• No se han encontrado resultados

Información Importante. línea, página web y Repositorio Institucional del CRAI-USTA, así como en las redes sociales y

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Información Importante. línea, página web y Repositorio Institucional del CRAI-USTA, así como en las redes sociales y"

Copied!
88
0
0

Texto completo

(1)

La Universidad Santo Tomás, informa que el(los) autor(es) ha(n) autorizado a usuarios internos y externos de la institución a consultar el contenido de este documento a través del catálogo en línea, página web y Repositorio Institucional del CRAI-USTA, así como en las redes sociales y demás sitios web de información del país y del exterior con las cuales tenga convenio la Universidad.

Se permite la consulta a los usuarios interesados en el contenido de este documento, para todos los usos que tengan finalidad académica, siempre y cuando mediante la correspondiente cita bibliográfica se le dé crédito al trabajo de grado y a su autor, nunca para usos comerciales.

De conformidad con lo establecido en el Artículo 30 de la Ley 23 de 1982 y el artículo 11 de la Decisión Andina 351 de 1993, la Universidad Santo Tomás informa que “los derechos morales sobre documento son propiedad de los autores, los cuales son irrenunciables, imprescriptibles, inembargables e inalienables.”

Centro de Recursos para el Aprendizaje y la Investigación, CRAI-USTA Universidad Santo Tomás, Bucaramanga

(2)

Comparación Térmica y Económica de Diferentes Tipos de Pavimentos para Ser Usados en la Mitigación de la Isla de Calor Urbana en la Ciudad de Bucaramanga

Dayanna Fuentes Martínez

Trabajo de grado para obtener el título de Ingeniero Civil

Directora:

Mónica Johana Castro Irreño Magister en Geotecnia

Universidad Santo Tomás, Bucaramanga División de Ingenierías y Arquitectura

Facultad de ingeniería civil 2021

(3)

Dedicatoria

A Dios, por darme fortaleza para cumplir una de las principales metas de mi vida.

A mis padres, Nelson y Elizabeth, por su amor y apoyo incondicional durante todas las etapas de mi vida, por la admiración que les tengo, y porque les debo todo lo que soy.

A mi hermano Pepi, por ser mi cómplice y por acompañarme en todos los momentos de mi vida. A toda mi familia, que siempre me han demostrado amor y cariño, en especial a mi abuelita Rosalba.

A mi gran amor, Kevin Arias, por estar siempre conmigo, por su paciencia, por sus palabras de aliento, y su apoyo incondicional en todos los aspectos de mi vida.

A Viviana Diaz y Daniela Quintero, por ser mis colegas, compañeras y amigas, y sobre todo por hacer más divertida esta etapa de mi vida.

(4)

Agradecimientos

Quiero agradecer a la Universidad Santo Tomás, y en especial a la Facultad de Ingeniería Civil por darme la oportunidad de cumplir este sueño.

Un profundo agradecimiento a todos mis docentes, que durante toda mi carrera aportaron a mi formación humana y profesional.

A mi directora de tesis, Mónica Johanna Castro, por creer en este proyecto desde el primer momento, quien, con sus conocimientos, experiencia y orientación, hicieron posible el desarrollo de este proyecto.

(5)

Contenido

Pág.

Introducción ... 15

1. Planteamiento del Problema ... 16

2. Objetivos ... 17 2.1 Objetivo General ... 17 2.2 Objetivos Específicos ... 18 3. Justificación ... 18 4. Marco Referencial ... 19 4.1 Marco Geográfico ... 19 4.2 Marco Conceptual ... 20

4.2.1 Efecto Isla de Calor Urbana. ... 20

4.2.2 Pavimentos ... 22

4.2.3 Pavimentos Fríos ... 28

4.3 Marco Normativo ... 29

4.3.1 Manual de Diseño de Pavimentos Asfalticos. ... 29

4.3.2 Diseño Método AASHTO ... 30

4.3.3 Manual de Diseño de Pavimentos de Concreto Para Vías con Bajos, Medios y Altos Volúmenes de Tránsito. ... 40

(6)

5.1 Revisión de la Literatura ... 46

5.2 Diseño de los Perfiles de Pavimentos ... 46

5.3 Búsqueda de Costos de Materiales ... 47

6. Resultados ... 47

6.1 Estudios Sobre la Comparación Térmica de los Pavimentos ... 47

6.1.1 Pavimento de Asfalto, Hormigón y Hormigón Pintado Altamente Reflectivo: Universidad Técnica de Karadeniz, Turquía. ... 48

6.1.2 Modificaciones al Pavimento Flexible ... 51

6.1.3 Pavimento Permeable ... 52

6.1.4 Pavimentos Fríos Como Estrategia de Mitigación Para la Isla de Calor Urbana .... 55

6.1.5 Pavimento Rígido con Pigmento de Colores ... 59

6.1.6 Pavimento Flexible con Pigmento de Colores ... 62

6.2 Diseño de Espesores de Pavimentos ... 64

6.3 Costo de Materiales ... 68

7. Conclusiones ... 72

Referencias ... 74

(7)

Lista de Tablas

Pág.

Tabla 1. Periodo de análisis ... 30

Tabla 2. Niveles de confiabilidad sugeridos para varias clasificaciones funcionales ... 31

Tabla 3. Desviación estándar... 32

Tabla 4. Índice de servicio ... 33

Tabla 5. Calidad de drenaje en función al tiempo de remoción del agua ... 39

Tabla 6. Valores mi recomendados para loa coeficientes de capa modificados de materiales de Base y Subbase no tratada en pavimentos flexibles... 40

Tabla 7. Categorías de tránsito para la selección de espesores ... 41

Tabla 8. Clasificación de la subrasante de acuerdo a su resistencia ... 42

Tabla 9. Clasificación de los materiales de soporte para el pavimento de concreto ... 42

Tabla 10. Valores de resistencias a la flexotracción del concreto ... 43

Tabla 11 . Denominación del sistema de transferencia de cargas y confinamiento lateral ... 44

Tabla 12. Diferencia de temperatura superficial de pavimentos ... 51

Tabla 13. Técnicas existentes para aumentar el albedo del pavimento y sus efectos... 51

Tabla 14. Descripción de las tendencias tecnológicas existentes en el campo de los pavimentos reflectantes. ... 57

Tabla 15. Pigmentos empleados para la coloración de las muestras del pavimento ... 60

Tabla 16. Temperaturas mínimas y máximas... 61

Tabla 17. Temperaturas máximas y medias ... 64

(8)

Tabla 19. Variables para el diseño del pavimento flexible ... 65

Tabla 20. Espesores del pavimento flexible ... 66

Tabla 21. Variables para el diseño del pavimento rígido ... 67

Tabla 22. Espesores del pavimento rígido ... 67

Tabla 23. Costos de la pintura reflectiva ... 68

Tabla 24. Costos del pigmento de color ... 68

Tabla 25. Comparación de la diferencia de temperatura y costo de material de pavimentos flexibles variables ... 69

Tabla 26. Comparación de la diferencia de temperatura y costo de material de pavimentos flexibles variables ... 70

(9)

Lista de Figuras

Pág.

