica que permite obtener el IRI en forma discreta es:

n

|zz|

IRI

n

1

'1

'2

Si, por cualquier circunstancia, se dispusiera de una función que definiera el perfil en forma continua, la expresión de cálculo sería:

L

0

'1

'2 dx.|z|z

L

1IRI

Donde: n: Número de puntos

L: Longitud de análisis |z’2 – z’1|: Valor absoluto de la pendiente rectificada

2.5.3.3. Cálculo del IRI El cálculo de las expresiones recién mencionadas es muy laborioso, razón por la cual se debe ejecutar con ayuda de un programa de cómputo. La norma de ensayo INV E-790, “Determinación del índice internacional de rugosidad (IRI)” incluye un programa de cómputo para efectuar cálculos hectométricos del IRI a partir de medidas realizadas con mira y nivel [ref. 2.5.6]. 2.5.4. Medida de la Regularidad Superficial Para la mejor interpretación y aplicación de las medidas en los estudios destinados al mantenimiento y a la rehabilitación de pavimentos, éstas se deben realizar en cada carril sobre las huellas de circulación de los vehículos, conforme lo establece la norma INV E-790 [ref. 2.5.6]. Los resultados de las mediciones deben ser convertidos a unidades de IRI, bien sea mediante alguna ecuación apropiada de correlación, bien mediante algún programa computacional apropiado, y se deben


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procesar en incrementos de 100 metros, preferiblemente mediante el sistema de medias móviles, con el fin de delimitar sectores de similar comportamiento [ref. 2.5.3]. Cuando la regularidad superficial se ha determinado mediante el procedimiento subjetivo de la Clase 4, el IRI se puede estimar con ayuda de la Tabla 2.5.2, inspirada en recomendaciones del Banco Mundial [ref. 2.5.4]. 2.5.5. Aplicación de los resultados de las medidas de Regularidad Superficial Los resultados de las evaluaciones del perfil superficial del pavimento tienen diversas aplicaciones, entre ellas:

- Evaluación periódica de las condiciones de comodidad para la circulación vehicular y suministro de información para el cálculo de los costos de operación de los vehículos.

- Ayuda en la sectorización de las vías que van a ser sometidas a trabajos de rehabilitación y en la escogencia de estrategias factibles de actuación. Por ejemplo, si en un proyecto existe un tramo corto con una rugosidad muy severa, éste puede ser identificado y seleccionado para trabajos de rehabilitación probablemente diferentes a los que se acometerán en la longitud restante del proyecto.

- Determinación de la calidad de los trabajos de construcción o de rehabilitación de pavimentos, tal como lo establecen las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS.


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Tabla 2.5.2. Valores de IRI para diferentes niveles de comodidad para la circulación en una vía

pavimentada

DESCRIPCIÓN DE LA COMODIDAD PARA LA CIRCULACIÓN IRI

(m / km)

V> 120 km / h Ondulaciones apenas perceptibles a 80 km / h, en el rango de IRI de 1.3 a 1.8. No hay abultamientos ni ojos de pescado. Depresiones < 2 mm/3m. Mezcla asfáltica o tratamiento superficial de alta calidad.

< 2.5

V = 100 – 120 km / h Percepción de movimientos moderados y ondulaciones suaves a 80 km / h. Depresiones, parches y ojos de pescado ocasionales (5 – 15 mm / 3m, con frecuencia de 1 a 2 cada 50 m). Desprendimientos poco profundos (por ejemplo, desprendimientos de gravilla en un tratamiento superficial). Superficie con ondulaciones amplias y abultamientos moderados.

4.0 – 5.5

V = 70 – 90 km / h Movimientos fuertes y balanceo del vehículo. Depresiones y parches frecuentes pero de moderada magnitud (15 – 20 mm / 3m). Ojos de pescado ocasionales ( 1 a 3 en 50 m). Superficie con ondulaciones y abultamientos fuertes.

7.0 – 8.0

V = 50 – 60 km / h Movimientos repentinos frecuentes y balanceos, asociados con defectos graves como depresiones profundas (20 – 40 mm / 3m) y frecuentes (6 – 20 / 100m) u ojos de pescado (4 – 6 / 50m)

9.0-10.0

V < 50 km / h Depresiones y ojos de pescado frecuentes y profundos (40 – 80 mm) con frecuencia de 10 – 20 / 50 m

11.0 – 12.0

Notas:

- El valor “V” se refiere a la velocidad normal de circulación sobre una carretera recta y seca, sin la interferencia de otros usuarios.

- Las condiciones de circulación corresponden a la sensación que tiene el usuario al rodar por la carretera con un vehículo de tamaño medio.

- Dentro de la descripción de las fallas, se omiten los agrietamientos por carecer de peso dentro de la estimación de la regularidad de la superficie.

2.5.6. Comodidad para la circulación (Serviciabilidad)

El concepto de serviciabilidad fue desarrollado como parte de la investigación en el AASHO ROAD TEST [ref. 2.5.7]. Al efecto, un panel de evaluadores condujo sus vehículos sobre las diferentes secciones del camino de prueba, calificándolas de acuerdo con la siguiente escala:


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0-1 Muy pobre 1-2 Pobre 2-3 Aceptable 3-4 Buena 4-5 Muy buena La calificación promedio de todos los evaluadores, denominada “Present Serviciability Rating” (PSR), se utilizó desde entonces como un parámetro evaluador del comportamiento de un pavimento, desde el punto de vista del usuario. Posteriormente, se pidió a los evaluadores su opinión respecto de si un sector determinado de pavimento, evaluado para determinar el PSR, les resultaba “aceptable” o “inaceptable” para una carretera principal. Para el caso de los pavimentos asfálticos, los resultados obtenidos se presentan en la Tabla 2.5.3 [ref. 2.5.8]:

Tabla 2.5.3. Opinión de los evaluadores sobre la aceptabilidad de un pavimento según el PSR

PSR ACEPTABLE INACEPTABLE

4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

100% 100% 95% 55% 17% 3% 0%

0% 0% 0%

10% 50% 84%

100%

Los valores de la tabla muestran que, aproximadamente, la mitad de los evaluadores consideraron “aceptable” un PSR de 3.0 e “inaceptable” uno de 2.5, a la vez que el 84% consideró “inaceptable” un PSR de 2.0. Estos valores de inaceptabilidad sirvieron a la AASHO, desde entonces, como referencia para establecer los índices de serviciabilidad final en los procesos de diseño de pavimentos. La AASHO desarrolló luego un indicador matemático del PSR que eliminaba la necesidad de los grupos de evaluadores y, comparando los resultados de las encuestas realizadas con ellos con diferentes medidas efectuadas en el pavimento (tales como la varianza de la pendiente del perfil longitudinal, el agrietamiento,


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etc), obtuvo el “Present Serviciability Index” (PSI) o “Índice de Servicio Presente” (ISP), cuya expresión, para los pavimentos flexibles, es la siguiente:

PSI = 5.03 – 1.91*log(1 + SV) – 1.38*(RD)2 – 0.01*(C + P)0.5 Donde: SV: Varianza de la pendiente de la sección, con medidas realizadas

con el perfilómetro CHLOE.

RD: Profundidad del ahuellamiento (pulgadas).

C: Área con agrietamientos de las clases AASHO 2 y 3 (pies2/1000 pies2)

P: Área parchada (pies2/1000 pies2).

Con el transcurso del tiempo, muchas agencias viales convirtieron el término de varianza de pendiente de la fórmula original en un índice de rugosidad, a través de correlaciones con medidas realizadas con diferentes equipos, en tanto que otras dieron un paso más adelante, correlacionando directamente el “Índice de Servicio Presente” (ISP) con la rugosidad, teniendo en cuenta que en la fórmula que define el ISP, las irregularidades en el perfil longitudinal constituyen el factor dominante, en tanto que los otros deterioros tienen escasa significación en el valor del mismo. Una de las muchas que se encuentran en la bibliografía, se debe a Paterson [ref. 2.5.9]:

ISP = 5*e(-0.18*IRI)

Donde: e: Base de los logaritmos naturales.

IRI: Índice internacional de rugosidad, (m/km). Otra, es la referida por Gillespie [ref. 2.5.5]:

ISP = 5 – 0.633*IRI

(recomendada para valores de IRI hasta 4.7 m/km) Los valores de IRI a los cuales dan lugar diferentes valores del ISP, empleando las dos correlaciones recién mencionadas, se muestran en la Tabla 2.5.4.


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Tabla 2.5.4. Relación entre los valores de ISP y el IRI

ISP IRI (m/km)

PATERSON GILLESPIE

4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

0.58 1.24 1.95 2.83 3.85 5.09 6.69

0.79 1.56 2.37 3.16 3.95 4.74 n/a

De acuerdo con estos valores y el grado de aceptabilidad citado atrás, se concluye que el 100 % de los evaluadores hubiera considerado aceptables valores de IRI del orden de 1.5 m/km (ISP = 4.0); 95% de ellos también considerarían valores de IRI cercanos a 2.0 m/km como aceptables (ISP=3.5); mientras que valores del IRI de 5.0

m/km o mayores (ISP 2.0) resultarían inaceptables para casi la totalidad de los usuarios. Teniendo en cuenta la elevada correlación entre el IRI y los índices de serviciabilidad, así como el hecho de que las correlaciones entre el IRI y otras medidas de rugosidad son muy consistentes a diferentes velocidades y que, además, el IRI es una escala matemáticamente relacionada con el perfil real de la carretera, que es estable en el tiempo, la AASHTO, en la guía de diseño de 2002, modificó su concepto tradicional de valoración con base en la serviciabilidad, adoptando el IRI como medida de la lisura y confort del pavimento en lugar del ISP [ref. 2.5.10]. De todas maneras, aún hay un asunto pendiente de solución. Como el IRI ha sido determinado con base en la dinámica de vehículos del tipo automóvil, es incierto si los mismos valores que hoy se juzgan como aceptables tienen la misma proporción de aceptabilidad para los conductores de los buses y de los camiones. Al realizar trabajos de evaluación de las calzadas, se debe tener presente que el ISP (o el IRI como medida indirecta de aquél) es solamente un indicador de la condición del pavimento, que afecta la comodidad de la circulación del usuario por la vía y los costos de operación vehicular, pero en modo alguno constituye el único factor de alerta sobre las necesidades de rehabilitación, ya que la contribución de los deterioros del pavimento a las deficiencias de regularidad superficial no es


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universal. Un pavimento asfáltico puede tener un perfil relativamente liso (IRI bajo) y, sin embargo, acusar ciertas fallas, como fisuramientos del tipo piel de cocodrilo, indicativas de un avanzado grado de degradación estructural. Por lo tanto, la evaluación de la calzada con propósitos de rehabilitación deberá ser completa y detallada, de manera de definir las causas de sus deterioros y establecer un juicio lo más objetivo posible sobre la capacidad general de la misma, que conduzca al diseño y a la construcción de las obras más adecuadas a su condición actual y a las prestaciones que se requieran de ella en el futuro.

2.5.7. Niveles jerárquicos de información

Para los propósitos de la presente guía, la jerarquía de la información sobre la regularidad superficial del pavimento (ver numeral 1.4) es la indicada en la Tabla 2.5.5. El uso de la técnica de la Clase 4 es inaceptable en todos los casos.

Tabla 2.5.5 Niveles jerárquicos de información sobre la regularidad superficial

NIVEL JERÁRQUICO 1 2 3

TÉCNICA DE MEDICIÓN Clases 1 y 2 Clase 3 Clase 3

REFERENCIAS 2.5.1 - AIPCR, “Informe del Comité Técnico número 1 de características superficiales”, XVIII Congreso Mundial de la Carretera, Bruselas, 1897 2.5.2 - ACHÚTEGUI F., “Regularidad superficial y técnicas de medida”, II Jornadas sobre características superficiales de los pavimentos, Madrid, 1996 2.5.3 - SÁNCHEZ I., “Indicadores de regularidad superficial y aplicaciones”, II Jornadas sobre características superficiales de los pavimentos, Madrid, 1996 2.5.4 - SAYERS M.W., GILLESPIE T.D. & QUEIROZ C.A.V, “The international road roughness experiment.”, World Bank, Technical Paper Number 45, Washington, 1986 2.5.5 - GILLESPIE T.D., “Everything you always wanted to know about the IRI, but you were afraid to ask!”, Road Profile Users Group Meeting, Lincoln, Nebraska, 1992


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2.5.6 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Normas de ensayo de materiales para carreteras”, Bogotá D.C., 2007 2.5.7 - HIGHWAY RESEARCH BOARD, “The AASHO road test. Report 5. Pavement research, special report 61E”, HRB, National Academy of Science, Washington D.C., 1962 2.5.8 - CAREY W.N., IRICK P.E., “The pavement serviceability – performance concept”, Highway Research Bulletin 250, HRB, Washington D.C., 1960 2.5.9 - PATERSON W.D.O., “International roughness index: relationship to other measures of roughness and riding quality”, Transportation Research Record 1084, TRB, Washington D.C., 1960 2.5.10 - TRANSPORTATION RESEARCH BOARD, “Milestones 2002. Moving towards the 2002 pavement design guide”, NCHRP project 1-37A, Winter 2001.


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CAPÍTULO 6 GUÍAS PARA LA MEDICIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO

2.6.1. Introducción La resistencia al deslizamiento, también denominada fricción superficial, es la fuerza desarrollada en la interfaz neumático2-pavimento, que resiste el deslizamiento del neumático cuando se aplican los frenos al vehículo. Esta es la principal propiedad del pavimento en lo que se refiere a seguridad, aparte de los factores relacionados con las condiciones geométricas de la vía. Mientras la fricción suele ser suficiente cuando la superficie se encuentra seca, el agua en un pavimento húmedo actúa como un lubricante que reduce el contacto directo entre el neumático y la superficie de la calzada. Si la película de agua llega a ser lo suficientemente espesa o el vehículo circula a una velocidad demasiado alta, los neumáticos pueden perder el contacto con la superficie, creándose un fenómeno de alto peligro, conocido como hidroplaneo.

2.6.2. Oferta y demanda de fricción La resistencia al deslizamiento se puede concebir en términos del margen de seguridad existente entre la oferta y la demanda de fricción en un momento dado y para una determinada maniobra de conducción. La Tabla 2.6.1 presenta una lista con los principales factores que afectan la oferta y la demanda de fricción [ref. 2.6.1]. Se puede advertir que algunos factores afectan ambos requerimientos y, por lo tanto, tienen gran significación en la resistencia al deslizamiento. Ejemplos obvios son la velocidad vehicular y los factores ambientales. Para un vehículo que circula por una determinada trayectoria, los neumáticos deben ser capaces de desarrollar unos factores de fricción definidos, los cuales dependen de la velocidad, del tipo de neumático, de las condiciones climáticas, de la geometría de la vía y, principalmente, de los cambios de dirección y aceleración que imponga el conductor al vehículo.

2 Neumático: “Pieza de caucho con cámara de aire o sin ella, que se monta sobre la llanta de una rueda”.

Llanta: “Pieza metálica central de una rueda, sobre la que se monta el neumático” (diccionario de la RAE). Se presentan estas definiciones, por cuanto en Colombia se le suele dar, equivocadamente, el nombre de llanta al neumático.


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Tabla 2.6.1. Factores de la resistencia al deslizamiento

DEMANDA DE FRICCIÓN OFERTA DE FRICCIÓN

- Velocidad - Aceleración y frenado - Características del vehículo - Factores ambientales

Viento Salpicaduras Visibilidad

- Geometría de la carretera

Curvatura Peralte

- Velocidad - Neumático - Superficie del pavimento

Microtextura Macrotextura Drenaje Pendiente transversal

- Factores ambientales

Lluvia Temperatura

La gran dependencia que la fricción disponible tiene de la velocidad vehicular se debe a que, en condición de superficie húmeda, el área de contacto entre el neumático y el pavimento está determinada por la eficiencia con la que aquél expulsa el agua de dicha área. La viscosidad del agua y otros efectos hacen que esta eficiencia se degrade a alta velocidad y, consecuentemente, el neumático resulta incapaz de mantener una superficie de contacto seca. 2.6.3. Factores que afectan la fricción superficial Aunque la fricción es considerada a menudo como una propiedad exclusiva del pavimento, en realidad ella depende tanto de las condiciones superficiales de la calzada, como de los neumáticos de los vehículos y de la velocidad de circulación de éstos. 2.6.3.1. Diseño y condición de los neumáticos Los dos principales factores responsables para la fricción del neumático, son la adhesión y la histéresis (Figura 2.6.1). La adhesión es el resultado de fuerzas moleculares en la interfaz neumático–pavimento, cuya magnitud depende de la naturaleza de los dos materiales en contacto y de la fuerza normal entre ellos, en tanto que la componente de histéresis es función de la pérdida de energía en el


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caucho del neumático a medida que éste es deformado por las asperezas de la textura superficial del pavimento.

Figura 2.6.1. - Componentes de la fricción neumático - pavimento

La fuerza efectiva de resistencia al deslizamiento en el plano de la interfaz (F) es la suma de estas dos componentes, suma que dividida por la magnitud de la carga vertical (L) da como resultado el coeficiente efectivo fricción o factor de fricción (f):

L

FhFa

L

Ff

Los procedimientos estándares, como el descrito en la norma de ensayo ASTM E-274, determinan una unidad de medida de la resistencia al deslizamiento SN (Skid Number), expresada por:

SN = 100.f La adhesión es el factor dominante en la resistencia al deslizamiento cuando la superficie del pavimento está seca, pero su importancia decrece con la lubricación y se hace casi despreciable cuando la superficie está húmeda. En esta última


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condición, la componente más importante es la histéresis, cuando no está afectada por la lubricación. Debido a lo anterior, la resistencia al deslizamiento de los pavimentos es menor cuando se encuentran húmedos. La disminución de resistencia se acelera a medida que la superficie es más densa, siendo mayor el decrecimiento al incrementar la velocidad vehicular (Figura 2.6.2).

Figura 2.6.2. - Variación de la fricción disponible con la velocidad de deslizamiento, para diferentes texturas superficiales

2.6.3.2. Microtextura y macrotextura del pavimento Los dos principales factores de la superficie del pavimento para la generación de fricción son la microtextura y macrotextura (ver Parte 2 Capítulo 5). La microtextura es proporcionada por las pequeñas asperezas superficiales y afecta el nivel de fricción en el área de contacto entre el neumático y el pavimento. La macrotextura es suministrada por las asperezas mayores y la elevación relativa de las partículas con respecto al plano base del pavimento, y proporciona canales de escape para el agua superficial del área de contacto entre el neumático y el pavimento (Figura 2.6.3).


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Figura 2.6.3. - Microtextura y macrotextura

La microtextura varía de áspera a pulida, mientras la macrotextura lo hace de rugosa a suave, como se indica en la Figura 2.6.4. Además, es deseable un alto potencial de drenaje para la superficie del pavimento (por ejemplo a través de una adecuada pendiente transversal), para que permita la salida de agua por gravedad; dicho potencial reduce el espesor de la película de agua en la interfaz neumático-pavimento, con lo que se obtiene un incremento en la fricción disponible. Si ambas texturas se mantienen en niveles adecuados, ellas garantizan la resistencia al deslizamiento en condición de superficie húmeda. El incremento de la macrotextura reduce el potencial de encharcamientos y salpicaduras y garantiza la fricción a altas velocidades. La microtextura, por su parte, tiene gran incidencia sobre la fricción cuando los vehículos circulan a baja velocidad.

Figura 2.6.4. – Escalas de textura de la superficie de un pavimento


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2.6.3.3. La altura de la lámina de agua sobre la superficie Cuando la lluvia produce una película de agua entre la superficie del pavimento y el neumático se producen dificultades de adherencia, las cuales se agravan a medida que la película se hace mayor, generando hidroplaneo. Una condición indispensable para obtener una buena adherencia y mantenerla, consiste en eliminar lo más rápidamente posible el agua que pueda existir en la superficie de contacto entre el neumático y el pavimento. En esa eliminación intervienen diferentes elementos: el labrado del neumático, la textura de la superficie y la geometría de la vía -en lo que se refiere a sus pendientes y a la longitud en que el agua se pueda acumular sobre la superficie-. La Figura 2.6.5 ilustra la situación que se presenta en el pavimento [ref. 2.6.2]. El espesor de la lámina de agua que contribuye al hidroplaneo es la suma de la “profundidad media de textura” (PMT) (la cual se define en el numeral 2.6.5.2) más el espesor de agua que fluye sobre las asperezas superficiales. La PMT depende de la macrotextura de la superficie que, como ya se ha indicado, es aquella parte de la textura del pavimento producida fundamentalmente por el agregado grueso. El agua que se aloja bajo la PMT queda atrapada en la superficie y no contribuye al drenaje del pavimento. La Figura 2.6.5 permite entender la importancia del aumento de la macrotextura, ya que ella brinda un espacio adecuado, tanto para alojar el agua (espesor por debajo de la PMT), como para facilitar el drenaje superficial (espesor por encima de la PMT).

Figura 2.6.5. – Definición del espesor de la película de agua, de la profundidad media de textura y del flujo total


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La trayectoria de una gota de agua que cae sobre la superficie queda definida por una línea que depende de las pendientes superficiales del pavimento. La máxima trayectoria en una determinada sección, es la distancia máxima que recorre la gota desde que toca el pavimento hasta el punto donde sale del mismo. La Figura 2.6.6 muestra, en su lado derecho, la planta de un plano de diseño (correspondiente a un carril en una vía de una sola calzada) en cuyo extremo superior cae una gota de agua. La parte izquierda de la Figura muestra el espesor que va tomando la lámina de agua que fluye sobre las asperezas superficiales a lo largo de su trayectoria. Al caer el agua, primero llena la macrotextura (1.27 mm en el ejemplo de la Figura) y, a partir de este punto, el espesor de la lámina va aumentando hasta que alcanza el borde del pavimento o un dispositivo de drenaje. Para una determinada cantidad de lluvia por unidad de área del pavimento, la reducción de la trayectoria se traduce en un menor espesor de la lámina de agua y, consecuentemente, en una menor propensión al hidroplaneo, al encharcamiento y a las salpicaduras excesivas.

Figura 2.6.6. - Definición de la trayectoria del flujo y del plano de diseño

Con el fin de determinar los sitios donde esta situación puede ser crítica, el ingeniero debe utilizar modelos de predicción de espesores de láminas de agua


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fluyendo a través de la superficie. Un ejemplo de ellos es el programa PAVDRN [ref. 2.6.2], el cual predice, a partir de la geometría del pavimento, del tipo y textura de la superficie, de la localización de los dispositivos de drenaje superficial existentes y de la intensidad de la lluvia, la velocidad vehicular a la cual se produce el hidroplaneo. Esta velocidad debe ser comparada con la de operación de la carretera. En los tramos donde aquella resulte menor que ésta, son factibles los conflictos a causa del hidroplaneo, los cuales es necesario remediar como parte de las soluciones de rehabilitación. En todas las carreteras existen algunos puntos donde la geometría entra en conflicto con el drenaje superficial. Es el caso de las curvas verticales cóncavas que unen tangentes de pendiente de diferente signo, en las cuales la pendiente longitudinal decrece hasta alcanzar un valor igual a cero en el punto más bajo de ellas. En las curvas horizontales, la pendiente transversal se hace igual a cero en las zonas de transición del peralte (Figura 2.6.7). Una combinación de componentes de pendiente igual a cero puede originar problemas para el escurrimiento de las aguas superficiales. En consecuencia, es necesario verificar los requisitos de alineamiento y de sección transversal que coadyuvan en la optimización de la geometría de la vía, desde el punto de vista del drenaje superficial [ref. 2.6.3] [ref. 2.6.4] [ref. 2.6.5].

Figura 2.6.7. – Transición de curva horizontal

Las pendientes de la sección transversal del pavimento (bombeo) son de gran importancia, pues contribuyen en la rápida evacuación del agua superficial. Las normas de diseño vigentes en Colombia recomiendan una pendiente transversal de 2% en los tramos de calzada en tangente y una pendiente 2% mayor en las bermas, salvo que éstas se construyan como continuación de la capa de rodadura, caso en el cual se debe mantener la pendiente adoptada para el carril [ref. 2.6.4]. Sin


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perjuicio de estas recomendaciones, se deberán efectuar todos los ajustes que se consideren necesarios siempre que se prevean problemas de hidroplaneo. 2.6.3.4. Influencia del tránsito La acción repetida de los vehículos sobre el pavimento provoca pulimento en los agregados expuestos en la superficie, el cual es intenso en los primeros años de servicio, para luego estabilizarse alrededor de cierto valor que se mantiene durante el tiempo. Este pulimento afecta adversamente la resistencia al deslizamiento (Figura 2.6.8).

Figura 2.6.8. – Efecto del tránsito sobre la resistencia al deslizamiento

2.6.3.5. Influencia de la velocidad de los vehículos A medida que la velocidad vehicular aumenta, se produce un efecto de lubricación hidrodinámica que disminuye el coeficiente de fricción entre el neumático y el pavimento en condición de superficie húmeda. La magnitud de la disminución depende de las características de micro y macrotextura del pavimento, como se aprecia en la Figura 2.6.2. 2.6.3.6. Influencia de la estación en la cual se realizan las medidas La experiencia indica que la resistencia al deslizamiento en pavimentos es mayor en invierno y primavera y menor en verano y otoño (Figura 2.6.9). Por tal motivo, las campañas de medida se acostumbran realizar en las dos últimas estaciones, en los países donde ellas se presentan. Como en Colombia no ocurre esta situación, las determinaciones se pueden realizar en cualquier época del año.


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Figura 2.6.9. – Variación de la resistencia al deslizamiento durante un año en una vía

pavimentada de Nueva Zelanda [ref. 2.6.6]

2.6.4. Influencia de la composición y de la colocación de las mezclas asfálticas de

rodadura sobre la adherencia neumático - pavimento [ref. 2.6.7] Algunos aspectos relacionados con la composición y con la colocación de las capas asfálticas de rodadura inciden de manera importante sobre la fricción superficial. Entre ellos cabe citar:

- Tipo de carpeta superficial. Desde el punto de vista de la fricción, los tratamientos superficiales y las lechadas asfálticas, por su macrotextura más rugosa, presentan condiciones más favorables que las mezclas del tipo concreto asfáltico.

- Clase de mezcla. Dentro de las mezclas asfálticas más comúnmente utilizadas para la construcción de capas de superficie, aquéllas que generan una profundidad de textura mayor, tales como las drenantes y las mezclas discontinuas en caliente para capas de rodadura, aportan una mejora considerable a la adherencia a gran velocidad en relación con los concretos asfálticos.

- Uso de agregados pulimentables. Los agregados susceptibles al pulimento, en especial los de tipo calcáreo, deben ser evitados para la elaboración de cualquier


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tipo de mezcla o tratamiento asfáltico de aplicación en superficie, por cuanto dan lugar a una microtextura pulida a corto plazo.

- Adición de arena redondeada. La arena redondeada en las mezclas es muy desfavorable para las características antideslizantes a corto plazo, sobre todo en vías de alta velocidad de operación.

- Exceso de asfalto en la mezcla. Mezclas con exceso de asfalto por defectos en el diseño o en la manufactura generan exudaciones a corto plazo, las cuales ocasionan una peligrosa reducción en las propiedades antideslizantes de la superficie.

- La forma de compactación de la carpeta de rodadura. La técnica de compactación más utilizada en la actualidad consiste en hacer entrar primero un equipo liso vibratorio que ejecuta algunas pasadas y luego y compactador de ruedas neumáticas que termina la compactación. Se ha observando que el compactador neumático deja una buena macrotextura, en tanto que el vibratorio alisa la superficie, por cuanto la vibración hace remontar el mortero de la mezcla a la superficie. Para remediar esta situación se deben diseñar mezclas con un menor contenido de mortero, siempre que ellas se vayan a compactar en forma vibratoria.

- Deficiencias de compactación. Los concretos asfálticos deficientemente compactados presentan, a corto tiempo, unas características antideslizantes superiores al promedio pero, a medio y largo plazo, ellas descienden; por lo tanto, disminuir la compactación de los concretos asfálticos para generar mayor adherencia es una solución solamente ilusoria y peligrosa.

- Uso de mezclas de baja estabilidad. Estas mezclas son muy susceptibles a la deformación, en especial a altas temperaturas, y dan lugar a ahuellamientos y abultamientos que facilitan acumulaciones de agua. Por lo tanto, su uso debe ser evitado.

2.6.5. Evaluación de la resistencia al deslizamiento y la textura superficial La adherencia entre el neumático y el pavimento es un factor fundamental en la seguridad de la circulación vehicular. Por lo tanto, la evaluación de esta propiedad siempre debe formar parte del proceso de seguimiento del comportamiento de los pavimentos en servicio. Para la estimación de la fricción superficial en los rangos


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corrientes de operación vehicular se han desarrollado diferentes procedimientos, los cuales pueden ser clasificados en dos grupos, según ella se determine por medida directa del coeficiente de rozamiento entre el pavimento artificialmente humedecido y una rueda de caucho o se estime indirectamente a través de la textura superficial. 2.6.5.1. Medida de la resistencia al deslizamiento [ref. 2.6.8] Existen cuatro tipos básicos de equipos para medir la fricción de manera directa: (i) de rueda bloqueada, (ii) de rueda parcialmente bloqueada con grado de bloqueo fijo, (iii) de rueda bloqueada con grado de deslizamiento variable y (iv) de rueda oblicua con respecto al sentido de marcha. Los equipos más utilizados para realizar esta medida son del tipo de rueda bloqueada, en acuerdo a las normas ASTM E–274 y E-524, ejemplo de los cuales es el K. J. Law Locked-Wheel Skid Trailer. Un equipo de este tipo consiste en un pequeño remolque en el cual va la rueda de medida arrastrada a velocidad constante, la cual es frenada en el momento de realizar la medida. Emplea un neumático labrado o liso, con una proyección de agua que va mojando el pavimento delante de la rueda (Figura 2.6.10). El uso de la rueda lisa es preferible, por cuanto se ha encontrado que las medidas con ella correlacionan mejor con las tasas de accidentes vehiculares en condición de ambiente lluvioso.

Figura 2.6.10. – Equipo de rueda bloqueada ASTM E-274 (Pennsylvania DOT)

Los sistemas de rueda parcialmente bloqueada con grado de bloqueo fijo y de rueda bloqueada con grado de deslizamiento variable intentan operar al nivel de fricción pico, para simular la capacidad de un vehículo para detenerse mientras usa frenos antibloqueo. Los equipos de bloqueo fijo operan a deslizamiento constante,


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usualmente entre 20% y 30% (es decir, la rueda de ensayo gira a una velocidad angular menor que su velocidad de giro libre), en tanto que los equipos de grado de deslizamiento variable lo hacen a través de un determinado juego de relaciones de deslizamiento, en acuerdo con la norma ASTM E-1859. Ejemplos de los primeros son el Griptester (Figura 2.6.11) y el medidor de fricción SAAB. De los segundos, el más conocido es el Norsemeter Roar Analyser and Recorder (ROAR) (Figura 2.6.12).

Figura 2.6.11. – Equipo Griptester de rueda parcialmente bloqueada con grado de bloqueo

fijo

Figura 2.6.12. – Equipo Norsemeter ROAR de rueda bloqueada con grado de deslizamiento variable

Los equipos de rueda oblicua son autopropulsados y en ellos la rueda de ensayo gira formando un ángulo respecto del sentido de movimiento del vehículo, no


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aplicándose ninguna otra condición de frenado. De esta manera, se puede medir en continuo el coeficiente de rozamiento transversal. Estos equipos han sido diseñados para simular la capacidad de un vehículo para mantener el control en las curvas. Ejemplos de ellos son el SCRIM (Figura 2.6.13) y el Mu-Meter. A algunos equipos SCRIM se les han acondicionado sistemas láser de medición de macrotextura, con lo que se obtiene una idea más completa de las condiciones de fricción superficial.

Figura 2.6.13. – Equipo de rueda oblicua SCRIM

El péndulo portátil de fricción del TRL británico es un dispositivo de gran simpleza y economía de operación, el cual da una medida indirecta de la microtextura, a través de la determinación de la fricción existente entre una zapata deslizante de caucho colocada en el extremo del brazo de un péndulo que oscila entre una posición de reposo y una escala de medida, luego de rozar la superficie del pavimento húmedo (Figura 2.6.14). La posición final sobre la escala de la aguja que acompaña al péndulo en su oscilación es el “número del péndulo británico” (NPB), el cual es 100 veces el coeficiente de resistencia al deslizamiento al cual hacen referencia las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS. El ensayo con este equipo está normalizado bajo el registro INV E–792 [ref. 2.6.9]. La operación de este equipo simula la acción de un vehículo con neumáticos labrados, cuando frena al circular a 50 km/h sobre un pavimento húmedo.


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Figura 2.6.14. – Péndulo de fricción británico

El medidor de fricción dinámica (Figura 2.6.15), cuyo uso se describe en la norma ASTM E-1911, consiste en un disco que se gira con su plano paralelo a la superficie que se ensaya. El disco tiene montados tres deslizadores de caucho en su parte inferior, los cuales pueden alcanzar velocidades tangenciales hasta de 90 km/h. Durante el ensayo, se vierte agua delante de los deslizadores, se desciende el disco hasta tocar la superficie del pavimento y se mide el momento de torsión a medida que el movimiento del disco disminuye hasta su detención a causa de la fricción entre la textura del pavimento y los deslizadores. Convirtiendo el momento de torsión en fuerza y dividiendo ésta por el peso del disco y del ensamble del motor se determina el valor de fricción que se obtiene con este aparato. Aunque el equipo permite efectuar medidas a diferente velocidad, no distingue la direccionalidad de la textura superficial. Así, por ejemplo, produce los mismos valores en un pavimento ranurado, sea que las ranuras se encuentren en sentido longitudinal, sea que se encuentren en sentido transversal.

Figura 2.6.15. – Medidor de fricción dinámica


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2.6.5.2. Medida de la textura superficial Como lo muestra la Figura 2.6.2, el coeficiente de resistencia al deslizamiento a alta velocidad en pavimentos con macrotextura suave es considerablemente menor que a velocidades bajas o medias. Por tal motivo, en carreteras de alta velocidad de circulación es conveniente conocer dicho coeficiente en ambos rangos de velocidad. Su determinación a velocidad media queda cubierta por los equipos descritos en el numeral anterior. A altas velocidades, en cambio, se generan muchas dificultades de tipo práctico y de seguridad al intentar la determinación de la resistencia al deslizamiento, razón por la cual ella se suele estimar de manera indirecta, a partir de medidas de macrotextura. La manera más simple de estimar la macrotextura es realizando medidas puntuales a través del ensayo del círculo de arena, descrito en la norma de ensayo INV E-791 [ref. 2.6.9], el cual caracteriza la superficie del pavimento en cuanto a su capacidad para drenar el agua confinada entre el neumático y la superficie del pavimento. El ensayo consiste en la extensión de un volumen conocido de una arena uniforme sobre la superficie del pavimento, distribuyéndolo luego en forma circular hasta que se comiencen a advertir las asperezas del pavimento, instante en el cual se determina el diámetro medio del círculo (Figura 2.6.16). Dividiendo el volumen de arena por el área del círculo de arena, se obtiene una profundidad media de las irregularidades de la superficie, conocida como “profundidad media de textura” (PMT). Un valor de PMT de 0.8 mm separa razonablemente la macrotextura rugosa de la suave (Figura 2.6.4), en tanto que un valor inferior a 0.2 mm es característico de una macrotextura muy fina.

Figura 2.6.16. – Ensayo del círculo de arena


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Otro procedimiento de medida puntual es mediante equipos de medida de drenaje, los cuales utilizan un cilindro transparente, marcado con un volumen conocido y provisto de un obturador anular de caucho entre el cilindro y la superficie del pavimento. El cilindro se llena de agua, midiéndose posteriormente el tiempo en que tarda en ser evacuado el volumen conocido (Figura 2.6.17). El inverso del tiempo representa la medida de la textura, que es la que determina el flujo de agua. La norma ASTM E-2380 describe la ejecución de esta prueba.

Figura 2.6.17. – Determinación del flujo de agua

Los avances en la tecnología láser y el poder de la computación han permitido el cálculo de la “profundidad media del perfil” (PMP) a partir de medidas del perfil longitudinal a la velocidad de operación vehicular. La PMP también se puede determinar con el “medidor circular de textura” (Figura 2.6.18), el cual utiliza un rayo láser para medir el perfil de un círculo de 890 milímetros de diámetro. El perfil circular se divide en ocho segmentos y se calcula la profundidad media de cada uno, de acuerdo con la norma ASTM E-2157.

Figura 2.6.18. – Vista del sensor láser del medidor circular de textura


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2.6.6. Valores mínimos deseables de adherencia en pavimentos asfálticos nuevos y en servicio

La fijación de límites mínimos admisibles de adherencia en superficies de rodamiento de carreteras, tanto en pavimentos nuevos como en servicio, es un problema complejo y aun sin resolver adecuadamente, debido, sobre todo, a la gran cantidad de equipos de diferente concepción para medir los parámetros que gobiernan dicha propiedad. Las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 2.6.10] exigen unos valores mínimos del coeficiente de resistencia al deslizamiento de capas de rodadura recién construidas (Tabla 2.6.2), pero ningún documento de la entidad tiene establecidos umbrales a partir de los cuales se consideren necesarias algunas acciones para la restitución de la fricción superficial. Los “índices de estado” de las carreteras que forman parte de los contratos de concesión vial del INCO (todas ellas de tránsito NT 3), incluyen diversos parámetros de tipo funcional y estructural para la evaluación de las vías, entre ellos la resistencia al deslizamiento. No obstante y a pesar de que se otorgan niveles de calificación según la magnitud de cada parámetro, no se presentan de manera clara los umbrales de cada uno de ellos que llevan al rechazo del sector evaluado. Se pudiera pensar, sin embargo, que valores inferiores a 0.45 en el coeficiente de resistencia al deslizamiento obligan al mejoramiento de la condición del pavimento, para asegurar una fricción superficial adecuada.

Tabla 2.6.2.

Valores mínimos admisibles del coeficiente de resistencia al deslizamiento con el péndulo británico (Artículo 440-06 Especificaciones INVÍAS)

TIPO DE SECCIÓN

COEFICIENTE MÍNIMO DE RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO

NT1 NT2 NT3

Glorietas; curvas con radios menores de 200 metros; pendientes mayores o iguales a 5% en longitudes de 100 metros o más; zonas de frenado frecuente

0.50 0.55 0.60

Otras secciones 0.45 0.50 0.50

Una investigación adelantada hace algunos años en carreteras de los Estados Unidos de América concluyó que el valor mínimo admisible del número de fricción


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SN (100 veces el coeficiente efectivo de fricción) debiera ser 37 [ref. 2.6.11], mientras un estudio anterior de actualización, adelantado por el Departamento de Carreteras del Estado de Washington, concluyó que el valor mínimo admisible podía ser 26 [ref. 2.6.12]. Parece improcedente, sin embargo, establecer un valor mínimo absoluto por cuanto, como lo interpreta la Tabla 2.6.2, los límites deben depender de la sección de carretera y de la intensidad del tránsito que hace uso de ella. En lo que se refiere a la macrotextura, las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS incluyen requisitos para algunos tipos de capas de rodadura nuevas (tratamientos superficiales, lechadas asfálticas, mezclas discontinuas en caliente para capa de rodadura y mezclas drenantes), basados en la “profundidad media de textura” (PMT), determinada con el ensayo del círculo de arena. No obstante, para las mezclas de tipo concreto asfáltico no incluyen ningún requisito. Tampoco está especificado el nivel de riesgo de una profundidad media de textura, motivo por el cual las decisiones a este respecto aún conservan un carácter muy subjetivo. 2.6.7. El Índice de Fricción Internacional (IFI) La existencia de muchos equipos para la medida de las características de fricción y de textura de los pavimentos, tanto de medida puntual como de medida continua a diferentes velocidades, cada uno de ellos con su propia concepción y sus propias escalas de referencia, hace muy difícil la comparación de sus resultados. Con el fin de prevenir errores de interpretación y armonizar la práctica internacional, la AIPCR promovió en 1992 un experimento internacional, cuyo resultado más importante fue el desarrollo del “Índice de Fricción Internacional” (IFI), que es una escala de referencia de aplicación internacional, basada en un modelo que relaciona la fricción con la velocidad de deslizamiento [ref. 2.6.13]. El IFI se expresa mediante dos números escritos dentro de un paréntesis y separados por una coma (F60, Sp), representando el primero la fricción a 60 km/h, en tanto que el segundo representa la macrotextura, mediante una constante de referencia de velocidad. El F60 es un número adimensional y el Sp es un número positivo, sin límites determinados, con unidades de velocidad (km/h). Las ecuaciones que relacionan los parámetros F60 y Sp con las medidas de los distintos equipos son:


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Sp = a + b.Tx

F60 = A + B. FR60 + C. Tx

FR60 = FRS. e (S-60)/Sp Donde: Tx: Medida de la macrotextura.

FRS: Medida de la fricción con el equipo escogido.

S: Velocidad de deslizamiento de la rueda.

a y b: Constantes que dependen del equipo de medida de la macrotextura.

A, B y C: Constantes que dependen del equipo de medida de la

fricción. Los valores F60 y Sp permiten calcular el valor de fricción F(S) a cualquier velocidad de deslizamiento (S), mediante la expresión:

F(S) = F60*e(60-S)/Sp La determinación de las propiedades de fricción de un pavimento a cualquier velocidad a través de un índice universal, constituye un avance notable. No obstante, aún quedan muchos aspectos sin resolver, el principal de ellos la dificultad para establecer los valores de las constantes para cualquier otro equipo diferente a los usados en el experimento. Algunos ejemplos del procedimiento a seguir para el cálculo el IFI se presentan en la referencia [2.6.14]. 2.6.8. Evolución del coeficiente de resistencia al deslizamiento y de la

macrotextura

Una capa de rodadura recién construida presenta, por lo general, una resistencia al deslizamiento muy elevada. Sin embargo, con el paso del tiempo, su valor se ve afectado adversamente, muy especialmente cuando la superficie se encuentra húmeda, a causa de cambios en las propiedades de la superficie producidos por la acción repetida de los neumáticos de los vehículos, en especial la reducción de la


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microtextura producida por el pulimento de los agregados. Este fenómeno se produce por el paso de las ruedas de los vehículos, por lo que el valor del coeficiente varía dentro de una misma sección transversal, de manera que en los bordes de la calzada, sometidos a un tránsito más esporádico, las reducciones del coeficiente a lo largo del tiempo son mucho menores. Algo similar ocurre con la macrotextura. Mientras en las zonas de rodamiento va disminuyendo, en el resto de la sección transversal apenas se modifica su valor. La magnitud de la diferencia es indicativa de la edad del pavimento y/o de su comportamiento. En sentido longitudinal, la evolución de la macrotextura es función de su valor inicial (valores iniciales pequeños disminuyen con mayor lentitud que los valores iniciales más elevados). Con el tiempo, tanto las texturas bajas como las altas alcanzan un valor mínimo, que corresponde al momento de máximo desgaste, a partir del cual comienza la pérdida de agregados de la carpeta. A causa de esta pérdida, la macrotextura vuelve a crecer, sin que dicho crecimiento tenga un significado positivo de recuperación, motivo por el cual carece de sentido práctico hablar de ella, por cuanto se puede afirmar que la capa de rodadura ya ha agotado su misión. 2.6.9. Aplicabilidad de las medidas de resistencia al deslizamiento y textura Los resultados obtenidos en las evaluaciones de la resistencia al deslizamiento y la textura tienen dos aplicaciones principales: - Para prevenir o reducir los accidentes relacionados con el patinaje o

deslizamiento, gracias a la identificación de puntos críticos. Las alternativas de rehabilitación del pavimento deberán garantizar la solución de este problema en todos los sitios donde se presente.

- Para alimentar los programas de administración del mantenimiento de

pavimentos, a través de la evaluación de los materiales y las prácticas constructivas.

2.6.10. Niveles jerárquicos de información Los datos requeridos para la evaluación funcional del pavimento, desde el punto de vista de la fricción superficial, se pueden clasificar en los niveles que muestra la Tabla 2.6.3, de acuerdo con la cobertura, tal como lo recomienda el método AASHTO 2002. No se establecen niveles de jerarquía en función de los equipos


110

utilizados, por cuanto en Colombia aún existen grandes limitaciones a este respecto.

Tabla 2.6.3. Definición de los niveles de los datos sobre fricción superficial

(Ver numeral 1.4)

NIVEL 1 2 3

COBERTURA Ejecución de ensayos a todo lo largo del proyecto

Ejecución de ensayos en unidades de muestreo, seleccionadas dentro de la longitud del proyecto

Uso de datos históricos, tomados de los archivos del sistema de administración de pavimentos del INVÍAS

REFERENCIAS 2.6.1 ‐ BYRD, TALLAMY, MCDONALD, LEWIS, “Training course: Skid resistance measurements and design. Instructor notebook”, US Department of Transportation and National Highway Institute, 1981 2.6.2 ‐ ANDERSON D.A., HUEBNER S., REED J.R., WARNER J.C., “Improved surface drainage of pavements. Final Report”, NCHRP web document 16, The Pennsylvania Transportation Institute, University Park, June 1998 2.6.3 ‐ BETTER ROADS, “The proper drainage eliminates problems”, December 1997 2.6.4 ‐ INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Manual de diseño geométrico para carreteras”, Bogotá D.C., 1998 2.6.5 ‐ INSTITUTO COLOMBIANO DE PRODUCTORES DE CEMENTO, “Diseño de drenaje para carreteras”, Publicación 1041, Medellín, 1993 2.6.6 ‐ TRANSIT NEW ZEALAND, “Notes to the specification for skid resistance investigation and treatment selection”, TNZ T10 Notes 2002 2.6.7 ‐ PAGOLA M., GIOVANON O., PONCINO O., “Adherencia neumático calzada. Análisis de medición en rutas argentinas. Primeros resultados en términos de IFI”, Memorias de la Trigésima Reunión del Asfalto, Tomo II, Mar del Plata, 1998


111

2.6.8 - CALTRANS, “Rigid pavement preservation, MTAC Volume II, Chapter 2, Surface Characteristics”, Caltrans Division of Maintenance, July 2007 2.6.9 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Normas de ensayo de materiales para carreteras”, Bogotá D.C., 2007 2.6.10 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Especificaciones generales de construcción de carreteras”, Bogotá D.C., 2007 2.6.11 - KUMMER H.W., MEYER W.E., “Tentative skid resistance requirements for main rural highways”, NCHRP Report 37, HREB, Washington D.C., 1967 2.6.12 - CORSELLO P., “Evaluation of surface friction guidelines for Washington state highways”, Research Report WA-RD 312.1, WSDOT, Olympia, Washington, July 1993 2.6.13 - COMITÉ TÉCNICO AIPCR DE CARACTERÍSTICAS SUPERFICIALES C1, “Experimento internacional AIPCR de comparación y armonización de las medidas de textura y resistencia al deslizamiento”, Madrid, 1995 2.6.14 - SÁNCHEZ F., “El índice de fricción internacional (IFI). Un parámetro relacionado con la seguridad de los usuarios de los pavimentos”, XII Simposio colombiano sobre ingeniería de pavimentos, Medellín, 1999


112


113

CAPÍTULO 7 GUÍAS PARA LA MEDICIÓN DEL RUIDO EN EL CONTACTO NEUMÁTICO -

PAVIMENTO 2.7.1. Introducción En 1972, la Organización Mundial de la Salud definió una nueva forma de contaminación: la acústica. De esa forma, el ruido quedó oficialmente incorporado a la problemática ambiental. En el caso del tránsito vial, las fuentes de ruido son muy diversas y se pueden dividir entre las provenientes de la vía y las emanadas de los vehículos. Entre los factores atribuibles a la vía se encuentran la textura superficial de la calzada, las características de los agregados pétreos de la rodadura y la temperatura del pavimento; en tanto que los factores atribuibles a los vehículos incluyen los correspondientes a ellos mismos (tipo de vehículo, motor, escape, aire acondicionado, velocidad, desajustes) y los que se pueden asignar específicamente a los neumáticos. La combinación de todas estas características, más los efectos atribuibles a la propagación (absorción, distancia, tipo de superficie) se traducen en un nivel de ruido de pasada vehicular para un receptor que se encuentre al borde de la vía. Estudios realizados en Estados Unidos han demostrado que para velocidades vehiculares mayores a 80 km/h el ruido producido por el par neumático-pavimento es dominante, en tanto que estudios europeos indican que, aún a velocidades tan bajas como 50 km/h, el ruido del neumáticos es el predominante en la circulación de los automóviles. En el caso de los camiones, el predominio del ruido del neumático se produce a velocidades mucho más elevadas, pues debe superar los ruidos del motor y del escape, los cuales son bastante mayores que en los automóviles. 2.7.2. Naturaleza del ruido

El sonido es la sensación auditiva producida por una onda acústica. El sonido se produce cuando un objeto se mueve: el susurro de las hojas de un árbol cuando sopla el viento, el aire pasando a través de nuestras cuerdas vocales, el movimiento casi invisible de los parlantes de un equipo de sonido, etc. Estos movimientos


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producen fluctuaciones de presión que generan vibraciones en las moléculas de aire. Cuando estas vibraciones alcanzan nuestros oídos, escuchamos el sonido. El oído humano está capacitado para escuchar un rango muy amplio de variaciones de presión (que percibe como intensidad) y de frecuencias (que percibe como tonos). Estas diferencias le permiten identificar la fuente y su importancia relativa. Todo sonido no deseado es clasificado por el individuo como ruido. 2.7.2.1. Intensidad La intensidad es una magnitud, en parte, subjetiva. Está relacionada con la presión sonora que es objetivamente medible; sin embargo, dos sonidos de igual presión sonora y de diferente frecuencia no producen la misma sensación de intensidad. Se define como la energía por unidad de superficie y se mide en w/m2. Teniendo en cuenta el rango tan amplio de intensidades y de fluctuaciones de presión que puede captar el oído y considerando que la respuesta auditiva del ser humano no es lineal, se ha establecido una escala logarítmica para describir las variaciones de presión acústica percibidas por el oído como intensidad. Dicha escala tiene como unidad el decibel (dB), el cual se ha definido matemáticamente como:

0

log*10)(I

IdBL

Donde: L: Nivel de presión sonora (también se conoce como SPL por

“Sound Pressure Level”).

I0: Intensidad de referencia, correspondiente al umbral de audición (10-12 w/m2).

I: Intensidad al nivel de sonido L (w/m2)

Esta fórmula se puede expresar, también, en términos equivalentes de amplitud de presión:

020

2

log*20)log(*10)(p

p

p

pdBL


115

Donde: p: Presión sonora eficaz ambiental (valor cuadrático medio (srm) de las presiones sonoras instantáneas (presiones inducidas por la fuente sonora) en un punto, durante un intervalo de tiempo; por ejemplo, un ciclo completo).

p0: Presión de referencia correspondiente al umbral auditivo (20

μPa). De acuerdo con la escala logarítmica, el nivel de sonido en el umbral de audición (cuando el oído comienza a percibir el sonido) será de 20*log(20/20) = 0 dB, en tanto que en el nivel de dolor (a partir del cual el oído puede sufrir lesiones irreversibles) será de 20*log(63*106/20) = 130 dB. La Figura 2.7.1 representa esta escala y muestra algunos de los niveles asociados con diferentes actividades cotidianas.

Figura 2.7.1. – Ruidos comunes al aire libre y en el interior [ref. 2.7.10]


116

Debido a la subjetividad, es difícil obtener con un solo valor una medida del nivel acústico, es decir, un valor objetivizado que se aproxime lo más posible a la percepción del oído. Para ruidos ambientales, los niveles de presión acústica se describen típicamente con una escala de ponderación “A” que, según se ha determinado, es la que mejor reproduce la respuesta del oído humano a los sonidos normales. Esta ponderación tiene por objeto compensar las diferencias de sensibilidad que tiene el oído humano para distintas frecuencias dentro del campo auditivo. El nivel de presión medido de esta forma se denomina L(A) y se expresa en dB(A). En la Tabla 2.7.1 se indican los valores que toma la escala de ponderación A para un margen de frecuencias común en la realidad.

Tabla 2.7.1. Ponderación en dBA para diferentes frecuencias

Frecuencia (Hz) 100 200 500 1,000 1,600 2,500 4,000 5,000 Ponderación (dB(A)) ‐19.1 ‐10.9 ‐3.2 0 1.0 1.3 1.0 0.5 La transición de un ambiente apacible a un ambiente ruidoso se encuentra en el entorno de 50 a 70 dB(A). Una exposición permanente a niveles por encima de 65 dB(A) puede tener efectos nocivos sobre la salud humana. A lo largo de una autopista, el nivel de sonido (ruido) se puede encontrar, en las horas pico, entre 70 y 80 dB(A). 2.7.2.2. Adición de niveles de presión sonora Se ha establecido que, en términos generales y para un número múltiple de fuentes sonoras, los niveles de presión provenientes simultáneamente de diversas fuentes no se suman linealmente, sino de manera logarítmica. Así, el nivel de presión sonora resultante de la suma de dos sonidos cuyos niveles de presión sonora sean Lp1 y Lp2, es:

( )/10L/10LT

p2p1 1010log*10L += De acuerdo con esta expresión, un incremento de 100% en la intensidad de un sonido se traduce solamente en un incremento de 3 dB(A). En el caso de una carretera, ello significaría que si el número de vehículos en el flujo de tráfico se duplica, el nivel de sonido se incrementará en sólo 3 dB(A) (Figura 2.7.2).


117

Figura 2.7.2. – Efecto de la duplicación del tránsito sobre el nivel sonoro

2.7.2.3. Propagación del ruido con la distancia La distancia entre la fuente y el receptor es un factor importante en relación con la mitigación del ruido. Una ley fundamental de la acústica establece que el nivel acústico varía inversamente con el cuadrado de la distancia, según la expresión:

2wprπ4

Φlog*10LL

Donde: Lp: Nivel de presión acústica a distancia de la fuente.

Lw: Nivel de presión acústica de la fuente.

r: Distancia de la fuente (m).

Φ: Directividad de la fuente emisora que, para el caso de fuentes

omnidireccionales, es igual a 1. Así, por ejemplo, si a una distancia de un metro (1 m) el nivel de presión acústica de una fuente sonora de 96 db(A) es 85 dB(A), éste se reducirá a 79 dB(A) al doblar la distancia de la fuente y a 75.5 dB(A) si la distancia se triplica (Figura 2.7.3).


118

Figura 2.7.3. – Efecto de la distancia del receptor respecto de la fuente sonora [ref. 2.7.2]

El ruido producido por el tránsito vial actúa de manera diferente. Este ruido es clasificado como proveniente de una fuente lineal, en razón de que la fuente emisora no es estática, sino que se mueve a lo largo de la longitud de la calle o carretera. En consecuencia, a medida que la distancia de la fuente se incrementa, el nivel de ruido decrece, pero a una velocidad menor que en el caso de fuentes puntuales. Para superficies pavimentadas, la duplicación de la distancia reduce teóricamente el ruido en 3 dB(A). Pero, además, el nivel de ruido cerca de la vía depende del tipo de superficie adyacente a ella. El modelo de ruido de tráfico utilizado por la FHWA [ref. 2.7.3] emplea la siguiente ecuación para considerar la atenuación a causa de esta situación:

1

2

1log*10d

dAtenuación

Donde: : Coeficiente de atenuación (0.0 para piso duro o pavimento y 0.5 para piso blando).

d1: Distancia de la fuente al primer punto de interés.

d2: Distancia de la fuente al segundo punto de interés.


119

Así, por ejemplo, si el nivel acústico en el borde del pavimento (a 5 metros de la fuente) es 85 dB(A), la atenuación a 68 metros, considerando una superficie blanda entre el borde del pavimento y el sitio de recepción, será:

)(1768

5log*10

5.1

AdBAtenuación

Por lo tanto, el nivel de ruido a 68 metros de la fuente será 85 – 17 = 68 dB(A) (Figura 2.7.4).

Figura 2.7.4. – Efecto de la distancia a una fuente lineal de ruido [ref. 2.7.2]

En una carretera, donde el terreno entre el borde de ella y el eventual receptor además de blando está cubierto por vegetación, el nivel de ruido puede ser reducido aún más, debido a la absorción del sonido por parte del terreno. 2.7.2.4. Frecuencia Además del nivel de sonido, el ser humano oye a través de un rango de frecuencias. Una persona con buen oído tiene la capacidad de identificar sonidos cuyas frecuencias estén comprendidas entre 20 y 20,000 Hz (Figura 2.7.5).

Figura 2.7.5. – Regiones de las frecuencias sónicas


120

La frecuencia del sonido es la que proporciona la calidad tonal. Un automóvil, por ejemplo, tiene un espectro de frecuencias muy diferente al de un camión y el oído humano está en capacidad de establecer la diferencia con facilidad. La frecuencia de un sonido (f) es inversamente proporcional a su longitud de onda (λ), que es el espaciamiento entre fluctuaciones de presión acústica.

λ = c / f Siendo: c: Velocidad del sonido. Puesto que la velocidad del sonido es relativamente constante en condiciones ambientales, la longitud de onda también es más o menos constante, para una determinada frecuencia. 2.7.2.5. Intensidad y frecuencia El oído humano posee mecanismos protectores que le impiden escuchar igualmente bien todas las frecuencias. La respuesta en frecuencia del oído humano no es plana; la zona de mayor sensibilidad se encuentra en las frecuencias intermedias, aproximadamente entre 1,000 Hz y 5,000 Hz. Esto significa que sonidos con igual nivel de presión sonora, pero de distintas frecuencias, son percibidos como si tuvieran diferente sonoridad o intensidad. La intensidad o sonoridad de un sonido, percibida subjetivamente por un individuo, se denomina “fon”. Fletcher y Munson estudiaron la variación de la sensibilidad del oído con el nivel de presión sonora y resumieron su estudio en unas curvas que muestran esta variación de sensibilidad en función de la frecuencia (Figura 2.7.6). Este efecto de sensibilidad depende de la persona y de la edad. Un sonido de 1 kHz con una intensidad de 10 dB(A) tiene, por definición, una sonoridad de 10 fones. Como el oído humano se va haciendo gradualmente menos sensible a medida que se va hacia frecuencias más bajas, para que un sonido de 63 Hz sea percibido con igual intensidad que el anterior, deberá tener un nivel de presión sonora de 40 dB(A). Se puede decir, entonces, que ambos sonidos tienen igual sonoridad desde el punto de vista de la percepción subjetiva del oyente. Por lo tanto, para una frecuencia de 63 Hz, la curva isofónica de 10 fones pasará por 40 dB(A) de “L”. Otra conclusión, es que todos los puntos de una determinada curva isofónica tendrán igual intensidad sonora percibida por el oído. De lo anterior se


121

desprende, también, que la curva isofónica de 0 dB(A) corresponde al umbral de audición en función de la frecuencia.

Figura 2.7.6. – Curvas isofónicas normalizadas ISO 226 [ref. 2.7.4]

Otra característica del oído humano que queda en evidencia con las curvas de la Figura 2.7.6, es su no linealidad. De hecho, la respuesta en frecuencia del oído es función del nivel de intensidad sonora. Se puede apreciar claramente que las curvas isofónicas de mayor sonoridad son considerablemente más planas que las de menor sonoridad. 2.7.2.6. Efecto de enmascaramiento La sensibilidad del oído humano, que se ha descrito para sonidos puros, no es igual para sonidos y ruidos compuestos de varios tonos. Esto es lo que se conoce como efecto de enmascaramiento. Este fenómeno tiene mucha importancia en la vida cotidiana. Los ruidos ambientales producidos por la industria y otras actividades humanas afectan la percepción de la magnitud del impacto del ruido del tránsito vial. Así, por ejemplo, durante las horas del día el ruido del tránsito puede no ser percibido, no por el hecho de que se encuentre por debajo del nivel auditivo, sino por la existencia de ruidos enmascarantes producidos por otras actividades. En


122

cambio, en horas de la noche, cuando los ruidos de fondo desaparecen, se perciben claramente aquellos ruidos perturbadores que antes eran inaudibles [ref. 2.7.5]. 2.7.3. El ruido del tránsito automotor 2.7.3.1. Estándares del ruido del tránsito vial

Estos estándares no son fáciles de establecer, a causa de la subjetividad de la noción de ruido. Un sonido placentero para una persona puede ser un ruido muy desagradable para otra. Además, existe controversia sobre cuál es el descriptor más preciso para diferentes sonidos y situaciones. En los Estados Unidos de América, los estándares del ruido vial están definidos en la 23 CRF 772 (Procedures for Abatement of Highway Traffic Noise and Construction Noise). Entre ellos se encuentra el criterio de abatimiento del ruido (NAC) que define los niveles acústicos a los que se debe considerar su mitigación, los cuales se encuentran en el entorno de 70 dB(A). Estos criterios no constituyen estándares de diseño ni valores absolutos. Simplemente, son niveles a partir de los cuales se recomienda la mitigación del ruido. Si se considera que la mitigación es impracticable o irrazonable, las medidas no se deben implementar, aunque el criterio haya sido excedido. Esto induce a la necesidad de que cada proyecto vial sea cuidadosamente documentado y considerado. 2.7.3.2. Causas del ruido del tránsito vial El nivel del ruido del tránsito vial depende, fundamentalmente, del volumen de tránsito, de la velocidad de los vehículos y del número de camiones dentro del flujo de tránsito. En general, el ruido aumenta con el volumen de tránsito, con la velocidad y con la cantidad de camiones. El ruido vehicular es una combinación de los ruidos producidos por los motores, los sistemas de escape, el diseño aerodinámico de los vehículos, los desajustes por el uso y el roce entre los neumáticos y el piso. A baja velocidad, el ruido proveniente de la unidad de poder domina los niveles de ruido que se perciben al lado de las vías, en tanto que a alta velocidad la interacción neumático-pavimento resulta dominante. En adición a ello, condiciones propias de la vía -como es el caso de las pendientes- aumentan el trabajo de los motores y, consecuentemente, los niveles de ruido. La Figura 2.7.7 muestra los niveles de emisión de ruido según el tipo de vehículo y su velocidad, según el modelo de ruido de tráfico de la FHWA [ref. 2.7.6].


123

Figura 2.7.7. – Niveles de emisión promedio de energía acústica de referencia nacional, en función de la velocidad vehicular [ref. 2.7.6]

2.7.3.3. Mecanismos de generación de ruido en el contacto neumático-pavimento Estos mecanismos han sido muy estudiados. Un informe sobre el estado del arte, publicado en 1994 [ref. 2.7.7], describe tres mecanismos distintos en la producción del ruido en el contacto neumático – pavimento, cada uno de los cuales genera ruido en diferente rango de frecuencias: - Vibraciones del neumático.

- Fenómeno aerodinámico.

- Gotas de agua aceleradas. 2.7.3.4. Textura y ruido Un grupo de trabajo de la ISO [ref. 2.7.8] realizó una comparación de la importancia que cada uno de los rangos de rugosidad y textura definidos por el Comité de Características Superficiales de la AIPCR en 1987 tiene sobre diferentes parámetros de servicio (Figura 2.5.1, Parte 2, Capítulo 5). De acuerdo con las conclusiones del Comité, la “microtextura” es importante en la seguridad, por su incidencia en la fricción neumático-pavimento, pero no tiene un impacto significativo en la generación de ruido. En cambio, la “macrotextura” juega un papel importante, tanto en la generación de ruido (efecto indeseable) como en la seguridad (efecto


124

deseable). Por su parte, la “megatextura” está ligada a la generación de ruidos e incomodidades, razón por la cual debería ser evitada (Figura 2.7.8).

Figura 2.7.8. – Deformación del neumático en superficies de pavimento con macrotextura y megatextura

Se ha determinado que el ruido en la interfaz neumático-pavimento en vehículos livianos se puede reducir si: - Se minimiza la profundidad de macrotextura en longitudes de onda de

aproximadamente 10 mm y mayores. - Se maximiza la profundidad de macrotextura en el rango de longitudes de 2 a

10 mm. 2.7.3.5. Efecto del tipo de neumático y de la velocidad El tipo de neumático, el patrón del labrado y su profundidad afectan significativamente la generación de ruido. Aunque esta variable tiene menor incidencia que la superficie del pavimento, puede ser importante. Sobre el particular se ha establecido que: (i) para el mismo diseño de labrado y la misma velocidad de circulación, el ruido producido por los neumáticos radiales es menor que el producido por los neumáticos de tipo diagonal; (ii) para el mismo tipo de construcción de neumático (radial o diagonal) e igual velocidad, produce menor ruido el que tiene labrado tipo costilla; (iii) el incremento de velocidad aumenta el nivel de ruido para cualquier tipo de neumático, debido al mayor impacto del neumático sobre la superficie y al hecho de que el bombeo de aire se incrementa.


125

2.7.4. Métodos de medida del ruido producido por el tránsito vial Los dos métodos más utilizados para medir el ruido producido por el tránsito vial son (i) el de la pasada, donde el nivel de ruido se mide mediante micrófonos colocados al borde de la vía y (ii) el de proximidad cercana (CPX), también llamado método del remolque, donde el nivel de ruido se mide mediante micrófonos situados cerca de la interfaz neumático-pavimento. El método de la pasada se subdivide en dos categorías: el SPB (Statistical Pass-by Method), definido en la norma ISO 11819-1 y en el manual “Measurement of highway-related noise” de la FHWA y el CPB (Controlled Pass-by Method), el cual emplea uno o varios vehículos específicos. El método de proximidad cercana (CPX) se subdivide también en dos categorías: el procedimiento definido en la norma ISO 11819-2, que mide presión acústica y el desarrollado por el profesor Paul Donovan que usa la intensidad acústica para medir los niveles de ruido. 2.7.4.1. Método de la pasada SPB

La norma ISO 11819-1 describe un método de comparación del ruido de tráfico para evaluar la influencia de la superficie de rodadura. Consiste en la colocación de micrófonos al lado de la vía, a una distancia establecida de la zona de circulación vehicular. La norma ISO fija 7.5 metros desde el centro del carril y una altura de 1.2 metros sobre la superficie del pavimento (Figura 2.7.8). El método requiere la obtención de la velocidad y las características de ruido de un determinado número de vehículos livianos y pesados. Para cada vehículo que pase, se registra el máximo nivel acústico A-ponderado, así como su velocidad. Los datos se analizan según describe la norma y se establece un índice estadístico para paso de vehículos (Statistical Pass-By Index –SPBI-). 2.7.4.2. Método de la pasada CPB No existen normas aprobadas para este método de ensayo, el cual es similar al anterior, pero midiendo el ruido generado por un automóvil o un camión liviano preestablecido, inclusive con unos neumáticos prescritos, el cual se aproxima a un sitio de ensayo especialmente diseñado, a cierta velocidad y en un cambio de marcha determinado.


126

Figura 2.7.9. – Método de la pasada SPB

2.7.4.3. Método de proximidad cercana CPX Consiste en la medición de la presión acústica empleando micrófonos colocados cerca de la interfaz neumático-pavimento, para medir directamente los niveles de ruido producidos en ella. El neumático empleado para la medición va colocado dentro de un remolque donde se encuentra aislado, de manera que se puede considerar que todos los ruidos registrados provienen del contacto neumático-pavimento (Figura 2.7.10).

Figura 2.7.10. – Equipo de medición CPX (ISO 11819-2)

Los requerimientos del remolque CPX están descritos en la norma ISO 11819-2. La norma establece que los micrófonos se coloquen a 8 pulgadas del neumático y 4


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pulgadas sobre la superficie del pavimento (Figura 2.7.11). El vehículo puede ser operado en una sección preestablecida o en cualquier parte de la vía. La segunda variante para medir los niveles de ruido en la interfaz neumático-pavimento, la de Paul Donovan, consiste en el uso de la intensidad acústica. Los datos se recogen por medio de dos micrófonos ubicados, como lo muestra la Figura 2.7.12, a 100 mm del plano vertical del neumático y a 70-80 mm de la superficie. Debido a la naturaleza de la intensidad del sonido, no se requiere cámara acústica como en el procedimiento ISO. De este modo, el dispositivo se puede colocar en la rueda de cualquier automóvil.

Figura 2.7.11. – Posiciones de los micrófonos en el método CPX (ISO 11819-2)

Figura 2.7.12. – Posiciones de los micrófonos en el método CPX (Donovan)


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2.7.4.4. Comparación entre procedimientos Es evidente que el método de proximidad cercana mide solamente la componente neumático-pavimento del ruido relacionado con el tránsito automotor, siendo éste el procedimiento que debería ser especificado con fines de evaluación funcional de pavimentos. Los métodos de pasada, por su parte, detectan tanto el ruido del vehículo mismo como el de la interfaz neumático-pavimento. Estos ruidos están ligados a la velocidad vehicular. Estudios realizados en Europa muestran que para velocidades de crucero menores de 40 a 50 km/h para automóviles y de 55 a 70 km/h para camiones, el ruido de pasada que prevalece es el del vehículo mismo. Por lo tanto, se puede considerar que el nivel de ruido vial en la interfaz neumático-pavimento es válido para carreteras que tengan límites de velocidad por encima de 70 km/h. Un estudio realizado por el National Center for Asphalt Technology (NCAT) de los Estados Unidos de América en un pavimento nuevo de una vía interestatal cerca de Indianápolis [ref. 2.7.2], tuvo por objeto comparar los resultados obtenidos mediante los sistemas CPB y CPX. La velocidad de los vehículos fue 95 km/h y el estudio se realizó sobre 3 superficies asfálticas diferentes (gradación abierta de alta fricción, SMA y concreto asfáltico). Los resultados, resumidos en la Figura 2.7.13, indican que la reducción del ruido a los 7.5 metros fue, en promedio, de unos 23 dB(A).

Figura 2.7.13. – Comparación de resultados CPX vs CPB


129

2.7.5. El ruido según el tipo de rodadura asfáltica Como se indicó antes, la macrotextura y la megatextura son importantes, tanto para la generación de ruido como para la generación de fricción. La megatextura debería ser minimizada para un buen control de la emisión de ruido. Ello se puede lograr con una buena técnica constructiva y evitando el empleo de agregados pétreos de tamaño muy elevado. Una textura correcta se traduce en una menor vibración del neumático, efecto que puede ser acrecentado por un aumento en la porosidad, el cual se traduce, a su vez, en un mejor drenaje, menor bombeo de aire y mayor absorción de sonido. La obtención de una porosidad alta requiere el uso de mezclas de gradación abierta. 2.7.5.1. Mezclas drenantes Las mezclas drenantes fueron diseñadas originalmente para proporcionar condiciones de circulación más seguras en instantes de lluvia. Sin embargo, se estableció que estas mezclas proporcionan también una atenuación del ruido del tránsito automotor. Ello se debe al hecho de que su elevado contenido de vacíos interconectados permite que escape por ellos el aire atrapado entre el neumático y la superficie del pavimento, manteniendo una elevada absorción del sonido. Este tipo de superficie presenta, además, la ventaja de que reduce las proyecciones de agua en instantes de lluvia y provee una adecuada fricción superficial. Se ha encontrado, también, que la disminución de ruido generada por estas capas es proporcional a su espesor. La mayoría de los estudios publicados ha llegado a la conclusión de que las mezclas drenantes dan lugar a una reducción promedio de 3 a 5 dB(A) en el nivel de ruido, en relación con las mezclas densas convencionales. Estudios recientes adelantados por el NCAT [ref. 2.7.2] por el sistema CPX sobre pavimentos con mezclas drenantes de 19 a 25 mm de espesor, determinaron una relación inversa entre el porcentaje de vacíos con aire y el nivel de ruido, como se muestra en la Figura 2.7.14. El principal inconveniente de las mezclas drenantes es que con el tiempo se va obstruyendo su superficie con la suciedad proveniente de las llantas y del entorno, lo que se traduce en una reducción de la absorción acústica, que deriva en aumentos en el nivel de ruido superficial. Estudios realizados por Kragh [ref. 2.7.9] mostraron que durante el primer año siguiente a su construcción, una mezcla


130

drenante resultó entre 3 y 4 dB(A) más silenciosa que una densa convencional, beneficio que se redujo a sólo 1 dB(A) luego de siete (7) años.

