Lean Pavement Design – AASHTO 93 Verificado por Elementos Finitos para la Optimización de Pavimentos Urbanos de Concreto

November 25, 2015

Introducción

 

En el Perú y en la mayoría de países de América Latina, la metodología de diseño de pavimentos flexibles y rígidos, comúnmente aceptada, es la especificada en la Guía AASHTO 93. En consecuencia, en los últimos veinte años, los pavimentos más importantes del Perú han sido diseñados bajo esta metodología, utilizando para ello las ecuaciones empíricas que la caracterizan, sin ningún tipo de calibración o ajuste a nuestra realidad.

 

El Manual de Carreteras, Suelos, Geología, Geotecnia y Pavimentos del Ministerio de Transportes y Comunicaciones (MTC, 2013), trabaja en base a la Guía AASHTO 93, el Manual de Diseño, Construcción y Mantenimiento de Pavimentos Urbanos de Concreto, coincide plenamente con el alcance de lo expuesto por el MTC, lo ajusta a las condiciones de pavimentos urbanos y sugiere se complemente, optimizando su geometría con la teoría de elementos finitos. En este sentido, el concepto de Lean Pavement, para el diseño de pavimentos, tiene un alto impacto en la optimización de diseños peruanos de libre empleo, y en la posibilidad de reusar materiales granulares bajando costos e impactando favorablemente con el cuidado del medio ambiente.

 

El éxito de la Guía AASHTO 93, en mi opinión, se define por dos razones fundamentales: su simplicidad de uso y sus buenos resultados. Simplicidad, porque limita el diseño al cálculo de espesores de un paquete estructural, con un número reducido de parámetros. En el caso de los pavimentos flexibles, se calcula el número estructural (SN) con el que se pueden estimar los espesores de las capas granulares y la carpeta asfáltica. En el caso de los pavimentos rígidos, se calcula el espesor de la capa de concreto directamente. Buenos resultados, porque las experiencias de pavimentos bien diseñados y construidos bajo esta metodología han alcanzado la serviciabilidad esperada o la han superado. Estas razones hicieron que el suplemento AASHTO 98 para el diseño de pavimentos de concreto, no prosperara, desestimándose para la mayoría de países.

 

 

1.- PAVIMENTOS DE CONCRETO

 

Existen cuatro tipos de pavimentos de concreto utilizados en vías urbanas, los cuales se diferencian principalmente por la forma en que se distribuyen las juntas sobre la carpeta de rodadura. Los descritos líneas abajo son de empleo libre y no requieren el pago de ningún tipo de patente por su empleo.

 

  • Pavimento de concreto simple con juntas (JPCP)

Se le conoce como JPCP (Jointed Plain Concrete Pavement, por sus siglas en inglés). En este tipo de pavimentos se requieren realizar juntas de contracción transversal que, en teoría, están espaciadas entre 3.5 y 5.0 metros. La transferencia de carga entre paños adyacentes se puede dar mediante trabazón de agregados o mediante el empleo de pasadores. Las juntas inducen el agrietamiento, propio del comportamiento del concreto, por las tensiones originadas debido a los cambios de temperatura y humedad que experimenta la carpeta de rodadura.

Aunque la teoría indica que se pueden alcanzar espaciamientos de hasta 5.0 metros, por la experiencia recogida en numerosos proyectos viales, se recomienda no superar los 4.5 metros de espaciamiento entre paños.

 

Figura 1: Esquema de pavimento de concreto simple con juntas

 

           Fuente: elaboración propia

 

  • Pavimento de concreto armado con barras transversales (JRCP)

Se le conoce como JRCP (Jointed Reinforced Concrete Pavement, por sus siglas en inglés). La carpeta de rodadura es de concreto reforzado con mallas de acero, permitiendo ampliar los espaciamientos entre las juntas transversales de contracción, llegando a distancias entre 7.5 y 9.0 metros. Aunque tiene refuerzo moderado de acero, se espera que se produzcan fisuras controladas dentro de los paños. La transferencia de carga entre paños adyacentes se realiza mediante el empleo de pasadores. Las nuevas metodologías de diseño ya no lo consideran.

 

Figura 2: Esquema de pavimento de concreto reforzado con juntas

 

                Fuente: elaboración propia

 

  • Pavimentos de concreto continuamente reforzados (CRCP)

Se les conoce como CRCP (Continuously Reinforced Concrete Pavement, por sus siglas en inglés). Las tensiones son controladas por una armadura de acero de bastante cuantía. Se espera la aparición de fisuras controladas a lo largo de todo el pavimento, con distancias que fluctúan entre 0.6 y 2.0 metros.