Figura 1. Mapa de la ciudad de Bucaramanga ... 20

Figura 2. Perfil técnico de la isla de calor urbana generado por una ciudad ... 21

Figura 3. Sección típica de pavimento ... 24

Figura 4. Composición de un pavimento flexible ... 26

Figura 5. Composición de un pavimento rígido ... 27

Figura 6. Composición de un pavimento semi-rígido ... 27

Figura 7. Carta para la estimación del Coeficiente Estructural de Capa de Concreto Asfáltico 34 Figura 8. Variación en el coeficiente estructural de Capa de Base (a2) con diferentes parámetros de resistencia ... 35

Figura 9. Variación de a2 en Bases tratadas con cemento con los parámetros de resistencia de la base ... 36

Figura 10. Variación de a2 en Bases tratadas con Bitumen con los parámetros de resistencia de la base. ... 37

Figura 11. Variación en el coeficiente estructural de Capa de Subbase Granular (a3) con diferentes parámetros de resistencia ... 38

Figura 12. Diagrama de la metodología implementada por el autor ... 45

Figura 13. Pavimento de asfalto, concreto y de concreto reflectivo ... 49

Figura 14. Temperatura superficial de los pavimentos de asfalto, concreto y concreto reflectivo. ... 50

(10)

Figura 16. Nueve secciones utilizadas en la prueba experimental ... 53

Figura 17. Imágenes térmicas infrarrojas bajo condición seca (las temperaturas promedio de la superficie se muestran con albedo entre paréntesis) ... 54

Figura 18. Rendimiento térmico... 55

Figura 19. Prioridades actuales de investigación en el campo de los pavimentos reflectantes. . 56

Figura 20. Promedio de las temperaturas tomadas en zona seca y húmeda a diferentes horas del día. ... 61

Figura 21. Prueba de campo, color aplicado en asfalto. ... 62

Figura 22. Temperatura superficial de asfalto convencional y fríos. ... 63

Figura 23. Perfil de pavimento flexible con espesores en metros ... 66

Figura 24. Perfil de pavimento rígido con espesores en metros ... 67

Figura 25. Disminución de la temperatura de pavimentos fríos con respecto al pavimento flexible ... 71

(11)

Lista de Apéndices

Pág. Apéndice A. Espesores de losa de concreto (cm) de acuerdo con la combinación de variables y

tránsito como factor principal. ... 81

Apéndice B. Tránsito promedio diario. ... 88

Apéndice C. Cálculo de número de ejes equivalentes. ... 88

Apéndice D. Diseño de pavimentos. ... 88

(12)

Glosario

Albedo: Es la cantidad de radiación solar que es devuelta a la atmósfera tras chocar con la superficie terrestre [1].

Asfálto: Sustancia de color negro que procede de la destilación del petróleo crudo, se encuentra en grandes depósitos naturales, y se utiliza para pavimentar carreteras y como revestimiento impermeable de muros y tejados [2].

CBR (California Bearing Ratio: Ensayo de Relación de Soporte de California) mide la resistencia al esfuerzo cortante de un suelo y para poder evaluar la calidad del terreno para subrasante, sub base y base de pavimentos [3].

Radiación Solar: La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas [4].

Temperatura: Es la magnitud termodinámica que pone en evidencia la energía térmica de un cuerpo con relación a la de otro. Esta propiedad termodinámica únicamente describe un estado macroscópico [5].

Tránsito: Es la movilización de personas, animales o vehículos por una vía pública o privada abierta al público [6].

Pavimento: Estructura vial multicapa, es decir, están constituidos por un conjunto de capas superpuestas relativamente horizontales compuestas por materiales seleccionados, diseñado para soportar cargas impuestas por el tránsito y por condiciones ambientales [7].

(13)

Resumen

Este estudio, tiene como objetivo la comparación térmica y económica entre diferentes tipos de pavimentos fríos con el fin de determinar cual ofrece mejores ventajas térmicas desde un punto de costo-beneficio para mitigar la isla de calor urbana en la ciudad de Bucaramanga. La comparación térmica se realizó por medio de una revisión de la literatura, donde fueron seleccionados artículos científicos más recientes y con mayor pertinencia. De acuerdo, con los tipos de pavimentos estudiados en los artículos, se procedió a realizar los diseños de pavimentos, con base en la normativa del Instituto Nacional de Vías (INVIAS). Finalmente, se realizó un estudio de oferta de mercado para determinar la diferencia de costo adicional de los materiales para los pavimentos fríos. El pavimento frío que más disminuyó la temperatura y menor costo de material fue el pavimento pintado con pintura blanco reflectivo, sin embargo, entre los costos no se tuvo en cuenta la mano de obra y las herramientas menores para la aplicación de la pintura.

Palabras Clave: Pavimento, Pavimentos fríos, comparación, temperatura, isla de calor urbana, diseño, tipos de pavimentos.

(14)

Abstract

The objective of this study is the thermal and economic comparison between different types of cold pavements in order to determine which one offers the best thermal advantages from a cost-benefit point of view to mitigate the urban heat island in the city of Bucaramanga. The thermal comparison was carried out by means of a literature review, in which the most recent and relevant scientific articles were selected. According to the types of pavements studied in the articles, pavement designs were made based on the regulations of the National Roads Institute (INVIAS). Finally, a market supply study was carried out to determine the additional cost difference of materials for cold pavements. The cold pavement with the greatest reduction in temperature and the lowest material cost was the pavement painted with reflective white paint; however, labor and minor tools for paint application were not taken into account in the costs.

