Análisis del deterioro de las losas de concreto de la troncal del sistema de transporte masivo Transmilenio de la Avenida Caracas en Bogotá

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Universidad de los Andes

Facultad de Ingeniería

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental

Proyecto de Grado

Ingeniería Civil

ANÁLISIS DEL DETERIORO DE LAS LOSAS DE CONCRETO DE LA TRONCAL

DEL SISTEMA DE TRANSPORTE MASIVO TRANSMILENIO DE LA AVENIDA

CARACAS EN BOGOTÁ

Presentado por:

Aura María Rodríguez Ruiz

Asesora:

Silvia Caro Spinel, Ph.D

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TABLA DE CONTENIDO

TABLA DE CONTENIDO ... 2

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LISTA ANEXOS ... 8

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Anexo 1. Registro de Datos IDU – Inspeccion Propia ... 8

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Anexo 2. Valores deducidos ... 8

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Anexo 3. Pavement Condition Index (PCI) para pavimentos asfaltcios y de concreto en carreteras, Vasquez 2002 ... 8

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Anexo 4. Calculo PCI ... 8

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Anexo 5. Curvas de Deterioro . Troncal Caracas Transmilenio ... 8

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1

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INTRODUCCIÓN ... 9

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2

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OBJETIVOS ... 10

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2.1

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 10

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3

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ANTECEDENTES ... 12

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4

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MARCO TEÓRICO ... 16

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4.1

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INGENIERIA DE PAVIMENTOS ... 16

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4.1.1

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DEFINICIÓN DE PAVIMENTO ... 16

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4.1.2

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PAVIMENTOS RIGIDOS ... 17

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CONCEPTOS BÁSICOS DE LA INGENIERÍA DE PAVIMENTOS ... 18

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4.1.2.1

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Relleno Fluido ... 18

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4.1.2.2

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Fenómeno de Bombeo ... 18

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4.1.2.3

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Mantenimiento Correctivo ... 18

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4.1.2.4

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Mantenimiento Preventivo ... 19

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4.1.2.5

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Mantenimiento Rutinario ... 19

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4.2

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TIPOS DE FALLA EN PAVIMENTOS RÍGIDOS ... 19

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4.2.1

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Blowup – Buckling ... 19

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4.2.3

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Losa Dividida ... 22

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4.2.4

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Grieta de Durabilidad “D” ... 23

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4.2.5

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Escala o Dislocamiento ... 25

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4.2.6

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Daño del sello de la junta ... 26

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4.2.7

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Grietas Lineales (longitudinales, transversales y diagonales) ... 27

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4.2.8

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Desconchamiento, mapa de grietas, craquelado, descascaramiento ... 30

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5

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METODOLOGÍA Y RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN ... 32

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6

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MODELO PARA EL ANÁLISIS DEL DETERIORO DE LAS LOSAS DE CONCRETO 34

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6.1

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ÍNDICE DE CONDICIÓN DEL PAVIMENTO (PCI – Pavement Condition Index) ... 34

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6.2

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DETERIORO DE LOS TRAMOS A TRAVES DEL TIEMPO ... 44

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7

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CONCLUSIONES ... 48

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TABLA DE FIGURAS

Figura 4-1 Blowup / Buckling de alta severidad.. Fuente:

http://www.pavementinteractive.org/article/blowup/ ... 20

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Figura 4-2 Grieta de severidad media. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia 22

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Figura 4-3 Losa Dividida de Baja Severidad. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia ... 23

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Figura 4-4 Grieta de Durabilidad de Baja Severidad. Troncal Caracas de Transmilenio Fuente: Propia ... 24

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Figura 4-5 Escala o dislocamiento de media severidad. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia ... 25

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Figura 4-6 Daño del sello de la junta de baja severidad. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia ... 27

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Figura 4-7 Grieta Transversal de Baja Severidad. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia ... 29

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Figura 4-8 Grieta Transversal de Severidad Media. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia ... 29

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Figura 4-9 Grieta Transversal de Alta Severidad. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia ... 30

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Figura 4-10 Descascaramiento de Alta Severidad. Fuente: Pavement Condition Index(PCI) para Pavimentos Asfálticos y de Concreto en Carreteras, Ingepav ... 31

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Figura 6.1-1 Clasificación de fallas. IDU. Fuente: Instituto de Desarrollo Urbano (IDU), elaboración propia. ... 37

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Figura 6.1-2 Registro inspección IDU. Fuente: Instituto de Desarrollo Urbano (IDU), elaboración propia. ... 37

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Figura 6.1-3 Contabilización de número de losas por tipo de daño y severidad en cada tramo. Fuente: Elaboración propia. ... 39

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5 Figura 6.1-4 Densidad por unidad de muestreo para cada tipo de daño y severidad en cada tramo. Fuente: Elaboración propia. ... 40

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Figura 6.1-5 Valores deducidos. Fuente: Elaboración propia. ... 41

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Figura 6.1-6 Valores deducidos de mayor a menor. Fuente: Elaboración propia. Anexo 2 ... 43

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TABLA DE CUADROS

Cuadro 4-1 Niveles de Severidad para Losa Dividida. Fuente: Pavement Condition Index(PCI) para Pavimentos Asfálticos y de Concreto en Carreteras, Ingepav ... 22

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TABLAS

Tabla 3-1 Parámetros de diseño Av. Caracas y Autopista Norte. Fuente: Estudio de tránsito de SD&G (SD&G 200) ... 13

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Tabla 3-2 Número de ejes estándar para el diseño. Fuente: Estudio de tránsito de SD&G (SD&G 200) ... 13

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Tabla 6.1-1. Rangos de Calificación del PCI. Fuente: Pavement Condition Index(PCI) para Pavimentos Asfálticos y de Concreto en Carreteras, Ingepav ... 35

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LISTA ANEXOS

Anexo 1. Registro de Datos IDU – Inspeccion Propia

Anexo 2. Valores deducidos

Anexo 3. Pavement Condition Index (PCI) para pavimentos asfaltcios y de concreto en carreteras, Vasquez 2002

Anexo 4. Calculo PCI

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1 INTRODUCCIÓN

Uno de los objetivos principales al diseñar y construir un pavimento es prestar un nivel de servicio excelente a los usuarios, integrando tanto la duración de la estructura, como la comodidad y la seguridad para los usuarios, sin dejar atrás que la obra debe ser económicamente viable en el tiempo.

