NUEVOS MATERIALES Y MÉTODOS DE DISEÑO POR TEORÍA ELÁSTICA DE CAPAS EN PAVIMENTACIÓN DE AEROPUERTOS Mª INMACULADA GARCÍA HERNÁNDEZ ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS AERONÁUTICOS RESUMEN Los resultados que presento a este congreso son una parte del trabajo de investigación realizado para la obtención del Título de Doctora por la U.P.M. dentro del marco de las Infraestructuras, Sistemas Aerospaciales y Aeropuertos en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos de la Universidad Politécnica de Madrid. El factor de reducción para base estabilizada con mezcla de materiales bituminosos que la FAA presenta en el AC 150-5320-6D es del rango 1’2 - 1’6. En este trabajo de investigación que presento se puede ver que dicho factor queda anticuado con la aparición del A-380. Los valores que se han obtenido para dicho factor son del orden de 1’7-2’1. Para poder llegar a calcular el espesor total del paquete de pavimentos de base estabilizada de una mezcla con materiales bituminosos, diseñé también la gráfica del Método del CBR para el A-380. En el trabajo de investigación realizo un análisis de sensibilidad para distinto número de salidas y distintos CBR entre utilizar una base estabilizada con materiales bituminosos y una base estabilizada con materiales bituminosos de alto módulo los resultados son muy interesantes y las conclusiones a las que se llega son muy útiles para el diseño de pavimentos. Esta última parte será fundamentalmente la que explique en mi ponencia en el congreso aportando resultados como mencioné anteriormente muy interesantes e innovadores. 1. Fatiga en los materiales del pavimento EVERESTRESS El EVERSTRESS es un programa de cálculo por teoría elástica de capas para simular tensiones y deformaciones en cualquier punto del paquete de firmes. Este programa de cálculo de pavimentos usa una aproximación empírica-mecanicista mediante un proceso iterativo, el cual se puede resumir en los siguientes pasos que se detallan a continuación: Análisis del tráfico durante el periodo para el cual se va ha hacer el cálculo de pavimentos para así determinar el total de la carga de tráfico en cada periodo de tiempo (n). Computo de la tensión en los puntos críticos en el pavimento en el periodo de tiempo que se vaya a estudiar. Cálculo del número de ciclos para el fallo ( Nf ) por cada periodo de tiempo. Cálculo del factor de daño (n/Nf) para cada periodo de tiempo establecido. Suma de los factores de daño por fatiga producidos en el pavimento. Incrementar o reducir el espesor de la capa si D, daño total en el pavimento, no es cercano a 1. Determinar el cálculo final de la sección transversal. Inicialmente en el programa se establecerán los periodos de tiempo en los que se va a considerar el proceso de cálculo. Para la selección de estos periodos se tendrá en cuenta los periodos de tiempo en los cuales las propiedades de los materiales no cambiarán sustancialmente. Por ejemplo, si en una zona hay tres meses al año de heladas, esto es por ejemplo de diciembre a febrero, asumiremos que podría ser que los materiales de la base y la sub-base se congelen. Durante la primavera, marzo y abril, el módulo de las capas subyacentes puede ser muy bajo, y el módulo del asfalto de la rodadura tendrá un valor intermedio. El módulo de elasticidad del asfalto de la rodadura tendrá su valor más bajo durante el verano (desde mayo hasta agosto) y el módulo de elasticidad de la base y la sub-base tendrá un valor intermedio en este periodo. En el otoño, de septiembre a noviembre, mantendrán probablemente la dureza intermedia, y el asfalto de la rodadura tendrá un módulo intermedio. A