Key Word- Pavement, cool pavements, comparison, temperatura, urban heat island, design, types of pavements.

(15)

Introducción

Uno de los problemas globales que enfrentan actualmente las sociedades es el calentamiento global. Por tal motivo, investigadores en todo el planeta se adentran cada vez más en sus causas y sobre todo en la búsqueda de distintos métodos en los que se puede atacar el problema. Una de las principales consecuencias del calentamiento global en las ciudades es el efecto de la isla de calor urbana, la cual incrementa la temperatura en comparación con las zonas suburbanas o rurales que lo rodean [9]. Debido a esto, algunas industrias buscan encontrar nuevas alternativas que combatan el efecto de la isla de calor permitiendo mejorar el microclima y el confort de los habitantes.

Uno de los componentes urbanos que mayor contribuye al efecto de isla de calor son los pavimentos [11]. Por lo tanto, es necesario prestarle atención a las propiedades térmicas de los materiales utilizados en la construcción de carreteras, que puedan ofrecer una reducción de temperatura en las ciudades.

El siguiente trabajo tiene como objetivo comparar térmica y económicamente diferentes tipos de pavimentos con materiales adicionales que permiten combatir el efecto de la isla de calor urbana mediante la disminución de la temperatura, en comparación a los pavimentos tradicionales. Este proyecto, está dividido en tres fases, la primera es una recopilación de información de artículos científicos de resultados experimentales sobre la comparación de la temperatura de los pavimentos, en la segunda fase se diseñan los espesores de las capas de pavimentos para una vía en la ciudad de Bucaramanga, por último, se presenta una comparación con los costos adicionales de los materiales adicionales para cada tipo de pavimento.

(16)

1. Planteamiento del Problema

El calentamiento global es un fenómeno que aqueja a todo el planeta y que se ha convertido en uno de los desafíos actuales más grandes de la humanidad, sus principales consecuencias son el derretimiento de los casquetes polares, aumento del nivel del mar y fenómenos climáticos extremos como inundaciones, sequías, olas de calor y de frío. Quizás la causa menos conocida del calentamiento global sea el Efecto Isla de Calor Urbana (UHIE, por sus siglas en inglés). Para el año 2050 las ciudades estarán expuestas al cambio climático debido al forzamiento radiactivo inducido por los gases de efecto invernadero y a los efectos localizados de la urbanización, como la isla de calor urbana [8].

Este término se utiliza para describir la tendencia de áreas urbanas a experimentar incrementos de temperatura, en comparación con las zonas suburbanas o rurales que las rodean y se manifiesta como un aumento en el consumo de energía, y la afectación del confort térmico de los habitantes de las zonas residenciales de las ciudades [9]. Además, debido a las olas de calor que se ven exacerbadas por el efecto de isla de calor urbana se influye negativamente en la salud y el bienestar de los residentes urbanos [10].

Uno de los componentes urbanos de mayor superficie expuesta a la radiación solar y, por tanto, de mayor incidencia en el UHIE, es el pavimento asfáltico. Este se caracteriza por presentar alta absortividad y elevada capacidad térmica lo cual contribuye al efecto isla de calor urbana [11]. En Bucaramanga, se realizó un estudio [12] donde se identificaron tres zonas que presentan UHIE, las cuales son: Zona Centro, Ciudadela y Norte. Además, se propone que una mitigación para este efecto sea la implementación de políticas que estimulen a los constructores a incluir

(17)

materiales con coeficientes bajos en absorción solar, es decir que absorban pocas cantidades de radiación y con colores brillantes que favorezcan la rápida reflexión de la energía solar. Sin embargo, al realizar diseños de pavimento, los ingenieros civiles tienden a obviar los factores ambientales (como sus propiedades térmicas) al darle preponderancia a los factores económicos. Además, existe una creencia generalizada de que los materiales con prestaciones favorables para el medio ambiente son costosos.

A partir de lo anteriormente expuesto, es posible inferir que una posibilidad para mitigar el UHIE es la implementación de los pavimentos fríos caracterizados por incrementar el albedo, Definido como el porcentaje de radiación reflejada por cualquier superficie en relación con la radiación solar reflejada sobre ella, mediante diferentes prácticas y tecnologías. No obstante, a pesar de que existen diversos tipos estructuras viales, los constructores no saben qué tipo de pavimento frío deberían usar, debido a que no conocen el costo-beneficio que ofrecen cada uno de ellos y el impacto potencial que podría traer para mitigar el UHIE.

2. Objetivos

2.1 Objetivo General

Comparar térmica y económicamente diferentes tipos de pavimentos fríos para ser usados en la mitigación del efecto isla de calor urbana en la ciudad de Bucaramanga.

(18)

2.2 Objetivos Específicos

• Realizar una revisión de la literatura sobre las diferencias térmicas de diferentes tipos de pavimentos fríos con respecto al pavimento flexible.

• Diseñar el perfil del pavimento rígido y flexible para un mismo tipo de suelo de la ciudad de Bucaramanga.

• Calcular los costos adicionales de material ofrecidos en el mercado para los diferentes tipos de pavimentos fríos.

3. Justificación

El fenómeno de isla de calor urbana juega un papel importante en el microclima, el confort de los habitantes de la ciudad, el rendimiento energético de los edificios, los problemas medio ambientales y el deterioro de la salud pública. Para lograr una mitigación de la UHIE se requieren cambios sustanciales en la estructura urbana que pueden lograrse con una planificación y métodos de construcción sostenibles. Una de las posibles alternativas es la implementación de los pavimentos fríos en el casco urbano, en razón de que los pavimentos son los principales contribuyentes al desarrollo de la isla de calor urbana como lo afirma [13].

En el centro de las ciudades, los pavimentos son los que representan el mayor porcentaje de la cobertura de la tierra en comparación a otras superficies urbanas, como son los techos y las superficies de vegetación según [14]. Con base a lo anterior, se puede inferir que para lograr una mayor mitigación del UHIE es necesario enfocarse en alternativas de mitigación dirigidas a la infraestructura vial, como el uso de pavimentos fríos.