Figura 2.7.14. - Efecto de los vacíos con aire sobre el ruido en la interfaz neumático-pavimento

2.7.5.2. Mezclas stone matrix asphalt (SMA) Las mezclas del tipo SMA han mostrado ser algo más silenciosas que las mezclas densas convencionales de gradación gruesa. Algunos estudios realizados en Estados Unidos por el método SPB, reportaron reducciones de 5.5 dB(A) en el borde de carretera cuando se usaron estas mezclas en capas de rodadura, en el rango de frecuencias altas (>1 kHz). Las reducciones fueron menores (<1.5 dB(A)) en el rango de la frecuencias bajas (< 500 Hz) 2.7.5.3. Mezclas densas convencionales Una buena fuente de información sobre el comportamiento de las mezclas densas frente al ruido es la pista de ensayo del NCAT (ref. 2.7.2), que contiene 46 tipos de superficies asfálticas diferentes. Las pruebas se realizaron a una velocidad de circulación de 70 km/h. El hallazgo más importante fue una correlación (r2=0.64) entre el nivel de ruido en el contacto neumático-pavimento, el porcentaje de vacíos con aire de la capa (VA) y el módulo de finura (MF) del agregado pétreo (el mismo que se usa en el diseño de mezclas de hormigón):

L dB(A) = 93.4 -2.56* VA + 0.53*MF* VA


131

2.7.5.4. Tratamientos superficiales Constituyen, por sus características, la superficie asfáltica generadora de los más altos niveles de ruido. El manual de administración del ruido ambiental de Nueva Gales del Sur [ref. 2.7.10] presenta los siguientes valores típicos de ruido (en dB(A)) al borde de la vía para tránsito en flujo libre, comparados con el producido por una mezcla densa en caliente convencional: - Mezcla densa en caliente (referencia) 0.0 - Mezcla drenante 0 a -4.5 - Concreto ranurado y texturizado a +3.0 - Concreto (agregado expuesto) 0.5 a -3.0 - Stone matrix asphalt -2.0 a -3.5 - Tratamiento superficial (14 mm) +4.0 2.7.6. Variación del ruido del pavimento durante el transcurso del tiempo Las conclusiones de estudios sobre evolución del ruido generado por los pavimentos asfálticos no son muy contundentes ni abundantes. Datos recogidos por el NCAT [ref. 2.7.2] en Colorado sobre diez pavimentos elaborados con mezcla densa en caliente mostraron incrementos en los niveles de ruido con la edad (Figura 2.7.14). Respecto de las mezclas drenantes, Sandberg [ref. 2.7.11] afirma que “cuando una superficie (abierta) ha alcanzado cierto grado de colmatación, obedece a las mismas reglas de diseño de una superficie densa”. Resultados presentados por Kragh [ref. 2.7.9] indican incrementos de unos 3 dB(A) en un período de 7 años para una mezcla drenante. 2.7.7. Superficies silenciosas vs superficies seguras La idea es, en principio, construir una superficie poco ruidosa que considere al mismo tiempo la seguridad, la durabilidad y la economía. El propósito primario de la textura superficial es reducir el número y severidad de los accidentes en condición lluviosa. Los organismos viales más importantes del mundo recomiendan que la seguridad no se sacrifique en favor de una reducción del nivel de ruido. En los Estados Unidos de América, por ejemplo, este principio es una política federal.


132

Figura 2.7.14. - Aumento del ruido con la edad en pavimentos de concreto asfáltico

La macrotextura y la microtextura son muy importantes en desarrollo de fricción superficial, como se ha indicado en el Capítulo 6 de la Parte 2 de esta guía metodológica. La microtextura es la componente crítica de la fricción a altas velocidades, en tanto que la macrotextura contribuye en la remoción del agua para que la microtextura actúe adecuadamente. Dado que la microtextura tiene influencia decisiva sobre la fricción superficial, pero sólo efectos muy pequeños sobre los niveles de ruido, debe mantenerse alta. El aumento de macrotextura, por su parte, acarrea incrementos en los niveles de ruido. La experiencia europea indica que la macrotextura es importante en la fricción y muy importante en el control del ruido. Manteniendo altas amplitudes en el rango de las longitudes de onda de 0.5 a 10 mm, se disminuye el ruido, mientras se conserva la fricción y se reducen las salpicaduras y la reflectancia de la luz. Pero en rangos de longitud de onda de 10 a 50 mm, es mejor tener bajas amplitudes para reducir el ruido, pero no tanto como para sacrificar la fricción. En el estado actual del arte y de la práctica, es evidente la necesidad de ampliar las investigaciones en relación con el tema del ruido en los pavimentos, buscando su reducción, sin que ello implique sacrificar la seguridad o la durabilidad. Así mismo, está pendiente la adopción de métodos universales de ensayo para medir y caracterizar el ruido producido en el contacto neumático-pavimento.


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Para los propósitos de la presente guía, el ruido excesivo se puede considerar como un deterioro del pavimento, del tipo B. Dadas las dificultades que existen actualmente en el país para efectuar mediciones del ruido producido por el tránsito automotor y teniendo en cuenta, además, que el INVÍAS no ha adoptado ninguna norma para la medición del ruido vehicular en las carreteras nacionales, no se establecen niveles jerárquicos en relación con la determinación de este parámetro de contaminación ambiental. REFERENCIAS 2.7.1 - WAYSON R. L., “NCHRP Synthesis 268. Relationship between pavement surface texture and highway traffic noise”, TRB, Washington, 1998 2.7.2 - HANSON D., JAMES R., NESMITH C., “Tire/pavement noise study”, NCAT Report 04-02, August 2004 2.7.3 - FHWA, “Highway noise fundamentals, noise fundamentals training document”, September 1980 2.7.4 - INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION “ISO 226:2003. Acoustics normal equal-loudness-level contours”, 21-08-2003 2.7.5 - THE WORLD BANK, “Roads and the environment. A handbook”, World Bank Technical Report 376, Washington D.C., 1997 2.7.6 - FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, “Highway Traffic Noise Analysis and abatement policy and guidance”, Washington D.C., 1995 2.7.7 - BRITE/EURAM, “Project BE 3415, State-of –the-Art Report and recommendations for practice and further developments”, October 1994 2.7.8 - INTERNATIONAL STANDARDS ORGANIZATION, “Characterization of pavement texture utilizing surface profilers – Parts 1, 2 and 3” ISO/TC 43/SC 1/WG39, July 1997 2.7.9 - KRAGH J., “Long-Term performance of drainage asphalt road surfaces”, Proceedings of Internoise 98, Christchurch, New Zealand, November 1998


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2.7.10 - ROADS AND TRAFFIC AUTHORITY OF NEW SOUTH WALES, “RTA Environmental noise management manual”, RTA Publication Number RTA-Publ.01.142, Haymarket, New South Wales, Australia, December 2001 2.7.11 - SANDBERG, “Texturing of cement concrete pavements to reduce traffic noise emission”, Proceeding of TRB, Washington D.C., 1998


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CAPÍTULO 8 GUÍAS PARA LA CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO MEDIANTE PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS – MEDIDA DE DEFLEXIONES

2.8.1. Introducción Las pruebas de caracterización estructural no destructiva abarcan una amplia variedad de ensayos in-situ, los cuales se efectúan sin producir daño físico al pavimento. Ellas brindan un soporte importante, rápido y confiable en la determinación de la capacidad estructural de un pavimento en servicio, cuando se realizan en las condiciones bajo las cuales son aplicables. Este capítulo hace referencia a procedimientos que, a través de una auscultación superficial, permiten conocer la deformabilidad elástica del pavimento ante la acción de una carga conocida. Las medidas de deflexión suministran una importante cantidad de información útil para determinar la capacidad estructural de un pavimento asfáltico. En particular, con ellas es posible:

- Evaluar la capacidad estructural del pavimento.

- Determinar la uniformidad estructural de un sector de pavimento, de acuerdo con la variabilidad de las deflexiones a lo largo del mismo.

- Programar estudios detallados en áreas localizadas donde las deflexiones sean anormalmente altas, para averiguar las causas de los deterioros de la estructura y de las debilidades del soporte.

- Obtener una indicación sobre la vida residual del pavimento.

- Determinar las propiedades de rigidez de las diferentes capas del pavimento y de la subrasante.

- Disponer de datos de entrada para el diseño de las obras de mantenimiento y rehabilitación.


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Otras pruebas no destructivas, que brindan información complementaria sobre algunas características estructurales del pavimento, son objeto de análisis en el Capítulo 9 de la Parte 2 de la presente guía. 2.8.2. Deflexiones del pavimento Las medidas de deflexión han formado parte integral de los procesos de evaluación estructural y rehabilitación de los pavimentos asfálticos durante las últimas cinco décadas. La deflexión de un pavimento asfáltico es el desplazamiento vertical de la superficie del pavimento en respuesta a la aplicación de una carga externa y representa una respuesta total del sistema constituido por la estructura y la subrasante, ante la aplicación de dicha carga. Cuando ésta se aplica sobre la superficie, todas las capas se deflectan, desarrollándose esfuerzos y deformaciones en cada capa, como de manera resumida lo ilustra la Figura 2.8.1.

Figura 2.8.1. - Ilustración de las deformaciones críticas producidas por las cargas móviles del tránsito

Las Figuras 2.8.2 y 2.8.3 muestran las deflexiones, esfuerzos y deformaciones producidos en secciones típicas de un pavimento fuerte y de un pavimento débil [ref. 2.8.1]. Como se puede advertir, el pavimento débil desarrolla mayores


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esfuerzos y deformaciones en la capa superior, así como mayores esfuerzos y deformaciones compresivas en la subrasante que el pavimento fuerte. La manera como un pavimento responde a las cargas que se le aplican, tiene una incidencia significativa en el comportamiento de la estructura. Por lo tanto, la sección de pavimento fuerte podrá soportar la acción de un número mucho mayor de cargas pesadas que la de pavimento débil.

Figura 2.8.2. – Deformaciones de tensión y esfuerzos de compresión en una sección típica de pavimento con estructura fuerte

Figura 2.8.3. – Deformaciones de tensión y esfuerzos de compresión en una sección típica de pavimento con estructura débil


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2.8.3. Equipos para la medida de las deflexiones

Los equipos para la medida de las deflexiones de los pavimentos se pueden clasificar, en términos amplios, en las siguientes categorías, cuyas características generales se presentan en la Tabla 2.8.1 [ref. 2.8.2]: - Sistemas de medida de deflexión bajo carga estática o cuasi-estática.

- Sistemas de medida de deflexión bajo carga vibratoria sinusoidal.

- Sistemas de medida de deflexión bajo carga por impacto. Los dos últimos sistemas utilizan equipos de tipo dinámico para generar cargas de corta duración, de manera de simular diferentes grados de condiciones de esfuerzos dinámicos producidos por las cargas móviles del tránsito. Las deflexiones del pavimento son registradas por una serie de sensores desplazados radialmente del centro de la carga, produciendo lo que se conoce como el “cuenco de deflexión”.

Tabla 2.8.1. Características de algunos equipos para la medida de deflexiones de pavimentos

EQUIPO RANGO GENERAL DE FUERZA DINÁMICA

(kN)

CARGA TRANSMITIDA POR

SENSORES DE DEFLEXIÓN

VIGA BENKELMAN N/A Ruedas de un camión Diales medidores de deformación

DEFLECTÓGRAFO LACROIX

N/A Ruedas de un camión Transductor de deflexiones

KUAB FWD 7– 150 Placa circular seccionada de 300 mm de diámetro

Hasta 12 sismómetros

DYNATEST HWD 27– 245 Placa circular de 300 o 450 mm de diámetro

7/9 geófonos

DYNAFLECT 4.5 entre picos

Dos ruedas metálicas de 40 mm de diámetro por 50 mm de ancho, cubiertas con uretano

4 geófonos

DYNATEST FWD 6.5 – 120 Placa circular de 300 o 450 mm de diámetro

7/9 geófonos

ROAD RATER 2008 2– 30 Placa circular de 450 mm de diámetro

4 geófonos

PHONIX FWD 10 – 100 Placa circular de 300 mm de diámetro

6 geófonos


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A los efectos de asignar los niveles de jerarquía establecidos en el numeral 1.4 de esta guía, en relación con los distintos sistemas de medida de deflexiones, se aplica lo indicado en la Tabla 2.8.2.

Tabla 2.8.2. Niveles jerárquicos en relación con el sistema de medida de las deflexiones

Nivel 1 2 3

Sistema de medida Impacto Vibración sinusoidal Estático o cuasi-estático

2.8.3.1. Sistemas de medida de deflexión bajo carga estática o cuasi-estática Los equipos de este tipo miden la deflexión máxima del pavimento bajo la acción de una carga estática o de muy lenta aplicación. La viga Benkelman (Figura 2.8.4) es, sin duda, el dispositivo de este tipo que más ha sido utilizado en la evaluación de pavimentos asfálticos en Colombia.

Figura 2.8.4. - Esquema típico de una viga Benkelman

En los ensayos con la viga Benkelman, la carga de prueba que se utiliza en las evaluaciones de rutina es la de referencia para el diseño de pavimentos asfálticos, la cual correspondiente a la rueda doble de un eje simple con un peso total es 80 kN (Figura 2.8.5). El procedimiento de medida se encuentra estandarizado por el Instituto Nacional de Vías a través de la norma de ensayo INV E–795 [ref. 2.8.3].


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Figura 2.8.5. - Medida de una deflexión con la viga Benkelman

Una versión modificada de la viga Benkelman, con dos brazos de prueba, brinda la posibilidad de medir simultáneamente dos deflexiones a una distancia igual a la que separa los extremos de sus brazos de prueba, generalmente 250 mm (Figura 2.8.6). Con estos dos valores de deflexión se puede calcular un parámetro denominado “radio de curvatura”, el cual suministra una idea elemental de la forma de la deformada del pavimento bajo la acción de la carga.

Figura 2.8.6. - Medida de deflexiones con la viga Benkelman doble

El uso de la viga Benkelman presenta ventajas derivadas de su bajo costo, de la facilidad de uso y de la existencia de una base de datos casi ilimitada, generada por su uso generalizado durante muchos años. En contraposición, su empleo trae asociados algunos problemas técnicos importantes, entre ellos la lentitud en la determinación de las deflexiones, la cual no simula adecuadamente la acción de las cargas móviles del tránsito; la necesidad de un control permanente del tránsito en


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la vía durante las mediciones; la necesidad de mano de obra intensiva, la dificultad o imposibilidad de determinar adecuadamente la forma y el tamaño del cuenco de deflexiones; la imposibilidad de asegurar que las patas frontales de la viga no se encuentren dentro de la deformada en el instante de realizar la medida y, por último, la escasa repetibilidad de las medidas. Algunos dispositivos que usan este sistema lento de medida de deflexión tienen cierta automatización, por lo que se denominan cuasi-estáticos. Entre ellos se encuentran el curviámetro y el deflectógrafo Lacroix (Figura 2.8.7). Aunque con estos equipos se superaron algunos de los problemas técnicos de la viga Benkelman, se mantuvo el mayor de ellos, consistente en el hecho de que el método de aplicación de la carga no representa adecuadamente los efectos de las cargas móviles del tránsito automotor.

Figura 2.8.7. - Deflectógrafo Lacroix

2.8.3.2. Sistemas de medida de deflexión bajo carga vibratoria sinusoidal Los equipos que utilizan este sistema aplican una precarga estática y una vibración sinusoidal al pavimento con un generador de fuerza dinámica, como se ilustra en la Figura 2.8.8 [ref. 2.8.4]. Con el fin de asegurar que el dispositivo no salte de la superficie del pavimento en el instante del ensayo, la magnitud de la fuerza dinámica entre picos debe ser menor que el doble de la carga estática. Consecuentemente, esta última se debe incrementar cuando se aumente la carga entre picos.


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Figura 2.8.8. - Señal típica de un generador de carga vibratoria sinusoidal

El equipo más utilizado de esta categoría es el Dynaflect. La secuencia normal de operación consiste en llevar el equipo al punto escogido para la medida y bajar hidráulicamente las ruedas de carga y los transductores a la superficie del pavimento (Figura 2.8.9). A continuación, se aplica la carga, se registra el resultado y se lleva el equipo al siguiente punto de medición.

Figura 2.8.9. - Dynaflect

A pesar de que estos equipos constituyen un avance respecto de los de medida de deflexión bajo carga estática, pues permiten hacer un registro del cuenco de deflexión, aún presentan un problema técnico importante, debido a que la precarga estática es proporcionalmente alta respecto de la dinámica. Debido a que la mayoría de los materiales viales son sensibles al estado de esfuerzos bajo el cual trabajan (los suelos finos acusan “ablandamiento” por esfuerzos y los gruesos acusan “endurecimiento”), sus estados de esfuerzos y, consecuentemente, sus módulos resilientes, se ven modificados por la acción de la precarga, dando lugar a deflexiones faltas de representatividad. Así mismo, la frecuencia de la carga afecta


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el resultado, siendo difícil establecer cuál es la frecuencia que mejor representa el efecto de los vehículos en movimiento. Además, la carga dinámica es significativamente menor que la generada por un camión transitando sobre el pavimento. 2.8.3.3. Sistemas de medida de deflexión bajo carga por impacto Los equipos que trabajan con este sistema (deflectómetros de impacto –FWD-) envían una fuerza de impacto transitoria al pavimento. Una masa es levantada a una determinada altura y luego soltada sobre una placa circular amortiguadora en el pavimento. Una fuerza de impulso transitoria, que puede ser variada cambiando la masa o la altura de caída, se genera a causa de la caída de la masa (Figura 2.8.10) [ref. 2.8.4]. Normalmente, se recomienda que la fuerza aplicada al pavimento sea de 40 kN, de manera que las predicciones de los módulos de las capas del pavimento sean representativas de la respuesta del pavimento bajo las cargas de las ruedas de los vehículos pesados que circulan por las carreteras. Los desplazamientos verticales producidos en el pavimento a causa del impacto son detectados por geófonos situados en línea recta a determinadas separaciones del centro de aplicación de la carga, típicamente (pero no obligatoriamente) 0, 300, 600, 900, 1200, 1500 y 1800 mm. Dentro de los equipos de este tipo se encuentran los deflectómetros Dynatest, KUAB y Phonix.

Figura 2.8.10. - Pulso de carga típico producido por un deflectómetro de impacto

La secuencia normal de operación consiste en llevar el equipo al sitio escogido para la medición y bajar hasta el pavimento la placa de carga y los geófonos. A continuación, se deja caer la masa sobre la placa, y los geófonos detectan los desplazamientos verticales, cuyos picos quedan registrados en el disco del


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computador que está incorporado al equipo, generando el cuenco de deflexión (Figura 2.8.11). Una secuencia de ensayo se completa cuando se realiza el conjunto de medidas con la combinación de masas y alturas de caída que se hayan escogido. En seguida, la placa y los sensores son levantados hidráulicamente y el equipo se transporta al siguiente punto de ensayo. El procedimiento de medida de deflexiones con el deflectómetro de impacto está normalizado por el Instituto Nacional de Vías, bajo el registro INV E-798 [ref. 2.8.3].

Figura 2.8.11. - Medida y registro de deflexiones con un deflectómetro de impacto

Una ventaja de los equipos de este sistema es su capacidad para simular con mayor aproximación el efecto de una rueda en movimiento, tanto en magnitud como en tiempo de aplicación de carga, produciendo una deflexión que se aproxima más a la que produce un vehículo pesado en movimiento. Igualmente, la magnitud de la precarga es muy pequeña, generalmente 8% a 18%, respecto de la carga de impulso generada antes de la liberación de la masa de impacto. Otras ventajas que hacen que estos equipos sean los preferidos en la actualidad para la evaluación estructural de los pavimentos, incluyen la posibilidad de registrar el cuenco de deflexiones y el alto rendimiento en la ejecución de los ensayos. 2.8.4. Factores que afectan la magnitud de las deflexiones Son muchos los factores que afectan los valores medidos de deflexión en un pavimento. Ello hace que la interpretación de los resultados sea algo compleja. Los tres factores principales son: la carga, el pavimento mismo y el clima.


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2.8.4.1. Factores debidos a la carga Idealmente, la deflexión medida debería simular el efecto que produce la carga de referencia bajo las condiciones de diseño que, para las carreteras colombianas, corresponde a una carga por rueda doble de 40 kN (4.1 T). El tipo y la magnitud de la carga afectan el valor de deflexión de respuesta del pavimento. A medida que la carga se incrementa, la deflexión obtenida es mayor, aunque la relación con que ello ocurre no es lineal recta, debido a que el comportamiento de la mayoría de los suelos de subrasante y de los materiales granulares varía según el estado de esfuerzos al cual se encuentren sometidos. La Figura 2.8.12 [ref. 2.8.1] muestra el valor de deflexión obtenido para una carga de 40 kN, a partir de la extrapolación del valor medido a 4.4 kN, empleando una línea recta. Se observa que su valor es muy inferior al medido utilizando una carga real de 40 kN.

Figura 2.8.12. - Deflexión del pavimento en función de la magnitud de la carga dinámica

Los deflectómetros de impacto son los equipos de medida de deflexión que mejor simulan las deflexiones producidas por las cargas de los vehículos pesados. Su empleo elimina el problema que causa la extrapolación de respuestas bajo cargas pesadas, a partir de determinaciones realizadas con cargas de baja magnitud.


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Se debe tener en cuenta, además, que aunque la magnitud de la carga aplicada por diferentes dispositivos sea igual, la deflexión del pavimento puede ser distinta, debido a que las diferencias inherentes en los tipos de carga tienden a producir respuestas distintas del pavimento. La duración de la aplicación de la carga afecta las deflexiones, en el sentido de que, entre menor sea el pulso de carga, menor es la deflexión que sufre la estructura. Así, los dispositivos de carga estática tienden a producir deflexiones significativamente más altas que las generadas por cargas de ruedas en movimiento. La respuesta de los equipos que aplican carga vibratoria sinusoidal varía con la frecuencia, como lo muestra la Figura 2.8.13 [ref. 2.8.1].

Figura 2.8.13. - Variación de la deflexión con la frecuencia de la carga

Agencias e investigadores internacionales han establecido correlaciones entre los resultados obtenidos con los diferentes equipos de medida de deflexiones. Ellas deben ser usadas de manera muy cuidadosa, por cuanto fueron desarrolladas involucrando equipos con diferentes sistemas de medición o bajo unas condiciones de trabajo específicas, que pudieran ser diferentes a las prevalecientes en la estructura en la cual se desean aplicar. A título informativo, a continuación se presentan dos correlaciones entre las deflexiones FWD (para carga de 40 kN) y las deflexiones Benkelman (B), ambas en milímetros [ref. 2.8.5]. Cuando se empleen estas correlaciones u otras similares, se debe tener en mente que la correlación está afectada por la diferencia en las condiciones de ensayo de los dos equipos y por el hecho de que la respuesta de


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algunos materiales del pavimento es dependiente del tiempo y del estado de esfuerzos a los cuales se encuentren sometidos.

Para deflexiones FWD < 1 mm B = 1.1*FWD

Para deflexiones FWD ≥ 1 mm B = 1.1 *FWD1.4

2.8.4.2. Factores debidos al pavimento La condición y las características del pavimento pueden producir grandes variaciones en los valores de la deflexión. Algunos ejemplos son los siguientes:

- Para la misma estructura típica, las deflexiones medidas en vecindades de áreas deterioradas son, normalmente, mucho más altas que las medidas en áreas de pavimento en buen estado (Figura 2.8.14) [ref. 2.8.1].

- Las deflexiones medidas en la huella externa son mayores que las medidas en la huella interna y que las medidas entre las dos bandas de rodamiento.

- Las deflexiones medidas cerca de obras de arte (alcantarillas, box-culverts, puentes) son mayores que las obtenidas en otros puntos del pavimento.

- Los cambios en la estructura del pavimento o en el tipo de suelo de subrasante afectan la magnitud de las deflexiones.

- Variaciones aleatorias en la rigidez del pavimento, producidas por factores tales como diferencias en la compactación de sus capas, en las características de los materiales y en la humedad, pueden producir grandes variaciones en las deflexiones en trayectos muy cortos.


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Figura 2.8.14. - Efecto de los fisuramientos del tipo piel de cocodrilo sobre las deflexiones de un pavimento asfáltico

2.8.4.3. Factores debidos a las condiciones climáticas Debido a la ausencia de estaciones, los pavimentos en Colombia no se ven sometidos a los ciclos de congelamiento y deshielo que afectan de manera brusca el comportamiento y la respuesta de los pavimentos en determinados instantes del año en otras latitudes. Sin embargo, tanto la temperatura como las lluvias son factores que inciden en la respuesta elástica de estas estructuras. 2.8.4.3.1. Efecto de la temperatura A medida que la temperatura ambiente y la de las capas bituminosas son mayores, la deflexión del pavimento se incrementa a causa del ablandamiento que sufre el asfalto, con el consecuente decrecimiento en la rigidez de la mezcla. Sin embargo, cuando la temperatura es muy alta, comienza a intervenir la deformación plástica de la mezcla, debido al predominio de las propiedades viscosas del asfalto, lo que se traduce en una disminución de la respuesta elástica del pavimento y, por consiguiente, de las deflexiones. Este efecto es particularmente notorio cuando las deflexiones se miden mediante el sistema de carga estática. Para prevenir errores de interpretación, no es recomendable realizar medidas de deflexión cuando la temperatura de las capas asfálticas supere 35° C, siendo deseable que no exceda de 30º C.


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Los valores de deflexión, tanto estáticos como de impacto, medidos a cualquier temperatura (DT), dentro de los límites razonables recién descritos, deben ser convertidos a una temperatura de referencia de 20° C (D20), mediante la expresión:

TT20 F*DD

Los factores de conversión (FT) por aplicar a las deflexiones máximas son los que se indican a continuación. Estos factores se basan en las consideraciones que se presentan en detalle en el Anexo C en el cual se presentan, además, algunas recomendaciones sobre su utilización. Pavimento asfáltico poco o nada fisurado, con base granular: Si el espesor de capas asfálticas (h) < 20 cm y T ≥ 15º C:

20)h(T10*81

1F

4T

ó 20)/u(T

T (1.054)F

Para los demás casos:

20)/u(TT (1.054)F

Donde: h: Espesor de las capas asfálticas en el sitio de la medida (cm). T: Temperatura de las capas asfálticas en el momento de la

medida (º C)

u: -34.123*(h)-0.725 Pavimento asfáltico poco o nada fisurado, con base estabilizada con ligante hidráulico:

20)/u(TT (1.054)F

Donde: 0.624(h)35.649u


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Pavimento asfáltico con fisuramientos Clase 3 de AASHO (ancho igual o mayor a 6 mm, al menos en la mitad de la longitud agrietada):

FT = 1.0 En relación con los factores de conversión (FT) por aplicar a los valores de deflexión medidos en puntos alejados del punto de aplicación de la carga, el ingeniero deberá considerar lo expuesto en el Apéndice 1 del Anexo C. 2.8.4.3.2. Efecto de las lluvias Las lluvias producen incrementos de humedad en las capas inferiores del pavimento y en la subrasante, los cuales se traducen en debilidad de las mismas y en aumentos en los valores de deflexión, que son más pronunciados si las capas superiores de la estructura se encuentran fisuradas. Si las medidas se realizan durante el período más crítico para el pavimento (época de lluvias intensas, nivel freático elevado, etc.), los valores de deflexión obtenidos serán los máximos posibles en el año, pero si las lecturas se realizan en época seca, los valores que se obtienen son inferiores y serán tanto menores, cuanto más finos sean los suelos de subrasante. Por lo tanto, si no se tiene previsto medir las deflexiones más que una sola vez, el ingeniero debe escoger un período de prueba que sea representativo de las condiciones de resistencia del pavimento durante la mayor parte del año [ref. 2.8.6]. 2.8.5. Ejecución de los ensayos de deflexión La auscultación deflectométrica del pavimento debe ser realizada previamente a la evaluación de tipo destructivo, destinada a la toma de muestras y al ensayo de los materiales de la estructura y de la subrasante. Las pruebas se deben adelantar bajo las condiciones citadas en el numeral anterior y de acuerdo con las normas de ensayo establecidas por el INVÍAS. 2.8.5.1. Medidas de la temperatura de las capas asfálticas La temperatura de las capas asfálticas debe ser medida en el instante de efectuar las pruebas, con el fin de convertir a la temperatura de referencia (20º C) las deflexiones y los módulos obtenidos. La temperatura del pavimento se deberá medir de acuerdo con el procedimiento indicado en la norma INV E-797 [ref. 2.8.3].


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Es conveniente establecer una relación deflexión-temperatura, ubicando unos pocos puntos de ensayo y efectuando medidas repetidas de deflexión en ellos a diferentes horas del día, desde las primeras horas de la mañana hasta las últimas de la tarde, efectuando determinaciones simultáneas de la temperatura del pavimento. Si ello no resulta posible, se aplicarán los factores de conversión recomendados en el numeral 2.8.4.3.1. 2.8.5.2. Ubicación de los sitios de ensayo y frecuencia de las medidas En el caso de carreteras de dos carriles, las medidas de deflexión se deben realizar en tresbolillo, en correspondencia con la huella externa de circulación de los vehículos en cada uno de los carriles. En vías de doble calzada, las lecturas se realizarán fundamentalmente en los carriles exteriores, aunque también es necesaria la toma de deflexiones en los carriles interiores, si se presenta una gran diferencia en los deterioros atribuibles a la acción de las cargas del tránsito entre los diversos carriles. En relación con la separación entre los puntos de medida, ella dependerá de las exigencias específicas del INVÍAS para el proyecto, con un cubrimiento mínimo de 10 ensayos por cada tramo uniforme de pavimento. La Tabla 2.8.3 indica los diferentes niveles jerárquicos de información en relación con la frecuencia de las medidas a lo largo del proyecto, según lo establecido en el numeral 1.4 de la Parte 1 de esta guía.

Tabla 2.8.3. Niveles de información para la toma de deflexiones

NIVEL 1 2 3

Separación entre medidas No mayor de 50 metros

No mayor de 200 metros

Medidas en sitios localizados del proyecto o uso de información histórica

Las medidas individuales se realizarán conforme lo establecen las normas de ensayo aplicables, según el sistema de medida por emplear (normas INV E-795, E-797 y E-798 o las ASTM correspondientes, si no existe norma del INVÍAS). Es conveniente que la auscultación deflectométrica se realice con posterioridad al inventario de deterioros del pavimento, pero antes de la ejecución de las


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perforaciones en la calzada, con el fin de ayudar a determinar las áreas donde se requiere una exploración destructiva más detallada. 2.8.5.3. Auscultación deflectométrica intensiva Cuando se detecten tramos singulares, donde los deterioros sean de gravedad superior a los del resto del segmento bajo estudio, o con deflexiones anormalmente altas, conviene realizar medidas adicionales a intervalos más cercanos, típicamente entre 5 y 25 metros, con el fin de delimitar las áreas afectadas y proceder, posteriormente, a la ejecución de trabajos adicionales para determinar los motivos de las anomalías. Una vez determinados los motivos, se procederá a proyectar y realizar en ellas tratamientos independientes de la rehabilitación general, tales como el mejoramiento del drenaje, reparaciones específicas más profundas, etc. 2.8.6. Limitaciones en el uso de las deflexiones Las medidas de deflexión son útiles para evaluar la capacidad estructural del pavimento, solamente cuando se tiene la certeza de que éste presenta un comportamiento esencialmente elástico ante la acción de las cargas normales del tránsito automotor. En consecuencia, si el pavimento presenta fallas estructurales por deformaciones permanentes, tales como ahuellamientos y ondulaciones, cuyo origen no sea el desplazamiento plástico de las capas asfálticas por baja estabilidad, sino que sean el producto de deformaciones permanentes de las capas subyacentes, las deflexiones no son significativas para valorar la capacidad estructural de la calzada. En este caso, el ingeniero debe dirigir la mira hacia el establecimiento de las causas que determinan la insuficiencia de la estructura y de la fundación, a través de otro tipo de información. Comprobaciones y verificaciones adicionales serán siempre necesarias, también, en los casos en los cuales el ingeniero considere que se presentan discrepancias entre los valores de deflexión, el aspecto superficial y la sección estructural del pavimento. REFERENCIAS 2.8.1 - NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE, “Techniques for pavement rehabilitation. A training course”, January 1998


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2.8.2 - WASHINGTON STATE DEPARTMENT OF TRANSPORTATION, “WSDOT pavement guide. Volume 2. Pavement notes for design, evaluation and rehabilitation”, February 1995 2.8.3 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Normas de ensayo de materiales para carreteras”, Bogotá D.C., 2006 2.8.4 - SMITH R.E. & LYTTON R.L., “Synthesis study of non-destructive testing devices for use in overlay thickness design of flexible pavements”, Report FHWA/RD-83/097, FHWA, US Department of Transportation, Washington D.C., April 1994 2.8.5 - TONKIN & TAYLOR, “Pavement deflection measurement and interpretation of the design of rehabilitation treatments”, Transfund New Zealand Research Report No. 117, 1998 2.8.6 - FEDERAL AVIATION ADMINISTRATION, “Use of non destructive Testing in the evaluation of airport pavements”, AC No 150/5370-11A, December 29/04 2.8.7 - MINISTERIO DE FOMENTO, “Rehabilitación de firmes. Instrucción de carreteras, Norma 6.3 IC”, Madrid, 2003 2.8.8 - ARA INC, ERES CONSULTANTS DIVISION, “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures”, NCHRP Report 1-37A, Champaign, Illinois, March 2004


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CAPITULO 9 GUÍAS PARA LA CARACTERIZACIÓN ESTRUCTURAL DE UN PAVIMENTO

ASFALTICO MEDIANTE OTRAS PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS Aparte de los sistemas para la medida de las deflexiones, descritos en el capitulo anterior, existen otros sistemas para caracterizar de manera no destructiva los pavimentos asfálticos en servicio. Ellos se pueden clasificar según las propiedades del pavimento que se miden con los equipos de prueba: - Los espesores de las capas y las anomalías del pavimento, mediante el uso del

georradar. - La respuesta elástica, mediante sistemas de propagación de ondas superficiales El nivel jerárquico de los datos (ver numeral 1.4), referido a la proporción de la vía que es auscultada con los equipos, se indica en la Tabla 2.9.1.

Tabla 2.9.1. Niveles jerárquicos para la obtención de los datos con el georradar y con los equipos de

propagación de ondas superficiales

NIVEL JERÁRQUICO 1 2 3

Georradar Medida continua en todo el proyecto

Medidas a intervalos mayores de 200 metros

Uso de datos históricos o ensayos limitados en sitios específicos

Equipos de propagación de ondas superficiales

Medidas a intervalos menores de 200 metros

Medidas a intervalos mayores de 200 metros

Uso de datos históricos o ensayos limitados en sitios específicos

2.9.1. Empleo del Georradar para la determinación de los espesores 2.9.1.1. Principio de operación e interpretación de la información El georradar (GPR, por el acrónimo ingles de Ground Penetrating Radar) es una técnica que permite localizar objetos y discontinuidades dentro de un material, a través de la emisión de pulsos cortos de energía electromagnética de alta frecuencia, por medio de una antena montada en un vehículo en movimiento. Al ser propagada hacia abajo, parte de la energía es absorbida y parte reflejada hacia


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la superficie, con amplitudes y tiempos de arribo dependientes de las constantes dieléctricas de los materiales encontrados (Figura 2.9.1). Al ser desplazado el radar a través de la superficie del pavimento, las ondas reflejadas se pueden usar para crear una imagen, en tiempo real, de las condiciones existentes en el subsuelo (espesores de capas, vacíos, humedad, etc.).

Figura 2.9.1. – Principio de operación del georradar

Los sistemas de georradar empleados para la determinación de espesores de capas usan dos tipos de antenas: de contacto con el terreno y de no-contacto (Figura 2.9.2). Como lo dice su nombre, las antenas de contacto prácticamente permanecen en contacto con la superficie, lo que genera una limitación obvia para evaluar pavimentos a alta velocidad, a menos que su regularidad sea casi perfecta. Pero, aún más importante, es el hecho de que para calibrar el sistema es necesario realizar medidas físicas de los espesores de la capas del pavimento, cuyos valores se deben ingresar al programa de análisis, para que la velocidad apropiada de la señal del radar a través de las capas del pavimento sea derivada, con el fin de establecer sus espesores. Como la composición de un pavimento cambia con relativa frecuencia, es preciso medir físicamente los espesores a intervalos muy reducidos o, de lo contrario, se generan errores en las determinaciones realizadas con estas antenas. La antena del tipo de “no contacto” está adosada a la parte frontal o posterior del vehículo que la transporta, suspendida a unos 450 mm por encima de la superficie del pavimento, lo que impide que ella sea afectada por las irregularidades de la calzada. Además, su calibración no exige la ejecución de perforaciones en el


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pavimento, ya que ella se realiza con una placa metálica que se coloca a diferentes alturas bajo la antena (Figura 2.9.3).

Figura 2.9.2. - Antenas de georradar

Figura 2.9.3. – Calibración de la antena de no - contacto

Por otra parte, como trabaja en posición suspendida, la porción de energía que es radiada desde la antena emisora directamente a la receptora ocurre en la misma antena y no en la superficie del pavimento como en el caso de la antena de contacto, lo que evita interferencias y le permite detectar espesores muy pequeños de capas asfálticas. Mientras una antena de “no contacto” de 2 GHz puede resolver con facilidad una capa de 25 mm de espesor, una antena acoplada al terreno de 1.5 GHz apenas puede revelar, de manera satisfactoria, espesores de 75 mm o mayores [ref. 2.9.1]. Cuando la información obtenida con el georradar es interpretada con el fin de determinar los espesores de las capas de un pavimento, lo que se obtiene, en realidad, no es un perfil de éste, sino un perfil del tiempo que tarda el pulso electromagnético desde que fue emitido por la antena transmisora hasta que fue


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detectado por la receptora. Este tiempo puede ser convertido en profundidad verdadera (Figura 2.9.4), si se estima apropiadamente la velocidad de propagación de la señal a través de cada uno de los materiales involucrados, la cual está determinada por su “constante dieléctrica”, que es una relación entre los cuadrados de las velocidades de propagación de la luz en el aire y en el medio que se evalúa. La Tabla 2.9.2 presenta algunos valores típicos de esta constante [ref. 2.9.2].

Figura 2.9.4. - Registro de la información de un georradar

La constante dieléctrica es un buen indicador de la resistencia y de las propiedades de deformación de los materiales granulares de un pavimento y de la subrasante. Cada material tiene una relación única entre su constante dieléctrica y su contenido de agua. Valores de la constante por encima de 9 para estos materiales indican la existencia o problemas potenciales en la capa. Pero, también, valores demasiado bajos pueden indicar dificultades, en el sentido de que la gradación sea muy abierta y el material susceptible a la deformación. La Tabla 2.9.3 presenta una clasificación de los suelos y agregados granulares, a partir de su constante dieléctrica [ref. 2.9.3].


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Tabla 2.9.2. Constantes dieléctricas y velocidades de propagación en materiales típicos

MATERIAL CONSTANTE DIELÉCTRICA

VELOCIDAD DE PROPAGACIÓN (m/ns)

Aire 1 0.30

Hielo (suelo congelado) 4 0.15

Granito 9 0.10

Caliza 6 0.12

Arenisca 4 0.15

Arena seca 4 a 6 0.12 a 0.15

Arena húmeda 30 0.055

Arcilla seca 8 0.11

Arcilla húmeda 33 0.052

Capas asfálticas 3 a 6 0.12 a 0.17

Concreto 9 a 12 0.087 a 0.10

Agua 81 0.033

Tabla 2.9.3. Clasificación de suelos y materiales granulares sobre el nivel freático en función de su

constante dieléctrica

CONSTANTE DIELÉCTRICA

INTERPRETACIÓN PARA SUELOS

CONSTANTE DIELÉCTRICA

INTERPRETACIÓN PARA AGREGADOS

4-9

Suelos secos, en su mayoría con buena capacidad portante (excepto algunas arenas)

< 5

Base seca y de gradación abierta, con baja absorción de agua y alta relación de vacíos. Baja resistencia a la tensión y sensibilidad a las deformaciones permanentes

9-16

Suelos húmedos, su capacidad portante puede ser reducida pero, en general, es satisfactoria

5-9 Base seca, con baja absorción de agua, buenas propiedades de resistencia

16-28 Suelo altamente susceptible al agua y de baja capacidad portante

9-16 Base húmeda, pero con buena resistencia al corte debido a succión

> 28 Suelo muy húmedo, plástico e inestable

> 16 Base muy húmeda o casi saturada, con baja resistencia al corte


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2.9.1.2. Integración del georradar con el deflectómetro de impacto Algunas agencias han integrado en un solo vehículo el georradar con el deflectómetro de impacto (Figura 2.9.5), compartiendo la misma unidad de control. Ello se ha traducido en beneficios desde el punto de vista de la flexibilidad operativa, así como en la posibilidad de almacenar la información en una sola base de datos. Igualmente, la integración ha generado reducciones en el tiempo y en el costo de evaluación, así como mejoras en la seguridad durante la ejecución de los trabajos [ref. 2.9.1].

Figura 2.9.5. – Integración de georradar y deflectómetro de impacto

2.9.1.3. Limitaciones en el uso del georradar para la determinación de los espesores de las capas de un pavimento [ref. 2.9.3]

A pesar del beneficio que implica obtener información continua y en tiempo real sobre el perfil del pavimento, la conversión de las señales eléctricas en información útil para el ingeniero de pavimentos no es sencilla. La facilidad de la interpretación de la información del GPR descansa en la “transparencia” de los materiales auscultados. En la realidad, la conductividad eléctrica de los materiales de los pavimentos es opaca al radar y limita el rango sobre el cual éste puede ser usado. La conductividad se incrementa por la presencia de minerales arcillosos, sales y agua, en especial cuando todos ellos se combinan. Como las medidas dependen del contraste electromagnético entre los materiales, la interfaz entre las capas granulares de base y subbase, por ejemplo, puede resultar invisible al aparato. La interpretación de los datos del GPR ha sido, tradicionalmente, fuente de sospecha entre los ingenieros viales, pues muy pocas veces los datos de las pruebas resultan de tal calidad, que puedan ser interpretados literalmente. Este temor es compartido por los profesionales colombianos que han tenido acceso a la información obtenida en las auscultaciones efectuadas durante los últimos años en


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algunos tramos de la red vial nacional, en especial aquellas donde los pavimentos presentaban estructuras muy complejas y las evaluaciones se realizaron con antenas de contacto. La percepción general es que, en general, el georradar funciona mejor como una técnica de interpolación entre espesores reales (por ejemplo entre perforaciones) o extrapolando de datos de perfiles conocidos. 2.9.1.4. Normalización y aplicación La norma ASTM D4748 describe un procedimiento para determinar, mediante el GPR, los espesores de las capas ligadas con asfalto o con cementantes hidráulicos. Este método de ensayo no se encuentra normalizado por el Instituto Nacional de Vías. Siempre que se utilicen equipos GPR para la estimación de los espesores de los pavimentos asfálticos de la red vial nacional, con el propósito de diseñar obras de rehabilitación, ellos deberán disponer de antenas del tipo de “no contacto”. 2.9.2. Sistemas de propagación de ondas superficiales para la determinación de la

respuesta elástica de un pavimento asfáltico La propagación de ondas es una técnica de monitoreo de las características dispersivas (cambio de velocidad con la frecuencia o con la longitud de onda) de ondas sísmicas superficiales en un pavimento, que sirve para predecir la condición estructural de éste. La técnica se basa en el concepto de que ondas con distintas frecuencias (o diferentes longitudes) viajan a través de las capas del pavimento con diferentes velocidades. La Figura 2.9.6 ilustra el proceso típico del sistema, el cual involucra tres pasos: (i) ensayo en el terreno; (ii) obtención de una curva experimental de dispersión de las ondas superficiales en el sitio y (iii) comparación de la curva con un modelo teórico, ajuste a través de un proceso inverso (retrocálculo) y establecimiento del perfil de espesores y de rigideces [ref. 2.9.4]. Los métodos que aplican esta técnica se pueden clasificar en dos tipos: (i) los de modo simple (ondas Rayleigh de régimen permanente; análisis espectral de ondas superficiales -SASW-) y (ii) los de modo múltiple (análisis multicanal de ondas superficiales –MASW-; simulación multicanal usando un receptor –MSOR-; etc.).


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Figura 2.9.6. – Esquema típico de un sistema de propagación de ondas superficiales

Los equipos que operan con el sistema SASW han sido los más utilizados. El analizador sísmico de pavimentos (ASP) es un ejemplo de equipo que trabaja con este sistema (Figura 2.9.7). El uso del método de reflexión sísmica para investigaciones superficiales de poca profundidad está descrito en la norma ASTM D7128.

Figura 2.9.7. – Analizador sísmico de pavimentos (ASP)

2.9.2.1. Propagación de ondas superficiales en pavimentos En un evento sísmico se generan dos tipos de ondas: de cuerpo o internas y superficiales (Figura 2.9.8).


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Figura 2.9.8. – Principales tipos de ondas sísmicas y sus movimientos [ref. 2.9.6]

Las ondas de cuerpo (que se desplazan por la masa del material, tienen menores amplitudes y menores longitudes de onda y viajan a mayor velocidad que las superficiales) incluyen las longitudinales de compresión (ondas P) y las transversales de corte (ondas S). Ellas se propagan radialmente desde la fuente a lo largo de un frente de onda hemisférico y son, esencialmente, no dispersivas. Las ondas superficiales, a saber, las de Rayleigh (ondas R) y las de Love (ondas L), tienen gran amplitud y se propagan a lo largo de un frente de onda cilíndrico,


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debido a que se desplazan únicamente cerca de la superficie. Las ondas de Love son polarizadas horizontalmente y no son registradas por sensores verticales. La teoría de las ondas elásticas predice que la velocidad a la cual se mueven las ondas sísmicas a través de un material está ligada directamente con las propiedades elásticas de éste. El significado de ello es que si se conoce la velocidad de propagación de una onda sísmica, es posible estimar las propiedades elásticas del material dentro del cual se propaga. Asumiendo que existen variaciones verticales de velocidad, cada componente de frecuencia de una onda superficial tiene una velocidad de propagación diferente (llamada velocidad de fase). Esta característica da como resultado una longitud de onda diferente por cada frecuencia propagada. Esta propiedad se llama dispersión. En un semiespacio elástico y homogéneo, la velocidad de propagación de las ondas R (VR) es única e independiente de la frecuencia; sin embargo, en medios estratificados, las ondas R son fundamentalmente dispersivas y su velocidad de fase es específica para cada frecuencia. Este tipo de ondas hace que las partículas se desplacen según una trayectoria elíptica retrógrada (debido a que la componente vertical del desplazamiento de la onda es mayor que la horizontal en el límite de la superficie libre) en un plano vertical, dentro de una profundidad más o menos igual a una longitud de onda. Este movimiento es el que registran los métodos de propagación de ondas superficiales. A medida que los diferentes componentes de la longitud de onda barren diferentes profundidades, las velocidades de fase correspondientes varían en las distintas capas de un medio estratificado. Para los materiales de los pavimentos, la velocidad de propagación de las ondas R (VR) está relacionada experimentalmente con la velocidad de las ondas S (VS), a través de la relación de Poisson (μ) (Tabla 2.9.3). Así, el espectro de las velocidades de fase se puede usar para desarrollar la función de dispersión para el sitio del ensayo, la cual relaciona VS con la componente de longitud de onda correspondiente. La curva experimental de dispersión es usada a continuación para determinar el perfil modular de la sección de ensayo, a través de un proceso de retrocálculo. De esta manera, las ondas R que se propagan en un medio de varias capas, suministran información sobre el perfil de rigideces, si las correspondientes velocidades de fase, que constituyen el objetivo del ensayo, son medidas.

μ)(1V*γ*2E 2S


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Tabla 2.9.3. Relaciones entre VR y VS para materiales de pavimentos

AUTOR RELACIÓN ENTRE VR Y VS OBSERVACIONES

Nazarian y otros (1999) VS = VR (1.13-0.16 μ) Usada para pavimentos

Roesset y otros (1990) VS = VR (1.135-0.182 μ) para μ≥0.10

Sánchez Salinero y otros (1987) VS = VR (1.144-0.194 μ) Si μ =0.35, VR / VS =0.92

Dennis y otro (2006) )1.12(0.87

μ)(1VV RS

μ

2.9.2.2. Métodos de modo simple Inicialmente, consistían en un vibrador de estado fijo como fuente emisora de ondas R de frecuencia conocida (f). Un receptor de eje vertical era alejado de la fuente a intervalos pequeños, para detectar los puntos de movimiento superficial en fase con el vibrador. La distancia entre 2 puntos en fase, determinaba la longitud de onda (λ) a partir de la cual se calculaba la velocidad de fase (V = λ*f). Escogiendo una relación típica entre VR y VS (Tabla 2.9.3), junto con la ecuación indicada en el numeral anterior, se puede obtener el módulo de la capa (E), conociendo la densidad del material (γ). El análisis espectral de ondas superficiales –SASW- constituyó un avance en estos sistemas. Su mayor éxito fue el uso de técnicas de análisis espectral para el procesamiento de señales, lo que permitió analizar un rango de frecuencias bajo una fuente de ondas constituida por el impacto de un martillo. El equipo hace uso de 2 receptores estacionarios, lo que eliminó la necesidad de desplazar el receptor único y redujo el tiempo de ejecución del ensayo (Figuras 2.9.9 y 2.9.10). El par de receptores puede ser configurado tantas veces como sea necesario, para muestrear el rango de frecuencias deseado. Los receptores son sensores verticales de la velocidad de una partícula, así que los perfiles de velocidad de corte son analizados sobre la base de las velocidades de fase de las ondas R y transformados posteriormente en representaciones de módulo versus profundidad. Los métodos de modo simple presentan algunas limitaciones, entre ellas el hecho de utilizar sólo una velocidad de fase para cada frecuencia. Así mismo, es posible que la señal detectada se encuentre contaminada por diversos tipos de ondas directas y reflejadas que no hayan sido consideradas en el análisis. Además, si el ruido externo en el lugar del ensayo sobrepasa la potencia de la fuente artificial, como puede suceder en áreas urbanas e industriales o donde las fases de las ondas


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de cuerpo sean mas enérgicas que las superficiales, los resultados de los ensayos no son satisfactorios.

Figura 2.9.9. – Esquema típico del montaje del sistema SASW

Figura 2.9.10. – Sistema SASW en operación [ref. 2.9.6]


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2.9.2.3. Métodos multimodales

La técnica MASW, similar en su ejecución a la SASW, fue desarrollada como solución a los defectos de ésta en presencia de ruido. Ella hace uso de muchos receptores (12 o más) colocados a diferentes distancias desde la fuente impulsiva, para detectar los modos más altos presentes en las ondas superficiales (Figuras 2.9.6 y 2.9.11).

Figura 2.9.11. – Instalación del sistema MASW

La Figura 2.9.12 muestra un ejemplo del procesamiento de un juego de ondas R de una prueba MASW, mediante el programa de cómputo SURFSEIS [ref. 2.9.7]. Otro método multimodal, mucho más sencillo y menos costoso, el MSOR, se basa en la técnica MASW y emplea sólo un receptor fijo y una fuente móvil (o viceversa) para disponer de una colección de golpes y hacer uso de ella para construir un registro multicanal simulado, combinando todas las medidas individuales (Figura 2.9.13). La rapidez del ensayo y del procedimiento de análisis, hace que este método sea mucho más eficiente que los demás métodos previos de propagación de ondas superficiales para estudios de pavimentos [ref. 2.9.8].


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Figura 2.9.12. – Procesamiento de la información de una prueba MASW

Figura 2.9.13. – Esquema típico de simulación multicanal con un receptor

2.9.3. Comparación de las características de los distintos métodos En la Tabla 2.9.4 se muestran algunas de las características de los diferentes métodos de propagación de ondas superficiales para la evaluación de pavimentos. Aunque ningún método se encuentra normalizado por el Instituto Nacional de Vías, cuando se emplee la técnica de ondas sísmicas superficiales con el fin de diseñar las obras de rehabilitación de sus pavimentos, se deberá emplear un equipo de modo múltiple.


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Tabla 2.9.4. Características de los métodos de ondas superficiales para pavimentos

CARACTERÍSTICA MÉTODOS DE MODO SIMPLE MÉTODOS DE MODO MÚLTIPLE

RÉGIMEN PERMANENTE

SASW MASW MSOR

Desarrollo 1950s Principios 1980s Fines 1990s Inicios 2000s

Estado actual Obsoleto En uso En evolución En evolución

Aplicabilidad - Evaluación de la capa superior

Evaluación de la subrasante y el manto rocoso

Evaluación completa

Rango de frecuencia

1 Hz – 1 kHz 10 Hz – 50 kHz 1 Hz – 2500 Hz 10 Hz – 20 kHz

Fuente Electromecánica; monofrecuencia

Tipo martillo; Electromecánica; multifrecuencia

Tipo martillo; Electromecánica; multifrecuencia

Tipo martillo; multifrecuencia

Receptores 1 geófono 2 acelerómetros de alta frecuencia

Más de 2 geófonos

Un acelerómetro de alta frecuencia

Adquisición de datos

Analizador espectral

Analizador espectral /tarjeta de adquisición de datos con PC

Dispositivo multicanal de adquisición de datos con o sin PC

Dispositivo multicanal de adquisición de datos con PC

Generación de la curva de dispersión experimental

Cálculo directo Análisis espectral (manual)

Reconocimiento automático de patrones

Reconocimiento automático de patrones

Herramientas de análisis

- ASP, WinSASW, etc.

SURFSEIS, etc. SURFSEIS, etc.

REFERENCIAS 2.9.1 - PARRILLO R. & ROBERTS R., “Integration of FWD and GPR”, 2006 Proceedings of the Highway Geophysics NDE Conference, pp 233-242, San Louis, Missouri. 4-7 December 2006 2.9.2 - LOKEN M.C., “Use of ground penetrating radar to evaluate Minnesota roads”, Report MN/RC-2007-01, Minnesota Department of Transportation, Maplewood MN, January 2007


170

2.9.3 - SAARENKETO T., “Electrical properties of road materials and subgrade soils and the use of ground penetration radar in traffic infrastructure surveys”, University of Oulu, 2006 2.9.4 - ABDALLAH I., NAZARIAN S. & YUAN D., “Design moduli for flexible pavements using seismic test”, 2006 Proceedings of the Highway Geophysics NDE Conference, pp 219-232, San Louis, Missouri. 4-7 December 2006 2.9.5 - GOEL A. & DAS A., “A brief review of different surface wave methods for non-destructive evaluation pavements”, 2006 Proceedings of the Highway Geophysics NDE Conference, pp 337-350, San Louis, Missouri. 4-7 December 2006 2.9.6 - DENNIS N.D. & BENETT K., “Development of testing protocol and correlations for resilient modulus of subgrade soils. Final Report”, University of Arkansas, Department of Civil Engineering, Fayetteville, AR, January 2006 2.9.7 - THITIMAKORN T. & ANDERSON N.L., “A 2D MASW shear-wave velocity profile along a test segment of interstate I-70, St Louis Missouri”, 2006 Proceedings of the Highway Geophysics NDE Conference, pp 594-608, San Louis, Missouri. 4-7 December 2006 2.9.8 - RYDEN N., ULRIKSEN P., EKDAHL U., PARK C.B. & MILLER R.D., “Multichannel analysis of seismic waves for layer moduli evaluation of pavements”, Sixth International Conference on the bearing capacity of roads, railways and airfields, pp 705-714, Lisbon, June 24-26, 2002


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CAPITULO 10 GUÍAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES DEL

PAVIMENTO Y DE LA SUBRASANTE MEDIANTE PRUEBAS DESTRUCTIVAS

2.10.1. Introducción La experiencia indica que las pruebas de tipo no destructivo no brindan, por sí solas, una caracterización exacta de las propiedades de los materiales del pavimento. Tampoco de los espesores de sus capas, los cuales son críticos para el retrocálculo de los valores modulares. Por consiguiente, se ha reconocido siempre como una buena práctica su complementación con exploraciones y pruebas de tipo destructivo [ref. 2.10.1]. Este sistema garantiza, además, que no se empleen datos inexactos o absurdos en el diseño de las obras de rehabilitación del pavimento. Es evidente, por otra parte, que la evaluación a través de pruebas destructivas es preponderante en aquellos casos en los cuales el ingeniero considere que el pavimento objeto del estudio de rehabilitación no presenta un comportamiento esencialmente elástico ante las cargas normales del tránsito y, en consecuencia, las medidas de deflexión carecen de utilidad como elementos para su modelación y para la valoración de su condición estructural. Las restricciones de tiempo y de dinero suelen limitar la intensidad de la exploración de campo y la variedad y el número de ensayos derivados de ellas en los estudios rutinarios de rehabilitación, en particular en las vías con bajos volúmenes de tránsito. Además, no existen fórmulas o recetas que permitan establecer el grado de detalle que se debe dar a la exploración destructiva, por lo que prevalecerá siempre el buen juicio del ingeniero, quien determinará el alcance de la evaluación destructiva en función de la calidad y de la cantidad de información adicional disponible, tanto la histórica como la proveniente de la exploración no destructiva, buscando minimizar los costos y evitando la recolección de información innecesaria. 2.10.2. Núcleos y apiques En los estudios rutinarios para la rehabilitación, las perforaciones para la exploración destructiva de la calzada serán de dos clases: con equipo extractor de núcleos (testigos) o empleando herramientas manuales. Los núcleos (Figura 2.10.1)


172

proporcionan información en relación con el espesor de las capas ligadas y la condición de sus materiales. La inspección visual de un núcleo por parte de un ingeniero experimentado le permite detectar problemas de adhesividad en las mezclas asfálticas, la existencia o ausencia de una adecuada liga entre capas, deficiencias de composición y de compactación, el tipo y la forma de los agregados, etc. Los núcleos se suelen extraer en diámetros de 50, 100 o 150 milímetros, dependiendo de los ensayos a los cuales se van a someter las muestras extraídas. Aun cuando la norma INV E-758 recomienda los dos últimos diámetros, cuando sólo se requiera la verificación del espesor resulta suficiente uno de 50 milímetros.

Figura 2.10.1. –Núcleo de pavimento asfáltico

Las perforaciones del tipo calicatas (apiques), realizadas con herramientas manuales, son de ejecución mucho más lenta y producen mayor alteración del pavimento, pero permiten apreciar el perfil completo de la estructura en su condición natural (Figura 2.10.2), posibilitan la ejecución de algunos ensayos de verificación en el lugar y facilitan la toma de muestras abundantes, tanto alteradas como inalteradas, para la realización de pruebas en el laboratorio. Cuando estas perforaciones se realizan en zonas falladas, permiten establecer el origen de las fisuras que se reflejan en la superficie y de las deformaciones permanentes, información de gran utilidad en el instante de realizar el juicio sobre la capacidad estructural de la calzada y de elegir las alternativas factibles para su rehabilitación. Debido a que las cargas vehiculares más pesadas producen esfuerzos de consideración hasta un metro (1.0 m) o más bajo la superficie del pavimento, las perforaciones y los ensayos asociados se deberán conducir, como mínimo, hasta dicha profundidad, salvo que se encuentre una capa rígida más cerca de la


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superficie. Así mismo, si la vía es de comprobado tránsito liviano, la profundidad de la perforación podrá ser menor, a criterio del ingeniero.

Figura 2.10.2. – Perfil de un pavimento asfáltico en un apique

2.10.3. Programa de ensayos El programa de ensayos de las muestras obtenidas se debe enfocar hacia la determinación de las características de los materiales del pavimento y de la subrasante, con el fin de estimar su condición actual y valorar sus posibilidades como componentes de la futura estructura rehabilitada. Los ensayos por realizar dependen de los materiales encontrados y de los deterioros observados. En todos los casos, es aconsejable explorar en primer lugar y a menores separaciones las zonas que se manifiesten como las más débiles, pues ellas son críticas para la evaluación global del pavimento. Un programa típico de ensayos puede incluir, entre otras, medidas de densidad, respuesta elástica, composición y valoración del ligante de las mezclas asfálticas; pruebas de densidad, gradación, plasticidad, desgaste y resistencia de los materiales granulares, para buscar evidencias de degradación y de contaminación; también, pruebas de clasificación y de capacidad de respuesta de la subrasante en la condición de equilibrio que debe presentar luego de varios años de servicio del pavimento. Es importante tener en cuenta que se pueden realizar algunas pruebas no destructivas sobre muestras inalteradas, antes de proceder a los ensayos destructivos. Por ejemplo, a un núcleo de pavimento asfáltico se le pueden determinar su densidad y su módulo, antes de calentarlo, desmenuzarlo, determinar la composición de la mezcla y recuperar su ligante.


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Es conveniente, además, realizar determinaciones sistemáticas de la humedad en las diferentes capas granulares y en la subrasante. Su comparación con la humedad óptima -y con el límite plástico en los suelos finos- y con los deterioros del pavimento, facilita la detección de problemas asociados con deficiencias en el funcionamiento o con la carencia de los dispositivos de subdrenaje. La Tabla 2.10.1 presenta un resumen de los ensayos que, de manera rutinaria, se deben realizar durante el proceso de evaluación destructiva de un pavimento asfáltico de carretera, con el propósito de diseñar las obras para su rehabilitación. Bajo circunstancias específicas, la ejecución de otros ensayos puede resultar indispensable. Cada serie de pruebas tiene su propia área de aplicabilidad y, para prevenir errores de interpretación, es necesario que los diversos ensayos se realicen sobre muestras verdaderamente representativas de cada material y en acuerdo con el protocolo descrito en la norma respectiva. Siempre que el ingeniero prevea que el reciclado en frío es una opción válida para la rehabilitación del tramo objeto del estudio, deberá ordenar la preparación de las muestras compuestas, apropiadas para someterlas a los ensayos pertinentes, según lo establece el Artículo 461 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS. 2.10.4. Inspección visual de las muestras Siendo la más simple de las pruebas, la inspección visual de una muestra es un medio eficiente para evaluar rápidamente el material e identificar deficiencias obvias en el mismo. La inspección de los núcleos de pavimento permite conocer el espesor, evaluar la homogeneidad e integridad de las capas, verificar las condiciones de liga entre ellas y definir el patrón de los agrietamientos (Figura 2.10.3). Las muestras de suelo y de agregados proporcionan una información aproximada sobre su condición y su clasificación, a partir de su textura, color, olor, distribución de los tamaños de las partículas, plasticidad y humedad. La información obtenida en la inspección visual de las muestras puede indicar las causas de algún deterioro visible del pavimento y ayuda al ingeniero en la elección de los ensayos de laboratorio más apropiados para completar la evaluación.


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Tabla 2.10.1. Ensayos usuales para evaluar los materiales de las capas de un pavimento en servicio y la

subrasante*

CAPA TIPO DE ENSAYO NORMA INV** OBSERVACIONES

Subrasante, capas granulares

Ensayos de constitución

- Humedad

- Densidad

- Gradación

- Plasticidad

- Equivalente de arena

- Desgaste (base y subbase)

E122

E142/161/164 E123/213 E125/126

E133 E218

Sirven para determinar si los cambios sufridos por los materiales desde la construcción del pavimento

Ensayos de resistencia o de respuesta

- CBR inalterado (subrasante)

- PDC (subrasante)

- Módulo resiliente

E148 E172 E156

Miden la capacidad actual de los materiales para resistir esfuerzos

Ensayos basados en comportamiento

- Estabilidad volumétrica

E132/148/173

Los suelos expansivos suelen tener efectos muy desfavorables sobre el comportamiento de los pavimentos

Capas estabilizadas con ligantes hidráulicos

Ensayos de resistencia o de respuesta

- Resistencia a compresión inconfinada

E809

La resistencia sobre núcleos se determina adaptando la norma INV E809 sobre cilindros moldeados

Capas asfálticas

Ensayos de constitución

- Densidad

- Composición volumétrica

- Contenido de asfalto

- Granulometría del agregado

E733/734

E736 E732 E782

La densidad indica el grado de compactación de la mezcla

Ensayos de respuesta y resistencia

- Módulo resiliente

- Estabilidad Marshall

E749 E748

Generalmente, las pruebas de resistencia sobre probetas extraídas del terreno no son representativas

Ensayos basados en comportamiento

- Pruebas para determinar el grado de envejecimiento sufrido por el asfalto - Recuperación del asfalto - Penetración - Punto de ablandamiento - Viscosidad

- Resistencia de la mezcla a la acción del agua (ensayo TSR)

E759 E706 E712

E716/717

E725

Existen pruebas de tipo físico y químico que permiten valorar el grado de envejecimiento del asfalto recuperado de la mezcla

*Ocasionalmente, se requieren ensayos adicionales a los señalados en la tabla


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Figura 2.10.3. – Espesores de las diferentes mezclas y definición de la dirección de propagación de las grietas en un pavimento asfáltico

2.10.5. Número requerido de ensayos Los ensayos - destructivos y no destructivos - que se realizan en las diferentes unidades de análisis, suministran una estimación del valor promedio y de la desviación estándar de la propiedad que se está investigando. Lógicamente, a medida que aumenta el número de ensayos, los valores promedio estimados se vuelven más precisos y se acercan más estrechamente a los valores promedio reales de esa propiedad. Los principios de la estimación estadística o niveles de confianza son muy útiles en la determinación del número necesario de ensayos para asegurar que el valor promedio estimado se aproxima al valor promedio real. La filosofía de los niveles de confianza se explica por el concepto de la probabilidad o seguridad de que la

diferencia entre los valores promedio de la muestra y de la población ( X )

estén dentro de unos límites preestablecidos, con un porcentaje de confianza de

100*(1- ), siendo la probabilidad de que el resultado de una medida iguale o exceda el valor límite especificado.

El valor corresponde al área sombreada en el dibujo de la Tabla 2.10.2 para una distribución normal, la cual se considera representativa del comportamiento de la gran mayoría de los parámetros ligados a la ingeniería de pavimentos [ref. 2.10.2]. Sin embargo, en algunos casos la distribución de los resultados se asemeja más al


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tipo “lognormal” que al tipo “normal”, como suele suceder, por ejemplo, con los resultados de los ensayos de resistencia de los suelos de subrasante [ref. 2.10.3]. En tal evento, el ingeniero debe realizar los análisis bajo dicha consideración.

Tabla 2.10.2.

Área bajo la curva de distribución normal desde K hasta

K 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

0.0 0.5000 0.4960 0.4920 0.4880 0.4840 0.4801 0.4761 0.4721 0.4681 0.4641

0.1 0.4602 0.4562 0.4522 0.4483 0.4443 0.4404 0.4364 0.4325 0.4286 0.4247

0.2 0.4207 0.4168 0.4129 0.4090 0.4052 0.4013 0.3974 0.3936 0.3897 0.3859

0.3 0.3821 0.3783 0.3745 0.3707 0.3669 0.3632 0.3594 0.3557 0.3520 0.3483

0.4 0.3446 0.3409 0.3372 0.3336 0.3000 0.3264 0.3228 0.3192 0.3156 0.3121

0.5 0.3085 0.3050 0.3015 0.2981 0.2946 0.2912 0.2877 0.2843 0.2813 0.2776

0.6 0.2743 0.2709 0.2676 0.2643 0.2611 0.2578 0.2546 0.2514 0.2483 0.2451

0.7 0.2420 0.2389 0.2358 0.2327 0.2296 0.2266 0.2236 0.2206 0.2177 0.2148

0.8 0.2119 0.2090 0.2061 0.2033 0.2005 0.1977 0.1949 0.1922 0.1894 0.1867

0.9 0.1841 0.1814 0.1788 0.1762 0.1736 0.1711 0.1685 0.1660 0.1635 0.1611

1.0 0.1587 0.1562 0.1539 0.1515 0.4922 0.1469 0.1446 0.1423 0.1401 0.1379

1.1 0.1357 0.1335 0.1314 0.1292 0.1271 0.1251 0.1230 0.1210 0.1190 0.1170

1.2 0.1151 0.1131 0.1112 0.1093 0.1075 0.1056 0.1038 0.1020 0.1003 0.0985

1.3 0.0968 0.0951 0.0934 0.0918 0.0901 0.0885 0.0869 0.0853 0.0838 0.0823

1.4 0.0808 0.0793 0.0778 0.0764 0.0749 0.0735 0.0721 0.0708 0.0694 0.0681

1.5 0.0668 0.0655 0.0643 0.0630 0.0618 0.0606 0.0594 0.0582 0.0571 0.0559

1.6 0.0548 0.0537 0.0526 0.0516 0.0505 0.0495 0.0485 0.0475 0.0465 0.0455

1.7 0.0446 0.0436 0.0427 0.0418 0.0409 0.0401 0.0392 0.0384 0.0375 0.0367

1.8 0.0359 0.0351 0.0344 0.0336 0.0329 0.0322 0.0314 0.0307 0.0301 0.0294

1.9 0.0287 0.0281 0.0274 0.0268 0.0264 0.0256 0.0250 0.0244 0.0239 0.0233

2.0 0.0228 0.0222 0.0217 0.0212 0.0207 0.0202 0.0197 0.0192 0.0188 0.0183

2.1 0.0179 0.0174 0.0170 0.0166 0.0162 0.0158 0.0154 0.0150 0.0146 0.0143

2.2 0.0139 0.0136 0.0132 0.0129 0.0125 0.0122 0.0119 0.0116 0.0113 0.0110

2.3 0.0107 0.0104 0.0102 0.0099 0.0096 0.0093 0.0091 0.0088 0.0086 0.0084

2.4 0.0082 0.0079 0.0079 0.0075 0.0073 0.0071 0.0069 0.0067 0.0065 0.0063

2.5 0.0062 0.0060 0.0058 0.0057 0.0055 0.0053 0.0052 0.0050 0.0049 0.0048

2.6 0.0046 0.0045 0.0044 0.0042 0.0041 0.0040 0.0039 0.0037 0.0036 0.0035

2.7 0.0034 0.0033 0.0032 0.0031 0.0030 0.0029 0.0028 0.0028 0.0027 0.0026

2.8 0.0025 0.0024 0.0024 0.0023 0.0022 0.0021 0.0021 0.0020 0.0019 0.0019

2.9 0.0018 0.0018 0.0017 0.0016 0.0016 0.0015 0.0015 0.0014 0.0014 0.0013

3.0 0.0013 0.0013 0.0013 0.0012 0.0012 0.0011 0.0011 0.0011 0.0010 0.0010

La Tabla 2.10.3 resume los diferentes intervalos de confianza para el promedio de una distribución normal, tanto para el caso en que la desviación estándar de la


178

población ( ) sea conocida como desconocida [ref. 2.10.2]. En el primer caso, la función de distribución normal (Tabla 2.10.2) es el ensayo estadístico aplicable, en

tanto que en el caso de que sea desconocida se deberá emplear la distribución “t” (Tabla 2.10.4).

Tabla 2.10.3.

Intervalos de confianza (1- ) para el promedio

TIPO DE ENSAYO DE CONFIANZA σ

ECUACIONES DE PROBABILIDAD (1 – α)

Dos lados

Conocida n

KXn

KX 2/2/

Desconocida n

stX

n

stX nn 1;2/1;2/

Un lado – límite superior

Conocida n

KX

Desconocida n

stX n 1;

Un lado – límite inferior

Conocida n

KX

Desconocida n

stX n 1;

La diferencia ( X ) se denomina límite de precisión (R), valor que representa el

rango dentro del cual se encontrará el valor promedio real de la propiedad evaluada, a partir del valor promedio obtenido con la ejecución de “n” ensayos, para un determinado grado de confianza. El límite de precisión es inversamente proporcional al número de ensayos realizados; es decir, que se reduce a medida que el número de ensayos aumenta; sin embargo, se ha determinado que más allá de cierta cantidad de ensayos, los incrementos en la precisión de la estimación son tan pequeños, que no compensan el costo de las pruebas adicionales que se realicen.


179

Tabla 2.10.4.