 

Es un pavimento bastante usado en Europa, sostenible económicamente para periodos de servicios superiores a los treinta años.

 

Figura 3: Esquema de pavimento de concreto continuamente reforzado

 

                  Fuente: elaboración propia

 

 

  • Lean Pavement

 

Es un tipo de pavimento que nace empíricamente en zonas de altura y climas áridos, donde los gradientes de temperatura y humedad son bastante altos y tienden a exigir a las losas, aumentando el alabeo de las mismas. Tiene la particularidad de trabajar con losas de menores dimensiones a las convencionales, para reducir sobre esfuerzos en los pavimentos de concreto. En esta metodología de diseño, el espesor de la losa de concreto se puede trabajar por métodos tradicionales como: AASHTO 93 ó PCA 84. Las dimensiones reducidas, sólo a nivel de geometría superficial y no espesor, se verifican mediante programas de elementos finitos como el EverFe o el ISLAB 2000. Sus objetivos principales son:

 

  • Maximizar la durabilidad de los pavimentos, y controlar el fenómeno de fisuración del concreto debido a condiciones climáticas extremas; método propuesto inicialmente por el Instituto Boliviano del Cemento y Hormigón (IBCH), y mejorada y adaptada a condiciones peruanas por el Ing. Mario Rafael Becerra Salas, Método conocido como Lean Pavement.

  • Promover el empleo de subbases existentes o utilizar estabilizadas.

  • La utilización de macro fibras estructurales de polipropileno tiende a mejorar las condiciones de trabazón de agregados entre losas adyacentes, permitiendo incluso trabajar sin pasadores para tránsitos ligeros y moderados.

Figura 4: Esquema de pavimentos de losas cortas

 

            Fuente: elaboración propia      

 

En los tres primeros tipos de pavimentos de concreto (los convencionales) se puede apreciar la tendencia por incrementar el espaciamiento entre juntas transversales, siendo el CRCP el más extremo llegando a eliminarlas. Esto debido a que las juntas son, a criterio de muchos especialistas, el punto más vulnerable de los pavimentos de concreto. Por las juntas ingresan materiales incompresibles que restringen el movimiento de los paños de concreto, por las juntas ingresa agua que erosiona las capas inferiores de soporte. Además, históricamente las juntas eran las responsables del bajo confort percibido por los usuarios de los pavimentos de concreto. Naturalmente, teniendo juntas con espesores mayores de 1 pulgada, y que eran selladas con asfalto en frío, se formaban barreras naturales y obstáculos para los vehículos que hacían incómodo transitar por el pavimento. Afortunadamente, con las nuevas tecnologías de corte de juntas, ahora se conciben con espesores de 6 milímetros o menos, eliminando este tipo de problemas.

 

En las nuevas metodologías de diseño, como el Empírico - Mecanicista del 2008 (MEPDG 2008, por sus siglas en inglés), ya no se trabaja con los pavimentos de concreto reforzado con juntas (JRCP), debido a que su comportamiento no ha sido el esperado. Los pavimentos de concreto continuamente reforzados (CRCP), son especificados para periodos de diseño mayores a 30 años, por lo que es común apreciarlos en otras realidades como las de Estados Unidos y Europa. En América Latina, los pavimentos con los que se tiene experiencia y buenos resultados, son los de concreto simple con juntas (JPCP), por lo que serán éstos con los que se trabajará en el presente libro.

 

Con respecto al pavimento de concreto de losas de dimensiones reducidas, se diseña con una metodología en la que se tiene experiencia sobre todo en países como Bolivia y Guatemala, con resultados favorables en la mayoría de proyectos. En el Perú, ya se tienen algunas experiencias de diseño y construcción para vías urbanas.

 

Las fotografías siguientes muestran los diversos tipos de pavimentos de concreto:

 

Fotografía 1: Pavimento de concreto simple con juntas JPCP

 

            Fuente: proyecto de pavimentación avenida Lima (2006) – Villa María del Triunfo

            Por: Mario Becerra Salas

Fotografía 2: Pavimento de concreto reforzado con juntas JRCP

 

Fuente: proyecto de pavimentación JRCP (2006)

            Por: American Concrete Pavement Association (ACPA)

 

 

Fotografía 3: Pavimento de concreto continuamente reforzado CRCP

 

            Fuente: proyecto de pavimentación en Bruselas (2007) – Bélgica

            Por: Mario Becerra Salas

 

 

 

2.- METODOLOGÍA DE DISEÑO LEAN PAVEMENT

 

Debido a su versatilidad, y a la experiencia existente en nuestro medio, el pavimento de concreto JPCP es el que mejor se ajusta a la realidad nacional. Otra metodología aplicable es la de las losas de dimensiones reducidas, ya sea para reducir los esfuerzos en la losa de concreto y prolongar la vida del pavimento (Lean Pavement).