continuación muestro un ejemplo de la explicación que he hecho: El análisis de tráfico se realiza habitualmente usando el volumen inicial de tráfico, asumiendo un promedio creciente, y el cálculo por periodo de la carga de tráfico en el pavimento sobre su vida útil. Para el pavimento de una autopista, esto normalmente resulta en un número de 18,000 lb (80 kN) equivalente a la carga de una sola rueda (ESALs). El espesor inicial será seleccionado como el mínimo permitido para el tipo de pavimento. La tensión crítica en la estructura del pavimento es determinada en la posición que se describe en la siguiente figura donde la distancia de las variables es expresada en términos de coordenadas cilíndricas, en las que la distancia desde un punto de la superficie puede ser expresado en términos de: R2 = r2 + z2 = x2 + y2 + z2 Como se muestra en la figura: Figura 9. El análisis de la distribución de cargas se realiza como aparece en la figura anterior. El espesor inicial podría ser seleccionado como el mínimo espesor permitido según el tipo de pavimento. La tensión crítica en la estructura del pavimento está determinada en las posiciones que se pueden ver en la anterior figura y así lo tuve en cuenta a la hora de utilizar el programa. El número de ciclos de carga para fallo por fatiga (Nf) son computadas usando criterios de fallo. Para los criterios de fatiga, el número de ciclos para fallo es una función de la tensión elástica horizontal en la parte más abajo de la rodadura de asfalto. El daño para cada estación es definido como el ratio del número de cargas esperadas para cada periodo de tiempo, n, a el número de ciclos para fallo, Nf, para esa condición en el pavimento. El daño total realizado en cada periodo es definido como el promedio del número de cargas esperadas para cada periodo de tiempo, n, para el número de ciclos de fallo, Nf, para esa condición en el pavimento. El daño total, D, sobre el cálculo de vida del pavimento es entonces computado por el sumatorio del daño realizado en cada periodo: D = nw/Nfw + nsp/Nfsp + ns/Nfs + nf/ Nff Si el total de daño en cada estación es cercano a 1, esto significa que es cercano a 100 % de la vida del pavimento que se espera. Si D es más grande que 1, entonces el pavimento ha sido calculado con un espesor más pequeño de lo normal definido como el promedio del número de cargas esperadas para cada periodo de tiempo, n. Si el daño es mucho menor que uno, entonces lo opuesto es verdad. 2. Capas en Pavimentación de Aeropuertos La forma más general para hacer la suma del los daños producidos al pavimento debido tanto a los cambios de los módulos de elasticidad estacionales como a varias cargas es: g D = ∑ ni / N i i =1 Por tanto se asume cada condición de módulo de elasticidad estacional con distinta respuesta de pavimento y/o carga. Cuando D se acerca a 1, es entonces cuando se estima que ocurra el fallo. D es calculado separadamente para cada tipo de rotura evaluada, por tanto N también se calcula separadamente para cada tipo de deterioro en el pavimento evaluado tales como rotura o desgaste por fatiga. Por tanto, D = n1/N1 + n2/N2+ n3/N3+ n4/N4 Además el proceso se repite para cada tipo de daño evaluado al pavimento separado por cada criterio de fallo. Algunos de estos criterios de fallos son presentados en la siguiente sección. Para nuestro estudio en este trabajo tutelado como hicimos para el programa LEDFAA nos centraremos en la base por tanto y teniendo en cuenta que los datos que se calcularon con este programa para el trabajo tutelado tan sólo atañen a la base ahora sólo mencionaré los criterios de fallo para la base. 3. Criterios de Fallo para