Catálogo de Secciones de Pavimento Flexible para México Edición Única

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(1)INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA. TECNOLÓGICO DE MONTERREY®. Catálogo de secciones de pavimento flexible para México. TESIS PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO DE:. MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA Y ADMINISTRACIÓN DE LA CONSTRUCCIÓN. POR: JUAN CANO BECERRIL. MONTERREY, N.L.. DICIEMBRE 2006.

(2) INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY CAMPUS MONTERREY DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA. Los miembros del comité de tesis recomendamos que el presente proyecto de tesis presentado por el Ing. Juan Cano Becerril sea aceptado como requisito parcial para obtener el grado académico de: Maestro en Ciencias con Especialidad en Ingeniería y Administración de la Construcción. Comité de Tesis:. _________________________ Dr. Jorge Gómez Domínguez Asesor. ________________________ Dr. Salvador García Rodríguez Sinodal. _______________________ Dr. J. Carlos Reyes Salinas Sinodal. Aprobado:. _______________________ Dr. Francisco Ángel Bello. Director del Programa de Graduados en Ingeniería Diciembre, 2006.

(3) Les dedico este trabajo de tesis:. A Dios, por estar presente cada instante de mi vida y hacer todo esto posible.. A mis amados Padres Juan Cano Bautista e Irma Becerril Rodríguez quienes se han brindado por completo hacia nosotros sus hijos, con un apoyo incondicional en todos los momentos de mi vida, en particular en aquellos donde estuvieron junto a mí para alcanzar mis sueños. Conmigo llevo su amor, esfuerzo, su paciencia, bondad y consejos. Si pudiera volver a tener la oportunidad de elegir nuevamente a mis padres, los volvería a escoger a ustedes con los ojos cerrados.. A mis queridos hermanos Alejandro, Víctor y David con los que crecí y compartí gran parte de mi vida, cada uno de ustedes me ha enseñado tantas cosas por las que les estoy agradecido. Siempre recordaré aquellos momentos que compartimos juntos y que me han hecho tan feliz. Sigo contando con ustedes para todo y así, ustedes cuenten conmigo como siempre.. A mi amada prometida Martha Irma Solís Cabrera, con quien he formado un amor incondicional tan fuerte que logró unirnos a través de ciudades y continentes. Soy muy afortunado de contar contigo como mi compañera en la vida para juntos reír, soñar, aprender y vivir tantas cosas tan hermosas que nos esperan. Eres la mujer que me ayuda a dibujar mis esperanzas, hace mis días fascinantes y deja mis noches brillantes..

(4) CATÁLOGO DE SECCIONES DE PAVIMENTO FLEXIBLE PARA MÉXICO Prefacio 1. Introducción……………………………………………….1 1.1 1.2 1.3 1.4. Mecanismos y agentes de deterioro…………………………..1 Tipos de falla, funcional y estructural………………………..3 Tipos de pavimentos y modos de deterioro…………………..3 Características superficiales de los pavimentos………………8 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5. 1.5. Adherencia……………………………………………………….9 Ruido por circulación…………………………………………..14 Optimización de las características acústicas de los pavimentos……………………………………………………...17 Regularidad superficial…………………………………………19 Características ópticas………………………………………….22. Comportamiento estructural de los pavimentos flexibles…...23. 2. Métodos de diseño……………………………………….29 2.1 2.2. Aspectos teóricos y fundamentales del diseño……………...29 Factores de diseño…………………………………………...30 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4. 2.3. El tráfico y sus cargas…………………………………………..30 Medio ambiente………………………………………………...32 Materiales………………………………………………………32 Criterio de falla…………………………………………………33. Métodos de diseño de pavimentos flexibles………………...34 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 2.3.7. Métodos empíricos……………………………………………..34 Métodos limitantes de fallas……………………………………35 Métodos limitantes de deflexiones……………………………..35 Métodos de regresión basados en el desempeño……………….36 Métodos mecanísticos-empíricos………………………………36 Otros desarrollos………………………………………………..37 Catálogos de secciones…………………………………………39. 3. Catálogos de secciones de pavimento Español y Francés…………………………………………………...41 3.1. Catálogo de secciones de pavimento Español………………41 3.1.1 3.1.2. Instrucción de firmes 6.1 y 6.2…………………………………41 Instrucción de firmes de 1990………………………………….43.

(5) 3.1.3. 3.2. Secciones de firme y capas estructurales de firmes, O.C. 10/2002…………………………………………………………43. Catálogo de secciones de pavimento Francés………………50 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3 3.2.4. 3.2.5. 3.2.6. Consideración general del tráfico………………………………50 • Definición de un vehículo pesado • Determinación de la clase de tráfico TI • Determinación de la clase de tráfico acumulado TCI • Determinación de la clase TCI sin datos precisos Diseño de la plataforma………………………………………...54 • Fuerza de sustentación a corto y largo plazo • Procedimiento de diseño • Suelos comunes en Francia • Mejora de la fuerza de sustentación en el terraplén • Sub-rasante • Control de la fuerza de sustentación de las plataformas Materiales de carreteras………………………………………...62 Diseño de la estructura…………………………………………63 • Estructuras retenidas • Elección de la carpeta asfáltica • Hipótesis de cálculo • Verificación debido al hielo Ejemplo de diseño……………………………………………...82 • Datos • Determinación del tráfico acumulado • Determinación de la plataforma • Selección de la estructura • Verificación debido al hielo Catálogo de secciones de pavimento flexible Francés…………86. 4. Clasificación de las Carreteras………………………..107 4.1. Clasificación de las carreteras en México………………….107 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4. 4.2. Por transitabilidad……………………………………………..107 Por el aspecto administrativo………………………………….107 Clasificación técnica oficial…………………………………...108 Clasificación por su nivel de servicio…………………………108. Proyecto de pavimento en México…………………………109 4.2.1 Estudio Geotécnico y el Sistema de Unificado de clasificación de suelos…………………………………………………………..110 4.2.2 Características generales de calidad que conforman las distintas capas de las carreteras de tipo flexible………………………...113. 5. Métodos de Diseño……………………………………...117 5.1. Método AASHTO para el diseño de pavimentos flexibles...117 5.1.1 Índice de servicio……………………………………………...118.

