En este capítulo se tratan aquellas cuestiones relativas al proyecto y dimensionamiento de los firmes semirrígidos En particular se describen
10.2 MÉTODOS DE DIMENSIONAMIENTO
Los métodos de dimensionamiento de firmes se pueden clasificar en empíricos y analíticos, aunque en la práctica lo más habitual es encontrarse con métodos que combinan ambos procedimientos.
Existe una amplia variedad de métodos empíricos. En uno de los extremos se encuentran aquellos basados únicamente en la experiencia del ingeniero y cuya evolución en el tiempo se basa en su periódica revisión al ir acumulándose dicha experiencia. En el otro extremo están aquellos otros que son el resultado de una recogida sistemática de datos sobre el comportamiento de los firmes y de una adecuada correlación de las variables de diseño con dicho comportamiento. Un ejemplo muy ilustrativo de este segundo caso son las primeras versiones del método de la AASHTO, basadas en regresiones sobre los datos obtenidos en el ensayo del mismo nombre llevado a cabo entre 1959 y 1961.
En los métodos analíticos la respuesta del firme, en forma de tensiones, deformaciones o deflexiones de sus capas, se determina a través del uso de modelos matemáticos denominados modelos de respuesta. Estas respuestas se relacionan con el comportamiento de la estructura del firme mediante modelos de comportamiento o deterioro basados en ensayos de laboratorio o en datos de comportamiento en servicio. La observación de dicho comportamiento es necesaria para diseñar firmes de una manera realista. Entre las ventajas potenciales de este método frente a los empíricos se encuentran las siguientes:
Se acomoda a los cambios de los tipos de carga. Se utilizan mejor los materiales disponibles. Se pueden incluir nuevos materiales.
Mayor grado de confianza de las predicciones de comportamiento. Mejora la adaptación a las prácticas de construcción.
Las propiedades de los materiales se relacionan mejor con el comportamiento real del firme.
Se mejora la definición de las propiedades de las capas del firme.
Permite incorporar efectos climáticos y de envejecimiento de materiales. Sin embargo, en la práctica su aplicación presenta muchos problemas, debido a la falta de datos sobre las características reales de los materiales (propiedades mecánicas, leyes de fatiga, etc.), y a que la mayoría de los técnicos que deben emplearlos no son especialistas en dimensionamiento de firmes. Por otra parte, estos modelos se deben ajustar de acuerdo con una serie de factores de carácter práctico, como por ejemplo las dispersiones de los materiales y espesores de las capas obtenidos realmente en obra. También hay que tener en cuenta que en la elaboración de los modelos matemáticos son necesarias simplificaciones que, lógicamente, no pueden prever todas las situaciones posibles que se puedan producir en la realidad.
Hay ya en España un método de dimensionamiento analítico publicado por la Junta de Andalucía (Instrucción para el diseño de firmes de la Red de Carreteras de Andalucía, 1999) que puede servir de referencia para este tipo de estudios. Por los problemas que presentan los métodos analíticos, desde los años 70 en muchos países europeos se ha recurrido al establecimiento de unos catálogos de firmes en cuya elaboración se han tenido en cuenta tanto modelos analíticos como consideraciones empíricas. En España, el dimensionamiento de firmes mediante catálogos ha sido utilizado desde 1975, año en el que se elaboraron las Normas 6.1-IC y 6.2-IC. La última revisión del catálogo español fue llevada a cabo en el año 2002. Paralelamente, algunas otras Administraciones han
publicado catálogos de firmes, como por ejemplo la Diputación de Vizcaya (Normas técnicas para las carreteras de Vizcaya, 1986) o la Junta de Castilla y León (Recomendaciones de proyecto y construcción de firmes y pavimentos, 1996 y actualización de 2001).
Foto 10.1 Portadas de diversas normas españolas para el diseño de firmes.
10.3 FACTORES DE DISEÑO
Cualquier procedimiento de dimensionamiento requiere la definición de una serie de factores de entrada, como son:
El período de proyecto, es decir, la vida útil para la que se diseña el firme.
El tráfico de proyecto (intensidad y composición del tráfico, distribución de cargas por eje, etc.).
La capacidad de soporte de la explanada.
Las características de los materiales que componen las distintas capas del firme.
Las condiciones climáticas que puedan afectar al comportamiento del firme (temperaturas, pluviometría, etc.)
Aparte de los anteriores, existen otros factores que pueden condicionar el proyecto de un firme, como son la disponibilidad de materiales, las dimensiones de la obra, el plazo de ejecución, el equipamiento y experiencia de las empresas constructoras, los firmes adyacentes, consideraciones políticas o sociales (para promover el empleo o la competencia empresarial), o bien otros relacionados con el entorno o el medio ambiente (ruido, limpieza, estética, etc.).
