Diseño estructural
En este capítulo se desarrollan los métodos para el diseño estructural de pavimentos de adoquines.
El capítulo separa en diferentes secciones el diseño de pavimentos de uso vehicular, peatonal, portuario y aeroportuario. En cada caso, se entregan consideraciones generales para el diseño, especificaciones de materiales y los métodos a utilizar para dimensionar estructuralmente las capas constitutivas del pavimento de adoquín.
Diseño de pavimentos vehiculares y peatonales
Consideraciones generales para el diseño
El diseño de pavimentos vehiculares y peatonales que se recomienda se basa esencialmente en la normativa BS 7533, la cual se fundamenta en extensos estudios realizados en el Reino Unido.
Esta normativa, ofrece soluciones típicas basadas en niveles de tráfico y es aplicable desde el diseño de aceras hasta el diseño de patios de carga con predominancia de vehículos pesados. Ofrece además la posibilidad de emplear materiales distintos para niveles de tránsito bajo, otorgando una mayor flexibilidad para el diseño paisajístico y arquitectónico de espacios públicos.
Se entrega asimismo una síntesis de especificaciones para materiales empleados en el diseño, consistente con el actual estado del arte, opciones tecnológicas y en coherencia con la normativa de diseño seleccionada. Estas especificaciones pueden utilizarse en el diseño en tanto no se propongan en el país normas especiales para cada material.
El diseño contempla esencialmente dos grandes grupos de tráfico. Uno orientado al tráfico pesado, pero que no incluye la operación de maquinaria especial, sino que más bien una alta demanda de Ejes Equivalentes diarios. El segundo grupo considera niveles de tráfico medio, liviano y peatonal, propio de calles secundarias, espacios públicos y áreas comerciales de tamaño medio y pequeño en donde la predominancia de carga pesada corresponde a vehículos de servicio tales como recolectores de basura, carros bomba, ambulancias, etc.
Los métodos de diseño contemplan el dimensionamiento partiendo por la capa inferior hacia la capa superior, incorporando en la mayoría de ellos el uso de bases tratadas y adoquines de hormigón o de piedra, con sus correspondientes restricciones de uso.
Especificaciones de materiales para el diseño de adoquines de hormigón
Los adoquines en general deben cumplir especificaciones de fabricación y de desempeño.
En la Tabla 5.1 se muestra un resumen de especificaciones que pueden utilizarse en tanto no exista en Chile normativa al respecto.
Cama de arena: la arena debe tener un tamaño máximo de 1,0 mm y un contenido de finos hasta del 10 %. Mayores contenidos de finos favorecen las deformaciones, por lo cual es de especial cuidado el limitarlo. La banda granulométrica recomendada es la indicada en Tabla 5.2 de acuerdo a las especificaciones del MINVU (2008), propuestas originalmente por Shackel (1980).
Base granular: las bases granulares deberán cumplir con los requisitos establecidos en el Manual de Carreteras de Chile, de tratarse de vías administradas por la Dirección de Vialidad o por la Coordinación General de Concesiones; o con los requisitos del Código de Normas y especificaciones técnicas de obras de Pavimentación, de tratarse de vías urbanas definidas legalmente como tales.
En cualquier caso, las especificaciones mínimas a utilizar en el diseño son:
Materiales: MCV5, sección 5.302.2 Materiales.
Graduación: MCV5, sección 5.302.201 Bases
Granulares de Graduación Cerrada. Y de acuerdo a MCV8, sección 8.101 Especificaciones para Suelos.
Capacidad de soporte: CBR ≥ 80%
Para soluciones urbanas se deben seguir los requisitos de la sección 3.3 bases granulares para pavimentos asfálticos, del Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación (MINVU, 2008).
Base granular tratada con cemento: las bases granulares tratadas con cemento corresponden a aquellas definidas en la especificación para BGTC de la sección 5.304 del Volumen 5 del Manual de Carreteras de Chile.
Las especificaciones para este material quedarán definidas según:
Materiales: Sección 5.304.2
Resistencia característica: si bien el Manual de Carreteras establece una resistencia característica mínima, a efectos de este manual y dependiendo de los diseños, es posible seleccionar otras resistencias y calcular en consecuencia espesores equivalentes al material de referencia (BTGC3), según la Tabla 5.3. Sub-base: las subbases granulares deberán cumplir con los requisitos establecidos en el Manual deCarreteras de tratarse de vías administradas por la Dirección de Vialidad o por la Coordinación General de Concesiones o con los requisitos del Código de Normas y especificaciones técnicas de Pavimentación, de tratarse de vías urbanas definidas legalmente como tales.