La construcción de la troncal del sistema Transmilenio en la Avenida Caracas en Bogotá se ha visto empañada por el deterioro prematuro de las losas de pavimento, pues es un hecho habitual las continuas reparaciones que se realizan en ésta. Una explicación de lo anterior se debe a la vida útil, entendida como el periodo comprendido entre la construcción o reconstrucción del pavimento y el momento en que logra un nivel de rendimiento mínimo, que tienen las losas de la troncal de Transmilenio es mucho menor que el inicialmente diseñado.

Ahora bien, lo antepuesto es importante si se tiene en cuenta que aunque el pavimento de la troncal de la avenida Caracas en Bogotá se encuentra constituida por un pavimento rígido, estructuras que usualmente tienen una vida útil de entre 20 y 40 años, en la actualidad su duración no alcanza ni la cuarta parte de lo que en realidad se debería esperar.

En este orden de ideas, el presente trabajo de grado pretende analizar el deterioro del pavimento en la Troncal Caracas, mediante la cuantificación de curvas de deterioro típicas de algunos tramos, que reflejen el comportamiento y la rapidez del daño del pavimento a través del tiempo.

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2 OBJETIVOS

El objetivo principal de este estudio es realizar un estudio técnico sobre el comportamiento del pavimento rígido empleado en la Troncal Caracas del sistema Transmilenio en Bogotá Colombia.

El contexto del problema se basa en que desde el inicio de la etapa operacional del sistema masivo Transmilenio, las losas han presentado fallas severas y, en la mayoría de los casos, no cumplen con el ciclo de vida esperado para éste tipo de estructuras. Este tipo de fallas afecta principalmente la seguridad del sistema y el servicio prestado a los usuarios del mismo.

Este estudio estará centrado principalmente en la Troncal Caracas por su estado crítico, ya que en 10 años ha sido necesario reparar el 22% de su infraestructura, número considerablemente alto comparado con las otras troncales del sistema donde ha sido necesario reparar menos del 8% de su infraestructura. De igual manera, al ser una de las troncales más antiguas y más afectadas por su deterioro se dispone de más información y estudios previos, lo cual hace parte de la estructura principal del presente proyecto.

La hipótesis en la que se basará éste análisis es que la estrategia actual empleada para las reparaciones en la troncal Caracas no es sostenible en el largo plazo, por lo cual es necesario evaluar otras estrategias de intervención que provean una solución más eficiente a esta problemática.

2.1 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Para el desarrollo del proyecto se contemplan los siguientes objetivos específicos:

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• Recopilación de información de estudios previos sobre el comportamiento de la malla

vial del Sistema de Transporte Masivo Transmilenio, especialmente en la troncal Caracas.

• Identificación de la metodología empleada en el seguimiento de la funcionalidad de

las losas de concreto.

• Análisis de curvas de deterioro para determinar el comportamiento de las losas

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3 ANTECEDENTES

Con base en información recopilada en el documento “Diagnóstico de la Rehabilitación de las Troncales de Transmilenio de la Avenida Caracas y de la Autopista Norte de Bogotá” (Sáenz 2010), se presentan a continuación los principales antecedentes en los cuales se basó el desarrollo de esta investigación.

La Sociedad Empresa de Transporte del Tercer Milenio TRANSMILENIO S.A se constituyó en 1999 bajo la administración del entonces alcalde Enrique Peñalosa, con el fin de gestionar, organizar y planear el servicio de transporte público masivo urbano de pasajeros en Bogotá. Los diseños de este proyecto incluían la implementación de estaciones de plataforma elevada en el carril central, con carriles exclusivos en vías parcialmente segregadas para los BRT (Bus Rapid Transit), vehículos destinados a este sistema masivo. El ejecutor encargado de realizar las obras que modificarían el trazado geométrico y secciones transversales de la Caracas, fue el Instituto de Desarrollo Urbano (IDU), encargado de coordinar las obras viales y de espacio publico de la ciudad de Bogotá. Estos trabajos iniciaron en el 2000, convirtiendo la avenida en una vía constituida por dos calzadas para transito mixto y dos calzadas para el uso exclusivo de los BRT, implementados en el sistema Transmilenio. El 18 de Diciembre de 2000 inició operaciones el Sistema de Transporte Masivo Transmilenio con 34 buses, en la troncal Caracas y la calle 80.

Los estudios y diseños del proyecto estuvieron a cargo de la firma Steer Davies &Gleave (SD&G), la construcción de la infraestructura a cargo de la firma Castro Tcherassi – Equipos Universal y la interventoría por parte de Ingetec S.A. y La Viabilidad. El costo total de la Troncal Caracas fue de $39.941 millones precios de 2004. Este valor incluye el valor de la infraestructura vial, de espacio público y las estaciones del sistema, pero excluye la construcción de puentes vehiculares.

Los aportes para pagar estas obras se obtuvieron a partir de recursos provenientes del IDU. Estos recursos se consiguieron mediante transferencias ordinarias que se lograron a través de rubros del distrito, otorgados por la Secretaria de Hacienda y procedentes de la sobretasa de la gasolina en el momento y de un porcentaje de las infracciones de tránsito,

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13 asá como de transferencias de la nación mediante capital otorgado por el Gobierno Nacional, en una parte, y la otra parte por medio de financiación del Banco Mundial, a través de un conjunto de créditos y donaciones.

Los criterios de diseño implementados por la firma Steer Davis & Gleave se presentan en la tabla 4-1 y el número equivalente estimado de ejes de 8.2 ton de diseño en la tabla 4-2.

Tabla 3-1 Parámetros de diseño Av. Caracas y Autopista Norte. Fuente: Estudio de tránsito de SD&G (SD&G 200)

Tabla 3-2 Número de ejes estándar para el diseño. Fuente: Estudio de tránsito de SD&G (SD&G 200)

Dentro de los estudios se contemplaron varios diseños de pavimentos para las vías que iban a ser transitadas por los BRT, entre ellos la implementación de pavimentos rígidos que incluían relleno fluido como material de la capa de base soporte de las losas de

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14 concreto en las zonas de ampliación, zonas donde actualmente se ubican las estaciones. Finalmente la técnica seleccionada para la rehabilitación de la troncal fue Whitetopping, la cual utiliza el pavimento existente como base de losas de concreto para generar mayor estabilidad y reducir los costos de construcción, la cual incluía el uso de relleno fluido, un 50% proporcionada por la empresa Asocreto, y un 50% por la cementera Argos.