la Capa Base Como se sabe, en la vida de servicio de un firme se emplean dos conceptos de fallo: el estructural y el funcional. El fallo estructural se define como la pérdida de cohesión de todas o alguna de las capas del firme, de manera que no le es posible soportar las cargas impuestas por el tráfico. El fallo funcional se produce cuando el firme no puede permitir el paso de los vehículos de manera cómoda y segura, y puede venir acompañado o no de un fallo estructural. A continuación, se hará una breve descripción de los criterios de fallo y modelos de deterioro estructural de uso más generalizado y que son normalmente empleados en el dimensionamiento de firmes. En nuestro ensayo el paquete de firmes con el que trabajamos fue el siguiente: 4. Paquete de Firmes con Alto Módulo en la Base: RODADURA: Mezcla bituminosa en caliente BASE: Base bituminosa estabilizada de alto módulo SUB-BASE: Granular SUB-RASANTE/ EXPLANADA :Granular (Suelo seleccionado: 10 × CBR) 5. Paquete de Firmes sin Alto Módulo en la Base: RODADURA: Mezcla bituminosa en caliente BASE: Base bituminosa estabilizada. SUB-BASE: Granular SUB-RASANTE/EXPLANADA :Granular (Suelo seleccionado: 10 × CBR) En un sistema multicapa la caracterización mecánica de los materiales está dada en función del módulo de elasticidad (E) y del coeficiente de Poisson (ν ). Por tanto la estimación adecuada de estos parámetros es una de las tareas más importantes y significativas a la hora de modelar la estructura del firme. Los módulos de elasticidad empleados en mezclas bituminosas, son función tanto de la época térmica del año como del espesor total de la mezcla. Se ha estimado que el gradiente de temperatura afecta a los 15 cm superiores, a los que se aplica tres hipótesis térmicas: invierno, primavera-otoño y verano. El coeficiente de poisson se toma igual a 0,35. Características mecánicas de las mezclas bituminosas Módulo de elasticidad Época climática Espesor(cm) Invierno Primavera-Otoño 15 10,000 6,000 h-15 6,000 Verano 3,000 Coeficiente Poisson de 0,35 Para la caracterización de los materiales granulares, en nuestro estudio se adoptó como coeficiente de Poisson 0,35. Características mecánicas de las mezclas bituminosas Materiales granulares Módulo de elasticidad (Mpa) 190 Zahorra natural 180 Zahorra artificial 460 480 Coeficiente de Poisson 0,35 Sección 022-122 0,35 021-121 022-122 032-132 Para la caracterización mecánica de la explanada, he adoptado en el trabajo el criterio conocido de establecer el módulo de la capa a partir del índice CBR, mediante la expresión siguiente: E ( MPa ) = 10 ⋅ CBR 6. Fisuración estructural por fatiga El agrietamiento estructural por fatiga está relacionado con la deformación o la tensión horizontal por tracción en el fondo de la capa del material. En este sentido, el criterio de fallo relaciona la deformación o la tensión producidas con el número admisible de repeticiones de carga, obtenido en ensayos de fatiga realizados en el laboratorio sobre las muestras de materiales. El agrietamiento se asocia con la respuesta resiliente (recuperable) del firme ante las cargas dinámicas del tráfico. Según estos modelos las fisuras, generalmente, se desarrollan desde abajo hacia la superficie. 7. Fisuración por fatiga de las mezclas bituminosas En los modelos empleados en las mezclas bituminosas se toma como parámetro crítico la deformación unitaria horizontal por tracción. Dichos modelos son de la forma siguiente: εt = k ⋅ N −a siendo εt = Deformación unitaria de tracción en la fibra inferior de la capa bituminosa. N = Número de repeticiones de carga admisible. A, k = Parámetros. Como es obvio, la elección de un modelo de comportamiento para la comprobación de las secciones de firme es una cuestión decisiva a la hora de predecir la vida de servicio de las estructuras. 