1 UNIVERSIDAD DEL CAUCA, CATOLICA Y
ESCUELA DE INGENIEROS MILITARES COLOMBIA
ESPECIALIZACION EN INGENIERIA DE PAVIMENTOS
MANUAL
DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS PARA AEROPUERTOS DE
Ing. Pedro José Mora G.
SANTAFE DE BOGOTA D.C. AÑO 2012
2 CONTENIDO PROGRAMA DE LA ASIGNATURA Objetivo General Objetivo especifico. Plan de Clases Bibliografía Índice
3 OBJETIVOS GENERALES
Que el alumno entienda y domine los conceptos de diseño de los pavimentos de aeropuertos, para que este en capacidad de proponer alternativas de diseño, recuperación y mantenimiento.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Aprender a dominar los conceptos generales y particulares de tráfico, capacidad y volumen que interactúan en los diferentes diseños de pavimentos flexibles y rígidos,
Aprender a dominar los conceptos generales y particulares en el diseño estructural y evaluación de pavimentos flexibles y rígidos, ya que estos darán la aceptación o rechazo en las construcciones de pista, calles de rodaje y plataformas de parqueo en aeropuertos para que sean utilizados por las diferentes aeronaves.
Conocer que método computacional se utiliza en los diseños estructurales y evaluación de pavimentos
4 PLAN DE LA ASIGNATURA
Sesión Tema Tiempo Metodología Recurso Evaluaciones
1 Definiciones 0.5 hs Presentación Acetato-Video 2 Investigaciones
de suelos
0.5 hs Presentación Acetato-Video 3 Trafico 3.5 hs Presentación Acetato-Video Taller
Calificativo
4 Diseño Pav
Flexibles
3.0 hs Presentación Acetato-Video Taller Calificativo 5 Diseño de Pav.
Rígidos
3.5 hs Presentación Acetato-Video Taller Calificativo 6 Refuerzos 3.0 hs Presentación Acetato-Video
7 Diseño de aviones Livianos 1.0 hs Presentación Acetato-Video 9 Métodos Computacionales 2.5 hs Presentación Acetato-Video 8 Evaluación de Pavimentos
3.5 hs Presentación Acetato-Video Taller Calificativo
PCN 3.0 hs
5 BIBILOGRAFIA
Federal Aviation Administration, Airport Pavement Design and Evaluation Manual AC-150-5320-12, Agosto de 2009
Federal Aviation Administration, Airport Pavement Design, LEDDFAA User´s Manual AC-150-5320-16, Octubre de 1999.
Manual de Diseño de Aeródromos Parte III Pavimentos, Organización Internacional de Aviación Civil OACI, 1983
Diseño de Pavimentos de Concreto para Aeropuertos, Portland Cement Association, 1983 Seminario Sobre Juntas en Pavimentos de Concreto. Ernesto Sarría Molina, 1989
Federal Aviation Administration, Airport Capacity, AC 150/5060-CH2, Dic 2005 Federal Aviation Administration, Standarize Method of Reporting Airport Pavement Strength PCN, AC 150/5335, Oct. 4 de 2010.
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INDICE
1 INTRODUCCION
1.1 DEFINCIONES
2 INVESTIGACIONES DE SUELOS Y EVALUACION
2.1 INVESTIGACIONES DE SUELOS 2.2 INVESTIGACION Y MUESTREO 2.3 ENSAYOS DE SUELOS
2.4 SISTEMA DE CLASIFICACION DE SUELOS UNIFICADOS
3 TRAFICO
3.1 CONSIDERACIONES GENERALES
3.2 DETERMINACIÓN DEL AVION DE DISEÑO
3.3 DETERMINACION DE LAS SALIDAS EQUIVALENTES PARA EL AVION DE DISEÑO 3.4 CAPACIDAD DE LA PISTA
4 DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
4.1 GENERALIDADES
4.2 SUPERFICIE DE MEZCLAS ASFALTICAS EN CALIENTE 4.3 BASES
4.4 SUBBASES 4.5 SUBRASANTE 4.6 CURVAS DE DISEÑO 4.7 DATOS DE ENTRADA
4.7.1 ESPESOR MINIMO DE BASE (TABLA)
4.7.2 ESPESOR DELPAVIMENTO PARA ALTOS NIVELES DE SALIDAS 4.8 AREAS CRITICAS Y NO CRITICAS
4.9 EJEMPLO DE DISEÑO 4.10 USO DE ESTABILIZACIONES 4.11 EJEMPLO PARA EL TALLER
5. DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDO
5.1 GENERALIDADES
5.2 PAVIMENTO DE CONCRETO RIGIDO 5.3 SUBBASE
5.4 CALIDAD DE LA SUBBASE 5.5 SUBRASANTE
5.6 DETERMINACION DEL MODULO DE FUNDACION (K)
5.7 DETERMINACION DEL ESPESOR DE LA LOZA DE CONCRETO 5.8 USO DE LAS CURVAS DE DISEÑO
5.9 AREAS CRITICAS Y NO CRITICAS 5.10 EJEMPLO DE DISEÑO
5.11 VOLUMENES DE ALTO TRAFICO
5.12 JUNTAS PARA PAVIMENTO DE CONCRETO 5.12.1 JUNTAS EN SUBBASE NO ESTABILIZADAS
7 5.12.2 JUNTAS EN SUBBASES ESTABILIZADAS
5.13 CONSIDERACIONES ESPECIALES DE LAS JUNTAS 5.14 JUNTAS ACERADAS
5.15 TIPO DE SELLANTES EN LAS JUNTAS 5.16 PAVIMENTO DE CONCRETO REFORZADO 5.17 EJEMPLO PARA EL TALLER
5 REFUERZOS
6.1 GENERALIDADES
6.2 CONDICIONES DEL PAVIMENTO EXISTENTE 6.3 DISEÑO DE LAS SOBRECAPAS
6.3.1 DISEÑO DE SOBRECAPAS EN MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE SOBRE FLEXIBLES 6.3.2 DISEÑO DE SOBRECAPAS EN MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE SOBRE RIGIDOS 6.3.3 DISEÑO DE SOBRECAPAS DE PAVIMENTO RIGIDO SOBRE PAVIMENTOS RIGIDOS 6.3.4 DISEÑO DE SOBRECAPAS DE PAVIMENTO RIGIDO SOBRE CAPAS DE NIVELACION 6.3.5 DISEÑO SOBRECAPAS DE PAVIMENTO ROGIDO LIGADOS
6.3.6 JUNTAS SOBRE SOBRECAPAS
7 DISEÑO DE PAVIMENTO PARA AERONAVES LIVIANAS
7.1 GENERALIDDAES 7.2 SECCION TIPICA
7.3 MATERIALES PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES 7.4 DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE
7.5 MATERIALES PARA PAVIMENTOS RIGIDOS 7.6 DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDOS
7.7 JUNTAS DE PAVIMENTOS RIGIDOS
8 PROGRAMAS 8.1 EVALUACION DE PAVIMENTOS 8.2 GENERALIDADES 8.3 PROCESOS DE EVALUACION 8.4 METODO DE LA PCI 8.5 PAVIMENTOS FLEXIBLES 8.6 PAVIMENTOS RIGIDOS 8.7 METODO DEL ACN Y PCN 8.8 AEROPUERTO ELDORADO
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1. INTRODUCCION
Este compendio pretende dar una metodología que permita entender, aplicar, mantener y mejorar los pavimentos aeroportuarios con técnicas para el diseño de estructuras de pavimentos, acordes a las metodologías actuales.
1.1 Definiciones
A continuación se dan definiciones sobre el lenguaje técnico más utilizado en el contexto de los aeropuertos.