(6) 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7 5.1.8 5.1.9 5.1.10. 5.2. Método UNAM…………………………………………….136 5.2.1 5.2.2. 5.3. Tránsito (W18)…………………………………………………119 Tasa anual de crecimiento vehicular (r)……………………….123 Tipología de vehículos………………………………………...124 Periodo o ciclo de proyecto……………………………………125 Coeficiente de drenaje (mi)……………………………………125 Confiabilidad (R, ZR, S0)………………………………………126 Módulo de resiliencia (Mr)……………………………………128 Coeficiente de capa (ai)………………………………………..130 Número estructural (SN)………………………………………136 Cálculo del tránsito equivalente acumulado…………………..137 Diseño estructural de la carretera……………………………..139. Método del Instituto del Asfalto…………………………...140 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5. Criterios de diseño…………………………………………….141 Análisis del tráfico…………………………………………….142 Caracterización de los materiales……………………………..142 Efectos del medio ambiente…………………………………...143 Procedimiento de diseño………………………………………145. 6. Descripción del método para revisar secciones………153 6.1 6.2 6.3. Fatiga en los materiales del pavimento……………………155 Procedimiento de revisión del diseño de un pavimento…...157 CEDEM (Cálculo de Esfuerzos y Deformaciones en Estructura Multicapa)……………………………………...158 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4. Datos…………………………………………………………..158 Información de la estructura…………………………………..159 Resultados……………………………………………………..161 Verificación del diseño de las secciones de pavimento flexible…………………………………………………….......162. 7. Desarrollo del catálogo de secciones de pavimento para México…………………………………………………..165 7.1. Tránsito (W18)……………………………………………...165 7.1.1 7.1.2. 7.2. Terracerías según normatividad……………………………172 7.2.1 7.2.2 7.2.3. 7.3. Procedimiento de cálculo ejemplificado………………………165 Clasificación del tránsito……………………………………...171 Terracerías de carreteras con tránsito “T1”……………………174 Terracerías de carreteras con tránsito “T2” y “T3”…………….174 Terracerías de carreteras con tránsitos desde “T4” hasta “T7”...174. Definición de las estructuras de pavimento contenidas en el catálogo propuesto…………………………………………175 7.3.1 7.3.2 7.3.3. Estructuras para carreteras con tránsito “T1”………………….175 Estructuras para carreteras con tránsito “T2”………………….176 Estructuras para carreteras con tránsito “T3”………………….177.

(7) 7.3.4 7.3.5 7.3.6 7.3.7. 7.4. Estructuras para carreteras con tránsito “T4”………………….178 Estructuras para carreteras con tránsito “T5”………………….179 Estructuras para carreteras con tránsito “T6”………………….180 Estructuras para carreteras con tránsito “T7”………………….181. Criterios para la elección del Valor Relativo de Soporte a usar en el catálogo propuesto…………………………………...181. 8. Conclusiones y recomendaciones……………………...187 8.1 8.2 8.3 8.4. Beneficios que aporta el catálogo………………………….187 Tránsito…………………………………………………….188 Estructuras de pavimento…………………………………..188 Aspectos a considerar y desarrollar………………………..189. Anexo A: Catálogo de secciones de pavimento flexible para México. Anexo B: Tablas de coeficientes de daño AASHTO.

(8) Prefacio En este trabajo de tesis se presenta como resultado un catálogo de secciones de pavimento flexible para distintas condiciones de tráfico y de terreno. Se partió desde los conceptos más básicos que incluyen los mecanismos y agentes de deterioro de las carreteras, sus tipos de falla, tipos de pavimento, las características superficiales que deben cumplir y obviamente su comportamiento estructural. A continuación se dio una vista importante a los principios teóricos y fundamentales para el diseño de las carreteras, los factores de diseño generales y se mostraron las características más importantes de los distintos tipos de métodos de diseño, como son los empíricos, limitantes de fallas, limitantes de deflexiones, de regresión, aquellos mecanísticos-empíricos y algunos otros desarrollos; poniendo especial énfasis en los catálogos de secciones de pavimentos desarrollados en España y Francia. Además se incluye la parte que interesa de la normatividad mexicana, como lo es la manera de clasificar las carreteras y la descripción general de lo que sería un proyecto de pavimento junto con las características generales de calidad para los distintos materiales. Para el diseño de las secciones se ocuparon tres métodos de diseño, el método de la AASHTO (American Association of State Highway and Transportatio), el de la UNAM (Universidad Nacional Autónoma de México) y el del Instituto del Asfalto, los cuales se describieron paso a paso. Una vez que se tuvieron las secciones diseñadas de manera preliminar, se comprobó que el diseño de éstas fuera correcto. Así que mediante el programa del CEDEM (Cálculo de Esfuerzos y Deformaciones de Estructura Multicapa) se obtuvo los esfuerzos, deformaciones y deflexiones para compararlos con los límites admisibles dados por las leyes de fatiga de los materiales. Es necesario señalar que todo el desarrollo del catálogo de secciones de pavimento flexible se encuentra descrito en este trabajo, donde incluso en la parte final se dan algunas conclusiones y recomendaciones importantes para su utilización y futuro desarrollo..

(9) 1.. Introducción. El pavimento de una carretera o de una calle está constituido por un conjunto de capas colocadas horizontalmente sobre el terreno, siendo su función: proporcionar en todo tiempo una superficie cómoda y segura para la circulación de vehículos y transmitir las solicitaciones del tráfico suficientemente amortiguadas al terreno para que puedan ser soportadas. En el diseño y proyecto de un pavimento tenemos que tener en cuenta dos aspectos fundamentales. Por una parte, su función resistente que nos determinará los materiales y los espesores de las capas que habremos de emplear en su construcción y por otra parte, su función y finalidad, que nos definirá las condiciones de textura y acabado que debemos exigir a las capas superiores del pavimento para que estas resulten seguras y confortables. El fallo de un firme se produce precisamente cuando la calidad de rodadura desciende por debajo de unos umbrales en que la conducción de los vehículos no se puede hacer de forma segura ni confortable. El deterioro del firme se inicia cuando la carretera se pone en servicio y empiezan a circular los vehículos. Este deterioro también se ve afectado por la acción de los factores y agentes climatológicos (lluvia, hielo, aire, sol, etc.) que incluso sin tráfico pueden afectar el pavimento seriamente. El correcto diseño y dimensionamiento estructural de un pavimento depende además de utilizar materiales adecuados, espesores y acabados específicos que hemos de mantener mediante la oportuna técnica de conservación y rehabilitación durante toda su vida de servicio. El pavimento de una carretera puede estar compuesto por materiales muy diferentes que se pueden agrupar por su comportamiento y respuesta en cuatro tipologías de pavimentos: • • • •. Pavimentos flexibles (base hidráulica) Pavimentos flexibles (base asfáltica) Pavimentos semirrígidos (base tratada con cemento hidráulico) Pavimentos rígidos (pavimento de concreto hidráulico). Cada uno de estos tipos de firme tiene unas propiedades funcionales y un comportamiento ante los agentes de deterioro distintos. Es precisamente este comportamiento el que hemos de tener en cuenta tanto en su diseño (estructural y funcional) como en su mantenimiento y rehabilitación.. 1.1. Mecanismos y agentes de deterioro. Una vez puesto en servicio un tramo de carretera, nuevo o reparado, va poco a poco perdiendo sus características iniciales de funcionalidad y resistencia. Diversos factores 1.

