Visión general sobre la nueva guía de diseño mecanicista AASHTO
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Visión general sobre la nueva guía de diseño mecanicista AASHTO-ME y los modelos de deterioro para pavimentos flexibles. Roberto Hernández, Paul Garnica, Ricardo Solorio Antecedentes La nueva guía de diseño de pavimentos largamente esperada AASHTO –ME la cual sale a la venta en Abril de 2011, representa un gran reto en cuanto a metodologías de diseño de pavimentos se refiere ya que da un cambio radical a las metodologías usadas hoy en día. Desde principios de los años 60 hasta 1993, todas las versiones de diseño de AASHTO se basaron en las limitadas ecuaciones empíricas resultado de AASHO Road Test realizadas a finales de los 50. Fue a partir de 1986 que se visualizó la necesidad de tener una nueva guía de diseño de pavimentos basada en los conceptos mecanicistas, fue entonces que la “AASHTO Joint Task Force on Pavements”, la “Federal Highway Administration” y el “National Cooperative Highway Research Program”, patrocinaron el desarrollo de una procedimiento de diseño M-E (Mecanicista – empírico) bajo el proyecto denominado NCHRP 1-37A. El objetivo principal del proyecto 1-37A fue el desarrollar una guía para el diseño y rehabilitación de pavimentos que estuviera basada en los modelos mecanicistas existentes y que reflejaran el estado del arte en la materia tanto para pavimentos flexibles y rígidos, dando como resultado la guía denominada MEPDG (Mechanistic – Empirical Pavement Design Guide). La guía de diseño Mecanicista – Empírica MEPDG, se completó en 2004 y fue lanzada al público para su revisión y evaluación. La revisión formal de la guía se realizó bajo el proyecto NCHRP 1-40A dando como resultado varias mejoras, muchas de las cuales se han incorporado a la MEPDG bajo el proyecto 1-40D igualmente de la NCHRP. La cual dio como resultado la versión 1.0 del software MEDPG y la actualización del manual de diseño. Finalmente la versión 1.0 fue presentada a la NCHRP, FHWA y a la AASHTO para ser considerada como la versión provisional de la nueva guía AASHTO M-E y simultáneamente muchos estados de la unión americana han compartido información y experiencias con la finalidad de acelerar la implementación de esta, ya que está previsto que esta sea la única y definitiva guía AASHT]O en un plazo no mayor a dos años. Lo cual ha hecho que algunos estados ya han comenzado a implementarla mediante capacitación de personal y recopilación de datos de entrada, así como equipos de ensaye y la adaptación de tramos de prueba para la calibración regional. Propósito de la guía. El propósito de la guía como se mencionó, es proveer a los diseñadores de pavimentos una herramienta que sea la punta de lanza para el diseño de pavimentos basada en los principios mecanicistas. Lo que significa que para el análisis se calcularán las respuestas de un pavimento (esfuerzos, deformaciones y deflexiones) estas respuestas generan un daño que se acumulará e incrementará con el paso de las cargas en el tiempo, esa es la parte mecánica, y la parte empírica es la que relacionará ese daño acumulado con los deterioros observados en los pavimentos. Este procedimiento se ejemplifica en la figura 1. EVALUACIÓN Pavimento Nuevo Rehabilitación Datos de entrada Pruebas de campo Pavimento Nuevo Evaluación del pavimento Materiales Nuevos materiales Rehabilitación Análisis de tránsito Criterios de diseño Criterio de diseño ANÁLISIS Diseño inicial Modificar parámetros de diseño o materiales Diseño de la rehabilitación Modelos de respuesta Esfuerzos, deformaciones y deflexiones Calculo de daño incremental Se acepta diseño Funciones de transferencia y modelos de deterioro IRI Roderas Agrietamiento relacionado a la carga Agrietamiento no relacionado a la carga SELECCIÓN DE ESTRATEGIA Programación de obra Análisis de factibilidad Análisis del ciclo de vida Selección de estrategia Políticas Figura 1. Diagrama de flujo de la etapas de diseño conceptualizadas para la guía MEPDG Esta guía constituye un cambio radical en la forma de diseñar pavimentos, las dos diferencias principales con respecto a la actual guía de diseño AASHTO 1993 son que la guía de diseño MEPDG predice distintos indicadores del pavimento y que existe una interrelación muy directa entre los materiales, el diseño estructural, tránsito, clima, construcción y los sistemas de gestión de pavimentos. La guía realiza un proceso iterativo que da como resultado deterioros e irregularidad, y no espesores del pavimento. Para esto, primero se deben considerar las condiciones del sitio (tránsito, clima, subrasante, condición existente del pavimento para su rehabilitación, etc) proponiendo un diseño inicial para una estructura nueva o una rehabilitación según sea el caso; entonces