AERÓDROMO: Área definida de tierra o de agua que incluye todas sus edificaciones, instalaciones y equipos, destinada total o parcialmente a la llegada, salida y movimientos en superficie de aeronave
AREA DE ATERRIZAJE: Parte del área de movimiento destinada al aterrizaje o despegue de aeronaves
AREA DE MANIOBRAS: Parte del aeródromo que ha de utilizarse para el despegue, aterrizaje y rodaje de las aeronaves.
A.C.N. NÚMERO DE CLASIFICACION DE AERONAVES: Cifra que indica el efecto relativo de una aeronave sobre un pavimento, para una determinada categoría normalizada del terreno de fundación.
BERMA: Partes laterales de la pista, que sirven para dar los anchos establecidos para cubrir las envergaduras de las aeronaves, y su estructura se maneja como áreas no críticas. CALLES DE RODAJE: Área definida en un aeródromo terrestre preparada para el movimiento de una aeronave desde o hacia una plataforma y/o pista.
PAVIMENTO: Estructura compuesta por una capa de superficie de concreto hidráulico o mezcla asfáltica en caliente o tratada con asfalto, sobre capas de base y Subbase, ya sean granulares, estabilizadas o trituradas para soportar cargas de tránsito y distribuirlas sobre el terreno de fundación.
P.C.N. NÚMERO DE CLASIFICACIÓN DEL PAVIMENTO: Cifra que indica la resistencia de un pavimento para utilizarlo sin ninguna restricción. .
PISTA: Área rectangular de definida de un aeródromo terrestre preparada para el aterrizaje y el despegue de aeronaves.
9 PLATAFORMA: Área definida en un aeródromo terrestre, destinada a dar cabida a las aeronaves para los fines de embarque de pasajeros, carga, correo y mantenimiento o estacionamiento de aeronaves.
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2 INVESTIGACIONES DE SUELOS Y EVALUACION
2.1 Investigaciones De Suelos
Para obtener una información esencial en la variedad de tipos de suelos, las investigaciones deben hacerse encaminadas para determinar su distribución y propiedades físicas. Esta información combinada con datos y registros topográficos y climáticos, provee un planeamiento básico de los materiales para el desarrollo del aeródromo. Una investigación de suelos en un aeródromo debe incluir:
- La investigación de los diferentes estratos del suelo con relación a la propuesta de la Subrasante.
- Muestreo que se base en la colección representativa de los diferentes estratos del suelo.
- Pruebas para determinar las propiedades físicas de los suelos con respecto a su densidad y soporte de la Subrasante.
2.2 Muestreo
La FAA, recomienda según sea el área de investigación las separaciones de los sondeos de la siguiente manera, como mínimo para obtener las propiedades de los suelos.
AREA ESPACIAMIENTO PROFUNDIDAD
Pistas y Calles de Rodaje Cada 68 m de intervalo 3.5 m Otras áreas de Pavimento 1 sondeo por cada 900 m^2 3.5 m
Áreas vecinas Según se defina el material Con las excavaciones
Cada sondeo debe reportar - Localización - Fecha de ejecución. - Tipo de exploración - Cota terreno
- Profundidad
- Numero de identificación de las muestras - Clasificación
- Nivel freático 2.3 Ensayos de Suelos
11 Como mínimo la FAA recomienda que se deban registrar los siguientes ensayos que se ejecutan de acuerdo a las normas para ensayos de la ASTM:
- Preparación de muestras en seco de terrenos para análisis granulométrico y determinación de las constantes del terreno. Preparación de muestras en húmedo de terrenos para análisis granulométrico y determinación de las constantes del terreno ASTM D-421 y D2217
- Análisis de Granulométrico: Proporciona una determinación cuantitativa de la distribución de los tamaños de partículas
- LL, LP, IP
- Relaciones de humedad densidad, cuando sea para aeronaves cuyo peso sea menor 30.000 lbs utilícese el ensayo D-698, de resto utilícese el D-427 de la ASTM. - CBR, o Modulo de reacción de la Subrasante
- Desgaste, en la máquina de los Ángeles - Permeabilidad de los terrenos granulares - Contenido de materia Orgánica
- CBR de campo
2.4 Sistema de Clasificación de Suelos
Se emplea el sistema de clasificación de acuerdo a la norma ASTM D-2487, el sistema lo establece sobre la base del tamaño del grano y posteriormente de los subgrupos sobre las constantes de plasticidad. Véase tablas 2.1 y figura 2.2
En la clasificación final de los suelos el material se subdivide en 15 grupos, de los cuales se indica su símbolo y una breve descripción:
GW - Gravas homogénea y mezclas grava arena, con poco o ningún fino GP - Grava no homogénea y mezclas grava arena, con poco o ningún fino GM - Grava limosa, mezclas de grava-arena-limo.
GC - Grava arcillosa mezclas de grava-arena-arcilla
SW- - Arenas homogéneas y arenas con grava, poco o ningún fino SP - Arenas no homogéneas y arenas con grava, poco o ningún fino SM - Arena limosa, mezcla de arena limo.
SC - Arena arcillosa, mezcla arena arcilla
ML - Limo inorgánico, arena muy fina, polvo de roca, arena fina limosa o arcillosa
12 CL - Arcilla inorgánica de plasticidad baja a mediana, arcilla con grava, arcilla
limosa, arcilla pobre.
OL - Limo orgánico y arcilla limosa orgánica de baja plasticidad. MH - Limo inorgánico, arena fina micácea o limo, limo plástico. CH - Arcilla inorgánica de lata plasticidad
OH - Arcilla orgánica de plasticidad media alta. PT - Turba, barro y otros suelos muy orgánicos
Se utilizan las cartas de clasificación de las figuras 2.3 y 2.4, para identificación total de los suelos.
TABLA 2.1 DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS PARA APLICACION EN AEROPUERTOS
Mas del 50 % de los materiales son retenidos en el tamiz No 200
Mas del 50% de las gravas es retenida en el tamiz No 4
Gravas limpias GP GW Gravas con finos GM GC Arenas que con menos del
50% son retenidas en el tamiz No 4
Arenas limpias SW SP Arenas con finos SM
SC El grano fino menos del
50 % es retenido en el tamiz No 200
Arcillas y limos con Limite liquido menor del 50%
ML Cl OL Arcillas y limos con Limite
liquido mayor que el 50%
MH CH OH
2.4.1 Ensayos de Resistencia del Terreno
La clasificación de los terrenos para fines técnicos proporciona un indicio del comportamiento probable del terreno de fundación para el pavimento. El comportamiento puede ser diferente del previsto debido a varias razones, tales como: grado de compactación, saturación, altura del terreno de recubrimiento, etc. La posibilidad de predecir incorrectamente el comportamiento del terreno de fundación puede eliminarse ampliamente midiendo la resistencia del terreno. La resistencia de los materiales previstos para utilizar en las estructuras de pavimentos flexibles se mide según el Índice de Penetración de California (CBR). Cuando son estructuras que se utilizan para pavimentos rígidos, se ensayan según el método de Placa de Carga.
15 2.4.1.1 Los CBR de campo: nos proporciona información de las Subrasante que se encuentran inalteradas desde hace varios años. Los materiales deberían estar en el lugar durante un tiempo suficiente para permitir que la humedad alcance un estado de equilibrio. Los ensayos CBR sobre materiales de grava son difíciles de interpretar. Los ensayos de laboratorio sobre grava producen con frecuencia resultados demasiados altos, debido a los efectos limitadores del molde. La asignación de valores CBR a los materiales de grava para el terreno de fundación pueden basarse en el criterio y la experiencia. La Tabla 2.3 puede dar una guía práctica en la selección del CBR del terreno de fundación, pero se recomienda que el CBR máximo para el terreno de fundación de grava no estabilizada no sea mayor de 50.
