INVEAS Ing. Augusto Jugo B.Construcción e Inspección de Pavimentos Versión 1.1 2. CONCEPTOS BASICOS DE PAVIMENTOS En este capitulo se presenta una discusión general sobre aspectos de diseño y comportamiento de los pavimentos, nomenclatura y mecanismos de trabajo y de falla. La fig. 2.1, ilustra el concepto básico de diseño de un pavimento. Los pavimentos se han clasificado –convencionalmente- en flexibles y rígidos. Esta distinción obedece al tipo de superficie de rodamiento, aunque la principal diferencia se refiere a la forma cómo cada uno trabaja, cómo soporta y distribuye los esfuerzos producidos por las cargas, además de los materiales que lo conforman. Un pavimento flexible clásico esta conformado por una delgada capa de rodamiento asfáltica, la cual se apoya en una base y subbase granulares, las que a su vez descansan sobre la subrasante. Con el tiempo esta conformación clásica se modificó incorporando el uso de bases estabilizadas. Es importante clarificar que la capa de rodamiento o desgaste es –por definición- de poco espesor y requiere características especiales, como buena resistencia a la fricción y al medio ambiente, no exigibles a la capa base subyacente. Esta condición puede –en casos- requerir el empleo de agregados o una mezcla especial no necesarios para otras capas. En muchos países es normal que una capa de sello –con agregados especiales- constituya la capa o superficie de rodamiento, siempre que el resto de las capas aporten la resistencia necesaria. 7 INVEAS Ing. Augusto Jugo B. Construcción e Inspección de Pavimentos Versión 1.1 Por su parte, un pavimento rígido esta conformado por una losa de concreto hidráulico apoyado sobre una base o directamente sobre la subrasante. En todo pavimento, es la subrasante la que finalmente soporta tanto la estructura, como las cargas impuestas. Alguna definición de pavimento dice, que el pavimento tiene como función principal proteger la subrasante, que es el punto más débil del sistema. La fig.2.2, muestra esquemáticamente los tipos de pavimentos. En el siguiente capitulo se discute la importancia de la subrasante y de su preparación para lograr un buen comportamiento de la estructura. Pavimentos asfálticos Los pavimentos asfálticos son conformados por capas cuya calidad es mayor de arriba hacía abajo, de esta forma las capas superiores mas resistentes distribuyen las cargas de tal forma que no se exceda la resistencia de ninguna de las capas inferiores ni de la subrasante. La distribución de las cargas se logra en función del espesor de las capas, en este sentido debe tenerse en cuenta que los materiales granulares tienen baja resistencia y poder de distribución, si se comparan con materiales cementados. En estos pavimentos el único material cementado, que puede alcanzar alta rigidez es la mezcla asfáltica, sin embargo esta rigidez es altamente dependiente de la temperatura, así como de otras propiedades de la mezcla. Además de un pavimento clásico, compuesto, como se dijo, de capa de rodamiento, base y subbase granulares, existen otros tipos de pavimentos asfálticos con base asfáltica, los denominados de profundidad plena (full-depth) 8 INVEAS Ing. Augusto Jugo B. Construcción e Inspección de Pavimentos Versión 1.1 en los que todas las capas son asfálticas y los semi-rígidos, con bases estabilizadas con cal o cemento. Cada estructura tiene su forma de trabajar lo que debe ser considerado en el diseño, construcción y mantenimiento; ver fig. 2.2.b. La caracterización de los materiales –generalmente- se hace de acuerdo a los siguientes parámetros: Mezclas asfálticas Base y SB granular Bases cementadas Subrasante Estabilidad y propiedades Marshall Ensayo CBR Compresión a 7 días Ensayo CBR o Módulo Resilente (Mr) Pavimentos rígidos Los pavimentos rígidos trabajan en forma diferente que los asfálticos; la alta rigidez del concreto de cemento Pórtland, hace que sea la losa la que prácticamente absorba los esfuerzos de las cargas y muy poco se trasmite a la subrasante. Por esta razón, además de aspectos constructivos y de costos, estos pueden o no tener una base, bien granular o estabilizada. El punto más débil de una losa de pavimento, es generalmente la esquina; de aquí que se consideren mecanismos de transmisión de cargas entre losas con la finalidad de reforzar estos puntos, mejorar el comportamiento del pavimento y en casos lograr economías. Estos mecanismos de transmisión son consideraciones de diseño que deben ser incorporadas en la construcción. En el caso de los pavimentos rígidos los materiales se caracterizan de acuerdo a los siguientes ensayos: 9 INVEAS Ing. Augusto Jugo B. Construcción e Inspección de Pavimentos Versión 1.1 Concreto Base granular Bases cementadas Subrasante Resistencia a flexión (Módulo de Ruptura, MR) Ensayo CBR Compresión a 7 días Módulo de reacción (k) Modos de falla de los pavimentos. Otra definición de pavimento dice: un pavimento sirve para permitir la operación de vehículos en una forma confortable, económica y segura, a lo que se puede agregar, protegiendo adecuadamente la subrasante, el punto más débil del sistema. De esta definición puede desprenderse que existe primeramente un modo de falla funcional, que aplica cuando el pavimento deja de cumplir sus funciones básicas, permitir una operación confortable y segura, que afecta al usuario. Normalmente, este modo de falla es acompañada de una falla estructural. Por otra parte las fallas pueden ser, asociadas o no asociadas con cargas; mientras que las causas se refieren a: estructural, cuando se presenta un deficiencia de la estructura o un exceso de cargas, control de calidad, por deficiencia en la calidad de algún producto o proceso que induce debilidad en algún punto o sector del pavimento, y medio ambiente, que produce esfuerzos térmicos, oxidación de algunos materiales, así como infiltraciones de agua que debilitan la estructura. Las figuras 2.3, muestran -en forma esquemática- el mecanismo de distribución de cargas en los pavimentos flexibles y los esfuerzos que se consideran críticos en estos pavimentos. 