este diseño inicial se somete a prueba de acuerdo a los factores iniciales, los criterios de desempeño y los valores de confiabilidad a través de la predicción de deterioros y de irregularidad. Si el diseño no cumple con el desempeño deseado a la confiabilidad especificada entonces debe revisarse y evaluarse nuevamente. De esta forma el diseñador tiene la flexibilidad de ajustar las características de diseño y de los materiales para satisfacer el criterio de desempeño para las condiciones del sitio. Lo anterior significa que la guía emplea parámetros comunes para el tránsito, los materiales, la subrasante, clima y confiabilidad para los dos tipos de pavimentos, los cuales pueden ser usados para desarrollar diseños alternativos usando una variedad de materiales y procedimientos constructivos. Indicadores de desempeño predichos por la MEPDG y estructura general de la guía. La guía de diseño toma en cuenta funciones de transferencia y ecuaciones de regresión pare predecir los indicadores de desempeño considerados importantes en los sistemas de gestión de pavimentos, los cuales fueron calibrados usando la base de datos del LTPP (Long Term Pavement Performance). Los indicadores para pavimentos nuevos y sobrecarpetas de concreto asfáltico que considera la guía son: - Profundidad total de roderas, en la carpeta, en la base y en la subrasante. - Agrietamiento transversal - Agrietamiento tipo piel de cocodrilo - Agrietamiento longitudinal - Grietas de reflexión en sobrecarpeta - IRI El enfoque de diseño de la guía consiste en tres etapas principales con varios pasos, (ver figura 1). La primera etapa consiste en la determinación del las variables de entrada para el diseño inicial, donde un paso clave consiste en el análisis del terreno de cimentación. Para pavimentos nuevos este consiste en la determinación del módulo de resiliencia y la evaluación del potencial de expansión para suelos altamente plásticos, así como sus propiedades de drenaje. Para el caso de una rehabilitación la guía incluye recomendaciones para la evaluación de la capacidad estructural de un pavimento identificando los deterioros expuestos y las causas que lo causaron. Enfocándose en cuantificar la resistencia de las capas del pavimento existente y de la cimentación usando pruebas no destructivas mediante las cuencas de deflexiones y procedimientos de retrocálculo, la cuenca de deflexiones es usada para estimar el estado estructural (módulos) en las capas existentes. La caracterización de los materiales, tránsito y clima se incluyen en esta etapa inicial. En el caso de los materiales la propiedad clave son los módulos que se necesitan para todas las capas del pavimento. El módulo resiliente se requiere para todas las capas no confinadas así como para la cimentación, mientras que el módulo dinámico se requiere para la capa o capas de concreto asfáltico. La caracterización del tránsito consiste en estimar las distribuciones de carga por eje aplicadas la estructura del pavimento. La guía no usa los ejes equivalentes y no requiere el uso de los factores de equivalencia de carga. La guía incluye los ejes sencillos duales, tándems, tridems y quads, así como configuraciones de ejes especiales. Una mejora importante al diseño de los pavimentos en esta guía al igual que la caracterización del tránsito, es la consideración de los efectos climáticos en los materiales del pavimento, en las respuestas y en los deterioros considerados de una manera integrada. Estos efecto se estiman usando el modelo climático integrado ICM, la cual es una herramienta que modela la temperatura y la humedad dentro de cada capa del pavimento y su cimentación, básicamente, el modelo climático considera datos ambientales horarios en cinco variables que son: - Temperatura - Precipitación - Velocidad del viento - Nubosidad - Humedad relativa Estos datos fueron tomados de las estaciones climáticas de los Estados Unidos para estimar las temperaturas y condiciones de humedad de las capas, las predicciones del ICM son calculadas de forma horaria y se usan en varias formas, como se menciona más adelante, para estimar las propiedades de los materiales de las capas y de la cimentación a lo largo de la vida de diseño. La etapa 2 del proceso de diseño se refiere al análisis estructura y las predicciones de los indicadores de desempeño e irregularidad, siendo como se mencionó anteriormente, un proceso iterativo que inicia con una propuesta de diseño, que puede tomarse de un procedimiento de diseño existente o de algún catálogo de pavimentos. Esta sección elegida se analiza incrementalmente en el tiempo e usa las respuestas del pavimento y los modelos de deterioro. Los resultados obtenidos del análisis son las propiedades de los materiales a lo largo del periodo de análisis, el daño