El espesor de las losas de concreto en los diseños fue de 22 cm para el pavimento de las estaciones y de 20 cm para el carril mixto. Estos diseños además incluían pasadores de acero cada 30 cm de 7/8” de diámetro para las losas de 22 cm y de ¾” de diámetro para las losas de 20 cm, junto con barras de anclaje de 120 cm. Vale mencionar que en estos diseños no se consideraron sistemas de drenaje. En las figuras 4-1 y 4-2 se presentan las estructuras típicas de los pavimentos por S&G.

Figura 3-1 - Estructura de pavimento típica S&G. Fuente: Sáenz, 2010

Figura 3-2 Estructura de pavimento zonas de ampliación SD&G. Fuente: Sáenz, 2010

Sin embargo, en Diciembre de 2000 las losas de concreto hidráulico, implementadas en las vías como pavimento rígido, comenzaron a presentar fallas, debido al sistema de drenaje ineficiente que presentaban las estructuras, lo cual causó que el agua ingresara

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15 por medio de las juntas de las losas, filtrándose debajo de esta y causando el fenómeno de bombeo. Esta situación generó que el relleno fluido utilizado como material de base se erosionara, generando espacios o socavaciones, dejando las losas en sistemas similares a los de voladizo en donde debieron soportar condiciones estructurales diferentes a las diseñadas. Como consecuencia, las losas empezaron a presentar fallas prematuras debido a la pérdida de estabilidad en la capa de base.

A partir de este momento, se iniciaron esfuerzos constantes para controlar las fallas progresivas en las troncales de la Avenida Caracas y de la Autopista Norte. Estudios señalan que una opción de rehabilitación, tal vez más sostenible, es la de implementar estructuras homogéneas de pavimento a lo largo de las troncales. En el proyecto de grado “Diagnóstico de la Rehabilitación de las Troncales de Transmilenio de la Avenida Caracas y de la Autopista Norte en Bogotá” (Sáenz, 2010), se presenta un análisis que indica que la vida útil de 20 años estimada para las estructuras de pavimento no se han cumplido y que en menos de 11 años de servicio la Troncal Caracas ha requerido una intervención en más del 22% de su área total.

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4 MARCO TEÓRICO

A continuación, y antes de entrar en detalle sobre el desarrollo de este estudio, se presenta los fundamentos básicos relacionados con la teoría de pavimentos y la evaluación de deterioro del pavimento como herramienta en Gestión Vial, los cuales incluyen conceptos básicos de ingeniería y tipos de falla en concreto hidráulico, que permitirán al lector tener conocimiento durante el posterior desarrollo del estudio.

4.1 INGENIERIA DE PAVIMENTOS

4.1.1 DEFINICIÓN DE PAVIMENTO

Montejo (2010) explica que un pavimento está constituido por un conjunto de capas superpuestas, relativamente horizontales, que se diseñan y construyen con materiales apropiados y adecuadamente compactados. Estas estructuras estratificadas se apoyan sobre la subrasante de una vía y deben resistir adecuadamente los esfuerzos que las cargas repetidas del tránsito le transmite durante el periodo para el cual fue diseñada la estructura de pavimento, así como las condiciones ambientales de la zona en la cual se localiza el proyecto.

Los siguientes requisitos los debe reunir un pavimento para cumplir adecuadamente sus funciones (Montejo 2010):

- Ser resistente a la acción de cargas impuestas por el transito - Ser resistente a agentes de intemperismo

- Presentar una superficie apta para las velocidades previstas de circulación de los vehículos, ya que tiene una alta influencia en la seguridad vial; así mismo, debe ser resistente al desgaste producido por el contacto con las llantas de los vehículos (mínima rugosidad y control de alisamiento de la capa superficial despavimento)

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17 - Presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en función de las longitudes de onda de deformación y de las velocidades de circulación.

- Ser durable

- Presentar condiciones adecuadas respecto al drenaje

- Controlar el ruido que se genera por el contacto de las llantas y la capa de rodadura

- Ser económico

- Poseer el color adecuado para evitar reflejos y deslumbramiento y ofrecer al mismo tiempo una adecuada seguridad al transito

Los pavimentos se clasifican en pavimentos flexibles, pavimentos articulados, pavimentos semirrígidos y pavimentos rígidos. Para efectos del desarrollo de este proyecto de grado, se profundizará en los Pavimentos Rígidos.

4.1.2 PAVIMENTOS RIGIDOS

Los pavimentos rígidos son aquellos que se encuentran constituidos por una losa de concreto hidráulico, apoyada sobre la subrasante o sobre una capa de material seleccionado denominada subbase o base del pavimento rígido. Debido a la alta rigidez del concreto, la distribución de los esfuerzo se produce en una zona muy amplia, razón por la cual el concreto es capaz de resistir esfuerzos a tensión por flexión (Montejo 2010). Vale la pena mencionar que la capacidad estructural de un pavimento rígido depende fundamentalmente de la resistencia de las losas; en otras palabras, la responsabilidad de la integridad estructural de estos pavimentos recae casi por completo en las losas de concreto, dejando poca responsabilidad para resistir las cargas de tráfico en las capas subyacentes.

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Losas de concreto: Las losas proporcionan una superficie uniforme y estable al

tránsito. Su principal función es resistir los efectos de las cargas vehiculares generadas por el tráfico, así como los efectos abrasivos del tránsito.

Bases o Subbase: La función más importante es proveer un soporte continuo,

estable y duradero a las losas de concreto, con el objetivo fundamental de evitar el deterioro de estas losas por el efecto de erosión o bombeo a través de las juntas, grietas y extremos del pavimento. Esta capa también sirve como de transición entre los altos módulos de las losas y los bajos módulos de la subrasante.

CONCEPTOS BÁSICOS DE LA INGENIERÍA DE PAVIMENTOS

4.1.2.1 Relleno Fluido

Es un material de alta fluidez producido al mezclar cemento, agregados finos, agua y aditivos. De acuerdo al número 51 de la revista Noticreto (Asocreto, 1999) es un material que se caracteriza por su gran capacidad de soporte estructural y estabilidad de volumen. Su resistencia a la compresión puede variar entre los 3,5 Kg/cm2 y los 85 Kg/cm2 y se ha utilizado como material para bases y sub bases de pavimentos y para rellenos de zanjas y tuberías.