8. Fisuración por fatiga de los materiales tratados con cemento En los firmes con materiales tratados con cemento el agrietamiento por fatiga también ha sido considerado el principal criterio de falla. Sin embargo, la diferencia fundamental con respecto a las mezclas bituminosas consiste en que los materiales tratados con cemento, aunque el número de aplicaciones de carga sea considerable, siempre existirá un valor límite del valor de la carga por debajo de la cual no se producirá el fenómeno de fatiga del material. Por ello, en estos materiales, se toma como modelo de comportamiento una ley de fatiga con la tensión horizontal de tracción como solicitación crítica. En este sentido, los materiales tratados con ligantes hidráulicos presentan una ley del tipo siguiente: σ RF = 1 − 0, 065 ⋅ log N Siendo: σ = Tensión a tracción producida por la carga en la fibra inferior de la capa. N = Número admisible de repeticiones de carga. RF = Resistencia a la flexoración a los 90 días. a = Parámetro que depende del material. Agotamiento por fatiga de la explanada. En cuanto a la explanada, también existen diversas leyes de fatiga correspondientes a la expresión siguiente: ε v = k ⋅ N −b Siendo: εv = Deformación unitaria vertical en la capa superior de la explanada. N = Número admisible de repeticiones de carga. B, k = Parámetros Módulos de elasticidad y Relaciones de Poisson de los materiales utilizados A las diversas caracterizaciones de los materiales empleados, los métodos mecanicistas les asignan unos módulos medios de Young y de Poisson sancionados por ensayos y por la experiencia. En la siguiente tabla se resumen los módulos preconizados por la Instrucción andaluza(ICAFIR, 1999), a los que hay que efectuar las siguientes matizaciones: En las zonas en las que la máxima temperatura ambiente sea superior a 35º C, el módulo de Young de las mezclas bituminosas y de la grava-emulsión se multiplica por 0,5 en verano, bajando el módulo de Poisson a 0,30. En las capas granulares y en los suelos, el módulo de Young no puede ser superior a 10 veces su CBR, ni a un múltiplo del módulo de Young de la capa subyacente que es 2 veces para los suelos Los datos que a continuación se muestran en la tabla fueron los que utilicé en el programa del EVERESTRESS. 9. Resultados EVERSTRESS Representación gráfica de los datos EVERSTRESS BASE ESTABILIZADA 1200 CBR 5 CBR 10 390,752 CBR 15 184,496 CBR 20 CBR 25 3000 6000 15000 25000 517,811 227,208 154,177 650,495 267,529 177,969 1,184,312 285,459 215,733 1,089,936 382,770 241,709 162,157 15000 25000 5,265,524 1,762,058 1,076,466 692,061 4,798,773 1,442,878 845,713 137,217 BASE ESTABILIZADA ALTO MÓDULO 1200 3000 6000 CBR 5 CBR 10 1,512,831 2,080,471 2,690,888 CBR 15 628,795 797,138 960,383 CBR 20 507,313 597,118 CBR 25 COCIENTE N ALTO MÓDULO/N ESTABILIZADA 1200 3000 6000 15000 CBR 5 CBR 10 3.87 4.02 4.14 4.45 CBR 15 3.41 3.51 3.59 CBR 20 3.29 3.36 3.77 CBR 25 3.21 AÑOS VIDA ESTABILIZADA 1200 3000 CBR 5 6000 15000 25000 4.40 3.77 3.50 0.85 25000 CBR 10 CBR 15 CBR 20 CBR 25 163 77 86 38 26 54 22 15 AÑOS VIDA ALTO MODULO 1200 3000 CBR 5 CBR 10 630 347 CBR 15 262 133 CBR 20 85 CBR 25 39 10 7 22 8 5 3 6000 15000 25000 224 80 50 176 96 29 17 3 36 23 BASE ESTABILIZADA 1,200,000 1,000,000 800,000 Nº REPETICIONES 1,000,000-1,200,00 800,000-1,000,000 600,000-800,000 400,000-600,000 200,000-400,000 0-200,000 600,000 400,000 200,000 0 1200 3000 CBR 5 CBR 10 CBR 6000 CBR 15 15000 CBR 20 25000 CBR 25 SALIDAS EQUIVALENTES BASE DE