acumulado, la cantidad de deterioro y la irregularidad en el tiempo entre otros. Si el diseño propuesto no pasa o excede el criterio de diseño a un cierto nivel de confiabilidad, deben hacerse modificaciones y volver a ejecutar el análisis hasta que se obtengan resultados satisfactorios. La etapa 3 del proceso incluye las actividades que se requieren pare evaluar las alternativas viables estructuralmente. Estas actividades incluyen un análisis de ciclo de vida para obtener la alternativa más viable. Esta etapa es propuesta por la guía y solamente indica los lineamientos principales y debe realizarse fuera del software de diseño ya que no se considera dentro de él. Los tipos de pavimentos flexibles que modela la nueva guía van de los pavimentos convencionales, pavimentos full depth, pavimentos semirígidos, pavimentos reciclados y sobrecarpetas. Todas las calibraciones fueron hechas con la gran base de datos que constituyó el LTPP. La guía utiliza también tres niveles jerárquicos para el ingreso de información que son los siguientes: Nivel 1. Se refiere que los parámetros son medidos directamente en el sitio, representa un gran conocimiento de los datos de entrada para un proyecto especifico el cual tiene los costos más altos. Nivel 2. Los parámetros de entrada se estiman con correlaciones o mediante ecuaciones de regresión. En otras palabras, los parámetros son tomados de sitios parecidos donde es menos costoso medirlos. Nivel 3. Los parámetros de entrada son valores globales o regionales por omisión. Estos valores tiene el menor nivel de conocimiento de los parámetros del sitio y tienen el costo más bajo en la recolección de datos, así como la mayor incertidumbre Parámetros de respuesta obtenidos. Los principales parámetros obtenidos en la guía al ejecutar un análisis son: IRI.- Este se predice empíricamente como función de los deterioros, factores del lugar como la cimentación, y el IRI inicial en el momento de la construcción. Los tipos de deterioro que participan en la predicción del IRI están en función del tipo de pavimento Agrietamiento tipo cocodrilo.- Es forma de fatiga o de agrietamiento relacionado a las carga que inicia en la parte inferior de las carpeta. Agrietamiento longitudinal. Una forma de agrietamiento por fatiga que se presenta en las rodadas con grietas paralelas al eje del camino Agrietamiento transversal. Agrietamiento perpendicular al eje del camino que no está relacionado con la carga, sino con el ciclo térmico de bajas-altas temperaturas. Roderas. Depresión longitudinal de las rodadas resultado de la deformación plástica o permanente en cada capa del pavimento, este indicador lo calcula separadamente para la carpeta asfáltica, las capas intermedias y la cimentación. La forma en la que predice estos deterioros es mediante el enfoque de acumulación de daño o daño incremental en función del tiempo y del tránsito. Este daño lo analiza y acumula por un intervalo de tiempo el cual se considera generalmente mensual. Los modelos de deterioro de la guía fueron calibrados basándose en los tramos de prueba del LTPP, distribuidos en todo Estados Unidos que consideraban una gran variedad de condiciones, como climas, tipos de suelo y tránsito, además la guía permite al diseñador “ajustar” los factores globales de calibración o usar los factores de regresión que algún departamento estatal o regional tenga basado en sus calibraciones particulares. Figura 2. a) Agrietamiento longitudinal, b) agrietamiento tipo piel de cocodrilo, c) agrietamiento por reflexión, d) Roderas, e) agrietamiento transversal. Metodología de análisis La guía divide las capas estructurales y el terreno de cimentación del diseño inicial en subcapas, el análisis mecánico lo efectúa mediante un programa de teoría elástica llamado JULEA el cual se encuentra programado dentro del software, así mismo utiliza un modelo llamado ICM el cual sirva para ajustar los módulos de las capas del pavimento a lo largo del periodo de análisis, este modelo ICM calcula las condiciones de temperatura y humedad de la estructura del pavimento de forma horaria. El modelo ICM calcula la temperatura en la carpeta asfáltica para encontrar el módulo dinámico que usa para analizar las deformaciones verticales y horizontales en la carpeta. Y también considera las temperaturas en las capas inferiores sobre todo cuando hay congelamiento modificando así el módulo resiliente de éstas para el cálculo de los módulos respectivos. Este modelo también calcula el contenido de humedad de cada capa con la variación mensual para el ajuste de los módulo y el cálculo de las respuestas estructurales, así de esta forma se llega a calcular el daño por fatiga, por agrietamiento térmico y por deformación permanente. Como se mencionó anteriormente el modelo ICM