10.3.1 El tráfico
En general, el parámetro del tráfico que interesa conocer para el dimensionamiento del firme es el número de vehículos pesados que circularán por la carretera durante el periodo de proyecto que se considere. Los vehículos ligeros, en comparación con los pesados, prácticamente no deterioran el firme; por ello, no se suelen tener en cuenta, salvo en algunas ocasiones para la elección de la capa de rodadura.
Por otro lado, el dimensionamiento se realiza siempre para el carril de la calzada por donde va a circular un mayor número de vehículos pesados, al cual se denomina carril de proyecto.
Se parte generalmente de la estimación de la intensidad media diaria (IMDp)
de vehículos pesados durante el año de puesta en servicio. Algunos métodos empíricos y todos los analíticos utilizan el denominado tráfico equivalente de proyecto (TEP), o lo que es lo mismo, el número de ejes tipo que solicitarán el firme durante el periodo de proyecto considerado.
La intensidad media diaria (IMDP) de vehículos pesados de la carretera se
obtiene generalmente a partir mapas o aforos de tráfico. A continuación, este valor se multiplica por el porcentaje de vehículos pesados que utilizan el carril de proyecto. A falta de otros datos se pueden adoptar las siguientes hipótesis:
En carreteras de dos carriles y doble sentido de la circulación, sobre el carril de proyecto circulará la mitad del total de vehículos pesados en los dos sentidos, salvo que se trate de una carretera de anchura de calzada menor de 6 m. En este caso, si el ancho de la calzada está comprendido entre 5 y 6 m, sobre el carril de proyecto circularán las tres cuartas partes del total de vehículos pesados, y si es menor de 5 m, la totalidad de vehículos pesados.
En carreteras de dos carriles por cada sentido de circulación, sobre el carril de proyecto circulará el total de vehículos pesados en el sentido considerado.
En carreteras con tres o más carriles por sentido de circulación, sin contar los carriles adicionales (carriles lentos, de aceleración o deceleración, ramales, etc.), sobre el carril de proyecto circulará el 85% del total de vehículos pesados en el sentido considerado.
Para calcular el tráfico equivalente de proyecto (TEP), se parte de la IMDP
durante el año de la puesta en servicio y se estima el número acumulado de vehículos pesados que circularán por el carril de proyecto de la carretera a lo largo del periodo de diseño (en general, 20 años). Para ello es preciso considerar el incremento anual de este tipo de tráfico durante el periodo de proyecto definido. Se suele adoptar una tasa de crecimiento, r, constante, entre el 3 y el 4% anual. De acuerdo con dichas hipótesis, el número de vehículos pesados NVP que
circularán por el carril de proyecto durante el periodo de proyecto, será:
F IMD
NVP = P·365·
siendo:
IMDP Intensidad media diaria de vehículos pesados en el carril de proyecto en el año de
puesta en servicio del tramo
F Factor de crecimiento. Este factor representa la acumulación del tráfico durante el periodo de proyecto, n. En el caso de una tasa de crecimiento anual del tráfico de vehículos pesados constante, r (en tanto por uno), el factor de crecimiento es igual a:
(
)
r r F n 1 1+ − =En el dimensionamiento analítico es necesario adoptar una carga tipo de cálculo (Fig. 10.1). En España, se suele utilizar el eje simple con ruedas gemelas y una carga de 13 t. Por tanto, es necesario conocer la equivalencia entre un vehículo pesado y dicho eje tipo de 13 t. Este parámetro es el
denominado coeficiente de
equivalencia.
En teoría, se debería calcular un coeficiente de equivalencia para la silueta de vehículos pesados típica de cada carretera, a partir de la distribución de cargas por eje de los vehículos. Para ello, sería preciso conocer previamente, mediante campañas de pesaje en movimiento, el espectro de cargas de una muestra representativa del tráfico que circule por la carretera en cuestión en el caso de acondicionamientos o modificaciones de trazado, o en
carreteras del mismo corredor en el caso de nuevos trazados. Además, el coeficiente de equivalencia depende de la configuración del eje (simple, doble, o triple), del tipo de firme (flexible, semirrígido, rígido), del tipo de deterioro considerado, de la suspensión utilizada por los vehículos, etc.
Foto 10.2 Equipo para la adquisición de datos de pesaje en movimiento: báscula dinámica y esteras capacitivas.
Normalmente no se suele disponer de estos datos, por lo que se utiliza un coeficiente de equivalencia medio, CE, que se calcula mediante técnicas
estadísticas para una determinada zona o red de carreteras.
