Diseño estructural de pavimentos articulados

Una gran parte de los investigadores de pavimentos de bloques argumentan que este tipo de pavimentos se comporta estructuralmente de manera similar a un pavimento flexible. Uno de los enfoques de modelación más utilizados para el diseño de pavimentos articulados corresponde al de “las capas elásticas”, más específicamente al del “módulo equivalente”, en el cual se determina el módulo de elasticidad equivalente para la capa que conforma el bloque y la cama de arena, convirtiendo la capa discontinua de bloques en una capa continua, permitiendo que se pueda aplicar la teoría elástica de capas. El enfoque de las capas elásticas es aplicado en este trabajo. El diseño de un pavimento articulado requiere de algunas consideraciones originalmente destinadas al diseño de un pavimento flexible. Las más importantes son: La selección de los criterios de desempeño requeridos.

2.7.1 Criterios de desempeño de un pavimento articulado

Para evaluar el desempeño de un pavimento articulado, se emplean comúnmente dos criterios: las deflexiones recuperables de la superficie y las deformaciones permanentes de la superficie o ahuellamiento. Estos criterios son los mismos empleados para los pavimentos flexibles.

a) Deflexiones

Tanto para los pavimentos flexibles como rígidos se requiere que las deflexiones de la superficie sean limitadas a valores usualmente menores a 0,5 mm con el objetivo de evitar la fisuración por fatiga asociada a la carga (Shackel, 1986). Los pavimentos articulados pueden tolerar deflexiones mayores que los pavimentos convencionales. No obstante, la deflexión debe mantenerse dentro del rango “elástico” de la base que soporta el bloque de hormigón.

b) Deformación

Tanto los pavimentos asfálticos como los articulados exhiben deformaciones no recuperables o ahuellamiento bajo el tránsito. En los pavimentos articulados esta deformación ocurre desde el momento de aplicación de las cargas y antes de que se produzca el fenómeno del “lock up” o trabazón, requiriéndose controlar su magnitud para asegurar que la calidad de rodado del pavimento se mantenga en un estándar aceptable. Además, no se debe permitir que la profundidad de la huella se desarrolle hasta el punto que pueda almacenar o retener agua. Para pavimentos asfálticos convencionales, los niveles terminales de ahuellamiento generalmente oscila entre 10 mm para autopistas hasta 40 mm o más para carreteras rurales de bajo tránsito. Deben exigirse niveles similares de ahuellamiento a los pavimentos

articulados considerando el concepto de serviciabilidad. En Holanda por ejemplo, para este tipo de pavimentos, se recomienda como límite de serviciabilidad 25 mm a 35 mm (Molenaar, Moll, & Houben, 1984). Se recomienda para el diseño de un pavimento de bloques que antes de que se produzca el trabado (Lock up), no se acumulen más de 5 mm a 10 mm de deformación total para aplicaciones urbanas y no más de 15 mm a 20 mm en aplicaciones industriales o rurales (Shackel, 1986).

La Tabla 2-2 presenta las ecuaciones más empleadas para estimar la deformación admisible de un suelo de sub-rasante.

Tabla 2-2. Criterios de deformación admisible para sub-rasante

Fórmula Citado por:

=2800_.

Claessen, Edwards, Sommer, & Uge (1977)

= 3.0599 × 10 1

. _{Reddy & Pandey}

(1992)

= 10( × ) _{Theyse (1996)}

= 6.146 × 10 × Edward &

Valkering (1974)

Donde:

εv admisible = deformación admisible por compresión sobre la sub-rasante

(microstrain, en decimal)

Para el caso de bloques se puede utilizar la ecuación menos conservadora porque según se explica en esta sección del documento, los límites admisibles de deformación pueden ser mayores a los de un pavimento asfáltico.

2.7.2 Caracterización de un pavimento articulado

Los elementos estructurales del pavimento son:  La capa del bloque

 Los materiales de base y sub-base  El suelo de sub-rasante.

La Tabla 2-3 presenta los valores típicos de las propiedades de los materiales empleados para el diseño de un pavimento articulado considerando la elasticidad de las capas.

Tabla 2-3. Propiedades de materiales para modelación de capas elásticas (Shackel, 1986)

Material Módulo, E (MPa) Relación de Poisson, µ

Rango Recomendado Rango Recomendado

Bloques Rectángulo Dentado 500-7.000 900-7.500 2.500 3.200 0.15-0.30 0.15-0.30 0.30 0.30 Base: Granular Estabilizada 200-800 1.000-30.000 350 2.300 0.10-0.50 0.10-0.50 0.35 0.35 Sub-base: Granular Estabilizada 150-450 5.000-7.000 225 1.500 0.10-0.50 0.10-0.50 0.35 0.35

a) Capa de bloques

Esta capa es caracterizada en términos del desempeño de una capa equivalente elástica, considerando en la mayoría de los casos que la capa de bloques es isotrópica y linealmente elástica. Ensayos de tránsito acelerado realizados en la Universidad de New South Wales indicaron que a una edad temprana del pavimento, la capa de bloques se puede caracterizar con un valor de módulo que oscila entre 2.500 MPa y 3.200 MPa aproximadamente. Estos valores se encuentran entre el rango de 500 MPa (Marais, 1984) y 7.500 MPa (British Ports Association, 1982) utilizados en los primeros análisis mecanicistas.

b) Base y Sub-base

La rigidez de los materiales no ligados depende del soporte provisto por la sub- rasante y de los esfuerzos que deben soportar. Debido a que estos esfuerzos varían punto a punto, la respuesta general de los materiales sin ligar necesita ser caracterizada como no-lineal y puede ser modelada: estimando su módulo dependiente de las condiciones de la sub-rasante y del espesor de la capa no ligada (procedimiento Shell) o dividiendo las capas del material en un número de sub- capas a las cuales el módulo es asignado sobre la base de las condiciones de esfuerzos generados por las cargas del tránsito. Se han reportado valores de módulos para materiales no ligados en un rango de 150 MPa y 700 MPa (Shackel, 1986).

c) Sub-rasante

La caracterización de los suelos de sub-rasante se realiza tradicionalmente a través de su capacidad de soporte medida con el CBR (California Bearing Ratio). Los métodos mecanicistas para el diseño de pavimentos requiere de la propiedad del módulo resiliente (MR) del suelo de fundación. La Tabla 2-4 presenta algunas

fórmulas que permiten estimar el módulo resiliente a partir del valor del CBR y viceversa. El uso de alguna de las fórmulas depende del criterio del diseñador o de la adaptación en cada país.

Tabla 2-4. Correlaciones entre CBR y módulo resiliente de suelos

Donde:

MR = Módulo resiliente del suelo de sub-rasante (MPa)

CBR = Capacidad de soporte del suelo (%)