Como regla practica en la escogencia del número de ensayos para obtener el valor del CBR, se debe realizar tres ensayos por cada tipo de material principal del terreno. El valor de CBR de cálculo debería seleccionarse con criterio prudente y se recomienda seleccionarlo del valor que sea una desviación normal por debajo de la media. Valores de CBR menores de tres, se debe entrar a estabilizar o buscar otro medio de mejora para la fundación.
En algunos países manejan LBR, Lime Rock Radio, para expresar la resistencia del terreno. Para convertir LBR a CBR, se multiplica el LBR por 0.8.
2.4.1.2 Los ensayos de placa de carga: Miden la resistencia del terreno de fundación. El resultado de este ensayo se expresa como un valor k, y se puede considerar como la presión requerida para producir una deformación unitaria de una placa de carga en la fundación del pavimento. Sus unidades están dadas en Lbs/pulg3, MN/m3.
El número de ensayos de por si son costosos, por lo que se recomienda dos o tres por estructura de pavimento y su selección debe conservar un criterio de prudente.
Las curvas del manual se basan en un ensayo hecho con una placa de 30” (762 mm) de diámetro.
Se recomienda no exceder en ningún momento el valor de k de cálculo de 500 lbs/pulg3 o 136 MN/m3, la información que se presenta en la tabla 2, ofrece una orientación general en cuanto a valores k probable para varios terrenos.
16 3. TRAFICO
3.1 Consideraciones Generales
3.1.1 Carga
Para fines de cálculo del pavimento, debería preverse el peso máximo de despegue de la aeronave. El procedimiento de cálculo supone en la mayoría de los casos que el 95 % del peso bruto es soportado por los trenes de aterrizaje principal y el 5 % por el tren de nariz. 3.1.2 Tipo y Geometría del Tren de Aterrizaje
El tipo de tren de aterrizaje y su configuración determinan de qué modo se distribuye el peso de la aeronave en el pavimento y establecen la respuesta del pavimento a las cargas producidas por la aeronave. Para aviones de cuerpo ancho o cabina ensanchada o tren de configuración especial, se les han preparado sus propias curvas, de resto de las aeronaves tienen curvas en común.
Aeronaves con trenes simples: Una sola rueda en cada tren.
Aeronaves de ruedas doble o gemelas: Su separación entre ruedas es de 0.51 m entre ejes de los neumáticos para aeronaves ligeras y 0.86 m para aeronaves pesadas.
Aeronaves de ruedas en tándem doble o bogíes: El espaciado entre ruedas entre ejes de los neumáticos para aeronaves ligeras es de 0.51 m y separación entre tándem de 1.14 m, y de 0.76 m y 1.40 m para aeronaves pesadas.
Aeronaves de Cuerpo ancho o cabina ensanchada: Son las aeronaves de tipo B-747, DC-10, A-300, B-767, B-757, L-1011 y C-130, que de acuerdo a su distribución del tren y su separación, se le han preparado curvas especiales para su diseño.
Presión de inflado: La presión de los neumáticos varía entre 75 y 200 lbs/pulg2, en configuración al tren y al peso bruto, factores dados por los fabricantes de las aeronaves. 3.2 Determinación del Avión de diseño
3.2.1 Volumen del Trafico
Para el inicio de un estudio de tráfico y diseño de pavimento, es indispensable disponer de pronósticos de salidas anuales por tipo de aeronave. Estos pronósticos se pueden conseguir en la oficina de Transporte Aéreo de la Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil, con la Organización General de Aviación, que es un organismo internacional particular que maneja todos los itinerarios de las agencias de viaje mundial y por último con base a estudios particulares del tráfico que se estime que puede operar.
18 3.2.2 Avión de Diseño
Los pronósticos o volúmenes de trafico da como resultado una variedad de aeronaves, y el cálculo o la selección de la aeronave debe basarse en la que mayor espesor pavimento requiere para sus condiciones actuales. No siempre sucede que la aeronave más pesada requiere el mayor espesor de pavimento.
19 3.2.3 Determinación de las Salidas Equivalentes
Lo primero que se debe establecer es convertir todos los trenes de las aeronaves al mismo tren de aterrizaje que la aeronave de cálculo, para lo cual se emplean factores de conversión, que son similares para el diseño del pavimento rígido como flexible. Estos representan una aproximación relativa a los efectos de fatiga de los diferentes tipos de trenes. Como una aproximación más cercana y teórica se recomiendan los siguientes factores:
Para Convertir A Multiplicar las salidas por
Rueda Simple Rueda Doble 0.8
Rueda Simple Doble Tándem 0.5
Rueda Doble Doble Tándem 0.6
Rueda Doble Rueda Simple 1.3
Doble Tándem Doble Doble Tándem 1.0
Doble Tándem Rueda Simple 2.0
Doble Tándem Rueda Doble 1.7
Doble Tándem Doble Rueda Doble 1.7
Lo segundo una vez agrupado las aeronaves en la misma configuración de tren de aterrizaje, es la conversión a salidas anuales equivalentes de la aeronave de cálculo, de acuerdo a la siguiente formula
Log R1 = log R2 x ( W2/W1) ^ ½
R1 = Salidas anuales equivalentes de la aeronave de cálculo
R2 = Salidas anuales expresadas en el tren de aterrizaje de la aeronave en cuestión W1 = Carga Sobre la rueda de la aeronave de calculo
W2 = Carga sobre la rueda de la aeronave en cuestión
Como las aeronaves de fuselaje ancho poseen trenes de aterrizaje diferente de las otras aeronaves, es preciso considerarlas especialmente para mantener los efectos relativos. Esto se lleva a cabo tratando cada fuselaje como una aeronave con tándem doble de cuatro ruedas, de 300.000 lbs o 136,100 kg, al calcular las salidas anuales equivalentes.
A continuación se da un ejemplo de salidas equivalentes para un avión de fuselaje ancho tipo B-747.