Percentiles de la distribución t para grados de libertad (Área sombreada = ; y)

α = ν 0.400 0.1000 0.0500 0.0250 0.0100 0.0050 0.0010 0.0005

1 0.325 3.078 6.314 12.706 31.821 63.657 318.31 636.62 2 0.289 1.886 2.920 4.303 6.965 9.925 22.327 31.598

3 0.277 1.638 2.353 3.182 4.541 5.841 10.214 12.944

4 0.271 1.533 2.132 2.776 3.747 4.604 7.173 8.610

5 0.267 1.476 2.015 2.571 3.365 4.032 5.893 6.859

6 0.265 1.440 1.943 2.447 3.143 3.707 5.208 5.959 7 0.263 1.415 1.895 2.365 2.998 3.499 4.785 5.405

8 0.262 1.397 1.860 2.306 2.896 3.355 4.501 5.041

9 0.261 1.383 1.833 2.262 2.821 3.250 4.297 4.781

10 0.260 1.372 1.812 2.228 2.764 3.169 4.144 4.587

11 0.260 1.363 1.796 2.201 2.718 3.106 4.025 4.437 12 0.259 1.356 1.782 2.179 2.681 3.055 3.930 4.318

13 0.259 1.350 1.771 2.160 2.650 3.012 3.852 4.221

14 0.258 1.345 1.761 2.145 2.624 2.977 3.787 4.140

15 0.258 1.341 1.753 2.131 2.602 2.947 3.733 4.073

16 0.258 1.337 1.746 2.120 2.583 2.921 3.686 4.015

17 0.257 1.333 1.740 2.110 2.567 2.898 3.646 3.965 18 0.257 1.330 1.734 2.101 2.552 2.878 3.611 3.922

19 0.257 1.328 1.729 2.093 2.539 2.861 3.579 3.883

20 0.257 1.325 1.725 2.086 2.528 2.845 3.552 3.850

21 0.257 1.323 1.721 2.080 2.518 2.831 3.527 3.819

22 0.256 1.321 1.717 2.074 2.508 2.819 3.505 3.792 23 0.256 1.319 1.714 2.069 2.500 2.807 3.485 3.767

24 0.256 1.318 1.711 2.064 2.492 2.797 3.467 3.745

25 0.256 1.316 1.708 2.060 2.485 2.787 3.450 3.725

26 0.256 1.315 1.706 2.056 2.479 2.779 3.435 3.707

27 0.256 1.314 1.703 2.052 2.473 2.771 3.421 3.690 28 0.256 1.313 1.701 2.048 2.467 2.763 3.408 3.674

29 0.256 1.311 1.699 2.045 2.464 2.756 3.396 3.659

30 0.256 1.310 1.697 2.042 2.457 2.750 3.385 3.646

40 0.255 1.303 1.684 2.021 2.423 2.704 3.307 3.551

60 0.325 1.296 1.671 2.000 2.390 2.660 3.232 3.460 100 0.254 1.290 1.660 1.984 2.365 2.626 3.174 3.389

200 0.254 1.286 1.653 1.972 2.345 2.601 3.131 3.339

500 0.253 1.283 1.648 1.965 2.334 2.586 3.105 3.310

∞ 0.253 1.282 1.645 1.960 2.326 2.576 3.090 3.291


180

La Tabla 2.10.5, tomada de la guía de diseño de pavimentos AASHTO-93 [ref. 2.10.4], presenta la variabilidad típica de los parámetros de medida más relevantes de los pavimentos, de acuerdo a las experiencias de diferentes agencias de los Estados Unidos de América. Mayor información sobre la variabilidad en los sistemas de pavimentos se encuentra en la referencia [2.10.5]. Si el diseñador no dispone de valores de desviación estándar confiables para las condiciones locales de materiales, medio ambiente y prácticas de diseño y construcción, puede optar por la adopción de los valores de las referencias recién citadas o emplear las fórmulas de la distribución t, conforme se explica en la referencia [2.10.2].

Tabla 2.10.5. Variabilidad típica de los parámetros de los pavimentos asfálticos

VARIABLE DESVIACIÓN ESTÁNDAR ( ) MÍNIMA PROMEDIO ALTA

Espesor ( mm ) Concreto asfáltico Base tratada con cemento Base granular Subbase granular

7.5 13 15 25

13 15 20 30

18 18 25 38

CBR ( % ) Subrasante ( 4 – 7 ) Subrasante ( 7 – 13 ) Subrasante ( 13 – 20 ) Subbase ( 20 – 50 ) Base ( 80 + )

0.5 1.0 2.5 5.0

10.0

1.0 1.5 4.0 8.0

15.0

2.0 2.5 6.0

12.0 30.0

Porcentaje de compactación ( % ) Terraplenes y subrasante Subbase y base

2.0 2.0

4.5 2.8

7.0 3.5

Propiedades concreto asfáltico Gradación ( % ) Tamices ¾” y ½” Tamiz 3/8” Tamiz # 4 Tamices # 40 y # 50 Tamiz # 200 % de asfalto % de compactación Propiedades Marshall Estabilidad (libras) Flujo (0.01”) Vacíos con aire ( % ) Propiedades del asfalto Penetración a 25° C ( 0.1 mm ) Viscosidad a 60° C (kilopoises)

1.5 2.5 3.2 1.3 0.8

0.1

0.75

200 1

0.8

2 2

3.0 4.0 3.8 1.5 0.9

0.25

1.0

300 1.3 1.0

10 25

4.5 6.0 4.2 1.7 1.0

0.4

1.0

400 2.0 1.4

18 100

Deflexiones

Coeficiente de variación V = )X/σ( *100

15 30 45


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Ejemplo Determinar el número necesario de medidas de espesor de una carpeta de concreto

asfáltico, para predecir el valor promedio con un límite de precisión (R) de 5 mm, con un nivel de confianza de 90 % Adoptando la desviación estándar promedio de la Tabla 2.10.5 (13 mm) y sabiendo que el intervalo de confianza es de dos lados, se empleará la primera fórmula de la

Tabla 2.10.3. Como el límite de precisión es 5 mm, la ecuación puede igualarse para este problema así:

R = ( X ) = K /2 * ( / n) = 5

Para una probabilidad de 90 % = 100*(1- ), resulta que =1–0.9= 0.10. Como el

ensayo de confianza es de dos lados, el valor se reparte simétricamente en los dos

extremos de la curva normal y, por lo tanto /2 = 0.05, valor para el cual en la Tabla

2.10.2 se encuentra que K /2 es igual a 1.645.

K /2 se define como número de veces que se debe considerar la desviación estándar para lograr un determinado grado de confiabilidad.

K /2 * ( / n ) = 1,645 (13 / n ) = 5 De donde,

n = 18.3 = 19 medidas

Una vez que el nivel de confiabilidad se ha seleccionado (por ejemplo 90% o 95%)

para una determinada variable (espesor, densidad, deflexión, etc.), los valores K y

son constantes. Como el límite precisión (R) es inversamente proporcional al número de ensayos (ver Tabla 2.10.3), es evidente que la precisión en la estimación aumenta con el número de pruebas, como lo muestra esquemáticamente la Figura 2.10.4, en la cual se delimitan 3 zonas. En la zona I, caracterizada por una alta pendiente, la precisión en la estimación aumenta significativamente con cada ensayo o muestra adicional. En esta zona, las relaciones beneficio/costo derivadas del aumento del número de ensayos por unidad de análisis son altas y provechosas. En el otro extremo, la zona III tiene una pendiente muy reducida y, por consiguiente, al aumentar el número de ensayos no se producen mejoras significativas en el nivel de precisión de las estimaciones. Ello implica que, en esta zona, los costos de las pruebas adicionales pesan más que los beneficios que se producen. Por lo tanto, la zona II representa el rango óptimo para el desarrollo de un programa de ensayos, puesto que corresponde al área donde se obtienen


182

estimativos suficientemente precisos con el menor número posible de muestras o de ensayos. En la referencia [2.10.4] se encuentra un conjunto de Figuras con curvas típicas de límites de precisión para 95% de confiabilidad, para las variables y los datos indicados en la Tabla 2.10.5. El diseñador podrá emplear dichos valores o calcular los que correspondan para otros niveles de confiabilidad y coeficientes de variabilidad, obtenidos a través de la experiencia regional.

Figura 2.10.4. - Curva típica de límites de precisión para las variables de los pavimentos

2.10.6. Niveles de información Considerando las restricciones de tiempo y de dinero que limitan la exploración destructiva, mencionadas en el numeral 2.10.1, la ejecución de ensayos según el criterio descrito en el numeral 2.10.5, corresponde al nivel 1 de información. Un programa de menor intensidad, elegido a criterio del ingeniero, en función de las limitantes existentes, se considera de nivel 2. El nivel 3 corresponde al uso de información histórica confiable. REFERENCIAS 2.10.1 - ARA INC, ERES CONSULTANT DIVISION, “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated structures”, NCHRP Report 1-37 A, Champaign, Illinois, March 2004 2.10.2 - YODER E.J. & WITCZAK M.W., “Principles of pavement design”, John Wiley & Sons Inc., 1975


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2.10.3 - BARNES R.J., “Geostatistics for subgrade characterization”, University of Minnesota, October 1993 2.10.4 - AASHTO, “AASHTO guide for design of pavement structures”, Washington D.C., 1993 2.10.5 - SANCHEZ F., “Excerpta de información sobre la variabilidad en los sistemas de pavimentos”, Memorias del XII Congreso Ibero latinoamericano del Asfalto, Lima, 2003


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CAPITULO 11 GUÍAS PARA LA INSPECCIÓN DEL DRENAJE CON FINES DEL DISEÑO DE

LAS OBRAS DE REHABILITACIÓN DEL PAVIMENTO

2.11.1. Importancia del drenaje en la rehabilitación de pavimentos Los sistemas de drenaje superficial y subterráneo del pavimento combaten dos problemas diferentes, relacionados con una sola fuente: el agua. El sistema de drenaje superficial se encarga de la intercepción, recolección y remoción del agua de las superficies de la vía y de las áreas de los taludes, para reducir los riesgos de hidroplaneo e inundación, así como para minimizar los inconvenientes a los usuarios a causa de las salpicaduras que se producen al desarrollarse películas gruesas de agua en la superficie del pavimento en instantes de lluvia. Por su parte, el sistema de drenaje subsuperficial se instala para prevenir que las aguas de infiltración de diversa procedencia debiliten y degraden los materiales del pavimento. Por lo tanto, mientras la finalidad primaria del drenaje superficial es mejorar la seguridad de los usuarios de la vía, la del drenaje subsuperficial es mejorar el comportamiento y la confiabilidad de ella. No obstante, considerando su importancia en el control de la cantidad de agua disponible para la infiltración en el pavimento, el drenaje superficial comparte una relación simbiótica con el drenaje subsuperficial. El mantenimiento inadecuado del drenaje superficial tiene resultados fácilmente observables y a veces catastróficos (Figura 2.11.1). Sin embargo, los efectos de un inadecuado mantenimiento del drenaje subsuperficial toman más tiempo en manifestarse y, en consecuencia, suelen ser pasados por alto. Los deterioros de los dispositivos de subdrenaje no sólo afectan el sistema de drenaje, sino que su efecto se suele hacer extensivo a toda la carretera. Existe una regla empírica, según la cual el funcionamiento inadecuado de un sistema de subdrenaje causa más perjuicio que la carencia del mismo. Cuando una sección de pavimento que tenga dispositivos de subdrenaje presente síntomas de deterioro, es recomendable la revisión de la funcionalidad del sistema de drenaje. Si ello no se hace, los resultados de la evaluación general pueden ser confusos y las conclusiones erróneas. En consecuencia, a menos que los problemas generados en el pavimento por la acción del agua sean adecuadamente identificados y corregidos, la efectividad


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de cualquier trabajo de mantenimiento o de rehabilitación estará altamente comprometida.

Figura 2.11.1. – Efectos del hidroplaneo

La observación de que muchos pavimentos están sujetos a problemas relacionados con la humedad, ha convencido a los ingenieros de que se pueden lograr pavimentos mejores y más económicos, si los criterios y los principios del diseño del drenaje forman parte integral del diseño, construcción y mantenimiento de ellos. Por razones de alcance, las evaluaciones del drenaje a las cuales se refiere este documento solamente consideran la acción del agua que pueda afectar de manera directa los suelos de subrasante y las capas del pavimento. Los problemas relacionados con la inestabilidad de taludes y laderas, cuya magnitud e importancia requieren una consideración especial en el campo de la geotecnia, deberán ser remediados con anticipación. Si las soluciones a estos problemas no se implementan oportuna y debidamente, la inestabilidad continuará latente y, desde el punto de vista del pavimento, probablemente resulte más conveniente, técnica y económicamente, la ejecución de obras de mantenimiento de tipo temporal.

2.11.2. Fuentes de agua que afectan el pavimento [ref. 2.11.1] El agua que afecta un pavimento puede provenir de fuentes muy diversas. El agua lluvia genera problemas de inseguridad a los usuarios (hidroplaneo y salpicaduras) así como desprendimientos de la película de ligante en las mezclas asfálticas. A su acción directa sobre la superficie, se añade la que se


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puede producir por su infiltración a través de las fisuras y las áreas permeables del pavimento y de las bermas. Constituyen también fuentes de humedad perjudiciales para el comportamiento del pavimento, las elevaciones estacionales del nivel freático, las filtraciones provenientes de terrenos altos, el movimiento de agua desde el borde de la calzada como consecuencia de las diferencias de humedad, el movimiento y la condensación del vapor de agua existente en los vacíos de la subrasante a causa de gradientes térmicos y la acción de capilaridad (Figura 2.11.2).

Figura 2.11.2. - Fuentes del agua de infiltración que afecta al pavimento

Los cambios estacionales en el nivel del agua freática se presentan normalmente en las zonas planas, donde existe poca escorrentía lateral. En estos casos, el cambio resultante de humedad depende de su capilaridad y de la profundidad media de la capa freática. Como norma corriente de diseño, se considera que, para mantener el soporte estable, el nivel freático no se debe encontrar a una profundidad menor de 1.20 metros por debajo de la superficie subrasante. Las filtraciones son frecuentes en zonas montañosas, cuando una capa de suelo permeable está situada sobre un estrato impermeable. La corriente de agua se puede aproximar a la carretera desde cualquier dirección, apareciendo en la superficie del terreno a lo largo de una línea transversal a la carretera, manifestándose en forma de manantiales. Las condiciones climáticas hacen que la humedad del suelo en las márgenes de las carreteras se encuentre por encima del promedio en época de lluvias y por debajo en época seca. Por lo tanto, las bermas y las zonas laterales están más


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húmedas que la subrasante en época invernal, y más secas durante la temporada de verano. Es probable que estas diferencias den lugar a un movimiento de agua hacia la calzada en la época lluviosa y hacia el exterior en la época seca. En el caso de subrasantes arcillosas, que se hinchan con el aumento de humedad y se retraen con su disminución, los bordes de la carretera se elevan y descienden con respecto al eje, según la temporada climática. La desecación del cimiento durante la época seca se puede acelerar por la presencia de árboles de rápido crecimiento cerca de la carretera. El efecto producido por ellos es más marcado en zonas urbanas, donde una gran parte del terreno está cubierta con una superficie impermeable que dificulta el paso del agua lluvia a la subrasante. Los movimientos de vapor de agua en el suelo están relacionados con las diferencias de presión de vapor, las cuales pueden ser debidas a variaciones de humedad o de temperatura entre las diferentes partes del suelo. El movimiento del agua en fase vapor a través del suelo sólo tiene importancia cuando el suelo está relativamente seco. Los suelos arcillosos, por ejemplo, tendrían que tener un porcentaje de humedad muy por debajo del límite plástico antes de que se puedan presentar movimientos apreciables por este concepto. El movimiento de vapor a través del suelo parece ser, en general, mucho más pronunciado en climas extremados, donde se experimentan grandes fluctuaciones de temperatura, tanto durante el día como estacionalmente. La acción capilar puede transportar agua dentro del suelo hasta alturas considerables por encima del nivel freático, tanto mayores entre menor sea el tamaño de los vacíos del suelo. En este sentido, la tendencia de la subrasante es alcanzar una condición de equilibrio con las capas inferiores del suelo. Se debe tener presente que el agua retenida en el pavimento por fuerzas capilares no puede ser removida por los sistemas de subdrenaje. Se puede concluir que la humedad de los cimientos de los pavimentos puede variar por causas muy diversas. En algunos casos, es posible controlar los cambios mediante los métodos normales de drenaje, mientras que en otros resulta necesario acudir a procedimientos especiales. Lo ideal, por supuesto, sería que no se produjeran variaciones de humedad durante la vida de la carretera. Como ello no es posible, son de responsabilidad del ingeniero el diseño, la construcción y el mantenimiento de las obras que faciliten el adecuado manejo de las aguas que puedan afectar el comportamiento del pavimento.


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2.11.3. Aspectos que se deben considerar para la inspección del drenaje del pavimento

El primer paso debe ser el análisis de los planos generales de suelos de la zona y los documentos existentes sobre el diseño y los registros sobre la construcción y la ejecución de obras posteriores en el pavimento. La capacidad de respuesta de algunos suelos y materiales de construcción puede desmejorar sustancialmente a través del tiempo, a causa de la infiltración de agua o por elevaciones en el nivel freático (Figura 2.11.3).

Figura 2.11.3. – Falla típica de un pavimento flexible por debilitamiento de las capas inferiores a causa de la humedad

Se deberán verificar las previsiones sobre el drenaje en el diseño original y las modificaciones que al respecto se hayan realizado durante la construcción o como resultado de trabajos posteriores de mantenimiento y de rehabilitación. También, son importantes los datos geométricos relevantes de la carretera en su condición actual, en especial en lo referente a: - Pendientes longitudinales.

- Pendientes transversales.

- Secciones transversales.

- Ancho de la corona.

- Ancho y espesor de las diferentes capas del pavimento.


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- Profundidad de los cortes y espesor de los rellenos. El paso siguiente consiste en el análisis de los planos topográficos e hidrogeológicos disponibles, para determinar los rasgos que puedan afectar el movimiento del agua superficial y subterránea en el área del proyecto. El contexto hidrogeológico puede resultar favorable, desfavorable o muy desfavorable [ref. 2.11.2]. Se considera favorable, cuando la carretera no intercepta ningún sistema hidrogeológico conocido, caso que suele ocurrir cuando ella se desarrolla sobre rellenos o a través de la divisoria de aguas. Es desfavorable, cuando intercepta sistemas hidrogeológicos con grados variados de durabilidad o de tamaño, escenario que es frecuente en zonas donde la vía transcurre a media ladera o donde hay sucesiones de cortes y de rellenos. Por último, se considera muy desfavorable cuando no existe duda de que la carretera intercepta sistemas hidrogeológicos conocidos, situación típica de pavimentos construidos al nivel del terreno en zonas planas, en zonas en corte en cajón y, posiblemente, en algunas zonas a media ladera. Las pruebas no destructivas de evaluación estructural y funcional, también suministran pistas sobre la posible incidencia del agua en las deficiencias de comportamiento del pavimento. La saturación o la presencia de cantidades inconvenientes de agua en el pavimento y en la subrasante se traducen, casi siempre, en reducciones de su capacidad estructural. Los valores de deflexión anormalmente altos son siempre síntomas de irregularidades en la parte interna de la estructura o en la subrasante, aunque ellos no permiten identificar cuál es la capa responsable de la debilidad o si ésta se debe a problemas asociados con la humedad. En cambio, el georradar ayuda a localizar puntos de acumulación de cantidades inconvenientes de agua interna que pueden comprometer el buen comportamiento de la calzada. En consecuencia, los resultados de ambos tipos de medidas, correctamente interpretados, permiten delimitar con precisión la existencia de zonas degradadas o propensas a la degradación, por deficiencias en el sistema de drenaje interno. Las medidas de fricción y de textura, por su parte, permiten definir las áreas del pavimento susceptibles de presentar problemas de seguridad para los usuarios por falta de adherencia de los neumáticos en condición de superficie húmeda. Los resultados de la evaluación destructiva de la calzada también ofrecen información sobre las propiedades drenantes de las diversas capas del pavimento y de la subrasante, permitiendo establecer relaciones entre ellas y


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los deterioros asociados con la humedad, detectados durante la evaluación visual. La evaluación del drenaje requiere, por supuesto, una inspección directa del problema, preferiblemente durante la temporada lluviosa. Si en el pavimento se han producido deterioros relacionados con problemas ocasionados por el agua, es obvio que el sistema de drenaje construido no satisface sus necesidades. En general, los daños de los pavimentos asfálticos asociados con la humedad son los ahuellamientos, las depresiones, los ojos de pescado y los agrietamientos longitudinales y del tipo piel de cocodrilo en la zona de la huella. Aunque el desprendimiento de la película de ligante de la mezcla es también un problema asociado con la presencia de agua, su ocurrencia es independiente de la falta o existencia de sistemas de drenaje. De todas maneras, se debe tener presente que la ausencia de deterioros relacionados con la humedad en el pavimento no significa, necesariamente, que la calzada se encuentre exenta de sufrirlos. La posibilidad de que ellos ocurran siempre está latente. Durante la visita de inspección, el ingeniero se deberá formular algunas preguntas relacionadas con el drenaje y su incidencia sobre el comportamiento del pavimento, tomando nota de todas aquellas situaciones que considere insatisfactorias, con el fin de tener en cuenta sus respuestas al calificar los niveles de riesgo a los cuales se hace referencia más adelante. Como mínimo, debería preguntarse si:

- Los alineamientos horizontal y vertical y la sección transversal de la carretera son acordes con la importancia de la vía.

- Los sistemas de drenaje existentes son, en general, adecuados para las necesidades de la vía.

- Las cunetas se encuentran libres de agua estancada y si su pendiente longitudinal y su sección transversal son apropiadas.

- Las cunetas, los bordillos, las bermas y los bordes de la calzada se encuentran libres de vegetación.

- Existen áreas permeables en la capa de rodadura y en las bermas.


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- Durante una lluvia se forman gruesas películas de agua que puedan afectar la visibilidad y la seguridad de los usuarios.

- Luego de una lluvia hay evidencias de humedad en los bordes y grietas del pavimento o charcos en la calzada o en las bermas.

- Las bermas y las cunetas se encuentran impermeabilizadas.

- Los bordillos son suficientes y están en buen estado.

- Las descargas de los subdrenes a las cajas de inspección están destapadas y si el flujo de salida en algunas es menor que en otras.

- El uso actual de la tierra indica que los flujos de drenaje superficial se han modificado o se pueden modificar, haciendo inadecuados los sistemas de drenaje existentes.

La valoración de las condiciones del drenaje revelará al ingeniero si los sistemas existentes sólo necesitan reparaciones y mantenimiento o si deben ser mejorados con la construcción de dispositivos adicionales o, inclusive, la modificación de algunos aspectos geométricos de la carretera. 2.11.4. Factores extrínsecos e intrínsecos del drenaje de los pavimentos Los daños relacionados con la humedad en un pavimento obedecen a factores externos e internos. Los externos corresponden a aquellas condiciones climáticas en la zona que regulan el suministro de agua al pavimento, en tanto que los internos se refieren a aquellas propiedades de la zona, la carretera y los materiales del pavimento, cuya interacción con la humedad afecta el comportamiento del éste. 2.11.4.1. Factores extrínsecos Lluvias Los factores externos que influyen en la humedad de los pavimentos de las carreteras colombianas son, fundamentalmente, climáticos. De ellos, el más importante es la precipitación. Su efecto es tanto directo, provocando desprendimientos de la película de asfalto en la capa de rodadura y generando


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láminas de agua en la superficie que pueden afectar la seguridad de los usuarios, como indirecto al fomentar la saturación de las capas inferiores del pavimento, sea por percolación a través de la misma estructura, sea por elevaciones en el nivel freático. Los datos sobre precipitación pueden ser empleados para estimar la frecuencia con la cual las capas granulares de un pavimento se pueden encontrar cerca de los niveles de saturación. La profundidad del nivel freático y el tiempo en que el pavimento se encuentra expuesto a la precipitación, influyen sobre el nivel de saturación de los materiales granulares. En seguida de las lluvias, el ascenso capilar puede ser considerable. Hay evidencias de que la saturación del suelo por acción capilar alcanza alturas superiores a un metro en suelos arenosos, a tres metros en los limosos y hasta siete metros en los arcillosos. Temperatura Por su ubicación en la zona tórrida, la ley de la temperatura ambiental en Colombia es simple y se encuentra definida con bastante exactitud en función de la altura sobre el nivel del mar, en acuerdo con la expresión:

1000

6.3h30T

Donde: T: Temperatura media del lugar (grados Celsius).

h: Altura del lugar sobre el nivel del mar (metros). En las carreteras colombianas no se presentan temperaturas que causen problemas de congelamiento. Los gradientes térmicos pueden hacer que el vapor de agua presente en los vacíos de la subrasante y de las capas granulares migre y se condense, pero la cantidad de agua libre así producida es generalmente insignificante. En la Figura 2.10 del Manual para el control de la erosión del INVÍAS [ref. 2.11.3] se presenta un mapa con los siete (7) índices climáticos que se han establecido en Colombia en función de la precipitación (P), la temperatura (T) y la evapotranspiración potencial (ET). Como valores menores de 1.0 en la relación ET/P indican excesos de humedad, el ingeniero deberá ser más cauteloso en relación con las medidas de drenaje ante la eventualidad de


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infiltraciones de agua superficial, cuando el pavimento transcurra por una zona climática donde se presente dicha situación.

2.11.4.2. Factores intrínsecos

Los factores intrínsecos comprenden las condiciones geométricas de la calzada, así como ciertos rasgos regionales y algunas propiedades de los materiales del pavimento que pueden afectar el drenaje y el comportamiento de la estructura. Se debe tener presente que, aún si el pavimento está localizado en una zona muy húmeda, es posible que no experimente daños por humedad, si en su construcción se han empleado materiales resistentes a ella, si la ejecución de la obra ha sido de buena calidad y si se han provisto las estructuras necesarias de drenaje superficial y subterráneo. Algunos factores intrínsecos que pueden tener relación con el efecto de la humedad sobre un pavimento, son los siguientes:

- Geometría de la carretera.

- Drenabilidad.

- Permeabilidad.

- Tipos de suelo.

- Topografía.

- Nivel freático.

- Dispositivos de drenaje existentes. 2.11.5. Sistemas para el manejo del agua que afecta al pavimento Para lograr un adecuado drenaje del pavimento, es preciso que la estructura disponga, siempre que lo requiera, de tres sistemas diferentes respecto del manejo del agua que lo pueda afectar, a saber:

- Condiciones geométricas y textura superficial del pavimento.


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- Sistema de drenaje superficial.

- Sistema de drenaje interno. 2.11.5.1. Condiciones geométricas y textura superficial del pavimento El desarrollo de películas muy gruesas de agua sobre la superficie del pavimento en instantes de lluvia, generadoras de hidroplaneo, de encharcamiento y de excesivas salpicaduras, hace necesario el mejoramiento de las condiciones geométricas y de rodadura, como parte de los trabajos de mantenimiento y rehabilitación. En el numeral 2.6.3.3 (Parte 2 Capítulo 6) se analiza la influencia de la geometría de la vía y de la textura superficial sobre la altura de la lámina de agua que se puede producir en la superficie del pavimento bajo condición lluviosa. 2.11.5.2. Drenaje superficial Las obras de drenaje superficial de un pavimento son aquéllas que recogen y encauzan las aguas provenientes de la explanación y de la corona de la carretera. El estado y las características de funcionamiento de estas obras deberán ser verificados por el ingeniero. Los dispositivos más comunes para el drenaje superficial del pavimento de una carretera, son las cunetas, los canales y los bordillos, los cuales conducen las aguas hacia bajantes y alcantarillas que, a su vez, las entregan a cauces naturales o a sistemas de alcantarillado. El estado y la eficiencia de las cunetas y de los canales existentes deberán ser verificados. Se deberá comprobar que no existan deficiencias de pendiente longitudinal que favorezcan el encharcamiento, que sus dimensiones aseguren una capacidad hidráulica suficiente para disponer el agua aportada por las corrientes temporales y por las lluvias, y que la remoción de los materiales producto de la erosión sea fácil. Los bordillos constituyen barreras en los bordes de los terraplenes que impiden el escurrimiento del agua por los taludes, evitando su erosión. En relación con ellos, se deberá verificar la impermeabilidad de su junta de contacto con el pavimento para prevenir infiltraciones perjudiciales. Igualmente, se deberá determinar si, a causa de su presencia, se originan láminas de agua en la calzada que generen hidroplaneo, encharcamientos o salpicaduras. Si ello sucede, se deberá estudiar la posibilidad de sustituir el bordillo por una cuneta.


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2.11.5.3. Drenaje interno El objetivo de este sistema es evitar que las capas inferiores de la calzada y la subrasante adquieran un grado de humedad tal, que propicie su pérdida de capacidad portante y favorezca el deterioro del pavimento por la acción de las cargas del tránsito. Como se indica en el numeral 2.11.2, el agua puede ingresar al pavimento tanto a través de las fisuras y otros defectos superficiales de la calzada, bermas o cunetas, como desde el subsuelo por elevación del nivel freático, acción capilar o infiltración a causa de la existencia de gradientes hidráulicos. En el instante de la evaluación del drenaje, el ingeniero deberá considerar ambas fuentes de agua y realizar un diagnóstico sobre la eficiencia de los componentes que existan para su manejo. Los dispositivos de drenaje subterráneo tienen una vida limitada que puede ser alargada haciéndolos objeto de revisión y conservación oportunas y adecuadas. La revisión tiene una doble finalidad. En primer lugar, determinar las zonas de la carretera donde los pavimentos se deterioran por culpa de una insuficiencia o mal funcionamiento del drenaje. En segundo lugar, saber si los subdrenes funcionan o no. Lo primero no se pone de manifiesto revisando el drenaje sino el pavimento. Los deterioros prematuros en la banda de rodamiento más próxima a la berma, ordinariamente se deben a insuficiencias del drenaje. El crecimiento mayor de hierba en la berma que el que pueda haber en zonas próximas bien drenadas, es también una manifestación de la insuficiencia del subdrenaje. Si los subdrenes funcionan o no, se observa en períodos subsiguientes a lluvias que hayan determinado la entrada de agua en el subsuelo, revisando con detalle las descargas en las cajas de inspección. Donde el comportamiento de los pavimentos ponga de manifiesto insuficiencias en el sistema de drenaje, es necesario actuar sobre éste, complementariamente a la reparación de la calzada. Si el drenaje no funciona, actuando para que lo haga; si funciona, mejorando su capacidad drenante. En las zonas donde la revisión del funcionamiento ponga de manifiesto que el sistema no funciona, se pueden hacer dos cosas: (i) vigilar periódicamente el comportamiento del pavimento para averiguar si la falta de funcionamiento del drenaje determina o no el deterioro del pavimento o (ii) preferiblemente, averiguar por qué no funciona y corregirlo [ref. 2.11.4].


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Los subdrenes longitudinales constituyen el método más utilizado para el control de la entrada de agua al pavimento, proveniente de corrientes de filtración o del nivel freático existente bajo la calzada. La esencia de su funcionamiento es la provisión de una zona de mayor permeabilidad que la del suelo que lo rodea, lo que permite la captación del agua interior y su evacuación hacia un lugar adecuado de disposición final. Sin embargo, en carreteras en pendiente, los drenes longitudinales pueden ser insuficientes para interceptar el agua de filtración y, en tal caso, se debe considerar la instalación de drenes interceptores transversales, aproximadamente normales al eje de la vía (Figura 2.11.4), o sistemas en forma de espina de pez. Esta práctica ha sido poco utilizada en Colombia y no son pocos los tramos de la red vial nacional donde se observan afloramientos de agua y deterioros en los pavimentos, debido a esta carencia.

Figura 2.11.4. – Esquema típico de localización de subdrén interceptor transversal

Gran parte de los deterioros asociados con la humedad en los pavimentos asfálticos de las carreteras colombianas, se origina en deficiencias del drenaje subterráneo. A pesar de la importancia del problema y de sus implicaciones económicas, no ha existido ni una política de inspección rutinaria de los filtros longitudinales ni unos procedimientos adecuados para ello y, por lo tanto, las áreas problemáticas sólo suelen ser identificadas cuando el daño se ha producido y los deterioros se hacen visibles en la superficie.


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La necesidad de la evaluación de estos dispositivos durante los estudios previos al diseño de las obras de rehabilitación del pavimento, no admite discusión. El ingeniero deberá prestar especial atención a las zonas donde se adviertan degradaciones superficiales relacionadas con la humedad interna, en particular cuando ellas se encuentran asociadas con elevados valores de deflexión. Deberá verificar la existencia de los subdrenes y, en caso de que ellos existan, determinará la profundidad a la cual se encuentran instalados y sus condiciones de funcionamiento. En aquellos que tengan tubería, el uso de cámaras de video con extensiones adaptadas para este tipo de inspección es altamente recomendable (Figura 2.11.5).

Figura 2.11.5. – Cámara para inspeccionar tuberías de subdrenaje [ref. 2.11.5]

La solución de los problemas de subdrenaje constituye un factor primordial en la extensión de la vida de los pavimentos. Por lo tanto, no se deberán escatimar esfuerzos en la identificación de las necesidades, ni en la implementación de las obras resultantes de las inspecciones y de los estudios correspondientes. Por elevado que parezca el costo de estos trabajos, la rentabilidad de la inversión está fuera de toda discusión. A todo lo anotado en relación con este asunto, se debe agregar el hecho de que la sección transversal interna del pavimento no debe conspirar contra el drenaje del mismo. El drenaje de la base, cuando ésta es permeable, debe estar adecuadamente dispuesto. La existencia de materiales impermeables en las bermas da lugar a acumulaciones de agua que debilitan el pavimento y la subrasante. Por lo tanto, las características de los materiales de las bermas deben ser establecidas durante los trabajos de inspección y evaluación en el campo, con el fin de evitar que ciertas situaciones conflictivas queden ocultas en el momento de juzgar la capacidad global del pavimento y diseñar las obras


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de mantenimiento y rehabilitación para prolongar su vida de servicio. La Figura 2.11.6 presenta una sección típica de un pavimento asfáltico con una disposición adecuada de su drenaje interno.

Figura 2.11.6. – Composición típica del drenaje interno de un pavimento

2.11.6. Inspección del sistema de drenaje existente La habilidad para detectar dónde existen o se pueden presentar problemas por humedad excesiva y cuáles son los materiales del pavimento susceptibles de mayor afectación por el agua, ayudará al ingeniero en la evaluación global del drenaje del pavimento, en el establecimiento del juicio de su capacidad estructural y en el posterior proceso de selección de la alternativa de rehabilitación más adecuada. Para los fines de la presente guía metodológica, el procedimiento de inspección y análisis por aplicar es el recomendado por el SETRA [ref. 2.11.2], de acuerdo con el cual se deben considerar seis (6) parámetros para valorar el peligro de que los deterioros causados en el pavimento a causa del agua evolucionen con rapidez. Cada uno de ellos se debe calificar con uno de tres (3) posibles niveles de riesgo (0, 1 y 2), de acuerdo con la propensión al daño por efecto del agua en cada sección de 100 metros que se evalué, según la descripción que se presenta de manera resumida en seguida. En el Anexo D se explica, en detalle, el procedimiento para determinar en el terreno los niveles de riesgo asociados con cada uno de esos parámetros y en el Capitulo 4 de la Parte 3 se describe la manera de obtener la calificación definitiva de la información sobre el drenaje, así como las consideraciones prácticas que se derivan de ella.


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Parámetro 1 - Impermeabilidad del revestimiento (R):

R = 0, pavimentos con rodadura en mezcla asfáltica densa en buenas condiciones. R = 1, pavimentos con rodadura en mezcla asfáltica algo porosa o segregada, o constituida por un tratamiento superficial o lechada asfáltica en buenas condiciones.

R = 2, pavimento con superficie porosa (k > 10 -5 cm/s) o con fisuras sin sellar.

Figura 2.11.7. – Pavimento de concreto asfáltico en buenas condiciones (R=0)

Parámetro 2 - Drenaje superficial (A):

A = 0, drenaje superficial eficiente y bien mantenido (zanjas, cunetas y canales laterales en buenas condiciones, bermas impermeabilizadas en buen estado); contexto topográfico propicio (por ejemplo, rasante a más de un metro (1.0 m) por encima del terreno natural en trayectos en terraplén); los perfiles longitudinal y transversal facilitan la adecuada evacuación del agua proveniente de la calzada.

A = 1, drenaje superficial falto de efectividad; vegetación en las cunetas; bermas permeables con vegetación; retenciones de agua en el borde del pavimento; carretera a media ladera o con sucesión de cortes y rellenos

A = 2, drenaje superficial totalmente inefectivo; cunetas en mala condición o inexistentes; bermas deterioradas que retienen el agua de


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escorrentía; carretera al nivel del terreno en zonas planas; el flujo del agua en las cunetas y otras estructuras de drenaje superficial es mediocre

Figura 2.11.8. – Drenaje superficial eficiente (A=0)

Parámetro 3 - Ambiente hidrogeológico del pavimento (H)

H = 0, el nivel freático se encuentra a más de 5 metros de profundidad; el pavimento no intercepta corrientes de agua de resurgencia temporal o permanente.

H = 1, suministro potencial de agua subterránea proveniente de captaciones laterales H = 2, zonas de perfil transversal mixto con corrientes provenientes de aguas arriba; zonas de transición corte-relleno; infiltraciones potentes, provenientes de captaciones laterales; variaciones en el nivel freático que afectan la subrasante.

Figura 2.11.9. – Afloramiento excesivo de agua (H=2)


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Parámetro 4 – Drenaje subsuperficial (D):

D = 0, existen subdrenes longitudinales en buenas condiciones en los lugares en los cuales son necesarios y ellos evacúan adecuadamente el agua interna proveniente de las zonas laterales y del pavimento.

D = 1, existe el sistema de subdrenaje y está adecuadamente instalado, pero no es suficientemente efectivo por falta de mantenimiento.

D = 2, aunque se requiere, no hay sistema de subdrenaje, o, si existe, se encuentra mal ubicado o no funciona.

Parámetro 5 - Sensibilidad de la subrasante al agua (S):

S = 0, suelo insensible al agua o subrasante tratada.

S = 1, suelo que puede ser sensible al agua, pero que no presenta evidencias de ello.

S = 2, suelos evidentemente sensibles a la humedad.

Parámetro 6 - Sensibilidad al agua de las capas inferiores del pavimento (M):

M = 0, capas de base de concreto asfáltico o estabilizadas con productos bituminosos.

M = 1, capas de base estabilizadas con productos hidráulicos.

M = 2, bases granulares.

2.11.7. Niveles de jerarquía Debido a las características del procedimiento recomendado en este capítulo para la inspección y el análisis de los parámetros que valoran los peligros que implican los deterioros causados por el agua a lo largo de la vía , no se establecen niveles jerarquía en relación con los datos requeridos para realizar la calificación del drenaje. Los procedimientos de calificación y decisión relacionados con la información recabada en cuanto a las condiciones de drenaje que afectan o pueden afectar


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el comportamiento del pavimento se describen en el Capítulo 4 de la Parte 3 de esta guía. REFERENCIAS 2.11.1 - ROAD RESEARCH LABORATORY, “Mecánica del suelo para ingenieros de carreteras y aeropuertos”, Madrid, 1963 2.11.2 - SERVICE D’ETUDES TECHNIQUES DES ROUTES ET AUTOROUTES, SETRA, “Road drainage. Technical guide”, March 2006. Translate August 2007 2.11.3 - CORPOCALDAS & INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Manual para el control de la erosión”, Manizales, 1998 2.11.4 - MINISTERIO DE FOMENTO, “Sistema de gestión de las actividades de conservación ordinaria y ayuda a la vialidad”, Madrid, España, 1996 2.11.5 - NORTH DAKOTA DEPARTMENT OF TRANSPORTATION, “Scoping edge drains with an optical camera. Final Report”, Experimental Study ND 94-07, Bismarck, ND, December 2001


204

PARTE 3

Evaluación de la condición global del

pavimento


206

Parte 3 – Evaluación de la condición global del pavimento

207

PARTE 3 EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN GLOBAL DEL PAVIMENTO

3.1. GENERALIDADES

Los diferentes datos recolectados durante el estudio son fundamentales para la evaluación y el posterior diseño de la rehabilitación, por los siguientes factores: 1. Proveen información cualitativa para determinar las causas de los deterioros,

para el desarrollo de estrategias apropiadas para la reparación de los defectos y para la prevención de su recurrencia.

2. Proveen información cuantitativa para dimensionar las obras de rehabilitación

del pavimento, estimar las cantidades de obra, evaluar la progresión de los deterioros y las consecuencias de postergar la rehabilitación, así como para efectuar la evaluación económica de las diferentes estrategias de rehabilitación.

El propósito específico de la evaluación de la condición global del pavimento es valorar, de la manera más objetiva posible, su condición actual, identificando claramente los tipos determinantes de deterioros y sus causas, así como todas las demás deficiencias que puedan ser enfrentadas mediante la rehabilitación. Además, sirve para conformar tramos uniformes para el diseño y la construcción de las obras de rehabilitación en toda la longitud del proyecto. Como lo ilustra la Tabla 3.1, la información obtenida a través de las diferentes inspecciones y auscultaciones descritas en la Parte 2 de esta Guía, permite valorar las suficiencias estructural, funcional y de drenaje del pavimento objeto del estudio. La valoración adecuada de estas suficiencias conduce al establecimiento de la condición global del pavimento objeto del estudio.


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Tabla 3.1. Áreas de valoración de la condición global del pavimento y sus correspondientes fuentes

de información

ÁREA DE VALORACIÓN

FUENTE DE INFORMACIÓN INSPECCIÓN

DE DETERIOROS

MEDIDAS DE REGULARIDAD SUPERFICIAL

MEDIDAS DE

FRICCIÓN

MEDIDAS DE

RUIDO

ENSAYOS NO

DESTRUCTIVOS

ENSAYOS DESTRUCTIVOS

INSPECCIÓN DEL

DRENAJE

Suficiencia estructural

X X X X

Suficiencia funcional

X X X X X

Suficiencia del drenaje

X X X X

La suficiencia estructural se refiere a la capacidad del pavimento para soportar las cargas del tránsito antes de que requiera un mejoramiento estructural o labores intensas de reparación y mantenimiento. La suficiencia funcional es una medida de la manera como el pavimento desempeña su función de brindar al usuario una superficie de rodamiento lisa, segura y silenciosa. Por último, la suficiencia del drenaje, en los términos en que la considera la presente guía metodológica, es una calificación del peligro de que una combinación de factores haga que los deterioros causados por el agua puedan evolucionar con rapidez. Los detalles del proceso de evaluación se describen en los cinco (5) capítulos que componen esta parte de la guía.


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CAPÍTULO 1 GUÍAS PARA LA EVALUACIÓN DE LOS DETERIOROS DEL PAVIMENTO

El éxito de la rehabilitación del pavimento se basa, primero que todo, en el conocimiento de los diferentes tipos de deterioros existentes y en la cabal comprensión de las causas de ellos. Los deterioros típicos que ocurren en los pavimentos asfálticos de las carreteras nacionales se han señalado en la Tabla 2.4.1. Una descripción más detallada de sus causas se presenta en las Tablas 3.1.1 y 3.1.2, la primera para pavimentos cuya rodadura sea del tipo concreto asfáltico y la segunda cuando la rodadura sea un tratamiento superficial o una lechada bituminosa [ref. 3.1.1]. En las Tablas 3.1.3 y 3.1.4 se indican, en el mismo orden, las necesidades de información para identificar debidamente las causas probables de los deterioros [ref. 3.1.1]. El inventario de los deterioros, adelantado como se describe en el Capítulo 4 de la Parte 2 y en el Anexo B de esta guía metodológica, permite la determinación de un “Índice de deterioro superficial” para cada sección del pavimento sometido a evaluación, tal como se describe a continuación. 3.1.1. Determinación del Índice de Deterioro Superficial Para efectos de su corrección, los deterioros de los tipos A y B se enfrentan de diferente manera. En el caso de los del tipo B, la solución de mantenimiento se derivará del simple reconocimiento de su existencia, no siendo necesario apelar a otros parámetros para realizar el diagnóstico. Así, por ejemplo, los deterioros del tipo de ojo de pescado deben ser sometidos a bacheo, las áreas exudadas deben ser sometidas a un tratamiento que brinde propiedades antideslizantes a la superficie, etc. En cambio, la solución de los problemas que se manifiestan por medio de las degradaciones del tipo A depende de múltiples factores y, por lo tanto, el diagnóstico exigirá la consideración de aspectos tales como la capacidad de respuesta de la subrasante, la calidad de los materiales existentes, el tránsito futuro, etc. Los deterioros de este tipo suelen generar trabajos importantes de rehabilitación del pavimento, los cuales traen implícito el paliativo para los defectos del tipo B. Así, por ejemplo, el sello de fisuras para impedir la entrada del agua no es necesario si el tramo se somete a una operación de reciclado para remediar defectos de mayor relevancia. De manera general, los deterioros del tipo


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B sólo intervienen en la solución en ausencia de los del tipo A. Por tal motivo, el índice global que califica el estado del pavimento sólo tiene en cuenta los deterioros del tipo A. El primer paso en la determinación de este índice global (índice de deterioro superficial, “Is”) consiste en el cálculo del “índice de fisuración” (If), el cual depende de la gravedad y de la extensión de los fisuramientos de tipo estructural en cada zona evaluada. Debido a que en la Tabla 2.4.2 (Parte 2, Capítulo 4) se consideran de manera independiente dos tipos de fisuramientos de origen estructural, se deberá tomar como representativo de la zona, el mayor de los dos índices calculados. En seguida, se calcula el “índice de deformación” (Id), el cual depende, también, de la gravedad y de la extensión de las deformaciones de origen estructural. La combinación de “If” e “Id” da lugar a un primer índice de calificación de deterioro de la calzada, el cual debe ser corregido en función de la extensión y de la calidad de los trabajos de parcheo y bacheo. En este punto, es importante considerar que si bien algunos métodos de calificación de la condición del pavimento no incluyen las áreas parchadas y bachadas, VIZIR considera que ellas deben formar parte integrante de la evaluación, bajo el argumento de que mientras una reparación localizada reciente enmascara un problema, las reparaciones frecuentes lo confirman [ref. 3.1.2]. Efectuada esta corrección, cuando corresponda, se obtiene el “índice de deterioro superficial” (Is), el cual califica la calzada en la longitud escogida para el cálculo. El valor del Is varía entre 1 y 7 y su cálculo se realiza de la manera que se muestra en la Figura 3.1.1. Se debe tener presente, en todos los casos, que la valoración de los deterioros del tipo A no constituye un criterio suficiente para definir las acciones que requiere la calzada para su rehabilitación. El ingeniero deberá allegar toda la información adicional requerida, conforme se describe en la presente guía metodológica, para desarrollar una estrategia sana de rehabilitación.


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Figura 3.1.1. - Determinación del índice de deterioro superficial


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3.1.2. Juicio sobre la capacidad del pavimento a partir de la evaluación de los deterioros del tipo A

A partir del índice de deterioro superficial (Is), VIZIR define tres situaciones generales en relación con la probable capacidad del pavimento asfáltico en el instante del inventario [ref. 3.1.2]: 1. Valores del “Is” de 1 y 2 representan pavimentos con limitados

fisuramientos y deformaciones, que presentan un buen aspecto general y que, probablemente, no requieran en el momento más que acciones de mantenimiento rutinario.

2. Valores 3 y 4 representan pavimentos con fisuramientos de origen

estructural y pocas o ninguna deformación, así como pavimentos sin fisuramientos pero con deformaciones de alguna importancia. Su estado superficial se considera regular y lo suficientemente degradado como para poner en marcha tratamientos de rehabilitación de mediana intensidad.

3. Por último, los valores 5, 6 y 7 son indicativos de pavimentos con

abundantes fisuramientos y deformaciones de origen estructural, cuyo deficiente estado superficial posiblemente exija la ejecución de trabajos importantes de rehabilitación.

Estos tres casos corresponden a situaciones de frontera que se presentan en la práctica, pero que no son los únicos que ocurren, dada la enorme variabil idad que se puede presentar en los pavimentos en servicio, en especial si durante el transcurso de su vida han sido sometidos a procesos arbitrarios de mantenimiento y rehabilitación. Por consiguiente, si bien los diagnósticos que se presentan más adelante en esta guía se refieren específicamente a estos tres casos, queda al criterio del ingeniero el análisis de los restantes que se le puedan presentar, los cuales podrán estar vinculados, muy seguramente, con alguno de los que aquí se analizan.

3.1.3. Los deterioros del tipo B y el juicio sobre la capacidad del pavimento La definición de las unidades uniformes de análisis a partir de la condición estructural busca, fundamentalmente, remediar las causas de los deterioros del tipo A existentes en el pavimento. Es evidente que, en la mayoría de los casos, la solución a ellos trae implícita la corrección de los deterioros del tipo


213

B. Así, por ejemplo, operaciones de reciclado o de reconstrucción obvian el tratamiento requerido para corregir algunos deterioros que puedan existir en esos tramos, como la exudación, la pérdida de película de ligante y los ahuellamientos u ondulaciones debidos a falta de estabilidad de las mezclas. Sin embargo, los deterioros del tipo B no pueden ser siempre ignorados en el instante de las definiciones. Operaciones como el sellado de fisuras o el bacheo de zonas con depresiones u ojos de pescado, son necesarias antes de la ejecución de trabajos de restauración o refuerzo. Aún si la condición estructural del pavimento fuese excelente, la presencia de defectos cuya causa está radicada en la capa asfáltica superficial puede exigir no solamente trabajos aislados sino, inclusive, labores generalizadas de restauración. En los pavimentos asfálticos de las carreteras nacionales es muy frecuente la presencia del deterioro denominado pérdida de película de ligante, debido a que la acción prolongada del agua lluvia afecta adversamente la unión entre el asfalto y la superficie de agregados pétreos con deficiente adherencia inherente, determinando el descubrimiento de los mismos. En muchos casos, este deterioro no está ligado a ningún síntoma de debilidad estructural. No obstante, un pavimento en estas condiciones requiere la ejecución de obras generales de restauración, antes de que el deterioro evolucione y los síntomas estructurales se comiencen a manifestar. Superficies resbaladizas por excesos de asfalto, la existencia de agregados altamente pulimentables en la capa superior del pavimento y los ahuellamientos y ondulaciones derivados de insuficiencias de estabilidad de las mezclas, exigen también la definición y la ejecución de trabajos de restauración en áreas extensas, así la capacidad estructural global del pavimento sea satisfactoria.


214

Baja estabilidad

Gradación deficiente

Bajo contenido de asfalto

Alto contenido de asfalto

Vacíos con aire bajos

Vacíos con aire altos

Contenido de finos inadecuado

Mezcla tierna

Mezcla segregada

Deficiente preparación de la sup.

Exceso o defecto de liga

Inadecuado sellado de grietas

Compactación inadecuada

Exceso de humedad en la mezcla

Bajo espesor de capas asfálticas

Bajo espesor de base/sub base

Deficiente compactación de subrasante

Deficiente compactación base/subbase

Deficiente gradación base/sub base

Alta viscosidad del asfalto

Baja viscosidad del asfalto

Asfalto muy susceptible a la temperatura

Asfalto de rápido envejecimiento

Mezcla sensitiva a la humedad

Agregados de baja durabilidad

Agregado pulimentables

Agregados sucios

Alta exposición a la humedad

Baja temperatura ambiente

Alta temperatura ambiente

Ciclos diarios de temperatura fuertes

Alto volumen de tránsito

Alto número de ejes equivalentes

Estructura insuficiente

Deficiente selección de materiales

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215

Bajo contenido de ligante

Alto contenido de ligante

Gradación deficiente

Incompatibilidad emulsión/agregado

Deficiente aplicación de los materiales

Juntas deficientes

Rotura prematura del ligante

Agregados sucios o muy húmedos

Apertura prematura al tránsito

Ligante muy frío

Incorrecta calibración o altura de la flauta

Boquillas mal alineadas

Alta viscosidad del ligante

Baja viscosidad del ligante

Ligante muy susceptible a la temperatura

Ligante susceptible a la humedad

Rápido envejecimiento del ligante

Deficiente sanidad del agregado

Forma inadecuada del agregado

Agregados de baja adherencia

Alta exposición a la humedad

Baja temperatura ambiente

Alta temperatura ambiente

Gradientes térmicos diarios elevados

Alto volumen de tránsito

Alto número de ejes equivalentes

Exudada/Blanda

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216

Informes del diseño original

Planos y especificaciones

Registros de control de calidad

Planos record

Resultados de laboratorio

Resultados de evaluaciones previas

Historia sobre mantenimiento y reparaciones

Datos de tránsito

Registros climáticos

Registros del sistema de administración

Inspección desde vehículo

Inspección detallada

Ensayos no destructivos

Evaluación de capacidad estructural (retro cálculo)

Toma de núcleos de la capa asfáltica

Apiques hasta subrasante

Penetrómetro dinámico de cono

Clasificación de suelos

Granulometría

Contenido de agua

Densidad

Densidad

Contenido de asfalto

Vacíos con aire

Viscosidad de ligante

Susceptibilidad térmica del asfalto

Granulometría

Desgaste del agregado grueso

Durabilidad del agregado

Sanidad del agregado

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217

Informes del diseño original

Planos y especificaciones

Registros de control de calidad

Resultados de ensayos

Resultados de evaluaciones previas

Historia de mantenimiento y reparaciones

Datos de tránsito

Estudios ambientales y climáticos

Registros del sistema de administración

Inspección desde vehículo

Inspección detallada

Contenido de ligante

Viscosidad del ligante

Susceptibilidad térmica del ligante

Gradación del agregado

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218

3.1.4. Aplicaciones del inventario de los deterioros del pavimento El inventario de los deterioros de un pavimento permite, ante todo, delimitar zonas de diferente comportamiento a lo largo del proyecto y es la base para una programación idónea de los trabajos posteriores de evaluación destructiva y no destructiva de la calzada. Los diversos tipos de deterioros suelen estar relacionados con determinados mecanismos. Aquéllos que básicamente están asociados con la acción de las cargas del tránsito exigen trabajos de rehabilitación con fortalecimiento estructural, en tanto que los asociados con los materiales y con el clima se deben enfrentar, ante todo, buscando remediar las causas de las deficiencias o minimizando su impacto sobre el comportamiento del pavimento. Es evidente, no obstante, que algunos problemas muy severos motivados por los materiales o por aspectos ambientales, pueden exigir la reconstrucción del pavimento. Por otra parte, la inspección periódica de la superficie del pavimento durante la etapa de operación, brinda a la entidad datos sobre la progresión de los deterioros, aplicables a sus modelos de administración del mantenimiento. REFERENCIAS 3.1.1 - COOK M.C., SEEDS S.B., ZHOU H. & HICKS R.C., “Guide for investigation and remediation of distress in flexible pavements. A Description of CALTRANS new procedure”, TRB 2004 Annual Meeting 3.1.2 - LCPC, “VIZIR, méthode assistée par ordenateur pour l’estimation des besoins de entretien d’un réseau routier”, Paris, Décembre 1991


219

CAPÍTULO 2 GUÍAS PARA LA EVALUACIÓN ESTRUCTURAL DEL PAVIMENTO

La evaluación estructural consiste en el examen de toda la información recolectada en relación con las deflexiones, los espesores y las pruebas destructivas, con el fin de alcanzar un juicio sobre la condición estructural actual del pavimento; es decir, establecer qué tanto daño ha sufrido y valorar su capacidad estructural remanente. Los resultados de esta evaluación, junto con las correspondientes a los deterioros y al drenaje, permitirán dividir al pavimento en tramos estructuralmente uniformes, seleccionar una o más alternativas apropiadas para el mejoramiento estructural y conducir al desarrollo de diseños preliminares para estas alternativas. En los términos de la presente guía metodológica y siempre que el ingeniero considere que el pavimento presenta un comportamiento esencialmente elástico, la evaluación estructural consistirá en el análisis combinado de las medidas de deflexión con los espesores de las diferentes capas del pavimento, para definir los módulos de la subrasante y de las diferentes capas del pavimento, así como para establecer el “número estructural efectivo”, información que habrá de emplear con posterioridad en modelos empírico - mecanísticos para elaborar predicciones en cuanto a fatiga, ahuellamiento y rugosidad. Si el ingeniero considera que, por su estado, el comportamiento del pavimento se aparta de los patrones de la elasticidad, las medidas de deflexión no son necesarias y, en caso de disponer de ellas, no se deben emplear para modelarlo pues, de seguro, han de conducir a resultados faltos de realismo. En este evento, el ingeniero debe dirigir la mira hacia el establecimiento de las causas que determinan las insuficiencias de la estructura y de la fundación, fundamentalmente a través de los resultados de la evaluación destructiva del pavimento. 3.2.1. Definición de sectores de respuesta elástica homogénea La representación gráfica de los valores ajustados de deflexión permite apreciar la variabilidad de la respuesta de la estructura a lo largo del proyecto. Las deflexiones deben ser referenciadas al abscisado real de la carretera, de manera que se puedan evaluar en correspondencia con los deterioros del pavimento, con la condición de los drenajes, con las medidas de espesor y con los resultados de la exploración destructiva.


220

El perfil de los valores máximos individuales de deflexión (los obtenidos bajo el centro de aplicación de la carga en cada punto de ensayo) a lo largo del proyecto debe ser examinado por el ingeniero, para determinar si se presentan cambios importantes en la respuesta estructural del pavimento, como lo muestra la Figura 3.2.1. En caso de presentarse, se delimitarán sectores de respuesta elástica homogénea. Aunque la sectorización se puede realizar visualmente, se recomienda utilizar el método de las diferencias acumuladas descrito en el Apéndice J de la guía de diseño de pavimentos de la AASHTO, versión 1993 [ref. 3.2.1], el cual se presenta en el Anexo E de esta guía.

Figura 3.2.1. - Perfil de medidas de deflexión -adaptado de referencia [2.8.7]

Definidos los sectores homogéneos se calculará, si el ingeniero lo desea, una deflexión representativa para cada uno (deflexión característica), suponiendo que los valores se distribuyen en cada sector de acuerdo con una ley de distribución normal. El valor representativo dependerá del grado de confiabilidad elegido por el ingeniero, el cual debe ser consecuente con el grado de confiabilidad adoptado para el diseño de las obras de rehabilitación. Cada sector homogéneo deberá ser tratado de manera independiente para los propósitos del diseño de las obras de rehabilitación del pavimento. El perfil de los valores máximos individuales de deflexión se debe contrastar con los resultados de las evaluaciones de deterioros, drenaje, estructura y subrasante, para determinar las causas de las deflexiones anormalmente altas o bajas y establecer la condición estructural real del pavimento.


221

3.2.2. Determinación de los Módulos Dinámicos de las diferentes capas del pavimento, a partir de los valores de deflexión

La Figura 3.2.2 presenta un esquema de la zona del pavimento que queda sometida a esfuerzos bajo la carga de un equipo de medida de deflexión de tipo dinámico (por vibración o por impacto). Cuando la carga es aplicada, dicha zona se extiende a través de una porción de la estructura, como lo muestra la parte cónica de la figura. La pendiente de los lados de esta zona, que varía entre una capa y otra, está relacionada con el módulo de la capa (a medida que el material es más rígido, el esfuerzo se distribuye sobre un área mayor).

Figura 3.2.2. - Esquema de la zona de esfuerzos en el pavimento bajo la carga de un equipo dinámico

Para determinar los valores de los módulos dinámicos a partir de las deflexiones, se considera que el pavimento es un sistema elástico de capas múltiples, del cual se requieren conocer los espesores de las capas y las relaciones de Poisson de los materiales que las constituyen. Los primeros se establecen a través de las perforaciones y de la auscultación con georradar, mientras las segundas pueden ser calculadas o asumidas en función de los materiales constitutivos de las capas. La Tabla 3.2.1 muestra algunos valores típicos de ellas [ref. 3.2.2].


222

Tabla 3.2.1. Valores típicos de la relación de Poisson (μ)

MATERIAL TEMPERATURA

(ºC) RANGO GENERAL

VALOR TÍPICO

Materiales ligados con asfalto Concreto asfáltico Mezclas drenantes Mezclas en frío y estabilizaciones

0-5 5-20

20-35

< 5 5-35

< 5

5-35

0.15-0.20 0.20-0.30 0.30-0.40

0.30-0.40 0.35-0.40

0.20-0.35 0.30-0.45

0.20 0.25 0.35

0.35 0.40

0.30 0.35

Bases estabilizadas Grava cemento Suelo cemento Arena-cal-ceniza Suelo cal

0.10-0.20 0.15-0.25 0.10-0.25 0.15-0.30

Materiales granulares y subrasantes Arcilla saturada Arcilla arenosa Limo Arena densa Arena de grano grueso Arena de grano fino Roca madre

0.40-0.50 0.20-0.30 0.30-0.35 0.20-0.40

0.10-0.40

0.45 0.25 0.33 0.30 0.15 0.25 0.25

Los módulos dinámicos de las capas de un pavimento asfáltico se pueden estimar a partir de las deflexiones mediante tres procedimientos básicos: (i) retrocálculo, (ii) cálculo directo y (iii) ecuaciones de regresión. Los valores obtenidos con cada uno de ellos suelen ser diferentes, por lo que el buen juicio ingenieril será determinante en la elección del más apropiado para cada caso particular. Para los fines de la presente guía, el retrocálculo y el cálculo directo se consideran ajustados a los niveles de información 1 y 2, en tanto que las ecuaciones de regresión corresponden al nivel 3 (ver numeral 1.4).


223

3.2.2.1. Proceso de retrocálculo Los resultados de deflexión de los equipos de medida dinámica (carga vibratoria sinusoidal o impacto) se pueden emplear para determinar los módulos de las capas del pavimento. El procedimiento más utilizado para predecirlos es el retrocálculo, a partir de la carga dinámica aplicada (P), el radio de la placa de carga (r), los espesores de las capas (hi) y las relaciones de Poisson (μi) de los materiales que las constituyen. La premisa fundamental de este procedimiento es que, para el pavimento bajo análisis, sólo existe una combinación de los módulos de las diversas capas que da lugar a un cuenco de deflexiones teórico que coincide con el medido en el lugar con el deflectómetro. El retrocálculo es una evaluación mecanística, a través de la cual se busca la coincidencia, con algún margen de tolerancia, entre el cuenco de deflexión calculado mediante la aplicación de la teoría elástica y el cuenco producido en el pavimento por el equipo de medida de deflexiones (Figura 3.2.3). El proceso, que involucra los módulos de las diversas capas del pavimento y la subrasante, es normalmente iterativo y se resuelve con ayuda de software utilizable en microcomputadores.

Figura 3.2.3. - Cuencos de deflexión teórico y real

El retrocálculo se ejecuta con la secuencia que muestra el diagrama de flujo de la Figura 3.2.4 y comprende los siguientes pasos:


224

- Medida de las deflexiones a distintas distancias del punto de aplicación de la carga.

- Registro de la carga aplicada y de los espesores del pavimento en el sitio del

ensayo. - Introducción de módulos elásticos iniciales de las diversas capas de pavimento

(módulos semilla), los cuales se escogen, bien a partir de la experiencia del diseñador, bien empleando algunas ecuaciones que permiten su estimación a partir de las deflexiones

- Mediante algún programa de computador apropiado, se determina el cuenco

de deflexión del modelo del pavimento.

Figura 3.2.4. – Diagrama de flujo de un proceso de retrocálculo

El programa de retrocálculo compara el cuenco calculado con el medido en el sitio de ensayo y establece si existe o no una adecuada convergencia. La medida más utilizada para ello es la raíz del error medio cuadrático (RMS) [ref. 3.2.3]. Normalmente, se considera que la convergencia es adecuada si el RMS no es mayor de 1 o 2 %. Los programas de retrocálculo de mayor utilización, se basan en una aplicación iterativa inversa de la teoría de elasticidad en sistemas de capas. Ejemplos de ellos son BISDEF, ELSDEF, CHEVDEF y EVERCALC, los cuales se basan en los programas


225

BISAR, ELSYM5, CHEVRON y WESLEA, respectivamente. El programa EVERCALC forma parte de la presente guía metodológica, con autorización de su autor, el Washington DOT. El paquete EVERSERIES, del cual forma parte el programa EVERCALC, puede ser obtenido de manera gratuita en la página web www.wsdot.wa.gov/biz/mats/Apps/EPG.htm La expresión para determinar la RMS es la siguiente:

(100)*d

dd*

n

1(%)RMS

2

mi

micin

1 id

Donde: RMS: Raíz del error medio cuadrático.

dci: Deflexión superficial del pavimento, calculada en el punto del sensor i.

dmi: Deflexión superficial del pavimento, medida con el sensor i.

nd: Número de sensores de deflexión usados en el proceso de

retrocálculo La Tabla 3.2.2 presenta un ejemplo de la solución iterativa por retrocálculo para el sistema de cuatro (4) capas mostrado en la Figura 3.2.5, a partir de las medidas de deflexión con el FWD en un punto del pavimento.

Figura 3.2.5. – Esquema del pavimento para el ejemplo de retrocálculo

http://www.wsdot.wa.gov/biz/mats/Apps/EPG.htm


226

Tabla 3.2.2. Ejemplo del proceso de retrocálculo

Iteración Módulos de tanteo (MPa) Deflexiones calculadas (0.001 mm) RM

S (%)

E1 E2 E3 E4 δ1 δ2 δ3 δ4 δ5 δ6 δ7

1 1724 276 138 690 276 201 166 132 108 75 40 20.5 2 1724 276 207 345 238 137 136 105 83 55 31 36.4 3 1724 207 103 276 335 257 218 177 147 104 58 5.9 4 1793 224 107 297 320 245 208 169 141 100 56 1.3 5 1862 224 107 297 316 243 207 169 141 100 56 0.9 Deflexiones medidas (0.001 mm) 309 243 208 171 140 99 54

Para la primera iteración, el cálculo del RMS sería:

%20.5100*54

5440..........

309

309276

7

1RMS

22

Siempre que el RMS resulte mayor que el límite fijado como aceptable, el programa de cómputo busca nuevos valores modulares y repite el cálculo del cuenco de deflexión teórico, hasta lograr la convergencia con el real, dentro del rango de tolerancia aceptable. Algunos programas contienen unos rangos seleccionados de módulos, para prevenir convergencias con valores modulares faltos de realismo. Obtenida la convergencia, se supone que los módulos teóricos con los cuales se logró, son representativos de los materiales reales en el sitio del ensayo. Los módulos determinados a través del retrocálculo deben ser comparados con los obtenidos en experiencias previas con materiales similares (ver Tabla 3.2.3), para verificar que los resultados son razonables. Se recomienda la ejecución de algunos ensayos complementarios, a partir de la exploración destructiva del pavimento, para comprobar los valores modulares derivados de las pruebas realizadas con el equipo de medida de deflexiones. Una variación de los programas tradicionales de retrocálculo, son los programas de cómputo en los cuales las deflexiones medidas se comparan directamente con juegos de cuencos de deflexiones almacenados en la base de datos, los cuales han sido generados de manera teórica. En este caso, se supone que la estructura real es aquella estructura teórica cuyo cuenco de deflexión coincide con el obtenido en el terreno con el equipo de ensayo no destructivo. Un ejemplo de estos programas es


227

el MODULUS, que utiliza el programa WESLEA para generar su base de datos de cuencos de deflexión.

Tabla 3.2.3. Valores típicos de los módulos de capas de pavimentos asfálticos

MATERIAL RANGO GENERAL

(MPa) VALOR TÍPICO

(MPa)

Concreto asfáltico(*) 1,000-4,000 2,500

Base estabilizada con asfalto(*) 700-3,500 1,700

Grava cemento 2,000-7,000 4,000

Suelo cemento 350-700 500

Suelo cal 200-400 300

Base granular 140-280 210

Subbase granular 70-140 100

Subrasante granular 50-140 80

Subrasante fina 20-50 35 (*)Los módulos de las capas asfálticas son altamente dependientes de la temperatura y de la frecuencia de aplicación de la carga. Los valores indicados corresponden a temperaturas entre 20 °C y 30 °C y a las velocidades corrientes de circulación de los vehículos pesados en las carreteras colombianas.

El desarrollo y la aplicación de la tecnología del retrocálculo han dado lugar a algunas reglas generales de tipo práctico: - Las deflexiones medidas a más de un metro (1 m) del centro de la carga,

dependen casi totalmente del módulo de la subrasante. - La presencia de una capa rígida aparente, subyacente al pavimento y a la

subrasante, tiene impacto sobre las deflexiones medidas, por lo que debe ser tenida en cuenta en el proceso de retrocálculo o, de lo contrario, se produce un ajuste inadecuado de los cuencos (ver numeral 3.2.2.2).

- Las deflexiones de pavimentos que tengan varias capas ligadas con asfalto, de

diferente tipo, producen soluciones múltiples. En estos casos, conviene disponer de información de laboratorio, para ayudar a eliminar la duplicidad.

- Es difícil retrocalcular el módulo de capas muy delgadas (menores de 75 mm),

especialmente cuando ellas se encuentran en la superficie. En teoría, la variación del módulo de capas muy delgadas no produce variaciones de importancia en la deflexión del pavimento.


228

Un procedimiento particular y elemental de retrocálculo, es el que se realiza a partir de las dos deflexiones medidas con la viga Benkelman doble. En este caso, se emplea un programa corriente para el cálculo de esfuerzos, deformaciones y desplazamientos (por ejemplo, BISAR o EVERSTRESS) y se asignan de manera iterativa valores modulares a todas las capas, hasta que los desplazamientos verticales superficiales entregados por el programa a las distancias correspondientes a las posiciones en las cuales se encontraban los extremos de los brazos de la viga -generalmente 0 y 250 mm- coincidan razonablemente con los medidos en el terreno. Dado el bajo número de deflexiones involucradas en el cálculo y el hecho de que la carga de ensayo es estática, se debe considerar que los módulos determinados por este procedimiento corresponden al tercer nivel jerárquico de información. A pesar de sus bondades, el retrocálculo presenta algunas limitaciones, la principal de ellas la suposición de que el sistema es uniforme y continuo, lo que ignora tanto la existencia de discontinuidades en el pavimento (fisuras, por ejemplo), como el hecho de que los materiales granulares y la subrasante suelen exhibir un comportamiento elástico no lineal, dependiente del estado de esfuerzos. En algunas ocasiones, las diferencias entre los cuencos medidos y los calculados son tan grandes, que la solución resulta cuestionable o, simplemente, se debe considerar que no existe una solución de capas elásticas para el cuenco medido en el terreno. 3.2.2.2. Profundidad de la capa rígida El efecto de una capa rígida bajo la subrasante tiene impacto en la magnitud de las deflexiones y, por lo tanto, en la modulación del pavimento que se pueda obtener por retrocálculo a partir de ellas. El procedimiento más utilizado para estimar la profundidad a la cual ella se encuentra, es el propuesto por Rohde & Scullion [ref. 3.2.4]. La premisa fundamental de este método es que la deflexión medida en la superficie es el resultado de las deformaciones de los diferentes materiales que se encuentran en la zona de los esfuerzos aplicados; es decir, que la deflexión medida a cierta distancia del punto de aplicación de la carga es el resultado directo de la deflexión bajo una profundidad específica en la estructura del pavimento. Lo anterior significa que sólo aquella porción del pavimento que se encuentra en la zona que es esforzada contribuye a las deflexiones medidas en la superficie. Por lo tanto, no habrá deflexión superficial originada más allá de la profundidad a la cual la zona de esfuerzos aplicados se encuentra con la capa rígida, cuyo módulo se considera que es 100 veces mayor que el de la subrasante (Figura 3.2.6).


229

Figura 3.2.6. – Ilustración de la deflexión cero debido a una capa rígida

Una estimación de la profundidad a la cual ocurre la deflexión cero se puede obtener de una gráfica en la cual se relacionen las deflexiones medidas en la superficie con los inversos de las distancias a las cuales se midieron (1/r), como lo ilustra la Figura 3.2.7. La porción media de la línea es recta y sus extremos son curvados a causa de no linealidades asociadas con el comportamiento de las capas del pavimento y la subrasante. En este esquema, la distancia a la cual ocurre la deflexión cero (r0) se estima extendiendo la parte recta hasta el eje de las abscisas.

Figura 3.2.7. – Gráfica 1/r vs deflexión medida


230

Debido a diferentes factores específicos de cada pavimento, es necesario considerar otros factores adicionales a “r0” para determinar la profundidad de la capa rígida (B). Para determinarla, se efectuaron corridas múltiples del programa BISAR con la carga de referencia (40 kN) y asumiendo diferentes valores modulares, espesores y profundidades de la capa rígida, obteniéndose las ecuaciones de regresión que se presentan a continuación. De todas maneras, siempre es conveniente verificar la profundidad calculada de la capa rígida con la real detectada mediante perforaciones. Las ecuaciones obtenidas fueron las siguientes: Si las capas asfálticas tienen menos de 50 mm de espesor

ICB*0.0037)(r*23.6609)(r*10.2717)(r*0.32420.0362B

1 30

200

Si las capas asfálticas tienen entre 50 y 100 mm de espesor

IDB*0.0004)(r*0026.11)(r*4290.5)(r*0.16520.0065B

1 30

200

Si las capas asfálticas tienen entre 100 y 150 mm de espesor

ICB*0.0778IDB*0.0063ICS*0.0012)(r*0.99290.0413B

10

Si las capas asfálticas tienen más de 150 mm de espesor

log(ICB)*0.0665-IDB*0.0033)(r*0137.3)(r*0.56690.0409B

1 200

Donde: B: Profundidad de la capa rígida (pies).

r0: Distancia de intersección de la curva 1/r (1/pie).