En cualquier caso, las especificaciones mínimas a utilizar en el diseño son:
Graduación: de acuerdo a MCV5, sección 5.201.301, Áridos de Subbases para Pavimentos Flexibles: y de acuerdo a MCV8, sección 8.101 Especificaciones
para Suelos.
Capacidad de soporte (CBR ≥ 40 %): para soluciones urbanas se deben seguir los requisitos de la sección 3.2 subbases granulares para pavimentos asfálticos, del Código de Normas y Especificaciones Técnicas de Obras de Pavimentación (MINVU, 2008).
Mejoramiento de subrasante: en los casos en que la subrasante exhiba CBR inferiores al 2%, es posible incorporar dentro del diseño un mejoramiento que eleve el CBR hasta valores superiores al 10%.
Solicitaciones de diseño
Las solicitaciones de diseño se calculan en base a lo descrito en el Capítulo 4 para vías urbanas o interurbanas. Se pueden expresar en Ejes Equivalentes Acumulados (EEA) en la vida de diseño, Ejes Equivalentes por día (EE/día) y en vehículos por día (Veh/día). Estas solicitaciones posteriormente se clasifican según categorías de tráfico.
Categorías de tráfico
El uso de categorías de tráfico permite reducir la incertidumbre natural existente en el cálculo de solicitaciones de tráfico, otorgando un rango decategorías de tráfico en las cuales los rangos de solicitaciones son amplios. El método de diseño utiliza la clasificación de categorías de tráfico propuesta en las normativas BS-7533:2-2001 y BS-7533:10-2010, de aplicación general para el diseño de pavimentos vehiculares y peatonales.
La Tabla 5.4 muestra la clasificación de tráfico en 4 categorías. Habitualmente, cuando se proyectan vías peatonales, no se estiman solicitaciones, sino que se asigna directamente la categoría de tráfico más baja, asumiendo que el nivel de carga sobre el pavimento no es significativo. En los otros casos, además de conocer los EEA en la vida de diseño, es necesario también estimar los valores de EE/día, para precisar los valores de EEA de la Tabla 5.4.
Método de diseño para tráfico pesado
El tráfico pesado corresponde a las categorías de tráfico I. En este caso, se utiliza la norma de referencia BS 7533-1:2001, la cual establece diseños con las siguientes opciones:
• Adoquines de concreto con base, subbase y suelo mejorado.
• Adoquines de concreto con base y subbase
Los espesores de diseño para cada capa quedan establecidos según el siguiente procedimiento, basado en las Tablas 5.5, 5.6 y 5.7. En estas Tablas, el diseño considera un aparejo espina de pescado.
1. Determinación de espesores de subbase cuando se emplea suelo mejorado. En este paso se determina el nivel de solicitaciones en EE/día. A partir del valor obtenido y del CBR de la subrasante, de la Tabla 5.5 se obtiene el espesor de la subbase en mm y del mejoramiento de suelo si es que es necesario. Por ejemplo, si las solicitaciones varían entre 200 y 500 EE/día y el CBR de la subrasante es del 3%, entonces se requiere un espesor de subbase de 150 mm y un mejoramiento de suelo de 170 mm.
2. Determinación de espesores de subbase cuando no se emplea suelo mejorado. Cuando no se desea realizar un mejoramiento de suelo, sino que usar sólo una subbase granular, se utiliza la Tabla 5.6.
Para el mismo ejemplo de 1. a partir de la Tabla 5.6, se requiere de un espesor de subbase granular de 270 mm.
Se puede observar que en este caso el espesor de la subbase es mayor. Por tanto, el proyectista deberá evaluar las distintas opciones de diseño comparando el costo de cada solución.
3. Determinación del espesor de base, cama de arena y adoquín de hormigón. Una vez determinado el espesor de la subbase y eventualmente del mejoramiento de suelo, se procede a estimar los espesores de la base, de la cama de arena y del adoquín de hormigón.