utiliza las cinco variables climáticas que son: temperatura, la precipitación, la velocidad del viento , la nubosidad y la humedad relativa, usadas para más de 800 estaciones de los Estados Unidos. Las cuales son datos de entrada para el modelo ICM. Modelos de deterioro para pavimentos flexibles Modelo de Profundidad de Roderas. La guía utiliza un modelo de roderas que calcula de forma incremental la deformación vertical de cada capa. La tasa de acumulación de la deformación plástica se midió en el laboratorio usando pruebas triaxiales de deformación permanente para mezclas asfálticas y para materiales granulares. Esta relación obtenida en laboratorio se ajustó a la medida en campo. A manera de ejemplo se presenta a continuación la ecuación para el cálculo de la profundidad de roderas de la capa asfáltica, no siendo la intención de este trabajo el exponer a detalle todos los modelos matemáticos que utiliza la guía, para eso habría que referirse directamente a la documentación respectiva, sino la intención es hablar de los parámetros que intervienen en la mayoría de los modelos. p p h 1r k z r 10k1r n k2 r 2 r T k3 r 3 r Donde: ∆p = Deformación permanente vertical acumulada en la carpeta asfáltica ep = Deformación permanente acumulada unitaria en la carpeta h= Espesor de la carpeta asfáltica er = Deformación elástica o resiliente calculada por el modelo de respuesta estructural a la mitad de cada subcapa de la carpeta asfáltica. n = Número de repeticiones de carga T= Temperatura del pavimento kz = Factores de confinamiento k1r,2r,3r = Parámetros de calibración globales βir, β2r, β3r =Parámetros de calibración locales Agrietamiento relacionado con la carga. La guía predice dos tipos de agrietamientos relacionados con la carga, el tipo piel de cocodrilo y el agrietamiento longitudinal. La guía asume que el primer tipo de agrietamiento inicia en la parte inferior de la capa asfáltica y se propaga hacia la superficie con el tránsito continuo de vehículos pesados, mientras que las grietas longitudinales se asumen que inician en la superficie. La guía predice el número de aplicaciones de carga permitidas para ambos tipos de agrietamiento y luego calcula el daño incremental mediante la ley de Miner a lo largo del tiempo para cada nivel y tipo de carga. Agrietamiento no relacionado a la carga. Agrietamiento transversal. Este se refiere al modelo de agrietamiento térmico. Es decir la cantidad de propagación de grietas inducidas por un ciclo de enfriamiento. Irregularidad (IRI). La guía calcula un incremento de la irregularidad en el tiempo la cual la calcula mediante una condición de IRI del lugar que depende de la edad del pavimento, de la plasticidad del suelo, precipitación y susceptibilidad al congelamiento, a este factor le suma la aportación de cada deterioro al incremento del IRI, es decir, al área de agrietamiento por fatiga, al agrietamiento transversal y a la profundidad de roderas, generando así un incremento debido a todos los deterioros en el IRI. En la figura 3 se puede ver una de las pantallas de la guía donde se ingresan los factores de calibración y el modelo matemático usado en este caso para el agrietamiento por fatiga exclusivamente para la carpeta asfáltica. Figura 3. Ajuste de los parámetros de calibración en la guía de diseño Factibilidad de adaptación a las condiciones del México. Como se ha visto hasta ahora hasta ahora la guía está estructurada casi exclusivamente a las condiciones norteamericanas, es decir, toda su base de datos usada para los modelos matemáticos está basada en sus tramos de prueba para sus niveles de tránsito y para sus condiciones climáticas. La primera pregunta que surge al conocer la estructura de la nueva guía de diseño es relacionada a tener los datos de entrada que necesita la guía y en el formato en el que los usa. A continuación se describirá brevemente las consideraciones a tomar en cuenta para el uso de esta guía de acuerdo a los principales datos de entrada. Materiales.- Como se ha visto en este trabajo, la caracterización que utiliza la nueva guía es la tendencia hacia un mejor conocimiento de los materiales, mediante pruebas de laboratorio avanzadas que simulen mejor el comportamiento real de los materiales bajo las condiciones de trabajo de un pavimento. Esto quiere decir que para el caso de las carpetas asfálticas la obtención del módulo dinámico o para el caso de los materiales de las capas inferiores la obtención del módulo resiliente, resultan ser la forma de caracterización más adecuada. Pruebas de laboratorio que pueden ser compensadas con inversión en equipos altamente especializados para la caracterización de materiales. Clima. El problema de las condiciones climáticas usadas en la guía es el propio modelo ICM y sus datos de entrada, el