(10) inciden y determinan este proceso de deterioro. Por una parte están los factores relacionados con el mismo pavimento: espesores, materiales y ejecución, que podríamos considerar como los agentes pasivos del proceso y por otra parte los agentes activos, verdaderos causantes de este deterioro, que son el tráfico y los factores ambientales. Los agentes activos de deterioro son dos variables complejas, difíciles de definir, que depende cada una de ellas de un conjunto diverso de elementos. Así, el tráfico esta unido al número de ejes, la carga por eje, la velocidad de circulación, la regularidad superficial del firme (cargas dinámicas) etc. Resulta difícil en la mayoría de los métodos de dimensionamiento y en los sistemas de gestión reducir el tráfico a un número de aplicaciones de ejes equivalentes. Esto supone conocer muy bien su composición y el efecto que sobre el deterioro del firme tiene cada uno de ellos. Cada eje actúa sobre el pavimento transmitiendo una solicitación horizontal y otra vertical. Esto se traduce en el tiempo en un deterioro del pavimento que se manifiesta principalmente en los siguientes tipos de fallo: . Fisuración por fatiga Desprendimiento de gravillas o pulimento de los áridos Deformaciones Hundimiento de las gravillas. A efectos de proyecto y conservación de firmes, la climatología de una zona está asociada con las variaciones diarias y estacionales de la temperatura, pluviosidad y heladicidad de la zona. Este factor no siempre es tenido en cuenta en el dimensionamiento y conservación de los firmes, pero su efecto puede tener especial importancia sobre: . La colocación de los materiales asfálticos Fisuras por esfuerzos térmicos Fisuras y degradaciones superficiales por efecto del hielo Pérdida de la capacidad portante del terreno en periodo de deshielo o húmedos Una posible agravación de los deterioros en invierno por acción de los fundentes químicos (mantenimiento invernal). El que los factores activos de deterioro produzcan uno u otro tipo de fallo depende, además de su intensidad, de la tipología del pavimento, distinguiéndose a estos efectos cuatro tipos de firmes con cuatro tipologías diferentes: . Pavimentos flexibles (base hidráulica) Pavimentos flexibles (base asfáltica) Pavimentos semirrígidos (base tratada con cemento hidráulico) Pavimentos rígidos (pavimento de concreto hidráulico). Sobre ellos inciden los dos agentes activos del deterioro, el tráfico y la climatología originando en cada caso un tipo particular de fallo.. 2.

(11) 1.2. Tipos de falla, funcional y estructural. Se clasifican en dos tipos: a) Estructural.- Colapso de la estructura del pavimento o de alguno de sus componentes, de tal manera que el pavimento es incapaz de soportar las cargas o bien, se reduce a una interrupción en su continuidad o integridad. Puede degenerar en falla funcional. b) Funcional.- El pavimento no cumple con su función primordial, provocando incomodidad e inseguridad en el usuario, así como esfuerzos imprevistos en los vehículos. No siempre está acompañada de falla estructural.. 1.3. Tipos de pavimentos y modos de deterioro. En general las capas que conforman tanto los pavimentos flexibles con base hidráulica, como los flexibles con base asfáltica y aquellos semirrígidos (base tratada con cemento hidráulico) tienen la distribución que se muestra en la siguiente figura 1.1, donde es necesario mencionar que tanto el número de capas como su distribución y espesor depende del tipo de pavimento flexible del que se trate, del terreno donde se cimentará, del tráfico, de los agentes climatológicos, calidad de los materiales empleados, etc. Figura 1.1. Capas constituyentes de un pavimento flexible típico.. En un pavimento flexible tradicional, las capas del pavimento las conforman de abajo hacia arriba, a partir de la capa sub-base, base y carpeta de concreto asfáltico. Las terracerías serían desde el cuerpo de terraplén, la capa sub-yacente y la sub-rasante.. 3.

(12) Pavimentos flexibles (base hidráulica) Estos pavimentos se caracterizan por estar constituidas sus capas de base y sub-base por un material granular y estar recubiertos por una carpeta de concreto asfáltico. En este tipo de pavimentos son las capas granulares las que deben resistir fundamentalmente las acciones del tráfico. La capa de rodadura sirve para impermeabilizar el pavimento, soportar los efectos abrasivos del tráfico y proporcionar una capa de rodadura cómoda y segura. Las capas granulares deben soportar las fuertes solicitaciones normales del tráfico y transmitirlas a las terracerías y al terreno natural lo suficientemente amortiguadas para que puedan ser soportadas. Estas capas trabajan por rozamiento interno de su esqueleto mineral y en su comportamiento es muy importante la resistencia al desgaste y a la atricción de los áridos (agregados) que la componen. Cuando se emplean áridos poco resistentes aumenta el contenido de finos y con ello la deformabilidad de la capa. Por otra parte es conveniente que las capas inferiores del pavimento sean lo más permeable posible con el objetivo de dar fácil salida al agua infiltrada. Son pavimentos cuyas capas granulares se caracterizan de abajo hacia arriba con una capacidad de soporte creciente y una permeabilidad decreciente. El modo de producirse el fallo en este tipo de pavimentos es por deformaciones excesivas. Como consecuencia de las sucesivas aplicaciones de cargas, el pavimento va deformándose principalmente en la zona de rodadura, hasta alcanzar unos límites intolerables. También puede producirse el fallo estructural de este pavimento por fisuración por fatiga de su capa de rodadura, caos, por ejemplo, que ésta tenga cierto espesor, de 4 a 8 cm, trabaje a flexotracción y las capas granulares resulten flexibles y elásticas. En este caso la repetición de cargas acabará produciendo por fatiga la fisuración en malla fina de la capa de rodadura al mismo tiempo que aparecen baches y fisuras longitudinales en los bordes del pavimento. Aparte de estos deterioros que indican un fallo estructural, en este tipo de pavimentos se manifiestan también otros fallos, localizados en su superficie, que pueden repercutir negativamente sobre la capacidad del servicio prestado por el pavimento a los usuarios. Estos fallos son los siguientes: . Pérdida de la microtextura (pulimento del árido grueso) Pérdida de la macrotextura (incrustación de gravillas, exudaciones) Peladuras, descamaduras Desprendimiento de los áridos Deformaciones en la capa de rodadura (roderas, ondulaciones, arrollamientos) Baches Fisuras (juntas, transversales, parabólicas, erráticas…). Estos fallos son debidos principalmente a la acción abrasiva del tráfico y a la acción destructiva y de envejecimiento ocasionada por los agentes atmosféricos, aunque a veces puede también ser debidas al empleo de materiales inadecuados o a una mala ejecución.. 4.

(13) Por último, indicar los blandones o hundimientos que son fallos localizados y que normalmente están unidos a una falta de drenaje o rotura del mismo o a una degradación o contaminación de las capas inferiores. Pavimentos flexibles (base asfáltica) Este tipo de pavimentos que normalmente se ocupan en autopistas y carreteras principales, está compuesto por una base que recibe un tratamiento de mezcla asfáltica recubierta de la carpeta de concreto asfáltico. La sub-base puede ser granular o bien tratada con un ligante hidráulico (suelo-cemento o también tratada con una mezcla asfáltica). En este tipo de pavimentos, la capa de base trabaja a flexotracción, con una cierta rigidez, disminuyendo notablemente las solicitaciones que llegan a las terracerías y al terreno natural, o bien, puede comportarse como un material más flexible, transmitiendo tensiones en una mayor proporción. En el primer caso el fallo estructural del pavimento es por fisuración de sus capas de contenido asfáltico (base y carpeta) por fatiga (piel de cocodrilo), mientras que en el segundo caso el fallo sería por deformaciones excesivas, al igual que ocurre con los firmes de base granular. Debido a las características particulares de las capas asfálticas y a su susceptibilidad térmica, en el dimensionamiento de estos pavimentos y en el análisis de su comportamiento habrá que tener en cuenta ambos modos de deterioro, ya que ambos pueden presentarse conjuntamente. Otro modo de deterioro que habrá que considerar es su fisuración por retracción térmica. Aunque no es el caso de nuestro país, en climas muy fríos hay que estudiar este tipo de fallo en función de su retracción térmica y la resistencia a tracción de la mezcla bituminosa. También puede producirse el fallo de este tipo de pavimento por fisuración en forma de malla gruesa que está asociado a un infradimensionamiento de las capas de contenido asfáltico o a una falta de adherencia entre estas y las capas granulares. En ambos casos, las tensiones a los que está sometida la capa de concreto asfáltico son muy fuertes lo que conduce rápidamente a su fisuración en mallas largas. Respecto a los fallos que aparecen en superficie son los mismos que en el caso anterior y vienen motivados también por los mismos factores: tráfico, agentes atmosféricos, materiales inadecuados y mala ejecución. Pavimentos semirrígidos (bases tratadas con cemento hidráulico) El pavimento semirrígido se diferencia de los otros dos tipos de firmes considerados, firmes flexibles por una mayor rigidez de las capas que lo componen, en particular de su capa base. Esta capa de base puede ser de concreto hidráulico o bien lo que es más común, de 5.