En este caso, el dimensionamiento depende de los
EEA en la vida de diseño, los cuales son la principal variable de diseño, como lo muestra la Tabla 5.7. En dicha Tabla los espesores de capa están diferenciados según el material empleado. Así por ejemplo, para una solicitación de 2 x 106 EEA en la vida de diseño si se utiliza una base granular se requiere de un espesor entre 390 y 480 mm, un espesor de cama de arena de 30 mm y un espesor mínimo de adoquín de hormigón de 60 mm. Asimismo, para el mismo nivel de solicitaciones, si se usa una base tratada con cemento o asfalto, el espesor de diseño se reduce a un valor entre 130 y 160 mm.
4. A modo de ejemplo, para un tráfico de 1.000 EE/ día, un CBR = 4% y una proyección a 15 años de 1,3 millones de EEA, se tiene que:
Método de diseño para tráfico medio, liviano y peatonal
El dimensionamiento se realiza aplicando la Tabla 5.8 para el diseño con adoquines de hormigón.
Dependiendo de las condiciones de construcción, ingeniería y paisaje del contexto del emplazamiento, el proyectista puede optar por uno u otro material para la superficie de rodadura. El método se aplica de la siguiente manera: (véase Tabla 5.7)
Determinación de espesores de base y subbase Tabla 5.8. Por ejemplo, según Tabla 5.8 para una categoría de tráfico IIB y un CBR del 4%, se requiere de una sub-base granular de 250 mm y una base granular de 150 mm. Un espesor de cama de arena de 40 mm y un adoquín de 80 mm. Si la categoría de tráfico es IV, para el mismo CBR de 4% se requiere un espesor de subbase granular de 180 mm, una base granular de 100 mm, una cama de arena de 40 mm y adoquines de 60 mm de espesor.
En todos los casos, las tablas de diseño provienen de un diseño en el cual el ahuellamiento, y por consiguiente el nivel de servicio, es la variable que determina las diversas alternativas de estructuración por nivel de tráfico y calidad de la subrasante.
Diseño de pavimentos portuarios
Consideraciones generales para el diseño
El diseño de pavimentos portuarios que aquí se describe, está basado en el método del Reino Unido, originalmente desarrollado por Knapton (2007).
El método aquí propuesto, considera diseños específicos para 4 tipos de zonas portuarias: zonas de acopio de contenedores, zonas de carga y embarque, calles interiores para vehículos pesados y estacionamientos de vehículos pesados. Otras áreas tales como estacionamientos o calles de acceso a oficinas pueden diseñarse siguiendo el método de diseño de pavimentos vehiculares, por lo cual no se incluyen en esta sección.
El método de diseño se basa en simulaciones desarrolladas por Knapton considerando el control de tensiones y deformaciones, a partir de las cuales se deducen las recomendaciones de diseño.
El método es válido para un rango de pasadas equivalentes desde 0,25 millones de ejes estándar hasta 25 millones, para los cuales se alcanzan tensiones de trabajo entre 0,5 y 1,3 N/mm2 para tales rangos de carga. Asimismo, las deflexiones de trabajo para estos rangos de tensiones varían entre 0,1 y 0,5 mm para los niveles de carga y tensiones antes mencionadas. De este modo, el procedimiento de diseño establece un dimensionamiento acotado a los rangos de solicitaciones y estados tensionales antes descritos, para asegurar una funcionalidad adecuada.
Especificaciones de materiales para el diseño
Las especificaciones de los materiales son similares a aquellas establecidas para pavimentos vehiculares.
En las siguientes secciones se establecen especificaciones de referencia.
Adoquines de hormigón: los adoquines en general deben cumplir especificaciones de fabricación y de desempeño. En la Tabla 5.9 se muestra un resumen de las especificaciones que pueden utilizarse en tanto no exista en Chile normativa al respecto.
Cama de arena: se refiera a la sección de diseño de pavimentos vehiculares y peatonales. En cualquier caso, el espesor compactado debe ser de 30 a 40 mm.
Base granular: la base granular debe cumplir con requisitos similares a los establecidos para pavimentos de alto tráfico.
Base granular tratada con cemento: en los pavimentos portuarios se requiere una base granular tratada con cemento, que hace las veces de subbase.
El método de diseño propuesto utiliza este tipo de material.
Su eventual sustitución por una base granular se realiza en base a los factores de equivalencia de materiales establecidos en la Tabla 5.3, lo que lleva a obtener espesores mayores. Puesto que el método utiliza como material de referencia para el diseño el tipo BGTC3, es posible estimar espesores equivalentes para bases de resistencia distinta aplicando los factores de espesor equivalente de la Tabla 5.1.