Los parámetros ICS, IDB e ICB tienen el significado que se indica en el numeral 3.2.3 y las unidades de deflexión para calcularlos en estas expresiones son milésimas de pulgada (0.001 pg).


231

3.2.2.3. Determinación del módulo de la subrasante por cálculo directo Algunos investigadores han desarrollado métodos simples para estimar de manera directa el módulo de la subrasante a partir de los valores de deflexión, empleando el modelo elástico de Hogg. Uno de estos métodos es YONAPAVE [ref. 3.2.5], cuya expresión para estimar el módulo es:

n0

0

0 l*D

p*mE

Donde: E0: Módulo de la subrasante (MPa).

p: Presión del plato de carga del deflectómetro (kPa).

D0: Deflexión máxima bajo el plato de carga (0.001 mm).

l0: Longitud característica del cuenco de deflexión (cm).

*AREAB0 e*Al

0

9006003000

D

)D2D2D6(DAREA

Donde: Di: Deflexiones a las distancias indicadas, desde el centro de aplicación de la carga (0.001 mm).

A, B, m, n: Coeficientes de ajuste (Tabla 3.2.4)

Tabla 3.2.4.

Coeficientes de ajuste A, B, m, n

RANGO DE AREA A B m n

Mayor o igual a 23 3.275 0.1039 926.9 -0.8595

Mayor o igual a 21 y menor de 23 3.691 0.0948 1152.1 -0.8782

Mayor o igual a 19 y menor de 21 2.800 0.1044 1277.6 -0.8867

Menor de 19 2.371 0.1096 1344.2 -0.8945

Otro método de este tipo, es el propuesto en el documento FHWA-RD-05-152 [ref. 3.2.6], en el cual se emplea la deflexión máxima y una adicional de las medidas con


232

el FWD, a una distancia tal, que el valor de deflexión correspondiente sea aproximadamente igual a la mitad del máximo. La ecuación para determinar el módulo es la siguiente:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

−−+

=lD

pS

S

)μ2(1

)4μ)(3μ(1IE

0

0

0

000

Donde: MR: Módulo de la subrasante.

I: Factor de influencia (Tabla 3.2.5).

μ0: Relación de Poisson de la subrasante.

S: Rigidez del pavimento (p/Δ0).

p: Carga aplicada.

Δ0: Deflexión central (deflexión máxima).

l: Longitud característica del cuenco de deflexión.

[ ]0.5502

50050

0 rα4m)r(y2r

yl −+=

Si 500 0.2m)r(ylentonces0.2,lα

−=<

S0/S = relación entre la rigidez de la carga puntual teórica y la rigidez del pavimento

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −−=⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡0.2

lα

m1SS

0

Si 1.0SS

entonces0.2lα

0

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡<


233

Donde: y0: Coeficiente de longitud característica (Tabla 3.2.5).

m: Coeficiente de longitud característica (Tabla 3.2.5).

α: Coeficiente de ajuste de la curva (Tabla 3.2.5).

r50: Distancia a la cual la deflexión es igual a la mitad de la máxima (Dr/D0 = 0.5).

( )

B1DD

α1

B1/αrr 1/β

r

0

β/1

50

−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=

Donde: β: Coeficiente de ajuste de la curva (Tabla 3.2.5).

B: Coeficiente de ajuste de la curva (Tabla 3.2.5). Esta implementación del modelo de Hogg considera tres (3) casos. El Caso III corresponde a una fundación elástica infinita, mientras los Casos I y II son para capas elásticas finitas, con un espesor efectivo que se asume aproximadamente igual a diez (10) veces la longitud característica del cuenco de deflexión (10* l0). Los dos casos de espesor finito son para subrasantes con relación de Poisson de 0.40 y 0.50, respectivamente. Las diferentes constantes usadas para los 3 casos del modelo se muestran en la Tabla 3.2.5. El Caso II ha sido empleado de manera amplia para calcular módulos de subrasante con propósitos de evaluación de pavimentos mediante cálculo directo. El método del cálculo directo no intenta reemplazar al retrocálculo o a cualquier otra manera de medir los módulos de elasticidad. Simplemente, ofrece otra manera de estimarlos, para que el ingeniero pueda comparar los resultados obtenidos por dos o más métodos de evaluación. Si las diferentes aproximaciones dan lugar a resultados similares, se podrá tener una confianza razonable sobre sus magnitudes para el uso posterior en la evaluación del pavimento y en el diseño de su rehabilitación. La FHWA ha elaborado unas hojas de cálculo en Microsoft© Excel, las cuales contienen la formulación en la cual se basa el cálculo directo. Las hojas se pueden solicitar de manera gratuita al correo electrónico [email protected] y su


234

empleo ha sido autorizado por la FHWA al Instituto Nacional de Vías. Las instrucciones para el uso de las hojas se presentan en el Anexo F de la presente guía.

Tabla 3.2.5. Coeficientes del modelo de Hogg

CASO I CASO II CASO III

Distancia a soporte rígido H/l 10 10 Infinito

Relación de Poisson μ0 0.50 0.40 Cualquiera

Factor de influencia I 0.1614 0.1689 0.1925

Rango Drrr/D0 > 0.70 > 0.43 Cualquiera

r50 = f (Drrr/D0) α 0.4065 0.3804 0.3210

β 1.6890 1.8246 1.7117

Β 0 0 0

Rango Drrr/D0 < 0.70 < 0.43

r50 = f (Drrr/D0) α 2.6947E-3 4.3795E-4

β 4.5663 4.9903

Β 2 3

l = f (r50,a) y0 0.642 0.603 0.527

m 0.125 0.108 0.098

(S/S0) = f( a/ l) 0.219 0.208 0.185

3.2.2.4. Determinación del módulo de la subrasante mediante ecuaciones de regresión

La bibliografía presenta resultados de estudios a través de los cuales se pueden estimar los módulos de las capas del pavimento y de la subrasante a partir de las medidas de deflexión con un deflectómetro de impacto, sin apelar a los procedimientos de retrocálculo o de cálculo directo [ref. 3.2.7]. En general, el éxito de estas ecuaciones en la predicción de los módulos es limitado. De todas maneras, existe consenso en el hecho de que las deflexiones medidas más allá de los efectos primarios del bulbo de esfuerzos, correlacionan bastante bien con el módulo de la subrasante. Ejemplos de estas ecuaciones, se presentan a continuación.


235

Ecuaciones del Departamento de Transporte del Estado de Washington en sistemas de tres capas [ref. 3.2.3]

E0 = ‐37.1 + 34.3*[P/D900]

E0 = ‐7.8 + 22.6*[P/D1200]

E0 = ‐24.2 + 52.9*[2P/(D900 + D1200)] Las tres ecuaciones tienen R2 = 0.99. Donde: E0: Módulo de la subrasante (kg/cm2).

P: Carga aplicada sobre una placa de 300 mm de diámetro (kg).

D900: Deflexión a 900 mm del centro de aplicación de la carga (0.001 mm).

D1200: Deflexión a 1200 mm del centro de aplicación de la carga

(0.001 mm) Ecuación de Darter para determinar el módulo resiliente de la subrasante [ref. 3.2.8]

( )r*D*π

μ1*PE

r

2

0

−=

Donde: E0: Módulo de la subrasante (kg/cm2).

P: Carga aplicada sobre la placa de 300 mm de diámetro (kg).

Dr: Deflexión superficial del pavimento a una distancia “r” del centro de la placa de carga (cm.).

μ: Relación de Poisson de la subrasante.

Para μ = 0.50, la ecuación se convierte en:

r*DP*0.24

Er

0 =


236

Darter recomienda que la deflexión usada para la determinación del módulo resiliente sea tomada a una distancia “r” cuando menos igual a 0.7 veces r/ae, siendo “r” la distancia radial al sensor de deflexión y “ae” la dimensión radial del bulbo de esfuerzos aplicado en la interfaz entre las capas granulares y la subrasante. Esta dimensión se puede calcular con la expresión:

2

3

0

p2e

E

E*Daa

Donde: a: Radio de la placa de carga del equipo dinámico (cm).

D: Espesor total del pavimento (cm).

Ep: Módulo efectivo del pavimento (kg/cm2). El valor Ep se obtiene despejándolo de la expresión:

Donde: D0: Deflexión máxima bajo el plato de carga (cm). 3.2.2.5. Determinación del módulo de las capas granulares mediante ecuaciones

de regresión El Departamento de Transporte del Estado de Washington presenta la siguiente ecuación, para un sistema de pavimento asfáltico de tres capas [ref. 3.2.3]:

20

D

1A*P

log0.24540

logE0.51386H

H0.09416

H

5.90.12541

H

5.90.034740.50634

GElog

G

CA

GCA

Ecuación cuyo R2 = 0.70.


237

Donde: EG: Módulo de las capas granulares (lb/pg2).

P: Carga aplicada sobre una placa de 300 mm de diámetro (libras).

HCA: Espesor de las capas de concreto asfáltico (pulgadas).

HG: Espesor de las capas granulares (pulgadas).

E0: Módulo de la subrasante (lb/pg2).

D0: Deflexión bajo el centro de aplicación de la carga (pulgadas).

A1:= Área aproximada bajo el cuenco de deflexión hasta una

distancia de 900 mm

A1 = 2 2(D0 + D200) + (D200+ D300) + 3(D300 + D600) + 3(D600 + D900) Siendo: D200: Deflexión a 200 mm del centro de aplicación de la carga

(pulgadas).

D300: Deflexión a 300 mm del centro de aplicación de la carga (pulgadas).

D600: Deflexión a 600 mm del centro de aplicación de la carga

(pulgadas).

D900: Deflexión a 900 mm del centro de aplicación de la carga (pulgadas).

3.2.2.6. Determinación del módulo de las capas asfálticas mediante cálculo

directo El documento FHWA-RD-05-152 [ref. 3.2.6] incluye la ecuación que se indica a continuación para el cálculo directo del módulo dinámico de las capas asfálticas, la cual fue calibrada como resultado de múltiples corridas del programa CHEVLAY2. La ecuación es apropiada para pavimentos asfálticos convencionales, cuyas capas inferiores sean de tipo granular. El uso de la hoja electrónica elaborada por la FHWA para el cálculo del módulo con esta ecuación también ha sido autorizado al


238

Instituto Nacional de Vías. Las instrucciones para el uso ella se presenta en el Anexo F de la presente guía.

[ ] 23

)(1/AF3CAPCA k/k*AF*EE AC=

Donde: ECA: Módulo de las capas asfálticas superiores.

AFAC: Factor AREA.

1.35

1

3002

2AC

k

AREAk

1kAF

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

−

−=

Donde: k1 = 6.85

k2 = 1.752

k3 = HCA/2a

EP: Módulo compuesto del pavimento bajo la placa de carga de

radio “a”.

HCA: Espesor de las capas asfálticas, en las mismas unidades de “a”.

0P D

σ*a*1.5E =

Donde: σ: Presión de impacto del FWD.

D0: Deflexión bajo el centro de aplicación de la carga.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

0

300

0

200300 D

D

D

D32*2AREA

Donde: D200: Deflexión a 200 mm del centro de aplicación de la carga.

D300: Deflexión a 300 mm del centro de aplicación de la carga.


239

3.2.2.7. Determinación del módulo de las capas asfálticas mediante ecuaciones de regresión

El Departamento de Transporte del Estado de Washington presenta la siguiente ecuación para estimar el módulo de las capas asfálticas (ECA), en lb/pg2, para un sistema de pavimento de tres capas [ref. 3.2.3]:

20

D

1A*P

log1.882980

logE0.96687H

H0.69727

H

5.90.92874

H

5.90.257264.13464-Elog

G

CA

GCA

CA

El significado y las unidades de los diferentes términos de esta ecuación, cuyo R2=0.78, son los indicados en el numeral 3.2.2.4. En una investigación adelantada en la Universidad de Carolina del Norte [ref. 3.2.9] se estableció la siguiente ecuación:

4.8888H*0.0756logH*2.5124-)Dlog(D*0.8395)Dlog(D*1.7718Elog CACA6003003000CA

Donde: ECA: Módulo de las capas asfáltica (ksi).

HCA: Espesor de la capa de concreto asfáltico (pulgadas).

D0: Deflexión bajo el centro de aplicación de la carga (0.001 pg).

D300: Deflexión a 300mm del centro de aplicación de la carga (0.001pg).

D600: Deflexión a 600mm del centro de aplicación de la carga (0.001

pg). 3.2.3. Otros parámetros basados en el Cuenco de Deflexión que brindan

información sobre la condición estructural del pavimento

Algunos parámetros del cuenco de deflexión dan información adicional sobre la condición relativa de un pavimento asfáltico en los puntos de medición (Tabla 3.2.6). Ellos se basan en los siguientes principios: - La deflexión bajo el centro de aplicación de la carga representa la deflexión de

toda la estructura del pavimento.


240

- La pendiente o las diferencias de deflexión cerca del punto de aplicación de la carga reflejan la rigidez relativa en la parte superior de la estructura del pavimento‐

- La pendiente o las diferencias de deflexión en la parte media del cuenco de deflexión (entre unos 300 y 900 mm del punto de aplicación de la carga) reflejan la rigidez relativa de la capa de base o de las capas inferiores de la sección de pavimento.

- Las deflexiones medidas hacia el extremo del cuenco reflejan bastante bien la condición de la subrasante.

Tabla 3.2.6.

Parámetros del cuenco de deflexión

PARÁMETRO FÓRMULA INDICADOR

AREA AREA = ( )

0

9006003000 22*6

DDDDD +++

Rigidez relativa entre el pavimento y su soporte

Índice de curvatura superficial

ICS = D0 – D300

Junto con otros parámetros, da una idea de la rigidez de las capas asfálticas

Índice de daño de la base

IDB = D300 – D600 Deformación compresiva sobre la base granular

Índice de curvatura de la base

ICB = D600 – D900 Deformación compresiva sobre la subrasante

Nota: los subíndices de “D” están en milímetros

El valor máximo del “AREA” es 36 y se presenta cuando las cuatro medidas de deflexión son iguales, situación que corresponde a un pavimento extremadamente rígido, caso que nunca sucede en la práctica. El valor mínimo posible del parámetro es 11.1, el cual ocurriría si el pavimento tuviese la misma rigidez de la subrasante. Rangos de valores del parámetro “AREA”, para diferentes condiciones generales de los pavimentos asfálticos, se presentan en la Tabla 3.2.7 [ref. 3.2.3]. En relación con los otros parámetros, la referencia [3.2.10] menciona que, para pavimentos de tipo flexible, valores de IDB por encima de 0.150 milímetros indican la posibilidad de un comportamiento deficiente de la base granular, en tanto que valores de IDB superiores 0.080 milímetros pueden representar una condición pobre de la subrasante.


241

Tabla 3.2.7. Rangos del parámetro AREA según la estructura del pavimento

ESTRUCTURA AREA

Pavimento con capas asfálticas gruesas (100 mm ó más) 21 – 30

Pavimento con capas asfálticas delgadas (menos de 100 mm) 16 – 21

Pavimento con tratamiento superficial 15 – 17

Pavimento débil con tratamiento superficial 12 - 15

3.2.4. Evaluación de la capacidad estructural de un pavimento asfáltico a partir de las deflexiones

Existen varias aproximaciones para la estimación de la capacidad estructural de un pavimento asfáltico en servicio a partir de las deflexiones FWD. Las que se presentan en esta guía se refieren a la determinación del número estructural efectivo (SNeff), definido en la guía de diseño AASHTO-93 [ref. 3.2.1]. Sobre ellas, la presente guía no establece niveles jerárquicos de información. 3.2.4.1. Determinación del SNeff según la guía AASHTO-93 De acuerdo con la guía de diseño AASHTO-93 [ref. 3.2.1], el SNeff es función del espesor total del pavimento en pulgadas (HT) y de su módulo efectivo, en lb/pg2 (Ep):

SNeff = 0.045* HT *(Ep)1/3 3.2.4.2. Determinación del SNeff según el método Rohde Una segunda aproximación para el cálculo del número estructural efectivo es la propuesta por Rohde [ref. 3.2.11]:

SNeff = k1*SIPk2*(HT)k3 Donde: HT: Espesor total del pavimento (milímetros).

SIP: Índice estructural del pavimento = D0 – D1.5* HT (0.001 mm).

D1.5*HT: Deflexión a una distancia igual a 1.5 veces el espesor

total del pavimento (0.001 mm)


242

k1, k2, k3: Coeficientes que dependen del tipo de capa superficial del pavimento (Tabla 3.2.8).

Tabla 3.2.8.

Coeficientes de la fórmula de Rohde

TIPO DE SUPERFICIE k1 k2 k3

Tratamiento superficial 0.1165 -0.3248 0.8241 Concreto asfáltico 0.4728 -0.4810 0.7581

3.2.4.3. Determinación del SNeff según el método YONAPAVE El desarrollo del método YONAPAVE contiene una expresión para la estimación del número estructural a partir de las deflexiones del FWD, la cual presenta como novedad, respecto de las anteriores, el hecho de no requerir el conocimiento del espesor de la estructura de pavimento que se evalúa [ref. 3.2.5]. La fórmula, establecida a partir de un análisis del modelo de Hogg, es la siguiente:

SNeff = 0.0364*l0* (MR)1/3 – 0.5 Donde los valores l0 y MR se determinan de acuerdo con lo indicado en el numeral 3.2.2.3. Los números estructurales determinados por este método suelen ser inferiores a los obtenidos con los otros dos. 3.2.5. Niveles jerárquicos para la determinación de la capacidad estructural del

pavimento a partir de las medidas de deflexión Las principales fuentes de información requeridas para la aplicación de las medidas de deflexión con fines de evaluación y diseño de las obras de rehabilitación de los pavimentos asfálticos de la red vial nacional, se resumen en la Tabla 3.2.9. En ella se muestran, además, los niveles jerárquicos correspondientes a los diferentes datos, según lo establecido en el numeral 1.4 de la Parte 1.


243

Tabla 3.2.9. Definición de los niveles de los datos de entrada para la determinación de la capacidad

estructural del pavimento a partir de las deflexiones

VARIABLE NIVEL JERÁRQUICO

1 2 3

Método de determinación de módulos dinámicos

Retrocálculo o cálculo directo. Se exceptúa el retrocálculo a partir de las deflexiones Benkelman

Retrocálculo o cálculo directo. Se exceptúa el retrocálculo a partir de las deflexiones Benkelman

Retrocálculo a partir de deflexiones Benkelman. Uso de ecuaciones de regresión

Determinación del número estructural efectivo

No se aplican niveles jerárquicos en este parámetro

3.2.6. Evaluación estructural de pavimentos cuyo comportamiento no sea esencialmente elástico

Se puede deducir que el comportamiento de un pavimento asfáltico se aparta del esencialmente elástico, por dos causas principales [ref. 3.2.12]: 1. Por la presencia de una capa de base débil que determina que la deformación

de las capas asfálticas bajo las cargas no encuentra apoyo suficiente y es mayor a la que se obtendría en ausencia de esa capa débil. En este caso, el cuenco de deflexión es muy cerrado (bajo radio de curvatura) y el desarrollo de fisuramientos del tipo piel de cocodrilo es posible, así la magnitud de la deflexión máxima parezca razonable. Ello se debe a que la estructura total puede defender adecuadamente a la subrasante, pero la parte superior de las capas granulares no brinda un adecuado apoyo a las asfálticas para que éstas puedan resistir los esfuerzos de tracción al flexionar bajos las cargas repetidas.

2. Por el desarrollo de deformaciones permanentes, en particular el

ahuellamiento en la zona de canalización del tránsito, no atribuibles a desplazamientos plásticos de las capas asfálticas por falta de estabilidad, es decir que afectan toda la estructura, posiblemente por insuficiencias de espesor o de calidad de los materiales que la constituyen. Es posible que se presente la asociación de estas depresiones permanentes con fisuramientos por fatiga, lo que constituye una situación absolutamente crítica.


244

Se comprende que en estos dos casos las medidas de deflexión no resultan significativas y, en consecuencia, lo más importante es apreciar el valor portante de la subrasante y el aporte estructural que aún pueden prestar las capas inferiores del pavimento, básicamente como resultado de la auscultación destructiva a la cual se refiere el Capítulo 10 de la Parte 2 de esta guía. REFERENCIAS 3.2.1 - AASHTO, “AASHTO guide for design of pavement structures”, Washington, 1993 3.2.2 - ARA INC, ERES CONSULTANTS DIVISION, “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures”, NCHRP Report 1-37A, Champaign, Illinois, March 2004 3.2.3 - WASHINGTON STATE DEPARTMENT OF TRANSPORTATION, “WSDOT pavement guide. Volume 2. Pavement notes for design, evaluation and rehabilitation”, February 1995 3.2.4 - ROHDE G.T. & SCULLION T.,, “A direct method for evaluating the structural needs of flexible pavement based on FWD deflections”, Haifa, Israel, s/f 3.2.5 - HOFFMAN M.S., “MODULUS 4.0: Expansion and validation of the MODULUS backcalculation system”, Research Report No 1123-3, Texas Transportation Institute, Texas A&M University System, College Station, Texas, November 1990 3.2.6 - STUBSTAD R.N., JIANG Y.J. & LUKANEN E.O., “Guidelines for review and evaluation of backcalculation results”, Report FHWA-RD-05-152, Elkridge, Maryland, February 2006 3.2.7 - HOSSAIN M.M., “In the quest of determining pavement layer moduli and thicknesses from FWD testing without backcalculation”, New York State DOT, Albany, New York, s/f 3.2.8 - DARTER M.I., ELLIOT R.P. & HALL K.T., “Revision of AASHTO pavement overlay deign procedure”, Project 20-7/39 NCHRP, TRB, Washington D.C., September 1991 3.2.9 - XU B., RANJITHAN S.R. & KIM Y.R., “A new condition assessment procedure for asphalt pavement layers using FWD deflections”, TRB 2002


245

3.2.10 - XU B., RANJITHAN S.R. & KIM Y.R., “Development of relationships between FWD deflections and asphalt pavement layer condition indicators”, TRB 2002 3.2.11 - ROHDE G.T., “Determining a pavement’s structural number from FWD testing”, paper # 940351 presented at 1994 Annual TRB meeting, Washington D.C. 3.2.12 - RUIZ C. L., GATICA A., NARDONE N. & JEANSALLE N., “Manual para el proyecto de obras de mejoramiento de pavimentos flexibles”, Cuarto simposio sobre evaluación y refuerzo de estructuras de pavimentos flexibles, Comisión Permanente del Asfalto, Buenos Aires, 1972


246


247

CAPITULO 3 GUÍAS PARA LA EVALUACION FUNCIONAL DEL PAVIMENTO

La evaluación funcional comprende la comparación de las medidas de regularidad superficial y de fricción con los estándares establecidos para estos parámetros por el INVIAS, de acuerdo con los manuales, normas y especificaciones para los diversos tipos de carreteras a su cargo. 3.3.1. Evaluación de la regularidad superficial La regularidad superficial es sinónimo de calidad en la circulación. En tal sentido, la Tabla 3.3.1 ofrece una guía con valores de IRI para evaluar la suficiencia de la regularidad de las carreteras nacionales pavimentadas, a partir de la experiencia local y foránea [ref. 3.3.1] [ref. 3.3.2] [ref. 3.3.3]. La clasificación del IRI en alguna de las dos últimas categorías indica que el pavimento es funcionalmente inadecuado y, por lo tanto, el ingeniero debe contemplar alguna opción de rehabilitación viable para mejorar la situación, salvo que se decida que los tramos afectados sean sometidos a intervenciones de tipo estructural que tengan implícita la corrección de las faltas de regularidad superficial.

Tabla 3.3.1. Niveles de IRI para evaluar la lisura de pavimentos asfálticos de carreteras en servicio

CLASIFICACIÓN

IRI (m/km)

CONDICIÓN TÍPICA TRÁNSITO BAJO NT1

TRÁNSITO MEDIO Y ALTO

NT2 Y NT3

Bueno < 2.5 < 2.0 Pavimento con gran regularidad superficial; circulación muy cómoda

Aceptable 2.5 – 4.0 2.0 – 3.5

Pavimento algo rugoso; el valor superior es advertido por los usuarios al circular a la velocidad de operación de la vía

Pobre 4.0 - 5.5 3.5 – 5.0 Rugosidad notoria; incomodidad para los conductores de los vehículos pesados

Muy pobre > 5.5 > 5.0 Pavimento muy rugoso y carente de confort para todos los usuarios


248

3.3.2. Evaluación de la resistencia al deslizamiento La fricción es una medida de las fuerzas en la interfaz neumático-pavimento que resisten el deslizamiento de una rueda frenada y permiten cambios en la dirección del vehículo en maniobras extremas, en particular bajo la condición de superficie húmeda. Por lo tanto, es un sinónimo de seguridad. La práctica actual en relación con el control de este parámetro durante el período de servicio de un pavimento, consiste en el establecimiento de dos umbrales [ref. 3.3.4]: (i) el umbral de investigación, que es un nivel de alarma, en el cual aun no existen riesgos evidentes contra la seguridad, pero que exige una investigación detallada para establecer la rapidez y la extensión de la pérdida de fricción, para programar y acometer el tratamiento idóneo de manera oportuna y (ii) el umbral de intervención, que corresponde al nivel de activación inaplazable del tratamiento correctivo. En concordancia con ello y teniendo en cuenta las exigencias de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS para los pavimentos nuevos o recién rehabilitados [ref. 3.3.5], la Tabla 3.3.2 presenta los valores del coeficiente de resistencia al deslizamiento, medidos con el péndulo británico, recomendados como umbrales de investigación y de intervención para los pavimentos asfálticos de las carreteras nacionales. 3.3.3. Evaluación del ruido en el contacto neumático - pavimento En el estado actual de la práctica de la ingeniería vial colombiana, el ruido producido en el contacto neumático-pavimento no constituye un factor determinante para calificar el comportamiento funcional de un pavimento. Por lo tanto, no se fijan umbrales para dicho parámetro con fines de rehabilitación del pavimento. La norma ambiental nacional vigente sobre emisión de ruido y sobre ruido ambiental [ref. 3.3.6] establece que las vías “son objeto de medición de ruido ambiental, mas no de emisión de ruido por fuentes móviles”, lo que permite inferir que al momento de la actualización de esta guía metodológica no existe ninguna reglamentación oficial sobre el ruido generado en el contacto neumático-pavimento. Así mismo, de acuerdo con la Tabla 2 de la norma, los estándares máximos permisibles de ruido ambiental en vías troncales, autopistas, vías arterias y otras vías principales, son 80 dB(A) durante el día, entendiendo por día el lapso comprendido entre las 7 y las 21 horas, y de 70 dB(A) durante la noche.


249

Tabla 3.3.2. Umbrales de resistencia al deslizamiento en pavimentos asfálticos de carreteras

nacionales en servicio

TIPO DE SECCIÓN

COEFICIENTE DE RESISTENCIA AL DESLIZAMIENTO

NT 1 NT 2 NT3

Niv

el d

e

inve

stig

ació

n

Niv

el d

e in

terv

enci

ón

Niv

el d

e in

vest

igac

ión

Niv

el d

e in

terv

enci

ón

Niv

el d

e in

vest

igac

ión

Niv

el d

e in

terv

enci

ón

Glorietas; curvas con radios menores de 200 metros; pendientes 5% en longitudes de 100 metros o más; intersecciones; glorietas; zonas de frenado frecuente

0.45

0.35

0.50

0.40

0.55

0.45

Otras secciones 0.40 0.30 0.45 0.35 0.45 0.35

Nota: Si el estudio adelantado en el umbral de investigación determina que el pavimento debe ser mejorado antes de que alcance el nivel de intervención, prevalecerá la recomendación del estudio sobre el valor indicado en la tabla

REFERENCIAS 3.3.1 - PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA, “Estudio para la preparación técnica de información sobre tránsito y seguridad vial en la fase pre-operativa de los contratos de mejoramiento y mantenimiento integral. Anexo Técnico 2”, Instituto Nacional de Vías, Bogotá, 2004 3.3.2 - ARA INC, ERES CONSULTANTS DIVISION, “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures”, NCHRP Report 1-37A, Champaign, Illinois, March 2004 3.3.3 - WSDOT, “Washington state highway pavements. Trends, conditions and strategic plan”, Olympia, WA, May 1999 3.3.4 - TRANSIT NEW ZEALAND, “Specification for skid resistance. Investigation and treatment selection”, TNZ T10: Notes 2002 3.3.5 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras”, Bogotá D.C., 2007


250

3.3.6 - MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA Y DESARROLLO TERRITORIAL, “Resolución número 00627 del 7 de abril de 2006”, Bogotá D.C., 2006


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CAPITULO 4 GUÍAS PARA LA EVALUACION DEL DRENAJE

3.4.1. Calificación de la información sobre el drenaje [ref. 3.4.1] Para los propósitos del diseño de las obras de rehabilitación de los pavimentos asfálticos de la red vial nacional, la evaluación del drenaje tiene como finalidad valorar el peligro de que los deterioros causados por el agua puedan evolucionar con rapidez. La calificación del riesgo hídrico de cada sección de 100 metros se obtiene mediante la suma de las calificaciones de los seis (6) parámetros, R+A+H+D+S+M, obtenidas según el procedimiento descrito en el Capítulo 11 de la Parte 2. Secciones consecutivas con la misma calificación se pueden combinar. Esta calificación total indica el riesgo de la existencia de una combinación de factores desfavorables y tiene por objeto brindar una evaluación del tramo en relación con el drenaje, independientemente del estado global del pavimento (Figura 3.4.1). La calificación global varía entre 0 y 12, de acuerdo con la siguiente escala de riesgo: 0-3 no hay riesgo de cambio. 4-7 bajo riesgo de cambio. 8-12 alto riesgo de cambio. Bajo este criterio, se estima que requieren intervenciones para mejorar el drenaje las zonas donde una calificación de alto riesgo (entre 8 y 12) coincida con evidencias de debilidad estructural según el inventario de deterioros y la evaluación estructural (por ejemplo: ahuellamientos por causas estructurales, agrietamientos del tipo piel de cocodrilo, deflexiones elevadas, etc.). Siempre que se produzca esta convergencia, significa que los deterioros se deben al agua o que son agravados por ella y, en consecuencia, se justifica trabajar sobre el drenaje. Si la convergencia no se produce, se considera que los deterioros obedecen a otra causa (estructura subdiseñada para el tránsito circulante, cumplimiento


252

de la vida útil, deficiencias en los materiales o en los procesos constructivos, etc.).

Figura 3.4.1. – Calificación del riesgo hídrico

REFERENCIAS 3.4.1 - SERVICE D’ETUDES TECHNIQUES DES ROUTES ET AUTOROUTES, SETRA, “Road drainage. Technical guide”, March 2006, Translate August 2007


253

CAPITULO 5 GUÍAS PARA LA EVALUACIÓN DE LA CONDICIÓN GLOBAL DEL

PAVIMENTO

3.5.1. Evaluación estructural global Entre todos los factores que intervienen en la evaluación de la condición global del pavimento, la evaluación estructural es la más importante, ya que de existir deficiencias estructurales, la única estrategia lógica de rehabilitación consiste en incrementar la capacidad estructural por medio del refuerzo, el reciclado o la reconstrucción. La evaluación estructural global consiste en el examen de toda la información recolectada en relación con deterioros, deflexiones, pruebas destructivas y drenaje, con el fin de alcanzar un juicio sobre la condición estructural actual del pavimento, es decir, establecer qué tanto daño ha sufrido y valorar la capacidad estructural remanente. Como resultado de esta evaluación, el proyectista tendrá la responsabilidad de dividir el pavimento en tramos estructuralmente uniformes, identificando las áreas que requieran reparaciones localizadas, seleccionando una o más técnicas apropiadas para el mejoramiento estructural y desarrollando los diseños para ellas. Se deben establecer tramos dentro del proyecto que sean uniformes en relación con el diseño, geometría, materiales, capacidad estructural, suelos, deterioros, tránsito, drenaje, etc., sobre la base del análisis de toda la información recolectada. La Tabla 3.5.1 recoge y resume las diferentes opciones que se pueden presentar, a partir de la información referente a los deterioros y a las deflexiones. Aunque algunas tablas de este tipo también incluyen la composición del pavimento a través del número estructural efectivo [ref. 3.5.1] [ref. 3.5.2], la experiencia con la inclusión de este parámetro en los estudios realizados en los pavimentos de las carreteras nacionales no ha sido satisfactoria, por cuanto muchos de ellos, cuya construcción original se remonta a mediados del siglo pasado y han sido sometidos a múltiples trabajos de mantenimiento y rehabilitación, han dado lugar a números estructurales


254

artificialmente enormes que, casi siempre, se han encontrado en contradicc ión con el aspecto y con el comportamiento real que presentan. En general, se admite que hay concordancia en los datos cuando valores bajos de deflexión están asociados a pavimentos que presentan buen aspecto superficial o cuando deflexiones altas están vinculadas con pavimentos degradados. Estos dos supuestos corresponden a los casos 1 y 6 de la Tabla 3.5.1, en tanto que en los casos donde no existe esa concordancia vienen dados por los números 2 a 5. La tabla incluye observaciones sobre las opciones posibles de rehabilitación y algunas causas posibles de las discrepancias observadas. Se da por entendido que, en todos los casos, se consideran las soluciones a las dificultades asociadas con las deficiencias derivadas de un inadecuado sistema de drenaje. El proyectista ha de entender que los diagnósticos y observaciones que se presentan en la tabla son sólo guías de carácter conceptual. La calificación de las deflexiones como bajas o altas, por ejemplo, es relativa, ya que ella se debe relacionar con las características del sector estructural evaluado, ya que no cabe esperar los mismos órdenes de magnitud en un pavimento flexible que en uno semiflexible o en uno semirrígido. Por tal motivo, serán siempre de responsabilidad del proyectista la definición exacta del estado estructural del pavimento y la posterior selección de las alternativas apropiadas de rehabilitación. 3.5.2. Evaluación funcional global Aunque los factores de tipo estructural son determinantes en la evaluación global y en la sectorización con fines de diseño, el proyectista no debe pasar por alto la existencia de otros criterios que indican si una calzada asfáltica requiere trabajos de mantenimiento o mejoramiento. Es posible, por ejemplo, que se requiera algún tratamiento porque la conducción de haya vuelto incómoda, porque el agua lluvia se acumule peligrosamente sobre la superficie o porque la capa de rodadura se haya desgastado y pulido excesivamente. La valoración de la suficiencia funcional incluye, como lo señala la Tabla 3.1, la inspección de los deterioros y los resultados de las medidas de regularidad superficial, fricción y ruido, así como la consideración de aquellos aspectos relacionados con el drenaje superficial que pueden incidir tanto sobre la visibilidad como sobre la adherencia entre el neumático y el pavimento.


255

Tabla 3.5.1. Contraste de la condición superficial y las deflexiones para determinar las posibles

soluciones de rehabilitación

CASO Is DEFLEXIONES

CENTRALES OBSERVACIONES Y POSIBLES CAUSAS DE

DISCREPANCIA

1 1, 2 Bajas Posiblemente sólo se requieran trabajos de restauración para la corrección de los defectos de origen superficial y otros daños localizados

2 1, 2 Altas Pavimento subdimensionado para el tránsito que debe soportar, el cual precisa ser reforzado

3 3, 4 Bajas

Si los deterioros prevalecientes son fisuramientos del tipo piel de cocodrilo y el cuenco de deflexión es cerrado (bajo radio de curvatura), ello es indicativo de la presencia de una capa débil bajo las asfálticas (que se puede verificar con los resultados de la exploración destructiva). En este caso hay varias opciones: bacheo de las áreas más deterioradas y colocación de un refuerzo en un espesor que reduzca las deformaciones de tracción en el fondo de las capas asfálticas a un nivel admisible; si los materiales lo permiten, se puede optar por el reciclado; en caso contrario, se debe contemplar una reconstrucción parcial. Si los deterioros prevalecientes son deformaciones por fallas provenientes de las capas superiores o la subrasante, la opción es la reconstrucción parcial o total del pavimento, según la profundidad donde se encuentre el origen de las deformaciones

4 3, 4 Altas Es el paso avanzado del Caso 2 por no aplicar a tiempo las medidas necesarias. Las soluciones posibles son el refuerzo o el reciclado

5 5, 6, 7 Bajas Es el paso avanzado del Caso 3. Las soluciones son similares a las descritas para éste

6 5, 6, 7 Altas

Usualmente corresponde a la fatiga total del pavimento por cumplimiento de la vida útil. Debido al nivel de los deterioros, las obras de rehabilitación por ejecutar probablemente correspondan a trabajos de reciclado en frío de alta intensidad y/o de reconstrucción


256

El numeral 3.1.3 de esta guía (Parte 3 Capítulo 1) incluye comentarios referentes a la incidencia que tienen los deterioros del tipo B en el juicio sobre la capacidad funcional del pavimento. En el numeral 3.3.1 (Parte 3 Capítulo 3) se indican los niveles de irregularidad superficial (IRI) a partir de los cuales el ingeniero debe considerar opciones de rehabilitación para mejorar la situación. En el numeral 3.3.2 (Parte 3 Capítulo 3) se mencionan los niveles de investigación y de intervención en relación con la resistencia al deslizamiento. Por último, aunque en el numeral 3.3.3 se indica que el ruido producido en el contacto neumático-pavimento no constituye, por el momento, un factor determinante para calificar el comportamiento funcional del pavimento, es posible, si existen mediciones del ruido, delimitar los tramos donde se considere que alguna intervención sobre el pavimento contribuye en la reducción del nivel de la presión acústica. Consecuentemente, y de manera similar a la requerida para el manejo de la información destinada a la evaluación estructural global, se deben establecer sectores dentro del proyecto que sean uniformes en relación con los deterioros del tipo B, así como en relación con la regularidad superficial, la resistencia al deslizamiento y el ruido, sobre la base del análisis de toda la información recolectada. Ella se debe complementar con aquellos datos del drenaje superficial que permitan prever problemas con el hidroplaneo y con las salpicaduras excesivas en instantes de lluvia. De esta manera, el proyectista podrá realizar la evaluación funcional global y elaborar un diagnóstico y una definición de soluciones para aquellas situaciones en las cuales no se contemple la ejecución de medidas de corrección estructural que alivien, simultáneamente, los defectos de tipo funcional. 3.5.3. Incidencia del drenaje en el juicio sobre la capacidad global del pavimento Para que el juicio tenga el mayor grado de objetividad, el ingeniero deberá identificar si existe alguna relación entre las deficiencias que haya advertido en los sistemas de drenaje y los deterioros que presenta el pavimento. Este análisis es particularmente importante cuando estos últimos le dan al pavimento un índice de deterioro superficial alto (Is = 5, 6 o 7). La corrección de las debilidades del drenaje será siempre prioritaria. El ingeniero deberá tener en cuenta que las mejoras que se realicen en este sentido, en especial las referentes al drenaje interno, se traducen en disminuciones de humedad en las capas inferiores del pavimento y la subrasante y, consecuentemente, en aumentos de la capacidad portante de


257

ellas, los cuales deberán ser tenidos en cuenta en el instante de dimensionar las obras de rehabilitación [ref. 3.5.3]. 3.5.4. Áreas débiles localizadas Debido a la variabilidad que suelen presentar los suelos de subrasante, los materiales y los procesos de construcción y de mantenimiento, así como la manera aleatoria como el agua puede afectar al pavimento, es posible que se presenten áreas de reducida extensión, claramente definidas, con deterioros abundantes y/o deflexiones anormalmente altas, las cuales deben ser delimitadas, para someterlas al tratamiento particular que requieran, usualmente mejoramientos del drenaje, bacheos o, inclusive, reconstrucciones localizadas. La definición de estas áreas es factible si se dispone de los resultados de las medidas de georradar, los cuales se pueden complementar una auscultación más intensa de la calzada en la zona afectada, mediante la técnica deflectométrica. Estas áreas deben quedar claramente señaladas y deberán ser tenidas en cuenta para su atención específica en el momento del diseño de las obras de rehabilitación. 3.5.5. Definición de sectores homogéneos La evaluación conjunta de la información estructural, funcional y de drenaje se puede efectuar de manera muy consistente si ella se representa en un gráfico del tipo “esquema itinerario”, que, sin ser redundante, contenga el mayor número de datos útiles para valorar el desempeño del pavimento existente y permita el vislumbre general y la integración sintética de todos los elementos obtenidos. La consideración simultánea de todos los parámetros de evaluación, a través de su integración gráfica, permite a un ingeniero experimentado y con buen criterio, dividir la totalidad del proyecto en sectores homogéneos de menor longitud. Es conveniente que, dentro de lo posible, dicha longitud no sea inferior a la que pueda ser diseñada y construida de manera realista y práctica, un kilómetro (1 km), por ejemplo. Existen procedimientos de análisis estadístico que ayudan al establecimiento de la longitud de los segmentos homogéneos. A manera de ejemplo, en el Anexo E se presenta el método de las diferencias acumuladas, recomendado en la guía de diseño AASHTO-93 [ref. 3.5.4], para determinar los segmentos homogéneos con respecto a un parámetro, la deflexión.


258

3.5.6. Diagnóstico de la situación existente El diagnóstico de la situación existente constituye el cierre de la evaluación global del pavimento. En el estado actual del arte y de la práctica de la ingeniería de pavimentos no existe una receta o una regla precisa para elaborar un diagnóstico correcto. Por tratarse de una etapa que requiere una atención extrema del proyectista, éste deberá hacer uso de toda su percepción, experiencia y buen juicio. No son pocos los casos en los que una inadecuada interpretación de los datos disponibles ha conducido a un error en el diagnóstico [ref. 3.5.5]. Mediante el diagnóstico, el proyectista deberá establecer las causas más factibles de los deterioros observados, diferenciando claramente aquéllos de origen estructural de otros que sólo afecten la superficie del pavimento y considerando, además, las condiciones de comodidad y de seguridad que brinda el pavimento y su aptitud para soportar el tránsito esperado. Así mismo, deberá definir cuál o cuáles de las 4R se constituyen en las alternativas técnicamente más apropiadas para la rehabilitación del pavimento. REFERENCIAS 3.5.1 PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA, “Estudio para la preparación técnica de información sobre tránsito y seguridad vial en la fase pre-operativa de los contratos de mejoramiento y mantenimiento integral. Anexo Técnico 2”, Instituto Nacional de Vías, Bogotá, 2004 3.5.2 CONSORCIO VELNEC S.A. – CAPITAL WEB, “Estructuración técnica y legal del proyecto distritos de mantenimiento de la malla vial arterial principal, complementaria e intermedia de la ciudad de Bogotá D.C. Tomo III”, Instituto de Desarrollo Urbano, Bogotá, Noviembre de 2002 3.5.3 MISIÓN FRANCESA INGEROUTE, “El drenaje interno de las carreteras. Nota Técnica No. 6”, GCS, Ministerio de Obras Públicas, Bogotá, Julio de 1974 3.5.4 AASHTO, “AASHTO Guide for design of pavement structures”, Washington, 1993 3.5.5 INSTITUTO DE PESQUISAS RODOVIARIAS, “Manual de restauração”, 2ª Edição, Rio de Janeiro, 2006

PARTE 4

Selección de técnicas de rehabilitación


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Parte 4 – Selección de técnicas de rehabilitación

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PARTE 4 SELECCIÓN DE TÉCNICAS DE REHABILITACIÓN

4.1. GENERALIDADES Históricamente, las sobrecapas de concreto asfáltico han constituido la técnica más común de rehabilitación de pavimentos asfálticos. En muchas ocasiones, ellas se han colocado sin considerar debidamente el estado y capacidad estructural de los pavimentos, lo que ha conducido a fallas prematuras de las obras construidas. En consecuencia, el propósito de la selección de las técnicas de rehabilitación es identificar los tratamientos que mejor se ajusten a la corrección de los defectos existentes y permitan lograr los mejoramientos deseados en cuanto a las capacidades estructural, funcional y de drenaje del pavimento. A este asunto se refieren los 3 capítulos que conforman la Parte 4 de esta guía metodológica.


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CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN DE LAS ALTERNATIVAS DE REHABILITACIÓN

La rehabilitación de los pavimentos asfálticos de la red vial nacional comprende alguna de las alternativas de intervención que se describen más adelante, las cuales conforman el conjunto de las 4R: restauración, refuerzo, reciclado y reconstrucción. Teniendo en cuenta la filosofía y el alcance de cada alternativa, a continuación se presenta una descripción breve de las técnicas que comprende cada una de ellas, así como de algunos tratamientos previos al pavimento existente, requeridos para el buen comportamiento de aquéllas. 4.1.1. Tratamientos de preparación Algunas de las alternativas de rehabilitación de un pavimento asfáltico, específicamente las de restauración y refuerzo, requieren un tratamiento de preparación con el fin de garantizar su adecuado comportamiento a mediano o largo plazo. Los pavimentos que se rehabilitan sin una adecuada preparación previa pueden reflejar, a corto término, las fisuras de la estructura existente o incumplir los requisitos de las especificaciones sobre regularidad superficial.

4.1.1.1. Sello de fisuras El sello de fisuras consiste en la eventual conformación de las fisuras, su limpieza y la aplicación de un producto bituminoso sellante, en frío o en caliente, cuyas características y cantidades dependen de la abertura de ellas. El Artículo 466 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 4.1.1], referente al sello de fisuras de pavimentos asfálticos, recomienda su aplicación solamente en aquéllas cuya abertura sea mayor de 6 milímetros. Además, sólo contempla el sello con productos de aplicación en caliente, razón por la cual el empleo de otro producto exige la elaboración de una especificación particular. Este tratamiento es idóneo para sellar fisuras de tipo longitudinal y transversal, pero no para patrones interconectados como los del tipo piel de cocodrilo. Tampoco resulta idóneo en pavimentos semirrígidos, si en las capas no eliminadas permanecen fisuras de retracción o reflexión, caso en el cual resulta más procedente el uso de algún sistema de prevención del reflejo de grietas para


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minimizar el efecto perjudicial de dicha reflexión en el pavimento rehabilitado [ref. 4.1.2]. Existe una regla empírica, según la cual el sello puede resultar técnica y económicamente aceptable si la longitud de grietas por sellar no excede de 300 metros por hectómetro de calzada (ver ejemplo de la Figura 4.1.1). Si ella es superada, suele resultar más conveniente el uso de otras opciones de tratamiento, como parte de la estrategia de rehabilitación.

Figura 4.1.1. – Hectómetro de pavimento con 237 metros de fisuras

4.1.1.2. Parcheo y bacheo Este tratamiento previo consiste en la intervención de áreas localizadas del pavimento para corregir defectos relacionados con un deterioro estructural o problemas de humedad, de materiales o de construcción. La intervención puede abarcar sólo las capas asfálticas (parcheo) o comprender también las granulares o estabilizadas hasta lograr un apoyo firme (bacheo), dependiendo de la naturaleza del deterioro (Figura 4.1.2). Dentro de las especificaciones del Instituto Nacional de Vías [ref. 4.1.1], las excavaciones para parcheo y bacheo están consideradas en el Artículo 465, en tanto que las operaciones para el relleno de las excavaciones se describen en los Artículos referentes a los materiales que se deban emplear en ellas, de acuerdo con la profundidad excavada.


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Figura 4.1.2. – Excavación para el parcheo de un pavimento asfáltico

4.1.1.3. Capa de nivelación La capa de nivelación se coloca directamente sobre el pavimento existente para rellenar las deformaciones de éste, eliminado diferencias de nivel inconvenientes. Esta capa se suele construir con una mezcla del tipo concreto asfáltico. La superficie de esta capa, que debe ser razonablemente lisa, sirve de soporte a la capa de rodadura, sea que ésta se coloque como tratamiento de restauración o como alternativa de refuerzo (Figura 4.1.3).

Figura 4.1.3. – Capa de nivelación previa a una capa de refuerzo


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4.1.1.4. Fresado Consiste en la molienda (generalmente en frío) de la parte superior de un pavimento para corregir sus perfiles longitudinal y transversal, removiendo abultamientos, baches, excesos de asfalto y otras imperfecciones de la capa de rodadura, dejando una superficie de macrotextura rugosa de elevada resistencia al deslizamiento (Figura 4.1.4). Este tratamiento se suele combinar con la posterior colocación de una nueva capa asfáltica que compense la pérdida de espesor que origina o, inclusive, que mejore la capacidad estructural del pavimento. Si la capa de compensación tiene el mismo espesor de la capa removida, se considera que las dos acciones conforman un tratamiento de restauración, pero si se coloca una mezcla densa de mayor espesor, el fresado se convierte en parte de una operación de refuerzo. El fresado de pavimentos asfálticos está considerado en el Artículo 460 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del Instituto Nacional de Vías [ref. 4.1.1].

Figura 4.1.4. – Fresado de un pavimento asfáltico

Una variante de este procedimiento, conocida como “microfresado”, se ha determinado como satisfactoria para corregir algunos defectos de regularidad superficial mediante la eliminación de los puntos altos de la superficie, sin tener que acudir a soluciones basadas en recrecimientos de espesor. 4.1.1.5. Otros tratamientos previos

Cuando el ingeniero haya escogido el refuerzo como alternativa apropiada para intervenir un pavimento fisurado, pero el tratamiento descrito en el numeral


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4.1.1.1 no resulte satisfactorio, se deberán considerar algunos tratamientos previos más detallados, los cuales se describen en el numeral 4.1.3. 4.1.2. Restauración Los trabajos de restauración de un pavimento asfáltico están enfocados, típicamente, a solucionar una necesidad de tipo funcional como, por ejemplo, mejorar la fricción superficial o impermeabilizar la superficie del pavimento. Sin embargo, ellos pueden cumplir varias funciones y así se ejecuten por una razón específica, suelen satisfacer simultáneamente otras necesidades secundarias y terciarias [ref. 4.1.3]. Las principales funciones de la restauración de un pavimento son las siguientes:

- Suministrar una nueva superficie de rodamiento.

- Sellar áreas fisuradas.

- Impermeabilizar la superficie.

- Mejorar el drenaje superficial.

- Mejorar la fricción superficial.

- Reducir la rata de degradación del pavimento.

- Mejorar el aspecto de la calzada.

- Reducir el ruido de rodadura.

- Proporcionar una diferencia visual entre la calzada y las bermas. Casi todas las técnicas de restauración dan lugar a una nueva superficie de rodamiento, adecuada a las necesidades funcionales y de durabilidad del pavimento. Aquellas que incluyen la aplicación de agregados pétreos suelen ser aplicadas específicamente para mejorar las características de desgaste y la seguridad de los usuarios. Un tratamiento superficial, por ejemplo, proporciona una nueva capa de agregado expuesta al tránsito, la cual puede suministrar mejores características de durabilidad y de resistencia a la abrasión que la superficie original. El tratamiento superficial incrementa también la macrotextura


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del pavimento, lo que se traduce en el mejoramiento del drenaje superficial de la calzada. Un resultado similar se puede lograr con una lechada asfáltica, con un microaglomerado o con una mezcla drenante. Esta última, además, constituye el único medio realmente efectivo y económico para disminuir el ruido producido en el contacto neumático-pavimento. Las operaciones de restauración incorporan una cantidad importante de material asfáltico que puede cubrir y sellar fisuras de pequeña abertura. El éxito en la aplicación depende del tamaño de las fisuras, del movimiento que puedan presentar al pasar el tránsito sobre ellas y de la capacidad del asfalto para penetrarlas. Casi todas las técnicas de restauración cumplen el propósito de impermeabilizar el pavimento; el sellado de las fisuras y de las áreas segregadas permeables restringe la infiltración de agua, reduciendo la velocidad con la cual el pavimento se deteriora. Algunos pavimentos asfálticos presentan síntomas de envejecimiento, sin acusar otros defectos de importancia. En ellos, la aplicación de sellos del tipo niebla, lechadas asfálticas o tratamientos superficiales puede constituir una solución satisfactoria en aquellas áreas donde haya ocurrido oxidación o endurecimiento del asfalto. Las acciones de restauración dan lugar, también, a un marcado mejoramiento de la apariencia superficial del pavimento. Superficies con parcheos abundantes o con un intenso sellado de fisuras son poco atractivas a la vista. La aplicación de un tratamiento superficial, una lechada asfáltica o un microaglomerado, constituye una manera simple y efectiva de cubrir estas irregularidades y restablecer una apariencia uniforme. La restauración sirve, también, para establecer una distinción visual entre las bermas y el área de circulación vehicular. Cuando el tratamiento se aplica únicamente a la calzada, se establece una clara diferencia entre las dos zonas, con lo que se logra que los motoristas eviten circular por la berma o por la junta de ella con la calzada, ayudando de este modo a incrementar la vida del pavimento de una manera simple pero efectiva. La Tabla 4.1.1 resume las principales técnicas de restauración de un pavimento asfáltico e indica los propósitos principales de las mismas. Las características principales de ellas, se mencionan en los incisos siguientes.


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4.1.2.1. Sello tipo niebla o riego en negro Consiste en una aplicación muy ligera de una emulsión asfáltica diluida sobre la superficie del pavimento (Figura 4.1.5). Su finalidad es sellar la superficie, mejorando su impermeabilidad o rejuveneciéndola si presenta síntomas de disgregación por desgaste, por escasez en la dosificación del asfalto o por envejecimiento del pavimento. La dosificación del ligante debe ser establecida con mucho cuidado, con el fin evitar que dé lugar a una disminución inconveniente de la resistencia al deslizamiento. Este tratamiento, que no está contemplado en las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS, no es recomendable sobre pavimentos de carreteras con tránsitos de las categorías NT2 y NT3 y sólo se aceptará como solución en las de categoría NT1, si luego de colocado el sello, el valor de resistencia al deslizamiento es superior al establecido como “nivel de investigación” en la Tabla 3.3.2 (Parte 3 Capítulo 3). La expectativa de vida de un riego en negro es muy variable y depende de la condición del pavimento sobre el cual se aplica, del tránsito circulante y de las condiciones ambientales.

Figura 4.1.5. – Riego en negro


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Tabla 4.1.1. Técnicas de restauración de pavimentos asfálticos

TÉCNICAS PROPÓSITOS

Riego en negro Sellado de la superficie Rejuvenecimiento del asfalto oxidado

Sello de arena – asfalto Sellado de la superficie Mejora temporal de la fricción superficial

Tratamiento superficial Suministra una superficie de rodamiento rejuvenecida Mejora el drenaje superficial de la calzada Mejora las características de fricción superficial

Lechada asfáltica Sellado de la superficie Retarda la desintegración superficial del pavimento Mejora la resistencia al deslizamiento

Microaglomerado en frío

Sellado de la superficie Retarda la desintegración superficial del pavimento Mejora la resistencia al deslizamiento Nivela áreas ahuelladas de poca profundidad

Sello del Cabo (Cape seal)

Suministra una superficie rodamiento rejuvenecida Mejora el drenaje superficial de la calzada Mejora las características de fricción superficial Retarda la desintegración superficial del pavimento

Microaglomerado en caliente Brinda una nueva superficie de rodamiento Mejora el drenaje y la fricción superficial

Mezcla drenante

Suministra un adecuado drenaje superficial Reduce el hidroplaneo Limita la proyección de agua lluvia Mejora la visibilidad en condiciones de lluvia Incrementa la fricción superficial Reduce el ruido de rodadura

Sobrecapa delgada Brinda una nueva superficie de rodamiento Retarda la desintegración superficial del pavimento

4.1.2.2. Sello de arena – asfalto Consiste en la aplicación de un material bituminoso, generalmente una emulsión de rotura rápida, sobre la superficie del pavimento, seguida de la extensión y compactación de una delgada capa de arena (Figura 4.1.6). El sello cumple la misma función que el riego en negro pero, además, controla la fricción superficial debido a la adición del agregado pétreo. Esta técnica se encuentra en las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS (Artículo 332)


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[ref. 4.1.1] y se admite sólo en vías con niveles de tránsito NT1 y NT2. Su expectativa de vida es similar a la de los riegos en negro.

Figura 4.1.6. – Sello de arena- asfalto

4.1.2.3. Tratamiento superficial Consiste en aplicaciones consecutivas de una emulsión asfáltica de rotura rápida y capas de gravilla de tamaño uniforme (Figura 4.1.7). Su construcción sobre un pavimento existente sirve para impermeabilizar y rejuvenecer la superficie pero, principalmente, para mejorar las características de drenaje y de fricción superficial. Los tratamientos superficiales simples y dobles están considerados en los Artículos 430 y 431 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 4.1.1].

Figura 4.1.7. – Restauración de un pavimento asfáltico con un tratamiento superficial


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El empleo de los tratamientos superficiales, con los fines que se acaban de describir, está limitado a carreteras de tránsito bajo y medio (NT1 y NT2) cuando se utilizan emulsiones elaboradas con asfaltos convencionales. Sin embargo, si se emplean emulsiones elaboradas con asfaltos modificados con polímeros, los tratamientos se pueden aplicar en carreteras con elevada intensidad de tránsito [ref. 4.1.4]. Cuando se construyen en condiciones favorables, los tratamientos superficiales de restauración pueden cumplir adecuadamente su función durante lapsos de 5 a 7 años, correspondiendo los períodos más largos a los tratamientos del tipo doble, elaborados con asfaltos modificados con polímeros. 4.1.2.4. Lechada asfáltica Consiste en una mezcla de emulsión asfáltica de rotura lenta, agua, agregado fino, llenante mineral y, eventualmente, aditivos, la cual se realiza en una máquina mezcladora especial que también la extiende sobre la superficie del pavimento (Figura 4.1.8). La lechada es efectiva en el sellado de áreas con fisuras de escasa abertura, en la impermeabilización de la superficie y en el mejoramiento de la fricción superficial. El pavimento por restaurar deberá ser estable, sin deformaciones excesivas ni fisuras que puedan sufrir movimientos bajo la acción del tránsito automotor. El empleo de la lechada asfáltica está considerado en el Artículo 433 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 4.1.1]. Su aplicación en la restauración de pavimentos, se debe restringir a carreteras de tránsito bajo y medio (NT1 y NT2). Su expectativa de vida útil se encuentra entre 3 y 5 años.

Figura 4.1.8. – Restauración de un pavimento con una lechada asfáltica


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4.1.2.5. Microaglomerado en frío Conocido también como micropavimento, es una lechada asfáltica elaborada con una emulsión de asfalto modificado con polímeros y un agregado pétreo de tamaño máximo ligeramente mayor al empleado en una lechada convencional. Aunque cumple las mismas funciones de la lechada en la restauración de un pavimento, la modificación en el ligante hace utilizable el microaglomerado en carreteras de tránsito pesado (NT3). El microaglomerado en frío está considerado en el Artículo 433 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 4.1.1]. Los microaglomerados en frío también pueden ser utilizados en el relleno de zonas ahuelladas de poca profundidad, siempre y cuando ellas no obedezcan a baja resistencia a la deformación plástica de la capa de rodadura. Debido a su naturaleza frágil, su acción como tratamiento sellante de fisuras no suele ser muy eficaz. Colocados en condiciones favorables, su expectativa de vida puede exceder de 5 años. 4.1.2.6. Sello del Cabo (Cape seal) Es una técnica que, al combinar un tratamiento superficial simple con una lechada asfáltica, reduce la macrotextura macrorrugosa de aquél, dando lugar a una superficie de rodadura cuya vida útil puede alcanzar 8 o más años. Por ser una técnica de restauración con los mismos propósitos de los dos tratamientos que combina, no es recomendable su construcción sobre pavimentos con problemas estructurales. Este sello, como tal, no está incluido en las especificaciones del INVÍAS, motivo por el cual se deben considerar conjuntamente los Artículos 430 y 433 de ellas cuando se desee aplicarlo. 4.1.2.7. Microaglomerado en caliente Es una mezcla bituminosa elaborada en caliente, con agregados de gradación discontinua, que se emplea para la construcción de capas de rodadura de pequeño espesor. Se elabora con un asfalto modificado con polímeros, con fibras acrílicas o polvo de celulosa, y con un agregado pétreo que presenta una discontinuidad granulométrica entre los tamaños de 2 mm y 5 mm, con el fin de obtener una textura macrorrugosa al compactar la capa en el terreno.


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Se aplica en la restauración de pavimentos que tengan una base firme, que no estén deformados y que presenten moderados síntomas de desprendimiento o de agrietamiento, o problemas de deslizamiento o de envejecimiento. No se recomienda aplicarlo sobre capas asfálticas con exudaciones pronunciadas, ya que ellas se reproducen rápidamente en la superficie. El microaglomerado en caliente se encuentra considerado en el Artículo 452 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 4.1.1]. Su expectativa de vida se encuentra entre 5 y 8 años.

4.1.2.8. Mezcla drenante Es una mezcla asfáltica para capa de rodadura con un elevado contenido de vacíos con aire, cuyo diseño y colocación en obra da lugar a una superficie de textura abierta y de alta capacidad drenante. Colocada sobre una superficie impermeable y con una correcta pendiente transversal, en un espesor del orden de 40 a 50 mm, evita la presencia de agua en la superficie, drenándola de manera inmediata en instantes de lluvia y proporcionando alta resistencia al deslizamiento, reduciendo el volumen de agua proyectada al paso de los vehículos, mejorando la visibilidad en condición de pavimento húmedo (Figura 4.1.9) y disminuyendo el ruido producido por la circulación vehicular. En su elaboración se deben emplear asfaltos modificados con polímeros, cuya mayor viscosidad permite obtener un espesor grueso de película asfáltica sin riesgos de exudación, una superior flexibilidad y una elevada cohesión.

Figura 4.1.9. – Diferencia de visibilidad en instantes de lluvia, al circular sobre una superficie de concreto asfáltico y una de mezcla drenante

La mezcla drenante se encuentra considerada en el Artículo 452 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 4.1.1]. Su


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expectativa de vida oscila entre 8 y 10 años. Si su mantenimiento durante el tiempo no es adecuado, se puede colmatar prematuramente, perdiendo parte de su eficacia.

4.1.2.9. Sobrecapa delgada Un sobrecapa delgada, construida con una mezcla del tipo denso en caliente (concreto asfáltico), extiende la vida útil de un pavimento asfáltico estructuralmente sano a través del mejoramiento de su condición funcional. Los pequeños defectos superficiales son cubiertos por ella, dando la misma apariencia de un pavimento nuevo. Para ser considerada como operación de restauración, la sobrecapa debe tener un espesor compacto inferior a 40 milímetros. Su construcción se deberá efectuar según lo establecido en el Artículo 450 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 4.1.1].

4.1.2.10. Limitaciones y efectividad de los trabajos de restauración

Las técnicas de restauración constituyen un medio efectivo para corregir defectos de tipo superficial y funcional en un pavimento y contribuyen a paliar temporalmente algunos de tipo estructural, pero no suministran ningún aporte estructural a la calzada existente, el cual sólo se puede obtener a través de otros mecanismos más intensos de rehabilitación. Otras limitaciones de la técnica de restauración de pavimentos asfálticos son las siguientes:

- El riesgo de que la aplicación de los riegos en negro se traduzca en la generación de superficies deslizantes, hace que ellos sean más recomendables en la protección de las bermas que en la de la calzada.

- La mayoría de los tratamientos descritos no resultan suficientemente efectivos si la superficie presenta deformaciones permanentes y agrietamientos de alguna consideración, salvo que se aplique algún tratamiento de preparación.

- Aunque la lechada asfáltica constituye un excelente tratamiento rejuvenecedor, no es tan durable como un tratamiento superficial si el pavimento por rehabilitar está fisurado y acusa altas deflexiones bajo la acción del tránsito.

- Los microaglomerados en caliente no presentan buen comportamiento si se construyen sobre superficies muy deformadas o con excesos de asfalto.


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- Aunque las mezclas drenantes son muy efectivas en el mejoramiento del drenaje superficial, su éxito exige de la capa subyacente impermeabilidad, resistencia al desprendimiento del asfalto y una adecuada pendiente; además, su efectividad decrece a medida que sus vacíos se van colmatando, lo que implica exigentes medidas de mantenimiento. Además, cuando sufren deterioros localizados suelen ser sometidas a sellado de fisuras o a operaciones de parcheo que afectan el flujo libre de agua a través de la capa.

4.1.3. Refuerzo Las sobrecapas de refuerzo en concreto asfáltico han constituido el método más generalizado para rehabilitar pavimentos asfálticos por cuanto, generalmente, representan un medio efectivo en costo para corregir las deficiencias superficiales y, simultáneamente, incrementar la capacidad estructural del pavimento. Sin embargo, no es raro que el comportamiento de las sobrecapas asfálticas haya sido deficiente. Los motivos para que ello suceda son variados [ref. 4.1.2]:

- Inadecuada selección de la sobrecapa como método de rehabilitación.

- Escogencia de un tipo inapropiado de sobrecapa.

- Espesor insuficiente de la sobrecapa.

- Fallas en el diseño y en la elaboración de la mezcla.

- Deficiente reparación previa de las áreas deterioradas.

- Inadecuada consideración del fenómeno de reflexión de fisuras.

- Deficiencias en el proceso constructivo. El éxito de una sobrecapa de refuerzo descansa, primero que todo, en la certeza de que ella constituye la solución de rehabilitación apropiada. Establecido lo anterior, la determinación del tipo y del espesor del refuerzo son asuntos de importancia, así como la definición del tratamiento requerido por el pavimento antes de su colocación. Por último, es preciso que el proceso constructivo esté, en un todo, de acuerdo con las exigencias de las especificaciones de construcción.


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El tipo más común de sobrecapa es que se construye con mezclas densas en caliente del tipo concreto asfáltico, elaboradas con cementos asfálticos convencionales o modificados con polímeros, aunque, en el caso de espesores importantes de refuerzo, es posible el empleo de otras clases de mezclas en la construcción de las capas intermedia y de base, tal como lo considera el Artículo 450 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 4.1.1]. El espesor necesario de refuerzo depende del problema que afecte al pavimento existente pero, en general, varía entre 40 mm y 200 mm. A menudo, las capas de refuerzo se aplican previo el fresado del pavimento. El fresado constituye un medio idóneo para recuperar la pendiente transversal de la calzada, mantener la altura de los sardineles en zonas urbanas y preparar el pavimento para la colocación de la sobrecapa. El espesor removido mediante el fresado debe ser tenido en cuenta en el instante de diseñar el espesor del refuerzo. Los aspectos que determinan la viabilidad de la colocación de refuerzos sobre pavimentos asfálticos se resumen en la Tabla 4.1.2 [ref. 4.1.5]. La condición del pavimento antes de la aplicación del refuerzo afecta significativamente el comportamiento de éste. El factor individual más importante en la determinación del éxito del refuerzo es el alcance de las reparaciones que se requieren previamente, en especial las operaciones de bacheo y las nivelaciones. Otros factores complementarios a considerar son la eventualidad de la reflexión de fisuras y las posibilidades de ahuellamiento del refuerzo.

4.1.3.1. Tratamiento previo al refuerzo

El tipo y la cantidad de los trabajos de tratamiento previos al refuerzo dependen del tipo y de la condición del pavimento por rehabilitar. Para que el refuerzo tenga un comportamiento satisfactorio, el pavimento existente deberá ser estructuralmente sano y encontrarse limpio y en capacidad de adherirse adecuadamente al refuerzo. Para cumplir estos requisitos, los trabajos de preparación se deben determinar cuidadosamente, teniendo en cuenta los siguientes factores:

- Tipo de materiales por emplear en el refuerzo.

- Suficiencia estructural del pavimento existente.

- Tipos, extensiones y gravedades de los deterioros del pavimento.


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- Tránsito esperado.

- Limitaciones físicas como, por ejemplo, el control del tránsito durante la ejecución de las obras.

- Costos totales (tratamiento previo y refuerzo).

Tabla 4.1.2. Guías de viabilidad para refuerzos asfálticos

CONSTRUCTIBILIDAD

Gálibo El espesor requerido puede plantear un problema

Control del tránsito No son difíciles de construir bajo tránsito El refuerzo puede ser abierto al tránsito rápidamente

Construcción Es un procedimiento común de rehabilitación Son críticos el diseño de las mezclas y la compactación de ellas en obra

PERÍODO DE DISEÑO

Condición del pavimento Entre más deteriorado se encuentre, mayor debe ser el espesor del refuerzo para servir un determinado tránsito

Alcance de las reparaciones Las áreas agrietadas deben ser completamente reparadas o sometidas a un tratamiento de alivio del reflejo de grietas

Suficiencia estructural El espesor del pavimento existente debe ser incrementado

Tránsito futuro La circulación de vehículos comerciales con altas magnitudes de carga por rueda y de presión de inflado pueden generar ahuellamientos en el refuerzo

Confiabilidad Aceptable (la reflexión de fisuras y el ahuellamiento suelen ser los principales problemas)

EFECTIVIDAD EN COSTO

Costo inicial Los tratamientos previos al refuerzo tiene gran incidencia

Costo durante el ciclo de vida Competitivo, si la vida futura es prolongada

En general, han existido dos maneras básicas de enfrentar el problema del diseño del refuerzo. La primera, consiste en considerar el bacheo de todas las áreas deterioradas antes de colocar la sobrecapa. La segunda, consiste en la colocación de un espesor de sobrecapa lo suficientemente importante (incluyendo una capa de nivelación, de ser necesaria) para proteger todas las áreas débiles que tenga el pavimento. Bajo este último concepto, si se determina que las capas de subbase o base presentan un elevado grado de deterioro, la capa afectada no se remueve sino que, a través de un aumento del espesor del refuerzo, ella se protege contra los esfuerzos y deformaciones excesivos.


279

Aunque es evidente que a medida que el bacheo se hace más intenso el espesor necesario del refuerzo se reduce, por cuanto el bacheo mejora la capacidad estructural del pavimento, es conveniente realizar un balance económico que determine cuál es la combinación óptima de tratamientos, como, de manera conceptual, se muestra en la Figura 4.1.10. No obstante, cuando el área por ser sometida a reparaciones previas es alta, puede resultar más económica otra alternativa de rehabilitación (reciclado o reconstrucción). El análisis de costos durante el ciclo de vida determinará la factibilidad económica de las diferentes estrategias posibles.

Figura 4.1.10. – Esquema de costos de bacheo, sobrecapa y totales, en función del área sometida a bacheo

En el caso de pavimentos con fisuras de tipo lineal, se debe verificar, a través de los núcleos, si ellas son sólo superficiales y se propagan en sentido descendente (top - down) o si afectan todas las capas asfálticas existentes. En el primer caso, resulta suficiente el fresado de la profundidad afectada como tratamiento previo, mientras que en el segundo el ingeniero deberá decidir entre ordenar labores de parcheo y bacheo o el sello de las fisuras. La guía de diseño AASHTO 2002 recomienda que las fisuras con abertura menor a 6 milímetros no sean sometidas a un tratamiento previo [ref. 4.1.6].

4.1.3.2. El problema de la reflexión de las fisuras La reflexión de fisuras es un problema muy severo que debe ser considerado en todo proyecto donde se contemple el refuerzo de un pavimento asfáltico, por cuanto ella origina aumentos en los costos de mantenimiento, dada la necesidad


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de efectuar frecuentes operaciones de sello y parcheos. Las fisuras reflejas permiten el ingreso de agua en el pavimento, la cual tiende a desprender la película de ligante de la mezcla y a separar el refuerzo de la capa subyacente; además, el agua penetra hasta las capas inferiores y la subrasante, debilitándolas y reduciendo la vida útil del refuerzo. La reflexión es el desarrollo de fisuras desde el fondo hasta la superficie del refuerzo, como resultado de movimientos horizontales y verticales de las fisuras del pavimento antiguo. Los primeros se producen por bajas temperaturas que provocan la contracción del pavimento e incrementan la abertura de las fisuras de la estructura subyacente, dando lugar a esfuerzos de tensión en la sobrecapa. Los segundos, se producen por la ocurrencia de movimientos verticales diferenciales al paso del tránsito sobre las fisuras, lo que genera esfuerzos importantes de corte en la capa superior. Cada ciclo térmico y de cargas vehiculares produce un estado de esfuerzos que contribuye a la propagación de las fisuras hacia la superficie. Los diferentes tipos de deformación no propagan las fisuras de la misma manera y el número de deformaciones sufridas no es, en sí mismo, un criterio válido para predecir la velocidad de reflexión de las fisuras. La reflexión de las fisuras existentes en un pavimento sometido a un refuerzo, es analizada con algún detalle en la guía de diseño AASHTO 2002 [ref. 4.1.6]. Allí se presenta un modelo general para la predicción de la evolución de la propagación del agrietamiento a través de una sobrecapa en función del tiempo, mediante una función de tipo sigmoideo:

btaeRC

1

100

Donde: RC: Porcentaje de grietas reflejadas (%).

t: Tiempo (años).

a, b: Parámetros de ajuste Los parámetros de ajuste encontrados por los autores de la guía, para los pavimentos flexibles, son los siguientes:


281

a = 3.5 + 0.75*h

b = -0.688584 – 3.37302*(h)-0.915469 Siendo “h” es el espesor de la sobrecapa asfáltica, en pulgadas. La Tabla 4.1.3 muestra los resultados de la aplicación de dicho modelo a diferentes combinaciones de espesores de sobrecapa y de períodos transcurridos desde la colocación de la misma.