(14) una base granular tratada con un ligante hidráulico o puzolánico. La capa sub-base suele ser de material granular, a veces también estabilizado. En este tipo de pavimentos es fundamentalmente la capa de base la que debido a su mayor rigidez, absorbe la mayor parte de los esfuerzos verticales, que llegan a la explanada muy amortiguados. El mecanismo de deterioro que produce su fallo es debido precisamente los esfuerzos de flexotracción a los que está sometida la capa base y que con el tiempo, debido a un proceso de fatiga, produce su fisuración. El fallo se manifiesta con la aparición en superficie de fisuras que evolucionan a una fisuración en malla fina. Cabe destacar que pequeñas variaciones en el espesor este tipo de pavimento en su capa base arrastran fuertes variaciones en la su vida de diseño. Otro tipo de fallo estructural que suele producirse en este tipo de firme es la fisuración en malla gruesa de la capa de rodadura con surgencia de lechada. Este tipo de fallo está asociado a una falta de cohesión del material tratado. Cuando el material de la capa de base es de mala calidad o ha sido puesto en obra defectuosamente no adquiere la suficiente cohesión y se comporta como un material granular. Esto se traduce en un aumento de las tensiones a que están sometida la capa de mezcla asfáltica que rápidamente se fisura. La pérdida de adherencia de la carpeta asfáltica respecto a la base tratada puede ser también causa de deterioro y ruina del pavimento con la aparición de baches, fisuras, desprendimientos, etc. Este fallo puede estar asociado al empleo de un espesor insuficiente en las capas del pavimento; a no haber conseguido una buena adherencia base-carpeta durante la ejecución de este, o bien al empleo de carpetas permeables que faciliten el acceso del agua a la zona de contacto base-carpeta. En su deterioro superficial aparecen los mismos fallos que en los dos casos anteriores, aunque en este caso hay que señalar la aparición con gran profusión de fisuras transversales en la capa de rodadura. Estas fisuras pueden aparecer cada 3 o 4 metros y proceden de las grietas de retracción que de la capa base se propagan a la carpeta. Pavimentos rígidos (concreto hidráulico) Un pavimento de concreto hidráulico está constituido por una losa de concreto que puede ser colocada directamente sobre las terracerías o bien intercalando una capa base de soporte que puede o no estar tratada como lo muestra la figura 1.2 siguiente:. 6.

(15) Figura 1.2. Capas constituyentes de un pavimento de concreto hidráulico típico. En este pavimento la losa de concreto actúa al mismo tiempo como capa de rodadura y como capa de base. La capa intermedia que se coloca (base) entre la losa de concreto y las terracerías no tiene un fin estructural comúnmente, sino mas bien el de proporcionar una superficie de apoyo adecuada a la losa de hormigón y facilitar la construcción de ésta. Dentro de los pavimentos de concreto hidráulico se distinguen: ¾ Pavimentos de concreto de losas cortas, 5-6 metros, concreto en masa y juntas con o sin pasadores ¾ Pavimentos de concreto de losas largas de concreto armado y juntas con pasadores ¾ Pavimentos de concreto armado continuos ¾ Pavimentos de contracto pretensados El fallo estructural de este pavimento es por fisuración por fatiga. Sin embargo, no es éste fallo el más frecuente, sino que éstos suelen ser superficiales, afectando fundamentalmente la calidad de rodadura del firme. Estos defectos provienen del estado de las juntas, del estado de la superficie de la losa y de la situación relativa entre losas (escalonamiento). ¾ En las juntas se detecta el desprendimiento del producto de sellado, el envejecimiento del mismo, lo que lo vuelve frágil y desagradable; y también el desconchado de la junta ¾ En la losa se aprecian peladuras, desconchados y pérdidas de árido grueso. Consecuencia de la acción abrasiva del tráfico y de la intemperie o bien como resultado del empleo de materiales de baja calidad También pueden aparecer en la losa fisuras de retracción si se retrasa el serrado de las juntas y fisuras en las esquinas debido a una falta de apoyo o sobrecarga de la misma. El escalonamiento entre losas o marcha en escalera es debido a una degradación de las condiciones de apoyo de la losa, lo que provoca un basculamiento de la misma.. 7.

(16) Es posible asimismo que se produzca el combado de las losas y el pandeo de las mismas como consecuencia de los esfuerzos térmicos. La mayor parte de estos defectos no existen en los pavimentos de hormigón armados continuos, salvo que sean debidos a una mala ejecución en obra.. 1.4. Características superficiales de los pavimentos. Normalmente al proyectar un pavimento solemos prestarle gran atención a su función estructural y no le damos tanta importancia a su aspecto funcional. Sin embargo, esta característica del pavimento es fundamental y va teniendo más peso a medida que los usuarios, peatones y la comunidad en general nos exigen mayores niveles de calidad y bienestar. Las características o cualidades funcionales residen fundamentalmente en su superficie. De su acabado y de los materiales que se hayan empleado en su construcción dependen aspectos tan interesantes como: 1.2.3.4.5.6.7.8.9.-. La adherencia del neumático al pavimento Las proyecciones de agua en tiempo de lluvia El desgaste de los neumáticos El ruido en el exterior y en el interior del vehículo La comodidad y estabilidad en marcha Las cargas dinámicas del tráfico La resistencia a la rodadura (consumo de combustible) El envejecimiento de los vehículos Las propiedades ópticas. Estos aspectos funcionales del firme están principalmente asociados con la textura y regularidad superficial del pavimento. En la figura 1.3 puede observarse la incidencia de cada uno de estos factores sobre las cualidades del firme. Dentro de la textura se suele distinguir entre la microtextura, que son las irregularidades superficiales del pavimento menores de 0.5 mm, la macrotextura, que son las de 0.5 a 50 mm y la mega textura con irregularidades de 50 a 500 mm. La primera sirve para definir la aspereza del pavimento, la segunda su rugosidad y la tercera está más asociada con los baches o peladuras que puede haber en el firme. Por otra parte, la irregularidad superficial está asociada con ondulaciones de longitudes de onda mayores de 0.5 m. Como puede observarse en dicha figura, la microtextura, la aspereza del pavimento, es necesaria para conseguir una buena adherencia. La macrotextura es necesaria para mantener esa adherencia a altas velocidades o con el pavimento mojado. La macrotextura mejora también la visibilidad con pavimento mojado, elimina o reduce los fenómenos de reflexión de la luz, que tienen lugar en los pavimentos lisos mojados y mejor la percepción de las marcas viales. Por el contrario, los pavimentos rugosos, con fuerte macrotextura, producen un mayor desgaste de los neumáticos y suelen resultar ruidosos.. 8.