(19)

Por otra parte, desde el punto de vista de generación de nuevo conocimiento, este proyecto busca ser un referente para el sector público y empresas privadas dedicadas a la infraestructura vial, de forma que puedan discriminar entre los diferentes tipos de pavimento frío, para que puedan ser utilizados en sus respectivos proyectos, ajustándose a sus necesidades y políticas internas. Si se consiguiera un uso generalizado por parte de estas empresas, se impulsaría el desarrollo sostenible en el país, ayudándolo a cumplir metas de los Objetivos de Desarrollo Sostenible relacionados con la acción por el clima, producción y consumo responsables, industria innovación e infraestructura, y ciudades y comunicaciones sostenibles.

4. Marco Referencial

4.1 Marco Geográfico

El caso de estudio para este proyecto es la ciudad de Bucaramanga (ver figura 1), la cual se encuentra afectada por el efecto de isla de calor urbana según un estudio realizado en [12].

En este estudio, se analizaron las diferencias de temperatura entre la ciudad y las temperaturas del área rural circundante, y se logró identificar el fenómeno de Islas de Calor Urbana en la ciudad de Bucaramanga. Los datos elegidos en el estudio para determinar la presencia de islas de calor, correspondieron a las temperaturas registradas cada hora durante los años 2009 hasta 2012 por los equipos de monitoreo de la Corporación para la Defensa de la Meseta de Bucaramanga (CDMB). La identificación de las islas de calor se realizó mediante comparación de series de datos entre las temperaturas registradas en las estaciones urbanas y las registradas en la estación rural cercana tomada como referencia en Piedecuesta [12].

(20)

Figura 1. Mapa de la ciudad de Bucaramanga

Adaptado de [38]

4.2 Marco Conceptual

A continuación, se encuentran los conceptos necesarios para la comprensión del presente proyecto, tales como el efecto de isla de calor urbana y los diferentes tipos de pavimentos.

4.2.1 Efecto Isla de Calor Urbana.

El efecto de isla de calor urbana (ver figura 2), está definida como la diferencia de temperatura entre el área urbana y sus alrededores [16]. Asimismo, es el resultado de dos procesos diferentes pero asociados; el primero y más importante, la modificación en la cobertura del suelo como resultado del proceso de urbanización que transforma las superficies con materiales impermeables como el asfalto y el concreto. La segunda, hace referencia a las actividades en la

(21)

ciudad principalmente el transporte y la industria debido a las emisiones térmicas que contribuyen al calentamiento urbano [16].

Figura 2. Perfil técnico de la isla de calor urbana generado por una ciudad

Adaptado de [15].

4.2.1.1 Formación Islas de Calor Urbana. La principal causa de la formación de las islas de calor es la urbanización. El constante incremento en superficies duras y absorbentes de calor, la densidad de las ciudades, y la reducción de la vegetación natural, son los principales contribuyentes al efecto isla de calor [17].

4.2.1.2 Impactos de la Isla de Calor. Los impactos del aumento de la temperatura a causa del efecto de la isla de calor urbana se reflejan principalmente en el consumo energético, impacto ambiental y efectos sobre la salud, como se describe a continuación.

(22)

4.2.1.2.1 Consumo Energético. El aumento de la temperatura en las ciudades genera mayor consumo de energía debida al uso de sistemas de refrigeración, y en contraste aporta más calor por el uso del aire acondicionado generando gases del efecto invernadero como asegura Villamil [18].

4.2.1.2.2 Impacto Ambiental. Además de los gases de efecto invernadero que se generan con el uso de aires acondicionados para mejorar el confort térmico, los edificios y procesos de urbanización tienen un impacto ambiental significativo en los recursos naturales. La

infraestructura urbana remplaza superficies naturales con materiales impermeables que alcanzan altas temperaturas y pueden calentar la escorrentía que luego drenan hacia alcantarillas que terminan en ríos, arroyos, estanques y lagos, perjudicando a las especies de ecosistemas acuáticos [18].

4.2.1.2.3 Efectos Sobre la Salud Humana. La exposición humana a los aumentos abruptos de la temperatura, pueden resultar en tasas de mortalidad superiores a la media [18]. Los estudios de mortalidad en función de la temperatura se concentran en la población de 65 años y más, que es el tramo poblacional más afectado por las modificaciones de temperatura y que tiene mayor riesgo de mortalidad [19].

4.2.2 Pavimentos

Se llama pavimento al conjunto de capas de material seleccionado que reciben en forma directa las cargas del tránsito y las transmiten a los estratos inferiores en forma disipada, proporcionando una superficie de rodamiento, la cual debe funcionar eficientemente [20].

(23)

Para cumplir adecuadamente sus funciones, un pavimento debe reunir los siguientes requisitos [21]:

• Ser resistente a la acción de las cargas impuestas por el tránsito. • Ser resistentes ante los agentes de intemperismo.

• Presentar una textura superficial adaptada a las velocidades previstas d circulación de los vehículos, por cuanto ella tiene una decisiva influencia en la seguridad vial. Además, debe ser resistente al desgaste producido por el efecto abrasivo de las llantas de los vehículos

• Debe presentar una regularidad superficial, tanto transversal como longitudinal, que permitan una adecuada comodidad a los usuarios en función de las longitudes de onda de las deformaciones y de la velocidad de circulación.

• Debe ser durable.

• Presentar condiciones adecuadas respecto al drenaje.

• El ruido de rodadura, en el interior de los vehículos que afecten al usuario, así como en el exterior, que influyen en el entorno, debe ser adecuadamente moderado.

• Debe ser económico.

4.2.2.1 Componentes de un Pavimento. En la figura 3 se muestra esquemáticamente, los principales componentes de un pavimento [22]. Se puede considerar que la estructura de un pavimento está formada por una estructura encima de una fundación, esta última debe ser el resultado de un estudio geotécnico adecuado.

(24)

Figura 3. Sección típica de pavimento

Nota: 1. Capa de Rodadura, 2. Capa Base, 3. Capa Sub-base, 4. Suelo Compactado, 5. Subrasante, 6. Sub-drenaje longitudinal, 7. Revestimiento de Hombreras, 8. Sub-base de Hombreras. Adaptado de [22]

• Capa de Rodadura: Cumple la función de impermeabilizar el pavimento, para que las capas subyacentes puedan mantener su capacidad de soporte, además provee una superficie resistente al deslizamiento, incluso en una pista húmeda y reduce las tensiones verticales que la carga por eje ejerce sobre la capa base, para poder controlar la acumulación de deformaciones plásticas en dicha capa [22].