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PERIODO 1999 AVION DE DISEÑO A-320 CARGA RUEDA 40099 Numero de salidas del año 67,532
TIPO DE AVION TREN RUEDAS SALIDAS PESO COEF. SALIDAS CARGA FACTOR CARGA SALIDAS
(LB) RUEDA PESO EQUIVAL
A-300-B2 T 8 1 304012 1.7 2 35625 1.000 35625 2 A-310 T 8 482 332680 1.7 820 35625 1.000 35625 558 A-320-200 D 4 1486 170635 1.0 1486 42659 0.940 40099 1486 A-340 T 8 614 560000 1.7 1044 35625 1.000 35625 701 ATR-42 D 4 3638 40920 1.0 3638 10230 0.940 9616 55 ATR-72 D 4 2384 48400 1.0 2384 12100 0.924 11180 61 B-1900 D 4 12529 16918 0.950 B- 707 T 8 17 336000 1.7 29 35625 1.000 35625 24 B-727-200 D 4 5352 185800 1.0 5352 46450 0.934 43384 7555 B- 737-300 D 4 2549 135500 1.0 2549 33875 0.918 31097 999 B- 747-200 DT 16 247 823000 1.7 420 35625 1.000 35625 297 B- 757-200 T 8 2137 240965 1.7 3633 35625 1.000 35625 2269 B-767-200 T 8 1280 317025 1.7 2177 35625 1.000 35625 1400 B-777-200 T-L 12 212 647240 1.7 361 35625 1.000 35625 257 CN-208 S 2 392 7986 0.940 CN-235 S-L 4 358 31752 1.0 358 7938 0.940 7462 13 CV-580(CONVAIR D 4 1327 54600 1.0 1327 13650 0.940 12831 58 DORNIER228-212 D 4 685 14175 1.0 685 3544 0.902 3196 6 DASH7 D 4 1222 43000 1.0 1222 10750 0.942 10127 36 DASH8-300 D 4 1111 41100 1.0 1111 10275 0.942 9679 31 DC-10-30 T+D 10 571 558000 1.7 971 35625 1.000 35625 654 DC-8 T 8 553 358000 1.7 940 35625 1.000 35625 635 DC-9-15 D 4 25633 91500 1.0 25633 22875 0.924 21137 1588 DC-3 S 2 2 25200 1.0 2 12600 0.940 11844 2 EMB-110 S 2 272 13007 1.0 272 6504 0.940 6113 9 IL-18 T 8 2 134640 1.0 2 16830 0.940 15820 2 L-1011 T+D 12 220 432000 1.7 373 35625 1.000 35625 266 MD-11 T+D 10 341 602500 1.7 579 35625 1.000 35625 402 MD-80 D 4 835 150000 1.0 835 37500 0.948 35550 564 MD-83 D 4 480 161000 1.0 480 40250 0.948 38157 413 MD-88 D 4 168 149500 1.0 168 37375 0.940 35133 121 MD-90 D 4 362 157000 1.0 362 39250 0.940 36895 285 S-210 D 5 11 1000 1.0 11 200 1.000 200 1 TU-154(TUPOLEV T 8 1 216050 1.7 1 35625 1.000 35625 1 IL-62 T 8 25 363760 1.0 1 45470 0.950 43197 1 F20 S 2 29 3500 1.000 C-210 S 2 1 16976 1.0 1 8488 0.940 7979 1
TOTAL 67,532 TOTAL SALIDAS 20,750
D DOBLE LOS COEFICIENTES DE CONVERSION TREN TOMADOS DEL AC/150/5320 G GEMELA LOS FACTORES DE CARGA TREN PRINCIPAL PARTE 3 DE LA OACI T TANDEM
SL S. LINEA S SENCILLA
PARA FUSELAJE ANCHO Y TREN DE ATERRIZAJE TANDEM SE TOMA CARGA RUEDA DE 35625 Lb
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PERIODO 1994 AVION DE DISEÑO CABINA ENSANCHADA
CARGA RUEDA 35625 PROYECCION 100 %
TIPO DE AVION TREN RUEDA SALIDAS PESO COEF. SALIDAS CARGA FACTOR CARGA SALIDAS
(LB) RUEDA PESO EQUIVAL
AIR BUS –300 B 8 10 345400 1.0 10 35625 1.000 35625 10 BOEING 707 B 8 327 333000 1.0 327 35625 1.000 35625 327 BOEING 727-100 G 4 3115 160000 0.6 1869 40000 0.940 37600 2297 BOEING 727-200 G 4 1 190500 0.6 1 47625 0.932 44387 1 BOEING 737 G 4 605 130000 0.6 363 35625 0.920 32775 285 BOEING 747-400 B-D 16 103 877000 1.0 103 35625 1.000 35625 103 BOEING 757 B 8 1100 250000 1.0 1100 35625 1.000 35625 1100 BOEING 767 B 8 6 380000 1.0 6 35625 1.000 35625 6 DC-10 BD+G 10 68 555000 1.0 68 35625 1.000 35625 68 DC-8 B 8 485 350000 1.0 485 35625 1.000 35625 485 DC-9 B 4 4412 110000 0.6 2647 27500 0.924 25410 778 FOKKER-27 G 4 580 45000 0.6 348 11250 0.950 10688 25 HERCULESC130 G-L 4 180 175000 0.6 108 43750 0.950 41563 157 LOCK-GALAXY B-D 16 1 769000 1.0 1 35625 1.000 35625 1 ATR-42 G 4 91 35605 1.0 91 8901 0.950 8456 9 MD-83 G 4 3360 160000 0.6 2016 40000 0.932 37280 2401 AN-74 S-L 12 67 798323 1.0 67 35625 1.000 35625 67 FOKKER-50 G 4 1770 30164 0.6 1062 7541 0.950 7164 23 RJ-100 G 4 1614 50000 0.6 968 12500 0.950 11875 53 DASH-300 G 4 230 43000 0.6 138 10750 0.950 10213 14 OTROS S 2 7712 15100 0.5 3856 7550 0.950 7173 41
TOTAL 25,837 TOTAL SALIDAS 8,249
D DOBLE LOS COEFICIENTES TOMADOS DEL AC/150/5320
G GEMELA LOS FACTORES DE CARGA PARTE 3 DE LA OACI
B BOGUIE PARA FUSELAJE ANCHO Y BOGUIES SE TOMA CARGA RUEDA DE 35625 LBS
SL S. LINEA GL G.LINEA
22 3.3 Capacidad de la Pista
Es una medida del máximo número de operaciones de aeronaves, las cuales pueden ser acomodadas en un aeropuerto en una hora.
3.3.1 Definiciones
Demanda: Es la magnitud de las operaciones de las aeronaves para ser acomodadas en un período de tiempo especificado.
Índice de Mezcla: Es una expresión matemática y es el porcentaje de aeronaves clase C mas 3 veces el porcentaje de aeronaves clase D. IM = % (C+3D).
Mezcla de Aeronaves: Es la clasificación y designación por peso a su despegue o salida Tabla 3.1
AERONAVE PESO (lbs) Número Tipo Al despegue Maquina
A 12,500 O MENOS Simple
B 12,500 O MENOS Múltiple
C 12,500 – 300,000 Múltiple
D SOBRE 300,000 Múltiple
Tipo de Vuelo: De acuerdo a su operación puede ser, vuelos de reglamento visual (VFR), vuelos de reglamento instrumento (IFR), y vuelos de pobre visibilidad (PVC)
Configuración de la pista: Es la orientación con respecto a la dirección del viento, su tipo de operación y las reglas de tipo de vuelo. (Ver Gráficas 3.1 y 3.2)
ASV: Volumen anual de Servicio, esta dado por la capacidad horaria de la pista, su configuración, y su tipo de ayudas a la aeronavegación.
T: factor de aterrizaje y despegue inmediato. El cual se obtiene de gráficas.
E: Factor de Salida, depende del número de calles de salidas que tenga la pista y su separación.
23 Exceptuando situaciones que involucre condiciones de PVC, o pistas paralelas con destinaciones diferentes o radar, el cálculo es como sigue:
a. Seleccione la configuración de la pista en las figuras 3.1 y 3.2 b. De las figuras seleccionada identifique C*, T y E
c. Determine la clase de aeronaves tipo C y D, operando la pista para calcular el Índice de Mezcla.
d. Determine el porcentaje de llegadas. e. Determine la Capacidad Base C*
f. Determine el Factor T, en operaciones IFR, T= 1.0 g. Determine el factor E.
h. Calculo de la capacidad horaria es igual a C* x T x E 3.3.3 Ejemplo 1:
Determine cuál es la capacidad de la pista para un pronóstico anual de 220,000 operaciones, y con una demanda relacionada de la siguiente forma:
41 % de Aviones Pequeños: 55 % de Aviones Largos 4% de Aviones pesados
Mezcla de Aviones I.M. Configuración Capacidad Horaria A.S.V. % A % B % C % D
(C+3D) No Sketch VFR IFR En miles
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
21 20 55 4 67 1 --- 63 56 205
El volumen de servicio anual es menor que la demanda de operaciones, por lo que se estima una pérdida de capacidad de la pista que originara demoras a las operaciones, generando costos que pueden ser onerosos.