4.1.2.2 Fenómeno de Bombeo

El fenómeno de erosión o bombeo consiste en la pérdida de material fino con agua fuera de la estructura del pavimento, debido a la infiltración de agua por las juntas de las losas. El agua que penetra a través de las juntas licua el suelo fino de la subrasante facilitando así su evacuación bajo la presión por las cargas circulantes a través de las losas (Montejo, 2010).

4.1.2.3 Mantenimiento Correctivo

Es el grupo de actividades que buscan corregir fallas de mediana y alta severidad que presentan las vías y que requieren de intervención inmediata, con el fin de ofrecer un adecuado nivel de servicio a los usuarios (Consorcio Tranvía 2007).

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4.1.2.4 Mantenimiento Preventivo

Son el grupo de actividades que evitarán el deterioro en el futuro de la vía y que buscan mejorar sus características para garantizar un nivel de servicio adecuado durante el periodo para el que fue diseñada. En pavimentos rígidos el cambiar los sellos de las juntas, colocar sobrecarpetas de refuerzo de material asfáltico sobre losas que aún no han fallado y construir obras de drenaje, son ejemplos de actividades que constituyen el mantenimiento preventivo (Consorcio Tranvía 2007).

4.1.2.5 Mantenimiento Rutinario

Son los procesos que buscan disminuir el deterioro normal de las obras y mantener la vía en condiciones de servicio adecuadas, tales como limpieza de cunetas y bermas, limpieza de pozos de inspección y sumideros, sellado de fisuras en losas de concreto, mantenimiento del sello de juntas en áreas que han sido reparadas y limpieza de vallados (Consorcio Tranvía 2007).

4.2 TIPOS DE FALLA EN PAVIMENTOS RÍGIDOS

A continuación se describen los principales tipos de daños o fallas que ocurren en los pavimentos rígidos (Vásquez, 2002):”

4.2.1 Blowup – Buckling

Descripción: Los blowup o buckles ocurren en tiempo cálido, generalmente en una grieta

o junta transversal que no permite la expansión de la losa, causado generalmente por la infiltración de materiales incompresibles en el espacio de la junta. Cuando la expansión no disipa la energía suficiente, ocurre un movimiento hacia arriba de los bordes de la losa (Buckling) o fragmentación de los alrededores de la junta.

Niveles de severidad:

Bajo: Calidad de transito de baja severidad.

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20 Alto: Calidad de transito de alta severidad.

Medida: En una grieta, se cuenta un blowup como presente en la losa, pero si este se

presenta en una junta que afecte a dos losas, se cuenta en ambas; si el blowup deja inutilizable el pavimento debe ser reparado de inmediato.

Reparación en función del nivel de severidad:

Bajo: No se hace nada. Parcheo profundo o parcial.

Medio: Parcheo profundo. Reemplazo de la losa.

Alto: Parcheo profundo. Reemplazo de la losa.

Figura 4-1 Blowup / Buckling de alta severidad.. Fuente:

http://www.pavementinteractive.org/article/blowup/

4.2.2 Grieta de Esquina

Descripción: es una grieta que intercepta las juntas de una losa a una distancia menor o

igual que la mitad de la longitud de las mismas en ambos lados, medida desde la esquina de la losa. Se diferencia de un descascaramiento de esquina en que en este caso la grieta intercepta la junta en un ángulo, mientras que la grieta de esquina atraviesa todo el

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21 espesor de la losa. La repetición de cargas combinada con la perdida de soporte y los esfuerzos de alabeo ocasionan las grietas de esquina.

Niveles de severidad:

Bajo: Grieta de baja severidad si el área entre la grieta y las juntas está ligeramente agrietada.

Medio: Grieta de severidad media si el área entre la grieta y las juntas presenta una grieta de severidad media.

Alto: Grieta de severidad alta si el área entre la grieta y las juntas está muy agrietada.

Medida: se registra como una losa dañada si:

1. Tiene solo una grieta de esquina.

2. Contiene más de una grieta de una severidad similar.

3. Contiene dos o más grietas de severidades diferentes. (mayor nivel de severidad)

Reparación en función del nivel de severidad:

Bajo: No se hace nada. Sellado de grietas de más de 3 mm.

Medio: Sellado de grietas. Parcheo profundo.

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Figura 4-2 Grieta de severidad media. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia

4.2.3 Losa Dividida

Descripción: Debido a sobrecargas o soporte inadecuado, la losa se divide por grietas en

cuatro o más pedazos.

Niveles de severidad: Los niveles de severidad en los cuales se clasifica este daño se

presentan en el cuadro 3.1.

Severidad de la mayoría de las grietas

Número de pedazos en la losa agrietada

4 a 5 6 a 8 8 o más

B B B M

M M M A

A M M A

Cuadro 4-1 Niveles de Severidad para Losa Dividida. Fuente: Pavement Condition Index(PCI) para Pavimentos Asfálticos y de Concreto en Carreteras, Ingepav

Medida: según severidad.

Reparación en función del nivel de severidad:

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23 Medio: Reemplazo de la losa.

Alto: Reemplazo de la losa.

Figura 4-3 Losa Dividida de Baja Severidad. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia

4.2.4 Grieta de Durabilidad “D”

Descripción: causadas por la expansión de los agregados grandes debido al proceso de

congelamiento y descongelamiento, que con el tiempo lleva a la perdida de agregados y fractura gradualmente el concreto. Usualmente aparece como un patrón de grietas paralelas y cercanas a una junta o una grieta lineal.

Niveles de severidad:

Bajo: cubren menos del 15% del área de la losa. La mayoría de las grietas están cerradas, pero se pueden haber desprendido algunas piezas.

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24 - Cubren menos del 15% del área de la losa, pero una gran cantidad de

piezas se han desprendido o pueden removerse con facilidad

- Cubren más del 15% del área de la losa. La mayoría de las grietas están cerradas, pero pueden haberse desprendido algunas piezas.

Alto: cubren más del 15% del área de la losa y la mayoría de los pedazos se han desprendido o pueden removerse con facilidad.