• Capa Base: Reduce las tensiones verticales que las cargas por eje ejercen sobre las capas sub-base y suelo natural, también, reduce las deformaciones de tracción que las cargas por eje ejercen a la capa de rodadura, además, permite el drenaje del agua que se infiltra en el pavimento, a través de drenajes laterales longitudinales [22].

(25)

• Capa Sub-base: Está constituida por un material de capacidad de soporte superior a la del suelo compactado y se utiliza para permitir la reducción del espesor de la capa base [22].

• Suelo Compactado: Es el mismo suelo del terraplén, que esta escarificado y compactado una cierta profundidad de su naturaleza o de las especificaciones del proyecto [22].

• Subrasante: De la calidad de esta capa depende, en gran parte el espesor que debe tener un pavimento [22].

5.2.2.2 Clasificación de Pavimentos. A continuación, se encuentran descritos los principales tipos de pavimentos y las capas que lo conforman.

5.2.2.2.1 Pavimento Flexible. Es un Pavimento formado por una o varias capas asfálticas y/o materiales seleccionados o tratados, de módulos elásticos decrecientes con la profundidad (ver figura 4). Normalmente, la capa de rodadura corresponde a una mezcla asfáltica o a una capa asfáltica de protección y las capas profundas, a materiales granulares de tipo base o subbase. En este caso, las cargas de ruedas son resistidas principalmente por la capacidad del sistema de absorber deformaciones, que le es conferida por las características de sus capas constitutivas y del suelo de fundación [23].

(26)

Figura 4. Composición de un pavimento flexible

Adaptado de [22].

4.2.2.2.2Pavimento Rígido. Es un pavimento formado por una capa de rodadura de alta rigidez y por una base de apoyo de material seleccionado y/o tratado (ver figura 5). Esta última se puede omitir si el material de fundación es apropiado. Normalmente, están constituidos por losas de hormigón de cemento hidráulico, simple o reforzado, colocadas sobre una subbase de agregado granular. Debido a la rigidez del sistema, las cargas de ruedas son soportadas

principalmente por la resistencia a la flexión de las losas de hormigón, disipándose ampliamente su efecto en el suelo bajo la subrasante [23].

La capacidad estructural de un pavimento rígido depende de la resistencia de las losas y, por lo tanto, el apoyo de las capas subyacentes ejerce poca influencia en el diseño del espesor del pavimento [21].

(27)

Figura 5. Composición de un pavimento rígido

Adaptado de [22]

4.2.2.2.3 Pavimento Semirígido. Es un pavimento que se caracteriza por emplear como capa de rodadura una mezcla asfáltica y tener al menos una capa inferior de material de agregado granular aglomerado con cemento, como base tratada con cemento, base de grava cemento, hormigón compactado con rodillo u otros materiales similares (ver figura 6) [23].

Figura 6. Composición de un pavimento semi-rígido

(28)

4.2.3 Pavimentos Fríos

Los pavimentos fríos consisten en la tecnología más viable para disminuir el efecto de Isla Urbana de Calor. Las distintas alternativas de pavimentos fríos consisten en incrementar el albedo de la superficie del pavimento disminuyendo la cantidad de luz solar absorbida y, por ende, la temperatura del pavimento. De esta manera, se produce una disminución de la temperatura del aire y posteriormente del ambiente de la ciudad. Los tipos de pavimentos se describen a continuación [24].

4.2.3.1 Pavimentos con Emulsiones Asfálticas. Asfaltos emulsionados con agua, que para su elaboración continúan utilizando hidrocarburos. Sin embargo, al mezclarse en frío no producen calor en su colocación y presentan mayor resistencia, ya que al tener menor espesor de trabajo retienen menos calor [24].

4.2.3.2 Pavimento de Cemento Portland. Pavimento frío de gran reflectividad o albedo, debido al color claro del cemento y a su material granulado, (como roca o arena) [24].

4.2.3.3 Pavimento y Superficies Porosas. Permiten una mayor captura del agua de lluvia, lo que reducirá el agua de escorrentía, que transporta agentes contaminantes. Un

pavimento poroso consiste en un conjunto de bloques impermeables, y el espacio queda entre los mismos se rellena con piedras en vez de concreto, lo que permite que el agua se infiltre. Además, brinda la posibilidad de recargar tanto la capa acuífera subterránea, como el flujo normal en arroyos. Pueden disminuir la posibilidad de derrapes y reducir el ruido del tráfico [24].

(29)

4.2.3.4 Pavimentos con Pigmentos y Sellos de Colores. Pigmentos que se utilizan para aclarar el color de la superficie de asfaltos, aumentando el albedo y disminuyendo la emisión térmica del asfalto [24].

4.2.3.5 Asfalto con Caucho Reciclado. Esta tecnología consiste en agregar al asfalto convencional neumáticos recuperados, aumentando la adherencia de los automotores y

reduciendo el nivel de ruido urbano. Además, reduce la temperatura nocturna del pavimento en mayor medida que a partir del pavimento Portland [24].

4.3 Marco Normativo

En Colombia la entidad encargada de regular los aspectos involucrados en las normas para los pavimentos flexibles es el Instituto Nacional de Vías de Colombia (INVIAS). Para el caso del diseño de pavimentos flexibles, el INVIAS cuenta con el Manual de Diseño de Pavimentos Asfálticos para Vías con Bajos Volúmenes de Tránsito.

4.3.1 Manual de Diseño de Pavimentos Asfalticos.

Para el diseño de las estructuras de pavimento que se deriven del uso de este Manual se ha utilizado el método AASHTO-93. El diseño de los pavimentos está basado en metodologías que tienen como finalidad determinar los espesores mínimos de la estructura de pavimento (base, sub-base, y carpeta asfáltica).

(30)

4.3.2 Diseño Método AASHTO

El método AASHTO-1993 para el diseño de pavimentos flexibles, se basa primordialmente en identificar un “número estructural (SN)” para el pavimento, que pueda soportar el nivel de carga solicitado. Para determinar el número estructural, el método se apoya en una ecuación que relaciona los coeficientes, con sus respectivos números estructurales, los cuales se calculan con ayuda de un software, (AASHTO 93) el cual requiere unos datos de entrada como son el número de ejes equivalentes, el rango de serviciabilidad, la confiabilidad y el módulo resiliente de la capa a analizar [26].