Mejoramiento de subrasante: en los casos en que la subrasante exhibe CBR inferiores al 4%, es posible incorporar dentro del diseño un mejoramiento que eleve el CBR de diseño hasta valores superiores al 10%.
Solicitaciones de diseño
Las solicitaciones de diseño dependen del uso del pavimento, el cual está relacionado con el uso de espacios de las zonas portuarias. El cálculo de solicitaciones se realiza en base a estudios de operación portuaria y un análisis de las maquinarias, equipos, vehículos de carga y contenedores típicos que operan en cada puerto, de acuerdo a lo descrito en el Capítulo 4, sección “Solicitaciones en superficies terrestres portuarias”.
Otras áreas tales como estacionamientos, o accesos para vehículos livianos o espacios peatonales, se proyectan de acuerdo a lo descrito en la sección “Diseño de pavimentos vehiculares y peatonales”.
Diseño de patios de contenedores
Las zonas de acopio de contenedores están solicitadas por los contenedores mismos, organizados en filas, bloques y montados unos sobre otros; y por los equipos que permiten acomodarlos de acuerdo a algún patrón determinado.
Estos equipos (cargadores frontales), aplican cargas estáticas sobre el pavimento al momento de elevar los contendores y a la vez cargas dinámicas por maniobras tales como frenados, giros y aceleraciones; por lo tanto, el diseño está condicionado por la carga que aparece como carga crítica, deducida a partir de la combinación de cargas estáticas y dinámicas.
En términos generales, los pasos a seguir son los siguientes:
1. De acuerdo a la configuración elegida para ordenar los contenedores (véase Tabla 4.4), definir la carga estática debido a los contenedores mediante la Tabla 4.5.
2. Con la carga obtenida en 1. expresada en carga estática (CE, en kN), estimar el espesor de diseño de la base BGTC1 a partir de la Ecuación 5.1, en la cual “E” corresponde al espesor de diseño de la base, en mm.
3. En caso que se desee utilizar una base granular diferente a la base BGTC1, el espesor equivalente se calcula multiplicando el espesor “E” obtenido en la Ecuación 5.1, por el factor de espesor equivalente de la Tabla 5.9 para el caso de BGTC de otras calidades.
Para bases granulares se utiliza un factor de espesor equivalente igual a 3.
4. Una vez realizado este diseño, se procede a diseñar el espesor requerido para la operación de los cargadores frontales. Las solicitaciones asociadas a este tipo de maquinarias se determinan de acuerdo al capítulo 4. Los datos de entrada para el diseño del espesor de la base son la carga dinámica y el número de pasadas en el horizonte de evaluación.
La carga dinámica se expresa en términos de la carga de rueda simple equivalente (Single Equivalent Wheel Load, SEWL). Cada maquinaria posee un factor de equivalencia de carga respecto de la maquinaria de referencia, que se obtiene a través de la Tabla 4.6.
Si la maquinaria específica no se encuentra en dicha Tabla, se puede calcular el factor de equivalencia a partir del daño relativo usando la Ecuación 4.15 o la Tabla 4.8. Con esto se logra que la diversidad de maquinarias se expresen en términos relativos a una carga equivalente, que es la que se usa en el paso siguiente.
5. Cuando los pares de ruedas se encuentran muy próximos entre sí, es necesario considerar el efecto de superposición de estados tensionales, para lo cual se aplica el concepto de factor de proximidad.
Para estimar este factor, primero es necesario estimar la profundidad efectiva (heff en mm) de la base mediante la Ecuación 5.2, la cual requiere el valor del CBR de la subrasante en %. Posteriormente el factor de proximidad se obtiene directamente de la Tabla 5.10. Este factor de proximidad, magnifica la carga del eje crítico. Por ejemplo, si la carga crítica es 10.000 kN, un factor de proximidad de 1,47 aumentará la carga crítica hasta 14.700 kN.
6. El siguiente paso es determinar el efecto de la carga dinámica, para lo cual se deben identificar las maniobras típicas que ejecuta la maquinaria, de acuerdo a la Tabla 4.7, con lo cual se obtienen los factores de carga dinámica, que magnifican la carga de rueda.