Tabla 4.1.3. Rapidez del reflejo de las grietas de un pavimento antiguo en la superficie del refuerzo

h (pulgadas)

t (años)

RC (%)

2

1 7.4 2 48.8 3 91.9 5 100

4

1 0.77 3 16.9 4 51.2 5 84.3

6

1 0.13 3 1.85 5 21.6 6 51.4

8

1 0.02 3 0.27 5 2.81 8 50.8

Según una regla empírica de amplio uso, una fisura en una capa asfáltica densa se refleja a razón de una pulgada (25 mm) por año. De acuerdo con ella, es de esperar que la fisura tarde 4 años en reflejarse a través de 4 pulgadas (100 mm) de sobrecapa y 8 años en hacerlo a través de un refuerzo de 8 pulgadas (200 mm) [4.1.7]. Comparando los resultados de aplicar la regla con los valores de la Tabla 4.1.3, se concluye que, según el modelo, la regla equivale a que en un número de años igual al espesor de la sobrecapa (en pulgadas), se reflejará en la superficie el 50% del agrietamiento del pavimento subyacente.


282

La Tabla 4.1.3 permite apreciar, además, que toda disminución en el espesor del refuerzo se traduce en una mayor rapidez en el reflejo de las fisuras y en una mayor área afectada por el fenómeno. Por ejemplo, reducir el espesor del refuerzo de 6 a 4 pulgadas, hace que en tres (3) años las fisuras de reflexión esperadas aumenten de 1.85 % a 16.9 % y en cinco (5) años de 21.6% a 84.3%. La clave para suprimir el reflejo de fisuras en un refuerzo, consiste en eliminar los movimientos horizontales de las fisuras del pavimento antiguo a causa de los cambios de temperatura y los verticales en el refuerzo a causa del tránsito. Sin embargo, como ello resulta casi imposible sin colocar espesores excesivos de concreto asfáltico, los intentos de solución se han dirigido hacia el retardo en el reflejo de las fisuras y hacia la reducción de la severidad con la cual ellas se presentan, existiendo varias maneras de abordar el problema, las cuales se pueden sintetizar en los siguientes tratamientos, adicionales a los citados en el numeral 4.1.1:

- Geosintéticos.

- Membranas intercapa absorbentes de esfuerzos (SAMI).

- Capas asfálticas de alivio del reflejo de fisuras (crack-relief layers). El éxito de cualquiera de estos tratamientos descansa, en parte, en la manera como se mida su efectividad. Mientras algunos consideran que el éxito sólo se logra si no se refleja fisura alguna, otros se conforman con retrasar la reflexión y controlar parcialmente su severidad. Geosintéticos tejidos y no tejidos de poliéster, polipropileno, fibra de vidrio, nylon o combinaciones de estos materiales han sido utilizados con éxito variado en el control del reflejo de fisuras del tipo piel de cocodrilo de baja y mediana gravedad (Figura 4.1.11). Aunque en la mayor parte de los casos se colocan directamente sobre el pavimento antiguo, previa la aplicación de un riego de liga, existen evidencias de mejor comportamiento cuando se colocan entre una primera capa asfáltica de nivelación y la capa de refuerzo estructural, por cuanto así se evita el contacto directo del producto con la superficie fisurada, permitiendo una mayor inhibición de la propagación de las fisuras [ref. 4.1.9]. La bibliografía especializada cita retrasos en el inicio de la reflexión al emplear este tratamiento, aunque también cuestiona su efectividad cuando la abertura de las fisuras es mayor de 9 milímetros [ref. 4.1.10]. Su efectividad ha sido ampliamente cuestionada en pavimentos donde se presentan sustanciales movimientos horizontales y verticales


283

[ref. 4.1.6] [ref. 4.1.8] [ref. 4.1.11]. El uso de geotextiles en el proceso de rehabilitación de pavimentos asfálticos está contemplado en el Artículo 464 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 4.1.1].

Figura 4.1.11. – Colocación de geotextil antes del refuerzo asfáltico

Las membranas intercapa absorbentes de esfuerzos, más conocidas por su acrónimo inglés SAMI, identifican una capa de materiales apropiados que se coloca sobre el pavimento fisurado, previamente al refuerzo, con el fin de disipar los movimientos y los esfuerzos desarrollados en las fisuras del pavimento existente, retrasando su reflejo en la superficie de la sobrecapa (Figura 4.1.12). La membrana suele consistir en un tratamiento superficial, en el cual el ligante utilizado es un asfalto-caucho o un asfalto modificado con polímero. También, existen versiones constituidas por uno o dos geosintéticos impregnados con un asfalto modificado con polímeros, las cuales se deben colocar sólo sobre las zonas fisuradas. En relación con el éxito de este sistema tampoco existen conclusiones determinantes hasta la fecha.

Figura 4.1.12. – SAMI para controlar el reflejo de grietas

Las capas asfálticas de alivio del reflejo de fisuras han sido efectivas en el control del reflejo de grietas sometidas a movimientos horizontales o verticales importantes [ref. 4.1.7]. Estas capas se construyen con mezclas asfálticas en


284

caliente, elaboradas con un agregado con muy baja o nula proporción de finos y cantidades muy limitadas de ligante (entre 1.5% y 3.0%), buscando que la capa compactada presente una elevada proporción de vacíos con aire (superior a 20%), de manera de controlar la transmisión de las fisuras a la capas densas de nivelación y de refuerzo que se construyen sobre ella (Figura 4.1.13).

Figura 4.1.13. – Capa asfáltica de alivio del reflejo de fisuras

Este sistema, incluido en el Artículo 451 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVIAS [ref. 4.1.1], fue muy utilizado en los proyectos de rehabilitación de pavimentos asfálticos y rígidos en Colombia durante los años 80 del siglo pasado. Su efectividad fue también muy variada, aunque casi siempre exitosa cuando se aplicó debidamente. El comportamiento fue inadecuado cuando se desvirtuaron los principios fundamentales del sistema, bien porque se aplicaban proporciones muy elevadas de ligante asfáltico y de agregado fino o bien por la falta de cobertura oportuna de la capa, la cual se dejaba expuesta al tránsito y a los agentes ambientales durante lapsos prolongados. Aunque la capa de alivio eliminó la necesidad de realizar trabajos intensos de bacheo, el considerable espesor requerido por ella (mínimo 90 mm), exigía el empleo de cantidades importantes de materiales para su construcción. Además, sobre la capa de alivio se debían colocar mezclas densas para nivelación y rodadura, lo que conducía a una solución que implicaba una considerable elevación en la rasante que, en ocasiones resultaba inconveniente. Estos escollos fueron limitando su uso, en especial desde que llegaron al país las máquinas recicladoras de pavimentos. Debido a las limitaciones y al comportamiento tan variable que han presentado las distintas técnicas empleadas actualmente para la prevención del reflejo de fisuras,


285

el Instituto Nacional de Vías no recomienda en esta guía metodológica a ninguna de ellas como la preferida. La experiencia del diseñador con las diferentes técnicas, en proyectos bajo similares condiciones de entorno y de intensidad de tránsito, constituye la mejor herramienta de selección. No se debe olvidar que, cualquiera sea la recomendación del diseñador, su efectividad en costo deberá ser comparada con la de otros tratamientos alternativos que se ajusten a las necesidades técnicas de rehabilitación del pavimento. 4.1.3.3. El ahuellamiento del refuerzo En los últimos años se han advertido más problemas de ahuellamiento en los pavimentos asfálticos que en el pasado (Figura 4.1.14). El ahuellamiento no sólo genera una condición de circulación incómoda sino que, además, permite la acumulación de agua en los instantes de lluvia, favoreciendo el hidroplaneo.

Figura 4.1.14. – Ahuellamiento de las capas asfálticas en una troncal de transporte masivo de Bogotá [ref. 4.1.12]

El factor externo que más ha favorecido el ahuellamiento de las capas asfálticas es el tránsito pesado. Durante los últimos años se han producido incrementos sustanciales en la magnitud de las cargas por eje y en las presiones de inflado de los neumáticos. De hecho, las cargas admisibles por eje y totales para circulación por carretera en Colombia, se encuentran entre las más altas del continente. El asunto debe ser enfrentado por el ingeniero mediante mejoras en el diseño y en la construcción de las mezclas asfálticas. El empleo de agregados pétreos triturados con muy elevada resistencia a la fragmentación y de asfaltos de alta consistencia, así como el diseño de mezclas por métodos modernos y el estudio de sus características de deformación, son factores a tener en cuenta.


286

La versión vigente de los Artículos 400 y 450 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS [ref. 4.1.1] incluye requisitos de alta exigencia a los agregados pétreos por utilizar en los pavimentos de las carreteras sometidas a tránsito pesado y contempla el empleo de mezclas con asfaltos modificados con polímeros, incluidas las de alto módulo, para encarar el problema. Además, se ha normalizado una prueba para determinar en el laboratorio la resistencia de las mezclas asfálticas a la deformación permanente [ref. 4.1.13]. A manera de guía, la Tabla 4.1.4 presenta los principales factores que afectan el ahuellamiento en una mezcla de concreto asfáltico.

Tabla 4.1.4. Factores que inciden en el ahuellamiento de las mezclas asfálticas

PARÁMETRO FACTOR CAMBIO EN EL

FACTOR

EFECTO SOBRE LA RESISTENCIA AL

AHUELLAMIENTO

Agregado

Textura superficial Lisa a rugosa Aumento

Gradación Discontinua a

continua Aumento

Forma Redondeada a

angular Aumento

Tamaño Aumento de

tamaño máximo Aumento

Ligante Rigidez Aumento Aumento

Mezcla

Contenido de ligante Aumento Disminución

Vacíos con aire Aumento Disminución

Vacíos en los agregados

Aumento Disminución

Condiciones de ensayo o de

campo

Temperatura Aumento Disminución

Estado esfuerzo/deformación

Aumento en la presión de contacto

Disminución

Repeticiones de carga Aumento Disminución

Agua Seco a húmedo Disminución, si la

mezcla es sensitiva al agua


287

4.1.3.4. Oportunidad para el refuerzo El conocimiento de las curvas de evolución del deterioro del pavimento es muy útil en la definición del instante óptimo para la colocación del refuerzo. Los costos de los usuarios, la magnitud de los trabajos previos al refuerzo, el espesor de éste y los costos asociados a las obras son afectados por la intensidad de deterioro del pavimento. En cualquier pavimento, los costos de los usuarios se incrementan rápidamente a medida que el nivel de servicio disminuye. Dichos costos incluyen los correspondientes a la operación y al mantenimiento del vehículo, el tiempo de los pasajeros y los accidentes. Al ir decreciendo el nivel de servicio, van apareciendo nuevos deterioros en el pavimento, los cuales exigen reparaciones mayores, generalmente en términos de bacheos, antes de la colocación del refuerzo. La experiencia indica que, aun cuando se realicen reparaciones muy extensas, no siempre es posible reparar todos los deterioros antes de colocar la sobrecapa. La Tabla 4.1.5 muestra la variación que presentan los costos de operación vehicular en las carreteras colombianas de acuerdo con el estado de la superficie del pavimento, tomando como base los cálculos realizados por el Instituto Nacional de Vías en el año 2003 [ref. 4.1.14]. Se advierte en ella que el incremento en costo, causado por el mal estado del pavimento, puede alcanzar 20 %.

Tabla 4.1.5. Relación entre los costos de operación vehicular en carreteras colombianas para

diferentes condiciones topográficas y estado del pavimento [ref. 4.1.14]

TIPO DE TERRENO

ESTADO DEL PAVIMENTO

COSTOS DE OPERACIÓN A PRECIOS DE MERCADO (COSTO DE REFERENCIA = 100 PARA PAVIMENTO EN BUEN

ESTADO)

AUTOMÓVIL BUS

GRANDE C2 GRANDE ARTICULADO

Plano

Bueno Regular Malo

100 108 123

100 104 111

100 108 121

100 106 117

Ondulado

Bueno Regular Malo

100 108 123

100 104 110

100 107 119

100 106 114

Montañoso

Bueno Regular Malo

100 106 120

100 102 106

100 105 113

100 104 110


288

La Figura 4.1.15 presenta una relación conceptual entre la condición del pavimento y las diferentes necesidades de rehabilitación. Se puede apreciar que el instante recomendable para el refuerzo ocurre cuando la pendiente de la curva de servicio al usuario aún no es muy pronunciada.

Figura 4.1.15 – Espectro de alternativas de rehabilitación de pavimentos asfálticos

La Figura 4.1.16 ilustra la relación entre la caída del índice de servicio y los costos asociados a los trabajos de rehabilitación, según el instante en que ellos se acometan. La figura muestra que si no se invierte un peso en rehabilitación cuando se ha consumido el 75% de la vida del pavimento y su nivel de servicio ha decaído sólo en 40%, se requerirá un inversión al menos cuatro veces mayor luego de que se pierda otro 40% del nivel de servicio y que llegar a ese estado tomará sólo 12% más de la vida del pavimento. Aunque los números citados pueden variar dependiendo de muchas circunstancias, el concepto general es válido y pone de relieve la importancia de la oportunidad en la ejecución de las obras de rehabilitación de un pavimento. Por lo tanto, los refuerzos deben ser planeados mediante sistemas eficientes de administración del mantenimiento, con el fin de que ellos sean construidos en el instante óptimo. Las consecuencias más importantes que se derivan del retraso en la construcción de un refuerzo son las siguientes:

- Aumento del costo del tratamiento previo.


289

- Aumento en el espesor y en el costo del refuerzo.

- Aumento en los costos de operación vehicular.

- Incremento de los reclamos de la comunidad.

- Disminución de la vida del refuerzo, por cuanto nunca es posible eliminar todos los daños de la estructura existente.

- Costos más altos durante el ciclo de vida para conservar el pavimento en servicio durante un período prolongado.

Figura 4.1.1.16 - Condición típica del ciclo de vida de un pavimento

4.1.4. Reciclado El reciclado consiste en la reutilización, generalmente luego de cierto tratamiento, de un material del pavimento que ha cumplido su finalidad inicial, el cual se emplea para construir una nueva capa en la misma o en otra carretera. Existen diferentes maneras de clasificar el reciclado de pavimentos: por la temperatura a la cual se realiza, por la profundidad de pavimento involucrada en el proceso, por el lugar donde se realiza la operación de mezcla, etc. Para los propósitos de esta guía, se distinguirán dos clases generales de reciclado:

- Reciclado en planta en caliente


290

- Reciclado en el sitio, el cual comprende tanto los procesos de reciclado superficial en caliente como los de reciclado en frío en el mismo lugar de las obras.

La Tabla 4.1.6 resume las recomendaciones de la Asociación Norteamericana del Reciclado y la Recuperación de Pavimentos, para la elección del tipo de reciclado por aplicar [ref. 4.1.15]. Aunque ella constituye una buena guía, se debe tener presente que la experiencia local brinda siempre la mejor orientación en cada proyecto particular.

Cada una de estas técnicas tiene ventajas y desventajas y la elección del método por aplicar dependerá de factores técnicos, ambientales, sociales y económicos. Así, por ejemplo, el reciclado en el sitio es más económico que en planta, y consume menos energía, pero carece de la flexibilidad de éste que permite mejor confección y control de la nueva mezcla. Por su parte, el reciclado superficial en caliente pudiera ser el más barato de todos, pero también es el más limitado, no sólo por la profundidad de intervención, sino porque prácticamente no aporta refuerzo estructural de importancia, el cual sólo se logra, generalmente, con la construcción de un refuerzo sobre la capa reciclada. Salvo contadas experiencias en la década de los años 80, el reciclado en caliente en el sitio no ha sido de aplicación corriente en el país, ni la ingeniería de construcción nacional dispone de equipos para su ejecución. En la eventualidad de que el ingeniero considere su aplicación en un determinado proyecto, el sistema deberá ser contemplado, dentro de la filosofía de esta guía metodológica, como una técnica de restauración y no como una operación de reciclado. 4.1.4.1. Reciclado en planta en caliente Es el proceso por medio del cual se pulveriza, mediante fresado, un determinado espesor de una capa asfáltica, se transporta el material trozado a una planta, donde puede ser triturado y clasificado por su granulometría, y posteriormente es utilizado en la elaboración de una nueva mezcla en caliente, añadiendo materiales nuevos que incluyen agregados pétreos vírgenes, cemento asfáltico y un agente rejuvenecedor del asfalto del pavimento fresado. La nueva mezcla en caliente, que debe cumplir los mismos requisitos de calidad exigidos a un concreto asfáltico normal, se lleva al sitio escogido para su colocación, donde se extiende y compacta mediante equipos y procedimientos convencionales. Esta técnica se encuentra


291

contemplada dentro de las especificaciones de construcción vigentes en el Instituto Nacional de Vías, bajo el Artículo 462 [ref. 4.1.1]. Como para toda alternativa de rehabilitación, es preciso realizar comparaciones cuidadosas con el fin de determinar si la mezcla reciclada en planta en caliente constituye la propuesta económicamente más efectiva para la solución de los problemas de los deterioros en aquellos proyectos donde se considere su aplicación. El reciclado en planta en caliente permite corregir deficiencias de las mezclas y puede ser empleado también como fuente de material para incrementar la capacidad estructural de un pavimento. Sin embargo, donde exista un agrietamiento excesivo, no se puede esperar un buen comportamiento de la capa reciclada, si la insuficiencia estructural no ha sido enfrentada y corregida. El reciclado puede eliminar el agrietamiento, pero no necesariamente corrige el mecanismo que lo ha producido. Desde el punto de vista técnico, las mayores limitaciones al uso de este sistema se derivan de la existencia de materiales inadecuados dentro del pavimento que se recicla, como pueden ser las lechadas asfálticas, las mezclas abiertas y las capas elaboradas con asfaltos líquidos. Así mismo, se requieren grandes precauciones en las plantas de elaboración de la mezcla, ante la posibilidad de que se deban manejar materiales fresados de diferentes procedencias y, por lo tanto, de diferentes calidades. En consecuencia, el éxito de un proyecto de rehabilitación que incluya el reciclado en planta en caliente, precisa de un mayor control de ingeniería y de muchos ensayos de laboratorio, para garantizar que la mezcla reciclada presente una calidad similar a la de un concreto asfáltico elaborado totalmente con materiales nuevos. 4.1.4.2. Reciclado en el sitio Como se indicó atrás, el reciclado en el sitio se puede realizar de dos maneras, cada una de ellas con diferente grado de intervención estructural: reciclado superficial en caliente y reciclado en frío en el sitio.


292

Tabla 4.1.6. Guía para la selección del método de reciclado de pavimentos asfálticos [ref. 4.1.15]

TIPO DE DETERIORO DEL PAVIMENTO RECICLADO EN PLANTA

EN CALIENTE

RECICLADO EN EL SITIO

RECICLADO SUPERFICIAL EN CALIENTE

RECICLADO EN FRÍO EN

EL SITIO

DEFECTOS SUPERFICIALES Desprendimientos Exudación Superficie resbaladiza

X X X

X1 X4 X1

DEFORMACIÓNES Abultamientos Ahuellamiento poco profundo2 Ahuellamiento profundo3

X X

X4 X4

X5

AGRIETAMIENTO ASOCIADO A LAS CARGAS DEL TRÁNSITO Piel de cocodrilo Longitudinal en la banda de rodamiento Parabólicas

X X

X6

X7

X X

AGRIETAMIENTO NO ASOCIADO A LAS CARGAS DEL TRÁNSITO Grietas en bloque Grietas longitudinales de junta Grietas transversales de contracción

X X X

X8

X

X

AGRIETAMIENTO POR REFLEXIÓN X X

RUGOSIDAD Falta general de regularidad superficial Depresiones

X X9

X X9

Notas: 1 Aplicable si el espesor de la capa superficial no excede de 40 mm 2 Ahuellamiento limitado a los 50 mm superiores de las capas asfálticas 3 Ahuellamiento originado por la capa de base 4Constitutye una corrección temporal si toda la capa afectada no es removida o mejorada en sus características mecánicas 5 Generalmente se requiere la adición de nuevos agregados 6 Aplicable si el agrietamiento está restringido a la capa superficial 7 Aplicable si el tratamiento se realiza a una profundidad por debajo de la capa donde se presenta el agrietamiento 8 Aplicable si el agrietamiento está limitado a la capa superficial 9 Es sólo una corrección temporal si el deterioro está ligado a un problema de la subrasante


293

4.1.4.2.1. Reciclado superficial en caliente El reciclado superficial en caliente consiste en el reprocesamiento de la superficie del pavimento en bajos espesores, generalmente no superiores a 40 mm, en casos en que los deterioros del pavimento no sean atribuibles a deficiencias estructurales. Se incluye aquí todo procedimiento en que la superficie es cepillada o escarificada en caliente y adicionada o no de un agente de reciclado, con o sin la incorporación de materiales vírgenes, reacondicionada y recompactada. Mediante este sistema, se eliminan algunos deterioros superficiales tales como ahuellamientos, abultamientos y fisuramientos atribuibles a la carpeta asfáltica, al igual que excesos de asfalto y desprendimientos de ligante o de agregados pétreos. El sistema permite, también, regenerar las características antideslizantes del pavimento, restaurar la sección transversal de la calzada y rejuvenecer la superficie [ref. 4.1.16]. El reciclado superficial en caliente puede ser realizado mediante diferentes procedimientos, siendo los más utilizados el termo-reperfilado y la termo-regeneración. El termo-reperfilado comprende un conjunto de operaciones que son realizadas por una sola máquina en forma secuencial, a excepción de la compactación final (Figura 4.1.17). Estas operaciones son las siguientes:

- Calentamiento del pavimento, generalmente mediante rayos infrarrojos.

- Eventual adición de un rejuvenecedor del asfalto.

- Fresado del pavimento hasta la profundidad deseada, la cual no suele exceder de 25 mm.

- Homogeneización del material fresado y nivelación del mismo.

- Pre-compactación del material mediante una plancha adosada a la parte trasera de la máquina.

- Compactación final hasta lograr la densidad deseada, por medio de equipos normales de compactación de mezclas asfálticas.

La característica fundamental que identifica este sistema, es que no incluye el aporte de mezcla asfáltica nueva, lo que hace que la única mejora en las características del material reciclado sea la eventual adición del rejuvenecedor del


294

asfalto. Esto limita su aplicación a la corrección de pequeñas irregularidades superficiales, a la corrección de superficies deslizantes o, simplemente, a la búsqueda de un incremento de la densidad de la carpeta asfáltica.

Figura 4.1.1.17. – Termo - reperfilado de pavimento asfáltico

La termo - regeneración es una técnica que presenta algunas características comunes con la anterior, pero difiere de ella en el hecho de que existe aporte de mezcla nueva. El conjunto de operaciones por realizar depende del tipo de equipo utilizado, por cuanto algunos fresan en frío la capa asfáltica por reciclar, en tanto que otros la calientan previamente. Los del primer tipo poseen un tambor mezclador en caliente (Figura 4.1.18) y los del segundo no. En términos generales, el proceso abarca los siguientes pasos:

- Calentamiento del pavimento mediante rayos infrarrojos (algunos equipos).

- Escarificado o fresado del pavimento en la profundidad elegida y transporte del material recuperado al mezclador de la máquina recicladora.

- Si lo contempla el diseño, adición de agregados y asfalto nuevos y de un agente rejuvenecedor del asfalto antiguo y elaboración de la nueva mezcla.

- Descarga y distribución de la nueva mezcla sobre la superficie.

- Compactación con un tren de compactación convencional.


295

Figura 4.1.1.18. – Termo-regeneración de pavimento asfáltico

4.1.4.2.2. Reciclado en frío en el sitio El reciclado en frío en el sitio es un proceso de corrección de pavimentos con deficiencias estructurales, el cual consiste en la fragmentación y posterior reutilización de los materiales de la capa o capas superiores de un pavimento asfáltico en servicio, con o sin la adición de agregados pétreos nuevos o un agente de reciclado (o ambos) y agua, para conformar un nuevo material que es mezclado, colocado, compactado y curado en el mismo lugar, sin la adición de calor. Las estructuras recicladas en frío en el sitio presentan propiedades similares a las de las bases estabilizadas, razón por la cual deben ser cubiertas con una capa de desgaste. La selección del agente de reciclado y la decisión de incorporar o no agregados pétreos en el proceso, dependen las propiedades de los materiales por reciclar. A menudo, con más de un agente se obtienen las características requeridas para la mezcla y, en tales casos, la elección se basa en consideraciones de costos y de disponibilidad de los estabilizantes. Así mismo, puede resultar conveniente la posibilidad de incorporar más de un estabilizante. Es el caso, por ejemplo, de una base granular contaminada con arcilla. En esta eventualidad, se puede considerar un tratamiento preliminar con cal para disminuir la plasticidad y hacer más trabajable el material, al cual se añadirá posteriormente otro producto que incremente la resistencia de la capa. La incorporación de material pétreo virgen, el cual se debe colocar sobre la superficie del pavimento antes de ejecutar el reciclado, resulta a veces necesaria


296

para corregir algunas anomalías. Uno de los motivos, es la corrección de unos perfiles longitudinal y transversal muy defectuosos; otro, es la necesidad de mejorar la granulometría del material reciclado y un tercero es la posibilidad de aumentar el espesor reciclado, sin afectar exageradamente la estructura subyacente. Entre las razones que justifican el empleo del reciclado en frío en el sitio se pueden citar las siguientes: - Se mejora la capacidad estructural del pavimento, que es el principal beneficio

que se atribuye a esta técnica - Se reelaboran completamente una o más capas del pavimento, lo que permite

el mejoramiento de las propiedades de sus materiales, la corrección de problemas de dosificación y, consecuentemente, de los defectos superficiales

- El uso de estabilizantes proporciona al material reciclado una mayor

impermeabilidad y reduce la sensibilidad a los efectos de la humedad No obstante, el ingeniero no debe ignorar algunos factores limitantes, antes de optar por la alternativa del reciclado en frío: - El proceso de reciclado y el curado de la capa compactada pueden ser

demorados, lo que causa al tránsito automotor inconvenientes mayores que otras técnicas de rehabilitación

- La evolución favorable de la resistencia de la capa reciclada depende, en gran

medida, de las condiciones climáticas (temperatura y humedad) - La uniformidad en las operaciones y en el producto elaborado suele ser inferior

a la que se logra en las mezclas realizadas en planta En general, se pueden considerar tres tipos de reciclado en frío en el sitio: con ligantes hidrocarbonados, con conglomerantes hidráulicos y un proceso mixto empleando los dos anteriores [ref. 4.1.17].

4.1.4.2.2.1. Reciclado en frío en el sitio con ligantes hidrocarbonados Los ligantes empleados para este proceso son las emulsiones asfálticas fabricadas a partir de asfaltos o mezclas de asfaltos con agentes regenerantes, así como la


297

espuma de asfalto obtenida por inyección de agua a un cemento asfáltico caliente en el momento del reciclado. En principio, el comportamiento de ambos tipos de ligantes se puede considerar similar a los efectos del diseño estructural, a pesar de las diferencias en su elaboración y en la rapidez con la cual se logra el curado y la maduración de la mezcla compactada. Dentro de las especificaciones de construcción vigentes en el Instituto Nacional de Vías, este tratamiento se encuentra contemplado en el Artículo 461 [ref. 4.1.1]. Este sistema de reciclado permite varias posibilidades en las que, si bien la técnica de puesta en obra es similar, los resultados obtenidos difieren en cuanto a la calidad del material final y, por lo tanto, a las prestaciones del diseño estructural de la rehabilitación. La Tabla 4.1.7 identifica tres tipos generales de reciclado en frío con ligantes hidrocarbonados, dentro de los cuales se puede ubicar la mayoría de los casos que se presentan en la práctica. Si se presentan situaciones diferentes, el ingeniero las deberá asimilar a ellos o establecer una clasificación diferente con una adecuada motivación.

Tabla 4.1.7. Posibilidades de reciclado en frío en el sitio con ligantes hidrocarbonados

[Adaptada de 4.1.17]

TIPO I TIPO II TIPO III

MATERIAL RECICLADO DEL

PAVIMENTO EXISTENTE

Capa asfáltica < 50 mm + base granular

Capa asfáltica de 50 a 100 mm + base granular

Sólo capas asfálticas

OBJETIVO

Mejoramiento mecánico o geométrico del pavimento

Como en el Tipo I y, eventualmente, regeneración del ligante existente

Regeneración del ligante existente y recomposición de la mezcla, mejorando levemente la capacidad estructural de la capa reciclada

El tipo I corresponde a aquellas situaciones en las que se pretende reciclar materiales que en su mayor parte no están tratados con ligantes asfálticos. Es el caso de pavimentos constituidos por capas granulares con un revestimiento formado por un tratamiento superficial o por una carpeta asfáltica delgada. En general, la aplicación del reciclado a este tipo de pavimentos permite obtener una capa de base similar a una estabilización con emulsión, de características


298

mejoradas respecto del material granular de partida. El espesor del reciclado puede variar en función de las características del tránsito, desde 80 mm para vías de tránsito muy liviano hasta unos 150 mm en vías de tránsito de mediana intensidad. En este tipo de reciclado no se suele valorar el efecto del ligante presente en el pavimento existente a los efectos del diseño de la mezcla. El tipo II corresponde a una situación intermedia en la cual se reciclan materiales tratados con ligantes asfálticos con materiales no tratados, con una proporción de los primeros bastante mayor que en el tipo I. Por la composición estructural de la calzada, esta situación corresponde a pavimentos que soportan tránsitos de intensidad media y alta. La profundidad por someter al tratamiento, puede exceder de 150 mm. El tipo III corresponde a la situación que se plantea cuando solamente se reciclan materiales tratados con ligantes bituminosos. Se trata, normalmente, de carreteras de tránsito pesado con problemas de fisuramiento por fatiga, envejecimiento, reflexión, etc. En general, se trata de estructuras homogéneas que permiten encontrar una fórmula de reciclado mediante una emulsión de efecto regenerante o un cemento asfáltico blando, en baja proporción. Lo más habitual, es el tratamiento en espesores entre 60 y 120 mm, con un máximo absoluto de 150 mm y, en cualquier caso, con un espesor superior al de la capa de rodadura, para evitar problemas de interfaz. El material obtenido después del proceso de maduración es generalmente de mejores características que una base estabilizada con emulsión, asimilándose a una capa de base asfáltica. La técnica de reciclado en frío en el sitio con ligantes hidrocarbonados presenta un buen número de aspectos positivos que hacen atractiva su utilización. Entre ellos merecen destacarse los siguientes:

- Se minimizan las necesidades de ligantes y de agregados nuevos. Así mismo, se elimina gran parte del transporte necesario en las operaciones convencionales de refuerzo y de reconstrucción. Estos dos aspectos se suelen traducir en beneficios ambientales y en ahorros energéticos y de dinero, respecto de otras técnicas de rehabilitación estructuralmente equivalentes.

- Se reduce el efecto adverso que tienen las operaciones de rehabilitación convencionales sobre gálibos, bordillos, pozos de inspección etc., con lo que se obtienen economías adicionales en el proyecto.

- Se mejoran la regularidad y el perfil del pavimento existente.


299

Sin embargo, como cualquier otra técnica, la de reciclado en frío en el sitio con ligantes hidrocarbonados presenta algunas limitaciones:

- No todos los materiales son susceptibles de ser reciclados en forma efectiva y económica.

- La obtención de muestras verdaderamente representativas para el diseño de la mezcla no es sencilla y el procedimiento de diseño puede resultar largo y costoso.

- El trabajo sólo es efectivo y da lugar a una capa de comportamiento homogéneo, si no hay variaciones muy pronunciadas en las características de los materiales por reciclar y en los espesores de las capas, tanto en sentido longitudinal como transversal.

- Cuando el pavimento presenta deformaciones permanentes considerables, el reciclado en frío en el sitio puede no ser la mejor opción técnica. Sin embargo, si se insiste estudiar la alternativa, se debe contemplar, bien la posibilidad de añadir material pétreo virgen sobre la superficie, previamente a la pulverización del pavimento o bien hacer un fresado o escarificación previa, con el retiro del material resultante de dicha operación, buscando la regularidad geométrica de la capa por reciclar.

- El sistema no soluciona algunos problemas habituales de los pavimentos asfálticos, en particular aquellos asociados con la baja calidad de las capas inferiores. Igualmente, si la capa que sirve de soporte al reciclado no es relativamente firme, la compactación de éste puede resultar poco satisfactoria.

- El reciclado en frío en el sitio con ligantes hidrocarbonados requiere un período de maduración, lo que hace que se presenten prevenciones para el empleo de esta técnica, dada la inconveniencia de actuar inmediatamente después del reciclado. Este problema, evidente y molesto cuando se usan emulsiones, se supera de manera sustancial con el empleo del asfalto espumado y con la técnica de reciclado mixto.

- Cuando se realice un reciclado con un ligante bituminoso en un espesor de diseño que exceda de 200 milímetros, el proceso se debe efectuar en dos (2) capas de espesor aproximadamente igual, para favorecer el proceso de curado y la maduración de la mezcla.


300

4.1.4.2.2.2. Reciclado en frío con conglomerantes hidráulicos El conglomerante hidráulico más utilizado, con diferencia, es el cemento Portland. El uso de escorias y cenizas, aunque factible, se encuentra muy limitado en el país. El uso de la cal es posible pero, como se indicó antes, como tratamiento previo a la adición de otros aglomerantes: asfalto o cemento. En este caso, la cal aporta propiedades complementarias muy interesantes, como pueden ser la disminución de la plasticidad de la fracción fina o el aumento de la velocidad de rotura y maduración de las emulsiones. Sin embargo, por sus reducidas características mecánicas, los materiales tratados exclusivamente con cal deben ser considerados como mejoramientos y no como operaciones de reciclado. La aplicación del conglomerante para el reciclado se puede realizar de tres maneras: (i) esparciéndolo sobre la superficie del pavimento previamente al paso de la máquina recicladora (Figura 4.1.19); (ii) mezclado con agua en forma de lechada, la cual es incorporada directamente en la cámara de mezclado y (iii) mediante un distribuidor de cemento a granel, acoplado a la máquina recicladora.

Figura 4.1.19. – Cemento esparcido sobre la superficie de un pavimento asfáltico por reciclar

Debido a su comportamiento mecánico, las mezclas con conglomerantes hidráulicos requieren un espesor mínimo del orden de 150 mm, razón por la cual el campo de aplicación de este tipo de reciclado está claramente enfocado hacia el tratamiento de espesores de alguna consideración.


301

4.1.4.2.2.3. Reciclado mixto en frío en el sitio Se caracteriza por el empleo de dos aglomerantes, uno hidráulico y uno bituminoso. El estabilizante puede estar preparado previamente en forma de emulsión de asfalto y cemento o, lo que es más habitual, se alimenta el equipo con los dos productos simultáneamente o se ejecuta la operación en dos pasadas. La aplicación de este proceso en el país ha estado enfocada hacia la reducción del periodo de maduración de la mezcla cuando se utiliza una emulsión asfáltica; aunque también resulta efectivo para incrementar la resistencia conservada en presencia de agua; sin que se sacrifique sustancialmente la resistencia a la fatiga. 4.1.4.3. Consideraciones adicionales El fresado de una delgada capa superficial y la remoción del material resultante de esta operación (conocido como RAP, que es el acrónimo del término inglés Reclaimed Asphalt Pavement) pueden ser necesarios para mantener los niveles de la rasante existente antes de acometer la rehabilitación mediante refuerzo o reciclado, de manera de evitar el dispendioso y costoso trabajo asociado con la elevación de andenes, elementos de drenaje y otras instalaciones. Generalmente, este requisito es obligatorio únicamente en ambientes urbanos. La pérdida de espesor del pavimento ocasionada por esta operación, debe ser considerada en el momento de determinar el espesor de las obras de rehabilitación. Así mismo, se debe tener en cuenta que las mezclas asfálticas sufren una expansión volumétrica de más o menos 10%, cuando se convierten en material reciclado. 4.1.5. Reconstrucción Para los efectos de esta guía, se entiende por reconstrucción la remoción y el reemplazo parcial o total de la estructura del pavimento existente, conservando la explanación y el alineamiento de la vía. Constituye la opción más enérgica de rehabilitación, debiendo optarse por ella cuando la estructura está agotada, no tiene vida residual y presenta elevados índices de deterioro superficial (Is entre 5 y 7), sintomáticos de la existencia de deformaciones permanentes no atribuibles a desplazamientos plásticos de las capas asfálticas por inestabilidad o insuficiencias de compactación, asociadas generalmente con abundantes ojos de pescado y fisuramientos de fatiga, que excluyen cualquier posibilidad del reciclado de las capas superiores o de un refuerzo con un tratamiento previo y espesores razonables (Figura 4.1.20). En este caso, lo más importante es determinar cuáles capas deben ser escarificadas y removidas, y evaluar la capacidad portante de la


302

estructura remanente, cuya presencia debe ser aprovechada en el diseño de las obras de reconstrucción.

Figura 4.1.20. – Pavimento asfáltico para reconstruir

La reconstrucción del pavimento se puede realizar, bien colocando capas de comportamiento flexible, bien incorporando capas estabilizadas con aditivos que den a la nueva estructura un comportamiento semiflexible o semirrígido, o bien a través de la construcción de losas de concreto hidráulico, las cuales convierten el pavimento en una estructura de tipo rígido. Si las deformaciones del pavimento no son excesivas, también puede resultar posible la construcción de un recubrimiento blanco (whitetopping), previa la renivelación de la calzada existente. 4.1.5.1. Reconstrucción de tipo flexible Consiste en reemplazar las capas removidas con materiales granulares no tratados, ajustados a las especificaciones de construcción de carreteras, los cuales se cubren con una o más capas de concreto asfáltico convencional o modificado con polímeros, en espesores obtenidos según un diseño estructural, acordes con la capacidad de las capas remanentes y las expectativas del tránsito para la siguiente etapa de vida del pavimento. 4.1.5.2. Reconstrucción de tipo semiflexible o semirrígido El trabajo es conceptualmente igual al anterior. La diferencia se debe a que una o más de las capas inferiores de la rehabilitación están conformadas por estabilizaciones, generalmente con cemento Portland, asfalto emulsionado o asfalto espumado. Es factible, también, el empleo de otros productos no


303

convencionales, siempre que su aplicación esté debidamente verificada y aprobada por agencias internacionales de normalización en ingeniería de pavimentos. 4.1.5.3. Reconstrucción de tipo rígido Consiste en la colocación de un pavimento de concreto hidráulico sobre la superficie que quede expuesta después de remover el espesor de capas que el ingeniero estime debe ser retirado para garantizar el apoyo uniforme a las losas de concreto. El espesor de las losas se determina como en el caso del diseño de un pavimento rígido nuevo, usando la parte aprovechable del pavimento existente como capa de apoyo para la determinación del módulo de reacción de diseño.

4.1.5.4. Recubrimiento blanco Procedimiento conocido como “whitetopping”, consiste en la colocación de una sobrecapa de concreto hidráulico directamente sobre el pavimento existente o sobre una capa de nivelación que corrija las deformaciones de éste (Figura 4.1.21). Como en el caso del numeral anterior, el espesor de las losas se determina como en el caso del diseño de un pavimento rígido nuevo, usando el pavimento existente como subrasante para la determinación del módulo de reacción de diseño.

Figura 4.1.21. – Recubrimiento blanco (whitetopping)

4.1.6. Corrección de fallas localizadas Aun cuando el pavimento presente, como conjunto, una condición adecuada, siempre está latente la aparición de algunos desperfectos localizados, algunos de ellos del tipo B que, en su mayoría, son de tipo funcional. Estos deterioros exigen


304

reparaciones que usualmente no están ligadas con la capacidad estructural general de la calzada. Su origen se encuentra, más bien, en deficiencias constructivas y en condiciones locales particulares que el tránsito ayuda a poner en evidencia. Entre estos deterioros se pueden citar los agrietamientos motivados por motivos diferentes a la fatiga, los ojos de pescado localizados, las depresiones, las segregaciones, los desprendimientos y los afloramientos. En este caso, la solución de mantenimiento se deriva del simple reconocimiento de la existencia de los deterioros, no siendo necesario apelar a otros parámetros para realizar el diagnóstico y para establecer la solución. Así, por ejemplo, los daños del tipo de ojo de pescado deben ser sometidos a bacheo, las áreas exudadas deben ser sometidas a un tratamiento que brinde propiedades antideslizantes a la superficie, etc. Como ya se ha indicado, los deterioros del tipo A suelen generar trabajos importantes de rehabilitación, los cuales traen implícito el paliativo para los defectos del tipo B que existan en el mismo tramo. Así, por ejemplo, el sellado de fisuras o la impermeabilización de la superficie para impedir la entrada del agua no son necesarios, si se acoge una operación de reciclado para remediar defectos de mayor importancia. Se puede concluir que, en general, las degradaciones del tipo B sólo intervienen en la solución, en ausencia de las del tipo A. Si las degradaciones del tipo B se manifiestan de manera continua en la calzada, como puede ser el caso de algunos desprendimientos y exudaciones, su corrección de debe realizar a través de algún procedimiento apropiado de los descritos en el numeral 4.1.2 (Restauración). 4.1.7. Otros materiales para la rehabilitación A los efectos de aplicación de la presente guía, se han considerado alternativas que involucran las unidades de obra más usuales, la mayoría de ellas incluidas en las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS vigentes en el momento de la redacción de la guía. Si, por razones económicas o ambientales, se justifica el empleo de otras unidades de obra, se deberá realizar un estudio específico de sus características mecánicas, de durabilidad, de costo y de efecto ambiental, para proyectar, con base en ellas y de manera correcta, la solución de rehabilitación que, en todos los casos, requerirá la aprobación previa del Instituto Nacional de Vías para su implementación.


305

REFERENCIAS 4.1.1 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras”, Bogotá, 2006 4.1.2 - MINISTERIO DE FOMENTO, “Rehabilitación de firmes. Instrucción de carreteras 6.3 IC”, Madrid, 2003 4.1.3 - NATIONAL HIGHWAY INSTITUTE, “Techniques for pavement rehabilitation. A training course”, 1998 4.1.4 - CIESM, “Técnicas especiales y nuevas tendencias en la tecnología en frío”, Madrid, España, s/f 4.1.5 - DARTER M.I. & HALL K.T., “Structural overlay strategies for jointed concrete pavements – Volume IV – Guidelines for the selection of rehabilitation alternatives”, FHWA-RD-()-145, March 1993 4.1.6 - ARA INC, ERES CONSULTANTS DIVISION, “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures”, NCHRP Report 1-37A, Champaign, Illinois, March 2004 4.1.7 - TRANSPORT RESEARCH LABORATORY, “A guide to road project appraisal”, Overseas Road Note 5, Crowthorne, U.K., 1998 4.1.8 - MAURER D.A. & MALASHESKIE G.J., “Field performance of fabrics and fibres to retard reflective cracking”, TRB Record 1948, 1982 4.1.9 - INSTITUTO DE PESQUISAS RODOVIÁRIAS, “Manual de restauração”, Rio de Janeiro, 2006 4.1.10 - BUTTON J. & LYTTON R., “Guidelines for using geosynthetics with HMA overlays”, Report 1777-P2, Texas Transportation Institute, College Station, Texas, April 2003 4.1.11 - PREDOEHL N.H., “Evaluation of paving fabric test installations in California. Final Report”, CALTRANS, FHWA/CA/TL-90/02, 1990 4.1.12 - CARO S. & CAICEDO B., “Modelación del ahuellamiento en mezclas asfálticas”, Terceras jornadas internacionales del asfalto, Popayán, 2002


306

4.1.13 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Normas de ensayo de materiales para carreteras. Norma INV E-756”, Bogotá, 2006 4.1.14 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Volúmenes de tránsito 2003”, Bogotá, 2003 4.1.15 - ASPHALT RECYCLING AND RECLAIMING ASSOCIATION, “An overview of recycling and reclamation methods for asphalt pavement rehabilitation”, August 1992 4.1.16 - MINISTERIO DE OBRAS PÚBLICAS Y TRANSPORTE, “Reciclaje de pavimentos. Norma MOPT DE-6-02”, Bogotá, 1986 4.1.17 - BARDESI A., “Reciclado en frío (La experiencia española)”, Revista El Asfalto, número 93, Buenos Aires, Segundo Trimestre 2001


307

CAPÍTULO 2 TÉCNICAS INDICADAS POR LA EVALUACIÓN DE DETERIOROS

Las Tablas 4.2.1 y 4.2.2, adaptadas de la referencia [4.2.1], apoyan al ingeniero en la identificación de los tratamientos posibles de rehabilitación, asociados con los deterioros existentes en el pavimento, tanto los de tipo A, como los de tipo B. La primera tabla se emplea cuando la capa de rodadura es del tipo concreto asfáltico y la segunda cuando es un tratamiento superficial. Las filas de estas tablas presentan los deterioros (son los mismos que se indican en las filas de las Tablas 3.1.1 y 3.1.2), en tanto que los posibles tratamientos de rehabilitación, agrupados según cada una de las 4R, se presentan en las columnas. En estas tablas se determinan algunas técnicas apropiadas para corregir cada tipo de deterioro, evaluando el símbolo incluido en cada celda: el punto lleno negro indica una buena opción, el punto blanco en su interior representa un tratamiento marginal y la falta de símbolo indica que el respectivo tratamiento asociado no es válido para enfrentar el deterioro. Como se puede ver en las tablas, para determinados tipos de deterioros hay más de una técnica de rehabilitación posible para eliminarlos. Complementando las anteriores, las Tablas 4.2.3 y 4.2.4 asocian los tratamientos de rehabilitación posibles con las causas de los deterioros. La primera tabla se emplea cuando la capa de rodadura es del tipo concreto asfáltico y la segunda cuando es un tratamiento superficial. La aptitud del tratamiento se determina evaluando el símbolo incluido en la respectiva celda, bajo el mismo criterio descrito para las Tablas 4.2.1 y 4.2.2. Las técnicas de rehabilitación que se presentan como posibles de acuerdo con la evaluación de deterioros, según se describe en el presente Capítulo, no se deben tomar como definitivas. Ellas se deben comparar y complementar con las obtenidas como resultado de las demás evaluaciones. La comparación y la complementación son necesarias y obligatorias para escoger, con criterio ingenieril, las mejores alternativas y conformar con ellas las estrategias de rehabilitación que permitan resolver, de manera simultánea, todos los deterioros del pavimento y las causas que los produjeron.


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MEZCLA TIERNA

MEZCLA SEGREGADA

DEFICIENTE PREPARACIÓN DE LA SUP.

EXCESO O DEFECTO DE LIGA

INADECUADO SELLADO DE GRIETAS

COMPACTACIÓN INADECUADA

EXCESO DE HUMEDAD EN LA MEZCLA

BAJO ESPESOR DE CAPAS ASFÁLTICAS

BAJO ESPESOR DE BASE/SUBBASE

DEFICIENTE COMPACTACIÓN DE SUBRASANTE

DEFICIENTE COMPACTACIÓN BASE/SUBBASE

DEFICIENTE GRADACIÓN BASE/SUBBASE

ALTA VISCOSIDAD DEL ASFALTO

BAJA VISCOSIDAD DEL ASFALTO

ASFALTO MUY SUSCEPTIBLE A LA TEMPERATURA

ASFALTO DE RÁPIDO ENVEJECIMIENTO

MEZCLA SENSITIVA A LA HUMEDAD

AGREGADO DE ESCASA DURABILIDAD

AGREGADO DE ESCASA SOLIDEZ

AGREGADOS SUCIOS

ALTA EXPOSICIÓN A LA HUMEDAD

BAJA TEMPERATURA AMBIENTE

ALTA TEMPERATURA AMBIENTE

CICLOS DIARIOS DE TEMPERATURA FUERTES

ALTO VOLUMEN DE TRÁNSITO

ALTO NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES

ESTRUCTURA INSUFICIENTE

DEFICIENTE SELECCIÓN DE MATERIALES

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311

ALTERNATIVA

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MEZ

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BAJO CONTENIDO DE LIGANTE

ALTO CONTENIDO DE LIGANTE

GRADACIÓN DEFICIENTE

INCOMPATIBILIDAD EMULSIÓN/AGREGADO

DOSIFICACIÓN INADECUADA

JUNTAS DEFICIENTES

ROTURA PREMATURA DEL LIGANTE

AGREGADO SUCIO O MUY HÚMEDO

APERTURA PREMATURA AL TRÁNSITO

LIGANTE MUY FRÍO

INCORRECTA CALIBRACIÓN O ALTURA DE LA FLAUTA

BOQUILLAS MAL ALINEADAS

ALTA VISCOSIDAD DEL LIGANTE

BAJA VISCOSIDAD DEL LIGANTE

LIGANTE MUY SUSCEPTIBLE A LA TEMPERATURA

LIGANTE SUSCEPTIBLE A LA HUMEDAD

RÁPIDO ENVEJECIMIENTO DEL LIGANTE

DEFICIENTE SANIDAD DEL AGREGADO

FORMA INADECUADA DEL AGREGADO

AGREGADO DE BAJA ADHERENCIA

ALTA EXPOSICIÓN A LA HUMEDAD

BAJA TEMPERATURA AMBIENTE

ALTA TEMPERATURA AMBIENTE

GRADIENTES TÉRMICOS DIARIOS ELEVADOS

ALTO VOLUMEN DE TRÁNSITO

ALTO NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES

EXUDADA/BLANDA

SECA/SUCIA

PARCHADA

RESTAURACIÓN

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○x

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312

REFERENCIAS 4.2.1 - COOK M.C., SEEDS S.B., ZHOU H. & HICKS R.C., “Guide for investigation and remediation of distress in flexible pavements. A Description of CALTRANS new procedure”, TRB 2004 Annual Meeting


313

CAPÍTULO 3 TÉCNICAS INDICADAS POR LAS EVALUACIONES ESTRUCTURAL,

FUNCIONAL Y DEL DRENAJE 4.3.1. Generalidades Los resultados de la evaluación estructural descrita en la Parte 3 de esta guía permiten concluir al diseñador si las estrategias de rehabilitación por desarrollar deben incluir algún mejoramiento estructural, sea refuerzo, reciclado o reconstrucción. El tipo de mejoramiento estructural más apropiado para lograr un buen comportamiento y efectividad en costo, para una condición determinada del pavimento, depende de la vida residual del pavimento en el instante en el cual se va a realizar el mejoramiento. El comportamiento de algunos tipos y espesores de sobrecapas es muy sensible al tipo, a la extensión y a la calidad de los trabajos de tratamiento previo. En muchos casos, la reparación previa puede constituir el mayor componente de los costos iniciales de rehabilitación. No hay reglas simples, de aceptación general, que permitan establecer umbrales precisos para identificar el tipo de mejoramiento estructural más apropiado en determinado instante de la vida del pavimento. La decisión depende de muchos factores, incluyendo el tipo, la gravedad y la extensión de los deterioros existentes, la extensión de los tratamientos previos previstos (a menudo los recursos son insuficientes para reparar el 100% de los deterioros existentes de gravedad media y alta), el tipo de refuerzo y el espesor del mismo. Por ello, siempre es recomendable que se consideren y se desarrollen en detalle, cuando menos, dos alternativas para cualquier pavimento que requiera un mejoramiento estructural [ref. 4.3.1]. En la Figura 4.1.14 (Parte 4 Capítulo 1) se presenta una relación conceptual entre la condición del pavimento y las diferentes necesidades de rehabilitación. Se puede apreciar en ella que el instante apropiado para una determinada alternativa de intervención estructural está asociado con la condición general del pavimento (medida, por ejemplo, a través del Índice de Servicio Presente). Sin embargo, se advierte que hay traslapos entre las alternativas para una determinada condición, lo que confirma la necesidad de estudiar al menos dos alternativas cuando la situación estructural del pavimento esté comprometida y reafirma la importancia del buen juicio ingenieril en el proceso de decisión.


314

Siempre que las opciones a considerar sean el refuerzo, el reciclado o la reconstrucción del pavimento, ellas evitan la necesidad de realizar otros mejoramientos específicos de tipo funcional como, por ejemplo, reducir la rugosidad o incrementar la fricción. Los trabajos de restauración, requeridos para corregir los defectos de tipo funcional, sólo constituirán la solución principal cuando el pavimento posea una vida residual de alguna consideración. 4.3.2. La vida residual del pavimento Se entiende por vida residual, la cantidad de tránsito que el pavimento se encuentra en capacidad de soportar antes de llegar a la falla. De esta definición, se encuentra que el valor de la vida residual es altamente dependiente del umbral que se considere como “falla” en el estado del pavimento. Aunque existen diferentes aproximaciones para ello, teóricamente equivalentes, es muy raro que ellas conduzcan en la práctica al mismo resultado, debido a las complejidades que involucra la elección de los parámetros de cálculo, la estimación de los errores y las desviaciones entre el comportamiento que se predice y el que realmente presenta el pavimento [ref. 4.3.2]. De hecho, algunos métodos recientes sólo brindan conceptos muy generales y subjetivos para que el diseñador determine si el pavimento posee o no vida residual. En términos matemáticos simples, la vida residual (Vr) se puede expresar, en porcentaje, como:

100*N

n1Vr

Donde: n: Número de aplicaciones de carga hasta el instante de la

Rehabilitación.

N: Número de aplicaciones de carga que puede soportar el pavimento existente, desde su construcción o última rehabilitación, hasta alcanzar la falla.

Consecuentemente, la relación (n/N) es el deterioro acumulado del pavimento, es decir, la vida consumida por el tránsito previo a la ejecución de las obras de rehabilitación.


315

4.3.2.1. Criterio de agrietamiento por fatiga El conocimiento del tipo, gravedad y extensión del agrietamiento por fatiga es fundamental para estimar, junto con las deformaciones específicas y el tránsito que ha circulado, si existe vida residual en el pavimento por rehabilitar. Si ella existe y es ignorada, las obras que se diseñen para el mejoramiento estructural pueden resultar conservativas. Existen diferentes aproximaciones para ligar el agrietamiento con la posibilidad de la existencia de vida residual en el pavimento. Una de ellas, se basa en la clasificación de agrietamientos derivada del ensayo vial AASHO [ref. 4.3.3]. Partiendo de esta interpretación y adaptándola al sistema de valoración de deterioros incluido en la presente guía, se puede considerar que para aquellos tramos donde el índice de fisuración (If) sea 0 o 1 y ocasionalmente 2, el pavimento presenta vida residual, si para las condiciones de servicio de la estructura, el tránsito soportado por ella hasta el instante de ejecución de las obras de rehabilitación es inferior al límite que puede resistir con la deformación específica de tracción en la fibra inferior de las capas asfálticas generada por el modelo del tramo de pavimento bajo evaluación. Para los demás niveles de fisuramiento, si bien se puede suponer que la estructura conserva alguna capacidad de sustentación de cargas en el caso de que las fisuras mantengan alguna trabazón, resulta prudente suponer la inexistencia de la vida residual. No se debe descartar, sin embargo, que la realización de un bacheo apropiado pueda mejorar la condición del pavimento desde el punto de vista del índice de fisuramiento y, eventualmente, permitir la consideración de la existencia de algún remanente de vida en la estructura para efectos del diseño de las obras de rehabilitación. La mayoría de los criterios de predicción del deterioro de las capas asfálticas utilizan la deformación máxima de tensión en el fondo (o cerca del fondo) de ellas. Esta deformación se utiliza para calcular el número admisible de repeticiones de carga, a través de la relación clásica:

2k

1fε

1kN

Siendo k1 y k2 constantes experimentales, obtenidas por medio de pruebas de laboratorio.


316

A pesar de la sencillez de esta expresión, ella presenta algunos problemas de tipo práctico: - La falla no queda siempre bien definida. Para ensayos de laboratorio con

esfuerzo controlado, la muestra falla claramente luego de un determinado número de aplicaciones de carga, pero en las pruebas con deformación controlada, el caso no es siempre éste. En estas últimas pruebas, el módulo decrecerá durante algún tiempo a partir del cual permanece constante a un bajo nivel. Por tal razón, la falla se define a menudo como el instante en que el módulo decrece hasta un valor igual a la mitad del inicial [ref. 4.3.4].

- A constancia de todos los demás factores, las altas temperaturas originan

mayores deformaciones en las capas asfálticas. La ecuación predice que la mayoría del daño ocurre a altas temperaturas, lo que contradice la experiencia general [ref. 4.3.4].

- Los ensayos a deformación controlada dan lugar a vidas mayores que los

ensayos a esfuerzo controlado, aun cuando la falla sea definida como el decrecimiento del módulo al 50% del valor inicial. Esto no es sorprendente, si se tiene en cuenta que se suministra mayor energía en las pruebas a esfuerzo controlado que en las pruebas a deformación controlada [ref. 4.3.4].

- Los valores numéricos de k1 y k2 son específicos de la mezcla asfáltica ensayada

y de las condiciones simuladas en la prueba. Su extrapolación a otras mezclas y entornos diferentes resulta enormemente peligrosa. Inclusive, el comportamiento de una misma mezcla bajo un mismo entorno, varía de acuerdo con el grado de compactación de la misma.

Algunas organizaciones han desarrollado expresiones que ayudan a superar los problemas ligados con esta ecuación. Una de ellas, es la del Instituto del Asfalto [ref. 4.3.5]:

[ ]0.8543.291t

5f *Eε10*6.167(C)N

−−−=

Donde: tε : Deformación unitaria de tensión en la capa asfáltica (mm/mm).

*E : Módulo dinámico de la mezcla asfáltica (MPa).


317

C: Función dependiente de los volúmenes de vacíos con aire (Va) y de asfalto (Vb) en la mezcla compactada, los cuales están en porcentaje:

M10C =

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−

+= 0.69

VV

V*4.84M

ba

b

Para una mezcla convencional con Vb = 11% y Va = 5%, M = 0 y C = 1. La ecuación del Instituto del Asfalto fue obtenida a partir de datos de ensayos de fatiga en el laboratorio, los cuales se ajustaron para dar una indicación de, aproximadamente, 20 % de agrietamiento por fatiga (respecto del área total del pavimento) en secciones seleccionadas del AASHO Road Test. Otra expresión de este tipo, es la que aparece en el manual de diseño de pavimentos de la SHELL [ref. 4.3.6]:

( ) 5.0t

1.8

mix65.0

bf ε*S10*1.08)(0.856VN −−+=

En la cual Smix tiene el mismo significado y las mismas unidades del *E de la ecuación del Instituto del Asfalto En el instante de aplicar estas expresiones o cualquier otra de la misma índole, el ingeniero deberá tener presente dos cosas: la primera, que las condiciones de ensayo en laboratorio (carga totalmente concentrada y reducido período de reposo entre repeticiones de carga) son mucho más exigentes que las que impone el tránsito real y, en consecuencia, se requiere aplicar algún factor de desplazamiento (Shift Factor) que establezca una equivalencia razonable entre las dos condiciones de trabajo:

Nt = Nf*(Factor de desplazamiento) En acuerdo con la experiencia general, se aplican valores del factor de desplazamiento que oscilan entre 10 y 20 [ref. 4.3.6]. En la ecuación del Instituto del Asfalto, el factor recomendado es 18.4 [ref. 4.3.14].


318

En segundo lugar, debe tener presente que el módulo dinámico por utilizar en la fórmula, debe corresponder a las condiciones reales de compactación de la mezcla en el terreno y no a las de compactación máxima, que rara vez son reproducidas en la práctica de las obras. La manera más simple para determinar el tránsito admisible (Nt) en un punto no fisurado del pavimento con estas expresiones, consiste en partir del valor de deflexión de impacto y, a partir de él, obtener por retrocálculo la deformación de tracción en la fibra inferior de las capas asfálticas (εt) y el módulo con el que ella trabaja *E . Con estos valores se va a la ecuación de fatiga que se haya elegido y se

calcula el Nf, el cual es afectado, posteriormente, con el factor de desplazamiento elegido por el ingeniero. En las calzadas de tipo semirrígido, es decir aquellas cuya capa de base se encuentra estabilizada con algún ligante hidráulico, la estructura responde ante las cargas del tránsito de una manera diferente que una estructura convencional con base granular. Debido a su mayor rigidez, la presencia de la base estabilizada desplaza el punto crítico de esfuerzo y deformación por tensión hacia el fondo de esta capa. Sin embargo, el agrietamiento por fatiga se puede desarrollar a partir de allí y propagarse hacia la superficie, durante el transcurso de la vida del pavimento. De los criterios de falla que se pueden adoptar para el caso de materiales tratados con cemento, el más usual es buscar que la tensión de tracción en la cara inferior (σr) de la capa no supere el 50 % o 60 % de la resistencia a flexotracción del material (Rf). Con esta hipótesis, se suele suponer que dicha capa soportará la aplicación de un número ilimitado de cargas sin agrietarse por fatiga [ref. 4.3.7]. La referencia [4.3.8] presenta la siguiente ley de fatiga para las mezclas de suelo cemento:

Nlog*0.0801R

σ

f

r

Los modelos de comportamiento citados en el presente numeral se refieren a los agrietamientos que se generan en el fondo de las capas asfálticas (o estabilizadas con ligantes hidráulicos) a causa de las deformaciones de tensión excesivas que se producen allí por la flexión repetida de las capas al circular sobre ellas las cargas del tránsito. En los últimos años se ha determinado otro patrón de agrietamiento por fatiga, el cual se genera en la superficie y se propaga hacia abajo (top-down


319

cracking) (Figura 4.3.1), cuya formación y evolución se atribuyen a esfuerzos de tensión en la interacción neumático-pavimento y a la baja resistencia a la tensión de la mezcla asfáltica. La corrección de las zonas afectadas con este tipo de agrietamiento se suele acometer con acciones de restauración, motivo por el cual el diseñador deberá ser muy cuidadoso al valorar las fisuras y determinar las alternativas de rehabilitación.

Figura 4.3.1. – Diferentes etapas del desarrollo de las fisuras descendentes y núcleos de algunos pavimentos afectados [ref. 4.3.9]

4.3.2.2. Criterio de deformación permanente El ahuellamiento de un pavimento asfáltico puede comenzar en cualquier capa de la estructura por deficiencias en su calidad o en su comportamiento, lo que hace que la predicción de este fenómeno sea más difícil que la del fisuramiento por fatiga. Dos procedimientos han sido usados para limitar el ahuellamiento: uno limita la deformación vertical de compresión sobre la subrasante y el otro limita la deformación total permanente acumulada en la superficie del pavimento con base en las propiedades de deformación permanente de cada una de las capas. Los métodos mecanísticos clásicos de diseño de pavimentos utilizan el primer procedimiento y asumen que la falla por ahuellamiento se genera en la subrasante y que las diferentes capas de la estructura poseen la resistencia al corte suficiente para soportar adecuadamente la acción de las cargas del tránsito [ref. 4.3.6] [ref. 4.3.10]. Esta recomendación se basa en el análisis de los pavimentos del ensayo vial AASHO y de secciones diseñadas a partir de la prueba CBR. Como en el caso del agrietamiento por fatiga, el criterio de deformación vertical compresiva de la subrasante se puede expresar a través de una ecuación de la forma:


320

d

z

t cN1

Donde: Nt: Número de aplicaciones de carga hasta la falla. z : Deformación vertical de compresión en la superficie de la

Subrasante.

c, d: Coeficientes, determinados a partir del análisis de pavimentos en servicio o de secciones diseñadas de acuerdo con alguna metodología prescrita.

La ecuación anterior también se puede expresar como:

413

k

tz

Nk

Donde “k3” y “k4” son coeficientes de ajuste, derivados experimentalmente. Algunos ellos se presentan en la Tabla 4.3.1, junto con los valores máximos de ahuellamiento que algunos organismos consideran que no se deben exceder, si la deformación de compresión sobre la subrasante está controlada.

Tabla 4.3.1. Coeficientes de ajuste para la ecuación general de ahuellamiento

MÉTODO “k3” “k4” AHUELLAMIENTO MÁXIMO

SHELL (50% confiabilidad) [ref. 4.3.11] 2.8*10-2 0.250 Sin información



CHEVRON [ref. 4.3.12] 1.05*10-2 0.223 13 mm

Nottingham [ref. 4.3.13] 2.16*10-2 0.280 Sin información

Ullidtz [ref. 4.3.4] 7.9*10-3 0.138 25 mm

El procedimiento de limitar la deformación vertical de compresión sobre la subrasante es sencillo de aplicar, pero muchos consideran que no es razonable por cuanto, bajo tránsito pesado, con altas presiones de inflado y espesores considerables de capas asfálticas, la mayor parte de la deformación permanente


321

ocurre en estas capas y no en la subrasante [ref. 4.3.14]. La fotografía de la Figura 4.1.13 (Parte 4 Capítulo 1) muestra un ejemplo típico de esta situación. El numeral 7.4 de la referencia 4.3.14 describe los principios básicos del segundo de los procedimientos citados. Independientemente de la complejidad matemática de los cálculos, un ingeniero experimentado puede estimar con alto grado de certeza, a partir de la simple inspección visual, si el ahuellamiento de un pavimento asfáltico se debe al inadecuado comportamiento de las capas asfálticas o de las capas inferiores o la subrasante (Figura 4.3.2). Para ello, es conveniente comparar la resistencia de cada capa afectada (Sz) con el esfuerzo vertical impuesto por las cargas a la misma

profundidad ( z). Este último se determina a partir de la salida del programa de cómputo utilizado para modelar el pavimento, en tanto que los valores Sz de las capas granulares y de la subrasante se pueden estimar razonablemente con la siguiente expresión, adaptada de la referencia [ref. 4.3.4]:

Sz (MPa) = 0.077*CBR*Nt-0.138

Más utilizada en el país es la expresión de Kerhoven y Dormon [ref. 4.3.15], la cual utiliza el módulo resiliente del material (Es), en lugar del CBR:

tlogN*0.71

Es*0.007Sz(MPa)

Figura 4.3.2. - Ahuellamientos originados en las capas inferiores o en la subrasante (A) y en las capas asfálticas (B)

A pesar de lo importante que resulta establecer en qué nivel dentro de la estructura se genera el ahuellamiento y la magnitud del mismo, se debe considerar que aquellos pavimentos cuyo índice de deformación (Id) sea superior a 2 se


322

encuentran asociados con niveles de deformación representativos de falla de la estructura y, en consecuencia, carecen de vida residual. 4.3.2.3. Aclaración sobre las ecuaciones de fatiga incluidas en la guía La inclusión de algunas ecuaciones de fatiga en este Capítulo o en cualquier otro de la guía no significa, de manera alguna, que el Instituto Nacional de Vías las avale o recomiende su utilización. El propósito de su presencia es solamente ilustrativo y, por lo tanto, son de plena responsabilidad del ingeniero proyectista las ecuaciones que utilice para el estudio de cada caso particular, las cuales deberán ser completamente consistentes con las características de los materiales y del proyecto que esté analizando. 4.3.3. Técnicas indicadas por las evaluaciones estructural y funcional Las Tablas 4.3.2, 4.3.3 y 4.3.4 muestran las posibilidades de las cuatro (4) alternativas de rehabilitación contempladas en la guía, según las condiciones funcional y estructural del pavimento, y teniendo en cuenta la vida residual estimada y el nivel del tránsito para el cual se deben diseñar las obras de rehabilitación de la calzada objeto de la evaluación. El ingeniero deberá elegir, para análisis, aquellas técnicas que, solas o combinadas en forma de estrategias como se indica en el Capítulo 1 de la Parte 5, mejor se adapten a la realidad y a las necesidades de su proyecto, previa consideración de las limitantes existentes. 4.3.4. Técnicas indicadas por la evaluación del drenaje Los resultados de la evaluación del drenaje indicarán si se deben considerar mejoras en los sistemas de drenaje superficial y subterráneo dentro de las estrategias de rehabilitación por desarrollar. El mejoramiento del drenaje superficial puede incluir, tanto la construcción o la rehabilitación de las obras existentes, como mejoras en las pendientes de la vía para prevenir el hidroplaneo. En cuanto al subdrenaje, el mejoramiento puede incluir la instalación o el reemplazo de subdrenes longitudinales y transversales, así como la construcción de bermas permeables para permitir el drenaje de las capas del pavimento (Figura 2.11.6). La limpieza de las diferentes obras de drenaje se considera como una actividad de mantenimiento.