3.3.3 Ejemplo 2:
Determine la capacidad horaria para una pista cruzada en la cual se tiene el siguiente pronóstico:
Condiciones IFR Porcentaje en IFR
13 de Aviones Pequeños: 26 % 10 de Aviones dobles pequeños 20 %
24 25 de Aviones Largos 50 % 2 de Aviones pesados 4 % 50 Total Operaciones 100 % Condiciones VRF Porcentaje en VRF 2 de Aviones Pequeños: 6 % 5 de Aviones dobles pequeños 15 %
25 de Aviones Largos 73 %
2 de Aviones pesados 6 %
34 Total Operaciones 100 %
Se cuenta con tres operaciones de aterrizaje y despegue inmediato en condiciones VRF, las cuales equivalen a un 12 % de las operaciones totales:
Tabla de resultados
Tiem po
Uso pista Cap Mezcla de Aviones I.M . % Calles de Salidas en 00 pies % C* Fig 3.27 T E Cap Dig No Fig %A %B %C %D (C+ 3D) LL 1 2 No T.G . Hor a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 VRF CR 43 3-27 26 20 50 4 62 45 45 60 2 12 89 1.06 .94 89 IFR CR 43 3-59 6 15 73 6 91 55 60 1 0 53 1.00 .97 51 MI = Índice de Mezcla CR = Pista cruzada
La capacidad horaria calculada de la pista es de 89 operaciones hora en condiciones VRF y 51 operaciones hora en condiciones IFR, excediendo la demanda aeronáutica de 50 en VRF y 34 en IFR
25 Taller calificativo
Se tiene un pronóstico de salidas para el aeropuerto de Santa Marta, y quiere determinar las salidas equivalentes para un B-727-100 y verificar para un B-747-400. La plataforma de aviones de pasajeros tiene 4 posiciones a contacto y una remota y está conectada por una calle de rodaje en una cabecera. Obtener este resultado y verificar si la pista tiene la capacidad para recibir este tráfico lo mismo que la plataforma.
Aeronave No de salidas anuales B-727-100 3760 B-727-200 9080 B-707-100 3050 DC-9-30 5800 A-320-200 400 B-737-200 2650 DC-10-15 1710 B-747-400 85
59
4. DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES
4.1 Generalidades
Los pavimentos flexibles consisten en una mezcla de asfáltica caliente colocada sobre una base y Subbase cuando se requiera a las condiciones de la Subrasante, la cual a su vez debe soportar toda la estructura del pavimento.
A continuación se da las definiciones de los componentes de una estructura de pavimento flexible y sus características principales que deben respetarse durante el diseño y su construcción. La metodología actual, para su revisión y comprobación del diseño, implica utilizar el programa FAARFIELD de la FAA
3.4 Superficies de Mezcla Asfáltica en Caliente.
Es una capa revestida en asfalto con el fin de prevenir la penetración del agua de la superficie a la base granular; es una superficie lisa y bien compacta, de alta estabilidad y durabilidad con el fin de prevenir que las partículas sueltas pongan en peligro las aeronaves; resistente a los esfuerzos inducidos por las cargas de aeronaves; y su terminado debe tener cualidades antideslizantes y que no cauce un desmedido desgaste a las llantas. Una gradación densa de un concreto de mezcla asfáltica en caliente, se debe producir en planta, para que reúna satisfactoriamente todos los requisitos de la especificación FAA-P-401.
3.5 Base Granular
La base es el principal componente de la estructura del pavimento. Esta tiene la función de distribuir las cargas impuestas por las ruedas a la Subbase o Subrasante. La base por sí misma, debe resistir las presiones verticales que producen consolidación, y da como resultado una distorsión en la superficie, y además debe resistir los cambios de volúmenes causados por las fluctuaciones del contenido de humedad. En el desarrollo de la obtención de espesores de los pavimentos, la base como requisito mínimo debe asumir un valor de CBR de 80. La calidad de la base depende de la composición, de las propiedades físicas y su compactación. Las especificaciones cubren la calidad de los componentes, su gradación, manejo, control y preparación de varios tipos de base usadas en aeropuertos, para cubrir que las cargas de diseño estén en los 14,000 kilos o más.
Las principales bases utilizadas son:
(1) Item P-208 Base granular
60 (3) Item P-211 Base en roca limosa
(4) Item P-304 Base tratada con cemento (5) Item P-306 Subbase en concreto pobre
(6) Item P-401 Base de mezcla en planta en caliente.
El uso de la base P-208 se limita al diseño de pavimentos para aeronaves cuya carga bruta sea 60,000 lbs o 27,000 kilos o menos. Si se quiere utilizar como base, el espesor de la mezcla asfáltica en caliente debe incrementarse en una pulgada o 25 mm.
3.6 Subbase Granulares
Se incluye como parte integral de la estructura de todos los pavimentos flexibles exceptuando donde se encuentren Subrasante con CBR mayores de 20. Su función es similar a la de la base. Sin embargo es adicionarse para quitar desde la superficie y a la cual está sometida, las bajas intensidades de cargas; los requerimientos de material no son tan estrictos y su valor de CBR es variable. Las especificaciones cubren la calidad de los componentes, su gradación, manejo, control y preparación de varios tipos de Subbase usadas en aeropuertos, para cubrir que las cargas de diseño estén en los 14,000 kilos o más. Las principales Subbase utilizadas son:
(1) Item P-154 Subbase granular (2) Item P-210 Subbase en caliche (3) Item P-212 Subbase en shell
(4) Item P-213 Subbase de arena arcillosa (5) Item P-301 Subbase en suelo cemento.
El uso de las sobases P-213 y P-301, no son recomendable cuando se tiene penetración por heladas.
3.7 Subrasante
Las Subrasante deben estar sometidas a bajos esfuerzos que vienen desde la superficie y pasan la carpeta, base y Subbase, los cuales se atenúan con la profundidad y el control de los esfuerzos se hace en la parte superior de la Subrasante a las inusuales condiciones existentes. Una de estas inusuales condiciones es la gran variabilidad por el contenido de humedad o densidad, que cambia en la localización de los controles de esfuerzos. La habilidad de una partícula de suelo es la resistencia al corte y la deformación que varía con su densidad y contenido de humedad. Se ha establecido una tabla la cual muestra con la profundidad el control de compactación que se debe aplicar desde la superficie.
61 Tabla 4.1
Se debe cuidar de contaminar las bases o sobases con la Subrasante por lo que se aconseja protegerlas por medio de Geotextiles.
Ejemplo
En una extensión de una plataforma que va ser construida para acomodar aviones de tren tanden doble con un peso de 340,000 lbs, las investigaciones de suelos mostraron las siguientes densidades para un suelo no cohesivo:
Profundidad Densidad en En Pulgadas el lugar 2 70 % 14 84 % 26 86 % 38 90 %
62
50 93 %
De acuerdo a la tabla para ese tipo de tren y carga se debe tener la siguiente compactación requerida de la Subrasante
Tipo de avión 100% 95 % 90 % 85 %
340,000 lbs 0-21 21-37 37-52 52-68
Al comparase se observa que solo hasta las 38 pulg está cumpliendo el requisito, entonces; se debe dar compactación en una pulgada de suelo para que suba al 95 %, y 21 pulgadas para que suba la compactación al 100 %.
4.5.1 Suelos Sensibles
Son por lo general suelos arcillosos los cuales exhiben cambios volumétricos significantes a los cambios de humedad. Los pavimentos de aeropuertos construidos sobre estos suelos están sujetos a movimientos diferenciales que causan rugosidad y craqueo al pavimento. Los diseños de los de pavimentos deben proveer métodos que aminoren o prevengan los efectos de estos suelos. El tipo de arcilla que produce hinchamiento por cambio volumétrico, es por lo general ilitas y caolinaitas, las cuales usualmente posen LL mayor de 40 y IP superior de 25. Los suelos que exhiben un cambio volumétrico mayor del 3% en el ensayo de CBR, requieren tratamiento.