4.3.2.1 Variables de Diseño Método AASHTO

4.3.2.1.1 Periodo de diseño. El periodo de análisis o periodo de diseño se refiere al periodo de tiempo para el cual va a ser conducido el análisis, es decir, el tiempo que puede ser cubierto por cualquier estrategia de diseño. Este periodo puede adecuarse a la evaluación de estrategias alternativas de mayor alcance, basadas en los costos durante el ciclo de vida. En la tabla 1 se dan guías generales para el periodo de análisis en el diseño de un pavimento [27]. Tabla 1. Periodo de análisis

Clasificación de la Vía Período de Análisis (Años)

Urbana de Alto Volumen de tráfico 30 - 50

Rural de Alto Volumen de Tráfico 20 - 50

Pavimentada de Bajo Volumen de tráfico 15 - 25

No pavimentada de Bajo Volumen de Tráfico 10 - 20 Nota: Adaptado de [27].

4.3.2.1.2. Tránsito. El establecimiento de los espesores mediante este método, se

(31)

Se debe hacer un estudio detallado de transito que contenga la composición vehicular, tránsito promedio anual, el factor camión, el transito acumulado en número de ejes [27].

Para el cálculo del tránsito, este método contempla los ejes equivalentes sencillos de 18,000 lb (8.2 TON) acumulados durante el periodo de diseño. De este modo, después de calcular los ejes equivalentes acumulados en el primer año, se deberá estimar con base en la tasa de crecimiento anual y el periodo de diseño, los ejes equivalentes acumulados [27].

4.3.2.1.3 Confiabilidad. Es un medio para introducir cierto grado de certeza en el

procedimiento del diseño, para asegurar que las diferentes alternativas de diseño durarán todo el período de análisis. El factor de diseño basado en la confiabilidad, toma en cuenta las posibles variaciones en la predicción del tráfico y en la predicción del comportamiento y, por lo tanto, proporciona un determinado nivel de seguridad (R), que indica que las secciones del pavimento sobrevivirán durante el periodo para el cual fueron diseñadas. La tabla 2 presenta los niveles de confiablidad recomendados para varias clasificaciones de confiabilidad [27].

Tabla 2. Niveles de confiabilidad sugeridos para varias clasificaciones funcionales Clasificación

Funcional

Nivel de Confiabilidad Recomendado

Urbano Rural

Interestatal y Otras Vías Libres 85 – 99.9 80 – 99.9

Arterias Principales 80 - 99 75 – 95

Colectoras 80 - 95 75 - 95

Locales 50 - 80 50 - 80

Nota: Adaptado de [27].

4.3.2.1.4 Desviación estándar del sistema (So). El valor de la desviación estándar (So) que se seleccione debe, por otra parte, ser representativo de las condiciones locales. Se

(32)

recomienda para uso general, pero estos valores pueden ser ajustados en función de la experiencia para uso local (ver tabla 3) [27].

Tabla 3. Desviación estándar

Condición de diseño Desviación Estándar

Variación de la predicción en el comportamiento

del pavimento (sin error de tráfico). 0.25

Variación total en la predicción del

comportamiento del pavimento y en la estimación del tráfico.

0.35 – 0.50 Nota: Adaptado de [27].

4.3.2.1.5 Efectos Ambientales. La ASSHTO contempla aspectos ambientales en el diseño del pavimento flexible, debido a que estos pueden afectar el comportamiento del pavimento en varias formas. Los cambios de temperatura y humedad pueden tener cierto efecto sobre la resistencia, durabilidad y capacidad de carga del pavimento y de los suelos de subrasante. Otros efectos adicionales como el envejecimiento, la sequedad y el deterioro de los materiales debido al efecto del intemperismo, son considerados solamente en términos de su influencia sobre el comportamiento de los modelos de predicción del pavimento adoptados [27].

4.3.2.1.3 Serviciabilidad. Es la condición necesaria de un pavimento para proveer los Usuarios un manejo seguro y confortable en un determinado momento El índice de servicio (r) inicial es el valor de servicio de un pavimento recién construido o rehabilitado, los valores usuales son 4.2 para pavimentos flexibles y 4.5 para pavimento rígido. Por otro lado, la ASSHTO sugiere que el índice de serviciabilidad más bajo que puede usarse antes de que las

(33)

vías necesiten ser reforzadas o rehabilitadas, es de 2.5 para autopistas y vías principales, y de 2.0 para las carreteras con menores volúmenes de tráfico (ver tabla 4) [27].

Tabla 4. Índice de servicio

Índice de Servicialidad () Calificación

0 – 1 Muy mala 1 - 2 Mala 2 – 3 Regular 3 – 4 Buena 4 – 5 Muy buena Nota: Adaptado de [26].

4.3.2.1.4 Perdida o disminución del índice de serviciabilidad.Los valores anteriormente descritos nos permiten determinar la disminución del índice de servicio, que representa una pérdida gradual de la calidad de servicio de la carretera, originada por el deterioro del pavimento. Por tanto: [1] ∆𝑃𝑆𝐼 = 𝑝𝑜 − 𝑝𝑡10 Donde: PSI= 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑜𝑠 í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑦 𝑒𝑙 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑎𝑑𝑜. Po= Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 Pt= Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑒𝑟𝑣𝑖𝑐𝑖𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙

4.3.2.1.5 Coeficientes de Capas. Para estimar los coeficientes estructuras de capa

AASHTO (valores ai), requeridos para el diseño estructural de pavimentos flexibles estándar, se asigna un valor de este coeficiente a cada capa de material en la estructura del pavimento con el objeto de convertir los espesores de capa en el número estructural (SN). La ecuación general [2]

(34)

del número estructural refleja el impacto relativo de los coeficientes de capa (ai) y el espesor (Di) [27].

[2] 𝑆𝑁 = ∑ 𝑎𝑖𝐷𝑖 𝑖=𝑛

Los métodos de la ASSHTO para calcular los coeficientes de capa se muestran a continuación:

• Capa Superficial de Hormigón Asfáltico: La figura 7 muestra una carta que puede utilizarse para estimar el coeficiente estructural(a1) de capa de una superficie de concreto asfaltico,

basada en el módulo elástico (resilente) a 20°C [27].