 

El empleo de fibras macro fibras de polipropileno, incluidas en la mezcla de concreto, presenta ventajas debido a que prolonga la vida del pavimento. Con su inclusión, se forma un mecanismo que maximiza la trabazón de agregados y cierra las fisuras que pueden aparecer debido a los esfuerzos de flexión originados por las cargas de tránsito. Su mayor empleo está en zonas donde se concentran esfuerzos, como en paraderos de buses, estaciones en general, parqueaderos industriales, pavimentos previos a peajes, curvas.

 

En la siguiente figura se presentan en detalle los principales elementos que conforman el pavimento de concreto simple con juntas JPCP.

 

Figura 5: Elementos del pavimento de concreto simple con juntas

 

            Fuente: American Concrete Pavement Association (ACPA)

 

Muchos de los factores que afectan el comportamiento de los pavimentos de concreto en el tiempo, están ligados a la geometría de las losas de concreto. En tal sentido, la Metodología Empírica Mecanicista de Diseño MEPDG 2008, que considera como input de verificación de diseño las dimensiones tradicionales de losas por primera vez (por ejemplo 3.5 X 4.5m), representa un gran avance en el desarrollo tecnológico de los pavimentos de concreto.

 

En la década del 2000, diversos estudios realizados por el Instituto Chileno del Cemento y Hormigón (ICH) y el Instituto Boliviano del Cemento y Hormigón (IBCH) documentaron el comportamiento inicial de pavimentos de concreto nuevos concebidos con losas de dimensiones menores, semejantes a las utilizadas normalmente en la metodología de rehabilitación de pavimentos asfálticos con concreto hidráulico: Whitetopping. Sin embargo, ambas instituciones focalizaron sus investigaciones de manera diferente.

 

El ICH orientó sus esfuerzos en concebir pavimentos de concreto con dimensiones de losas menores para hacer que cada losa individual soporte una sola carga, modificándose el comportamiento tradicional de las losas de concreto a flexión por compresión. Este cambio de filosofía permite teóricamente la reducción de espesores de concreto en el pavimento, manteniendo el mismo comportamiento que su pavimento convencional equivalente.

 

El IBCH orientó sus esfuerzos en solucionar los problemas de alabeos térmicos y de humedad presentados en losas convencionales de concreto construidos en el altiplano boliviano. Es decir, diseñaban los espesores de pavimentos mediante las metodologías tradicionales como AASHTO 93 o PCA 84, pero el diseño de juntas se verificaba mediante la teoría de elementos finitos. Los estudios indicaron que, reducir las dimensiones de las losas permitía obtener un mejor comportamiento del pavimento de concreto en el tiempo y, por lo tanto, una mayor vida útil.

 

El Método Lean Pavement, basa su metodología en el AASHTO 93, verificando esfuerzos por elementos finitos a partir del uso del software gratuito EverFe, tal como lo hizo el IBCH. Adicionalmente a ello, el método hace énfasis en el empleo de subbases granulares existentes o mejoradas con cemento, en caso de rehabilitaciones, así como en la adición de macro fibras de polipropileno para maximizar la trabazón de agregados, incorporar flexión residual en la mezcla de concreto y mantener cerradas las fisuras que pudieran presentarse en el cuerpo de la losa rígida. Este método considera necesario realizar el sellado de las juntas.

 

En conclusión, reducir el dimensionamiento de las losas de concreto trae consigo muchas ventajas y, dependiendo de la óptica con la que se quiera aplicar se puede:

 

  • Optimizar espesores de concreto, manteniendo el comportamiento esperado del pavimento convencional, disminuyendo el costo inicial de inversión.

  • Aumentar la vida útil del pavimento, manteniendo el espesor de la losa obtenida con métodos convencionales, controlando el alabeo significativamente, maximizando el costo de inversión en el tiempo.