323

Tabla 4.3.2. Técnicas de rehabilitación de pavimentos asfálticos con tránsito de diseño NT 1


TÉCNICA VIDA RESIDUAL

(AÑOS)

0-2 3-5 6-10 > 10

RESTAURACIÓN

Riego en negro X X

Sello de arena – asfalto X X

Tratamiento superficial X X

Lechada asfáltica X

Sello del Cabo X

Microaglomerado en frío

Microaglomerado en caliente

Sobrecapa delgada1,2 X

Mezcla drenante8

Fresado X

REFUERZO

Sobrecapa espesa1,3 X

Nivelación y sobrecapa1 X

Fresado y sobrecapa1 X

RECICLADO

Reciclado en planta en caliente4 X

Reciclado superficial en caliente5 X

Reciclado en frío en el sitio X

RECONSTRUCCIÓN Remoción y reemplazo de capas6 X

Whitetopping7 X

Notas: 1Puede requerir bacheo previo a la sobrecapa 2No es recomendable cuando exista la posibilidad de reflejo de grietas 3Puede incluir un tratamiento de alivio del reflejo de grietas 4Se utiliza como base asfáltica o capa de rodadura en el mismo lugar de donde se extrajo el material o en otro. En la práctica constituye un refuerzo 5En la práctica, su finalidad es similar a la de los trabajos de restauración 6Se refiere a una reconstrucción de tipo flexible o semirrígido 7Puede requerir nivelación del pavimento existente o la remoción previa de algunas capas 8En la rehabilitación, la mezcla drenante suele requerir una sobrecapa previa


324




(AÑOS)

0-2 3-5 6-10 > 10

RESTAURACIÓN

Riego en negro

Sello de arena – asfalto X X

Tratamiento superficial X X

Lechada asfáltica X X

Sello del Cabo X X

Microaglomerado en frío X

Microaglomerado en caliente

Sobrecapa delgada1,2 X

Mezcla drenante8

Fresado X

REFUERZO

Sobrecapa espesa1,3 X X

Nivelación y sobrecapa1 X X

Fresado y sobrecapa1 X X

RECICLADO

Reciclado en planta en caliente4 X




Whitetopping7 X

Notas: 1Puede requerir bacheo previo a la sobrecapa 2No es recomendable cuando exista la posibilidad de reflejo de grietas 3Puede incluir un tratamiento de alivio del reflejo de grietas 4Se utiliza como base asfáltica o capa de rodadura en el mismo lugar de donde se extrajo el material o en otro. En la práctica constituye un refuerzo 5En la práctica, su finalidad es similar a la de los trabajos de restauración 6Se refiere a una reconstrucción de tipo flexible o semirrígido 7Puede requerir nivelación del pavimento existente o la remoción previa de algunas capas 8En la rehabilitación, la mezcla drenante suele requerir una sobrecapa previa


325




(AÑOS)

0-2 3-5 6-10 > 10

RESTAURACIÓN

Riego en negro

Sello de arena – asfalto

Tratamiento superficial8 X

Lechada asfáltica

Sello del Cabo

Microaglomerado en frío X X X

Microaglomerado en caliente X X

Sobrecapa delgada1,2 X X

Mezcla drenante9 X X X

Fresado X X

REFUERZO

Sobrecapa espesa1,3 X X

Nivelación y sobrecapa1 X X

Fresado y sobrecapa1 X X

RECICLADO

Reciclado en planta en caliente4 X X




Whitetopping7 X

Notas: 1Puede requerir bacheo previo a la sobrecapa 2No es recomendable cuando exista la posibilidad de reflejo de grietas 3Puede incluir un tratamiento de alivio del reflejo de grietas 4Se utiliza como base asfáltica o capa de rodadura en el mismo lugar de donde se extrajo el material o en otro. En la práctica constituye un refuerzo 5En la práctica, su finalidad es similar a la de los trabajos de restauración 6Se refiere a una reconstrucción de tipo flexible o semirrígido 7Puede requerir nivelación del pavimento existente o la remoción previa de algunas capas 8El tratamiento se debe construir con un asfalto modificado con polímeros 9En la rehabilitación, la mezcla drenante suele requerir una sobrecapa previa


326

REFERENCIAS 4.3.1 - HALL K.T., CORREA C.E., CARPENTER S.H & ELLIOT R.P., “Rehabilitation strategies for highway pavements”, NCHRP web document 35 (Project C 1-38), May 2001 4.3.2 - AASHTO, “AASHTO Guide for design of pavement structures”, Washington, 1993 4.3.3 - LILLI F.J. & LOCKHART J., “Diseño racional de refuerzos de pavimentos flexibles”, XXIV reunión del asfalto, Mar del Plata, 1986 4.3.4 - ULLIDTZ P., “Modelling flexible pavement response and performance”, Polytecnisk Forlag, Lyngby, 1998 4.3.5 - THE ASPHALT INSTITUTE, “Research and development of the Asphalt Institute’s thickness design manual (MS 1) Ninth Edition”, College Park, Maryland, 1982 4.3.6 - SHELL INTERNATIONAL PETROLEUM COMPANY, “SHELL pavement design manual”, London, 1978 4.3.7 - DEL VAL M., “Procedimientos analíticos de diseño de firmes”, I Symposium nacional de firmes flexibles, Valladolid, 1990 4.3.8 - MINISTERIO DE FOMENTO, “Rehabilitación de firmes. Instrucción de carreteras Norma 6.3 IC”, Madrid, 2003 4.3.9 - BALADI G.Y., SCHORSCH M & SVASDISANT T., “Determining the causes of top-down cracks in bituminous pavements”, Michigan Asphalt Paving Association, Report MDOT-PRCE-MSU-2003-110, East Lansing, MI, August 2003 4.3.10 - THE ASPHALT INSTITUTE, “Thickness design. Asphalt pavements for highways and streets”, Lexington, KY, 1991 4.3.11 - SHELL INTERNATIONAL PETROLEUM COMPANY, “Addendum to the SHELL pavement design manual”, London, 1985


327

4.3.12 - SANTUCCI L.E., “Thickness design procedure for asphalt and emulsified asphalt mixes”, Fourth international conference on the structural design of asphalt pavements, Ann Arbor, 1977 4.3.13 - BROWN S.F., PELL P.S. & STOCK A.F., “The application of simplified, fundamental design procedures for flexible pavements”, Fourth international conference on the structural design of asphalt pavements, Ann Arbor, 1977 4.3.14 - HUANG Y.H., “Pavement Analysis and design”, Second Edition, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 2004 4.3.15 - TANCO A. & GARECA C., “Diseño de pavimentos flexibles para la red secundaria con miras a la construcción por etapas”, XXIV Reunión del asfalto, Mar del Plata, 1986


328

PARTE 5

Guías para la formación de las estrategias de

rehabilitación


330

Parte 5 – Guías para la formación de estrategias de rehabilitación

331

PARTE 5 GUÍAS PARA LA FORMACIÓN DE ESTRATEGIAS DE

REHABILITACIÓN

5.1. GENERALIDADES Una estrategia de rehabilitación puede estar compuesta sólo por una técnica de rehabilitación o por una combinación de ellas. Las diferentes estrategias que escoja el ingeniero deberán ser desarrolladas con un detalle suficiente, con el fin de estimar su comportamiento y sus costos de manera confiable. En cada proyecto particular resulta posible desarrollar varias estrategias, considerando diferentes opciones de mejoramiento estructural y funcional y combinaciones de ellas. El ingeniero se encuentra en libertad de desarrollar variaciones a las estrategias generales descritas en esta guía, considerando otros materiales de tecnología novedosa o las limitaciones específicas del proyecto objeto de su estudio. La formación de cada estrategia alternativa deberá: - Brindar una respuesta de mejoramiento estructural, si el pavimento presenta

deficiencias estructurales - Mejorar el comportamiento funcional del pavimento, si existen deficiencias de

este tipo y no se contempla la corrección de ellas con el mejoramiento estructural

- Complementariamente, se requiere considerar el mejoramiento del sistema de

drenaje para corregir todas las deficiencias que presente dicho sistema


332

En los estudios de rehabilitación que se realicen en carreteras de más de dos carriles, las estrategias se deben desarrollar considerando el carril de diseño. Los tratamientos para los demás carriles y para las bermas deberán ser compatibles con aquellas.


333

CAPÍTULO 1 COMBINACIÓN DE LAS TÉCNICAS DE REHABILITACIÓN EN ESTRATEGIAS

5.1.1. Formación de las estrategias de rehabilitación Las Tablas 5.1.1 a 5.1.3 presentan las combinaciones básicas de técnicas de restauración, refuerzo y reciclado para generar las estrategias de rehabilitación de los pavimentos asfálticos de las carreteras de la red vial nacional. La reconstrucción, que constituye la técnica de rehabilitación más enérgica no requiere, por sus características, ser combinada con otras técnicas de rehabilitación estructural o funcional para generar una estrategia; sin embargo, hay varias maneras de realizarla (Tabla 5.1.4). 5.1.2. Formación de estrategias plausibles Las Tablas 5.1.5 a 5.1.7 muestran las estrategias de rehabilitación contempladas en la guía, entre las cuales el ingeniero deberá elegir, para sus diferentes análisis, aquéllas que mejor se adapten a la realidad (deterioros relevantes y vida residual) y a las necesidades de su proyecto (tránsito futuro), previa consideración de todas las limitantes existentes. Así mismo, si conceptúa que las circunstancias lo aconsejan, puede proponer estrategias diferentes, debidamente soportadas desde los puntos de vista técnico, económico, ambiental y social. 5.1.3. Tratamientos previos En la mayoría de los casos en los cuales se debe intervenir el pavimento con el propósito de rehabilitarlo, se pueden requerir trabajos previos de acondicionamiento, según el tipo de deterioros presentes, tal como se ha indicado en las Tablas 4.2.1 y 4.2.2.


334

Tabla 5.1.1. Combinaciones de técnicas que forman estrategias de restauración

ESTR

ATE

GIA

RIE

GO

EN

NEG

RO

SELL

O A

REN

A-A

SFA

LTO

FRES

AD

O

TRA

TAM

IEN

TO S

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CIA

L

LEC

HA

DA

ASF

ÁLT

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SELL

O D

EL C

AB

O

MIC

RO

AG

LOM

ERA

DO

EN

FR

ÍO

MIC

RO

AG

LOM

ERA

DO

EN

C

ALI

ENTE

SO

BR

ECA

PA

DEL

GA

DA

(<4

0m

m)

MEZ

CLA

DR

ENA

NTE

REC

ICLA

DO

SU

PER

FIC

IAL

EN

CA

LIEN

TE

101 x

102 x

103 x

104 x

105 x

106 x

107 x

108 x

109 x x

110 x x

111 x x

112 x x

113 x x

114 x x x

115 x

Tabla 5.1.2. Combinaciones de técnicas que forman estrategias de refuerzo

ESTRATEGIA FRESADO

SOBRECAPA DE

REFUERZO ( ≥ 40 mm)

MEZCLA DRENANTE

MICROAGLOMERADO EN CALIENTE

201 x

202 x x

203 x x

204 x x

205 x x x

206 x x x


335

Tabla 5.1.3. Combinaciones de técnicas que forman estrategias de reciclado

ESTRATEGIA FRESADO RECICLADO EN PLANTA

EN CALIENTE


EL SITIO

CONCRETO ASFÁLTICO

MEZCLA DRENANTE

MICRO AGLOMERADO EN CALIENTE

301 x

302 x x

303 x x x

304 x x x

305 x x x

Tabla 5.1.4. Técnicas de reconstrucción

TÉCNICA RECONSTRUCCIÓN CON PAVIMENTO

ASFÁLTICO

RECONSTRUCCIÓN CON PAVIMENTO

RÍGIDO

RECUBRIMIENTO BLANCO

401 x

402 x

403 x

5.1.4. Otras consideraciones de ingeniería que afectan la elección de la estrategia Algunos aspectos de ingeniería, adicionales a los ya descritos, juegan un papel determinante en la elección del tipo y del espesor de la estrategia de rehabilitación. Entre ellos, los principales son la geometría de la carretera, el comportamiento de pavimentos similares en el área del proyecto y algunas características periféricas 5.1.4.1. Geometría de la carretera Aunque el ancho de los carriles está fijado por normas geométricas, hay ocasiones donde resulta preciso trabajar con anchos menores o mayores que los fijados por ellas. Esta sola consideración puede determinar el ancho y el tipo de las bermas, así como la aplicabilidad de algunas soluciones de drenaje. El ancho del carril, cuando es limitado, juega un papel principal en la canalización de las cargas del tránsito, aspecto que debe ser considerado por el diseñador, tal como se indica en el numeral 2.3.12.2 de esta guía (Parte 2 Capítulo 3).


336

Las pendientes longitudinales y la presencia o ausencia de curvas verticales pueden influir sobre las condiciones del drenaje y aún sobre la velocidad de circulación. El tránsito lento produce mayores esfuerzos, deformaciones y deflexiones en la estructura del pavimento, los cuales pueden exigir el empleo de materiales especiales o nuevas tecnologías para la construcción de las obras de rehabilitación. 5.1.4.2. Comportamiento de pavimentos similares en el área del proyecto En gran medida, la experiencia y el buen juicio del ingeniero se deben basar en el comportamiento de los pavimentos existentes en la misma zona del proyecto. Los registros de las bases de datos del Instituto Nacional de Vías constituyen una fuente de información importante. No obstante, no se debe confiar en registros de comportamiento de corto plazo, como tampoco en registros de muy largo plazo sobre pavimentos sometidos a condiciones de tránsito muy diferentes a las del proyecto objeto del estudio. 5.1.4.3. Características periféricas Algunas características del entorno de la carretera, tales como la existencia de construcciones vecinas, barreras de seguridad, cunetas, andenes, gálibos, instalaciones de servicios públicos, estructuras fijas al nivel de la rasante y básculas de pesaje en movimiento, juegan un papel importante en el diseño de las obras de rehabilitación. Estos elementos pueden tener un efecto especial sobre los trabajos de rehabilitación, donde el uso de sobrecapas pueda estar limitado en su espesor. Aunque en ocasiones es posible modificar la posición de algunos de estos elementos, el costo de ello puede resultar prohibitivo, de manera que dicha consideración económica pudiera llegar a dirigir la decisión sobre el diseño de las obras de rehabilitación. A veces, la reconstrucción puede resultar económicamente preferible a un refuerzo de cualquier tipo.


337

Tabla 5.1.5.

Estrategias de rehabilitación de pavimentos asfálticos con tránsito de diseño NT1

TÉCNICA O ESTRATEGIA

VIDA RESIDUAL (AÑOS)

0-2 3-5 6-10 > 10

RESTAURACIÓN

101 x x

102 x x

103 x x

104 x

105 x

106

107

108 x

109 x

110 x

111

112

113

114

115 x

REFUERZO

201 x

202 x

203

204

205

206

RECICLADO

301 x

302 x

303

304

305 x

RECONSTRUCCIÓN

401 x

402 x

403 x

Nota: No todas las estrategias que presenta la tabla son adecuadas para pavimentos con tratamiento superficial. El ingeniero deberá elegir, con base en su buen juicio, las apropiadas en caso de que el pavimento tenga este tipo de superficie


338

Tabla 5.1.6. Estrategias de rehabilitación de pavimentos asfálticos con tránsito de diseño NT2



0-2 3-5 6-10 > 10

RESTAURACIÓN

101

102 x x

103 x x

104 x x

105 x x

106 x

107

108 x

109 x

110 x

111 x x

112 x

113 x x

114

115 x

REFUERZO

201 x x

202 x x

203 x

204

205

206

RECICLADO

301 x

302 x

303

304

305 x

RECONSTRUCCIÓN

401 x

402 x

403 x


339

Tabla 5.1.7. Alternativas de rehabilitación de pavimentos asfálticos con tránsito de diseño NT3



0-2 3-5 6-10 > 10

RESTAURACIÓN

101

102

103 x

104

105

106 x x x

107 x x

108 x x

109 x

110

111 x

112 x x

113 x x

114 x x

115 x

REFUERZO

201 x x

202 x x

203 x

204 x

205 x

206 x

RECICLADO

301 x x

302 x

303 x

304 x

305 x

RECONSTRUCCIÓN

401 x

402 x

403 x

Nota: Los tratamientos superficiales recomendados en esta tabla, deben ser elaborados con emulsiones asfálticas modificadas con polímeros


340


341

CAPÍTULO 2 DISEÑO DE LA REHABILITACIÓN

Determinadas las estrategias de rehabilitación realmente posibles, se deberán preparar diseños de ellas. El período de diseño de las obras, será el indicado en la Tabla 1.1. La estructura de un pavimento asfáltico está compuesta por un conjunto de capas, cada una de las cuales debe estar concebida, diseñada y construida de manera que sea capaz de soportar adecuadamente las solicitaciones a las cuales va a estar sometida. El proceso de diseño debe evaluar, idealmente, las solicitaciones a las que está sometida cada una de estas capas; esta evaluación solamente es posible si se emplean modelos mecánicos de análisis. La guía acoge el uso de métodos mecanicistas para el análisis de las soluciones de rehabilitación diferentes de la restauración. En forma adicional, considera la metodología AASHTO-93 [ref. 5.2.1], de raíces empíricas y de uso corriente en el país, en la cual se basan los actuales manuales de diseño de pavimentos del INVÍAS para todos los niveles de volúmenes de tránsito. La metodología AASHTO presenta la ventaja de no requerir el conocimiento del tránsito que ha circulado sobre el pavimento existente, parámetro que es indispensable para efectuar los análisis racionales. 5.2.1. Diseño de las obras de restauración La elección de la restauración como estrategia de rehabilitación de un pavimento asfáltico implica necesariamente el reconocimiento de: (i) la existencia de una vida residual prolongada, indicativa de una importante capacidad estructural actual de la calzada y (ii) la necesidad de remediar un problema funcional bien definido. En este caso y dado que no todas las estrategias de actuación se ajustan a la solución del problema existente, el ingeniero debe escoger aquélla(s) que resulte(n) adecuada(s) a la situación por controlar. Por lo general, cuando se opta por la restauración, no se realiza el análisis de costos durante el ciclo de vida sobre el cual trata la Parte 6 de esta guía, motivo por el cual, si las vidas útiles de las alternativas de actuación son similares, se escoge aquélla que presente el menor valor de construcción. En caso de que las estrategias presenten vidas muy disímiles, es probable que la más durable sea la más costosa; en tal caso, probablemente


342

resulte conveniente realizar el análisis de costos durante el ciclo de vida, de acuerdo con la metodología que se indica en la Parte 6. 5.2.2. Diseño mecanístico de la rehabilitación En los procedimientos mecanísticos generales, la reacción de los diferentes diseños de rehabilitación bajo una carga por rueda normalizada es analizada por algún programa analítico apropiado. Aunque la guía incluye el conjunto de programas EVERSERIES, con autorización del Washington DOT, el Instituto Nacional de Vías deja a elección del diseñador los programas por utilizar para los retrocálculos y los cálculos de esfuerzos y deformaciones, los cuales deberán estar respaldados por un amplio soporte teórico y práctico. Los diseños aceptables serán aquéllos que satisfagan los criterios de comportamiento a los cuales se ha hecho referencia en la Parte 4 de esta guía. La gran ventaja de los métodos mecanísticos para el diseño de las obras de rehabilitación de un pavimento asfáltico es la versatilidad que proveen para la evaluación de muchos materiales bajo diferentes condiciones estructurales y ambientales. Los procedimientos mecanicistas suministran una base firme para la modelación racional de los sistemas de pavimentos; a medida que estos modelos se vayan mejorando, se podrán esperar mejores correlaciones entre los parámetros de diseño y el comportamiento real de las estructuras. Si embargo, los métodos mecanísticos presentan una dificultad. Dada la variedad de modelos de análisis y de criterios de comportamiento (fatiga, deformación permanente) que se encuentran en la literatura especializada, un ingeniero poco experimentado podría llegar a obtener estructuras faltas de razonabilidad al mezclarlos o al aplicarlos de manera inapropiada. En general, los criterios de comportamiento han sido desarrollados para unos modelos de análisis específicos y su extrapolación a otros modelos de análisis sin las debidas precauciones resulta inapropiada. Por lo tanto, debe haber consistencia entre los modelos y los criterios de comportamiento que se utilicen; además, se recomienda siempre que el diseñador efectúe verificaciones de los modelos y de los criterios escogidos por él con base en comparaciones con estructuras de catálogos, por ejemplo, las que presenta el “Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito” del INVÍAS [ref. 5.2.25].


343

Para el diseño de la rehabilitación por métodos mecanicistas, se deben emplear criterios de fatiga (fisuramiento por fatiga) y de deformación permanente. Los primeros se deben aplicar a todas las capas ligadas; los segundos se deberían aplicar, en forma estricta, a todas las capas del pavimento. Sin embargo, muchos métodos mecanísticos clásicos aplican criterios de deformación permanente solamente a la subrasante, suponiendo que las demás capas no sufrirán deformaciones plásticas que contribuyan al ahuellamiento de la estructura del pavimento, siempre y cuando esas capas estén bien compactadas, se utilicen materiales de excelente calidad para su construcción y se efectúen adecuados diseños de mezclas para las mismas cuando corresponda. La nueva guía empírica mecanística de la AASHTO [ref. 5.2.29] incluye una documentación muy completa sobre criterios avanzados de análisis mecanístico para todas las capas, tanto para la deformación permanente en todas sus capas, como para la fatiga en las capas ligadas. 5.2.2.1. Análisis de la subrasante El criterio de análisis en la subrasante es la deformación permanente que, como se mencionó en el Capítulo 3 de la Parte 4, se evalúa en términos de la deformación

unitaria vertical de compresión en la superficie superior de la misma ( z) o en

términos del esfuerzo vertical sobre esa misma superficie ( z). En el numeral 4.3.2.2 del capítulo recién citado se presentan varias expresiones para el análisis de la deformación permanente en la subrasante. El módulo resiliente de la subrasante, requerido para los análisis mecanísticos, se debe obtener por retrocálculo o por cálculo directo, a partir de las evaluaciones deflectométricas. El módulo resiliente de la subrasante depende del estado de esfuerzos. En el diseño de una solución de rehabilitación, bien sea mediante refuerzo o con reciclado, el estado de esfuerzos en la subrasante suele cambiar con respecto al que existía en la estructura antigua, lo que, en teoría, hace que cambie su módulo con respecto al determinado por retrocálculo. Normalmente, los métodos mecanísticos clásicos no tienen en cuenta este ajuste al módulo resiliente en el proceso de diseño y análisis de la rehabilitación. Sin embargo, hay metodologías que permiten realizar este ajuste, desde aplicar directamente la ley de dependencia de esfuerzos del material, hasta metodologías simplificadas como la propuesta en la práctica de diseño de rehabilitaciones de Nueva Zelandia [ref. 5.2.31].


344

5.2.2.2. Análisis de las capas granulares Pocos métodos clásicos aplican el criterio de control de la deformación permanente en las capas granulares; por ejemplo, ni el método Shell [ref. 5.2.2] ni el del Instituto del Asfalto [ref. 5.2.3] lo hacen. Sin embargo, se considera que hay casos en los que este análisis no sólo es conveniente, sino que resulta indispensable para el diseño de soluciones de rehabilitación, especialmente cuando durante el estudio se detectan deficiencias en la calidad de las capas granulares existentes. Como se mencionó en el Capítulo 3 de la Parte 4, este análisis se puede hacer en términos de deformaciones unitarias en la cara superior de las capas granulares, con las mismas expresiones que se emplean para la subrasante, como lo hace el método francés [ref. 5.2.30] o en términos de esfuerzos, empleando como parámetro de capacidad el CBR del material granular de la capa analizada. En el numeral 4.3.2.2 se presentan algunas expresiones que pueden ser empleadas para el análisis de la deformación permanente en las capas granulares. Otros métodos efectúan el análisis también en términos de esfuerzos, pero la capacidad del material se evalúa en función de los parámetros de resistencia al corte, cohesión y ángulo de fricción interna [ref. 5.2.11]. El módulo resiliente de las capas granulares para los análisis mecanísticos se puede obtener por retrocálculo; sin embargo, de todos los módulos que se obtienen por retrocálculo, el de las capas granulares suele ser el que mayores inconsistencias presenta. Por lo tanto, es necesario verificar el valor obtenido, con expresiones tales como la de Shell [ref. 5.2.2] o la del Instituto del Asfalto [ref. 5.2.3], que se presentan a continuación, las cuales son simplificaciones de la ley de dependencia de esfuerzos de estos materiales. En ambas metodologías, los modelos contemplan una sola capa granular que reúne la base y la subbase. - Expresión de Shell

k = 0.206*HGR

0.45

SRGR EkE


345

Donde: EGR: Módulo resiliente de las capas granulares (MPa).

HGR: Espesor de las capas granulares (mm).

ESR: Módulo resiliente de la subrasante (MPa). El valor de “k” suele encontrarse entre 2 y 4. Si la fórmula arroja un valor inferior a 2, se adopta 2; así mismo, si la fórmula arroja un valor mayor que 4, se usa 4. - Expresión del Instituto del Asfalto

Donde: EGR: Módulo resiliente de las capas granulares (lb/pg2).

HCA: Espesor de las capas asfálticas (pulgadas).

HGR: Espesor de las capas granulares (pulgadas).

ECA: Módulo dinámico de las capas asfálticas (lb/pg2).

EGR: Módulo resiliente de la capa de granulares (lb/pg2).

ESR: Módulo resiliente de la subrasante (lb/pg2).

K1: Constante que depende del tipo de material. El valor de K1 que tomó el Instituto del Asfalto para el desarrollo de sus cartas de diseño oscila entre 8,000 y 12,000. A continuación se presentan algunos valores de esta constante, reportados en la referencia [5.2.1]:

Tabla 5.2.1.

Valores típicos de K1 para capas granulares de base y subbase de buena calidad

TIPO DE MATERIAL ESTADO K1

Base granular

Seco 6,000 a 10,000

Húmedo 4,000 a 6,000

Saturado 2,000 a 4,000

Subbase granular

Seco 6,000 a 8,000

Húmedo 4,000 a 6,000

Saturado 1,500 a 4,000

0.868

1

0.287

SR

0.139

CA

0.041

GR

0.471

CAGR KEEH10.447HE


346

El módulo resiliente de las capas granulares depende, también, del estado de esfuerzos. En el diseño de una solución de rehabilitación, bien sea con refuerzo o con reciclado, el estado de esfuerzos en las capas granulares suele cambiar con respecto al que existía en la estructura antigua, lo que, en teoría, hace que cambie su módulo en relación con el determinado mediante retrocálculo a partir de las deflexiones En consecuencia, en muchas ocasiones es necesario ajustar el módulo de las capas granulares durante el análisis mecanístico de la solución de rehabilitación. Como en el caso de los suelos de subrasante, para ello existen varias metodologías, desde aplicar directamente la ley de dependencia de esfuerzos, hasta metodologías simplificadas como las de Shell o del Instituto del Asfalto. La práctica de diseño de rehabilitaciones de Nueva Zelandia presenta también una metodología simplificada para este propósito [ref. 5.2.31]. 5.2.2.3. Análisis de las capas asfálticas antiguas y de los refuerzos El análisis más común que se hace en los métodos mecanísticos clásicos para la verificación de las capas asfálticas es el fisuramiento por fatiga. Sin embargo, cada vez cobra más importancia el criterio de deformación permanente que, como criterio mecanístico, está ya presente en el método Shell [ref. 5.2.2]. La nueva guía empírico-mecanística de la AASHTO presenta un desarrollo interesante de este criterio de análisis [ref. 5.2.29]. Para el caso de refuerzos, el análisis de fatiga en las capas asfálticas se debe efectuar tanto a la capa asfáltica de refuerzo que se coloca, como a las capas asfálticas antiguas, si éstas tienen vida residual. Las capas asfálticas antiguas que no tengan vida residual y que hagan parte de la estructura de pavimento rehabilitada se consideran, usualmente, como capas granulares equivalentes [ref. 5.2.31]. Cuando las capas asfálticas antiguas tienen vida residual, habrá una primera etapa en que ellas todavía tienen vida remante de fatiga y, por lo tanto, desarrollan un módulo alto, el cual se va reduciendo hasta que dicha vida se consuma (etapa 1). Durante esta etapa inicial, la mayor responsabilidad de soportar las solicitaciones de tensión causadas por las cargas de tránsito recae sobre las capas asfálticas antiguas y no sobre la rodadura asfáltica de refuerzo, haciendo que ésta y a veces la subrasante misma, funcionen con holgura. Una vez alcanzada la fatiga de las capas asfálticas antiguas que poseían vida residual, la reducción importante que sufre su módulo hace que las solicitaciones


347

en las otras capas aumenten considerablemente (rodadura asfáltica, subrasante), haciendo que la vida de estas últimas se reduzca (etapa 2). Esta segunda etapa, en la cual ya se ha consumido la vida residual que tenían las capas asfálticas antiguas antes del refuerzo, recibe algunas veces el nombre de “vida después de la muerte” [ref. 5.2.31]. El módulo dinámico de las capas asfálticas existentes se puede determinar por retrocálculo o por cálculo directo, teniendo en cuenta las siguientes precauciones en el momento de aplicar esos resultados al análisis mecanístico de la rehabilitación: - Los procedimientos de retrocálculo y de cálculo directo tienen poca precisión

para determinar el módulo de capas asfálticas delgadas (por ejemplo, menores de 100 milímetros).

- En pavimentos antiguos, se suelen obtener valores de módulos muy altos, debido a la rigidez que van ganando las capas asfálticas a causa del envejecimiento del asfalto. Para el análisis mecanístico no se deben emplear, para las capas existentes, valores de módulo mayores a los que tendría el material nuevo.

En el Capítulo 4 de la Parte 3 (numeral 4.3.2.1), se presentan algunas expresiones para el análisis de la deformación unitaria de fatiga de las capas asfálticas. En relación con la expresión de Shell incluida allí, el método australiano de diseño de pavimentos [ref. 5.2.20] incluye un criterio adicional de confiabilidad para su aplicación, el cual consiste en escoger un valor distinto del factor de desplazamiento para cada nivel de confiabilidad, como lo muestra la Tabla 5.2.2.

Tabla 5.2.2. Valor del factor de desplazamiento de la ecuación de fatiga de Shell en función del nivel

de confiabilidad

CONFIABILIDAD FACTOR DE

DESPLAZAMIENTO

80% 4.7

85% 3.3

90% 2.0

95% 1.0


348

5.2.2.4. Deterioro acumulado y vida residual Toda estructura de pavimento pasa por diferentes etapas: una etapa anterior a la rehabilitación, y una o varias etapas posteriores a la misma. El deterioro que se presenta en cada etapa se va acumulando. Como se mencionó el numeral 4.3.2 (Parte 4 Capítulo 3), el deterioro acumulado se calcula con base en la hipótesis de Miner, la cual se puede aplicar a cada una de las capas que constituyen la estructura del pavimento; esta hipótesis establece que el deterioro o vida consumida en una etapa del pavimento se puede calcular con la siguiente fórmula:

f_i

act_i

iN

nVc

Donde: Vci: Vida consumida en la etapa i.

nact_i: Número de aplicaciones de carga que actúan en la etapa i.

Nf_i: Número de aplicaciones de carga que producirían la falla de la capa en la etapa i.

El valor de Nf se calcula para cada una de las etapas del pavimento a partir de expresiones denominadas ecuaciones de fatiga o funciones de transferencia, con base en el valor de una solicitación dada, que puede ser deformación unitaria o específica () ó esfuerzo ( . Estas funciones tienen la siguiente forma general:

2k

1fóε

1kN

El valor de Nf calculado corresponde al número de aplicaciones de carga que producirían la falla del material nuevo; por otra parte, el valor de Nf varía en una misma capa cada vez que varía el valor de la solicitación a que ella se ve sometida. El valor de la solicitación cambia cuando cambia la composición estructural; por ejemplo, cuando se coloca una capa de refuerzo, o cuando una capa interna (base estabilizada, capa asfáltica antigua) cumple con su vida de fatiga y empieza a comportarse como granular.


349

El deterioro se va acumulando en las diferentes etapas del pavimento y la falla se produce cuando el deterioro acumulado, o vida consumida acumulada, supera el valor de la unidad, es decir, cuando

1N

nVcVca

f_i

act_i

iii

Donde: Vca: Vida consumida acumulada.

Vci: Vida consumida en la etapa i.

nact_i: Número de aplicaciones de carga que actúan en la etapa i.

Nf_i: Número de aplicaciones de carga que producirían la falla de la capa en la etapa i.

Dependiendo de la capa y del material del cual está constituida, la falla de una capa se manifiesta como agrietamiento o como deformación. Mientras no se consuma toda la vida de una capa de pavimento, ésta tendrá vida residual para una siguiente etapa, la cual se calcula mediante la siguiente expresión:

Vca1 Vr Donde: Vr: Vida residual.

Vca: Vida consumida acumulada. Se puede considerar que el pavimento falla, en conjunto, cuando la falla de una de sus capas se manifiesta en deterioro excesivo visible en superficie, bien en forma de fisuramientos, bien en forma de deformaciones permanentes. En ocasiones, la falla de una capa interna del pavimento no se manifiesta inmediatamente en la superficie y el pavimento puede seguir soportando el paso del tránsito por un período de tiempo adicional sin que se requiera todavía un reforzamiento de la estructura; ejemplo de ello es la falla de una capa asfáltica antigua cubierta por una capa de refuerzo más reciente, o la falla de una base estabilizada o una capa de material reciclado. Durante este período adicional, la


350

estructura se encuentra debilitada por la falla de la capa interna y el análisis debe tener en cuenta esta situación. Esta acumulación de daño que se hace para cada una de las etapas del pavimento tiene a veces, como excepción para efectos de análisis, la subrasante en el paso de la etapa anterior a la rehabilitación a la etapa de la estructura rehabilitada [ref. 5.2.31]. La consideración que se hace en este caso es que el deterioro que acumuló la subrasante en su etapa anterior a la rehabilitación se debe estar manifestando a través de algún grado de ahuellamiento en el momento de la rehabilitación, y que este ahuellamiento se corrige cuando se coloca una capa de refuerzo de cierto espesor o cuando se ejecuta un reciclado; por esta razón, el análisis de la subrasante para el dimensionamiento de la estructura rehabilitada parte de un deterioro acumulado de cero (0). Este tipo de consideración para la subrasante no está incluido ni en el método Shell [ref. 5.2.2] ni en el del Instituto del Asfalto [ref. 5.2.3] cuando analizan la alternativa de diseño de un pavimento nuevo por etapas, el cual, desde el punto de vista conceptual, es igual al del diseño de una rehabilitación. Sin embargo, la necesidad de un criterio como éste se ve clara en casos en los que la evaluación mecanística de la estructura existente arroje como resultado un daño acumulado o consumo de vida de la subrasante igual o superior a 1, situación que, de conservarse en el análisis, no permitiría efectuar el diseño de la estructura rehabilitada. En antagonismo a la anterior concesión en el análisis, la práctica de diseño de rehabilitación de pavimentos de Nueva Zelandia [ref. 5.2.31] incluye una verificación de la deformación unitaria de la subrasante en la estructura rehabilitada, que es adicional a la aplicación de la correspondiente ecuación de fatiga o función de transferencia, en la cual se comparan las deformaciones de la estructura rehabilitada con las de la estructura anterior a la rehabilitación, en función del tránsito de ambas etapas. Esta verificación adicional se constituye realmente en una especie de calibración de la función de transferencia de la subrasante, procedimiento que se sugiere emplear en los diseños que se realicen para el Instituto Nacional de Vías. El proceso de calibración sugerido, obtenido de la interpretación de la práctica de Nueva Zelandia, es el siguiente, que es aplicable a cualquiera de las expresiones presentadas en el Capítulo 3 de la Parte 4: El criterio de deformación vertical compresiva de la subrasante se puede expresar a través de una ecuación de la forma general:


351

4k

t3z

N

1kε

Donde: Nt: Número de aplicaciones de carga hasta la falla. z : Deformación unitaria vertical de compresión en la superficie de

la subrasante (m/m).

k3, k4: Coeficientes experimentales. Para el pavimento existente se puede conocer el tránsito que ha circulado sobre él (NP) y, mediante el análisis mecanístico de esta estructura, se puede determinar la

deformación unitaria vertical ( zp). Si se aplican estos valores a la expresión general, se obtiene:

4k

P3zp

N

1kε

Las diferentes expresiones de ahuellamiento que presenta la literatura difieren poco en la constante k4 y mucho en la constante k3. Si se deja la constante k4 de la expresión escogida para el diseño, se puede despejar la constante k3 para obtener una constante “calibrada” k3_cal. La expresión “calibrada” para diseño usaría el valor menor entre el valor original de la constante k3 y el valor calibrado de la misma k3_cal. 5.2.2.5. Diseño mecanístico de estructuras recicladas en frío con adición de

estabilizantes Las capas recicladas con ligantes hidrocarbonados o con ligantes hidráulicos, como toda capa estabilizada, son capaces de soportar esfuerzos de tensión y presentan módulos mayores que las capas granulares; por lo tanto, su aporte estructural es mucho mayor. Sin embargo, la repetición de cargas va causando la aparición de microfisuras que traen como consecuencia la pérdida de la capacidad de resistir tensiones y la disminución del módulo de elasticidad, todo lo cual se traduce en la disminución de su aporte estructural; estas microfisuras pueden evolucionar hacia fisuramientos de fatiga. Esta fase o etapa del comportamiento, denominada generalmente etapa de fatiga y en ocasiones etapa de reducción del módulo, es el objeto único del análisis de varios métodos mecanísticos, como el del Instituto del


352

Asfalto para reciclados en frío con emulsiones asfálticas [ref. 5.2.28]. Sin embargo, otros métodos reconocen que la vida de la capa estabilizada no necesariamente termina allí. Para el caso de estabilizaciones con cemento, la guía de pavimentos de Australia [ref. 5.2.20] menciona que una vez alcanzada la fatiga de la capa estabilizada, el pavimento puede tener todavía una vida residual significativa, que se puede analizar considerando la capa fatigada como una capa granular equivalente; para esta nueva etapa, a la capa se le asigna un módulo de material granular. Menciona, también, que si la capa estabilizada se construye con un material granular de alta calidad (tipo base granular triturada), el módulo residual puede ser mayor que el del granular solo sin estabilizar). En forma similar, para el caso de estabilizaciones con ligantes hidrocarbonados, investigadores surafricanos [ref. 5.2.14] mencionan que el comportamiento típico de estos materiales en pistas de prueba muestra una primera etapa donde el módulo se reduce bajo la acción del tránsito, hasta alcanzar un valor que permanece relativamente constante y cuyo valor se relaciona con el tipo de agregados; esta segunda etapa de módulo constante, se denomina como etapa de “granular equivalente”, por similitud con el comportamiento de las capas granulares. Sin embargo, la misma referencia considera que el término “granular equivalente” para capas estabilizadas con productos hidrocarbonados es engañoso, porque no se trata de un material suelto y particulado; la equivalencia se limita al hecho de que el módulo permanece constante durante un período de tiempo prolongado. El comportamiento de las capas recicladas con estabilizantes presenta, entonces, dos etapas: una primera etapa de fatiga y una segunda etapa de comportamiento como “granular equivalente”. En la primera, el material está inicialmente sano, resiste esfuerzos de tensión y tiene un alto módulo de elasticidad; en la segunda fase, el material se ha fisurado, ya no soporta esfuerzos de tensión, su módulo se ha reducido y se mantiene relativamente constante. La transición entre ambas etapas es gradual: en la primera etapa, el módulo, inicialmente alto, se va reduciendo poco a poco hasta llegar a un valor relativamente constante, que se mantiene durante la segunda etapa. La nueva guía empírico-mecanística de la AASHTO [ref. 5.2.29] analiza paso a paso la reducción del módulo de elasticidad durante la primera etapa o etapa de fatiga. Pero, en general, los métodos mecanísticos de diseño analizan esta primera etapa únicamente a partir del valor inicial del módulo.


353

Por lo tanto, toda capa reciclada con estabilizantes deber ser analizada por fatiga; en esta etapa inicial de fatiga, la mayor responsabilidad de soportar las solicitaciones de tensión causadas por las cargas de tránsito recae sobre la capa reciclada y no sobre la rodadura asfáltica, haciendo que esta última y usualmente también la subrasante funcionen con holgura; es decir, que las solicitaciones actuantes sean significativamente menores que las solicitaciones de falla correspondientes para el nivel de tránsito del proyecto. Una vez alcanzada la fatiga de la capa reciclada, la reducción importante en su módulo hace que las solicitaciones en las otras capas aumenten considerablemente (rodadura asfáltica, subrasante), haciendo que la vida de éstas se reduzca. Para el análisis del comportamiento de las capas recicladas con estabilizantes se suele recurrir a las metodologías correspondientes a capas estabilizadas de comportamiento similar. Por esta razón, en los siguientes numerales se hará referencia, en varias ocasiones, a capas estabilizadas. 5.2.2.5.1. Reciclado con ligantes hidrocarbonados Para el análisis de la etapa inicial o etapa de fatiga, se puede recurrir a expresiones como las empleadas por el Instituto del Asfalto para el desarrollo de su método de diseño de estructuras de pavimento con capas recicladas en frío con emulsión asfáltica [ref. 5.2.28]. Las cartas de diseño incluidas en ese manual fueron obtenidas a partir de las cartas de diseño de pavimentos nuevos con bases estabilizadas con emulsión asfáltica [ref. 5.2.3], las cuales, a su vez, fueron calculadas por métodos mecanísticos [ref. 5.2.4]. De acuerdo con la guía de reciclado para gobiernos estatales y locales de la FHWA [ref. 5.2.10, capítulo 18], la metodología del Instituto del Asfalto podría extenderse a reciclados con otros productos asfálticos, como el cemento asfáltico, aunque no menciona los asfaltos espumados en la presentación que hace del método; sin embargo, el hecho de que la guía contemple el uso de asfaltos espumados en varios apartes de la misma, incluso al mencionar el método AASHTO de diseño, permitiría inferir que la extensión propuesta para la aplicación del método del Instituto del Asfalto a otros productos asfálticos diferentes a las emulsiones cubriría, también, a los reciclados con asfaltos espumados. Los parámetros empleados por el Instituto del Asfalto para el análisis mecanístico de bases estabilizadas con emulsión asfáltica, extendidos luego a reciclados, son los indicados en la Tabla 5.2.3.


354

Tabla 5.2.3. Módulos y datos de composición volumétrica para mezclas con emulsión asfáltica

TIPO DE MEZCLA

MÓDULO SIN CURAR A 23°C

(MPa)

MÓDULO CURADO A 23°C (MPa)

MÓDULO CURADO A 38°C (MPa)

VOLUMEN DE VACÍOS

(Vv)

VOLUMEN DE ASFALTO

(Vb)

I 1,034 5,171 1,724 8.0 9.0

II 793 2,758 862 8.0 9.0

III 414 1,034 345 8.0 9.0

Aunque se podría hacer un análisis por incrementos de tiempo entre el momento inicial (sin curar) y el momento del curado (6 meses o más), lo usual es emplear los valores del módulo final para el análisis mecanístico de la etapa de fatiga. Para los análisis de fatiga, el Instituto del Asfalto utilizó la misma expresión de mezclas asfálticas en caliente mencionada en el numeral 4.3.2.1 (Parte 4 Capítulo 3), aplicando los datos de módulo apropiados y los volúmenes de vacíos y asfalto de la Tabla 5.2.3. Los tipos de mezclas de bases estabilizadas con emulsión asfáltica del manual del Instituto del Asfalto corresponden a la siguiente descripción: - Tipo I. Mezclas en planta con agregados procesados de gradación densa, con

propiedades similares al concreto asfáltico.

- Tipo II. Mezclas con agregados semiprocesados.

- Tipo III. Mezclas con arenas o arenas limosas. Para reciclados con emulsión asfáltica, el Instituto del Asfalto clasifica las mezclas en tipo A (agregados semiprocesados) y tipo B (arenas o arenas limosas) y las asimila a las bases estabilizadas tipo II y tipo III, respectivamente. Otra fuente de información muy importante con respecto al análisis mecanístico de reciclados con estabilizantes hidrocarbonados se encuentra en las investigaciones y manuales surafricanos. La gran mayoría de las investigaciones que se han desarrollado allí incluyen la adición de cemento en estabilizaciones tanto con emulsiones asfálticas como con asfalto espumado.


355

Como se menciona en la Capítulo 1 de la Parte 4, en el caso de las emulsiones la adición de cemento reduce el tiempo de curado y aumenta la resistencia conservada sin reducir significativamente su resistencia a la fatiga; al respecto el manual de reciclaje de Wirtgen [ref. 5.2.9] menciona que investigaciones en ese sentido han mostrado que podría añadirse hasta 1.5% de cemento en peso. Con respecto a la incidencia de la adición de cemento en las estabilizaciones con asfalto espumado, el investigador surafricano Long [ref. 5.2.17] menciona lo siguiente: - El comportamiento de la capa depende de los contenidos de asfalto y de

cemento y del balance entre los dos. - El incremento del contenido de asfalto, o el aumento de la relación

asfalto/cemento incrementa la flexibilidad del material.

- La adición de cemento, o el incremento de la relación cemento/asfalto incrementa la resistencia a la compresión inconfinada y a la flexotracción. El aumento en la resistencia a la compresión inconfinada aumenta la resistencia del material a la deformación plástica.

Long y Thyese [ref. 5.2.13] encontraron que el comportamiento estructural de materiales estabilizados con asfalto espumado es muy similar al comportamiento de materiales estabilizados con emulsión asfáltica, afirmación hecha con base en la comparación de catálogos de estructuras desarrollados para cada material en particular. Liebenberg y Visser [ref. 5.2.18] proponen los siguientes valores de módulo para el análisis mecanístico de estructuras de pavimento con bases estabilizadas con emulsión asfáltica: - Módulo inicial en la etapa de fatiga (después de curado y antes del deterioro

por tránsito): 1,200 – 2,700 MPa (1,800 MPa característico)

- Módulo final, después de la etapa de fatiga: 300–600 MPa (500 MPa). Long [ref. 5.2.17] reporta los siguientes valores de módulo resiliente inicial para materiales estabilizados con asfalto espumado, para diferentes contenidos de asfalto y cemento, recomendando emplear los valores promedio para diseño:


356

Tabla 5.2.4. Intervalo de valores de módulo resiliente inicial para materiales estabilizados con asfalto

espumado y cemento (MPa)

VALOR 1.8% DE ASFALTO

ESPUMADO Y 2% DE CEMENTO

3.0% DE ASFALTO ESPUMADO Y 1.8% DE

CEMENTO

Mínimo 1,200 450

Máximo 2,600 2,000

Promedio 1,657 1,154

Para la etapa 2 o de material granular equivalente, Long reporta un valor del módulo de 400 MPa. Finalmente, en pruebas efectuadas en Suráfrica [ref. 5.2.14] se observó que en la segunda etapa, de módulo constante, las bases estabilizadas con ligantes hidrocarbonados experimentaban ahuellamiento. Por lo tanto, la metodología utilizada en dicho país contempla el análisis de ahuellamiento en las capas estabilizadas o reciclados con ligantes hidrocarbonados (emulsiones asfálticas o asfaltos espumados). La referencia [5.2.18] presenta unos criterios completos para el análisis mecanístico de materiales estabilizados con emulsión asfáltica, incluyendo el aspecto del ahuellamiento en la etapa 2; de manera similar, la referencia [5.2.13] presenta criterios completos para el análisis mecanístico de materiales estabilizados con asfalto espumado. Respecto de los espesores por intervenir, se deberán atender las pautas indicadas en el numeral 4.1.4.2.2.1 (Parte 4 Capítulo 1) para los diferentes tipos de reciclado con ligantes hidrocarbonados que se analizan en él. 5.2.2.5.2. Reciclados con cemento En la literatura especializada se puede encontrar numerosas referencias que contienen parámetros y ecuaciones de fatiga para el análisis mecanístico de este tipo de reciclados. A modo de ilustración, la nueva guía de la AASHTO [ref. 5.2.29] presenta los valores de módulo indicados en la Tabla 5.2.5 para diferentes tipos de materiales estabilizados con cemento.


357

Tabla 5.2.5. Valores del módulo para materiales estabilizados con cemento

TIPO DE MATERIAL

MÓDULO DE ELASTICIDAD,

MATERIAL INTACTO (MPa)

MÓDULO DE ELASTICIDAD, MATERIAL DETERIORADO

POR TRÁNSITO (MPa)

Agregado estabilizado con cemento

5,000 a 10,000 (típico 7,000)

700

Agregados estabilizados con cemento, gradación abierta

5,000 350

Suelo - cemento 350 a 10,500 (típico 3,500)

175

La misma guía presenta las siguientes fórmulas para estimar el módulo inicial de diferentes materiales estabilizados con cemento: - Para agregados tratados con cemento (grava cemento):

MPaMPa cf'0.0839E

- Para suelo-cemento:

MPaMPa qu1200E

Donde: f’c: Resistencia a la compresión inconfinada en cilindros con

relación altura/diámetro 2:1 relación 2 de alto por 1 de diámetro.

qu: Resistencia a la compresión inconfinada en cilindros fabricados

en el molde de compactación. La relación de Poisson típica es de 0.10 a 0.20 para los agregados estabilizados con cemento, y de 0.15 a 0.25 para el suelo-cemento [ref. 5.2.29]. Para los reciclados con cemento se utiliza usualmente un valor de 0.25 [ref. 5.2.7]. Una vez se ha llegado a la fatiga del material estabilizado (o reciclado) con cemento, la capa estabilizada se puede analizar como una capa granular equivalente, asignándole un módulo de material granular. Si la capa estabilizada se construye con un material granular de alta calidad (tipo base granular triturada), el


358

módulo residual puede ser mayor que el del granular solo sin estabilizar [ref. 5.2.20]. El análisis de la etapa de fatiga se hace en función de la tensión en la cara inferior de la capa reciclada. Algunos métodos consideran leyes de fatiga en función del valor del esfuerzo de tensión (σt) y otros en función del valor de deformación de tensión (εt). Algunas de las relaciones, adicionales a la citada en el Capítulo 3 de la Parte 4, son las siguientes: - La nueva guía AASHTO [ref. 5.2.29]presenta la siguiente expresión:

c2

tc1

β0.0825

MR

σ0.972β

logNf×

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

=

Donde: Nf: Número de repeticiones hasta alcanzar la falla.

MR: Módulo de rotura a 28 días.

σt: Esfuerzo de tensión en la base de la capa.

βc1 y βc2: Coeficientes de calibración (1 por defecto). − La guía de Australia [ref. 5.2.20]presenta la siguiente expresión:

( ) 12

t

0.804

f με191113,000/E

RFN ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ +=

Donde: Nf: Número de repeticiones a la falla.

µεt: Deformación unitaria a la tensión en la base de la capa (µm/m)

E: Módulo de elasticidad, MPa.

RF: Factor de confiabilidad: 4.7 para una confiabilidad del 80% 3.3 para una confiabilidad del 85% 2.0 para una confiabilidad del 90%


359

1.5 para una confiabilidad del 95% 0.5 para una confiabilidad del 97.5%

El espesor del reciclado con cemento suele estar entre 200 y 350 milímetros [ref. 5.2.7]. En esa misma referencia se citan las estructuras típicas de reciclaje recomendadas en España, mostradas en la Tabla 5.2.6, para una resistencia mínima a la compresión simple de 2.5 MPa a los 7 días en la capa reciclada, que pueden servir de guía para establecer el balance entre la capa reciclada y la rodadura asfáltica (no se mencionan las características de las subrasante).

Tabla 5.2.6. Estructuras típicas de reciclado con cemento recomendadas en España

TRÁNSITO PROMEDIO DIARIO DE VEHÍCULOS

PESADOS EN EL PRIMER AÑO DE SERVICIO

ESPESOR DE LA CAPA RECICLADA CON

CEMENTO (cm)

ESPESOR DE LA RODADURA ASFÁLTICA

(cm)

800 - 2000 400 - 800 200 - 400 100 - 200 50 - 100 25 - 50 12 - 25

< 12

35 35 30 25 25 22 20 20

15 12 12 12 10 8 5

Tratamiento superficial doble

Es fundamental considerar el balance estructural (resistencia de la capa de reciclado, espesor de la capa de reciclado y la capa asfáltica). La referencia [5.2.19] también contiene criterios de diseño racional. Adicionalmente, el método surafricano de diseño de pavimentos [ref. 5.2.21] considera además que, para materiales ligeramente cementados, una vez alcanzada la fatiga del material éste puede fallar por aplastamiento, si las “columnas” de material fatigado no tienen la suficiente resistencia a la compresión para soportar los esfuerzos verticales transmitidos por el tránsito a la cara superior de la capa. La referencia citada contiene un conjunto completo de criterios para el análisis mecanístico de reciclados con cemento diferentes a los citados en los párrafos anteriores. Como se indica en el numeral 4.1.4.2.2.2 (Parte 4 Capítulo 1), el espesor de una capa reciclada con cemento no debería ser inferior a 150 milímetros.


360

5.2.2.5.3. Consideraciones especiales sobre el tránsito de diseño La conversión del tránsito real a ejes equivalentes requiere el empleo de factores de equivalencia que dependen del tipo de material que se analiza. Normalmente, el exponente para bases cementadas es mucho mayor que para materiales asfálticos, por lo cual el valor del factor de deterioro determinado para pavimentos flexibles, como el que reporta el INVÍAS en las cartillas anuales de tránsito, no se puede emplear directamente en el diseño de bases cementadas. Para el caso particular de Australia, por ejemplo, se ha encontrado que el número de ejes equivalentes para el diseño de pavimentos con bases cementadas es unas 21 veces el correspondiente a pavimentos flexibles, para un mismo tránsito. En estos casos, se requieren normalmente dos valores de ejes equivalentes para el diseño: - El primero, el número de ejes equivalentes para bases cementadas, con el cual

se analiza el comportamiento de este material en su primera fase, o fase de fatiga.

- El segundo, el número de ejes equivalentes para pavimentos flexibles, con el

cual se analiza el comportamiento de la subrasante y de la capa asfáltica de rodadura, tanto en la fase de fatiga como en la fase de granular equivalente.

5.2.2.6. Desarrollo del método para el cálculo de refuerzos y de las estructuras

recicladas En el apéndice del presente capítulo se presenta un conjunto de tablas y diagramas de flujo descriptivos del procedimiento propuesto para el empleo de métodos mecanísticos, tanto para el cálculo de refuerzos como para el diseño de estructuras recicladas, y en el Anexo I se presentan algunos ejemplos de ilustración. 5.2.3. Diseño de la rehabilitación por el método AASHTO-93 Como se ha indicado al comienzo de este Capítulo, la guía alienta el uso de métodos mecanicistas para el análisis de las soluciones de rehabilitación. En forma adicional, se presenta la metodología AASHTO-93 [ref. 5.2.1], de raíces empíricas, en la cual se basan los actuales manuales de diseño de pavimentos nuevos del INVÍAS para todos los niveles de volúmenes de tránsito. La metodología AASHTO, de amplio uso en el país, presenta la ventaja de no requerir el conocimiento del


361

tránsito que ha pasado por la vía existente, parámetro que es indispensable para efectuar los análisis racionales. 5.2.3.1. Aspectos generales del método de diseño AASHTO-93 El método AASHTO para el diseño de pavimentos asfálticos está basado en un modelo de comportamiento que ha sido formulado empíricamente, el cual permite determinar la capacidad requerida para proteger la capa de apoyo de las cargas de tránsito del proyecto, en condiciones preestablecidas de nivel final de servicio admisible para una determinada confiabilidad. La capacidad del pavimento se expresa en términos del número estructural (SN), el cual combina la capacidad aportada por las diferentes capas del pavimento, a partir de su espesor y de su resistencia relativa, expresada ésta última por medio de los coeficientes estructurales correspondientes a los materiales de construcción y, en el caso de las capas granulares, correspondientes también a las condiciones de drenaje. El número estructural es teóricamente adimensional; sin embargo, para facilitar su manejo y evitar confusiones en su empleo, es mejor pensar que tiene unidad de longitud (pulgadas). Se podría afirmar que, en términos mecánicos, el método busca que la estructura tenga la capacidad necesaria para disipar los esfuerzos causados por las cargas de tránsito hasta lograr que los niveles de los esfuerzos y deformaciones verticales transmitidos a la capa de apoyo sean admisibles para ésta. La capacidad de disipar esfuerzos de una capa depende de su módulo de elasticidad; por lo tanto, los coeficientes estructurales de cada capa están en función de él. El algoritmo básico de diseño de la AASHTO sólo considera que la estructura total (rodadura, base y subbase) sea suficiente para proteger la capa inferior o subrasante; un posterior análisis por capas, incluido también en la guía de diseño, tiende a asegurar que cada una de las capas (subrasante, subbase, base) sea protegida adecuadamente por las capas superiores. El método de diseño AASHTO no permite analizar específicamente el comportamiento de las capas ligadas que estén sometidas a esfuerzos y deformaciones de tensión y que, por lo tanto, son susceptibles de debilitamiento y de fisuramiento por fatiga ante la aplicación repetida de las cargas de tránsito. Además de los fisuramientos asociados a la fatiga, este proceso va reduciendo el


362

módulo de elasticidad de estos materiales y, por lo tanto, su capacidad de disipar esfuerzos hacia las capas subyacentes. Por esta razón, el método presenta limitaciones en el momento de definir los espesores de cada capa a partir del número estructural total, lo que hace que la subdivisión de la estructura en capas tenga un alto grado de subjetividad. La debilidad del método AASHTO anotada en el párrafo anterior se acentúa en el diseño de soluciones de rehabilitación, para las cuales se aplica el algoritmo básico, que tiene en cuenta solamente la protección de la subrasante; es el caso de pavimentos muy gruesos o pavimentos con capas intermedias relativamente débiles en comparación con las capas inferiores. Por ejemplo, en pavimentos gruesos con muchas sobrecapas asfálticas construidas durante el transcurso de los años, el punto débil de la estructura deteriorada muy seguramente no está en la falta de protección de la subrasante, sino en la condición estructural de las capas superiores, situación que este método de análisis no permite detectar. Es importante anotar, también, que el aporte estructural de las capas inferiores (subbase y subrasante mejorada, si existe) no crece indefinidamente con el espesor de las mismas. Este hecho, que no es analizado en el texto del método AASHTO [ref. 5.2.1], en el cual todas las estructuras mencionadas en los ejemplos tienen menos de 60 centímetros de espesor total, ha sido objeto de análisis por otros investigadores, quienes han desarrollado procedimientos para corregir este aspecto [ref. 5.2.22], hasta llegar a formular un nuevo parámetro, el número estructural ajustado (SNP), para caracterizar la resistencia del pavimento en el modelo de administración de pavimentos HDM-4 [ref. 5.2.8]. Se menciona, por ejemplo, que el cálculo tradicional del número estructural sobrevalora la capacidad del pavimento para espesores totales de pavimento por encima de 70 centímetros [ref. 5.2.23]. 5.2.3.2. Descripción del método En este numeral no se pretende describir en detalle el método AASHTO-93, el cual se puede consultar en muchos otros documentos, en particular el texto mismo del método [ref. 5.2.1]. Se mencionan, solamente, los aspectos principales en lo que puede tener relación con el diseño de las soluciones de rehabilitación. La capacidad requerida del pavimento (SN), se determina mediante la expresión:


363

En la cual, las variables son las siguientes:

W18: Número acumulado de ejes equivalentes de 80 kN (18 kip).

ZR: Valor de la variable de la distribución normal de frecuencias, correspondiente a una determinada confiabilidad R.

S0: Desviación estándar de los parámetros de cálculo.

PSI: Pérdida de índice de servicio.

Mr: Módulo resiliente de la subrasante (lb/pg2). Una vez calculada la capacidad requerida del pavimento en términos de su número estructural (SN), se deben definir los espesores de las diferentes capas del pavimento, de manera que el conjunto estructural aporte la capacidad total requerida. La capacidad del conjunto de capas del pavimento se calcula mediante la siguiente expresión:

SN = a1D1 + a2D2m2 + a3D3m3

Donde: a1, a2, a3: Coeficientes estructurales de las capas asfálticas, base y subbase, respectivamente.

D1, D2 y D3: Espesores de las capas asfálticas, base y subbase,

respectivamente.

m2, m3: Coeficientes de drenaje de las capas granulares de base y subbase, respectivamente.


364

Para poder aplicar directamente esta expresión, los espesores de las capas deben estar en pulgadas. Como se requiere de un proceso de prueba y error para llegar a la estructura final, normalmente es más fácil asignarle unidades de longitud al número estructural (pulgadas) y convertir su dimensión a la unidad que se desea emplear para el dimensionamiento del pavimento, generalmente centímetros y milímetros. Sin embargo, no se debe olvidar que siempre se debe reportar el número estructural en su concepción original que, en términos de lo expresado en este párrafo, equivale a reportarlo en el valor correspondiente a pulgadas, omitiendo la indicación expresa de la unidad. A medida que el tránsito hace uso del pavimento, éste se empieza a deteriorar en mayor o menor grado. El deterioro disminuye la calidad de servicio que presta la vía a los usuarios; en los términos de la AASHTO, disminuye el índice de servicio. Asociada a la disminución del índice de servicio, la capacidad estructural del pavimento, expresada como número estructural, se reduce también. De una capacidad inicial del pavimento nuevo (S0n), se pasa a una capacidad reducida o efectiva (SNeff), la cual debe ser evaluada en el momento de diseñar una rehabilitación. 5.2.3.3. Número estructural efectivo El método AASHTO-93 establece tres procedimientos para el cálculo de la capacidad estructural del pavimento existente, en términos del número estructural efectivo (SNeff). Son ellos: - Vida residual.

- Condición de las capas estructurales.

- Deflectometría. De estos 3 procedimientos, el más preciso suele ser el tercero, es decir, el que se basa en los resultados de la evaluación deflectométrica del pavimento. Sin embargo, la AASHTO sugiere que se empleen al menos dos de estos procedimientos, para poder verificar la consistencia de los resultados. A continuación se describen, brevemente, dos de los procedimientos: (i) el de condición de las capas estructurales y (ii) el deflectométrico. En los diseños que se presenten al Instituto Nacional de Vías se debe emplear el método deflectométrico como método básico de análisis. El método de condición


365

de las capas estructurales debe ser usado, única y exclusivamente, como herramienta de apoyo para analizar la consistencia de los resultados del análisis deflectométrico y su concordancia con la información que se tenga sobre la composición y el estado de la estructura de pavimento; además, el método de condición sirve de guía para establecer los coeficientes estructurales de las capas que van a ser fresadas o recicladas, los cuales deben ser empleados para ajustar el número estructural efectivo. 5.2.3.4. Determinación del número estructural efectivo a partir de la condición

actual de las capas estructurales Mediante este procedimiento se determina la capacidad estructural del pavimento existente a partir de la formulación original del número estructural, asignando los coeficientes estructurales de cada capa en función de los daños o deterioros que afecten su condición estructural, tal como lo muestra la Tabla 5.2.7. Para el adecuado uso de la Tabla 5.2.7, se debe tener en cuenta lo siguiente: - La tabla debe servir solamente de guía; se deben desarrollar coeficientes

propios a partir de la experiencia local. - Todos los daños se relacionan con observaciones superficiales. - Se recomienda que todo fisuramiento severo en piel de cocodrilo sea reparado

(bacheo) previamente al refuerzo; en este caso, los coeficientes del concreto asfáltico y de la base estabilizada deben reflejar la condición de daños severos que quede después del bacheo.

- Adicionalmente a las evidencias de bombeo durante la auscultación, se deben

tomar muestras de la capa de base granular para detectar erosión, degradación, contaminación por finos, así como facilidad de drenaje; los coeficientes se deben escoger de acuerdo con los resultados de estas pruebas.


366

Tabla 5.2.7

Coeficientes estructurales de pavimentos asfálticos existentes [ref. 5.2.1]

MATERIAL CONDICIÓN SUPERFICIAL COEFICIENTE

ESTRUCTURAL

Concreto asfáltico

No hay fisuras tipo piel de cocodrilo y/o hay solamente fisuras transversales de severidad baja.

0.35 a 0.40

Concreto asfáltico

<10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad baja y/o <5% de fisuras transversales de severidad media o alta

0.25 a 0.35

Concreto asfáltico

>10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad baja y/o <10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad media y/o 5 a 10% de fisuras transversales de severidad media o alta.

0.20 a 0.30

Concreto asfáltico

>10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad media y/o <10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad alta y/o >10% de fisuras transversales de severidad media o alta.

0.14 a 0.20

Concreto asfáltico

>10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad alta y/o >10% de fisuras transversales de severidad alta.

0.08 a 0.15

Bases estabilizadas

No hay fisuras tipo piel de cocodrilo y/o hay solamente fisuras transversales de severidad baja.

0.08 a 0.35

Bases estabilizadas

<10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad baja y/o <5% de fisuras transversales de severidad media o alta

0.15 a 0.25

Bases estabilizadas

>10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad baja y/o <10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad media y/o 5 a 10% de fisuras transversales de severidad media o alta.

0.15 a 0.20

Bases estabilizadas

>10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad media y/o <10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad alta y/o >10% de fisuras transversales de severidad media o alta.

0.10 a 0.20


367

MATERIAL CONDICIÓN SUPERFICIAL COEFICIENTE

ESTRUCTURAL

Bases estabilizadas

>10% de fisuras tipo piel de cocodrilo de severidad alta y/o >10% de fisuras transversales de severidad alta.

0.08 a 0.15

Bases o subbases granulares

No hay evidencia de bombeo, degradación o contaminación por finos

0.10 a 0.14

Bases o subbases granulares

Hay alguna evidencia de bombeo, degradación o contaminación por finos

0.00 a 0.10

- El porcentaje de fisuras transversales se calcula en pies lineales de fisuras por

pie2 de pavimento, por 100 - Se recomienda tomar núcleos para examinar todas las capas del pavimento; la

toma de estos núcleos es indispensable para la evaluación de las capas estabilizadas.

- Hay muchos otros tipos de daños que pueden influir en el comportamiento

futuro del refuerzo; el ingeniero debe hacer la evaluación correspondiente y utilizar los factores que considere convenientes

5.2.3.5. Determinación del número estructural efectivo a partir de las medidas de

deflexión La determinación del número estructural efectivo del pavimento (SNeff), a partir de las deflexiones requiere un proceso de retrocálculo que abarca los siguientes pasos: - Conversión de las deflexiones a la temperatura de referencia que, de acuerdo

con el método AASHTO-93, es de 20°C.

- Determinación del módulo resiliente de la subrasante a partir de la información de un sensor alejado del deflectómetro, que cumpla con unos requisitos de distancia dados.

- Determinación del módulo del pavimento, a partir del módulo resiliente de la subrasante, encontrado en el paso anterior, y del espesor total de la estructural del pavimento.


368

Determinación del número estructural efectivo (SNeff), a partir del módulo del pavimento y de su espesor total.

5.2.3.5.1. Módulo resiliente de la subrasante El módulo resiliente de la subrasante se determina mediante la siguiente expresión:

rd

P0.24Mr

r

Donde: Mr: Módulo resiliente de la subrasante (MPa).

P: Carga aplicada (N). dr: Deflexión corregida en el sensor alejado (mm).

r: Distancia del sensor alejado (mm).

El sensor alejado debe cumplir con la condición de encontrarse a la distancia mínima siguiente:

ea0.7r

Donde: r: Distancia del sensor alejado (mm).

ae: Radio del bulbo de esfuerzos en la interfaz entre la subrasante y la capa inmediatamente superior, generalmente la subbase o el relleno de mejoramiento (mm).

2

3

0

p2e

E

E*Daa

Donde: a: Radio de la placa de carga del equipo dinámico (mm).

D: Espesor total del pavimento (mm).

Ep: Módulo efectivo del pavimento (MPa).


369

E0: Módulo de la subrasante (MPa). 5.2.3.5.2. Módulo efectivo del pavimento El módulo efectivo del pavimento (Ep) se determina por iteración, mediante la siguiente expresión:

Donde: D0: Deflexión central corregida por carga y temperatura (mm).

p: Presión aplicada por la carga (MPa).

a: Radio del plato de carga (mm).

E0: Módulo resiliente de la subrasante (MPa).

Ep: Módulo del pavimento (MPa).

D: Espesor del pavimento (mm). 5.2.3.5.3. Número estructural efectivo El número estructural efectivo se determina mediante la siguiente expresión:

3 EpD049.307ESNeff

Donde: SNeff: Número estructural efectivo.

D: Espesor del pavimento (mm).

Ep: Módulo del pavimento (MPa).

Esta expresión es, en diferentes unidades, la misma que aparece en el numeral 3.2.4.1 de la presente guía metodológica (Parte 3 Capítulo 2). Además de esta expresión, correspondiente al método AASHTO-93, el número estructural efectivo


370

se puede determinar por medio de otras expresiones, tales como las que se presentan en los numerales 3.2.4.2 y 3.2.4.3, las cuales se aplican, también, a las deflexiones medidas con el deflectómetro de impacto. Existe también la opción, mucho más limitada y menos precisa, de estimar el número estructural del pavimento a partir de las deflexiones medidas con la viga Benkelman, a partir de las expresiones que se presentan en el modelo de administración de pavimentos HDM-4 [ref. 5.2.8] [ref. 5.2.23], siempre y cuando se conozca o se pueda estimar el valor del CBR de la subrasante. 5.2.3.5.4. Ajuste del número estructural efectivo por fresado En ocasiones es necesario retirar parte de las capas asfálticas existentes antes de la colocación de la capa de refuerzo. Entre las razones para esta labor, cabe mencionar las siguientes: - Retiro de la parte más fisurada de las capas asfálticas, cuando el fisuramiento

predominante que se presentan es de tipo descendente (top-down cracking). - Retiro de una o varias capas asfálticas que presentan exudaciones o

deformaciones plásticas excesivas. - Mejoramiento de la adherencia de la capa de refuerzo. - Limitaciones en el nivel de la rasante. Para realizar este ajuste, es necesario restar al número estructural Efectivo (SNeff) la contribución que prestaba la parte de las capas asfálticas existentes retiradas:

SNeff_aj = SNeff - a1fD1f

Donde: a1f,: Coeficiente estructural de la parte fresada de las capas Asfálticas.

D1f: Espesor de la parte fresada de las capas asfálticas (pulgadas).

5.2.3.6. Módulo de la subrasante para diseño

Debido a que el módulo resiliente de la subrasante es altamente dependiente del estado de esfuerzos al cual se encuentra sometida la capa, el valor determinado


371

mediante retrocálculo a partir de un sensor alejado debe ser ajustado, para reflejar las condiciones de respuesta de la subrasante bajo el centro de aplicación de la carga y los resultados de las pruebas de laboratorio bajo las cuales fue desarrollado el método AASHTO. El factor de corrección para subrasantes de pavimentos con bases o subbases granulares, según recomendaciones de dicho organismo, varía entre ⅓ y ¼ *ref. 5.2.1+. La nueva guía empírico-mecanística de la AASHTO [ref. 5.2.30] presenta los factores promedio que muestra la Tabla 5.2.8 para la estimación de los módulos resilientes de laboratorio, a partir de los módulos obtenidos por retrocálculo.

Tabla 5.2.8. Relación promedio entre los módulos de laboratorio y los módulos obtenidos mediante

retrocálculo

TIPO DE CAPA

LOCALIZACIÓN

RELACIÓN MÓDULO DE LABORATORIO/MÓDULO

DE RETROCÁLCULO

Bases y subbases

granulares

Entre dos capas estabilizadas con cemento o con productos bituminosos

1.43

Debajo de losas de concreto 1.32

Debajo de capas asfálticas de rodadura o base

0.62

Terraplenes y materiales de

subrasante

Bajo una base estabilizada o un suelo estabilizado

0.75

Bajo un pavimento asfáltico o rígido sin capas granulares de base o subbase

0.52

Bajo un pavimento asfáltico o rígido con capas granulares de base o subbase

0.35

5.2.3.7. Cálculo del espesor de refuerzo Una vez calculado el número estructural efectivo (SNeff), y ajustado por fresado si es el caso (SNeff_aj), el espesor requerido de refuerzo se calcula mediante la siguiente expresión:

ref

refa

SNeffSNfut D


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Donde: Dref: Espesor de refuerzo (pulgadas).

SNfut: Número estructural total requerido para el tránsito futuro, calculado para el módulo de subrasante de diseño por el algoritmo general de la AASHTO, numeral 5.2.3.2.

SNeff: Número estructural efectivo, o número estructural efectivo

ajustado (SNeff_aj) si es el caso.

aref: Coeficiente estructural de la capa asfáltica de refuerzo. Con esta expresión se puede calcular el espesor de refuerzo para cada uno de los sitios evaluados con la deflectometría. Esto dará valores diferentes de espesor para cada sitio que, de acuerdo con la metodología AASHTO-93 [ref. 5.2.1], deberán ser promediados para cada sector homogéneo definido en el proyecto. Otra opción consiste en aplicar la expresión a los valores promedio del número estructural efectivo (SNeff) y del módulo de subrasante de diseño, para cada sector homogéneo. En ambos casos se recomienda excluir los valores atípicos antes de calcular los valores promedio. Los sitios que arrojen valores muy altos de deflexión en comparación con la tendencia general de cada tramo, deben ser investigados puntualmente, como se indica en el numeral 2.8.5.3 de esta guía (Parte 2 Capítulo 8). Dichos sitios pueden requerir un tratamiento especial como, por ejemplo, la reconstrucción del pavimento y/o el mejoramiento del subdrenaje. El valor típico del coeficiente estructural del refuerzo (aref ) es de 0.44 para mezclas densas en caliente de alta calidad con un módulo de elasticidad mínimo de 3,100 MPa a 20°C, de acuerdo con los resultados de las pruebas de la AASHTO [ref. 5.2.1]. Esa misma referencia presenta una gráfica para determinar el coeficiente estructural de las capas asfálticas cuando la mezcla tiene un módulo inferior, siempre tomando como referencia la temperatura de 20°C. El método AASHTO-93 no presenta una indicación explícita para efectuar algún ajuste cuando la temperatura del pavimento en el sitio del proyecto es diferente a 20°C. Al menos desde el punto de vista teórico, la capacidad estructural de una capa de pavimento es función de su módulo y éste, para el caso de mezclas asfálticas, depende de la temperatura del sitio; la referencia [5.2.27] presenta una propuesta para aplicar un factor de ajuste al coeficiente estructural de las capas


373

asfálticas cuando la temperatura del pavimento en el sitio es diferente de 20°C (Tabla 2.5.9).

Tabla 5.2.9. Factores de ajuste al coeficiente estructural por efecto de la temperatura del concreto

asfáltico

TEMPERATURA PROMEDIO DEL CONCRETO ASFÁLTICO (°C)

FACTOR DE AJUSTE

10 1.00

15 0.98

20 0.95

25 0.91

30 0.87

35 0.82

40 0.76

45 0.70

50 0.64

Así mismo, el manual de diseño de pavimentos asfálticos para vías con medios y altos volúmenes de tránsito del INVÍAS [ref. 5.2.25] incorporó en su desarrollo un valor diferencial del coeficiente estructural de las capas asfálticas en función de la temperatura del sitio, en términos de la temperatura del aire, así:

a = 0.44, para sitios donde la temperatura promedio ponderada del aire (TMAP) es menor de 13°C.

a = 0.37, donde TMAP está entre 13 y 20°C.

a = 0.30, donde TMAP está entre 20 y 30 °C.

Finalmente, la documentación del modelo de administración de pavimentos del HDM-4 [ref. 5.2.8] presenta una guía diferente para la determinación del coeficiente estructural de las mezclas asfálticas, esta vez en función del módulo resiliente determinado por medio del ensayo de tracción indirecta a 30°C y del espesor de la capa asfáltica (h), así:

a = 0.20, para h<30mm, mezclas de baja estabilidad o mezclas en frío

a = 0.30, para h>30mm y módulo de 1,500 MPa.


374

a = 0.40, para h>30mm y módulo de 2,500 MPa.

a = 0.45, para h>30mm y módulo > 4,000 MPa. 5.2.3.8. Diseño de las estructuras recicladas por el método AASHTO El diseño de las estructuras recicladas por el método AASHTO-93 [ref. 5.2.1], se realiza mediante la siguiente expresión:

SNrod + SNrec = SNfut – SNeff_rem

Donde: SNrod: Aporte estructural de la capa asfáltica nueva de Rodadura.