(17) Figura 1.3. Efecto de las características superficiales sobre las cualidades funcionales de los firmes.. La mega textura y la falta de regularidad superficial resultan indeseables desde cualquier punto de vista. Inciden negativamente sobre la comodidad y aumentan el ruido de rodadura, los gastos de mantenimiento de los vehículos y los de conservación de la vía. 1.4.1. Adherencia. De todas las propiedades que debe reunir una capa de rodadura desde el punto de vista de la seguridad, indudablemente la adherencia es la propiedad fundamental. Una adherencia adecuada nos permite mantener la trayectoria deseada y reducir la distancia de frenado. La adherencia entre el neumático y la superficie del pavimento es debida a las interacciones moleculares que se producen en el área de contacto. Esta adherencia por interacción molecular constituye el principal sumando de la adherencia total que encuentran los vehículos en su rodadura. El otro sumando que debemos considerar en la adherencia se debe a la histéresis producida por las irregularidades del pavimento, a las que el neumático se va adaptando, contrayéndose y alargándose, durante el deslizamiento del vehículo. La adherencia por interacción molecular entre el neumático y la superficie del pavimento es un fenómeno complejo en el que intervienen diferentes factores. El contacto que se produce entre ambas superficies depende no sólo de la velocidad del vehículo, de las características. 9.

(18) del neumático y de la textura de la capa de rodadura, sino también de los factores ambientales a que está sometido el pavimento, en especial de la lluvia y el hielo. Así una película de agua de cierto espesor o una placa de hielo sobre la superficie del pavimento puede llegar a reducir considerablemente y hasta anular el contacto entre este y el neumático. Normalmente la adherencia por interacción molecular predomina sobre la adherencia por histéresis. Así, cuando el efecto de la presencia de agua sobre el pavimento u otras razones, se anula la adhesión por contacto, la adherencia total es muy pequeña y el peligro de accidente por vuelco o deslizamiento es importante. En general sobre la superficie seca y limpia se consigue una buena adhesión entre el neumático y el pavimento y la resistencia al deslizamiento será alta. Pero cuando existe una película de agua en el área de contacto, la adhesión no se desarrollará completamente y la resistencia al deslizamiento disminuirá. En presencia de agua, en la superficie de contacto se distinguen tres zonas típicas, recogidas en la figura 1.4. Figura 1.4. Zonas de contacto entre el neumático y la superficie del pavimento en presencia de agua.. Zona 1: El pavimento está cubierto por una película continua de agua, por lo que no hay contacto neumático-pavimento. Zona 2: Se trata de una zona de transición, en la que existe un contacto parcial en algunos puntos donde ha llegado a romperse la continuidad de la película de agua. Zona 3: El agua ha sido expulsada y se ha establecido la adherencia entre el neumático y el pavimento. Cuando al paso de las ruedas de los vehículos, el agua sólo puede ser expulsada parcialmente, se produce una pérdida de adherencia entre el vehículo y la carretera que a veces puede ser total.. 10.

(19) Por otra parte, la presencia de agua en la superficie de contacto, produce una presión dinámica sobre el neumático que tiende a despegarlo de la superficie de rodadura, siendo esta presión creciente con el cuadrado de la velocidad. Para evitar que se produzca esta pérdida parcial o total de contacto entre ambas superficies, fenómeno conocido con el nombre de hidroplaneo (también llamado acuaplaneo), es preciso que a través de los canales y dibujos del neumático y del pavimento se pueda evacuar la película de agua interpuesta. Es decir, en presencia de agua, para que se produzca la adherencia neumático-pavimento es necesario: 9 Desplazar el agua bajo el neumático 9 Romper la película de agua para que se establezca el contacto del neumático con el pavimento La capacidad del pavimento para evacuar el agua de la superficie del pavimento se ve favorecida empleando capas de rodadura de macrotextura rugosa y alta permeabilidad. Una textura rugosa facilita la expulsión de agua, especialmente con neumáticos lisos, se opone a que el agua se vaya acumulando delante del neumático, facilitando su expulsión lateral y ofrece en caso de evacuación parcial del agua un mayor porcentaje de resaltos y zonas donde se pueden producir contactos parciales, especialmente a alta velocidad. Si por otra parte la capa es muy permeable el agua podrá ser evacuada a través de ella y conducida lateralmente a los arcenes. El efecto que la macrotextura y la aspereza superficial del pavimento (microtextura) tienen sobre la adherencia entre el neumático y la superficie del pavimento, en presencia o no de agua, puede ser evaluado mediante la realización de diferentes tipos de ensayos. En ellos se determina la resistencia que ofrecen los distintos tipos de pavimento, figura 1.5, al deslizamiento de un neumático en unas determinadas condiciones. Estas medidas pueden realizarse a distintas velocidades, estando la superficie del pavimento seca o mojada con distinto espesor de la película de agua.. 11.

(20) Figura 1.5. Clasificación de los pavimentos atendiendo a su macrotextura y microtextura superficial.. Los resultados obtenidos, figura 1.6, indican que a bajas velocidades, inferiores a 50 km/h, el agua es desplazada fácilmente por la rueda. El coeficiente de resistencia al deslizamiento depende fundamentalmente de las asperezas del pavimento (microtextura), que rompen la película de agua y se adhieren al neumático. Figura 1.6. Coeficiente de fricción en relación con la velocidad para diferentes profundidades de agua.. 12.

(21) Al aumentar la velocidad es más difícil desplazar el agua y la resistencia al deslizamiento disminuye. Esta pérdida será tanto más notable cuanto menor sea la macrotextura del pavimento y mayor sea el espesor de la película de agua sobre éste. En la misma figura puede observarse como el nivel crítico del coeficiente de resistencia al deslizamiento a partir del cual se considera que se produce el fenómeno de hidroplaneo, se alcanza en pavimentos de macrotextura rugosa con espesores de agua superiores de 5 mm y a altas velocidades, mientras que en pavimentos de macrotextura lisa, es posible que se produzca el fenómeno de hidroplaneo con espesores de 1mm y a una velocidad de 90 km/h. Por lo tanto, una superficie rugosa y a su vez áspera es la más adecuada para carreteras en las que se desarrollan altas velocidades. En la tabla 1.1 se recogen las recomendaciones sobre la macrotextura que deben tener los pavimentos de acuerdo con las condiciones de tráfico del proyecto. Tabla 1.1. Recomendaciones sobre la macrotextura.. PROFUNDIDAD DEL CÍRCULO DE ARENA (mm) < 0.2 0.2 – 0.4 0.4 – 0.8 0.8 – 1.2 > 1.2. EVALUACIÓN DEL PAVIMENTO Textura muy fina. A proscribir. Textura fina. Sólo en tramos donde raramente se superan los 80 km/h. (P. Ej.: Áreas urbanas) Textura media. Para tramos normales con velocidades moderadas. (80 – 120 km/h) Textura gruesa. Para tramos con velocidades superiores a 120 km/h. Textura muy gruesa. Para casos especiales con peligro de deslizamiento.. La acción del tráfico, en especial el pesado, tiende a modificar la textura del pavimento. Si la resistencia al pulimento del árido es baja, la microtextura pasará de áspera a pulimentada en poco tiempo. También se puede ver modificada la macrotextura de la mezcla por exudación del ligante, reamasado de la mezcla o por desgaste del mortero, esto último especialmente en pavimentos de concreto. En la tabla 1.2 se recogen las recomendaciones relativas al valor del coeficiente de pulimento acelerado del árido empleado en la construcción de pavimentos de concreto asfáltico en función de el uso del mismo. Se recomienda un valor mínimo de 0.45 para tráfico pesado y 0.4 para tráfico ligero. Tabla 1.2. Recomendaciones para el coeficiente de pulimento acelerado.. CPA < 0.35. CALIFICACIÓN Deficiente. 0.35 – 0.45. Regular. 0.45 – 0.55. Bueno. > 0.55. Muy bueno. COMENTARIOS En principio no debe usarse en capas de rodadura. A emplear sólo cuando las características del trazado y del tráfico sean favorables. A emplear cuando las características del trazado y del tráfico son desfavorables (curvas, intersecciones, alta velocidad, tráfico denso).. 13.