10 INVEAS Ing. Augusto Jugo B. Construcción e Inspección de Pavimentos Versión 1.1 Esfuerzos en pavimentos flexibles: (a) esfuerzos de tracción, en la parte inferior de la capa asfáltica debido a deflexiones producidas por cargas que inducen tracción, que por repetición producen falla por fatiga en las capas cementadas. (b) esfuerzos verticales en las capas no cementadas, de materiales granulares y suelos, que inducen fallas de corte tanto en las bases como en la subrasante. Esfuerzos en pavimentos rígidos: (Figura 2.4) (a) son críticos los esfuerzos de flexión o tracción indirecta en la parte superior de la losa, especialmente en las esquinas y bordes lo que ocasiona la fractura del concreto cuando el esfuerzo excede su resistencia a flexión o módulo de ruptura (MR). La figura 2.4, muestra la forma de distribución de esfuerzos en pavimentos rígidos, y el esfuerzo de flexión considerado crítico en este tipo de estructuras. 11 INVEAS Ing. Augusto Jugo B. Construcción e Inspección de Pavimentos Versión 1.1 Por lo general los mecanismos de falla de los pavimentos se asocian con los esfuerzos antes indicados, sin embargo aunque el problema –a primera vistaluce relativamente sencillo la teoría y comprensión de la distribución de esfuerzos y deformaciones en estructuras –generalmente multicapas- es considerablemente compleja. Por otra parte los pavimentos tienen una gran variedad de usos por lo que son sometidos a distintas cargas y esfuerzos, aun cuando los materiales que los conformen sean similares. Los conceptos de diseño, repeticiones de cargas y magnitud de esfuerzos son considerablemente distintos, por ejemplo, en pavimentos viales y de aeropuertos; además dentro de estos puede haber considerable diferencia, como entre una calle, una autopista y un estacionamiento comercial. 12 INVEAS Ing. Augusto Jugo B. Construcción e Inspección de Pavimentos Versión 1.1 Variables de diseño de pavimentos En forma genérica, el concepto de diseño de pavimentos pudiera resumirse de la siguiente forma; “la definición de una estructura que construida sobre una determinada subrasante, se comporte adecuadamente en un medio ambiente especifico, al ser sometida a cargas durante un período de tiempo preestablecido” Los métodos de diseño de pavimentos han sido considerablemente dinámicos en el tiempo, en Venezuela el procedimiento mas empleado es la Guía de Diseño AASHTO-93. Por otra parte debe destacarse el Método de Diseño Venezolano, también conocido como método MTC (1983), desarrollado por un destacado grupo de ingenieros venezolanos bajo la coordinación del Ing. Luis Salamé R, con la asesoría del Dr. Matt Witczak. Recientemente, se ha presentado un nuevo procedimiento Empirico-Mecanístico 2002, aun en fase de análisis y validación, además de considerablemente complejo. El método AASHTO considera, fundamentalmente, las variables de diseño que se listan y comentan brevemente a continuación: • • • • • • • • Tráfico: en términos de repeticiones y magnitud de cargas esperadas en el periodo de diseño. Valor soporte de subrasante: variable de gran significación por ser el punto más débil de la estructura, susceptible a la humedad y estar sujeta a significativa variación a lo largo de una vía. Materiales disponibles y utilizables en la zona en la que se ejecuta la obra, propiedades, aporte estructural, costos. Medio ambiente: posibilidad de saturación y susceptibilidad de los materiales, temperaturas. Comportamiento: duración del periodo de diseño, serviceabilidad final. Drenaje: obras de drenaje; precipitación y drenaje natural en la zona. Confiabilidad estadística: nivel de confiabilidad considerado en el diseño en función de la calidad y precisión de la información empleada. Aspectos económicos: análisis de alternativas y definición de solución óptima. Como puede deducirse el diseño de un pavimento, requiere una serie de información que debe obtenerse y manejarse adecuadamente con la finalidad de lograr una solución “óptima” de acuerdo con las características particulares del proyecto. Cuando se habla de solución óptima, se quiere decir aquella que sirve a los requerimientos y solicitudes de la obra y es construible, al menor costo. Normalmente, hay diferentes soluciones para un pavimento, sin embargo la definición de esta “solución óptima” normalmente requiere la intervención de un especialista, lo que generalmente demanda una muy pequeña inversión, comparada con el costo de la obra, pero aporta importantes beneficios y confiabilidad al proyecto. 13