Medida: se califica por nivel de severidad, con unidad de una losa. Si se encuentra más

de un nivel se severidad dentro de la misma losa, ésta se califica con el nivel de severidad más alto encontrado en la misma.

Reparación en función del nivel de severidad:

Bajo: No se hace nada.

Medio: Parcheo profundo. Reconstrucción de juntas

Alto: Parcheo profundo. Reconstrucción de juntas. Reemplazo de losa.

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25 4.2.5 Escala o Dislocamiento

Descripción: diferencia de nivel a través de la junta. Se puede presentar por un

asentamiento de una fundación blanda, bombeo o erosión del material debajo de la losa o alabeo de los bordes de la losa por cambios de temperatura o humedad.

Niveles de severidad:

Bajo: si diferencia en elevación está entre 3 y 10 mm.

Medio: si diferencia en elevación está entre 10 y 19 mm.

Alto: si diferencia en elevación es mayor a 19 mm.

Medida: se cuentan las losas afectadas. No se cuentan como daño pero se consideran

para definir la severidad de las grietas.

Reparación en función del nivel de severidad:

Bajo: No se hace nada.

Medio: Fresado.

Alto: Fresado.

Figura 4-5 Escala o dislocamiento de media severidad. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia

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26 4.2.6 Daño del sello de la junta

Descripción: condición que permite que el suelo se acumule dentro de las juntas, o

permite infiltración de agua. La presencia de material incompresible dentro de la junta impide que la losa se expanda y puede ocasionar fragmentación, levantamiento o descascaramiento de los bordes de la junta. Un material sellante adecuado de alta durabilidad impide que anterior ocurra. Los tipos de daño de junta que se pueden presentar son:

- Desprendimiento del sellante de la junta - Extrusión del sellante

- Crecimiento de vegetación

- Endurecimiento del material llenante

- Perdida de adherencia a los bordes de la losa - Falta o ausencia del sellante en la junta

Niveles de severidad:

Bajo: sellante en buena condición en toda la sección, se comporta bien, sólo con daño menor.

Medio: condición regular en toda la sección, con uno o más de los tipos de daños en grado moderado. Requiere reemplazo en dos años .

Alto: condición buena en toda la sección, con uno o más de los tipos de daños en grado severo. Reemplazo inmediato.

Medida: se evalúa con base en la condición total del sellante en toda el área.

Reparación en función del nivel de severidad:

Bajo: No se hace nada.

Medio: Resellado de juntas.

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Figura 4-6 Daño del sello de la junta de baja severidad. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia

4.2.7 Grietas Lineales (longitudinales, transversales y diagonales)

Descripción: causadas usualmente por una combinación de la repetición de las cargas

de tránsito y el abaleo por gradiente térmico o por gradientes de humedad. Las grietas de baja severidad están relacionadas con el alabeo o la fricción y no se consideran daños estructurales importantes. Las grietas capilares, que son de poca longitud y no se propagan en la totalidad del área, se contabilizan como grietas de extensión, mientras que las que dividen la losa se contabilizan como losas dividas.

Niveles de severidad:

Losas sin refuerzo

Bajo: Grietas no selladas (incluyente llenante inadecuado) con ancho menor de 12.0 mm, o grietas selladas de cualquier ancho con llenante en condición satisfactoria. A diferencia de los niveles de severidad medio y alto, en este nivel no existe una escala numérica de clasificación.

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28 Medio: existe una de las siguientes condiciones:

1. grieta no sellada con ancho entre 12.0 mm y 51.0 mm.

2. grieta no sellada de cualquier ancho hasta 51.0 mm con escala menor que 10.0 mm.

3. grieta sellada de cualquier ancho con escala menor que 10.0 mm.

Alto: existe una de las siguientes condiciones:

1. Grieta no sellada con ancho mayor que 51.0 mm.

2. Grieta sellada o no de cualquier ancho con escala mayor que 10.0 mm.

Losas con refuerzo

Bajo: grietas no selladas con ancho entre 3.0 mm y 25.0 mm, o grietas selladas de cualquier ancho con llenante en condición satisfactoria. A diferencia de los niveles de severidad medio y alto, en este nivel no existe una escala numérica de clasificación.

Medio: existe una de las siguientes condiciones:

1. grieta no sellada con ancho entre 25.0 mm y 76.0 mm.

2. grieta no sellada de cualquier ancho hasta 76.0 mm con escala menor que 10.0 mm.

3. grieta sellada de cualquier ancho con escala hasta de 10.0 mm.

Alto: existe una de las siguientes condiciones:

1. Grieta no sellada con ancho mayor que 76.0 mm.

2. Grieta sellada o no de cualquier ancho con escala mayor que 10.0 mm.

Medida: una vez registrado el daño se evalúa como una sola losa. Si dos grietas de

severidad media se presentan en la losa, se cuenta como una losa con grieta de alta severidad. Las losas divididas en cuatro o más pedazos se cuentan como losas divididas. Las losas de mas de 9.10 m de longitud se “dividen” en losas de aproximadamente igual longitud y con juntas imaginarias que se encuentran en perfecto estado.

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Reparación en función del nivel de severidad:

Bajo: No se hace nada. Sellado de grietas de mas de 3.0 mm de espesor.

Medio: Sellado de grietas.

Alto: Sellado de grietas. Parcheo profundo. Reemplazo de la losa.

Figura 4-7 Grieta Transversal de Baja Severidad. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia

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Figura 4-9 Grieta Transversal de Alta Severidad. Troncal Caracas de Transmilenio. Fuente Propia

4.2.8 Desconchamiento, mapa de grietas, craquelado, descascaramiento

Descripción: el mapa de grietas o craquelado hace referencia a una serie de grietas

superficiales, finas o capilares, que se extienden únicamente en la parte superior de la superficie del concreto. Generalmente este daño ocurre por exceso de manipulación en el terminado y puede producir descamado, que es la rotura de la superficie de la losa a una profundidad aproximada de 6.0 mm a 13.0 mm. El descascaramiento puede ser causado por incorrecta construcción y por agregados de mala calidad.

Niveles de severidad:

Bajo: se presenta en la mayor parte del área de la losa; la superficie está en buena condición con solo un descamado o descascaramiento menor presente.

Medio: la losa está descamada, pero menos del 15% de la losa está afectada.