(22) 1.4.2. Ruido por circulación. Se define en general como ruido como una compleja mezcla de sonidos que interfieren en alguna actividad humana. En el caso del transporte por carretera es el conjunto de sonidos emitidos por el vehículo que inciden en el confort de sus ocupantes y molesta a los vecinos de las carreteras. El efecto o incidencia que puede tener un ruido es diverso, ya que depende no sólo de la magnitud física de la excitación sino también de aspectos subjetivos y sociológicos de los afectados. No obstante, se han definido diferentes umbrales o niveles de perturbación basados en las características físicas del ruido emitido. Se suele valorar el nivel de ruido de un sonido a partir de su espectro de frecuencias. La vibración acústica, función del tiempo, que registra el micrófono es transformada en una función de frecuencias. Se obtiene así los diferentes sonidos puros que componen el ruido y la frecuencia, denominada fundamental, de máxima amplitud, figuras 1.7 y 1.8. Figura 1.7. Representación temporal de una señal acústica.. Figura 1.8. Representación espectral.. Un sonido puro viene caracterizado por la frecuencia y la presión acústica de la onda senoidal que lo produce. La frecuencia es el número de pulsaciones por segundo y su unidad es el hercio, Hz. La presión acústica es la diferencia entre la presión total instantánea en un punto determinado, en presencia de la onda acústica, y la presión estática en el mismo punto. Su unidad es el Pascal, Pa.. 14.

(23) Más frecuente es definir un sonido por frecuencia y su nivel de presión acústica, medido este último en decibelios, dB. El nivel de presión acústica se obtiene a partir de la presión acústica mediante la siguiente expresión: Lp = 20 log P/P0 Donde: P: presión acústica, en Pa presión acústica de referencia que se establece en 2x10-5 Pa (umbral de audición del P0: oído humano) El hecho de emplear este sistema de unidades supone también un cambio de sensibilidad en el sistema de medida. Una variación de tan sólo 5 decibelios puede suponer el doblar la presión acústica de la onda de incidencia. Así, pasar de 70 a 75 decibelios corresponde a un aumento de la presión acústica de 63.245x10-6 Pa a 1120468x10-6 Pa. La disminución de tan sólo un decibelio significa en todo caso una importante reducción de la presión acústica de la onda media. Otra característica importante de un sonido es su sonoridad, sensación sonora producida por el mismo a un oyente. Esta sensación, nivel de sonoridad, depende fundamentalmente de la intensidad y frecuencia del sonido, siendo la sensibilidad del oído humano mayor a los sonidos agudos (altas frecuencias) que a las graves (bajas frecuencias). De acuerdo con esto, se han establecido curvas iso-sónicas, que indican la variación de la presión con la frecuencia para que el hombre perciba un nivel de sonoridad constante, figura 1.9. Figura 1.9. Curvas de iso-sonoridad.. 15.

(24) Las curvas iso-sónicas han servido de base para establecer unas curvas de ponderación que permiten corregir la diferencia de sonoridad de los sonidos con la frecuencia, y que son aplicadas a los diferentes sonidos para determinar su nivel de sonoridad a partir de su presión acústica, figura 1.10. De estas curvas de ponderación, suele emplearse la escala <A> en la determinación del ruido emitido por los vehículos: LP (A) [f] = LP [f] + A [f] Donde: LP (A) [f]: LP [f]: A [f]:. nivel de sonoridad, en dBA nivel de presión acústica, en dB decibelios de la curva de ponderación A para la frecuencia f. Figura 1.10. Curvas de ponderación.. Finalmente, dado que el ruido está compuesto por sonidos de distinta intensidad y frecuencia, espectro de frecuencias, su nivel de sonoridad se determina a partir de los niveles de sonoridad de cada uno de los sonidos puros que lo componen mediante la siguiente expresión: LP (A) = 10 log [Σ 10[Lpi (A) / 10]] Sobre esta base teórica se han establecido diversos sistemas de medida que son empleados en valorar los diferentes tipos de ruidos emitidos a la atmósfera; Vehículos, aviones, máquinas, etc. Cada uno tiene su procedimiento y aparatos de medición y es importante tenerlo en cuenta al comparar diferentes resultados.. 16.

(25) 1.4.3. Optimización de las características acústicas de los pavimentos. Una de las principales fuentes emisoras de ruido en la circulación de los vehículos es el ruido de rodadura. Este es el principal componente de ruido total en la circulación de vehículos ligeros y tan importantes como el emitido por el motor en la circulación de vehículos pesados, tabla 1.3. Tabla 1.3. Niveles de ruido obtenidos con vehículos ligeros y pesados circulando a diferentes velocidades.. VELOCIDAD DE LOS VEHÍCULOS (Km/hr) 20 80. NIVELES DE RUIDO. CATEGORÍA DE VEHÍCULO. RODADURA. MOTOR. TOTAL. Pesado Ligero Pesado Ligero. 61 58 79 76. 78 64 85 74. 78 65 86 78. El ruido que se produce en el contacto neumático pavimento es debido a los siguientes mecanismos: ⇒ La respuesta en vibración de los neumáticos producida por los movimientos verticales debidos a la textura del revestimiento y de los neumáticos. ⇒ Las excitaciones locales generadas por la sucesión de adherencia y deslizamiento producida por la deformación del neumático. ⇒ Fenómenos de compresión y expansión de bolsas de aire aprisionadas entre los dibujos de los neumáticos y los huecos del revestimiento. ⇒ Los ruidos de origen aerodinámico causados por la turbulencia producida por los dibujos del neumático en movimiento. Experimentalmente se ha obtenido que sobre este mecanismo de ruido los factores que más influyen sean los siguientes: Textura y estado de deterioro del pavimento Diferentes autores han puesto de manifiesto la notable influencia que sobre el ruido de rodadura tiene el tipo de pavimento. Existiendo diferencias hasta de más de 15 dB(A) entre los pavimentos de concreto hidráulico y los de asfalto. Los más ruidosos han resultado algunos de tipos de pavimento de concreto hidráulico con un terminado con rasurado transversal. Dentro de este tipo de pavimento se observan muy fuertes variaciones, de 76 a 85 dB(A), aunque con niveles más bien altos en todos los casos. Al mismo nivel que los pavimentos más ruidosos de hormigón están los pavimentos de adoquín, 80-84 dB(A), y con pequeñas variaciones de nivel sonoro entre ellos.. 17.