Este tratamiento por lo general consiste en la remoción del suelo, estabilización, el cuidado que se tenga en el control de la compactación y el control especial de la humedad. Además de brindar un adecuado drenaje que evite la incorporación de humedad al suelo. La FAA, recomienda el siguiente tratamiento cuando se encuentran este tipo de suelo.
Tabla 4.2 Recomendaciones para suelos sensibles
Potencial de expan % de expansión Potencial de humedad Tratamiento.
Bajo 3-5 Bajo Compactar el suelo (en 2 al 3 %) y no mayor del 90% Densidad máxima apropiada
3-5 Alto Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 6” Medio 6-10 Bajo Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 12”
6-10 Alto Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 12” Alto Mayor de 10 Bajo Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 12” Alto Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 36”
En suelos variables Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 60”
63 Debido a los diferentes esfuerzos y distribuciones se separan las curvas de diseño para pavimentos flexibles de acuerdo a las configuraciones del tren de aterrizaje. Estas figuras del 4.2 al 4.14 se desarrollan para materiales de base y Subbase no tratadas. Los materiales estabilizados tienen un manejo por separado, y para lo cual se dan las respectivas tablas de equivalencias para que sean compensados los espesores obtenidos de las figuras anteriores.
4.7 Datos de Entrada
El uso de las curvas de cálculo, requiere un valor del CBR para el material de la Subrasante, un CBR para el material de la Subbase, el peso bruto del avión de diseño o seleccionado, el número anual de salidas del avión de diseño. Cuando se habla de operaciones de un avión se habla de una salida y un aterrizaje. Las curvas o gráficas de cálculo indican el espesor total del pavimento y el espesor del concreto asfáltico.
4.7.1 Espesor Mínimo de Base granular
De acuerdo a investigaciones y trabajos de campo para diferentes trenes, el diseño recomienda la siguiente tabla para los espesores mínimos de base granular que se debe utilizar en una estructura de pavimento.
64
4.7.2 Espesor del Pavimento para altos Niveles de Salida.
Las Gráficas utilizadas en los diseños de pavimentos flexibles, dentro de sus parámetros de entrada, solo manejan hasta 25,000 salidas anuales, la FAA a través de investigaciones y observaciones en pavimentos de servicio, ha tabulado logarítmicamente para diferentes salidas que superan las 25.000 salidas de las gráficas, porcentajes en que se debe aumentar el espesor obtenido. Salidas anuales Porcentaje espesor 50,000 104 100,000 108 150,000 110 200,000 112
4.8 Áreas Críticas y No Críticas.
Las gráficas de diseño de pavimentos, se utilizan para determinar el espesor total T crítico de pavimento y los requisitos de espesor de la capa la capa de concreto asfáltico. El factor 0.9 T, para pavimentos no críticos se aplica a las capas de base y Subbase, y el espesor que se aplica a la capa de rodadura es el que se registra en cada gráfica de cálculo. En la parte variable de la sección figura 4.1 y en el borde de la berma, la reducción solo se aplica a la base granular. El espesor de 0.7 T, para la base debe ser el mínimo permitido. La Subbase entonces deberá incrementarse en su espesor para proporcionar un drenaje superficial positivo para toda la superficie de fundación. Para fracciones de pulgada de 0.5 o más, utilícese le número entero más próximo.
4.9 Ejemplo de Diseño
Se supone que un pavimento flexible ha de calcularse para una aeronave de tren de aterrizajes de ruedas dobles con una carga de 75,000 lbs (34,000 kg) y 6,000 salidas equivalentes anuales. Los valores de CBR para Subbase y terreno de fundación son de 20 y 6 respectivamente.
65 a) Calculo del espesor total del pavimento: Este es obtenido de la Gráfica 4.3 con
los datos de entrada, dando para el ejemplo 23 pulgadas (584 mm).
b) Espesor total de la Subbase: Es determinado de la misma Gráfica 4.3, pero se utiliza el valor de CBR de 20 de la Subbase, dando un espesor de 9.5 pulg. (241 mm), siendo este resultado un espesor combinado de mezcla asfáltica y base. El espesor de la Subbase será 23 – 9.5 = 13.5 pulg o 14 “
c) Espesor de la Mezcla asfáltica: De la misma gráfica 4.3, se describe que los espesores en áreas críticas son de 4 pulg (10 mm) y no críticas de 3 pulg. (76 mm).
d) Espesor de la Base: El espesor de la base se calcula de la substracción del espesor combinado de mezcla asfáltica y Base, obtenido en el numeral “b”. El espesor de la Base será 9.5 – 4 = 5.5 o 6”. Este espesor aquí calculado se compara con la tabla de espesores mínimos de Subbase del numeral 4.7.1. y se puede observar que para este tipo de rueda y carga, se exige un espesor de base de 6 pulg, por lo que el espesor final para el cálculo será de 6 pulg o 200 mm. Comentarios: Se debe utilizar una base granular tipo P-209, según requisito establecido para aviones de peso mayor a 60,000 lbs
Los espesores de las áreas no críticas se calculan según los factores y condiciones del parágrafo 4.8
Resultados
Tipo material Áreas críticas
Áreas no críticas
Borde de Berma
Pulg - mm Pulg - mm Pulg - mm
Mezcla en Caliente P-401 4 (100) 3 (75) 2 (50)
Base Granular P-209 6 (200) 5 (125) 4 (100)
Subbase Granular P-154 14 (355) 13 (330) 10 (255)
Adición en Subbase por drenaje
3 (75) 8 (205)
Total 24 (655) 24 (655) 24 (655)
4.10 Uso de Base y Subbase Estabilizadas
Las capas de base y Subbase estabilizadas son necesarias para pavimentos nuevos donde se tenga presencia de aviones que superen las 100,000 lbs en peso. Para su uso se recomienda utilizar los factores de equivalencia que más adelante se describen, los cuales son sensibles
66 a diferentes variables tales como espesor de la capa, tipo de agente estabilizador y la localización de la capa estabilizada dentro de la estructura. Esta excepción a la utilización de bases estabilizadas se puede hacer, cuando los materiales que se piensan colocar como estructura proviene de una roca dura, tienen gradación cerrada y son el 100 % producida dentro de un proceso de trituración. Además deben registrar una resistencia al ensayo del CBR mayor del 100% para materiales de Base y 35% para materiales de Subbase. Se recomienda no utilizar materiales de menor calidad en sustitución de otros de mejor calidad.
Otro requisito en su utilización, es que el espesor mínimo total del pavimento una vez se haya hecho todas las sustituciones, no debe ser menor que el espesor total de pavimento requerido cuando se utiliza una Subrasante de CBR de 20.