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Medida: se cuentan las losas afectadas. No se cuentan como daño pero se consideran

para definir la severidad de las grietas.

Reparación en función del nivel de severidad:

Bajo: No se hace nada.

Medio: No se hace nada. Reemplazo de la losa.

Alto: Parcheo profundo o parcial. Reemplazo de la losa. Sobrecarpeta.

Figura 4-10 Descascaramiento de Alta Severidad. Fuente: Pavement Condition Index(PCI) para Pavimentos Asfálticos y de Concreto en Carreteras, Ingepav

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5 METODOLOGÍA Y RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN

En este capítulo se procede a explicar la metodología utilizada para la elaboración del estudio en la Troncal Caracas del Sistema de Transporte Transmilenio.

Para el desarrollo de este proyecto fue necesaria la recopilación de información acerca de los registros de las reparaciones que se han venido realizando en la Troncal Caracas a partir del año en que entró en funcionamiento el sistema. El IDU posee registros, en los cuales se basó este proyecto de grado, sobre las reparaciones realizadas a las losas de concreto, en donde se estipula el tipo de falla, la severidad de la misma, las características de la losa, su área y la reparación realizada a ésta. Estos registros detallan exactamente el estado de la losa al momento al ser reparada, pero no registra la evolución de la losa con el paso del tiempo. En la Figura 5.1 se extrae una parte de los registros realizados por el Instituto.

Figura 5-1 Relación de losas reparadas. Fuente: Instituto de Desarrollo Urbano

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33 Con el objetivo de determinar el avance del deterioro de los pavimentos de la Troncal Caracas, fue necesario realizar la toma de videos por esta vía y su posterior análisis, con el fin de caracterizar el estado actual en el que se encuentran las losas de concreto, por tal razón, el desarrollo de este proyecto se basó en la escultacion visual del estado del pavimento en el tramo a estudiar. Dado que la Troncal Caracas cuenta con un gran número de losas de concreto en su estructura, aproximadamente 1013 losas, dicha escultacion se realizó por medio de toma de videos con una velocidad aproximada de toma de 10 km/h y una distancia por tramo de 200 metros aproximadamente. En total, fueron 53 videos que se realizaron.

El IDU utiliza el formato presentado en el Anexo 1 para registrar cada losa que se repara, en el que se incluye el año en que se realiza la inspección, el tipo de daño y la severidad, junto con la localización (Tramo y Carril) y la identificación de la losa. La identificación de la losa se realiza mediante el número asignado a la losa, el ID desingado a la losa, el elemento, el carril y la fila de la ubicación especial de la losa.

Una vez realizada la toma de videos, se procedió a identificar las losas clasificadas por el IDU dentro de los videos para verificar el estado actual de dichas losas y se consignó dicha inspección en el cuadro presentado en el Anexo 1, el cual sigue el mismo formato implementado por el IDU.

El proyecto de grado “Diagnóstico de la Rehabilitación de las Troncales de Transmilenio de la Avenida Caracas y de la Autopista Norte de Bogotá” (Sáenz 2010), fue parte fundamental para el avance de este proyecto.

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6 MODELO PARA EL ANÁLISIS DEL DETERIORO DE LAS

LOSAS DE CONCRETO

De acuerdo con Vásquez, 2002, el comportamiento estructural de un pavimento se relaciona con la condición física de la estructura. Esto incluye fallas por fatiga y ahuellamiento, para el caso de pavimentos flexibles, y escalonamiento en la junta y agrietamiento de la losa, para el caso de pavimentos rígidos, así como otras condiciones que podrían afectar adversamente la capacidad de soportar cargas de la estructura del pavimento o que deberían requerir mantenimiento. Algunos de esos tipos de falla clave se pueden predecir directamente utilizando conceptos mecanicistas y están directamente considerados en el procedimiento de diseño.

Por otro lado, se entiende como comportamiento funcional de un pavimento, qué tan bien le sirve el pavimento a un usuario en una vía, suponiendo que la geometría de la vía es apropiada para satisfacer la velocidad de diseño. El confort o la calidad de la transitabilidad es la característica dominante del comportamiento funcional. En 1957, el personal de la Carretera Experimental AASHO, desarrolló el concepto de “servicialidad-comportamiento” para cuantificar el nivel de confort o calidad de servicio.

A continuación se presenta en detalle el procedimiento que se siguió para el análisis de deterioro de la Troncal Caracas. Este procedimiento básicamente consistió en emplear la información sobre el estado de Troncal Caracas en diferentes momentos del tiempo— incluyendo aquella disponible en la literatura y aquella recolectada como parte de este proyecto—con el objetivo de determinar la magnitud y velocidad de la pérdida del nivel servicio o del deterioro de esta importante vía de la ciudad.

6.1 ÍNDICE DE CONDICIÓN DEL PAVIMENTO (PCI – Pavement

Condition Index)

El deterioro de una estructura de pavimento es una función de clase de daño, su severidad y cantidad o densidad del mismo. El Índice de Condición del Pavimento (PCI,

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35 por sus siglas en inglés: Pavement Condition Index) es un índice numérico que se encuentra en un rango de cero (0), para un pavimento en mal estado, a cien (100) para un pavimento en perfecto estado. En la Tabla 6.1.-1 se presentan los rangos del PCI, así como la calificación cualitativa para la condición del pavimento.

Tabla 6.1-1. Rangos de Calificación del PCI. Fuente: Pavement Condition Index(PCI) para Pavimentos

Asfálticos y de Concreto en Carreteras, Ingepav

RANGO CLASIFICACIÓN

100 – 85 Excelente

85 – 70 Muy Bueno

70 – 55 Bueno

55 – 40 Regular

40 – 25 Malo

25 – 10 Muy Malo

10 – 0 Fallado

El cálculo del PCI se fundamenta en los resultados de un inventario visual de la condición del pavimento (también conocida como auscultación visual) en el cual se establecen la Clase, Severidad y Cantidad de cada daño que presenta el pavimento. El procedimiento que se siguió para determinar el PCI de la Troncal Caracas, se basó en la guía Pavement Condition Index (PCI) para pavimentos asfálticos y de concreto en carreteras (Vásquez, 2002) y se desarrolló como sigue:

En esta primera etapa, se realizó un trabajo de campo en el cual se identificaron los daños que presentaba cada losa según su clase, severidad y extensión de los mismos. Para el desarrollo de esta, se utilizó como primera herramienta la información sobre las inspecciones realizadas en años anteriores para la troncal Caracas por parte del IDU. Estos registros presentan el estado en el que se encontraba la losa al momento de ser reparada, identificando tipo de daño, entre los que se encuentran: Falla Transversal, Falla Longitudinal, Falla Diagonal o de Esquina, Desportillamiento, Placas Rotas y/o Subdivididas, Dislocamiento, Descascaramiento y Hundimiento , y severidad: Alto, Medio y Bajo, como se muestra en la Figura 5-1. Los registros presentados datan de los años 2003, 2004, 2005, 2006 y 2007. Vale resaltar que estos registros no son constantes con respecto a las losas pues, como se mencionó con anterioridad, solo se registra la

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36 información de las losas que van a ser reparadas. Como esta información debía ser comparada con el estado actual de las losas, se realizó una toma de videos por tramos con el objetivo de obtener los valores actuales de PCI, siguiendo la misma sectorización empleada en los registros del IDU

Una vez finalizada la toma de videos, se procedió a procesar esta información en un formato de registro, el cual siguió los parámetros de formato establecidos en el IDU, tal como se presenta en la Figura 6.1-1. En éste se realizó el mismo procedimiento, ubicando la losa registrada en el video e inspeccionando el tipo de daño que presentaba y la severidad del mismo: Por ejemplo, la losa en el tramo 2001641, ubicación 6 A 4 la cual siguiendo los parámetros de inspección del IDU presenta una falla Tipo transversal, longitudinal y dislocamiento con un nivel de severidad alto para las tres. Se aclara que la ubicación “6” hace referencia a la ubicación “Solo Bus Oriental” y la ubicación “4” hace referencia a la ubicación “Solo bus occidental” dentro de los planos; A para la parte occidente y B para la parte Oriental dentro del mismo carril y la numeración se realiza de sur a norte.

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Figura 6.1-1 Clasificación de fallas. IDU. Fuente: Instituto de Desarrollo Urbano (IDU), elaboración propia.

Figura 6.1-2 Registro inspección IDU. Fuente: Instituto de Desarrollo Urbano (IDU), elaboración propia.

Con esta información, se procede a calcular el PCI siguiendo el Manual PCI. Este procedimiento se realizó de forma manual y se basó en los “Valores Deducidos” de cada

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38 daño de acuerdo con la cantidad y severidad reportadas. El procedimiento para este cálculo, para pavimentos con Capa de Rodadura en Concreto de Cemento Portland, es el siguiente (Vásquez, 2002):

Etapa 1: Cálculo de los valores deducidos

1.a Se contabilizó el número de losas en las cuales se presenta cada tipo de daño y su respectivo nivel de severidad, el cual como se mencionó, se registró siguiendo los parámetros del IDU. Haciendo un acercamiento al Anexo 2, este conteo se registró como se presenta en la Figura 6.1-3., donde:

FT# Falla$Transversal$ $

FL# Falla$Longitudinal$ $

FD# Falla$de$Esquina$o$Diagonal$

DE# Desportillamiento$

$

PD# Placas$rotas$y/o$Subdivididas$

DI# Dislocamiento$ $

DC# Descascaramiento$

$

HU# Hundimiento$

$

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Figura 6.1-3 Contabilización de número de losas por tipo de daño y severidad en cada tramo. Fuente: Elaboración propia.

1.b Se dividió el número de losas contabilizado anteriormente entre el número total de losas en el tramo y se expresó este resultado como porcentaje (%). Este valor es la

DENSIDAD por unidad de muestreo, en este caso los tramos, para cada combinación

de tipo y severidad de daño. En el caso del tramo 3002323, presentado en la Figura 6.1-3, para un número total de 50 losas presentes en el tramo, la densidad para el tipo de daño Falla Transversal de severidad Alta, es:

!"#$%!&!! % = !

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Figura 6.1-4 Densidad por unidad de muestreo para cada tipo de daño y severidad en cada tramo. Fuente: Elaboración propia.

1.c Se determinaron los valores deducidos para cada combinación de tipo de daño y severidad empleando la curva de “Valor deducido de Daño” apropiada, que se presentan en el Anexo 3. En el tramo que se sigue como ejemplo, el valor deducido se determinó así:

- para el tramo 3002323, para una “Falla Transversal de severidad Alta”, se tiene una densidad de 12%

- En la Figura 6.1-1, se presenta el valor deducido correspondiente a la densidad encontrada. Para una densidad de 12%, en la gráfica se encuentra un valor deducido de 21.20.

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Gráfica 6.1-1 Gráfica Valor Deducido para daño tipo Falla Transversal, niveles de severidad Alto (H), Medio (M) y Bajo (L). Fuente: Vásquez, 2002

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42 Etapa 2: Cálculo del número Admisible Máximo de Deducidos

2.a Para el cálculo del número admisible se siguieron los siguientes pasos como lo menciona el Manual PCI (Vásquez, 2002).

Si ninguno o sólo uno de los Valores Deducidos es mayor que 2, se utiliza el “Valor Deducido Total”. Si esto no se cumple, se sigue lo siguiente:

- Listar los valores deducidos individuales de mayor a menor.

- Determinar el “Número Máximo Admisible de Valores Deducidos”, utilizando la ecuación

!!=!.!!+!"!(!""−!"!!)

Donde:

!! es el Número Máximo de Valores Deducidos, incluyendo fracción, para el

tramo i

!"#! es el Mayor Valor Deducido individual para el tramo i.

- El número de valores individuales deducidos se reduce a m, incluso la parte fraccionaria. Si se dispone de menos valores deducidos que m se utilizan todos los valores que se tengan disponibles.

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Figura 6.1-6 Valores deducidos de mayor a menor. Fuente: Elaboración propia. Anexo 2

Etapa 3: Cálculo del “Máximo Valor Deducido Corregido”, CDV.

Para el cálculo del máximo CDV, se utilizó un proceso iterativo que sigue así:

3.a Se determinó el número de valores deducidos individuales mayores que 2, factor que se denominó q.

3.b Se calculó el “Valor Deducido Total” sumando todos los valores individuales que se redujeron a m en la etapa anterior.

3.c El valor del CDV se determinó con q y con el “Valor Deducido Total”, en la curva de corrección pertinente al tipo de pavimento, en este caso Pavimento Rígido.