SN rec: Aporte estructural de la capa de reciclado.

SNfut: Número estructural total requerido para el tránsito

futuro, calculado para el módulo de subrasante de diseño por el algoritmo general de la AASHTO, numeral 5.2.3.2.

SNeff_rem: Número estructural efectivo del pavimento remanente,

correspondiente al aporte estructural de las capas que quedan por debajo de la capa de reciclado.

El aporte estructural de la nueva capa asfáltica de rodadura se calcula mediante la siguiente expresión:

SNrod = arod x Drod Donde: arod: Coeficiente estructural de la nueva capa asfáltica de

Rodadura.

Drod: Espesor de la nueva capa asfáltica de rodadura (pulgadas).

El aporte estructural de la capa de reciclado se calcula mediante la expresión:

SNrec = arec x Drec


375

Donde: arec: Coeficiente estructural de la capa de reciclado.

Drec: Espesor de la capa de reciclado (pulgadas). Los coeficientes estructurales de las capas recicladas dependen del tipo de ligante, del diseño de la mezcla y de los procesos constructivos; ellos deben ser determinados con criterios de ingeniería sanos por un ingeniero experimentado y, en lo posible, a partir de los resultados de experiencias previas. Se pueden emplear, como guía, los valores establecidos en la guía AASHTO para bases estabilizadas [ref. 5.2.1]. La literatura especializada presenta valores típicos para el coeficiente estructural de las capas de reciclado en frío, como los que presenta la Tabla 2.5.10.

Tabla 5.2.10. Valores típicos del coeficiente estructural de capas recicladas en frío

TIPO DE RECICLADO FHWA-SA-98-042

[ref. 5.2.10] WIRTGEN [ref. 5.2.9]

Con asfalto espumado 0.20 a 0.42 0.10 a 0.30

Con emulsión asfáltica 0.17 a 0.41 0.10 a 0.30

Con cemento Portland

0.12 para resistencia a la compresión inconfinada < 1 MPa 0.17 para resistencia a la compresión inconfinada entre 1 y 3 MPa

Para el coeficiente estructural de los reciclados en caliente se suelen emplear valores similares a los de las mezclas asfálticas nuevas del tipo concreto asfáltico. Como el diseño debe definir dos espesores, el de la capa de reciclado y el de la capa de rodadura, es común que se fije primero el espesor de la capa de rodadura. La literatura especializada presenta algunas indicaciones al respecto. La Tabla 5.2.11 muestra una que es bastante utilizada para fijar el espesor de la capa de rodadura [ref. 5.2.28].


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Tabla 5.2.11. Espesor mínimo de la capa de rodadura asfáltica sobre capas recicladas con productos

asfálticos

NÚMERO DE EJES EQUIVALENTES

ESPESOR MÍNIMO DE LA CAPA DE RODADURA, SOBRE CAPAS RECICLADAS CON PRODUCTOS

ASFÁLTICOS (mm)

<104 Tratamiento superficial

104 50

105 50

106 75

107 100

<107 130

5.2.3.9. Hojas electrónicas para el cálculo de refuerzos Para facilitar la aplicación del método AASHTO para el cálculo de los espesores de refuerzo a partir de los procedimientos y expresiones recién descritos, se incluye un cuaderno de cálculo, cuyo contenido y funcionamiento se describen en el Anexo G. 5.2.4. Diseño de pavimentos reconstruidos La alternativa de reconstrucción es la más drástica que se contempla para la rehabilitación de pavimentos. Se adopta cuando la condición del pavimento existente es de un deterioro tan alto, que resulta necesaria la remoción parcial o total de la estructura y su reemplazo por materiales totalmente nuevos (eventualmente, dentro de las obras de reconstrucción podría participar una mezcla asfáltica reciclada en planta en caliente). La reconstrucción es la opción en el caso de pavimentos con importantes deformaciones permanentes no atribuibles a desplazamientos plásticos de las capas asfálticas por deficientes estabilidad o compactación, es decir, que afectan las capas inferiores de la estructura. Por supuesto, bajo estas circunstancias, la vida residual del pavimento es nula. La solución de rehabilitación consistirá en la determinación del espesor de las capas por remover, según las características que presenten los materiales existentes, y el diseño de una nueva estructura que responda a las exigencias del tránsito futuro (NFUT), teniendo en cuenta el aporte que estén en capacidad de brindar las capas no removidas y la subrasante.


377

El diseñador puede utilizar el procedimiento que desee para determinar el espesor de las diferentes capas de reposición de la estructura cuando evalúe alternativas flexibles y semirrígidas pero, en todos los casos, su solución deberá ser verificada por algún sistema analítico apropiado, que permita verificar que la estructura propuesta no se encuentra ni subdiseñada ni sobrediseñada. Si este requisito no se cumple, la alternativa no será aceptada por el Instituto Nacional de Vías. En el caso de que se analice una alternativa de tipo rígido, se puede contemplar, igualmente, la solución de remoción de algunas capas del pavimento existente, aunque, dada la considerable rigidez de las losas de concreto hidráulico, también resulta factible la opción de no efectuar la remoción (o eventualmente limitarla a una operación de fresado) y prever solamente la colocación de una capa de nivelación del pavimento existente, previamente a la construcción de las losas. La resistencia que brinde este soporte se tomará como parámetro para el diseño del pavimento, debiendo emplearse la versión más reciente del método de la Portland Cement Association (PCA). 5.2.5. Incidencia de los bacheos en el diseño de refuerzos Las operaciones de bacheo constituyen una técnica aceptable y necesaria de tratamiento previo a la colocación de un refuerzo en un pavimento asfáltico. Su ejecución trae como resultado un mejoramiento en la capacidad estructural del pavimento y, por lo tanto, es posible que se pueda reducir el espesor de refuerzo previamente calculado. En otras palabras, el mejoramiento que produce el bacheo en la condición del pavimento existente equivale a un incremento de la capacidad estructural del pavimento antes de la colocación del refuerzo. En tal caso, resulta recomendable la realización de una nueva auscultación deflectométrica del pavimento con posterioridad a los trabajos de bacheo, ajustando los espesores de diseño, siempre que hubiere lugar a ello.

5.2.6. Ampliaciones Algunos proyectos de rehabilitación de pavimentos asfálticos contemplan el mejoramiento de la sección transversal de la calzada, el cual puede incluir el aumento del ancho de los carriles existentes o la adición de uno o más carriles. El primer caso se produce cuando se requiere ajustar el ancho de la calzada a las exigencias técnicas y legales establecidas para las vías pavimentadas de la red primaria, generalmente, buscando obtener el ancho normalizado por carril en tangente de 3.65 metros. En este evento, no se acostumbra realizar un diseño


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estructural del pavimento para la zona de ampliación. Sin embargo, se deberán efectuar los esfuerzos necesarios para que la estructura en el área de ampliación sea lo más concordante posible con la del pavimento existente, tanto en sección transversal como en los tipos de materiales utilizados. Las capas asfálticas de la franja ampliada deberán tener, cuando menos, el mismo espesor que en la estructura antigua, con el fin de prevenir problemas asociados con futuras operaciones de rehabilitación. La capa de restauración o de refuerzo del pavimento sólo se colocará después de ejecutada la ampliación y de manera que el nuevo ancho total del pavimento reciba toda la capa superior. Constructivamente, se debe tener especial cuidado al compactar los materiales de la zona ampliada, para prevenir asentamientos diferenciales y agrietamientos a lo largo de la junta de construcción, así como para asegurar que las condiciones de drenaje superficial e interno sean apropiadas a lo ancho de la corona de la carretera. En el caso en que se precise la construcción de una franja de ampliación y la opción de rehabilitación escogida haya sido el reciclado en frío en el lugar, se deberá verificar la idoneidad de los materiales existentes en la zona por ampliar. En el caso frecuente de que su calidad no sea compatible con la de los materiales que componen la calzada por reciclar, se deberá programar su remoción y su sustitución por materiales granulares más acordes con los que componen las capas que serán sometidas a reciclado. La adición de uno o más carriles durante los trabajos de rehabilitación, se requiere cuando así lo determinen los estudios de capacidad y niveles de servicio de la carretera. En este caso, los carriles adicionales se deberán diseñar como si se tratara de un pavimento nuevo, ajustando el diseño de manera que la capa de rodadura tenga un espesor igual al del refuerzo contemplado en la zona antigua. Los métodos de diseño de pavimentos asfálticos nuevos, en uso por el Instituto Nacional de Vías, exigen la valoración de las condiciones de respuesta de la subrasante en términos de su módulo resiliente y de su relación de Poisson. El módulo resiliente se puede obtener por medición directa en el laboratorio o a través de correlaciones con otras propiedades del material. La procedencia del valor del módulo determina el nivel jerárquico de la información en relación con este dato de entrada.


379

El nivel 1 corresponde a la determinación del módulo mediante ensayos triaxiales cíclicos sobre muestras preparadas y ensayadas en condiciones representativas del trabajo del suelo como subrasante, según la norma de ensayo INV E-156, “Módulo resiliente de suelos de subrasante”. En los niveles 2 y 3, el módulo se halla mediante expresiones generales que describen relaciones entre propiedades índices y de resistencia y el módulo resiliente. Estas relaciones pueden ser directas (nivel 2) o indirectas (nivel 3). Las relaciones indirectas más frecuentes son aquellas en las que alguna propiedad del material se relaciona inicialmente con el CBR y, luego, éste se relaciona con el módulo a través de una expresión directa. Los modelos usados en la presente guía para estimar el módulo resiliente según los niveles 2 y 3, se presentan en la Tabla 5.2.12.

Tabla 5.2.12. Modelos que relacionan propiedades índice y de resistencia con el módulo resiliente de

los suelos de subrasante

RESISTENCIA O PROPIEDAD

ÍNDICE MODELO COMENTARIOS

NORMAS DE ENSAYO

INV

CBR (nivel 2)

MR (kg/cm2) = 130(CBR)0.714 CBR = relación de soporte de California

E-148

PDC* (nivel 3)

CBR = 567 (PDC)-1.40

CBR = relación de soporte de California PDC = índice del penetrómetro dinámico de cono, mm/golpe

E-172

Gradación, LL

e IP* (nivel 3)

IG

56log*8.7CBR confiabilidad 50%

IG

35log*8.7CBR confiabilidad 85%

(Ver limitaciones en Anexo H)

LL = límite líquido IP = índice plástico IG = índice de grupo

E-123, E-125, E-126

*Nivel 3: el valor calculado de CBR se usa para estimar el módulo resiliente

La relación de Poisson es un dato de entrada necesario en los modelos computacionales de respuesta estructural, aunque su efecto no es muy relevante en la respuesta del pavimento. Por tal motivo, es más frecuente que su valor sea asumido y no determinado en el laboratorio. En consecuencia, no se establecen niveles jerárquicos en relación con este parámetro, pudiéndose adoptar los valores típicos indicados en la Tabla 3.2.1 (Parte 3 Capítulo 2).


380

5.2.7. Bermas El propósito de las bermas es brindar soporte lateral a la calzada, incrementar la seguridad al usuario, permitir el estacionamiento de vehículos en emergencia, prevenir la erosión del pavimento y proporcionar una superficie para desvíos del tránsito durante la ejecución de obras u ocurrencia de eventos imprevistos sobre la superficie de la calzada Las normas de diseño geométrico para las carreteras primarias y secundarias del Instituto Nacional de Vías recomiendan que, por motivos de seguridad, las bermas de las carreteras de la red vial nacional sean construidas de manera que su superficie sea una continuación de la superficie de rodadura de la calzada. Siempre que resulte posible estimar con cierta precisión el tránsito que utilizará las bermas, su diseño estructural se realizará de acuerdo con los principios y procedimientos empleados para los carriles principales. En caso contrario, se puede adoptar la recomendación de algunas agencias internacionales, según la cual la sección estructural de las bermas debe estar capacitada para soportar, cuando menos, un tránsito del orden del 3% del número de ejes equivalentes esperados en el carril de diseño. Cuando se vayan a construir bermas pavimentadas en conjunto con una capa de refuerzo, es deseable que el pavimento de ambas zonas se construya en una sola pasada y manteniendo la misma pendiente transversal. En todos los casos, se deberán satisfacer las necesidades de drenaje superficial e interno del pavimento. Es evidente que el acondicionamiento de las bermas es un problema más complejo en el caso de una rehabilitación que en el caso de la construcción de una vía nueva, debido a las restricciones, principalmente de espacio, que obligan a que el tratamiento sólo se pueda enfrentar como una solución de compromiso entre las restricciones existentes y los objetivos por alcanzar. Entre las primeras, se pueden citar la eventual imposibilidad de modificar el eje de la carretera, el ancho de la banca, el tipo de sección en que se desarrolle la vía y el estado geotécnico de la calzada, el cual determina el tipo de rehabilitación por adoptar. Entre los objetivos por alcanzar, se encuentra el suministro de soporte lateral a la calzada como el principal, pero, también, se deben tener presentes el mejoramiento de las condiciones de seguridad y la posibilidad de brindar una superficie de rodamiento adecuada al tránsito que, de manera ocasional, haga uso de las bermas.


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En adición a lo anterior, la elección del tipo de acondicionamiento de las bermas debe consultar los principios de homogeneidad geométrica (brindando secciones con anchos de calzada y berma constantes, para evitar discontinuidades molestas al tránsito) y de facilidad y rapidez de ejecución de las obras. En relación con este último aspecto, el ingeniero deberá tener presente que, ante varias opciones de acondicionamiento técnicamente comparables, en muchos casos es preferible seleccionar la más práctica y rápida, aún a riesgo de que ella implique mayores cantidades de obra y costos de ejecución más altos. Las demoras que sufren los usuarios y los peligros a los cuales se pueden ver enfrentados por trabajos de ejecución lenta y falta de practicidad, pueden dar lugar a costos impredecibles. Las bandas sonoras tienen significativa importancia sobre la seguridad de los usuarios, en particular cuando los pavimentos están recién rehabilitados y las velocidades de operación vehicular son elevadas. Su efecto favorable es importante, también, cuando la visibilidad es escasa a causa de la lluvia, la oscuridad o la niebla y la señalización horizontal es deficiente. Las bandas sonoras son muescas construidas mediante fresado a intervalos regulares en la berma pavimentada, las cuales dan lugar a una textura superficial muy diferente de la que presenta la superficie del pavimento (figura 5.2.1). El ruido y la vibración que producen dentro del vehículo, al circular los neumáticos sobre ellas, son alarmas efectivas para los conductores cuando, por falta de visibilidad, descuido o somnolencia, se están saliendo de la calzada. Su diseño y su construcción no se encuentran contemplados ni en el manual de señalización vial del Ministerio de Transporte (las bandas sonoras a las cuales hace referencia el numeral 5.2.7 de dicho manual cumplen otra función) ni en las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del INVÍAS, motivo por el cual se pueden seguir las instrucciones de la Technical Advisory /5040.35 de la FHWA [ref.5.2.26] o la que la reemplace, en tanto son normalizadas y especificadas en el ámbito nacional. En definitiva, el acondicionamiento de las bermas con motivo de los trabajos de rehabilitación del pavimento no sólo deberá considerar su adecuación a las normas del diseño geométrico sino, también, tanto los requerimientos geotécnicos como los relativos a la eficiencia y a la seguridad en su ejecución y en su uso.


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Figura 5.2.1. – Bandas sonoras en la berma

5.2.8. Consideraciones finales sobre el drenaje En desarrollo de un capítulo anterior se hizo énfasis en la importancia que tiene el drenaje en el diseño y en la construcción de las obras de rehabilitación de un pavimento. Esta guía no tiene entre sus propósitos el suministro de procedimientos para el diseño de las obras de drenaje, asunto sobre el cual existen abundantes referencias. Sin embargo, se considera necesario mencionar algunos de los aspectos que deberán ser considerados por el ingeniero, en el momento de diseñar las estructuras de drenaje faltantes o la rehabilitación y el mejoramiento de las existentes. En relación con las obras de drenaje superficial:

- La velocidad del agua no deberá causar daños por erosión, pero tampoco podrá ser tan baja que facilite el depósito de sedimentos en la obra.

- Los períodos de retorno para el cálculo de caudales de referencia deberán ser mayores, a medida que el tránsito en la vía afectada es mayor.

- Se deberán adoptar medidas para evitar daños a terceros por los efectos del manejo de las aguas superficiales en relación con la carretera.

- La pendiente transversal del pavimento rehabilitado deberá garantizar el escurrimiento del agua que caiga sobre la calzada y las bermas, de manera que su profundidad en flujo difuso no supere el límite a partir del cual los


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neumáticos pueden ver reducido su rozamiento con el pavimento por el fenómeno de hidroplaneo.

- La pendiente transversal de las bermas no podrá ser menor que la de la parte contigua de la calzada, donde ésta vierta hacia el exterior. Donde vierta hacia el interior, la berma deberá ser una prolongación de la calzada y tendrá, obligatoriamente, superficie impermeable. Nunca las bermas podrán verter hacia la calzada.

- La profundidad de las cunetas deberá ser la necesaria para evacuar el agua que escurre por ellas. En el caso de cunetas en tierra, el fondo de ellas se deberá encontrar, como mínimo, 500 milímetros por debajo de la superficie subrasante.

- En el caso de carreteras de calzadas separadas, el drenaje superficial se deberá adaptar al tipo de separador, teniendo en cuenta la influencia que tiene la posición relativa de aquéllas sobre el diseño del separador y el de su drenaje superficial. No se deberá permitir el desagüe de una plataforma sobre la otra, excepto en algunas intersecciones en las que, en todo caso, se deberán evitar acumulaciones de agua.

- Donde el separador sea de tierra, se deberá evitar que el agua la arrastre a las calzadas. Así mismo, en puntos bajos o de poca pendiente, se deberán impedir las infiltraciones a través del revestimiento.

- Los dispositivos de recolección de las aguas superficiales del separador se deberán situar lo más lejos posible de los bordes las calzadas, para evitar su reconstrucción o su recrecimiento al reforzarlas. Además, se deberá evitar su colocación en correspondencia con los postes de las defensas metálicas.

- En zonas de intersección y de enlace, se deberán compaginar las pendientes longitudinales, los peraltes y los contornos de las islas, de modo que el conjunto drene y sea satisfactorio para la circulación.

- En las intersecciones se deberá evitar que las vías secundarias viertan a los carriles de las vías principales, por los cuales el tránsito circula a mayor velocidad.


384

- En zonas de estacionamiento se dispondrán diseños que aseguren su drenaje, pero evitando que éste se produzca hacia la carretera.

- Las obras de drenaje no podrán constituir un peligro para los vehículos que las atraviesen al salirse de la carretera.

- El diseño deberá garantizar que la capacidad de desagüe de los dispositivos superficiales no se vea rebasada antes de llegar al punto de entrega.

- Se debe tener presente que la rehabilitación de un pavimento puede conducir a costosas reformas en los dispositivos de recolección y de evacuación de las aguas superficiales, en particular si ellas se encuentran muy cerca de la calzada.

- El drenaje superficial del pavimento es inseparable de la protección contra la erosión, motivo por el cual los dos problemas deben ser tratados de manera conjunta.

En relación con las obras de drenaje interno:

- Su diseño, aunque complementario, debe ser independiente del diseño del drenaje superficial.

- El diseño del sistema de drenaje interno debe ser adaptado a las condiciones específicas del sitio donde se va a construir.

- Sin restar la importancia que tienen los demás dispositivos para el control del agua subterránea en una carretera, los subdrenes longitudinales o filtros son los elementos básicos para el drenaje interno en zonas de corte, tanto durante la construcción inicial, como durante las fases de modernización y rehabilitación.

- El diseño de los subdrenes deberá considerar el caudal crítico, entendiendo por tal, la sumatoria de los caudales provenientes del agua subterránea y del agua de infiltración.

- La profundidad del subdrén deberá garantizar que el nivel del agua subterránea permanezca, cuando menos, 500 milímetros por debajo de la superficie subrasante.


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- La sección transversal del subdrén debe ser capaz de conducir la suma de caudales a una velocidad de evacuación apropiada.

- El comportamiento eficiente de los subdrenes depende de la adecuada elección de sus materiales filtrantes y drenantes.

- El sistema de subdrenaje reduce la humedad de la subrasante, lo que se puede traducir en aumentos de la capacidad portante de ésta, los cuales permiten, eventualmente, reducciones en los espesores de rehabilitación del pavimento.

- Se debe diseñar simultáneamente un sistema de inspección y de mantenimiento del sistema de subdrenaje para garantizar, a largo plazo, su buen comportamiento y el del pavimento.

- Por último, no se debe olvidar que una técnica constructiva deficiente puede destruir el sistema mejor diseñado de drenaje subsuperficial.

REFERENCIAS 5.2.1 - AASHTO, “AASHTO guide for design of pavement structures”, Washington, 1993 5.2.2 - SHELL INTERNATIONAL PETROLEUM COMPANY, “SHELL pavement design manual”, London, 1978 5.2.3 - ASPHALT INSTITUTE, “MS-1 Thickness Design-Highways & Streets”, Lexington, KY, 1991 5.2.4 - THE ASPHALT INSTITUTE, “Research and development of the Asphalt Institute’s thickness design manual (MS 1) Ninth Edition”, College Park, Maryland, 1982 5.2.5. – ASPHALT INSTITUTE, “MS-17 Asphalt Overlays for Hwy & Street Rehabilitation” 5.2.6 - PIARC - WORLD ROAD ASSOCIATION, “Review of the growth and development of recycling in pavement”, PIARC Technical Committee C4.3 Road Pavements, 2008


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5.2.7 - PIARC - WORLD ROAD ASSOCIATION, “Guidelines for in-place recycling with cement, in-place recycling with emulsion or foamed bitumen, hot mix recycling in plant”, PIARC Committee C7/8 Road Pavements, 2003 5.2.8 - PIARC - WORLD ROAD ASSOCIATION, “HDM-4 Highway development and Management”, Volumen 4 “Analytical Framework and Model Descriptions”, parte C “Road models descriptions”, 2000 5.2.9 - WIRTGEN, “Cold Recycling Manual”, segunda edición, Alemania, 2004 5.2.10 - KANDAL P.S., MALLICK R.B., “Pavement recycling guidelines for state and local governments – participant’s reference book”, Publication No. FHWA-SA-98-042, Federal Highway Administration, Washington, Estados Unidos, Diciembre 1997 5.2.11 - THEYSE H.L., DE BEER M., RUST F.C., “Overview of the South African Mechanistic Pavement Design Analysis Method”, Divisional Publication DP-96/005, CSIR Transportek, Pretoria, South Africa, 1996 5.2.12 - THEYSE H.L., MAINA J.W., KANNEMEYER L, “Revision of the South African flexible pavement design method: mechanistic – empirical compoment”, Pavement Modelling Corporation, Sur África, 2007 5.2.13 - LONG, F.M., THEYSE, H.L., “Mechanistic empirical structural design models for emulsified bitumen treated materials”, Report No. CR/2003/44, South Africa, October 2004 5.2.14 - LONG, F.M. THEYSE, H.L., “Mechanistic empirical structural design models for foamed and emulsified bitumen treated materials”, 8th Conference on asphalt pavements for Southern Africa (CAPSA), Sun City, South Africa, 2004 5.2.15 - ASPHALT ACADEMY, “TG-2 Interim guidelines: the design and use of foamed bitumen treated materials”, South Africa, September 2002 5.2.16 - LONG F.M., THEYSE H.L., “Characterisation of foamed bitumen treated materials from hvs test sections”, South Africa, 2004 5.2.17 - LONG F.M., “The development of structural design models for foamed bitumen treated pavement layers, Contract Report CR 2001/76, CSRI Transportek, Pretoria, South Africa, December 2001


387

5.2.18 - LIEBENBERG J.J.E., VISSER A.T., “Towards a mechanistic structural design procedure for emulsion-treated base layers”, Journal of the South African Institution of Civil Engineering, 46 (3), Sur África, 2004 5.2.19 - DANISH ROAD INSTITUTE, “Mechanistic design of semi-rigid pavements”, Report 138, Road Directorate, Ministerio de Trasporte, Denmark, 2004 5.2.20 - AUSTROADS, “Technical basis of Austroads pavement design guide, Publication No. AP-T33/04, Austroads, Sydney, Australia, 2004 5.2.21 - AUSTROADS, “Technical basis of the 2004 Austroads design procedures for flexible overlays on flexible pavements, Publication AP-34/04, Austroads, Sydney, Australia, 2004. 5.2.22 - PARKMAN C.C., & ROLT J. “Characterization of pavement strength in HDM-4 and changes adopted for HDM-4”, Informe no publicado del TRL PR/ORC/587/97, Transport Research Laboratory, Crowthorne, Berkshire, UK, 1997 5.2.23 - HTC INFRASTRUCTURE MANAGEMENT LTD., “Establishing pavement strength for use with dTims”, Report T/99/07-2, Primera revision, Auckland, New Zealand, 2000 5.2.24 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Normas de ensayo de materiales para carreteras”, Bogotá D.C. 2006 5.2.25 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito”, Popayán. 1998 5.2.26 - FEDERAL HIGHWAY ADMINISTRATION, “Roadway shoulder rumble strips”, Technical Advisory /5040.35, Diciembre 20, 2001 5.2.27 - NOURELDIN A.S., LEAHY R.B. LUNDY R.B., “Development of Temperature Coefficients for the AASHTO Flexible Pavement Design Equation” 5.2.28 - ASPHALT INSTITUTE, “Asphalt Cold-Mix Recycling”, Manual Series No. 21 (MS-2 1), College Park, MD, 1986 5.2.29 - ARA INC, ERES CONSULTANTS DIVISION, “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures”, NCHRP Report 1-37A, Champaign, Illinois, March 2004


388

5.2.30 IDU – “Reglamento Técnico del Sector Vial RSV-2002”, Bogotá, 2002 5.2.31 - TRANSIT NEW ZEALAND, “New Zealand supplement to the document, Pavement Design – A Guide to the Structural Design of Road Pavements (AUSTROADS, 1992)”, Wellington, New Zealand, Mayo 2002 5.2.32 - TRANSIT NEW ZEALAND, “New Zealand supplement to the document, Pavement Design – A Guide to the Structural Design of Road Pavements (AUSTROADS, 2004)”, Wellington, New Zealand, Febrero 2007


389

CAPÍTULO 3 SELECCIÓN DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN

5.3.1. Generalidades La selección de los materiales de construcción es una actividad que se debe conducir al mismo tiempo que el diseño de la rehabilitación, con el fin de evitar el diseño de estrategias que resulten inconstruibles por la carencia de materiales idóneos en la zona del proyecto. Los materiales requeridos para las alternativas de rehabilitación consideradas, así como para los trabajos de preparación requeridos, deben ser perfectamente identificados, de manera que los costos de las diferentes unidades de obra puedan ser establecidos. A los efectos de la aplicación de la presente guía sólo se consideran, con muy limitadas excepciones, las unidades de obra usuales en la construcción de pavimentos en el país y de comportamiento suficientemente experimentado, las cuales deben cumplir los requisitos que correspondan de los Capítulos 3 (bases), 4 (pavimentos asfálticos) y 5 (pavimentos de concreto) de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras del Instituto Nacional de Vías [ref. 5.3.1], según la categoría de tránsito y el clima de la región del proyecto. En el caso de ampliaciones y reconstrucciones es posible que sea necesario acudir, también, al Capítulo 2 (explanaciones). Para el empleo de materiales y unidades de obra cuyas prescripciones no se encuentren incluidas en las especificaciones generales, se deberán elaborar especificaciones particulares, debidamente adaptadas a la intensidad de tránsito por servir y a la región climática del proyecto. Por ningún motivo se aprobará el uso de especificaciones particulares que, de manera explícita o implícita, reduzcan los índices de calidad contemplados en las especificaciones generales, independientemente de la unidad de obra de la que se trate. 5.3.2. Capas de rodadura de tipo asfáltico En trabajos de restauración, la guía contempla la posibilidad de emplear tratamientos superficiales dobles, definidos en el Artículo 431 de las Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras; sellos de arena asfalto (Artículo 432); lechadas asfálticas y microaglomerados en frío (Artículo 433); capas de mezcla discontinua en caliente para capa de rodadura (microaglomerados en


390

caliente) definidas en el Artículo 452; sobrecapas delgadas en concreto asfáltico del tipo MDC-3, descrito en el Artículo 450; mezclas drenantes (Artículo 453) y el reciclado superficial en caliente, el cual no está considerado en las especificaciones generales. En el caso de refuerzos y reciclados, la capa de rodadura estará constituida por una mezcla asfáltica en caliente, de tipo denso o semidenso, definida en el Artículo 450 de las especificaciones generales, del tipo adecuado al espesor de la capa compactada, según se establece en la Tabla 450.3 de dicho Artículo. También, podrá estar constituida por una mezcla discontinua en caliente para capa de rodadura, definida en el Artículo 452, o por una mezcla drenante en acuerdo con lo indicado en el Artículo 453, siempre y cuando se coloque primero una capa de concreto asfáltico. En el caso de la reconstrucción del pavimento se empleará el tipo de mezcla que recomiende el método de diseño estructural que se aplique. En el caso de vías de bajo tránsito (NT1), la superficie de rodadura puede estar constituida, eventualmente, por un tratamiento superficial doble, definido en el Artículo 431. La colocación de mezclas discontinuas en caliente para capa de rodadura y de mezclas drenantes sólo se podrá considerar en las vías con categoría de tránsito pesado (NT3). Además, las mezclas drenantes no se podrán utilizar sobre tableros de puentes que no estén debidamente impermeabilizados. Tampoco, cuando el tramo por rehabilitar se encuentre en una zona pluviométrica poco lluviosa (<600 mm/año), salvo que su función básica sea reducir el ruido de rodadura. Para la elección del tipo de cemento asfáltico y para el ensayo de pista en el laboratorio se tendrá en cuenta la temperatura media anual ponderada de la región donde se encuentre ubicado el sector vial del proyecto. Para la selección de los agregados pétreos y para el diseño de la mezcla asfáltica se deberá tener en cuenta la categoría de tránsito de diseño. Se permite el empleo de mezclas densas en frío como capas de rodadura en las alternativas de refuerzo, reciclado y reconstrucción, en vías con tránsitos de las categorías NT1 y NT2. El tipo de mezcla por emplear dependerá del tipo de capa y del espesor compacto por construir, según se define en la Tabla 440.2 del Artículo 440 de las especificaciones generales.


391

5.3.3. Capas de rodadura en concreto hidráulico Cuando se contemple la reconstrucción del pavimento empleando una alternativa rígida, la capa de rodadura estará constituida por losas de concreto hidráulico, cuyas características se encuentran definidas en el Artículo 500 de las especificaciones generales. REFERENCIAS 5.3.1 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Especificaciones Generales de Construcción de Carreteras”, Bogotá D.C., 2007


392


393

CAPÍTULO 4 PREDICCIÓN Y EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LAS

ESTRATEGIAS DE REHABILITACIÓN

5.4.1. Predicción del comportamiento La predicción del comportamiento de las obras de rehabilitación de un pavimento asfáltico debe comprender, como mínimo, una estimación del tiempo al cabo del cual la estrategia de rehabilitación analizada alcanza un nivel de condición tal, que requiere una nueva obra de rehabilitación. También, debe incluir las curvas de comportamiento del pavimento durante dicho lapso. El análisis se basa en la consideración de la acumulación de los deterioros en función del tiempo y del tránsito. Los deterioros primarios que son considerados en los modelos de deterioro de pavimentos asfálticos son los siguientes: (i) deformaciones permanentes (ahuellamiento); (ii) fisuras por fatiga y (iii) fisuramiento térmico. En adición, la evolución de la regularidad superficial (IRI) se predice a partir de los deterioros recién citados y de otros factores. La Figura 5.4.1 muestra una salida gráfica típica del software de diseño AASHTO 2002 para el ahuellamiento de un pavimento asfáltico [ref. 5.4.1]. Los modelos de predicción de deterioros han sido obtenidos como resultado del monitoreo de secciones de pavimento, bajo determinadas condiciones de entorno, durante lapsos muy prolongados. Quienes deseen aplicarlos bajo situaciones diferentes, deberán calibrarlos a las condiciones locales de sus pavimentos, con el fin de evitar resultados y conclusiones faltos de realismo. 5.4.2. Evaluación del comportamiento La evaluación del comportamiento consiste, básicamente, en comparar la predicción de la evolución de un deterioro, con el valor límite elegido por el diseñador o por la agencia vial para dicho deterioro, a partir del cual se requiere una nueva intervención de rehabilitación. Esta comparación es importante para determinar si la estrategia de rehabilitación se comporta adecuadamente durante el lapso (o tránsito) escogido como período de diseño de las obras. Los límites máximos de deterioros individuales y de rugosidad para pavimentos asfálticos deben ser elegidos por la entidad de acuerdo con su experiencia. El software de la


394

guía de diseño AASHTO-2002 [ref. 5.4.2] incluye, por defecto, los valores que muestra la Tabla 5.4.1.

Figura 5.4.1. – Ejemplo de salida gráfica del método AASHTO 2002

Tabla 5.4.1. Criterios de comportamiento por defecto en el software de la guía de diseño AASHTO-

2002

DETERIORO UNIDAD LÍMITE

Fisuras longitudinales de fatiga Fisuras de fatiga tipo piel de cocodrilo Fractura térmica Fisuramiento por fatiga de capas estabilizadas químicamente Ahuellamiento total Ahuellamiento de las capas asfálticas IRI terminal*

pies/milla (m/km) % área de huellas pies/milla (m/km)

% área de huellas

pulgadas (mm) pulgadas (mm)

pulgadas/milla (m/km)

1000 (190) 25

1000 (190)

25 0.75 (19) 0.25 (6)

172 (2.71)

* El IRI inicial por defecto es 63 pulgadas/milla (1 m/km)

Si algún criterio no se cumple, el ingeniero deberá efectuar los ajustes que sean necesarios a su diseño. Para ello, deberá comprender adecuadamente cuál es el impacto de los diversos parámetros de diseño y de las diversas opciones de


395

rehabilitación. A manera de ejemplo, la Tabla 5.4.2 muestra la sensibilidad del ahuellamiento total del pavimento a los datos de entrada, según el modelo incluido en la guía de diseño AASHTO-2002 [ref. 5.4.2.

Tabla 5.4.2. Sensibilidad del ahuellamiento total de un pavimento asfáltico a los datos de entrada

REFERENCIAS 5.4.1 - SCHWARTZ C. W., “Implementation of the NHCRP 1-37A design guide. Final Report Volume 1: Summary of findings and implementation plan”, MDSHA Project SP0077B41, Department of civil and environmental engineering, University of Maryland, College Park MD 20742, February 2007 5.4.2 - ARA INC, ERES CONSULTANTS DIVISION, “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures”, NCHRP Report 1-37A, Champaign, Illinois, March 2004


396


397

APÉNDICE En este apéndice se incluye un conjunto de tablas y diagramas de flujo que ilustran el procedimiento mínimo propuesto para el empleo de métodos mecanísticos, tanto para el cálculo de refuerzos como de estructuras recicladas. Las tablas y diagramas incluidos son los siguientes: Estructura existente a) Tabla: Análisis 1 - Estructura existente o antigua.

Esta tabla es común para las soluciones de refuerzo y de reciclado. b) Diagrama de flujo: Evaluación 1 - Estructura existente o antigua.

Este diagrama de flujo es válido en su totalidad, únicamente para el cálculo de refuerzos. Para el cálculo de estructuras recicladas, es válido solamente hasta el instante de determinar si el pavimento existente requiere refuerzo estructural.

Cálculo de refuerzos

a) Tabla: Análisis 2 A – Estructura reforzada sin vida residual en la capa asfáltica antigua.

b) Diagrama de flujo: Evaluación 2 A - Estructura reforzada sin vida residual en la

capa asfáltica antigua. c) Tabla: Análisis 2 B – Estructura reforzada con vida residual en la capa asfáltica

antigua. Pasos básicos.

d) Diagrama de flujo: Evaluación 2 B - Estructura reforzada con vida residual en la capa asfáltica antigua.

e) Tabla: Análisis 2 B (Cont) – Estructura reforzada con vida residual en la capa

asfáltica antigua. Pasos adicionales (estructura debilitada)


398

Cálculo de estructuras recicladas a) Tabla: Análisis 3– Estructura reciclada. Pasos básicos b) Diagrama de flujo: Evaluación 3 - Estructura reciclada c) Análisis 3 – Estructura reciclada. Pasos adicionales (estructura debilitada) Comentarios sobre las tablas y los diagramas de flujo - Por facilidad de presentación, las estructuras existentes que se muestran

solamente tiene capas granulares de base/subbase. En caso de tener bases estabilizadas con vida remanente, éstas se deben analizar a la fatiga, contabilizando su consumo de vida desde la estructura existente, en forma similar a la capa asfáltica antigua; en este caso, se pueden requerir más etapas de análisis.

- En los diagramas de flujo se indica que el dimensionamiento de la solución de

rehabilitación termina cuando la capacidad del pavimento rehabilitado, en términos de ejes equivalentes, es igual o “ligeramente mayor” que la tránsito futuro (Nf). Por “ligeramente mayor” se entiende que si se reduce en 10 milímetros el espesor de refuerzo (o de reciclado), la capacidad del pavimento es inferior al tránsito futuro (Nf)

Definiciones Npas: Tránsito pasado (número de ejes equivalentes que han pasado por la

estructura existente). Nfut: Tránsito futuro (número de ejes equivalentes para los cuales se

diseña la rehabilitación). NtPAV_ ant: Capacidad total pavimento existente, en términos de ejes

equivalentes. NrPAV_ ant: Vida residual pavimento existente, en términos de ejes equivalentes. NPAV_ ref: Capacidad pavimento reforzado, en términos de ejes equivalentes. NPAV_ rec: Capacidad pavimento reciclado, en términos de ejes equivalentes.


399

NPAV_ deb: Capacidad adicional pavimento reforzado debilitado, en términos de ejes equivalentes.

Nfi: Número de repeticiones a la falla, para la capa i. Vci: Vida consumida en la capa i. Vcai: Vida consumida acumulada. Vri: Vida residual en la capa i. Nadmi: Tránsito admisible para la capa i (número de repeticiones admisibles).

t: Deformación unitaria horizontal de tensión en la cara inferior de la capa asfáltica.

t: Esfuerzo horizontal de tensión en la cara inferior de la capa reciclada cementada.

v: Deformación unitaria vertical de compresión en la cara superior de la subrasante. Pavimento debilitado: Etapa final de un pavimento rehabilitado que ocurre cuando una capa interna (capa asfáltica del pavimento existente con vida residual o capa de reciclado), se fatiga antes que las otras capas (capa asfáltica nueva de refuerzo o rodadura y subrasante)


400

Análisis 1 - Estructura existente o antigua

PASOS HERRAMIENTAS CONDICIONES /

DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P1_1 Determinación de módulos a partir de la deflectometría

- Programa de retrocálculo (Evercalc u otro)

- Cálculo directo: hojas FHWA (Anexo F), programa elástico (Everstress u otro) o ecuaciones de regresión

- Deflexiones medidas

Módulos dinámicos en condiciones de ensayo: - Capa asfáltica - Base / Sub-

base - Subrasante

P1_2

Ajuste del módulo de la subrasante para condiciones de laboratorio

- Tabla 5.2.8

- Módulo de subrasante en condiciones de ensayo (P1_1)

- Composición de la estructura de pavimento

Módulo de subrasante para diseño

P1_3

Corrección del módulo de la capa asfáltica por tipo de ensayo y temperatura

- Factor de ajuste (Anexo C)

- Módulo de capa asfáltica en condiciones de ensayo (P1_1)

- Condiciones de ensayo: tipo de ensayo, temperatura

Módulo de capa asfáltica en condiciones de operación

P1_4 Elaboración de modelo de la estructura existente

- Módulo de capa asfáltica en condiciones de operación (P1_3)

- Módulos de otras capas (P1_2)

- Espesores capas - Relaciones de

Poisson: literatura

Modelo estructura existente: - Espesores de

capas - Módulos de

elasticidad - Relaciones de

Poisson - Condiciones

de liga entre capas

P1_5 Análisis del modelo de la estructura existente o antigua

Programa elástico (Everstress u otro)

- Modelo de la estructura existente (P1_4)

- Modelo de cargas: eje estándar de análisis

Solicitaciones críticas:

- t cara inferior capa asfáltica

- v cara superior subrasante


401


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P1_6 Cálculo de repeticiones a la falla para cada capa, Nfi

Ecuaciones de fatiga o funciones de transferencia

- Solicitaciones críticas (P1_5)

Repeticiones a la falla: - NfCA capa

asfáltica - NfSR

subrasante

P1_7 Cálculo de vida consumida en cada capa, Vci

Fórmulas (numeral 5.2.2.4)

- Repeticiones a la falla para cada capa (P1_6)

- Tráfico soportado por la estructura existente, Npas

Vida consumida: - VcCA capa

asfáltica - VcSR

subrasante

P1_8 Cálculo vida residual en cada capa, Vri


- Vida consumida en cada capa (P1_7)

Vida residual - VrCA capa

asfáltica - VrSR

subrasante

P1_9

Determinación de la capacidad total pavimento existente en términos de ejes equivalentes, NtPAV_ant


NtPAV_ ant = MIN (NfCA, NfSR)

P1_10

Determinación vida residual pavimento existente en términos de ejes equivalentes, NrPAV_ant

- Capacidad total del pavimento existente, NtPAV_

ant (P1_9) - Tránsito

soportado por la estructura existente Npas

NrPAV_ ant = NtPAV_ant - Npas

P1_11

Calibración de ecuación de fatiga de la subrasante (opcional)

Fórmula (numeral 5.2.2.4)

- Ecuación de fatiga de la subrasante

- v cara superior subrasante (P1_5)

- Tránsito soportado por la estructura existente Npas

Ecuación de fatiga de la subrasante, calibrada


402

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403

Análisis 2 A – Estructura reforzada sin vida residual en la capa asfáltica antigua


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P2A_1 Proponer espesor tentativo de refuerzo

El módulo de elasticidad del refuerzo resulta de ensayos de laboratorio, efectuados a la temperatura estimada del pavimento en el proyecto

Espesor tentativo de refuerzo, Href

P2A_2 Ajustar el módulo de las capas granulares

Consideraciones numeral 5.2.2.2

- Espesor tentativo de refuerzo, Href

- Modelo pavimento existente (P1_4)

Módulo ajustado de capas granulares

P2A_3 Ajustar el módulo de la subrasante (opcional)




Módulo ajustado de la subrasante

P2A_4 Elaboración del modelo del pavimento reforzado

- Módulo de capa asfáltica de refuerzo: laboratorio

- Módulo de capa asfáltica antigua: granular equivalente

- Módulo de granulares ajustado (P2 A_2)

- Módulo de subrasante ajustado (opcional P2 A_3)

- Espesores de capas

- Relaciones de Poisson: literatura

Modelo estructura reforzada: - Espesores de

capas - Módulos de


Poisson - Condiciones de

liga entre capas


404


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P2A_5 Análisis del modelo de la estructura reforzada


- Modelo de la estructura reforzada (P2A_4)



- t_ref cara inferior capa asfáltica refuerzo


P2A_6 Cálculo de repeticiones a la falla para cada capa, Nfi


- Solicitaciones críticas (P2A_5)

Repeticiones a la falla: - NfCA_ ref capa

asfáltica de refuerzo

- NfSR subrasante

P2A_7

Determinación de la capacidad total del pavimento reforzado, en términos de ejes equivalentes, NtPAV_ref

- Repeticiones a la falla para cada capa (P2A_6)

NtPAV_ ref= MIN (NfCA_ ref, NfSR)


405

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406

Análisis 2 B – Estructura reforzada con vida residual en capa asfáltica antigua Pasos básicos


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P2B_1 Proponer espesor tentativo de refuerzo

El módulo de elasticidad del refuerzo resulta de ensayos de laboratorio, efectuados a la temperatura estimada del pavimento en el proyecto

Espesor tentativo de refuerzo, Href

P2B_2 Ajustar módulo capas granulares



- Modelo del pavimento existente (P1_4)


P2B_3 Ajustar el módulo de la subrasante (opcional)



- Modelo del pavimento existente (P1_4)


P2B_4 Elaboración del modelo del pavimento reforzado

- Módulo de capa asfáltica refuerzo: laboratorio

- Módulo de capa asfáltica antigua: del modelo pavimento existente (P1_4)

- Módulo de granulares, ajustado (P2B_2)

- Módulo de subrasante, ajustado (opcional P2B_3)



Modelo de la estructura reforzada: - Espesores de

capas - Módulos de



liga entre capas


407


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P2B_5 Análisis del modelo de la estructura reforzada


- Modelo estructura reforzada (P2B_4)




- t_ant cara inferior capa asfáltica antigua


P2B_6 Cálculo de repeticiones a la falla para cada capa, Nfi


- Solicitaciones críticas (P2B_5)



- NfCA_ ant capa asfáltica antigua

- NfSR subrasante

P2B_7 Cálculo de repeticiones admisibles para cada capa, Nadmi

Nadmi = Vri x Nfi

- Repeticiones a la falla para cada capa (P2B_6)

- Vida residual que viene de la estructura existente (P1_8): - Capa asfáltica

refuerzo = 1 - Capa asfáltica

existente = P1_8

- Subrasante = 1 (ver numeral 5.2.2.4)

Repeticiones admisibles: - NadmCA_ ref

capa asfáltica de refuerzo

- NadmCA_ ant capa asfáltica antigua

- NadmSR subrasante

P2B_8

Determinación capacidad del pavimento reforzado, en términos de ejes equivalentes, NPAV_ref

- Repeticiones admisibles para cada capa (P2B_7)

NPAV_ ref= MIN (NadmCA_ ref, NadmCA_ ant, NadmSR)


408


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P2B_9

Cálculo vida consumida en cada capa en estructura reforzada, Vci



- Capacidad pavimento reforzado, en términos de ejes equivalentes, NPAV_ref (P2B_8)

Vida consumida: - VcCA_ref capa


- VcCA_ant capa asfáltica antigua

- VcSR subrasante

P2B_10 Cálculo de vida consumida acumulada en cada capa, Vcai


- Vida consumida en cada capa en etapa estructura reforzada (P2B_9)

- Vida consumida que viene de la estructura existente (P1_7): - Capa asfáltica

refuerzo = 0 - Capa asfáltica

existente = P1_7

- Subrasante = 0 (ver numeral 5.2.2.4)

Vida consumida acumulada: - VcaCA_ref capa


- VcaCA_ant capa asfáltica antigua

- VcaSR subrasante

P2B_11 Cálculo de vida residual en cada capa, Vri


- Vida consumida acumulada en cada capa ( P2B_10)

Vida residual - VrCA_ref capa


- VrCA_ant capa asfáltica antigua

- VrSR subrasante


409

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410

Análisis 2 B (Cont) – Estructura reforzada con vida residual en la capa asfáltica antigua Pasos adicionales (estructura debilitada)


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P2B_12 Ajustar módulo de capas granulares


- Cambio condición capa asfáltica antigua

- Modelo pavimento reforzado (P2B_4)


P2B_13 Ajustar módulo subrasante (opcional)


- Cambio condición capa asfáltica antigua

- Modelo pavimento reforzado (P2B_4)


P2B_14 Elaboración del modelo del pavimento debilitado

- Módulo capa asfáltica de refuerzo: laboratorio

- Módulo capa asfáltica antigua: granular equivalente

- Módulo de granulares, ajustado (P2B_12)

- Módulo de subrasante, ajustado (opcional P2B_13)



Modelo de la estructura reforzada debilitada: - Espesores de

capas - Módulos de



liga entre capas

P2B_15 Análisis del modelo de la estructura reforzada debilitada


- Modelo estructura reforzada debilitada (P2B_14)






411


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P2B_16 Cálculo repeticiones a la falla para cada capa, Nfi


- Solicitaciones críticas (P2B_15)



- NfSR subrasante

P2B_17 Cálculo de repeticiones admisibles para cada capa, Nadmi

Nadmi = Vri x Nfi


- Vida residual que viene de la estructura reforzada sana (P2B_11)

Repeticiones admisibles: - NadmCA_ ref

capa asfáltica de refuerzo

- NadmSR subrasante

P2B_18

Determinación de la capacidad del pavimento reforzado debilitado, en términos de ejes equivalentes, NtPAV_deb

- Repeticiones admisibles para cada capa (P2B_17)

NPAV_ deb= MIN (NadmCA_ ref, NadmSR)


412

Análisis 3 – Estructura reciclada Pasos básicos


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P3_1 Proponer espesores tentativos de reciclado y de capa de rodadura

- El módulo de la rodadura resulta de ensayos de laboratorio, efectuados a la temperatura estimada del pavimento en el proyecto

- El módulo del reciclado puede resultar de ensayos de laboratorio, o de guías (ver numeral 5.2.2.5 )

Espesores tentativos de reciclado Hrec y de capa asfáltica de rodadura Hrod

P3_2 Ajustar módulo decapas granulares


- Espesores tentativos de reciclado Hrec y de rodadura Hrod



P3_3 Ajustar módulo de la subrasante (opcional)


- Espesores tentativos de reciclado Hrec y de rodadura Hrod




413


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P3_4 Elaboración del modelo del pavimento reciclado

- Módulo capa asfáltica rodadura: laboratorio

- Módulo capa reciclada: ensayos de laboratorio, o guías (ver 5.2.2.5)

- Módulo granulares, ajustado (P3_2)

- Módulo subrasante, ajustado (opcional P3_3)

- Espesores de capas - Relaciones de

Poisson: literatura

Modelo estructura reciclada: - Espesores de

capas - Módulos de



liga entre capas

P3_5 Análisis del modelo de la estructura reciclada


- Modelo de la estructura reciclada (P3_4)



- t_rod cara inferior capa asfáltica de rodadura

- t_rec ó t_rec cara inferior capa reciclada





Repeticiones a la falla: - NfROD capa

asfáltica de rodadura

- NfREC capa de reciclado

- NfSR subrasante


414


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P3_7 Cálculo de repeticiones admisibles para cada capa, Nadmi

Nadmi = Vri x Nfi


- Vida residual que viene de la estructura existente (P1_8): - Capa asfáltica

rodadura= 1 - Capa reciclado =

1 - Subrasante = 1

(ver numeral 5.2.2.4)

Repeticiones admisibles: - NadmROD capa


- NadmREC capa de reciclado

- NadmSR subrasante

P3_8

Determinación capacidad del pavimento reciclado, en términos de ejes equivalentes, NPAV_rec

- Repeticiones admisibles para cada capa (P3_7)

NPAV_rec= MIN (NadmROD, NadmREC, NadmSR)

P3_9

Cálculo de la vida consumida en cada capa en la estructura reciclada, Vci



- Capacidad del pavimento reciclado, en términos de ejes equivalentes, NPAV_rec

(P3_8)

Vida consumida: - VcROD capa


- VcREC capa de reciclado

- VcSR subrasante

P3_10 Cálculo de la vida consumida acumulada en cada capa, Vcai


- Vida consumida cada capa en etapa estructura reciclada (P3_9)

- Vida consumida que viene de la estructura existente (P1_7): - Capa asfáltica

rodadura = 0 - Capa reciclado =

0 - Subrasante = 0 (ver

numeral 5.2.2.4)

Vida consumida acumulada: - VcaROD capa


- VcaREC capa de reciclado

- VcaSR subrasante

P3_11 Cálculo de la vida residual en cada capa, Vri


- Vida consumida acumulada en cada capa ( P3_10)

Vida residual - VrROD capa


- VrREC capa de reciclado

- VrSR subrasante


415

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416

Análisis 3 – Estructura reciclada Pasos adicionales (estructura debilitada)


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P3_12 Ajustar módulo de las capas granulares


- Cambio condición capa de reciclado

- Modelo del pavimento reciclado (P3_4)


P3_13 Ajustar módulo subrasante (opcional)


- Cambio condición capa de reciclado

- Modelo pavimento reciclado (P3_4)


P3_14 Elaboración del modelo del pavimento debilitado

- Módulo de capa asfáltica rodadura: laboratorio

- Módulo de capa de reciclado: granular equivalente

- Módulo de granulares, ajustado (P3_12)

- Módulo de subrasante, ajustado (opcional P3_13)



Modelo de la estructura reciclada debilitada: - Espesores de

capas - Módulos de



liga entre capas

P3_15 Análisis del modelo de la estructura reciclada debilitada


- Modelo estructura reciclada debilitada (P3_14)



- t_rod cara inferior capa asfáltica de rodadura





Repeticiones a la falla: - NfROD capa


- NfSR subrasante


417


DATOS DE ENTRADA

RESULTADOS

P3_17 Cálculo de repeticiones admisibles para cada capa, Nadmi

Nadmi = Vri x Nfi


- Vida residual que viene de la estructura reciclada sana (P3_11)

Repeticiones admisibles: - NadmROD capa


- NadmSR subrasante

P3_18

Determinación de la capacidad del pavimento reciclado debilitado, en términos de ejes equivalentes, NtPAV_deb

- Repeticiones admisibles para cada capa (P3_17)

NPAV_ deb= MIN (NadmROD, NadmSR)


418

PARTE 6

Análisis económico

Parte 6 – Análisis económico

421

PARTE 6 ANÁLISIS ECONÓMICO

6.1. GENERALIDADES Los elevados costos de las obras de infraestructura vial y la limitación de los presupuestos para ejecutarlos, han obligado a las administraciones viales a realizar estudios de costos y evaluaciones técnico económicas que permitan tomar decisiones acertadas en cuanto a la rentabilidad positiva de las inversiones. En general, el propósito es minimizar el costo total del transporte, incluidas la infraestructura y la operación vehicular, como base para determinar los planes y programas de rehabilitación y de mantenimiento de vías. La evaluación económica se utiliza, tanto para determinar la factibilidad como para elegir entre distintas estrategias de un proyecto. En el análisis se evalúan y consideran todos los costos o flujos de dinero asociados a cada estrategia propuesta a lo largo de la vida útil. De esta manera, la evaluación económica ayuda a elegir la estrategia de inversión que se considere más adecuada para los intereses institucionales. La evaluación económica en sí no representa una decisión y, por ello, conviene que los criterios de aplicación para la decisión sean definidos antes de que los resultados de la evaluación sean aplicados. En todo caso, se deben examinar todas las estrategias técnicamente viables dentro del tiempo previsto para el análisis, incluyendo la comparación con la situación existente. En general, se distinguen dos tipos de evaluación en un proyecto vial, según el punto de vista de la entidad encargada de realizar la inversión: privada o pública. La evaluación privada o financiera es la que busca conocer el retorno o rendimiento que un proyecto generará, con base en el capital a invertir. En este caso se comparan los costos y los flujos de ingresos que afectan exclusivamente a un proyecto, desde el punto del inversor privado. Es el caso de las carreteras en


420


422

concesión, en las cuales la atención se centra en optimizar los costos de inversión para lograr las condiciones mínimas exigidas de la vía y en maximizar los ingresos por el cobro de peaje, por ejemplo. La evaluación publica o económica es la que considera los costos y beneficios que un proyecto tiene para la sociedad. Se denomina, también, evaluación social o evaluación socio-económica y se aplica por las entidades de gobierno o públicas que realizan la inversión y cuyo interés es maximizar el beneficio público con la realización del proyecto vial. A este tipo de evaluación, se centrará el contenido de lo que sigue, dado el propósito del presente documento guía.


423

CAPÍTULO 1 ANÁLISIS DE COSTOS DURANTE EL CICLO DE VIDA

El análisis de costos durante el ciclo de vida (ACCV) es una herramienta metodológica que facilita a la institución vial escoger la estrategia técnico-económica que proveerá el comportamiento deseado del pavimento al menor costo en el período bajo estudio. Para cada estrategia técnica se consideran los costos de rehabilitación y de mantenimiento y los costos para los usuarios. Esto permite realizar la comparación económica de las diferentes estrategias factibles, evaluadas a lo largo del mismo lapso de análisis. Una estrategia factible es aquella que cumple las necesidades técnicas del proyecto y se ajusta a las restricciones de toda índole que la pueden afectar. El ACCV es una herramienta en el proceso de decisión, pero no determina la decisión. Aspectos tales como las restricciones presupuestales y ambientales, el concepto de la comunidad y el buen juicio ingenieril, también deberán ser considerados en el momento de elegir la mejor estrategia para un proyecto en particular. 6.1.1. Costos y beneficios de un proyecto de rehabilitación de pavimentos Los costos y beneficios de un proyecto de rehabilitación de pavimentos, incluido su mantenimiento, se pueden clasificar en las siguientes categorías: - Costos y beneficios cuantificables y posibles de convertir a unidades

monetarias, como son los correspondientes a rehabilitación y mantenimiento, operación vehicular, tiempos de viaje, ingresos por cobro de peajes, etc.

- Costos y beneficios cuantificables pero no posibles de convertir en unidades

monetarias sin estudios rigurosos fuera del alcance de un estudio tradicional de ACCV, como son los correspondientes a seguridad, contaminación, nivel de ruido, modificación de precios de terrenos, etc.

- Costos y beneficios no cuantificables en el marco de ACCV, como son los

correspondientes a bienestar social, calidad de vida, oportunidades comerciales, etc.

La posibilidad de cuantificar determinados costos o beneficios dependerá de la información que se pueda obtener y de la viabilidad de usar modelos o técnicas de


424

medición que faciliten asignarles una magnitud. Al respecto, es de anotar que algunos elementos están determinados conceptualmente pero no se dispone de medios para cuantificar el costo o los beneficios que generan en los usuarios de las vías. El ACCV utiliza los costos y los beneficios cuantificables y posibles de convertir a unidades monetarias, y la factibilidad de un proyecto está dada por la relación entre esos costos y esos beneficios esperados. 6.1.1.1. Principales costos a tener en cuenta en la evaluación La estructura de costos para la evaluación de un proyecto de rehabilitación de pavimentos tiene, en general, los siguientes componentes asociados: 1. Costos para la entidad vial, que incluyen:

- Costos del proyecto o costos de ingeniería.

- Costos iniciales de los trabajos de rehabilitación.

- Costos de mantenimiento.

- Costos de otras rehabilitaciones futuras.

- Valor residual o costo remanente al final del período de análisis.

- Gastos financieros.

- Costos de administración.

- Costos de Interventoría. 2. Costos para los usuarios, que incluyen:

- Costos de operación de los vehículos: combustibles, lubricantes, neumáticos, repuestos, mano de obra de mantenimiento, tripulación.

- Costos anuales fijos: depreciación, intereses y administrativos.

- Costos de tiempo de viaje de: pasajeros, demora o retención de carga.


425

- Costos extras a los usuarios por demoras o inconvenientes ocasionados por trabajos o rehabilitaciones en la vía.

3. Costos extras o exógenos que incluyen:

- Accidentes de tránsito.

- Impactos ambientales: emisión de gases, ruidos, sobrecalentamiento, contaminación visual, etc.

- Impactos en el entorno cercano: intercambios comerciales, cambios en la actividad productiva, modificación en el valor y en el uso del suelo, etc.

Los beneficios referidos a los usuarios tienen, en general, los siguientes componentes asociados: 1. Reducciones directas o indirectas de los costos de operación vehicular.

2. Reducciones en los tiempos de viaje. 3. Desarrollo de la zona de influencia del proyecto que proporcionará ganancias en

los comercios aledaños, valorización de los terrenos, mayor intercambio comercial, incremento en la productividad, etc.

6.1.1.1.1. Principales costos para la entidad vial Los principales costos que debe considerar la entidad vial responsable del proyecto de rehabilitación de una vía pavimentada son los siguientes: proyecto o ingeniería, rehabilitación inicial, mantenimiento, rehabilitaciones posteriores y el valor residual [ref. 6.1.1]. En algunos casos específicos, cuando los montos lo ameriten, también se deberán incluir los costos de administración y los gastos financieros. Costos de proyecto o costos de ingeniería Corresponden a los costos esperados por los estudios de campo, laboratorio y oficina, requeridos para preparar los documentos del proyecto a nivel definitivo. Incluyen, igualmente, el costo de la interventoría de las obras. Para efectos del ACCV, ellos sólo deben ser incluidos si los costos de diseño e interventoría de una estrategia resultan diferentes de los mismos costos de las otras estrategias bajo


426

análisis. Cuando se consideran estos costos, se acostumbra expresarlos como un porcentaje de los costos de las obras, generalmente 15 %. Entre los propósitos más importantes de los estudios de ingeniería se tienen: - Identificar las estrategias factibles para el proyecto e identificar la mejor de

ellas.

- Disminuir los riesgos en las etapas de ejecución de las obras.

- Garantizar una adecuada estimación de las inversiones del proyecto.

- Servir de instrumento para las actividades de promoción y de consecución de financiación.

Costos iníciales de los trabajos de rehabilitación Se consideran como tales, aquéllos asociados a la materialización de cada estrategia de rehabilitación, de acuerdo con los planos y especificaciones aplicables al proyecto. Para efectos de la comparación que exige el ACCV, los costos de los ítems que no se relacionen con el pavimento (señalización, iluminación, defensas metálicas, obras de drenaje, etc.), así como aquéllos que, refiriéndose al pavimento sean comunes a todas las estrategias, deben ser ignorados. Los costos de construcción de las obras de rehabilitación que se utilicen para el ACCV, se deben basar en datos actualizados y confiables. Bajo cualquier circunstancia, el Instituto Nacional de Vías rechazará aquellos estudios que incluyan precios unitarios u otros costos artificialmente altos o bajos, destinados únicamente a eliminar o favorecer de manera intencional una o más estrategias. Costos de mantenimiento Comprenden aquellos costos asociados con el mantenimiento de la superficie del pavimento a un nivel aceptable predeterminado. Incluyen operaciones de mantenimiento preventivo y correctivo, pero no de rehabilitación. Estos costos constituyen uno de los tópicos de más difícil determinación en el ACCV, dada la existencia de múltiples problemas inherentes a la obtención de valores precisos y confiables en relación con el mantenimiento vial.


427

El Instituto Nacional de Vías intenta que en el futuro se programen las actividades de mantenimiento de sus pavimentos en etapas tempranas del ciclo de deterioro, de manera que no se presenten diferencias de consideración en los costos de mantenimiento asociados a las diferentes estrategias de rehabilitación posterior. Cuando se pueda presumir que se presenta esta situación, los costos de mantenimiento se pueden descartar del ACCV. Costos de rehabilitación posterior Se refieren a las actividades futuras de rehabilitación que requiera el pavimento durante el período de análisis. Ellos representan los costos periódicos en que se habrá de incurrir para restaurar el nivel de servicio del pavimento. Uno de los problemas importantes relacionados con la rehabilitación posterior, es la imposibilidad de predecir con certeza el momento y la magnitud de los trabajos requeridos. La existencia de datos confiables sobre el comportamiento histórico de los pavimentos de las carreteras nacionales, será importante en la definición de estas variables. Valor residual El valor residual (VR) o de salvamento, es el costo o beneficio que representa el valor remanente que tiene la estructura de la vía en cualquier instante de su periodo de vida. A medida que aumenta el deterioro a través del tiempo, el valor inicial de la vía va disminuyendo. Es decir, que el valor residual es el valor remanente de la estructura del pavimento al final del periodo de análisis. Puede ser positivo o negativo, dependiendo si la parte física del pavimento tiene algún valor económico o si el costo de demolición y remoción excede cualquier valor positivo posible. Si una estrategia ha alcanzado su ciclo de vida total al final del período de análisis, generalmente se considera que no tiene ningún valor residual. Si no lo ha completado, se le asigna un valor que, usualmente, se determina multiplicando el último costo de rehabilitación por la relación entre la vida remanente y la vida total esperada.

VR = UCR (VRE/VTE) Donde: VR: Valor residual.

UCR: Costo de la última rehabilitación.


428

VRE: Vida remanente esperada.

VTE: Vida total esperada.

Ejemplo de cálculo del valor residual Una de las estrategias de rehabilitación de un pavimento asfáltico consiste en la colocación de un refuerzo cuyo período de diseño esperado es de 12 años. El período de análisis es de 30 años. Si se supone que cada 12 años se procederá al refuerzo del pavimento, ello implica que se colocarán 3 capas de refuerzo durante el período de análisis (años 0, 12 y 24). Consecuentemente, es de esperar que la tercera capa tenga una vida residual de 6 años al término del período de análisis. Si el costo de una rehabilitación es de 30 mil millones de pesos, su valor residual será:

VR = 30.000.000.000(6/12) = $ 15.000.000.000

Otra manera de calcular el valor residual es determinando el tipo de intervención que se debe ejecutar en la vía en un momento determinado del periodo de vida del pavimento, para que llegue a las condiciones iníciales de servicio, es decir, para que resista un periodo igual al de su diseño inicial y bajo las mismas condiciones de carga. Este valor de la intervención por ejecutar se le resta al valor de la construcción inicial y así se obtiene el valor residual.

VR = Co – CR Donde: VR: Valor residual.

Co: Valor de construcción inicial.

CR: Costo de rehabilitación. Comparación de costos entre dos estrategias Los costos de rehabilitación y de mantenimiento de cada estrategia factible identificada en el proyecto se calculan según las cantidades físicas involucradas en la rehabilitación inicial, las rehabilitaciones posteriores y en el mantenimiento correspondiente. Los costos resultantes son clasificados como costos de capital y costos recurrentes. Los primeros son aquéllos en los cuales se incurre debido a la ejecución de las rehabilitaciones y los costos recurrentes son aquéllos que son utilizados anualmente en el mantenimiento de la vía.


429

Las diferencias de costos entre dos estrategias, una de ellas definida como base, son calculadas a partir de los costos totales durante el período de análisis, para cada una de estas dos categorías. Diferencias de Costos de Capital: CAPbCAPab)ΔCAP(a

Diferencia de Costos Recurrentes: RECbRECab)ΔREC(a

Diferencia de Valores Residuales: VRbVRab)ΔVR(a

Donde: CAPi: Costo total de capital invertido en la implementación de

la estrategia “i”.

)bΔCAP(a : Diferencia entre los costos de capital entre la estrategia

“a” y la estrategia “b”, para un proyecto determinado, en un año determinado.

RECi: Costo total recurrente incurrido en la implementación

de la estrategia “i”.

b)ΔREC(a : Diferencia entre los costos recurrentes entre la

estrategia “a” y la estrategia “b”, para un proyecto determinado, en un año determinado.

VRi: Valor residual o de salvamento en la implementación de la estrategia “i”.

b)ΔVR(a : Diferencia entre los valores residuales entre la

estrategia “a” y la estrategia “b”, para un proyecto determinado.

Debido a que estos costos se producen en diferentes instantes del período de análisis, su comparación requiere una actualización que permita considerar adecuadamente el valor del dinero a lo largo del tiempo.


430

6.1.1.1.2. Principales costos y beneficios para los usuarios Los principales costos que asumen los usuarios son los de operación vehicular, los de los tiempos de viaje y algunos extras, ocasionados por demoras o por retenciones durante la ejecución de los trabajos de mantenimiento y rehabilitación. Costos de Operación vehicular Al circular un vehículo por una vía, incurre en gastos que se denominan costos de operación vehicular. La magnitud de estos costos depende del tipo de vehículo, del tipo de superficie de rodadura y su estado, de la geometría de la carretera y del estado general de los vehículos. Los costos de operación de los vehículos se pueden ordenar en dos grandes grupos, según sean o no independientes del kilometraje recorrido. Grupo 1: Costos fijos que incluyen:

- Salarios y prestaciones. - Garaje o estacionamiento. - Seguros. - Administración. - Amortización. - Depreciación e intereses.

Grupo 2: Costos variables que incluyen:

- Consumo de combustibles. - Consumo de lubricantes. - Desgaste de llantas. - Desgaste y mantenimiento, reparaciones y repuestos o refacciones. - Otros: engrase, lavado, pintura, etc.

En general, hay una relación casi directa entre el estado de la superficie de rodadura del pavimento y los costos de operación vehicular. A medida que se aumenta el deterioro de la vía se incrementan los costos de operación vehicular. De esta manera, ocurre que cuando se rehabilita un pavimento y se mejoran las condiciones superficiales de circulación, los costos de operación vehicular se reducen y los ahorros derivados de ello se traducen en beneficios para los usuarios.


431

El beneficio se expresa como la diferencia de los costos de transporte correspondientes a la situación inicial para el tránsito normal y los costos de transporte correspondientes a la situación mejorada mediante la rehabilitación, así:

B = (CT)sp — (CT)cp Donde: B: Beneficio para el usuario.

(CT)sp: Costo de transporte sin proyecto.

(CT)cp: Costo de transporte con proyecto. Al rehabilitar la vía, se puede presentar un incremento de viajes, que se denomina tránsito generado, el cual se beneficia también de las mejores condiciones del pavimento rehabilitado. Los beneficios que usualmente se cuantifican monetariamente son los ahorros en los costos de operación vehicular, considerando el tránsito normal presente y el eventualmente generado por las mejoras en la vía, en relación con la situación inicial sin proyecto. Los costos de operación vehicular asociados con las condiciones del pavimento incluyen consumo de combustible, consumo de neumáticos, gasto de lubricantes, gastos de mantenimiento del vehículo, repuestos y la depreciación del vehículo. Los cálculos se realizan para cada tipo de vehículo y luego se suman para obtener el costo total de operación vehicular. Beneficios en los costos de operación debidos al tránsito normal:

[ ]UCaiUCbiTNib)ΔVCN(ai

−=− ∑

Beneficios en los costos de operación debidos al tránsito generado:

[ ][ ]UCaiUCbiTGbiTGai1/2b)ΔVCN(ai

−+=− ∑


432

Donde: b)ΔVCN(a− : Beneficios en los costos de operación de los vehículos debidos a la estrategia “a” respecto de la estrategia “b”.

TNi : Número de vehículos tipo “i” por año, en ambas

direcciones.

iUCj : Promedio del costo de operación por viaje para el vehículo tipo “i” bajo la estrategia “j”.

b)ΔVCG(a− : Beneficios en los costos de operación de los vehículos

debidos al tránsito generado de la estrategia “a” respecto de la estrategia “b”.

TGji : Tránsito generado para el tipo de vehículo “i” debido a

la estrategia “j”, relativo a la estrategia base, en número de vehículos por año en ambas direcciones.

Las sumatorias Σ son sobre todos los tipos de vehículos correspondientes al tránsito normal y al tránsito generado. Beneficios y costos en tiempo de viaje Los beneficios en tiempos de viaje están representados en ahorros de tiempo para el usuario en el desplazamiento de un lugar a otro. Para el cálculo se utilizan las velocidades de los distintos tipos de vehículos, las cuales están relacionadas con las características geométricas de la carretera y la condición del pavimento. Los ahorros de tiempo de viaje se calculan para el tránsito normal y para el tránsito generado Beneficios en el tiempo de viaje debidos al tránsito normal:

[ ]UTaiUTbiTNib)ΔTCN(ai

−=− ∑

Beneficios en el tiempo de viaje debidos al tránsito generado:

[ ][ ]UTaiUTbiTGbiTGai1/2b)ΔTCG(ai

−+=− ∑


433

Donde: b)ΔTCN(a− : Beneficios en el tiempo de viaje, debidos al tránsito normal de la estrategia “a” respecto de la estrategia “b”.

UTji : Promedio del costo del tiempo de viaje para cada tipo

de vehículo “i” de la estrategia “j”.

b)ΔTCG(a− : Beneficios en el tiempo de viaje, debidos al tránsito generado para la estrategia “a” respecto de la estrategia “b”, en un año determinado.

TGji : Tránsito generado para tipo de vehículo “i” debido a la

estrategia “j”, relativo a la estrategia base, en número de vehículos por año en ambas direcciones.

Las sumatorias Σ son sobre todos los tipos de vehículos especificados correspondientes al tránsito normal y al tránsito generado En los tiempos de viaje también se pueden producir costos para el usuario ocasionados por demoras durante la ejecución de los trabajos de mantenimiento y de rehabilitación. En caso de ser significativos, ellos se calculan de la misma manera. Beneficios y costos extras Un proyecto de rehabilitación de pavimentos genera, además, otros impactos representados en costos o beneficios relacionados con el medio ambiente, tales como emisión de gases, ruidos, sobrecalentamiento, contaminación visual, aumento o reducción de accidentes de tránsito y otros, que no son fáciles de evaluar. Si algunos de ellos se consideran significativos, se deben evaluar en cada año de análisis y considerarlos en las diferentes estrategias. Para cada par de estrategias a ser comparadas para un cierto sector vial en un determinado año, los beneficios y costos extras serán:

( ) ( )EXCbEXBbEXCaEXBab)ΔEXB(a +−−=−


434

Donde: b)ΔEXB(a : Diferencia entre el beneficio neto entre la estrategia “a”

y la estrategia “b”.