7. Conocida la carga de rueda equivalente (SEWL) y el número de pasadas (en miles), se estima el espesor de la BGTC3 mediante las Ecuaciones 5.3, en el caso que coincidan con el número de pasadas. También se puede interpolar linealmente a partir de las Tablas 5.11 y 5.12.
8. El espesor mayor obtenido entre el diseño del área de contenedores y el de cargas de maquinaria, será el espesor de diseño.
9. En el caso en que el CBR de la subrasante sea inferior a 5%, es necesario incluir una sub base de 150 mm y un CBR de 50%, además de un mejoramiento de suelo de acuerdo a la Tabla 5.13.
Ejemplo de diseño de patio de acopio de contenedores
En este ejemplo, se proyectará un patio de acopio de contenedores de 40 pies que puede movilizar 22 toneladas, agrupados en forma de bloque hasta 5 niveles. Para manipularlos, se utilizará un cargador frontal de 69.840 kg de peso del tipo Reach Stacker.
Este cargador cuenta con un eje delantero de doble rueda y uno trasero de rueda simple. Ambos están espaciados entre sí a 2.540 mm y la trocha del eje delantero es de 660 mm.
Cuando el cargador frontal moviliza un contenedor, la carga crítica en el eje delantero es de 73.659 kg y en el eje trasero es de 18.181 kg, totalizando 91.840 kg de carga al mover contenedores. Estas estimaciones se pueden obtener directamente a partir del Capítulo 4, sección “Estimación de Cargas de Maquinaria Portuaria”. El CBR de la subrasante es de 6% y se asume que la operación portuaria se realiza todo el año, con un promedio de pasadas diarias de 180 para una vida de diseño de 25 años.
1. Para la configuración con la cual se agrupan los contendedores (en bloque y 5 niveles), de acuerdo a la Tabla 4.5, la carga de diseño es CE = 914,4 kN. Tabla 5.13
Espesores de mejoramiento de suelo y sub base granular para CBR de la sub rasante inferior a 5%
2. Al reemplazar dicho valor en la Ecuación 5.1 y despejar el espesor, se llega a que el espesor requerido de BGTC3 es: 590 mm.
3. Si se decide utilizar una base granular (con CBR 80%), el espesor obtenido en el paso 2 se multiplica por 3, llegándose a un espesor total de 1.770 mm.
Puesto que el CBR de la subrasante es superior a 5%, no se requiere sub-base ni mejoramiento de suelo.
4. Se calcula ahora el espesor de pavimento requerido para la operación del cargador frontal. Se deben estimar las cargas estáticas y dinámicas. El eje crítico del cargador frontal es el eje delantero, el cual toma la mayor parte de carga. En tal sentido, la carga por rueda corresponde a: 73.659/4 = 18.415 kg.
5. Puesto que las ruedas del cargador frontal están próximas entre sí, es necesario considerar el efecto de superposición de tensiones. Usando la Ecuación 5.2 para un CBR de la subrasante de 6%, se tiene que la profundidad efectiva es de 2.510 mm. Ingresando en la Tabla 5.11 para un distanciamiento entre ruedas de 600 mm e interpolando, se tiene que el factor de proximidad es de 1,87.
Si se considera el efecto de proximidad de los ejes delantero y trasero (espaciados a 2.540 mm del eje delantero), para la misma profundidad efectiva se tiene un factor de proximidad de 1,18. Por lo tanto, la carga de diseño es: 18.415x(1+0,87+0,18) = 37.751 kg.
6. Para estimar el factor de carga dinámica del cargador frontal se consideran las maniobras de frenado, giro, aceleración y el efecto de la irregularidad del pavimento. Con estas condiciones, y según la
Tabla 4.6, los factores de carga dinámica son:
• Frenado: 0,3
• Giro: 0,4
• Aceleración: 0,0
• Irregularidad: 0,0
• (puesto que el pavimento es nuevo)
El efecto total de la carga dinámica es de 0,3 + 0,4 = 0,7 (o 70%). Por lo tanto, la carga de diseño será de 37.751 x (1 + 0,7) = 64.177 kg = 629 kN.
7. El número total de pasadas es: 180 (pasadas/ día) x 365 (días/ año) x 25 (años) = 1.642.500, expresadas en SEWL. Ingresando este valor a la Tabla 5.11 e interpolando, se tiene que el espesor de BGTC3 es de 640 mm.