4.10.1 Subbase granular
Todos los ensayos, factores y recomendaciones que se enuncian para estabilizar una Subbase están basados en la utilización de una Subbase P-154, cuya resistencia es de un CBR de 20. La utilización de materiales estabilizados de mayor calidad que P-154, debe arrojar espesores menores, ya que el factor escogido, divide el espesor requerido de la Subbase P-154
TABLA 4.4 FACTORES EQUIVALENTES PARA
SUBBASES DE MAYOR CALIDAD QUE UNA SUBBASE P-154
Subbase en Material granular Factor de Equivalencia
P-208 Base Granular 1.0 – 1.5 P-209 Base triturada 1.2 – 1.8 P-211 Base en roca 1.0 – 1.5
Subbase en Material estabilizado Factor de Equivalencia
P-301 Base en suelo cemento 1.0 –1.5 P-304 Base granular con cemento 1.6 – 2.3 P-306 En concreto Pobre 1.6 – 2.3 P-401 Mezcla en caliente 1.7 – 2.3
4.10.2 Base granular
Todos los ensayos, factores y recomendaciones que se enuncian para estabilizar una base están basados en la utilización de una base P-209, cuya resistencia es de un CBR de 80. La utilización de materiales estabilizados de mayor calidad que P-209, debe arrojar espesores menores, ya que el factor escogido divide el espesor requerido de la base P-209
TABLA 4.5 FACTORES EQUIVALENTES PARA BASES DE MAYOR CALIDAD QUE UNA BASE P-209
Base en Material granular Factor de Equivalencia
67
P-208 Base Granular 1.0
P-211 Base en roca 1.0
La sustitución de P-208 por P-209, es permisible cuando el peso del avión es menor de 60,000 lbs y se aumenta 1 pulg al concreto asfáltico
Base en Material estabilizado Factor de Equivalencia
P-304 Base granular con cemento 1.2 –1.6 P-306 En concreto Pobre 1.2 – 1.6 P-401 Mezcla en caliente 1.2 – 1.6
Cuando se utilizan bases P-304 y P-306 en pavimentos flexibles, se puede encontrar reflexiones por retracción, por lo que el espesor mínimo a utilizar sobre estas bases no debe ser menor a 4” (100 mm).
Con el fin de hacer una correlación y asemejar a lo del Instituto del Asfalto para utilizar factores de reducción, empleamos la siguiente relación deducida de la resistencia de materiales:
E1 x 1 – u1 1/3 H2 = h1 x --- ---
E2 1- u2
Teniendo en cuenta que los valores u del modulo de Poisonn para los materiales granulares son aproximadamente iguales a 0.35 y que los módulos de elasticidad son de la forma E = K * CBR CBR1 1/3 H2 = h1 x --- CBR2 4.10.3 Ejemplo.
68 Use los factores de equivalencia, asumiendo que un pavimento flexible es requerido para un avión de diseño de 300,000 lbs de tándem doble, con 15,000 salidas equivalentes. El CBR de Subrasante es 7 y se quiere utilizar una Subbase P-401.
e) Calculo del espesor total del pavimento: Este es obtenido de la Gráfica 4.4 con los datos de entrada, dando para el ejemplo un espesor 37.5 pulgadas (953 mm). f) Espesor total de la Subbase: Es determinado de la misma Gráfica 4.4, pero se
utiliza el valor de CBR de 20 de la Subbase, dando un espesor de 17 pulg. (432 mm), siendo este resultado un espesor combinado de mezcla asfáltica y base. El espesor de la Subbase será 37.5 – 17 = 20.5 pulg o 21 “
g) Espesor de la Mezcla asfáltica: De la misma gráfica 4.4, se describe que los espesores en áreas críticas son de 4 pulg (10 mm) y no críticas de 3 pulg. (76 mm).
h) Espesor de la Base: El espesor de la base se calcula de la substracción del espesor combinado de mezcla asfáltica y Base, obtenido en el numeral “b”. El espesor de la Base será 17.0 – 4 = 13”. Este espesor aquí calculado se compara con la tabla de espesores mínimos de Subbase del numeral 4.7.1. y se puede observar que para este tipo de rueda y carga, se exige un espesor de base de 8 pulg, por lo que el espesor final para el cálculo será de 13 pulg o 330 mm.
i) Base estabilizada: El espesor obtenido de 13” se divide por 1.4 promedio del rango para P-401, dando 9” (230 mm).
j) Subbase estabilizada: El espesor obtenido de 20.5” se divide por 2.0 promedio del rango para P-401, dando 10” (250 mm).
k) Chequeo del espesor mínimo: El total del pavimento estabilizado requerido es de 4 + 9 +10 = 23 pulg (585 mm), es comparado para un espesor total de pavimento de CBR 20, el cual fue hecho en este ejemplo dando 17 pulg, el espesor de 23 pulg es mayor al de 17, por lo que el diseño es adecuado.
69 EJEMPLO PARA EL TALLER
De los datos del taller No 1, calcular el espesor de pavimento requerido, para una Subrasante cuyo CBR es 3%, y se quiere estabilizar con una base P-401 y una Subbase en concreto pobre P-306
85
5 DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS
5.1 Generalidades
Los pavimentos rígidos de Aeropuertos están compuestos de una placa de concreto de cemento portland colocadas sobre una Subbase granular o estabilizada, que es soportada en una Subrasante compactada.
5.2 Pavimento de Concreto
La superficie de pavimento debe proveer una superficie no deslizante, prevenir las infiltraciones del agua superficial y dar un soporte de acuerdo a la especificación P-501 de pavimentos en concreto de cemento portland. La metodología actual, para su revisión y comprobación del diseño, implica utilizar el programa FAARFIELD de la FAA
5.3 Subbase
El propósito de la Subbase es proveer bajo un pavimento rígido un soporte uniforme estable para la losa de concreto. El mínimo espesor requerido de Subbase en un pavimento es de 4 pulg (100 mm). La FAA toma como Subbase estándar en sus diseños la P-154 y acepta utilizar como Subbase los siguientes materiales:
(1) Item P-154 Subbase granular (2) Item P-208 Base granular (3) Item P-209 Base Triturada (4) Item P-211 Base en roca
(5) Item P-304 Base tratada con cemento (6) Item P-306 Concreto Pobre
(7) Item P-401 Mezcla asfáltica en caliente
La utilización de estas bases y de mayor espesores son considerados en el diseño, a través del modulo de fundación K respectivo para cada una de ellas.
5.3.1 Calidad de la Subbase:
Subbase estabilizadas son requeridas para los nuevos diseños de pavimentos cuando son solicitadas por aeronaves de peso mayores a las 100,000 lbs, y se utilizan las siguientes:
(1) Item P-304 Base tratada con cemento (2) Item P-306 Concreto Pobre
86 5.5 Subrasante:
Los materiales bajo pavimentos rígidos deben ser compactados para que brinden una adecuada estabilidad uniforme como se explico en los pavimentos flexibles; sin embargo su exigencia no es tan fuerte como se explica en el parágrafo 4.5 debido a los bajos esfuerzos que llegan a la Subrasante. Se hacen las siguientes recomendaciones de compactación de la Subrasante:
- Para suelos cohesivos en una sección completa 90 % de la densidad máxima.
- Para suelos cohesivos en secciones de corte, hasta las 6 pulg 90 % de la densidad máxima
- Para suelos no cohesivos en una sección completa 100 % de la densidad máxima y a partir de las 6 Pulg de profundidad un 95 %.
- Para suelos no cohesivos en secciones de corte, hasta las 6 pulg 100 % de la densidad máxima y a partir de las 6 pulg hasta las 18 pulg el 95 %
- Para suelos sensibles se deben tener las mismas consideraciones del parágrafo 4.5.1 5.6 Determinación del Modulo de Fundación
En las investigaciones de los suelos, la determinación del modulo de Subrasante K, es fundamental para saber el soporte de la Subrasante y porque además es requerimiento en el diseño del pavimento rígido. El modulo de fundación debe ser asignado al material que está directamente debajo la losa de concreto, sin embargo es recomendado establecer el valor del K de la Subrasante y hacer las correcciones en la cantidad que se deba, por efectos de la Subbase y espesor utilizado.
Se pueden emplear correlaciones de las tablas y cuadro enunciados en el capítulo 2 o utilizar la gráfica 5.1 anexa de acuerdo al CBR de la Subrasante.
5.6.1 Determinación del Valor de K por Efectos de Una Subbase Granular
La determinación del modulo de fundación arriba de una Subbase por ensayo en la etapa de diseño no es usualmente practica. El probable incremento en K está asociado a varios espesores y diferentes materiales de Subbase, la FAA con base a experiencias y ensayos ha establecido las figuras 5.2, para bases tipo P-154 y P-209 y cuando son estabilizadas, utiliza una sola figura 5.3, para sobases tipo P-304, P-306 y P-401.