Actualmente, para los firmes semirrígidos de la red de carreteras españolas se
13 t
P=0,8 MPa
R=11,35 cm d=37,5 cm
Figura 10.1 Carga tipo adoptada en el cálculo analítico.
vehículo pesado (CE=0,6).
En consecuencia, el tráfico equivalente de proyecto, TEP, se obtendrá de la siguiente expresión: E P E p C IMD F C T TEP = · = ·365· ·
En muchos métodos de dimensionamiento se definen categorías de tráfico, generalmente en función de la IMD de vehículos pesados en el carril de proyecto en el año de puesta en servicio del tramo (IMDP), aunque también en función del
tráfico equivalente o incluso de ambos parámetros. Por ejemplo, en la Tabla 10.1 se muestra la clasificación del tráfico, en función de la IMDP que figura en la
Norma 6.1 - IC “Secciones de firme” del Ministerio de Fomento (2002). Tabla 10. 1 Clasificación del tráfico pesado según la Norma 6.1 - IC (2002).
CATEGORÍA DE TRÁFICO IMDP
T00 ≥ 4000 T0 < 4000 y ≥ 2000 T1 < 2000 y ≥ 800 T2 < 800 y ≥ 200 T31 < 200 y ≥ 100 T3 T32 < 100 y ≥ 50 T41 < 50 y ≥ 25 T4 T42 < 25
10.3.2 La explanada
Las características de la explanada tienen una influencia considerable en el dimensionamiento del firme. Para una misma carga las explanadas más débiles se deforman más y por tanto provocan mayores tensiones y deformaciones en el firme.
El parámetro más importante para caracterizar la explanada es su capacidad de soporte o resistencia a la deformación por esfuerzo cortante bajo cargas del tráfico. En el proyecto, se fija una capacidad de soporte mínima en función de los suelos disponibles para la coronación y de las características del terreno subyacente, en desmontes, o del material previsto para el relleno, en terraplenes. No hay que olvidar, además, la posibilidad de estabilizar los materiales de coronación.
Los ensayos de laboratorio permiten, a partir de la granulometría y la plasticidad de las muestras tomadas, asignar una capacidad de soporte al suelo. No obstante, es preciso complementar esta primera estimación bien mediante ensayos mecánicos de laboratorio, de los que el más extendido es el índice CBR, o bien mediante ensayos de campo en el caso de desmontes. En estos últimos, la caracterización del terreno se hace directamente mediante equipos tales como el penetrómetro, la placa de carga, el deflectómetro de impacto, etc. El procedimiento más utilizado en España es la determinación del índice CBR en laboratorio, complementada en ocasiones con ensayos de penetración en campo.
Foto 10.3 Compactación de un suelo para la formación de la explanada.
En la mayoría de los métodos de dimensionamiento se suelen fijar unas categorías de explanada en función de su capacidad de soporte mínima. En general, se utiliza como parámetro de clasificación el índice CBR o el módulo equivalente del conjunto formado por los suelos de aportación y el terreno natural, o incluso únicamente de los utilizados en coronación (0,5 - 1 m ).
Por ejemplo, tanto en la Norma 6.1 – IC (2002) como en las Recomendaciones de proyecto de Castilla y León (1996 y 2001) se definen tres categorías de explanadas: E1, E2 y E3. En la primera, en función del módulo de compresibilidad en el segundo ciclo, Ev2, del ensayo de carga con placa que se prevé para cada
categoría, y en la segunda, en función del índice CBR exigido a los suelos de coronación (Tabla 10.2). Además, en ambos casos dentro de cada categoría se proponen diferentes combinaciones de suelos de aportación y estabilizaciones para la coronación de la explanada en función de la capacidad de soporte del macizo subyacente (fondo de desmonte o núcleo del terraplén).
Tabla 10.2 Clasificación de explanadas según la Norma 6.1 – IC (2002) del Mº de Fomento y las Recomendaciones de proyecto y construcción de firmes y pavimentos (1996 y 2001) de la Junta de Castilla y León.
CATEGORÍA DE
EXPLANADA Norma 6.1- IC Recomendaciones de Castilla y León
E1 Ev2 ≥ 60 CBR ≥ 5
E2 Ev2 ≥ 120 CBR ≥ 10
E3 Ev2 ≥ 300 CBR ≥ 20
10.3.3 El clima
Aunque el clima se suele tener más en cuenta en la selección de los materiales y en otros elementos constructivos, como el drenaje, su influencia en el dimensionamiento de la estructura del firme puede ser también significativa, especialmente sobre el módulo de rigidez de las mezclas bituminosas que experimenta variaciones muy importantes con la temperatura.