(26) A continuación se encuentran los pavimentos de concreto asfáltico tradicionales: tratamientos superficiales y mezcla asfáltica, con niveles de sonoridad bastante diferente entre ellos, 72-80 dB(A), dependiendo de su rugosidad. Por último y como pavimentos más silenciosos aparecen los pavimentos de concreto asfáltico con granulometría abierta, 69-77 dB(A), también llamados de tipo drenantes, desarrolladas y empleadas en estos últimos años con el fin de mejorar la seguridad y las condiciones de circulación con lluvia en vías rápidas. En general se ha comprobado un aumento de ruido con la textura del pavimento. Existen longitudes de onda críticas para la textura del revestimiento, última capa del pavimento, hacia 50-100 mm, que producen un aumento notable en el ruido de rodadura, sobre todo en bajas frecuencias (≤ 1,000 Hz). Este es el caso, por ejemplo, del pavimento con adoquín. El estado de deterioro del pavimento aumenta también con el ruido de contacto neumáticopavimento, sobretodo, cuando existe un deterioro que conduce a texturas no homogéneas. Tipo y dimensiones del neumático El nivel sonoro se reduce cuando se disminuye la anchura y se aumenta el diámetro del neumático. Los neumáticos de estructura radial resultan menos ruidosos. Asimismo, algunos ruidos de alta frecuencia pueden ser amortiguados modificando las características mecánicas de las zonas empleadas o el dibujo del neumático. Velocidad El nivel ruido es creciente con la velocidad añadiendo un factor a considerar que es la resistencia al aire, que al aumentar con la velocidad, también lo hará el nivel de ruido provocado por este factor. Estado del pavimento Un revestimiento mojado (capa de rodadura) tiene en general un nivel sonoro superior a un revestimiento seco Este fenómeno es sensible sobretodo en frecuencias medias y altas. Los estudios iniciales sobre ruido parecían llevar a la conclusión de que no era posible conseguir al mismo tiempo firmes seguros y de rodadura silenciosa. Lograr una buena adherencia neumático-pavimento en presencia de agua o a altas velocidades supone el empleo de capas de rodadura dotadas de una elevada textura. Esto lleva consigo un aumento del nivel de ruido emitido por el vehículo. No obstante, las técnicas de carreteras han conseguido romper este dilema seguridad-ruido con el empleo de nuevos materiales y nuevas técnicas. En el caso de los pavimentos densos estos estudios han mostrado, (Sandberg, 1980), que el ruido de rodadura está asociado con dos longitudes de onda críticas de las irregularidades superficiales del pavimento.. 18.

(27) 9 Por una parte, las irregularidades de longitud de onda próxima a 80 mm. Al aumentar la amplitud de este tipo de irregularidades, aumenta el ruido de rodadura, sobre todo a bajas frecuencias. 9 Por el contrario, cuando las irregularidades de longitud de onda próximas a 3 mm aumentan en amplitud, disminuye el ruido de rodadura a bajas frecuencias (< 1,000 Hz). Respecto al comportamiento frente al ruido de los aglomerados porosos, parece que existe una clara relación entre el producto del porcentaje de poros por el espesor de capa y la disminución de ruido de un aglomerado poroso frente a uno denso convencional (Descornet 1988). ∆L = 0.005 n * e Donde: ∆L: disminución del nivel sonoro equivalente, en dB(A) n: porosidad de la mezcla, en % e: espesor de capa, en mm Esto quiere decir que puede obtener una reducción significativa de ruido del orden de 4 dB(A) si empleamos una capa drenante de 4 cm de espesor y un porcentaje de huecos superior al 20%. 1.4.4. Regularidad superficial. La regularidad superficial de un pavimento, su uniformidad, es la propiedad principal que requiere un usuario cuando circula por una carretera, ya que de ella va a depender su comodidad. Para que una carretera resulte confortable a los usuarios a la vez que segura para la circulación de los vehículos, la superficie del pavimento no deberá prestar ningún tipo de resalto, oquedades u ondulaciones que produzcan en el interior del vehículo en marcha, aceleraciones que afecten a los pasajeros. La falta de regularidad de un pavimento se puede definir como la diferencia existente entre la superficie teórica y la real del pavimento. El estudio de la regularidad superficial de un pavimento, separación vertical entre la superficie teórica y la real, es un problema tridimensional, sin embargo, por simplicidad, sólo se verifica la regularidad de su perfil longitudinal y transversal. La falta de regularidad en el perfil longitudinal es causa de cabeceos en los vehículos en movimiento, mientras que la falta de regularidad transversal origina el balanceo de los mismos.. 19.

(28) Por otra parte, al hablar del efecto de la regularidad superficial del pavimento sobre la comodidad de los usuarios que circulan sobre él, hemos de tener en cuenta otros factores que también influyen o al menos condicionan este efecto. En primer lugar, el grado de comodidad de una vía es muy relativo, puesto que cada uno aprecia a través del modo de conducir, suspensión del vehículo, duración del viaje, etc. Esto explica que no haya podido establecerse una correlación clara entre las medidas de la regularidad superficial del pavimento y las apreciaciones sobre su comodidad dadas por los diferentes usuarios del mismo. Generalmente se cuantifica la noción de comodidad por las aceleraciones experimentadas por los pasajeros del vehículo, referidas a unas gamas de frecuencias dadas. Estudios ergonómicos han puesto de manifiesto que el efecto de incomodidad que producen los movimientos de cabeceo y balanceo en los viajeros dependen no sólo de las aceleraciones que los producen, sino también de la frecuencia de los movimientos oscilatorios a que se ven sometido éstos. Estos estudios indican que las frecuencias que resultan más molestas para los usuarios de los vehículos están comprendidas entre 1 y 15 Hz. Para esta gama de frecuencias, los umbrales de aceleración que producen en los viajeros sensación de incomodidad, molestias o desórdenes físicos, son los siguientes: Umbral de percepción Umbral de molestias Umbral de desórdenes físicos. → → →. entre 0.01 y 0.015 m/s2 entre 0.4 y 1 m/s2 a partir de 2 m/s2. Además, es dentro de esta gama de frecuencias donde se suelen producir fenómenos de resonancia: frecuencias de 1-3 Hz para la masa suspendida del vehículo y entre 5 y 15 Hz, para el pasajero sentado sobre su asiento. Los movimientos oscilatorios comprendidos fuera de estas frecuencias, resultan muy amortiguadas por el efecto de la suspensión. Esto puede apreciarse en la figura 1.11, donde se presenta una función de transferencia tipo. Figura 1.11. Variación de la relación de amplitudes de la aceleración y el perfil de la carretera con la frecuencia de oscilación.. 20.

(29) Las posibles ondulaciones que presenta el pavimento son pues causa de molestias e incluso de riesgo. Dependiendo su incidencia de la amplitud y frecuencia de las vibraciones que provoquen. Para estudiar el efecto de las irregularidades que el perfil longitudinal tiene sobre la comodidad suele considerarse por separado la contribución de las diferentes ondas que lo componen. Por otra parte, se consideran las ondas de longitud corta (1-3 m) que son, para las velocidades normales de circulación, las que fundamentalmente inciden sobre la seguridad del vehículo, figura 1.12. Para estas longitudes de onda, la administración española recomienda limitar a 6 mm la amplitud de la oscilación, si se requieren eliminar las sensaciones de inconfortabilidad en vehículos ligeros, y a 1 mm, si se quiere incluso eliminar su percepción por los viajeros. Figura 1.12. Análisis de las longitudes de onda que afectan la comodidad y la seguridad en función de la velocidad.. Para longitudes de onda media (13-40 m), que son las que inciden más directamente sobre la comodidad de los viajeros, es recomendable fijar unos valores en la amplitud de oscilaciones para los niveles de confortabilidad y percepción, de 50 y 5 mm, respectivamente.. 21.