8. Para el caso de la superficie de contenedores el espesor de BGTC3 resultó de 590 mm. Para el cargador frontal en cambio, el espesor de la base obtenido es de 640 mm, por lo cual la carga crítica es la aplicada por el cargador frontal, por lo tanto el
espesor de diseño es este último.
9. Puesto que el CBR de la subrasante es superior al 5%, no se requiere de subbase ni de mejoramiento de suelo. De este modo, la estructuración final del pavimento queda:
• Adoquines de 80 mm
• Cama de Arena de 30 mm
• Base Granular Tratada con cemento de 640 mm (8/10 MPa).
Diseño de pavimentos aeroportuarios
Consideraciones generales para el diseño
El diseño de pavimentos aeroportuarios está condicionado por el tamaño del aeródromo, aeropuerto o helipuerto, así como por las tolerancias máximas de peso y especificaciones de solicitaciones por tipo de aeronaves, descritos en capítulo 4 de este manual. El método de diseño propuesto se basa esencialmente en el método mecanicista utilizado por la la Administración Federal de Aviación de Estados Unidos (Federal Aviation Administration, FAA), el cual permite para un catálogo de aeronaves determinado, especificar los espesores de base y subbase granular.
Las características de los diseños de pavimentos varían según el tamaño del aeródromo. En el caso de la red principal y secundaria, se pueden utilizar adoquines de hormigón para el diseño de estacionamiento de aeronaves, calles de rodaje y rampas, caso en el cual las cargas de diseño son superiores a los 13.600 kg. Puesto que en ese caso las cargas son lentas, el diseño se aboca al control de tensiones y deformaciones por carga estática.
En las redes de pequeños aeródromos, se pueden emplear adoquines de hormigón tanto en las calles de rodaje, rampas, estacionamientos y pista de aterrizaje.
En este caso las cargas de diseño son inferiores a los 13.600 kg.
El enfoque de diseño en estos casos tiene que ver tanto con el control de tensiones y deformaciones por carga estática (en calles de rodaje, rampas y estacionamientos) y con el control de fatiga en la pista de aterrizaje.
Especificaciones de materiales para el diseño
Para el diseño de pavimentos aeroportuarios, las especificaciones de los materiales son similares a aquellas establecidas para pavimentos vehiculares, pero incluyendo aspectos propios de la operación aeroportuaria.
Adoquines de hormigón: los adoquines en general deben cumplir especificaciones de fabricación y de desempeño. En la Tabla 5.15 se muestra un resumen de especificaciones que pueden utilizarse en tanto no exista en Chile normativas al respecto.
Cama de arena: referirse a sección de diseño de pavimentos vehiculares y peatonales. En cualquier caso, el espesor compactado debe oscilar entre 30 y 50 mm.
Base granular: en este caso se aplican especificaciones similares a las bases usadas en zonas portuarias, considerando un CBR que varía entre 80 y 100%. El espesor mínimo a considerar en este caso es de 250 mm. Otros requisitos para la base granular son los mismos utilizados para pavimentos viales de alto tráfico.
Base granular tratada con cemento: la base granular tratada con cemento debe cumplir con requisitos similares a los establecidos para pavimentos portuarios. Se recomienda considerar un espesor mínimo de 100 mm.
Subbase: en este caso se aplican especificaciones similares a las bases usadas en zonas portuarias, considerando un CBR que varía entre 20 y 40%. La subbase se utiliza en los casos en que no se cuente con base tratada con cemento, caso en el cual el espesor mínimo recomendado es de 150 mm.
Mejoramiento de subrasante: en los casos en que la subrasante exhibe CBR bajos, es posible incorporar dentro del diseño un mejoramiento que eleve el CBR de diseño hasta valores superiores al 10%.
Provisoriamente es posible utilizar los requerimientos reseñados en Tabla 5.14.
Solicitaciones de diseño
Las solicitaciones de diseño se determinan dependiendo del tipo de aeródromo y de acuerdo al Capítulo 4 de este manual, sección “Solicitaciones en aeródromos y aeropuertos”. Para el caso de aeródromos y aeropuertos en que operan aeronaves de más de 13.600 kg, se utiliza el procedimiento de cálculo de solicitaciones recomendado por la FAA en la circular AC No 150/5320-6E, sección 304.