ALTO MÓDULO 6,000,000 5,000,000 4,000,000 5,000,000-6,000, 4,000,000-5,000, 3,000,000-4,000, 2,000,000-3,000, 1,000,000-2,000, 0-1,000,000 Nº REPETICIONES 3,000,000 2,000,000 1,000,000 0 1200 3000 CBR 5 CBR 10 CBR 6000 CBR 15 SALIDAS EQUIVALENTES 15000 CBR 20 25000 CBR 25 COCIENTE N ALTO MÓDULO / N ESTABILIZADA 5.00 4.50 4.00 3.50 RATIO 3.00 CBR 10 CBR 15 CBR 20 CBR 25 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 1200 3000 6000 15000 Nº SALIDAS 10. Experiencia con bases de alto módulo en algunas obras 25000 Muestro a continuación algunas explicaciones de experiencias anteriores con bases de alto módulo. Aeropuerto de Charles de Gaulle El Aeropuerto de Roissy – Charles de Gaulle de París se amplió en el año 1999-2000, estando dentro de las actuaciones previstas la construcción de una tercera pista. Se trata de una pista paralela a una de las pistas existentes con una separación entre ejes respecto a esta de 400 m. Dispone 2.700 m. con una anchura de 60 m. y ha sido diseñada para soportar el tráfico de aeronaves tipo F. Por tanto se trata de una pista con notables similitudes con las dos nuevas pistas del Aeropuerto de Madrid/Barajas objeto de este informe. La pista se apoya sobre una explanada de 0,35 m. de espesor de limos tratados con 2% de cal y 6% de cemento. Las tierras se estabilizan con cal. Las secciones consideradas son las siguientes: Capa Rodadura de Mezcla Bituminosa Discontinua Pista Rodaduras Asociadas 6 cm 6 cm 26 cm 30 cm 45cm 56 cm Base de Grava Betún de Módulo Elevado Gravas Tratadas con Ligante Hidráulico En este caso se aprecia que la capa empleada como sub-base presenta un módulo de Young muy superior (20.000 Mpa). Autovía de las Rías Bajas En la autovía A-52, de Benavente a Vigo, un tramo de 23 km. se proyectó con base de alto módulo. Las bases tenían una curva granulométrica que encaja con los husos semidensos S-12 o S-20, con una dotación de polvo mineral de entre el 6% y el 9% y una alta dotación de un ligante muy consistente, de penetración entre 10 y 25 (0,1 mm a 25ºC, 100 g. y 5 s. El contenido de ligante oscila entre el 5,5% y 6%. Las capas ejecutadas difirieron algo de las proyectadas, ya que estas últimas no habían contemplado la posibilidad de emplear bases de alto módulo. TIPO Y CAPÀ PROYECTO Rodadura PA-12 Intermedia S-20 Base G-25 BAM en intermedia y base Suelo Cemento Explanada tipo E2 (CBR > 10) 4 cm 6 cm 15 cm 20cm OBRA EJECUTADA 4 cm 17 cm 20 cm A pesar de considerarse la sustitución de algunas capas de proyecto por la base de alto módulo, la subbase se mantuvo de suelo cemento. Rodadura Inner del Aeropuerto de Madrid Barajas La rodadura que discurre paralela al terminal del aeropuerto de Madrid/Barajas ha sido ejecutada con una base de alto módulo junto con las siguientes capas: Capa Aglomerado Asfáltico T-6 con Betún Modificado Aglomerado Asfáltico T-5 Base de Alto Módulo (dos capas) Aglomerado Asfáltico T-3 Hormigón Magro Espesor 6 cm 6 cm 16 cm 7 cm 18 cm En este caso también se emplea como sub-base un material con un módulo de Young de 25.000 KPa. Autovia M-501 “Autovia de los Pantanos” Esta carretera parte de la M-40 y permite el acceso a localidades como Villaviciosa de Odón, Brunete, Boadilla del Monte y Quijorna. La ejecución de la obra conllevó la aplicación de mezclas bituminosas de varios tipos: -18 cm. en 2 o 3 capas de mezclas tipo S-20 de alto módulo. - 4 cm. de mezcla drenante tipo PA-12 en capa de rodadura. -Suelo estabilizado con módulo de elasticidad de 4.500 MPa. La capa drenante que se colocó en la capa de rodadura permite la retirada de las aguas de lluvia, este tema se trata más profundamente en el siguiente apartado.