(30) En la tabla 1.4 aparecen los valores recomendados por la administración francesa para la amplitud de las oscilaciones relativas a los niveles de aceptabilidad e inaceptabilidad, obtenidos para diferentes longitudes de ondas a partir de una encuesta entre los usuarios. Tabla 1.4. Amplitudes medias aceptables e inaceptables.. Umbral Aceptable Umbral Inaceptable. ONDAS CORTAS (1 a 3.3 m) 2 mm 3 mm. PEQUEÑAS ONDAS (3.3 a 13 m) 4 mm 8.5 mm. GRANDES ONDAS (13 a 40 m) 14 mm 27 mm. Estos valores son orientativos y pueden ir variando con el tiempo y según las administraciones al mejorar la calidad de los vehículos, la exigencia de los viajeros y las técnicas de construcción. Las ondas de gran longitud (mayores de 40 m) no son tenidas en cuenta normalmente al hablar de la seguridad superficial. Estas ondas no afectan a la comodidad, pero producen en el usuario sueño y cansando del que el conductor no es consciente, por lo que pueden ser peligrosas y producir graves accidentes. Por otro lado, la falta de una buena regularidad transversal, impide la adecuada evacuación del agua de la superficie del pavimento. La presencia de roderas en este hace que el agua se acumule en ellas aumentando el riesgo de deslizamiento y el posible vuelco por hidroplaneo. La profundidad de las roderas se limita a 0.5 cm en concepto de confort y a 34 cm por seguridad. 1.4.5. Características ópticas. A la hora de optimizar un revestimiento de una carretera tanto desde el punto de vista de seguridad como de comodidad, además de exigir una adecuada adherencia, regularidad y un nivel sonoro admisible, es necesario exigir unas características ópticas que nos permitan una buena percepción, tanto de día como de noche, de los posibles obstáculos y señales, ya que son factores que inciden fundamentalmente en la seguridad de los usuarios. Estudios realizados en diversos países, ha llegado a la conclusión que para intensidades de tráfico iguales: ⇒ El índice de accidentes durante la noche es del orden de 2 a 3 veces superior al del día. ⇒ Los accidentes de noche son generalmente más graves que los de día. ⇒ Las salidas de la carretera son más frecuentes de noche que de día, así como los choques por alcance, colisiones frontales y laterales, accidente con peatones, animales y obstáculos laterales. Esta incidencia del número y la gravedad de accidentes se ve potenciada negativamente cuando a la noche se le suman condiciones climatológicas desfavorables.. 22.

(31) La percepción de un objeto de unas dimensiones dadas depende del contraste que este objeto presenta sobre el fondo sobre el que destaca, y para los usuarios de las carreteras este fondo es la última capa del pavimento (revestimiento). Matemáticamente el contraste se define como: C = 100 (L0 – Lf) / Lf Donde: C: contraste, en % L0: luminosidad del objeto, en Lux Lf: luminosidad del fondo, en Lux El valor de C a partir del cual se puede apreciar un objeto depende de numerosos factores, entre los que podemos citar el tamaño del objeto, posibles deslumbramientos, etc. Pero en general para las condiciones normales este valor puede se puede encontrar próximo al 20%. Si comparamos las características ópticas de una carretera seca y mojada, observamos que estas varían notablemente. Cuando la carretera está seca la reflexión se realiza de una forma difusa, figura 1.13, pero si sobre la carretera tenemos una película de agua, esta actúa como un espejo, pasando de una reflexión difusa a una especular, incidiendo negativamente en la visibilidad. Asimismo, se aumenta el peligro de deslumbramiento por los focos de los vehículos que circulan en dirección contraria y por las superficies luminosas, tales como anuncios luminosos o los propios puntos de alumbrado público. Figura 1.13. Principales modos de reflexión de la luz.. Esto nos indica que una carretera que presente una buena evacuación de agua superficial, además de incidir favorablemente en la adherencia, mejora notablemente las características ópticas de la misma. Las mezclas asfálticas porosas son en estos casos dominios muy favorables, ya que tienen una gran adherencia y facilitan la evacuación del agua superficial.. 1.5. Comportamiento estructural de los pavimentos flexibles. Como el tema de este trabajo está referido a los pavimentos asfálticos, el comportamiento estructural que se mostrará en este apartado será enfocado a estos.. 23.

(32) Solicitaciones y cizallamiento Las solicitaciones que ocurren en los pavimentos flexibles bajo carga es algo complejo; recientes cálculos rutinarios de esas solicitaciones fueron desarrollados. Utilizando un modelo básico elástico de dos capas, la relación entre el espesor de las capas y las solicitaciones en los pavimentos flexibles es representada en las figuras siguientes. Figura 1.14. Solicitaciones verticales típicas en un pavimento flexible compuesto de 2 capas. ("E" refiere a los espesores de las capas).. Se nota que cuando las dos capas tienen la misma tiesura, la tensión adentro de la estructura disminuya de manera muy progresiva con la profundidad. Si la capa superior es más tiesa que la capa inferior, las solicitaciones son absorbidas de manera más rápida. Otras razones entre los espesores pueden ser inferidos a partir de estas dos curvas. Figura 1.15. Solicitaciones horizontales típicas en un pavimento flexible compuesto de 2 capas.. 24.

(33) La parte alta de la capa superior trabaja en compresión mientras la parte inferior trabaja en tracción – similarmente a una viga bajo carga. La capa inferior experimenta compresión cerca de la unión, compresión que disminuye con la profundidad. Figura 1.16. Cizallamiento en un pavimento flexible compuesto de 2 capas.. Se nota que cuando las dos capas tienen la misma tiesura, el cizallamiento adentro de la estructura se disipa de manera muy progresiva con la profundidad. Si la capa superior es más tiesa que la capa inferior, aparece un cizallamiento importante en el centro de la capa superior. Flexión Los pavimentos asfálticos se llaman "flexibles" puesto que la estructura total del pavimento "se dobla" o "desvía" las cargas del tráfico, confía en una capa superficial flexible que transmite las solicitaciones a las capas inferiores para que estas lleguen suficientemente amortiguadas al terreno natural. A diferencia de los pavimentos de concreto hidráulico llamados “rígidos”, debido a su alta rigidez (tiesura), tiende a distribuir la carga sobre un área relativamente amplia del subsuelo. La mayoría de la capacidad estructural del pavimento rígido reside en la losa de concreto. El pavimento flexible utiliza una capa superficial más flexible y distribuye cargas sobre un área más pequeña, como lo muestra la figura 1.17 mostrando un sistema simple de tres capas de pavimento para el flexible y dos capas para el rígido.. 25.

(34) Figura 1.17. Distribución de las cargas en los pavimentos flexibles y rígidos.. La figura 1.18 demuestra esquemáticamente cómo los pavimentos flexibles desvían las solicitaciones. Un deflectómetro se puede utilizar para determinar exactamente las características de la flexión de los pavimentos en servicio. Figura 1.18. Flexión por diferentes espesores de pavimentos (por cada curva fue considerado el mismo material).. 26.

(35) El pavimento con un mayor espesor tiene menos flexión al punto de aplicación del cargamento. La flexión disminuye gradualmente alejándose del punto de aplicación. El pavimento delgado se dobla substancialmente al punto de aplicación del cargamento. La flexión disminuye rápidamente alejándose del punto de aplicación.. 27.