En el caso de aeródromos para aeronaves de menos de 13.600 kg la definición de las solicitaciones de diseño tiene que ver con la selección de la aeronave de diseño, que resulta del análisis del tipo de aeronave que opera u operará en el aeródromo y de sus características: Peso Máximo de Despegue (MTOW), presión de inflado de diseño y tipo de eje, de acuerdo a Tabla 4.9.
Método de diseño para pequeños aeródromos
El método es aplicable al diseño de pavimentos de la infraestructura horizontal de pequeños aeródromos que admitan solicitaciones inferiores a 13.600 kg.
El método considera el efecto de reducción de tensiones desde la superficie del pavimento de adoquín hasta la superficie de la base, en función de la magnitud de la carga, de la presión de inflado de los neumáticos de las aeronaves y del espesor del adoquín.
De este modo, permite dimensionar el espesor de adoquín de base y de subbase asumiendo que el principal modo de falla es por carga estática.
Los pasos a seguir son los siguientes: 1. Determinación de solicitaciones: para el avión de diseño, se estima el valor de la tensión que descarga directamente la rueda sobre los adoquines. Es necesario estimar adecuadamente la tensión de diseño cuando las configuraciones de ejes traseros es superior a EDRD.
2. Estructuración inicial: se definen los espesores iniciales para todas las capas del pavimento. Teniendo en cuenta las especificaciones de los materiales, la estructuración inicial puede tener las siguientes
combinaciones de espesores y resistencias:
• Adoquines: e = 60, 80 o 100 mm
• Cama de arena: 30, 40 o 50 mm
• Base granular (CBR > 80 %) > 250 mm
• Sub base granular (CBR > 20 %) > 200 mm
3. Determinación del factor de reducción de tensiones: dependiendo del espesor del adoquín, a partir de la Tabla 5.15 se determina el factor de reducción de tensiones, el cual permite estimar la tensión transmitida a la cara superior de la base.
4. Cálculo de la tensión en la superficie de la base:
La tensión en la superficie de la base se determina aplicando la Ecuación 5.4, en la cual FRT es el factor de reducción de tensiones definido según la Tabla 5.15. σ0 es la tensión en la superficie del adoquín descargada por la aeronave y σ1 es la tensión en la superficie de la base.
Este último valor es el que se utiliza para el análisis mecanicista. La tensión σ0 se puede asimilar a la presión de rueda de la aeronave de diseño.
5. Cálculo de módulos de elasticidad de las capas: este cálculo es necesario para determinar el estado de tensiones mediante un modelo mecanicista mono capa. Los módulos se pueden estimar mediante ensayes de laboratorio o bien mediante aproximaciones empíricas.
En este último caso, se recomienda estimarlos de la siguiente manera:
• Para el suelo de fundación el módulo de elasticidad se calcula mediante la Ecuación 5.5, en donde el CBR se ingresa en % y el módulo de Elasticidad Esf se expresa en MPa. En suelos con CBR inferiores al 10 % se sugiere utilizar el coeficiente cercano a 5 y en otros casos el coeficiente cercano a 10.
• Para la subbase el módulo de elasticidad se calcula mediante la Ecuación 5.6, en donde hsb es el espesor de la subbase en mm y el módulo de elasticidad de la subbase Esb se expresa en MPa.
• Para la base el módulo de elasticidad se obtiene mediante la Ecuación 5.7, en donde hb es el espesor de la base en mm y el módulo de elasticidad de la base Eb se expresa en MPa.
6. Cálculo del espesor equivalente (he): este valor se requiere para calcular el valor de espesor a utilizar en el modelo de cálculo del estado tensional. Se calcula mediante la Ecuación 5.8, considerando los módulos de elasticidad de las Ecuaciones 5.5, 5.6 y 5.7. El espesor de la base (hb) se expresa en mm.
7. Cálculo de módulo de elasticidad equivalente: este valor se obtiene aplicando la Ecuación 5.9.
8. Cálculo de estado de tensiones, deformaciones y deflexiones: para el cálculo de tensiones, deformaciones y deflexiones, se utiliza el modelo mono-capa de Boussinesq para carga distribuida.
La tensión vertical (σz) se calcula de acuerdo a la Ecuación 5.10.
El valor de Re corresponde al radio equivalente de la carga aplicada a la base, y se determina mediante la Ecuación 5.11, en donde had corresponde al espesor del adoquín y hca corresponde al espesor de la cama de arena, ambos en mm..