modelo ICM utiliza ecuaciones para el cálculo de módulos de las capas del pavimento basado en condiciones de humedad y de temperatura, hasta la última versión 1.1 de la guía MEPDG, los datos necesarios para que funcionara la parte climática de la guía requería datos de las cinco variables mencionadas en la sección anterior, a cada hora. Eso exige la tarea de encontrar las estaciones climáticas de México y colocarlas en el formato adecuado para que el modelo ICM de la guía lo pueda leer. Aun así hay que revisar los modelos con los que maneja la información el modelo ICM, ya que está diseñado también para calcular los índices de congelamiento-deshielo que se dan en latitudes norteñas, como es el caso de Estados Unidos, pero que no aplican para nuestro país. Por eso debe tomarse con cuidado las relaciones que genera el modelo ICM y validarla con la información nacional. Tránsito. Como se mencionó anteriormente, el cambio en el uso de la caracterización del tránsito es radical ya que hasta la versión 1.1 de la guía MEPDG, desaparecen los factores de daño y utiliza en su lugar los espectros de carga. Los cuales son la distribución de frecuencia de las cargas por tipo de eje ya sean sencillos, duales, etc., esto significa que se necesitan datos de estaciones de pesaje dinámico tipo WIM (Weight in motion) para tener la información requerida del tránsito, así como los factores de distribución horarios y mensuales, esto hace que la información del tránsito sea exhaustiva y un tanto complicada de adaptar. Esto conlleva a la necesidad de que para cada nuevo proyecto se debe tener los espectros de carga que serán ingresados en la guía, o por lo menos los espectros generados de manera regional o por tipo de camino donde se hará el diseño, en ese aspecto la guía trae espectros de carga globales pero para las condiciones propias de las carreteras estadunidenses, las cuales son muy diferentes a las mexicanas, he ahí la necesidad de generar las propias ya que hay variaciones considerables hasta en la clasificación de los tipos de vehículos, y las cargas con las que circulan a ambos lados de la frontera. Calibración de los modelos de deterioro. Cómo se mencionó anteriormente los modelos de deterioro fueron calibrados con el estudio a largo plazo LTPP (Long Term Pavement Performace) basado en un gran número de tramos de prueba a lo largo y ancho de todo Estados Unidos, con una gran diversidad de condiciones de suelos y tipos de materiales. Un ejemplo es la ecuación que se menciona anteriormente para el cálculo de la fatiga en la capa asfáltica, como puede observarse menciona factores de calibración globales y regionales, esto quiere decir que dependerán del nivel de conocimiento que se tenga de los caminos o de las condiciones del sitio para saber cuáles factores aplicar. Esto se puede ver de manera simple pero es otra complejidad para la adaptación al país, ya que no contamos ni por mucho con tales factores, esto hará que solamente podamos usarla en una primera instancia con los factores por omisión, es decir, “sus factores”, mientras se encuentran los recursos y disponibilidad para darle seguimiento a los nuestros, lo cual puede resultar nada económico, esto no significa que no se tengan datos en México de nuestros caminos, pero cabe mencionar que no se tiene la cultura de guardar las bases de datos con la información histórica por las agencias que tienen a cargo los caminos del país, léase Juntas Locales, o Secretaría de Comunicaciones. Conclusiones La guía de diseño AASHTO ME, fue diseñada de una forma poco exportable, es decir, hay que esfuerzos significativos para adaptarla a condiciones de aplicabilidad aún inciertas. Se deben abrir líneas de investigación nuevas si se desea ir adaptando la guía a las condiciones nacionales, lo cual debe tomarse en cuenta por agencias a cargo de los caminos y por particulares, ya que no son despreciables los recursos que habrá que destinar para ello, si se desea tener un adecuado nivel de confiabilidad. La guía incluye una guía de calibración, la cual es una buena herramienta pero está pensada en los propios estados de la Unión Americana, ya que ellos han venido adquiriendo información histórica bajo esquemas muy similares entre sí. Esto significa que para México el esfuerzo es doble dada la carencia de información histórica en los formatos adecuados. Bibliografía -AASHTO. (2008) Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide. A manual of practice -GARNICA ANGUAS, P., & CORREA, Á. (2004). Conceptos Mecanicistas en Pavimentos. Sanfandila, , Querétaro, México. -HONG, F., PEREIRA, M., & PROZZI, J. A. (2006). Comparision of Equivalent Single Axle Loads from Empirical and Mechanistic-Empirical Approaches -HUANG, Yang. (2004). Pavement Analysis and Design. Second Edition.