3.d Se reduce a 2.0 el menor de los “Valores Deducidos” individuales que son mayor que 2.0 y se repiten los pasos 3.a a 3.c hasta que q sea igual a 1.

3.e El máximo CDV, como su nombre lo indica, es el mayor de los CDV obtenidos en este proceso.

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44 Etapa 4: Calculo del PCI

El PCI se calcula restando a 100 el máximo CDV obtenido en la etapa 3.e.

Usando de ejemplo el tramo 14000335, la etapa 3 y 4 se presenta en la figura 6.1-7. Los resultados de esta etapa se pueden observar en el anexo 4.

Figura 6.1-7 PCI. Fuente: Elaboración propia.

6.2 DETERIORO DE LOS TRAMOS A TRAVES DEL TIEMPO

El análisis del deterioro de las losas de concreto en la Troncal Caracas se realizó a través del tiempo, partiendo desde el inicio de los registros disponibles en el IDU en el año 2003, hasta la actualidad, por medio del cálculo de la evolución del nivel de servicio de los diferentes tramos, expresados en función del PCI del pavimento. Este análisis resultó en la determinación de Curvas de Deterioro para los diferentes tramos sobre los cuales existen reportes.

El procedimiento mencionado anteriormente se realizó para cada uno de los años registrados por el Instituto, 2003, 2004, 2005, 2006 y 2007, y para el año 2011 realizado mediante inspección propia. Cada uno de los resultados se registró en una Curva la cual señala el comportamiento del pavimento a través de estos 6 años. La vida útil de un pavimento rígido se encuentra aproximadamente en un rango de 20 años y una curva típica de deterioro del mismo sigue el comportamiento presentado en la Figura 6.2-1. Sin embargo, del análisis realizado, para ciertos tramos, el comportamiento del deterioro

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45 sigue unas curvas como lo muestra la figura 6.2-2. Cabe aclarar que aunque las curvas de deterioro siguen funciones continuas distintas a las lineales, en este trabajo se supuso que el deterioro era lineal debido a que la falta de información detallada no permite realizar ningún tipo de suposición que sea confiable.

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Figura 6.1-2 Curva de deterioro de tramos especificados de la Troncal Caracas. Fuente: Elaboración Propia

En las curvas obtenidas del análisis se observa el acelerado deterioro que las losas de concreto del Sistema Transmilenio han venido presentando desde que entró en funcionamiento el sistema. En la figura anterior, así como en las otras presentadas en el anexo 5, se observa que la vida útil de las losas ha sido en promedio un (1) año aproximadamente, eso sin contar los registros que no se tienen, pues como anteriormente se explicó, solo se realiza el registro de la losa que se va a reparar en cierto momento, pero no se tiene un seguimiento del desarrollo de la funcionalidad del pavimento en la Troncal.

Estos deterioros prematuros inciden negativamente en la evolución del Sistema de Transporte Masivo, pues al deteriorarse rápidamente un pavimento, es necesario hacer

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47 más intervenciones de mantenimiento y prevención, sin contar que la mayoría de estos, en la Troncal Caracas, termina siendo reparación, pues por la severidad de los daños la única solución es reemplazar la losa por una nueva, lo cual incide en la inversión de grandes cantidades de dinero para lograr mantener la troncal en un estado optimo, que brinde, como el diseño de pavimentos lo sugiere, unas condiciones optimas al usuario, en materia de servicialidad, comodidad y principalmente seguridad.

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7 CONCLUSIONES

De acuerdo a los resultados de análisis de deterioro de la Troncal Caracas, se observa que el comportamiento del pavimento no ha sido satisfactorio, pues en los 7 años de análisis, el Índice de la Condición de Pavimento (PCI) se encuentra entre la calificación buena y regular, PCI= 60 en promedio, pasando en algunos tramos a cero (0) como es el caso del tramo 2000896, que se observa en los anexos, cuando el ideal de este índice debería encontrarse entre 70-85 con una calificación de muy buena, para que el pavimento cumpla con las condiciones especificadas en el diseño.

La principal razón del deterioro temprano en las primeras fases del pavimento (años 2003 al 2005) es, como se ha mencionado con anterioridad, el desarrollo extendido de fenómenos de bombeo debido al empleo del material de relleno fluido como base soporte, el cual, unido con la ausencia de un buen sistema de drenaje, causó un deterioro acelerado de la integridad estructural del pavimento. Sin embargo, estos diseños fueron modificados e implementados pero los problemas de las grandes fallas en las losas se siguieron presentados.

Al no seguirse una inspección constante al comportamiento del pavimento, pues estas losas trabajan muy bien en conjunto y al repararse separadamente causa que los esfuerzos en las losas, que se encontraban inicialmente en buen estado, aumenten y disminuya su vida útil ocasionando las fallas cuando las otras ya han sido reparadas y termina siendo un ciclo repetitivo, ocasiona grandes inversiones monetarias. Estos ciclos de reparación son la razón por la que se ha invertido millonarias sumas de dinero en busca de la optimización de la Troncal Caracas, como lo ha denunciado en varias ocasiones diferentes diarios de la ciudad, con una última denuncia el día 23 de Junio de 2011 en el diario El Tiempo.

Una forma de garantizar una condición apropiada y aceptable de las losas es realizar seguimientos rutinarios, en donde se determine el estado de la losa en la que se encuentra y realizar el mantenimiento respectivo, en vez de esperar a que la losa llegue a la falla y reemplazarla completamente, pues la construcción de una sola losa tiene un valor aproximado de $9,500,000.00 a pesos de 2010.

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8 AGRADECIMIENTOS

Quiero agradecer a mi mamá y mi hermana, pues ellas me han brindado su apoyo incondicional y sin ellas no sería lo que soy ahora. También quiero agradecer a Daniel Sáenz, pues gracias a su proyecto de grado fue posible éste. Por último agradezco a mi asesora, Silvia Caro Spinel, gracias a su enseñanza y permanente colaboración fue posible llevar a cabo este proyecto.

Aura María Rodríguez Ruiz

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BIBLIOGRAFÍA

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Departamento*de*Ingeniería*Civil*y*Ambiental' ICIV*201110*35'

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ANEXO 1. REGISTRO DE DATOS IDU –

INSPECCION PROPIA

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