El valor R0 corresponde al valor del radio equivalente de la impronta de la rueda de la aeronave, la cual puede asimilarse a una impronta circular en el caso de rueda simple, y a una impronta semi-elíptica para ruedas dobles según:
Siendo P el valor de la carga descargada por la rueda en kg, q la presión de inflado, que depende de la aeronave y varía entre 3,9 y 7,4 kg/cm2 para aeronaves de menos de 13.600 kg y entre 7,1 y 8,4 kg/cm2para aeronaves entre 13.600 kg y 50.000 kg;
S corresponde al espaciamiento entre ruedas, en cm.
El esfuerzo de corte a nivel de subrasante (z = he) se estima a partir de la Ecuación 5.12 y se expresa en kg/cm2. ν es el módulo de Poisson.
Las deformaciones verticales (dhe) a nivel de subrasante (z= he) se estiman a partir de la Ecuación 5.13.
Las deflexiones verticales (d0) a nivel de base (z= 0) se estiman a partir de la Ecuación 5.14.
9. Verificación de tensiones, deformaciones y deflexiones admisibles: una vez determinado el estado tensional, en el paso anterior, se comparan los resultados con las tensiones, deformaciones y deflexiones admisibles. En todos los casos, el factor de seguridad debe ser especificado por el proyectista, dependiendo de la incertidumbre en la estimación de la aeronave de diseño, de factores constructivos y de calidad de los materiales. De no cumplirse el criterio de admisibilidad, se debe volver al paso para redefinir la estructuración y/o resistencia de los materiales.
Eventualmente, cuando los CBR son bajos, puede ser necesario un mejoramiento de suelo y/o el uso de bases granulares tratadas con cemento.
Ejemplo de diseño para pequeños aeródromos
Se asume una aeronave de diseño de 26.100 lb (11.839 kg) con configuración de ejes simples, rueda simple (ESRS) y una presión de inflado de diseño de 8.4 kg/cm2. El CBR de la subrasante se estima en 5%.
1. Aeronave de diseño:
• Ptotal = 11.839 kg.
• P = 0,9*(11.839)/2 = 5.328 kg.
2. Estructuración inicial del pavimento:
• Espesor de adoquín had = 60 mm
• Espesor de cama de arena hca = 30 mm
• Espesor de base hb= 250 mm
• Espesor de sub base hsb = 200 mm
3. De la Tabla 5.18 el factor de reducción de tensiones para un adoquín de 60 mm de espesor es de 0,25:
4. Por tanto, la tensión de diseño es:
• σ1 = (1-0,25)*8,4 = 6,3 kg/cm2
5. Los módulos de elasticidad calculados con las Ecuaciones 5.5, 5.6 y 5.7 son:
• Subrasante : Esf = 255 kg/cm2
• Base: Eb = 553 kg/cm2
• Subbase : Esb = 1.328 kg/cm2
6. El espesor equivalente calculado con la expresión 5.8 es:
• He = 692 mm
7. El módulo de elasticidad equivalente es:
• Ee = 928 kg/cm2
8. Para el cálculo de tensiones es necesario primero calcular los radios de carga equivalente:
• Para rueda simple R0 = 142 mm
• Radio equivalente en la base: Re = 232 mm
• Con esto, la tensión vertical en la subrasante es (Ec 5.10): σ = 0,9 kg/cm2.
• El esfuerzo de corte es: (Ec 5.12): 0,5 kg/cm2
• La deformación en la sub rasante bajo la rueda es (Ec 5.13): 0,2 mm.
• La deflexión en la base es (Ec. 5.14): 3 mm
9. Verificación de tensiones, deformaciones y deflexiones admisibles:
• Para el caso de la tensión vertical en la subrasante se asume un valor admisible de 3 kg/cm2 para suelos granulares, por lo cual en este caso este criterio cumple.
• Para el caso del corte, se asume un valor conservador de 4,0 kg/cm2. Se observa que en este caso el esfuerzo de corte es similar, por tanto por este criterio el pavimento no falla.
• Para el caso de la deformación de la subrasante el criterio de admisibilidad es alrededor de 5 mm, y en el caso de las deflexiones, es aproximadamente 1/3 del espesor de la cama de arena. En ambos casos se aprecia que el diseño se verifica.