87 5.7 Determinación del Espesor de la Losa de Concreto
El diseño de las curvas ha sido preparado para los pavimentos rígidos similares a como se realizaron para pavimento flexible de acuerdo al tipo de tren de aterrizaje y carga. Las gráficas están basadas en que la carga es oblicua al borde de la junta, o si está localizada en forma perpendicular o paralelo a la junta. El diseño requiere de cuatro parámetros de entrada: resistencia del hormigón a la flexión, modulo del terreno de fundación, peso bruto de la aeronave de cálculo y número de salidas anuales equivalentes de la aeronave de diseño. Los espesores de las demás estructuras del pavimento se calculan por separado. 5.7.1 Resistencia del Concreto a la Flexión.
El espesor del pavimento rígido está relacionado a la resistencia a la flexión del concreto utilizado, la cual se evalúa por el método de la resistencia a la flexión según la norma ASTM C-78, ya que le trabajo primario de una losa de concreto es a la flexión. El diseño de la resistencia a la flexión se debe basar en la edad del concreto que debe ser requerido, cuando la losa se dé al tráfico.
El modulo de reacción K del material que soporte el pavimento rígido, se obtiene como se explico en el numeral 5.6,
El peso bruto del avión de diseño se da para cada tipo de tren de aterrizaje, para la respectiva carga y para las aeronaves de cabina ensanchada, que tienen su curva especial. La gama de pesos que se utilizan en las curvas, abarca los pesos de la mayoría de aeronaves actuales.
El número de salidas anuales de la aeronave de diseño se calcula similar al diseño del pavimento flexible, de acuerdo al tráfico esperado.
5.8 Utilización de las Curvas de Cálculo.
Las curvas del pavimento rígido se trazan de manera que se registren los datos de cálculo en el mismo orden que se trato el numeral anterior y se obtiene únicamente el espesor de la losa de concreto, sin tener en cuenta el espesor de la Subbase. Se han construido curvas opcionales cuando la carga aplicada por la aeronave al borde la junta, forma ángulo relativo a esta, que influye en la magnitud de los esfuerzos en la losa. Los trenes de aterrizaje de ruedas simples y ruedas dobles producen los mayores esfuerzos cuando están paralelos o perpendiculares a las juntas. Los trenes tándem dobles, producen las tensiones o esfuerzos máximos cuando su posición actúa en ángulo a la junta. La utilización de estas curvas, es más que todos utilizadas en la bahía de espera, en los finales de pista, en las intersecciones de calles de rodaje y pista y en las plataformas. Como recomendación una vez obtenido el avión de diseño, se obtiene el espesor por las dos curvas y se analiza la posibilidad de que una aeronave de rueda doble pueda afectar el diseño a las salidas anuales equivalentes.
88 5.9 Áreas Críticas y no Críticas.
Las gráficas de diseño de pavimentos, se utilizan para determinar el espesor de la losa de concreto total T crítico de pavimento. El factor 0.9 T, para pavimentos no críticos se aplica a la losa de concreto. En la parte variable de la sección figura 4.1 y en el borde de la berma, la reducción sola se aplica a la losa de concreto. El cambio de espesor se debe llevar a todo lo largo y ancho de la losa. En las áreas de losa que tenga espesor variable, el espesor de la Subbase debe ajustarse en la medida de lo necesario, para dar una superficie de drenaje uniforme a la superficie de la Subrasante. Para fracciones de pulgada de 0.5 o más, utilícese le número entero más próximo.
5.9 Ejemplo de Diseño
Supongamos una aeronave de 160,000 kilos, y salidas anuales equivalentes de 6,000 con tren de aterrizaje tipo tándem doble. Dentro de estas salidas se consideran que 1,200 es para una aeronave tipo B-747, con 350,000 kilos. La resistencia de la Subrasante de fundación es de un CBR de 3, para una arcilla limosa. La resistencia a la flexión del concreto es de 650 psi (4.5 MN/m2).
El peso bruto de la aeronave indica que se debe utilizar una Subbase estabilizada y para lo cual se escoge una Subbase estabilizada con cemento tipo P-304 con un espesor de 6 pulg. El modulo de reacción K, se puede obtener de la Figura 5.1 para un CBR de 3, el cual da un valor de 100 PCI y para continuar con el siguiente procedimiento:
a) Obtención del modulo de reacción por efectos de la Subbase: de la fig. 5.3 el modulo de reacción se aumenta de 100 PCI a 210 PCI.
b) Obtención del espesor de la losa: de la figura 5.20 se obtiene un espesor de concreto de 16.6 pulg (422 mm) que por redondeo a 17 pulg (430 mm)
5.10 Volúmenes de Alto Tráfico.
Las Gráficas utilizadas en los diseños de pavimentos rígidos, dentro de sus parámetros de entrada, solo manejan hasta 25,000 salidas anuales, la FAA a través de investigaciones y observaciones en pavimentos de servicio, ha tabulado logarítmicamente para diferentes salidas que superan las 25.000 salidas de las gráficas, porcentajes en que se debe aumentar el espesor obtenido. Salidas anuales Porcentaje espesor 50,000 104 100,000 108 150,000 110 200,000 112
117 5.11 Juntas para Pavimento de Concreto Rígido
La variación de temperatura y humedad pueden causar cambios en la losa que producen esfuerzos significantes. Como la expansión y la contracción están restringidas a las fuerzas de fricción o cortantes que se desarrollan en la cara que tiene contacto con la Subbase, se producen esfuerzos de comprensión y tensión, y en la superficie pude causar craqueo o fisuramiento que dependiendo de su magnitud pude causar daños. Como la prioridad es reducir estos efectos, es necesario dividir el pavimento en losas de predeterminada longitud para las principales juntas longitudinales, que son las que van según el avance de la pavimentación y determinar así los tipos de juntas transversales. Estas losas deben ser lo más cuadradas posibles cuando no son reforzadas.
5.11.1 Categoría de las Juntas
De acuerdo a su función las juntas están categorizadas en juntas de Expansión o dilatación, contracción y de construcción. Todas las juntas deben ser terminadas en una manera que permita ser selladas.
5.11.1.1 Juntas de Expansión
La función de juntas de aislamiento o expansión es aislar pavimentos de intersecciones y de estructuras del pavimento. Tipo A se utiliza cuando las condiciones impiden el uso de dispositivos de transferencia de carga que se extienden a través de la articulación, tal como cuando el pavimento se apoya en una estructura o cuando diferencias horizontales en movimiento de los pavimentos pueden ocurrir. Estas articulaciones están formadas por el aumento del espesor del pavimento a lo largo del borde de la losa. No se proporcionan los pasadores. Tipo A-1 articulaciones pueden ser utilizados como una alternativa en casos en que las juntas de borde engrosadas son indeseables.
5.11.1.2 Juntas de Contracción: Su función es controlar el fisuramiento del pavimento cuando el pavimento se contrae por decrecimiento del contenido de humedad o temperatura. Las juntas decrecen los esfuerzos cuando se produce alabeo en la losa de pavimento. Se usan las juntas Tipo B, C y D
5.11.1.3 Juntas de Construcción: Son requeridas cuando dos pavimentos colindantes son colocados a diferente tiempo, tal como el final de jornada o entre líneas de pavimentación. Se usan las Juntas Tipo E.
5.12 Espaciamiento de las Juntas.
Las juntas como se dijo anteriormente, se deberán construirse previendo el menor movimiento posible, de acuerdo al material que se use de Subbase en la estructura del pavimento.