Figura 7. Carta para la estimación del Coeficiente Estructural de Capa de Concreto Asfáltico

(35)

• Capa de Base Granular: La figura 8 muestra una carta que puede utilizarse para estimar el coeficiente estructural (a2), basado en uno de cuatro resultados diferentes de ensayos en

laboratorio, incluyendo el módulo resiliente de la base [27].

Figura 8. Variación en el coeficiente estructural de Capa de Base (a2) con diferentes parámetros de resistencia

(36)

• Bases Tratadas con Cemento: La figura 9 muestra una carta que puede utilizarse para estimar el coeficiente estructural(a2), para un material de base tratado con cemento, ya sea a partir de

su módulo elástico, o en forma alternativa a partir de su resistencia a la compresión no confinada a los siete días [27].

Figura 9. Variación de a2 en Bases tratadas con cemento con los parámetros de resistencia de la base

(37)

• Base Tratada con Productos Asfálticos: La figura 10 muestra una carta que puede utilizarse para estimar el coeficiente estructural(a2), para un material de base tratado con productos

asfalticos, ya sea a partir de su estabilidad Marshall [27].

Figura 10. Variación de a2 en Bases tratadas con Bitumen con los parámetros de resistencia de la base.

(38)

Capas de Sub-Base Granular: La figura 11 muestra una carta que puede utilizarse para estimar el coeficiente estructural de la capa granular (a3), en base a uno de cuatro resultados

diferentes de ensayos en laboratorio, incluyendo el módulo resiliente de la base [27].

Figura 11. Variación en el coeficiente estructural de Capa de Subbase Granular (a3) con diferentes parámetros de resistencia

Adaptado de [27].

4.3.2.1.6 Coeficiente de Drenaje para Pavimentos Flexibles. Para manejar los efectos de ciertos niveles de drenaje en la predicción del comportamiento de los pavimentos. Depende del

(39)

ingeniero de diseño, identificar qué nivel (o calidad) de drenaje es alcanzado bajo cierto grupo específico de condiciones de drenaje. La tabla 5 da las definiciones generales correspondientes a diferentes niveles de drenaje de la estructura del pavimento [27].

Tabla 5. Calidad de drenaje en función al tiempo de remoción del agua

Calidad de Drenaje Tiempo de Remoción del Agua

Excelente 2 horas

Bueno 1 día

Regular 1 semana

Pobre 1 mes

Muy pobre No drena

Nota: Adaptado de [27].

4.3.2.1.7 Diseño de Pavimentos Flexibles. El tratamiento para el nivel espectado de drenaje para un pavimento flexible es por medio del uso de coeficientes de capa modificados (es decir que debería usarse un coeficiente de capa efectivo mayor para mejorar las condiciones de drenaje). El factor para modificar el coeficiente de capa está referido como un valor mi y ha sido

integrado dentro de la ecuación del número estructural (SN) [3] junto con el coeficiente de capa (ai) y el espesor (Di):

[3] 𝑆𝑁 = 𝑎11 ∗ 𝐷1+ 𝑎2∗ 𝐷2∗ 𝑚 + 𝑎3∗ 𝐷3∗ 𝑚3

En la tabla 6, presenta los valores m1 recomendados como una función de la calidad del

drenaje y el porcentaje de tiempo durante el año en que la estructura del pavimento debería normalmente estar expuesta a niveles de humedad aproximadamente iguales a la saturación [27].

Finalmente, también es importante notar que esos valores se aplican solamente a los efectos del drenaje sobre capas de base y subbase no tratadas. Aunque el drenaje mejorado es ciertamente

(40)

benéfico a los materiales estabilizados o tratados, los efectos sobre el comportamiento de pavimentos flexibles no son tan profundos como los cuantificados en la tabla 6 [27].

Tabla 6. Valores mi recomendados para loa coeficientes de capa modificados de materiales de

Base y Subbase no tratada en pavimentos flexibles

Valores de mi recomendados para los coeficientes de capa modificados de materiales de base y subbase no tratada en pavimentos flexibles

Calidad del drenaje

% del tiempo que la estructura del pavimento está expuesta a niveles de humedad cercanos a la saturación

< 1 1 - 5 5 – 25 >25 Excelente 1.40 – 1.35 1.35 – 1.30 1.30- 1.20 1.20 Bueno 1.35 – 1.25 1.25 – 1.15 1.15 – 1.00 1.00 Regular 1.25 – 1.15 1.15 – 1.05 1.05 – 0.80 0.80 Pobre 1.15 – 1.05 1.05 – 0.8 0.80 – 0.60 0.60 Muy pobre 1.05 – 0.95 0.95 – 0.75 0.75 – 0.40 0.40 Nota: Adaptado de [27].

4.3.3 Manual de Diseño de Pavimentos de Concreto Para Vías con Bajos, Medios y Altos Volúmenes de Tránsito.

Para el diseño de las estructuras de pavimento de concreto, el Convenio Interinstitucional de Cooperación Técnica, formado por el Ministerio de Transporte, el Instituto Nacional de Vías (INVIAS) y el Instituto Colombiano de Productores de Cemento (ICPC), elaboraron un documento siguiendo estrictos cánones metodológicos y de control para el diseño de pavimentos de concreto.

4.3.3.1 Definición de Variables

4.3.3.1.1 Periodo de diseño. En este manual se tiene en cuenta un período de diseño de 20 años para todos los análisis estructurales, que, bajo supuestos teóricos, debe corresponder a la

(41)

vida útil del pavimento si el análisis de las variables de diseño arroja un buen nivel de certeza y su respectiva proyección [28].

4.3.3.1.2 Tránsito. En la Tabla 7 se enumeran las categorías de tránsito consideradas para el diseño de pavimento, con base al espectro de carga, el cual se obtiene debido a la distribución de peso de diferentes tipos de ejes por cada 1.000 camiones, en diferentes estaciones de peaje en el país, afectados por los respectivos factores de equivalencia establecidos por la AASHTO [28].