EXBj: Beneficio extra para la estrategia “j”, para un tramo y un

año determinado.

EXCj : Costo extra para la estrategia “j”, dado para un tramo y

un año determinado. 6.1.2. Métodos de evaluación económica aplicables en un proyecto de

rehabilitación de pavimentos

6.1.2.1. Definiciones conceptuales Período de análisis Para el estudio económico de los pavimentos conviene distinguir entre varios períodos: (i) de diseño, (ii) de vida útil y (iii) de análisis. El período de diseño es aquel lapso para el cual fue diseñado el pavimento, es decir, el tiempo en años que se supone que resistirá las cargas estimadas que pasarán por él. El período de vida útil es el lapso en años que realmente resiste el pavimento las cargas efectivas que circularán por él. El período de análisis es aquel lapso, medido en años, que va desde la puesta en servicio del pavimento hasta el momento en que el evaluador quiere realizar su análisis. Por lo tanto, el período de análisis puede ser mayor o menor que el período de diseño. En un proyecto de rehabilitación de pavimentos, el período de análisis se utiliza para la evaluación de las estrategias de intervención a largo plazo. Lo recomendable es que su duración exceda el período de diseño de las obras de rehabilitación, de manera que se incluya al menos otra intervención de este tipo en el futuro. En países como Colombia, dónde se tienen incertidumbres en relación con la evolución del deterioro de los pavimentos asfálticos de carreteras y con el incremento del tránsito, son recomendables períodos de análisis entre 20 años y 30 años para la evaluación económica de los proyectos de rehabilitación de pavimentos, considerando el período mayor para aquellas vías con mayores volúmenes de tránsito.


435

Tasa de descuento La tasa de descuento, conocida también como tasa de actualización, se define como la diferencia entre la tasa de interés en el mercado y la inflación, en dinero constante. La tasa de descuento puede afectar el resultado de un ACCV, dado que ciertas estrategias pueden verse favorecidas o perjudicadas por una determinada tasa de descuento. Las tasas altas favorecen a las estrategias que difieren los costos sobre un período alejado en el tiempo, puesto que los costos futuros son descontados en relación con el costo inicial. En cambio, una baja tasa de descuento favorece estrategias con altos costos iniciales, puesto que los costos futuros son añadidos casi a su valor nominal. En el caso de una tasa de descuento igual a cero, todos los costos son tratados como iguales, independientemente de cuándo ocurran. En proyectos donde las distintas estrategias tengan costos similares de mantenimiento, rehabilitación y operación, la tasa de descuento tiene un efecto reducido en el análisis, mientras los costos iniciales tienen el mayor impacto. Las tasas de descuento no son constantes, por cuanto dependen del tipo de negocio. Los siguientes puntos deben ser considerados en el momento de escoger el valor apropiado de la tasa en un análisis económico de pavimentos: - La diferencia entre las tasas de interés y la inflación no permanece constante en

el tiempo y, por lo tanto, no resulta posible identificar una tasa única de descuento que resulte siempre correcta. Es claro que la selección de una tasa adecuada no debe depender de condiciones económicas inusuales que pueden suceder durante períodos relativamente breves. Durante los últimos años, la diferencia entre la tasa activa de interés y la inflación en Colombia ha oscilado entre 16% y 17%, excepto durante el año 1998, cuando llegó a un inusual 26 %.

- Debido a que es imposible pronosticar con exactitud las tasas de descuento

para períodos largos, un criterio conservativo debiera ser la adopción de algún valor entre los extremos superior e inferior del rango en que probablemente ella se encuentre.

- Una vez elegida una tasa de descuento, resulta conveniente realizar un análisis

de sensibilidad, para determinar la dependencia que tienen los valores presentes de la tasa que se escoja. Si una determinada estrategia se presenta como la más favorable en un rango amplio de tasas de descuento, se puede


436

tener la certeza de que el análisis ha identificado realmente la estrategia de menor costo.

Las tasas de descuento utilizadas históricamente en el sector vial en el país han tendido a encontrarse dentro de rangos muy restringidos, a pesar de los vaivenes que han sufrido las tasas de interés y la inflación con el transcurso de los años. En un documento del antiguo Ministerio de Obras Públicas [ref. 6.1.2] se citaban valores entre 10% y 15%. En el Manual de Diseño de Pavimentos para Vías de Medios y Altos Volúmenes de Tránsito del Instituto Nacional de Vías se recomienda utilizar 12 %, en tanto que en algunos términos de referencia se sugiere analizar un rango entre 12% y 18%. De acuerdo con la tendencia de los años recientes, es claro que el valor por adoptar en la actualidad se debería encontrar, por lo menos, en 15 %. 6.1.2.2. Métodos para la evaluación económica de las estrategias Para evaluar las distintas estrategias se utilizan diferentes métodos desarrollados por la ingeniería económica [ref. 6.1.3], siendo los de mayor aceptación el Valor Presente Neto (VPN) o Valor Actual Neto (VAN), la Tasa Interna de Retorno (TIR) y la relación Beneficio/Costo (B/C). Valor Presente Neto (VPN) El Valor Presente Neto (VPN) o Valor Actual Neto (VAN), es un método muy utilizado, por cuanto pone el valor del dinero tanto de los ingresos futuros como de los egresos futuros en el momento presente, lo cual facilita la decisión, desde el punto de vista financiero, de seleccionar la estrategia de un proyecto. Para poner todo el flujo de caja de ingresos y egresos en dinero actual es necesario utilizar una tasa de interés “i” o de descuento, que es la que aplica el inversionista en sus negocios. Si el VPN > 0 habrá una ganancia por encima de la tasa que se utilice para evaluar el proyecto; si el VPN = 0 significa que la inversión produce la rentabilidad a la tasa de interés prevista y si el VPN < 0 el proyecto no es aconsejable, porque produce pérdida. El Valor Presente Neto (VPN) de un proyecto a una tasa de descuento “i” es igual a la sumatoria del valor presente de los ingresos menos la sumatoria del valor presente de los egresos. Ese valor representa la ganancia extraordinaria que genera el proyecto, medida en valores actuales, es decir, en dinero de hoy día.


437

En un proyecto vial, los ingresos corresponden a los beneficios para los usuarios y para la entidad vial. Los egresos corresponden a los costos de ejecución de las obras, el mantenimiento y su operación. La expresión para su cálculo es:

( )( ) ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+

−=∑= n

n

1i iii1

1CBVPN

Donde: VPN: Valor presente.

Bi: Beneficio futuro.

Ci: Costo futuro.

I: Tasa de descuento.

n: Año en el cual se realiza el gasto o se obtiene el beneficio. Una inversión será rentable cuando el valor actual de los beneficios o flujos de ingresos es mayor que el valor actual de los flujos de costos o gastos. Para el caso particular de comparación de estrategias de rehabilitación de pavimentos, se puede utilizar la siguiente ecuación modificada:

[ ]∑ = −

−

+=

Y

1y 1y

b)ky(a

i*0,011

ΔBNVPN

Donde:

n)ky(mΔBN − : Beneficio económico neto de la estrategia “a” relativa a

la estrategia “b”, en el año “y” para el tramo de carretera “k”.

i: Tasa de descuento.

Y: Periodo de análisis especificado.

Este método permite aplicarse a proyectos con diferentes períodos de vida en servicio o con etapas ya desarrolladas. Asimismo, se puede aplicar entre diferentes


438

estrategias y cada una podrá compararse con otra estrategia llamada “base”, la cual puede ser la estrategia sin proyecto. Además, el evaluador dispondrá de los costos y los beneficios en un solo número en términos presentes, fácilmente calculables, lo que le facilitará sus análisis. Tasa Interna de Retorno (TIR) La Tasa Interna de Retorno (TIR) es uno de los índices que mayor aceptación tiene en el ámbito institucional, ya que mide la rentabilidad de una inversión, que es un requerimiento esencial para un proyecto vial. Matemáticamente, viene a ser la tasa de descuento a la cual el VPN se hace igual a cero. En consecuencia, representa la tasa de interés a partir de la cual se puede tomar la decisión de invertir en el proyecto. Dada la relación entre la TIR y el VPN, los resultados obtenidos por ambos métodos para el mismo proyecto deben ser coherentes. El procedimiento que se usa para calcular la TIR varía, dependiendo del número de estrategias por analizar y de la forma como se encuentren distribuidos los ingresos y los egresos en el período de análisis. En general, la TIR se calcula de la siguiente manera:

[ ]0

i*0,011

ΔBNY

1y1y

b)ky(a =+

∑=

−−

Donde: b)ky(aΔBN − : Beneficio económico neto de la estrategia “a” relativa a

la estrategia “b”, en el año “y”, para el tramo de carretera “k”.

i: Tasa de descuento.

Y: Periodo de análisis especificado.

Si la tasa interna de retorno de la estrategia evaluada es mayor que la tasa mínima especificada para los proyectos de carreteras, ésta será una de las posibles a implementar. La estrategia con la mayor tasa interna de retorno será la mejor a seleccionar y aplicar. Dependiendo de la naturaleza del flujo de beneficios, ∆BNky(a‐

b), es posible encontrar una o mas soluciones.


439

Relación Beneficio – Costo (B/C) La relación Beneficio-Costo de un proyecto, a una tasa “i”, es igual al cociente que resulta de dividir la sumatoria del valor presente de los ingresos por la sumatoria del valor presente de los egresos. La expresión para su cálculo es:

Relación B/C = Valor presente de los ingresos o beneficios Valor presente de los egresos o costos

Si la relación B/C < 1, significa que los ingresos o beneficios son menores que los costos y por lo tanto el proyecto no es recomendable. Si la relación B/C = 1, significa que los ingresos o beneficios son iguales que los costos y por tanto, desde el punto financiero, la rentabilidad que se obtiene es la que corresponde a la tasa de interés “i”. Las entidades de crédito internacional acostumbran evaluar sus proyectos de inversión utilizando la relación B/C y, adicionalmente, con otro índice como el VPN. Análisis de sensibilidad El análisis de sensibilidad se utiliza para medir el impacto de cambios en variables importantes, en relación con los indicadores de evaluación y, en últimas, en la conveniencia o no del proyecto. De otra parte, el nivel de precisión utilizado en la cuantificación de costos e ingresos presenta un alto grado de incertidumbre. Por lo anterior, es conveniente ampliar los cálculos de la evaluación económica o financiera, atendiendo estas variaciones. Se recomienda el siguiente procedimiento para adelantar todos los análisis de sensibilidad de un proyecto: - Selección de las variables que se van a someter a la sensibilidad y definir los intervalos

de variación correspondientes. - Preparación, en hojas de cálculo, del flujo de efectivo neto, para las condiciones

normales. Se agregan las ecuaciones correspondientes que traten de medir el impacto del cambio de la variable de análisis en el flujo de efectivo neto.

- Preparación del diagrama de flujo correspondiente a la situación de análisis.


440

- Cálculos de los indicadores de evaluación, para cada cambio de la variable de análisis.

- Preparación de un gráfico de variación, representando en el eje X la variación de la variable de análisis y en el eje Y se mide el indicador, por ejemplo, el Valor Presente Neto.

6.1.3. El HDM - 4 como herramienta para la evaluación técnico económica de

proyectos viales El HDM-4 es un moderno instrumento analítico estructurado en un sistema informático para la evaluación técnica y económica de la ejecución de obras y mantenimiento de carreteras [ref. 6.1.4]. Está basado en la interacción entre el costo de las obras y su mantenimiento, y los costos para los usuarios de la vía, considerando que el costo que representa el movimiento de personas y mercancías está íntimamente vinculado al estado que presenta la infraestructura y, en consecuencia, a las intervenciones de mantenimiento que se ejecutan sobre la misma. El sistema HDM-4 ha tenido un desarrollo progresivo que ha permitido adaptarlo a distintas características de carreteras y de vehículos. Su funcionamiento se basa en las relaciones físicas y económicas de un extenso y riguroso estudio sobre el deterioro de las carreteras, el efecto de diferentes intervenciones para su mantenimiento y los costos de operación vehicular. El modelo HDM (Highway Development and Management Model) se originó en 1968 con apoyo del Banco Mundial y en su desarrollo han participado diversas instituciones, como el Massachussets Institute of Technology (MIT), el Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, el Transport and Road Research Laboratory (TRRL) y la Universidad de Birmingham. El HDM-4 se utiliza actualmente como una herramienta analítica que ayuda a los tomadores de decisiones a identificar dónde resulta más rentable invertir en la red de carreteras para conseguir el mayor beneficio neto para el conjunto de la sociedad, minimizando los costos globales del transporte y los costos de la administración vial. En la Figura 6.1 se muestra la variación de costos, tanto para el usuario de la carretera como para la entidad encargada de la administración vial, en función del estado de la vía. Se puede observar que el punto mínimo para la sociedad corresponde al valor mínimo de la suma de costos para la entidad vial y para los


441

usuarios [ref. 6.1.5]. Es mediante este criterio económico que el sistema HDM-4 le facilita a las entidades gestoras de redes de carreteras efectuar la planificación, la programación y el desarrollo de proyectos de mantenimiento vial.

Figura 6.1.1. - Evolución de costos de la sociedad

El modelo HDM-4 permite calcular los costos totales del transporte, considerando los costos en infraestructura y los costos de operación vehiculares. Estos costos se obtienen anualmente para diferentes estándares de conservación que permiten la comparación entre diferentes estrategias de mantenimiento y ayudan en la selección de la más conveniente. El modelo HDM-4 calcula internamente las velocidades y los costos de operación vehicular, así como también los deterioros y los costos de conservación de las carreteras, en función del diseño del camino, de las prácticas de conservación, del volumen del tránsito, de las cargas por eje y de las condiciones ambientales. Los costos totales de conservación y de operación de los vehículos son calculados endógenamente sobre la base de las cantidades físicas y precios unitarios especificados, determinando los costos financieros y económicos requeridos.

Costos del usuario


442

6.1.3.1. Funciones y usos del HDM-4 en la gestión de carreteras En la gestión de carreteras, el sistema abarca las siguientes funciones: Planificación, comprende el análisis de redes de carreteras en su conjunto, para definir presupuestos a mediano y largo plazo y estimación de gastos de desarrollo y mantenimiento de carreteras bajo diferentes escenarios presupuestales. Programación, comprende la elaboración de programas plurianuales de obras, tanto de construcción de nuevos tramos como de mejora y mantenimiento de la red vial. Estos programas se definen para distintos tramos de carreteras de la red vial, generalmente, bajo condiciones de presupuestos limitados. Preparación, comprende la definición del detalle de cómo se han de llevar a cabo los distintos tipos de obras a ejecutar sobre un tramo de carretera. En este nivel están la definición de las características de los refuerzos de pavimentos, las modificaciones de trazados geométricos, las ampliaciones de tramos de carretera, la reconstrucción de pavimentos y obras similares. A través de las distintas funcionalidades, el HDM-4 permite analizar los resultados de diferentes estrategias de planificación de redes carreteras. Asimismo, se pueden analizar los resultados de diferentes programas de intervención en una determinada red vial y se pueden llegar a definir los trabajos específicos a realizar maximizando el beneficio de los mismos. Los principales usos del modelo HDM-4 son los siguientes: En planificación, el sistema permite: - Apoyar analíticamente la justificación de inversiones.

- Pronosticar necesidades financieras y físicas futuras para preservar la red vial.

- Determinar estrategias de mantenimiento en función de los recursos

disponibles. En aplicaciones técnicas, el sistema permite: - Determinar estrategias óptimas de mantenimiento.


443

- Determinar umbrales económicos para mejoras en las vías.

- Comparar estrategias de diseño y de mantenimiento.

- Calcular el tipo y la extensión del deterioro de las vías. En aplicaciones económicas, el sistema permite: - Calcular el costo del uso de la vía y atribución de daños a la vía, en estudios de

determinación de impuestos en el sector de transporte.

- Determinar pesos por ejes y configuraciones óptimas.

- Determinar los efectos de modernizar la flota de vehículos. 6.1.3.2. Componentes de cálculo del modelo HDM-4

El sistema HDM-4 está estructurado con los siguientes cuatro modelos para el cálculo de las mejores estrategias de mantenimiento y mejora de los distintos tramos de carretera evaluados en una forma determinada. Para utilizar adecuadamente el HDM-4, cada país o región debe calibrar muchos de los parámetros de los algoritmos incluidos en los submodelos. 6.1.3.2.1. Modelo de deterioro de carreteras/RD Model (Road Deterioration Model) Este modelo predice el deterioro del pavimento en carreteras construidas en pavimento asfáltico, en concreto y en afirmado. El deterioro de la vía está en función de: tipo de pavimento, espesores, materiales empleados en su construcción, la calidad de la construcción, el volumen de tránsito que circula por la vía, las características de las cargas por eje, la geometría de la carretera, las condiciones ambientales, la edad del pavimento y las políticas de mantenimiento aplicadas. 6.1.3.2.2. Modelo de las obras de mantenimiento/WE Model (Works Effects Model) Este modelo simula los efectos generados por los trabajos de mantenimiento y la mejora en el estado del pavimento y determina los costos correspondientes. Estas actividades se clasifican en dos categorías, que son conservación y desarrollo, las cuales, a su vez, se subdividen según el trabajo a efectuar en la vía (Tablas 6.1.1 y 6.1.2).


444

6.1.3.2.3. Modelo de efectos para los usuarios/RUE Model (Road User Effects Model)

Los efectos de un proyecto para los usuarios y que el modelo determina, se reflejan en los costos de operación de los vehículos, los tiempos de viaje y los accidentes de tránsito.

Tabla 6.1.1. Actividades de conservación consideradas por el modelo

CONSERVACIÓN

MANTENIMIENTO RUTINARIO

MANTENIMIENTO PERIÓDICO

ESPECIAL

En pavimento: parcheo, sello grietas, reparación

bermas, etc.

Tratamiento preventivos: sellos, riegos, etc.

Emergencias, mantenimiento

invernal.

Drenaje Renovación superficial:

tratamientos superficiales, lechadas, etc.

Miscelánea: control de vegetación, señalización,

etc.

Rehabilitación: sobrecarpetas, etc.

Reconstrucción: parcial o total

Tabla 6.1.2. Actividades de desarrollo consideradas por el modelo

DESARROLLO

MEJORAMIENTO CONSTRUCCIÓN

Ampliación Pavimentación Reconstrucción total con ampliación menor Secciones nuevas

Realineamiento Trabajos por fuera de la calzada

Los costos de operación de los vehículos (VOC) incluyen costos variables en consumo de combustible, aceites, lubricantes, neumáticos, reparación de los vehículos (mano de obra y repuestos) y costos fijos en depreciación del vehículo, intereses, costos de tripulación y gastos generales tales como administración, seguros y estacionamiento. Estos costos son calculados para los diferentes tipos de vehículos que componen el tránsito en cada año.


445

Los beneficios surgen los ahorros por la disminución de los costos de operación que genera el proyecto frente a la estrategia sin proyecto u otra estrategia. Los costos de tiempos de viaje se consideran en términos del valor del tiempo de los pasajeros y de la carga y se expresan en términos económicos. Se considera que al mejorar el estado de la vía o las condiciones físicas de la calzada, habrá un aumento de la velocidad de circulación, lo que implicará un menor tiempo de viaje de los pasajeros y de la carga de los camiones. Estos ahorros serán diferentes para cada tipo de vehículo, debido a que cada tipo desarrolla diferente velocidad y distinta actividad económica. El cálculo del costo por tiempo de viaje consiste en determinar el costo por pasajero-hora, clasificando los motivos del viaje en dos categorías: trabajo y ocio. Para el caso de trabajo, el costo se estima de acuerdo con los ingresos medios de los pasajeros y para el caso de ocio, un 50% del anterior, por ejemplo. El tiempo de la carga consiste en determinar el costo por tonelada – hora, de acuerdo del valor de la carga promedio, según la región y en función de la tasa de de descuento. La accidentalidad en las carreteras es analizada de acuerdo con la severidad del accidente, la cual se clasifica en tres tipos que son: - Accidente fatal, si se presentan muertos en el lugar del accidente o los

lesionados fallecen dentro de un período fijo después del accidente (por ejemplo, 31 días).

- Accidente con heridos, cuando sólo hay lesionados.

- Accidente con sólo daños, cuando no hay heridos ni muertos y sólo se presentan daños materiales.

La metodología para obtener el valor económico del costo de los usuarios, se basa en calcular la velocidad media de circulación vehicular para cada tramo de carretera a partir de las características de cada tipo de vehículo y de la geometría de la vía, el tipo de superficie y las condiciones actuales en la carretera. A partir de esta velocidad, obtener los gastos materiales de los vehículos y multiplicar las cantidades por sus respectivos precios unitarios, obteniendo así el valor total por


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operación vehicular. A este valor se debe agregar el costo de los accidentes y el costo de los tiempos de viaje. Para estimar los ahorros en costos de operación vehicular se procede a calcular los costos de operación vehicular sin y con proyecto, los ahorros en cada año estarán dados por la diferencia entre ellos. 6.1.3.2.4. Modelo de efectos sociales y ambientales/SEE Model (Social and

Environment Effects) El modelo de efectos sociales y ambientales determina los efectos del consumo de energía y de las emisiones de los vehículos. Con respecto al consumo de energía, el HDM-4 permite el cálculo del consumo de energía en el ciclo de vida, en los análisis, tanto a nivel de proyecto como de red, de las políticas de inversión en carreteras, las diferencias en consumo de combustibles renovables y no renovables, por los modos de transporte no motorizado y motorizado y el uso nacional y global de la energía. En cuanto a la emisión de los vehículos, el HDM-4 considera y calcula los diferentes componentes de las emisiones generadas por el escape de los vehículos, entre las que se encuentran hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO), óxido de nitrógeno (NOX), dióxido de azufre (SO2), dióxido de carbono (CO2), plomo (Pb) y partículas (Par). 6.1.3.3. Indicadores Económicos El flujo de costos y beneficios anuales para las diferentes políticas de conservación evaluadas con respecto a una estrategia base o estrategia de referencia, permiten obtener los indicadores de rentabilidad que se utilizarán en el estudio: Valor Presente Neto (VPN) descontado a una tasa prefijada, VPN/Inversión y Tasa Interna de Retorno (TIR). La tasa de descuento usada para los proyectos de inversión representa el costo de oportunidad del capital, definido como la rentabilidad de una inversión alternativa a la que se renuncia, para invertir en el proyecto que se está considerando. La tasa adoptada en la mayoría de los países de América del Sur para proyectos de inversión pública es del orden de 12% anual en dólares americanos sin inflación. Como se indicó en el numeral 6.4.1, la tendencia histórica de esta tasa en pesos colombianos está por el orden de 15% o más.


447

6.1.3.4. Precios económicos y financieros Como el propósito de la evaluación económica es medir la conveniencia del proyecto para la sociedad, muchos de los rubros de beneficios y costos tienen asociados subsidios, impuestos, etc., que se deben ser eliminados de los precios de mercado. Para ello, se hace uso de factores de conversión (denominados razones precios – cuenta), factores que son calculados por el Ministerio de Hacienda y Crédito Público o por el organismo central de planeación. A los precios de mercado, corregidos con los factores de conversión, se les denomina precios económicos, precios sombra o precios sociales. Esta tarea se considera importante, no sólo para que se pueda realizar la evaluación con el modelo HDM-4, sino para simplificar y estandarizar los procedimientos de evaluación económica de cualquier proyecto en el país. De esta manera, es posible determinar si los beneficios totales del proyecto para la economía en su conjunto son superiores a los respectivos costos, independientemente de quienes sean los que perciban esos beneficios. 6.1.3.5. Información requerida por el Modelo HDM-4 La utilización del HDM-4 como herramienta de ayuda para la definición de planes, programas y proyectos de mantenimiento de carreteras, requiere la obtención e incorporación de información que debe ser obtenida y procesada por técnicos con amplio conocimiento y criterio en el momento de evaluar las intervenciones en carreteras. La información general requerida comprende un conjunto de datos sobre las características geométricas de la vía, su estado de deterioro, el volumen de tránsito y las previsiones de crecimiento del mismo. También, sobre la composición vehicular, definiendo las características físicas y de utilización, la valoración económica de los distintos componentes del vehículo y del valor del tiempo de los usuarios. Además, los estándares de mantenimiento y mejora de las carreteras y sus efectos sobre el estado de las carreteras, así como la determinación de su costo unitario. Por último, se debe disponer de información sobre las características climáticas de la zona en estudio. Los datos específicos que se requieren para evaluar un proyecto de rehabilitación de pavimentos son los siguientes:


448

Datos geométricos y ambientales - Longitud. - Ancho de calzada y bermas. - Curvatura horizontal. - Peralte. - Alineamiento vertical. - Altura sobre el nivel del mar. - Precipitación media anual. Estructura del pavimento existente

- Secuencia y tipo de capas. - Espesores. - Características de los materiales constitutivos. - Clasificación, granulometría, plasticidad, CBR, densidades, etc. Estado actual de la calzada

- Condición superficial. - Rugosidad (IRI): Índice de Rugosidad Internacional. - Tipo y nivel de gravedad de las degradaciones (ahuellamiento, fisuras, baches,

etc.). - Condición estructural. - Deflexión. - Número Estructural. - Otras características geotécnicas. Tránsito - Intensidad (TPDS). - Composición. - Tendencias de crecimiento. - Características de la flota o parque vehicular. Costos - Precios unitarios de los ítems de rehabilitación y mantenimiento. - Costos de operación de los vehículos.


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Con estos datos de entrada, el Modelo HDM-4, mediante una simulación del comportamiento del pavimento y aplicando las normas de mantenimiento propuesto, prevé la condición futura de la vía, calcula los costos de operación vehicular, los ahorros en costos de operación entre la estrategia en estudio y la estrategia base, y calcula los indicadores de evaluación económica. 6.1.3.6. Estudio y análisis de proyectos de rehabilitación de pavimentos Los análisis de proyectos típicos incluyen la rehabilitación y el mantenimiento tramos de carreteras existentes, con las estrategias de intervención por estudiar y con los costos y beneficios asociados, proyectados anualmente a lo largo del periodo del análisis. Los indicadores económicos vienen determinados por las diferentes opciones de inversión. Se puede usar el análisis de proyectos para estimar la viabilidad económica o técnica de los proyectos de inversión en carreteras, considerando los siguientes aspectos: - Comportamiento estructural de pavimentos.

- Previsiones de ciclos de vida del deterioro de la carretera, efectos y costos de

las obras.

- Costos y beneficios de los usuarios.

- Comparación económica de las estrategias al proyecto 6.1.3.7. Estimación de costos de mantenimiento con HDM-4 Para la determinación de los costos unitarios anuales de mantenimiento se ha desarrollado un submodelo que considera las condiciones geométricas y el estado de la vía, las condiciones climáticas, los niveles de tránsito y las intervenciones de mantenimiento vial a realizar. Con este propósito, se dispone de un conjunto de relaciones que explican el comportamiento del pavimento y su deterioro por acción del clima y del tránsito. De otra parte, las intervenciones en la vía, expresadas como normas o estrategias de mantenimiento, alteran, a su vez, el comportamiento del pavimento, cuya respuesta es el costo de operación vehicular de los vehículos. Si se desean comparar dos políticas o estrategias de mantenimiento, se producen unos flujos de dinero, a precios económicos, que permitirán medir la conveniencia económica de las intervenciones.


450

Mediante una simulación del comportamiento del pavimento y aplicando las normas de mantenimiento propuestas, el Modelo HDM-4 prevé la condición futura de la vía, calcula los costos de operación vehicular, los ahorros en costos de operación entre la estrategia en estudio y la estrategia base, y calcula los indicadores de evaluación económica. La principal razón para la utilización del HDM-4 radica en su capacidad de medir la conveniencia de aplicar ciertas normas o estrategias de mantenimiento a la carretera o la red en su totalidad. Las estrategias de mantenimiento las diseña el usuario del modelo, atendiendo las prácticas normales de la entidad vial, conformadas por aquellas actividades que, en conjunto, propendan por un aceptable estado permanente de la vía. Se pueden establecer tres niveles básicos de intervención: - Nivel 1 que corresponde a Intervención Baja con mantenimiento mínimo,

insuficiente, prácticamente nulo.

- Nivel 2 que corresponde a Intervención Media con mantenimiento regular.

- Nivel 3 que corresponde a Intervención Alta con mantenimiento deseable. Cada nivel conforma una política coherente en materia de mantenimiento vial y, en términos precisos, conforma una estrategia de mantenimiento. Políticas de mantenimiento para la red pavimentada La experiencia en carreteras pavimentadas recomienda establecer políticas de mantenimiento en, por lo menos, cinco grupos: - Grupo 1: Carreteras con TPD igual o inferior a 500 vehículos.

- Grupo 2: Carreteras con TPD entre 500 y 1000 vehículos.



- Grupo 5: Carreteras con TPD mayor a 3000 vehículos.


451

6.1.3.8. Procedimiento operativo para evaluación de proyectos con el modelo HDM-4

El procedimiento para utilizar operativamente el HDM-4 comprende las siguientes acciones: - Creación de bases de datos y fichas de información. Atendiendo la guía del Modelo

HDM-4 se debe preparar la información de entrada y su verificación para detectar posibles errores numéricos o de formato e inconsistencias internas.

- Definición de estrategias. Combinación de características actuales, características

futuras, tránsito y estrategias de mantenimiento que, en conjunto, representan un escenario de análisis, y que el HDM-4 simulará a lo largo del período de análisis reportando, para cada año, estado de la vía, intervenciones realizadas, costo de las intervenciones, a precios financieros y económicos y todas estas cifras descontadas a la tasa de actualización que se defina.

- Evaluación de estrategias. Se realiza una comparación entre una estrategia definida

y generalmente una estrategia base sin proyecto. Para esta comparación, el Modelo HDM-4 reporta los flujos de comparación y produce los indicadores de evaluación.

- Solicitud de Reportes. Se le indica al sistema el reporte o informe de resultados que

debe generar. 6.1.3.9. Manejo básico del modelo HDM-4

6.1.3.9.1. Ingreso al Programa El inicio del programa se realiza, como en la mayoría de los programas computacionales, por medio de un acceso directo o por una búsqueda del ejecutable (icono del programa), del cual se despliega una ventana como se muestra en la Figura 6.1.2, la cual muestra la versión del programa en la que se trabajará, la identificación del usuario registrado y el tipo de licencia.


452

Figura 6.1.2. - Ventana de entrada al HDM - 41

Inmediatamente, se visualiza una ventana como la que se muestra en la Figura 6.1.3, en la cual el usuario puede elegir entre las siguientes opciones a trabajar: - Crear un nuevo estudio mediante el análisis de proyecto, programa o estrategia.

- Abrir un estudio existente.

- Ir a un espacio de trabajo.

Figura 6.1.3. - Ventana de bienvenida

1 Del modelo HDM – 4, la versión más reciente es la versión 2.


453

Luego de elegir el tipo de estudio, se despliega la ventana de “Espacio de Trabajo”, como la que muestra la Figura 6.1.4, en la cual se visualizan todos los componentes del programa, como los son las Bases de Datos (Configuración, Redes de Carreteras, Parques de Vehículos y Estándares de Trabajo) y las Herramientas de Análisis (Proyectos, Programas y Estrategias).

Figura 6.1.4. - Espacio de Trabajo

6.1.3.9.2. Organización de las bases de datos y configuración básica

Si bien la presentación de las instrucciones detalladas del manejo del Modelo HDM-4, están por fuera del alcance de esta guía, se señala brevemente la secuencia de acciones propias del programa para organizar la información de una aplicación, las cuales cubren: Bases de Datos La información se organiza en los siguientes cuatro grupos: Configuración preliminar. Se debe especificar una configuración preliminar que cubre el modelo de tránsito, tipo de velocidad/capacidad, zonas climáticas y moneda.


454

Redes de Carreteras. Se debe digitar la información geométrica, las características de la estructura de pavimento y los niveles de tránsito. Parques de Vehículos. Se deben especificar las características de los vehículos y los costos de los principales ítems de costos. Estándares de Trabajo Estándares de Conservación. Se deben formular las normas o estrategias de mantenimiento que se quieren examinar con el análisis del modelo HDM-4. Estándares de Mejoras. Se deben especificar las obras de mejoramiento. Costos de los Trabajos. Se deben indicar los costos unitarios de las principales tareas de mantenimiento. Proyectos Esta labor corresponde a la organización de las aplicaciones propiamente: tramos de análisis, configuración de estrategias, evaluación de estrategias y solicitud de informes. 6.1.3.10. Ejemplo de aplicación de HDM-4 en rehabilitación de pavimentos

asfálticos

Se desarrolla a continuación un ejemplo de la evaluación económica de un proyecto de rehabilitación y/o mantenimiento de un tramo de vía, correspondiente a la red vial nacional, sobre el cual se realiza una simulación del estado y utilización de ella, a lo largo de un período de análisis de 20 años, con el fin de optar por la estrategia de actuación más conveniente durante dicho lapso, con base en índices de rentabilidad económica, teniendo como premisa garantizar el adecuado desempeño de la estructura vial en respuesta a la seguridad, comodidad y economía, tanto de los usuarios como de la entidad encargada del manejo de la vía en análisis. Este ejemplo ha sido tomado y adaptado de un ejercicio académico realizado en la Universidad del Cauca [ref. 6.1.6]. Metodología Propuesta Los trabajos se desarrollaron considerando las siguientes fases de estudio:


455

- Definición de objetivos y alcance de los trabajos.

- Establecimiento de aspectos del proyecto y estrategias a estudiar.

- Definición de precios a utilizar, financieros o de mercado y económicos o precios sombra.

- Determinación de beneficios del proyecto.

- Cálculos de ahorros en costos de mantenimiento.

- Determinación de cantidades de obra.

- Presentación de la evaluación económica.

- Formulación de conclusiones y recomendaciones. Descripción del tramo de análisis La vía en estudio, que es el principal medio de acceso de la zona, está compuesta por una estructura de capa de rodadura bituminosa, sobre base granular; la vía en cuestión une la cabecera municipal mencionada, con la capital del departamento. La zona del proyecto cuenta con una temperatura media anual de 18.9ºC. A continuación se presenta un cuadro con los registros de las principales variables climáticas.


456

Sectorización del tramo de análisis La sectorización del tramo de análisis se centra en dividir el tramo en sectores homogéneos, en materia de: - Tipo de terreno.

- Tránsito.

- Estructura de pavimento y estado superficial.

- Longitud de tramo menor a 30 km. El tramo de estudio se ha divido en dos sectores, con las siguientes características:

GEOMETRÍA TRAMO 1 TRAMO 2

Subidas + bajadas 33.14 m/km 23.43 m/km

Curvatura horizontal media 153.71 º/km 289.99 º/km

Velocidad limite 60 kph 60 kph

Altitud 1762 msnm 1661 msnm

Longitud 5.25 km 9.39 km

Ancho de calzada 7.20 m 6.90 m

Tipo de drenaje Forma de v duro Forma de v blando

Ancho de berma 1.00 m 0.0 m

Numero de carriles 2 2

ESTRUCTURA DE PAVIMENTO

TRAMO 1 TRAMO 2

Tipo de material Mezcla bituminosa en caliente

Espesor mas reciente 5.0 cm 5.0 cm

Espesor antiguo 0.0 cm 0.0 cm

Numero estructural (sn) 2.57 (E. seca) 2.32 (E. seca)

CBR sub-rasante 8.0% 7.3%

Ultima construcción 1995 1995

Ultima rehabilitación 1995 1995


457

ESTADO SUPERFICIAL DE LA CALZADA (AÑO 2008)

PARÁMETRO TRAMO 1 TRAMO 2

IRI 7.4 m/km 8.6 m/km

Área total fisurada 15.9 % 17.9 %

Área con desprendimientos de agregados 10.8 % 12.5 %

Numero de baches de 0.1 m2 por km 1035 1339

Área con rotura de borde 11.3 m2/km 18.2 m2/km

Profundidad media de roderas 4.1 mm 5.6 mm

Textura 0.5 mm 0.5 mm

Fricción (Scrim, 50 Km/h) 0.45 0.40

Condición del drenaje Regular Pobre

Clima De acuerdo a las condiciones climáticas de la vía en estudio, se concluyó que las condiciones son únicas a lo largo de la totalidad de la zona, razón por la cual sólo se definió una unidad climática, teniendo en cuenta que hubo necesidad de tomar algunos datos por defecto del programa, a causa de no disponer de la información necesaria.

ZONA CLIMÁTICA POPAYÁN- CAÑAGRIA

Clasificación por humedad Húmeda

Índice de humedad 60.0

Duración de la estación seca 0.25

Precipitación media mensual 177.3 mm

Clasificación por temperatura Sub-tropical frio

Temperatura media 18.9 ºC

Rango de temperaturas 0.9 ºC

Días T>32 ºC 0

Índice de helada 0 ºC-día

Porcentaje de tiempo que se conduce

Carreteras cubiertas con nieve 0.0 %

Carreteras cubiertas mojadas 25.0 %

Información vehicular Para la valoración del tránsito y poder desarrollar el procedimiento de modelación de la vía en HDM-4, se utilizaron los siguientes datos:


458

CLASE DE VEHÍCULO TPD (IMD)

Motorizados 937

No motorizados No se tienen en cuenta

La composición vehicular de la flota circundante en la vía será tomada de acuerdo a los porcentajes contemplados a partir de la discriminación dispuesta en el manual de volúmenes de tránsito del INVIAS. Los factores de equivalencia de carga han sido tomados del Manual de diseño de pavimentos asfálticos en vías con medios y altos volúmenes de tránsito del INVÍAS.

TIPO DE VEHÍCULO

DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL

FACTOR DE EQUIVALENCIA

CRECIMIENTO ANUAL

Autos 46,0 % 0,0 3,0 %

Buses 14,0 % 0,40 3,0 %

C2P 24,0 % 1,14 3,0 %

C2G 9,0 % 3,44 3,0 %

C3-C4 5,0 % 3,76 3,0 %

C5 1,0 % 4,40 3,0 %

C6 1,0 % 4,72 3,0 %

Configuración básica - Modelo de patrón de tránsito (Valores por defecto)

Figura 6.1.5. – Patrón de intensidad de tránsito


459

- Tipo de velocidad/capacidad (Valores por defecto)

Figura 6.1.6. – Tipo de velocidad/capacidad

Estrategias Propuestas Descripción de estrategias. Las estrategias de trabajo o estándares de trabajo definidos para este proyecto en estudio, abarcarán sólo estándares de conservación y/o rehabilitación durante el período de análisis, ya que no se planteó la necesidad de instituir estándares de mejora, tales como rectificación geométrica o ampliación de carriles o bermas, debido a las características de la vía. Las estrategias planteadas para analizar, serán:


460

ESTRATEGIAS DE CONSERVACIÓN Y/O

REHABILITACIÓN DURANTE EL PERÍODO DE ANÁLISIS

ACTIVIDADES A REALIZAR

Estrategia Base Mantenimiento rutinario cada año

Bacheo total cada año

Sello de fisuras cada año

Estrategia 1

Mantenimiento rutinario cada año



Sobrecarpeta de 5 cms. (cada 5 años)

Estrategia 2




Sobrecarpeta de 5 cms. (2006)

Tratamiento superficial doble (cada 5 años)

Estrategia 3




Sobrecarpeta de 5 cms. (IRI mayor a 7,0 km/m)

Costos

La valoración de los costos unitarios para cada una de las actividades estipuladas en las posibles estrategias planteadas, se hará con base en condiciones de precios unitarios adecuadas a las condiciones especificas del proyecto; para la cuantificación se hizo la estimación de precios unitarios totales, bajo las siguientes condiciones de costos indirectos:

- Costos administrativos 20%

- Imprevistos 5%

- Utilidad 5%

ACTIVIDAD UNIDAD COSTO UNITARIO

ECONÓMICO COSTO UNITARIO

FINANCIERO

Mantenimiento rutinario km-año $ 3’360.000 $ 4’200.000

Bacheo m2 $ 31.000 $ 39.000

Sello de fisuras m2 $ 1.800 $ 2.300

Sobre-carpeta (5.0 cm) m2 $ 16.000 $ 20.000

Tratamiento superficial doble m2 $ 6.300 $ 7.800

Reparación de borde m2 $ 36.000 $45.000


461

Beneficios de las estrategias Uno de los principales beneficios de un proyecto vial es el referente a los costos de operación de los vehículos, los cuales se pueden ordenar en tres (3) grandes grupos, según sean o no independientes del kilometraje recorrido: costos fijos, costos variables, depreciación e intereses. Con los datos de entrada, el Modelo HDM-4 mediante una simulación del comportamiento del pavimento, y aplicando las normas de mantenimiento propuesto, calcula los costos de operación vehicular, ahorros en costos de operación entre la estrategia en estudio y la estrategia base, y calcula los indicadores de evaluación económica. Los costos de operación promedio para las carreteras nacionales los determina periódicamente la Oficina de Planeación del Instituto Nacional de Vías, valores obtenidos del submodelo VOC del HDM-4. Cuando se emplea directamente el HDM, se calculan los costos de operación con mucha mayor precisión. Los ahorros en los costos de operación vehicular para el proyecto se calculan como la diferencia entre los costos de operación anuales para toda la flota vehicular, sin y con proyecto. En el proyecto se generan otros tipos de beneficios, tales como ahorros en tiempos de viaje, ahorros en disminución de la accidentalidad y otros tipos de beneficios como son la mejora del paisaje, incremento en la comodidad en el viaje, entre otros, pero ellos no se cuantifican debido a la incertidumbre en cuanto a los criterios, métodos y patrones de valoración. Al no considerar un monto para estos beneficios, se estará por el lado de la seguridad al determinar los índices de rentabilidad. Costos de las estrategias - Tipos de precios por utilizar

Todo proyecto emplea diversos tipos de recursos para producir bienes y servicios. La medición de los costos de un proyecto consiste en agregar, de alguna forma, los recursos utilizados. La primera pregunta surge de los precios que se deben utilizar. Para contratar la construcción de las obras del proyecto se requiere determinar el monto de la inversión a precios de mercado, es decir, utilizando precios financieros.


462

Si lo que preocupa son los precios por utilizar en la medición de los costos sociales, es necesario emplear los precios económicos o "sombra", que tratan de eliminar las distorsiones que el mercado asigna a determinados insumos o factores de producción.

Además, la cuantificación de los costos se realiza a precios constantes, tomando para ello un año base de cuantificación.

- Costos de Mantenimiento y/o Rehabilitación

Las actividades de rehabilitación y/o mantenimiento requeridas año a año para la situación con proyecto son simuladas por el HDM-4, a partir de una política de mantenimiento razonable.

Resultados En referencia para el análisis técnico económico de selección de la mejor estrategia para cada uno de los dos tramos de la vía en discusión, se tomará como criterio de evaluación el comportamiento y desempeño de la regularidad superficial del pavimento, evaluado mediante los modelos internos del HDM-4 en términos de IRI (ver numeral 2.5.3, Parte 2 Capítulo 5). En ese orden de ideas, la selección de la estrategia de conservación y mejora más adecuada para cada uno de los dos tramos de análisis planteados para el proyecto, será aquella que represente el mejor balance entre los aspectos técnicos, representados por el comportamiento de la estructura, tanto en términos de fatiga, como en términos del IRI a lo largo del período de análisis adoptado (que cumpla con los requerimientos indicados en la Tabla 3.3.1) y los aspectos económicos, calificados para cada una de las posibles estrategias, en función de los índices de evaluación de rentabilidad económica anteriormente explicados (TIR, VPN). De acuerdo con los resultados, se aprecia que, para ambos tramos, la Estrategia 1 de mantenimiento es la más recomendable desde los puntos de vista funcional y económico (Tablas 6.1.3 y 6.1.4 y Figuras 6.1.7 y 6.1.8).


463

12

34

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1-2

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1-3

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ESTRATEG

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ASE

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12006

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4$ 2

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$ 0

,00

$ 0

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22007

$ 3

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.699,4

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.699,4

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74,5

8$ 3

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8$ 3

74,5

8

32008

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.803,7

8$ 2

.803,7

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.803,7

8$ 4

34,2

4$ 4

34,2

4$ 4

34,2

4

42009

$ 3

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.914,2

0$ 2

.914,2

0$ 2

.914,2

0$ 5

07,9

7$ 5

07,9

7$ 5

07,9

7

52010

$ 3

.631,5

6$ 3

.031,3

0$ 3

.031,3

0$ 3

.031,3

0$ 6

00,2

6$ 6

00,2

6$ 6

00,2

6

62011

$ 3

.870,5

0$ 3

.154,9

9$ 3

.154,9

9$ 3

.154,9

9$ 7

15,5

2$ 7

15,5

2$ 7

15,5

2

72012

$ 4

.146,1

5$ 2

.993,4

2$ 3

.267,1

8$ 3

.285,9

6$ 1

.152,7

3$ 8

78,9

7$ 8

60,1

9

82013

$ 4

.463,2

6$ 3

.087,6

2$ 3

.402,6

1$ 3

.425,0

8$ 1

.375,6

4$ 1

.060,6

5$ 1

.038,1

8

92014

$ 4

.745,2

0$ 3

.188,8

2$ 3

.546,4

2$ 3

.573,5

7$ 1

.556,3

8$ 1

.198,7

8$ 1

.171,6

2

10

2015

$ 4

.929,2

8$ 3

.301,8

1$ 3

.699,2

1$ 3

.329,9

1$ 1

.627,4

8$ 1

.230,0

7$ 1

.599,3

7

11

2016

$ 5

.077,1

6$ 3

.422,9

2$ 3

.862,0

6$ 3

.453,3

3$ 1

.654,2

4$ 1

.215,1

0$ 1

.623,8

3

12

2017

$ 5

.229,4

7$ 3

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5$ 3

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5$ 3

.582,7

5$ 1

.767,5

2$ 1

.250,7

2$ 1

.646,7

2

13

2018

$ 5

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6$ 3

.567,3

5$ 4

.157,5

8$ 3

.718,5

2$ 1

.819,0

0$ 1

.228,7

8$ 1

.667,8

4

14

2019

$ 5

.547,9

5$ 3

.676,3

7$ 4

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0$ 3

.861,0

4$ 1

.871,5

8$ 1

.197,6

5$ 1

.686,9

1

15

2020

$ 5

.714,3

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.789,2

8$ 4

.559,9

5$ 4

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9$ 1

.925,1

0$ 1

.154,4

4$ 1

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0

16

2021

$ 5

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1$ 1

.978,9

4$ 1

.097,8

8$ 1

.715,6

1

17

2022

$ 6

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9$ 4

.012,3

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9$ 4

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3$ 2

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5$ 1

.107,2

0$ 1

.723,1

6

18

2023

$ 6

.244,2

7$ 4

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.214,3

4$ 4

.518,4

4$ 2

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3$ 1

.029,9

3$ 1

.725,8

2

19

2024

$ 6

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9$ 4

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1$ 5

.498,8

2$ 4

.709,3

7$ 2

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9$ 9

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8$ 1

.722,2

3

20

2025

$ 6

.624,5

4$ 4

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7$ 4

.909,4

4$ 2

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9$ 8

13,3

7$ 1

.715,1

0

TO

TAL

$ 9

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51,1

5$ 6

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9

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1$ 6

26,8

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84,7

3$ 5

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84,7

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22007

$ 2

1,2

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4$ 1

7,6

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32008

$ 2

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7,6

4-$

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3-$

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3

42009

$ 2

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3$ 1

7,6

4$ 1

7,6

4$ 1

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4-$

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9-$

4,1

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52010

$ 2

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3-$

4,0

3

62011

$ 2

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4-$

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2017

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.776,3

7$ 1

.676,3

9$ 2

.174,0

4$ 2

.328,3

6$ 1

.228,3

8$ 1

.726,0

3

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eso

s)


465

Tabla 6.1.3. Indicadores económicos de las distintas estrategias para el tramo 1

RESULTADOS TRAMO 1

INDICADORES ECONÓMICOS ESTRATEGIA 1 ESTRATEGIA 2 ESTRATEGIA 3

TIR (%) 80.0 79.9 81.1

VPN (106 pesos) (i=12%) 6,921.70 5,194.26 6,341.96

Figura 6.1.7 – Evolución del IRI en el tramo 1 para las distintas estrategias

Tabla 6.1.4. Indicadores económicos de las distintas estrategias para el tramo 2

RESULTADOS TRAMO 2

INDICADORES ECONÓMICOS ESTRATEGIA 1 ESTRATEGIA 2 ESTRATEGIA 3

TIR (%) 98.2 98.1 97.2

VPN (106 pesos) (i=12%) 13,071.12 8,787.60 12858.43


466

Figura 6.1.8. – Evolución del IRI en el tramo 2 para las distintas estrategias

6.1.4. Análisis de sensibilidad a los parámetros básicos del ACCV Un minucioso análisis de costos durante el ciclo de vida (ACCV) debe incluir, también, un análisis de sensibilidad en relación con el efecto que tienen los parámetros que más influyen sobre la efectividad en costo de las diferentes estrategias estudiadas. Entre los factores más sensibles se encuentran [ref. 6.1.7]: - El período de análisis y el período de comportamiento de cada una de las

actividades contempladas en cada estrategia.

- El tránsito previsto durante los períodos de diseño y de análisis.

- Los costos de la inversión inicial.

- La tasa de descuento.

- La oportunidad de las actividades de mantenimiento posteriores a la rehabilitación.


467

- Las cantidades de obra asociadas con la rehabilitación inicial y las obras posteriores de mantenimiento.

REFERENCIAS 6.1.1 - DE SOLMINIHAC H., “Gestión de Infraestructura Vial”, Ediciones Universidad Católica de Chile, Segunda edición ampliada, Santiago de Chile, 2001 6.1.2 - INGEROUTE, MISIÓN FRANCESA, “El análisis económico en los estudios de factibilidad vial”. Ministerio de Obras Públicas. Bogotá, 1973 6.1.3 – BACA G., “Ingeniería Económica”, Fondo Educativo Panamericano. Cuarta Edición, Bogotá 1996. 6.1.4 – HIGHWAYS RESEARCH GROUP, “HDM–4 Version 1.3”, The University of Birmingham 6.1.5 - CRESPO DEL RIO R., & YARZA P., “El HDM-4 como herramienta de ayuda para la conservación de carreteras”, Comunicación Libre, VIII Jornadas Nacionales sobre Conservación de Carreteras, Vitoria, 2002 6.1.6 – GUERRERO D., & OTROS, “Ejercicio académico”, Universidad del Cauca. Instituto de Postgrado en Ingeniería Civil – IPIC -, 2007

6.1.7 – HALL K., CORREA C., CARPENTER S. & ELLIOT R., “Rehabilitation strategies for highway pavements”, NCHRP web document 35, May 2001


468

PARTE 7

Guías para la elección de la estrategia de

rehabilitación


470

Parte 7 – Guías para la elección de la estrategia de rehabilitación

471

PARTE 7 GUÍAS PARA LA ELECCIÓN DE LA ESTRATEGIA DE REHABILITACIÓN

7.1. GENERALIDADES La estrategia de rehabilitación seleccionada en definitiva puede ser, simplemente, aquélla que ha sido hallada como la más efectiva en costo como resultado del análisis de costos durante el ciclo de vida (ACCV). Sin embargo, en muchos casos conviene ponderar los resultados del análisis de costos con otros factores de decisión que no pueden ser expresados en términos monetarios, ponderación que debe ser efectuada de acuerdo con la importancia relativa de dichos factores en cada caso particular. Sobre este asunto tratan los dos capítulos que componen la séptima parte de esta guía metodológica.


472


473

CAPÍTULO 1 ANÁLISIS DE FACTORES NO MONETARIOS

7.1.1. Factores por considerar El análisis de costos durante el ciclo de vida (ACCV) de sólo es uno de los muchos factores que deben ser considerados en el proceso de evaluación global de las diferentes estrategias [ref. 7.1.1]. Las restricciones técnicas, administrativas y socio ambientales que puedan existir sobre un proyecto de rehabilitación deben ser claramente identificadas y evaluadas, dado que ellas pueden incidir sobre la selección de la estrategia de rehabilitación por aplicar. Sin carácter limitante, el ingeniero deberá considerar la posibilidad de que se presenten algunas de las siguientes, cuyo efecto debe valorar adecuadamente antes de tomar su decisión: Restricciones Técnicas

- Competencia técnica de las firmas constructoras.

- Existencia de mano de obra calificada.

- Disponibilidad de materiales de construcción

- Facilidades para el control del tránsito durante la ejecución de los trabajos

- Seguridad de los usuarios. Restricciones Administrativas

- Políticas generales del INVÍAS respecto del mantenimiento vial.

- Limitaciones impuestas por el orden público.

- Expectativas políticas de la entidad.

- Limitaciones por falta de gobernabilidad sobre determinados aspectos del proyecto.

- Estímulo de la competencia.


474

- Preferencia gubernamental respecto de la construcción de pavimentos.

- Plazo para la ejecución de las obras de rehabilitación. Restricciones Socio ambientales

- Políticas generales y particulares en relación con el medio ambiente.

- Políticas de conservación de materiales y energía.

- Condiciones climáticas del lugar.

- Restricciones en el uso de fuentes de materiales.

- Restricciones por problemas de polución.

- Seguridad de los trabajadores.

- Condiciones particulares del entorno.

- Obligación de emplear mano de obra local no calificada.

- Seguridad del personal adscrito a las obras.

- Requerimientos de concertación con las comunidades.

- Existencia de veedurías ciudadanas. Aunque, sin duda, todos estos factores tienen su costo, ellos son difíciles de cuantificar en términos monetarios, pero no se deben ignorar durante el proceso de evaluación, en particular aquéllos que son imperativos por mandamiento legal, tal el caso de los ambientales y sociales. En general, los impactos generados por la rehabilitación de pavimentos no representan un costo ambiental y social elevado. De acuerdo con un estudio adelantado por el Instituto Mexicano del Transporte [ref. 7.1.2], el 75% de los impactos adversos detectados son no significativos, el 20% son poco significativos y solamente el 5% son significativos. Los criterios de significación se presentan en la Tabla 7.1.1.


475

Tabla 7.1.1. Criterios para evaluación de impactos [ref. 7.1.2]

SIGNIFICACIÓN DESCRIPCIÓN

No significativo

Los impactos al ambiente y a las poblaciones no alteran las funciones normales de ningún sistema ambiental de manera que tenga consecuencias visibles o permanentes

Poco significativo

Los impactos al ambiente y a las poblaciones pueden ser temporales (durante el tiempo que duren las actividades involucradas en el proyecto) y las condiciones iniciales en el área se pueden recuperar en un tiempo menor a un año

Significativo

Los impactos al ambiente y a las poblaciones son permanentes o mayores de un año. El efecto puede ser local o regional; es decir, puede abracar el área del proyecto, la región fisiográfica o cuenca

Según el mismo estudio, de todos los impactos identificados, el 98% se puede mitigar, compensar e, inclusive, inhibir. El 2% que no se puede mitigar, compensar o inhibir, corresponde a impactos producidos por la explotación de fuentes de materiales, particularmente en lo relacionado con la modificación del relieve local, con todas sus consecuencias. La guía ambiental del INVÍAS [ref. 7.1.3] coincide en el hecho de que la explotación de fuentes de materiales constituye uno de los impactos más recurrentes en la ejecución de obras de infraestructura de transporte. También, cita como importante el impacto generado por la disposición de sobrantes, lo que permite presumir que, desde el punto de vista ambiental, el reciclado constituye una práctica muy eficiente de rehabilitación. El ingeniero deberá concebir el diseño de las obras de rehabilitación considerando todos los principios y limitaciones contenidos en la guía ambiental [ref. 7.1.3], así como las implicaciones de los aspectos ambientales citadas en los Artículos pertinentes de las especificaciones de construcción de la entidad [ref. 7.1.4]. Con frecuencia, las limitaciones no monetarias del proyecto reducen el número de alternativas y de estrategias factibles de rehabilitación del pavimento. Siempre que sea posible, se debe aplicar una planeación cuidadosa para eludir o superar las restricciones. Cuanto más se permita que ellas afecten el proyecto, menos probable será lograr la mejor selección. Se debe tener presente que la importancia


476

relativa de cada factor varía de un proyecto a otro. Un factor puede tener muy escasa incidencia en un determinado proyecto, pero ser altamente incidente en otro. Además, por su gran diversidad, los diferentes factores se suelen manejar en escenarios muy distintos, lo que hace muy difícil la cuantificación de su importancia. Por lo general, la entidad contratante tiene establecidos los criterios para la valoración y la ponderación de los factores no monetarios de los proyectos de construcción y rehabilitación de pavimentos. En tal caso, los términos de referencia de cada proyecto deberán establecer el alcance del análisis cada uno de estos factores y la manera como deben ser cuantificados y ponderados sus resultados para que, en conjunto con los resultados de los análisis económicos, permitan que la estrategia que se escoja responda, en todo sentido, a las expectativas de la entidad y a los intereses de los usuarios. En el caso de que los términos de referencia no establezcan estos criterios, el Consultor, con base en su conocimiento del proyecto, así como en las valoraciones utilizadas en proyectos de similares características, deberá someter a consideración del INVÍAS, con la debida sustentación, un sistema de cuantificación y ponderación de los factores no monetarios. Una vez evaluado y aprobado el sistema por la administración, éste será de obligatoria aplicación en el proyecto. REFERENCIAS 7.1.1 - ARA INC, ERES CONSULTANTS DIVISION, “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures”, NCHRP Report 1-37A, Champaign, Illinois, March 2004 7.1.2 - HERNÁNDEZ J.L., SÁNCHEZ V.M., CASTILLO I., DAMIÁN S.A. & TÉLLEZ R., “Impacto ambiental de proyectos carreteros. Efectos por la construcción y conservación de superficies de rodamiento: I Pavimentos flexibles”, Instituto Mexicano del Transporte, Publicación Técnica No 163, Sanfandila, 2001 7.1.3 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Guía de manejo ambiental de proyectos de infraestructura. Subsector Vial”, Bogotá, octubre de 2007 7.1.4 - INSTITUTO NACIONAL DE VÍAS, “Especificaciones generales de construcción de carreteras”, Bogotá, 2007


477

CAPÍTULO 2 SELECCIÓN DE LA ESTRATEGIA PREFERIDA

El Consultor deberá presentar al INVÍAS un informe de recomendaciones, soportado por el análisis detallado de los factores monetarios y no monetarios que afectan todas y cada una de las estrategias estudiadas. La administración evaluará el informe y, de acuerdo con las políticas vigentes sobre el mantenimiento vial, efectuará las observaciones a que haya lugar, a partir de las cuales el Consultor realizará los ajustes necesarios y establecerá y recomendará la estrategia definitiva o estrategia preferida de diseño de las obras de rehabilitación del pavimento. La estrategia preferida se puede definir como aquélla que enfrenta de manera más adecuada las causas de los deterioros del pavimento y es efectiva tanto en repararlos como en prevenir su recurrencia, a la vez que satisface adecuadamente las diferentes limitantes del proyecto. Aunque generalmente los resultados del análisis de costos durante el ciclo de vida (ACCV) establecen la pauta para la selección de la estrategia preferida, por cuanto previamente a la ejecución de los diseños preliminares se han identificado y considerado debidamente las limitantes de diferente índole que afectan el proyecto, es posible que, en ocasiones, el ACCV no permita distinguir una estrategia claramente favorable o que determinadas circunstancias coyunturales exijan que la decisión se adopte considerado algunos factores que no requieren ser expresados en términos monetarios. En ese orden de ideas, la estrategia preferida no implica necesariamente que ella sea la “óptima”, ya que algunas limitaciones (por ejemplo, los fondos disponibles) pueden limitar la optimización de un proyecto para favorecer la optimización al nivel de red. Entonces, la estrategia preferida será la que mejor enfrente las necesidades del pavimento satisfaciendo, simultáneamente, todas las limitaciones físicas y monetarias que existan [ref. 7.2.1]. El procedimiento que se describe a continuación corresponde a un desarrollo real de un departamento de carreteras de los Estados Unidos de América y ha sido adoptado por la AASHTO tanto en su guía de diseño de pavimentos de 1993 [ref. 7.2.2], como en la nueva guía publicada en 2004. El método ha sido empleado con éxito en estudios de ingeniería de valor para la selección de la estrategia preferida en proyectos de rehabilitación. El ejemplo por medio del cual se explica el


478

procedimiento, ha sido extractado del manual de la AASHTO y su propósito es simplemente ilustrativo. Por consiguiente, no constituye recomendación alguna del Instituto Nacional de Vías sobre los criterios por evaluar, ni mucho menos sobre su ponderación, asuntos que deberán ser definidos de acuerdo con su importancia en cada caso particular. El procedimiento es el siguiente: 1. Se seleccionan los factores de decisión que la administración considere

importantes para la escogencia de la alternativa preferida. Normalmente, ellos deben estar indicados en los términos de referencia de los estudios. Para el caso del ejemplo de la figura 7.2.1, donde se incluyen 10 estrategias de diseño, los factores de decisión seleccionados son: el costo inicial, la duración de la construcción de las obras de rehabilitación, la vida de servicio, las necesidades de mantenimiento futuro, las molestias al tránsito durante la ejecución de las obras y la validez comprobada del diseño en el entorno ambiental en el cual se piensa aplicar.

2. Como algunos de los factores de decisión elegidos tienen mayor peso en la

decisión final que otros, se deben establecer factores de ponderación de acuerdo con las expectativas de la entidad. El mejor procedimiento para asignar la ponderación consiste en solicitar a un grupo de funcionarios de la entidad que, de manera independiente, propongan el peso de cada uno de los factores de decisión (entre 0% y 100%). Los valores recomendados se promedian y se ajustan posteriormente, de manera que la sumatoria de la importancia relativa de los diferentes factores sea 100%. Es altamente deseable que las personas que propongan los criterios por ponderar y el peso de cada uno de ellos sean quienes tengan bajo su responsabilidad la toma de las decisiones en la entidad (es decir, directivos en lugar de diseñadores).

3. Se realizan todos los análisis requeridos para suministrar la información

adecuada de cada estrategia en relación con los factores de decisión seleccionados.

4. Cada estrategia se califica de manera independiente respecto de los factores

de decisión, en una escala de 0 a 100. Se recomienda que la evaluación se realice por filas, en lugar de hacerlo por columnas. Los valores asignados se colocan en la parte superior izquierda de cada triángulo, como lo muestra la figura 7.2.1.


479

5. La calificación de cualquier criterio para cada estrategia se obtiene multiplicando la importancia relativa de cada criterio por el valor con el cual se calificó y dividiendo por 100. El resultado se consigna en el triángulo inferior derecho, como se muestra en la figura 7.2.1. La calificación total de la estrategia se obtiene sumando los valores parciales correspondientes a los diversos criterios evaluados.

6. Por último, se realiza un escalafón de las estrategias en orden de puntaje total,

de mayor a menor. Para el caso del ejemplo, las estrategias 1 y 2 serían las preferidas. Una de ellas o ambas, deberán ser recomendadas por el Consultor a la administración para su evaluación y observaciones, con posterioridad a las cuales se realizarán los ajustes definitivos al diseño de la estrategia elegida.

CRITERIOS

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IMPORTANCIA RELATIVA

20% 20% 25% 15% 5% 15% 100%

ESTRATEGIA 1 60 12.0

60 12.0

100 25.0

80 12.0

90 4.5

100 15.0

80.5 1


60 12.0

100 25.0

80 12.0

90 4.5

100 15.0

80.5 1


60 12.0

70 17.5

50 7.5

60 12.0

40 6.0

58.0 5


60 12.0

70 17.5

50 7.5

60 3.0

40 6.0

58.0 5


40 8.0

100 25.0

80 12.0

100 5.0

90 13.5

75.5 2


80 16.0

40 10.0

20 3.0

40 2.0

20 3.0

46.6 8

ESTRATEGIA 7 40 8.0

60 12.0

40 10.0

50 7.5

50 2.5

30 4.5

44.5 7


80 16.0

60 15.0

50 7.5

80 4.0

40 6.0

62.5 4


100 20.0

20 5.0

20 3.0

40 2.0

40 6.0

56.0 6


60 12.0

100 25.0

100 15.0

100 5.0

30 4.5

67.5 3

Figura 7.2.1. - Ejemplo de hoja de trabajo para la selección de la estrategia de rehabilitación preferida [ref. 7.2.2]


480

REFERENCIAS 7.2.1 - ARA INC, ERES CONSULTANTS DIVISION, “Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures”, NCHRP Report 1-37A, Champaign, Illinois, March 2004 7.2.2 - AASHTO, “AASHTO guide for design of pavement structures”, Washington, 1993

PARTE 8

Construcción y seguimiento


482

Parte 8 – Construcción y seguimiento

483

PARTE 8 CONSTRUCCIÓN Y SEGUIMIENTO

8.1. CONSTRUCCIÓN DE LA OBRA DISEÑADA Un buen diseño de los trabajos de rehabilitación, sólo dará como resultado un pavimento con el comportamiento esperado, en la medida en que la obra se construya en acuerdo con los estándares de calidad que establecen las especificaciones generales y particulares de construcción y los demás documentos técnicos del proyecto. De acuerdo con la legislación vigente, los trabajos de construcción y rehabilitación de los pavimentos de las carreteras nacionales deben ser ejecutados bajo contrato. Una parte (el constructor) acuerda ejecutar el trabajo cumpliendo unas normas específicas preestablecidas, a cambio de lo cual la entidad contratante le reconoce y le paga la remuneración pactada. El contrato contiene no sólo aspectos legales, sino también memorias, planos y especificaciones que el constructor debe cumplir durante la ejecución de las obras. La calidad del pavimento terminado, como su posterior servicio al público, dependerán del grado de cumplimiento de los requisitos estipulados en el contrato. Para supervisar dicho cumplimiento, el contratante delega su representación en un interventor, quien deberá estar al tanto de todo el proceso constructivo y cuya labor consiste en verificar que todas las operaciones de construcción produzcan los resultados estipulados en los documentos técnicos del contrato de construcción. Su responsabilidad es identificar cualquier variación con respecto a las especificaciones del proyecto y notificarla al constructor para su inmediata corrección. Los planos y especificaciones, en conjunto, explican los requisitos que debe llenar el constructor para ejecutar de manera adecuada las obras. Los planos muestran la localización, los aspectos físicos y las dimensiones del proyecto. Las especificaciones, por su parte, son las indicaciones y requisitos técnicos escritos que complementan los planos y las memorias e incluyen instrucciones no indicadas en ellos. Las especificaciones constituyen el medio de comunicación entre el diseñador, el constructor y el interventor y constituyen la herramienta que brinda la única oportunidad de manejar de un modo claro y


484

razonable los aspectos legales y técnicos de la construcción. En ellas se concentra la autoridad técnica del interventor. Uno de los aspectos más importantes de la labor del interventor es su relación con el constructor, por el efecto que ella tiene sobre la administración del proyecto. Una buena relación de mutua confianza ayuda al interventor a resolver cualquier problema que pueda surgir en la ejecución de la obra. El interventor se puede ayudar a sí mismo y al constructor, si trata de entender el proyecto desde el punto de vista de éste. El interventor, como representante del INVIAS en la obra, está interesado fundamentalmente en el aspecto de la calidad, en tanto que el constructor suele estar más interesado en la cantidad. El interventor no puede sacrificar, bajo ninguna condición, la calidad de la obra para obtener cantidad: Debe colaborar con el constructor en sus esfuerzos por ejecutar la obra de manera eficiente y práctica, siempre y cuando se mantenga y se garantice la buena calidad del pavimento, así como la satisfacción de la entidad contratante y de los usuarios. El interventor tiene la obligación de ejercer influencia sobre el proceso constructivo para que se obtengan los mejores resultados en la obra. Nunca deberá tomar una actitud pasiva cuando se presente un problema. Si advierte una situación irregular, está obligado a sugerir cambios en los procedimientos que conduzcan a mejorar la calidad del trabajo y aumentar la eficiencia de la operación. Igualmente, deberá verificar permanentemente el diseño de las obras, para recomendar a la entidad contratante todos aquellos ajustes y modificaciones que considere necesarios para la optimización técnica y económica de ellas. En su informe final, el interventor deberá consignar todos los aspectos técnicos relevantes de las obras ejecutadas, con especial énfasis en los siguientes: - Diseño contratado.

- Diseño realmente construido, con las justificaciones técnicas y económicas detalladas de todos los cambios producidos con respecto al diseño original .

- Materiales de construcción utilizados. Procedencia y características de ellos y de las mezclas elaboradas.


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- Resultados característicos de las pruebas de control

- Características funcionales y estructurales del pavimento construido

- Diseño, localización y ejecución de obras de drenaje

- Problemas específicos resueltos y pendientes de solución Además de la descripción de los detalles de las obras de rehabilitación en una memoria escrita, la información deberá ser resumida en un diagrama lineal, similar al esquema itinerario mencionado en esta guía o al esquema de seguimiento inicial mencionado en el documento que sobre el tema elaboró la Misión Francesa de Asesoría y Dirección Técnica en Mantenimiento Vial para el Ministerio de Obras Públicas y Transporte [ref. 8.1]. 8.2. SEGUIMIENTO Y RETROALIMENTACIÓN La validez de los análisis de costos durante el ciclo de vida y de las decisiones que se tomen a nivel de red a partir de los sistemas de administración del mantenimiento reposa, en gran medida, en la certidumbre de que los modelos de deterioro y las obras de mantenimiento que se programen como consecuencia de ellos, están adaptados a la realidad del comportamiento de los pavimentos de la red vial nacional. En la satisfacción de este propósito, la evaluación periódica de la condición del pavimento, en forma ordenada y sistemática, es una tarea muy importante. Con la disponibilidad de dicha información es que se puede conformar la función de comportamiento de los diferentes tramos de la red vial y predecir las tareas de mantenimiento necesarias, tanto en oportunidad como en magnitud. Esta evaluación, que se inicia con el esquema de seguimiento inicial o de punto de partida de la condición del pavimento, elaborado por el interventor del proyecto, se debe continuar de manera periódica a través de las dependencias regionales del Instituto Nacional de Vías o de los administradores de mantenimiento vial, quienes deberán valorar los deterioros superficiales (rugosidad, ahuellamiento, agrietamiento, baches, desprendimientos, afloramientos) y la respuesta frente a las solicitaciones de la estructura en su


486

conjunto (deflexiones), evaluaciones estas últimas realizadas por medios no destructivos y, de preferencia, con equipos de alto rendimiento. El aprovechamiento de este conjunto de datos de evaluación periódica, sólo estará garantizado en la medida en que ellos sean archivados en forma ordenada y sistemática en soporte informático en una base de datos, en la cual es también deseable almacenar toda la información referente a la historia del pavimento. La base de datos debe centralizar tanto la información básica, como los modelos estructurales que se obtengan del análisis de ella, permitiendo el estudio de tendencias particulares o grupales. La base de datos debe cumplir con la función de preservar la información disponible de manera ágil y logrando visualizar gráficamente las variables relevantes, a la vez que permitir la generación automática de informes de consulta rutinaria. En general, la estructura de la base de datos debe responder a las necesidades o fines con los cuales se va a utilizar. Para los propósitos de su utilización en el mantenimiento de pavimentos, debe contener, al menos, información referente a la historia de la construcción, mantenimiento y rehabilitación, inventario, condición del pavimento, tránsito y costos. La disponibilidad de datos suficientes, brinda la posibilidad de emplear los instrumentos de predicción de evolución de los deterioros contenidos en las herramientas de administración del mantenimiento, como el HDM utilizado por el Instituto Nacional de Vías. Se debe tener presente que las ecuaciones de deterioro del modelo original han sido desarrolladas para unas condiciones específicas, razón por la cual se deben realizar esfuerzos permanentes que permitan su adaptación a las condiciones de los pavimentos locales, mediante la determinación de coeficientes de ajuste apropiados para las diferentes tendencias de deterioro. Estos modelos ajustados podrán ser utilizados para verificar la evolución de los parámetros superficiales y definir el momento de aplicación de futuras acciones de mantenimiento, cuando los indicadores se encuentren por fuera de los límites aceptabilidad prefijados. En la medida en que se emplee información de mayor confiabilidad, los diseños y los análisis económicos que se deriven de ellos tendrán mayor validez y se podrá garantizar el cumplimiento de las expectativas de la administración y la satisfacción de los usuarios.


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REFERENCIAS 8.1 – ASESORÍA Y DIRECCIÓN TÉCNICA EN MANTENIMIENTO VIAL, “Esquema de seguimiento. Instructivo”, MOPT, Bogotá, 1982


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Guia Rehabilitacion Invias 2008

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