 

Sin embargo, el simple hecho de reducir las medidas de las losas de concreto trae consigo potenciales problemas desde el punto de vista económico:

 

  • Incremento de cortes en las losas

  • Incremento potencial de pérdida de finos al tener más puntos débiles (escalonamiento y bombeo).

  • Incremento de elementos de transferencia de carga y amarre (pasadores y barras corrugadas).

 

Tanto el enfoque chileno como el boliviano, requieren la estimación de esfuerzos y deformaciones para una estructura de pavimento de concreto propuesta, necesarios para su evaluación contra una máxima admisible. De esta manera, el análisis se limita a modelar, dentro de algún programa de elementos finitos aplicado para pavimentos, los esfuerzos y deformaciones que el diseñador aceptará después del paso de cargas de tránsito y, pudiendo considerarse, la acción del clima mediante la inclusión de gradientes térmicos y de humedad.

 

En el mercado existen software gratuitos que desarrollan la teoría de elementos finitos como el EverFe, publicado en por el Transportation Research Board (TRB) en el artículo: No. 1629, Design and Rehabilitation of Pavements 1998.  Asimismo, existen softwares comerciales que desarrollan la teoría de elementos finitos especialmente para pavimentos, entre los que destaca el ISLAB 2000, utilizado por la metodología MEPDG 2008.

 

El EverFe es capaz de modelar tanto pavimentos convencionales como aquellos con losas optimizadas. Ver figura 6

 

Figura 6: Entorno EverFe

 

Fuente: elaboración propia

 

Desde hace unos años, investigaciones realizadas por el Instituto Chileno del Cemento y Hormigón (ICH), y estudios independientes por parte del Dr. Juan Pablo Covarrubias T, en la Universidad de Illinois, han logrado justificar la concepción de pavimentos de concreto con losas optimizadas, fortaleciendo la teoría mecanicista para este tipo de innovaciones.

 

El Instituto Boliviano del Cemento y Hormigón (IBCH) y el Método Lean Pavement, emplea la metodología de verificación para justificar técnicamente reducciones en las dimensiones de las losas, OPTIMIZANDO moderadamente el espesor del concreto, con el propósito de reducir los esfuerzos y alabeos en losas expuestas a climas áridos y de altura: Alto gradiente térmico y de humedad. Práctica que se sugiere incorporar para nuestros pavimentos ubicados en zona de sierra.

 

Metodología Lean Pavement

 

  • De libre uso.

  • Se plantea trabajar a partir de las ecuaciones AASHTO 93 para calcular el espesor inicial.

  • Debido a que diversos estudios indican el beneficio de la reducción de losas al disminuir el alabeo, se plantea trabajar con la menor confiabilidad ® recomendada por AASHTO 93, en este caso:

Tabla 1

 

Fuente: elaboración propia

 

  • El Índice de Serviciabilidad Inicial: 4.5

  • El Índice de Serviciabilidad Final recomendado es de 2.0

  • Confiabilidad empleada de acuerdo a Tabla 1

  • Una vez calculado el espesor, se realiza la modulación de las losas a partir del corte longitudinal central por carril de diseño. Si el ancho de carril es de 4 metros el corte se puede realizar a 2 metros, dividiendo el carril en dos sub carriles. Ver tabla 2.

 

Tabla 2: Diseño de Juntas Propuesto

 

                             Fuente: elaboración propia

 

  • El corte transversal se realiza entre 2.5 y 3 metros.

  • El empleo de barras pasajuntas (dowells), se puede obviar para pavimentos que presentan un tránsito menor a 3 millones de Ejes Equivalentes (ESAL) para el periodo de diseño, sin el empleo de macro fibras de polipropileno en la mezcla de concreto.

  • Si la mezcla de concreto está reforzada con macro fibras de polipropileno, una dosis entre 2.0 y 3.0 Kg / m3, se puede obviar el empleo de barras pasajuntas (dowells) para pavimentos que presentan un tránsito no mayor a 10 millones de Ejes Equivalentes (ESAL) para el periodo de diseño.

  • Se recomienda sellar todas las juntas.

  • Se realiza la verificación de esfuerzos críticos y deformaciones con el software EverFe.

  • Para ello se deben definir situaciones para la carga crítica a soportar: centro y borde de la losa.

  • Y tensión máxima a soportar, que puede ser el 50% de la resistencia a flexión del concreto.

  • Valores recomendados de espesores, para una subbase de 15 cm (CBR 60%), se pueden revisar en la tabla 3

 

Tabla 3: Espesores Lean Pavement

 

 

 

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