Tabla 7. Categorías de tránsito para la selección de espesores

Categoría Tipo de Vía TPDs Ejes acumulados de 8.2 t

T0 (Vt)- (E) 0 a 200 < 1’000.000 T1 (Vs) – (M o A) – (CC) 201 a 500 1’000.000 a 1’500.000 T2 (Vp) – (A)- (AP-MC-CC) 501 a 1.000 1’500.000 a 5’000.000 T3 (Vp) – (A)- (AP-MC-CC) 1.001 a 2.500 5’000.000 a 9’000.000 T4 (Vp) – (A)- (AP-MC-CC) 2.501 a 5.000 9’000.000 a 17’000.000 T5 (Vp) – (A)- (AP-MC-CC) 5.001 a 10.000 17’000.000 a 25’000.000 T6 (Vp) – (A)- (AP-MC-CC) Más de 10.001 25’000.000 a 100’000.000 Nota: Donde (Vt): vía terciaria, (Vs): vía secundaria, (Vp): vía principal, (E): estrechas, (M) medias, (A): anchas, (CC): Carreteras de 2 direcciones, (MC): carreteras multicarriles, (AP): autopistas. Adaptado de [28].

4.3.3.1.2 La Subrasante. Para el diseño del pavimento, se tendrán cinco tipos de suelos como se indica en la tabla 8, la cual se hace con base en la Relación de Soporte de California del suelo -CBR-evaluada según la Norma INVE-148-07, estos valores están relacionados con el módulo de reacción de la subrasante -k-, parámetro que es utilizado en la ecuación de diseño [28].

(42)

Tabla 8. Clasificación de la subrasante de acuerdo a su resistencia

Clase o Tipo CBR (%) Modulo resiliente (kg/cm2)

S1 < 2 < 200 S2 2 – 5 200 - 500 S3 5 – 10 500 - 1000 S4 10 - 20 1000 - 2000 S5 >20 >2000 Nota: Adaptado de [28].

Para subrasantes con CBR menor a 2, en la mayoría de los casos y cuando el diseñador lo considere apropiado, se requiere un tratamiento especial, como reemplazar materiales inadecuados (remoción parcial o total de materiales inaceptables) o utilizar mejoras mecánicas o productos agregados. (Como cal, cemento u otros productos), estos productos pueden proporcionar mejores propiedades mecánicas para la subrasante [28].

4.3.3.1.3 Material de Soporte para el Pavimento. Según el manual, se tendrán en cuenta tres tipos de soporte para pavimentos, los cuales se pueden apreciar en la tabla 9, para el suelo natural, bases granulares y las bases estabilizadas de cemento, de 150 mm de espesor. El efecto sobre el espesor de la estructura se considerará aumentando la capacidad de carga del terreno natural o del suelo de la subrasante [28].

Tabla 9. Clasificación de los materiales de soporte para el pavimento de concreto

Denominación Descripción

SN Subrasante natural

BG Base granular

BEC Base estabilizada con cemento

(43)

4.3.3.1.4 Características del Hormigón para Pavimentos. Para los diseños de los pavimentos se tienen 4 calidades del hormigón como se indica en la Tabla 10, las resistencias a la flexotracción se evalúan a los 28 días y se miden con base en el ensayo Resistencia a la flexión del concreto. Método de la viga simple cargada en los tercios de la luz (Norma INV E414-07) [28].

Tabla 10. Valores de resistencias a la flexotracción del concreto

Descripción Resistencia a la flexión (kg/cm2)

MR1 38

MR2 40

MR3 42

MR4 45

Nota: Adaptado de [28].

4.3.3.1.5 Juntas. Las juntas son una parte importante del pavimento de concreto, y su finalidad es controlar la tensión que se genera en el hormigón por la retracción y expansión del material entre las superficies y los cambios de temperatura y humedad, entre la cara superficial y la de soporte de las losas de concreto [28].

4.3.3.1.6 Transferencias de Cargas entre losas y confinamiento lateral. Hay dos factores que inciden en la determinación del espesor de la losa de concreto y son la presencia de pasadores de carga (dovelas) en las juntas transversales y los confinamientos laterales del

pavimento, como las bermas, los bordillos o los andenes, las denominaciones se encuentran en la tabla 11 [28].

(44)

Tabla 11 . Denominación del sistema de transferencia de cargas y confinamiento lateral Denominación Descripción D Dovelas B Bermas No D No Dovelas No B No Bermas Nota: Adaptado de [28]. 4.3.3.2 Espesores de Losa

El espesor de la losa se determina de acuerdo a la combinación de las variables y el tránsito se puede consultar en el anexo A.

(45)

Figura 12. Diagrama de la metodología implementada por el autor

(46)

El tipo de investigación con el que se desarrolló este proyecto por un lado es documental ya que, recopila la información de la literatura científica y analiza la información escrita sobre el tema. Por otro lado, presenta características cuantitativas al describir, medir y analizar las variables de la investigación. Para dar cumplimiento a los objetivos propuestos, se presentan a continuación, las etapas claves que permitieron la recolección de toda la información pertinente para realizar el análisis de datos, haciendo un uso correcto de los recursos y el tiempo disponible.

5.1 Revisión de la Literatura

En esta etapa se realizó una búsqueda bibliográfica de artículos y documentos académicos, empleando ecuaciones de búsqueda en inglés y español de las palabras clave sobre los ejes temáticos del proyecto, en esta búsqueda también se incluyeron algunos tesauros y conectores que facilitaron la búsqueda en las bases de datos de la universidad. Entre las bases de datos consultadas se encuentra Scopus, ScienceDirect, Web of Science y Google Scholar.

Una vez se realizó la búsqueda, se excluyeron todos aquellos documentos que resultaban relevantes para este proyecto, de esta manera al final se seleccionaron 6 documentos científicos que permitieron el cumplimiento del primer objetivo específico.

5.2 Diseño de los Perfiles de Pavimentos

Para realizar el diseño de los diferentes pavimentos, con el objetivo de obtener los espesores correspondientes para cada una de las capas del pavimento, se realizó una consulta sobre la normativa colombiana, suministrada por el Instituto Nacional de Vías (INVIAS). Para el diseño del pavimento flexible se siguió la normativa de la ASHTO y para el diseño del pavimento rígido

(47)

se realizó de acuerdo al Manual de Diseño de Pavimentos de Concreto Para Vías con Bajos, Medios y Altos Volúmenes de Tránsito, los cuales se encuentran descritos en el marco teórico

Los datos necesarios para el diseño de pavimentos en la ciudad de Bucaramanga, como el tránsito promedio diario fueron obtenidos por los datos públicos del INVIAS de la estación 637 Floridablanca, Bucaramanga. En esta etapa se usó una hoja de cálculo en Excel elaborada por fuente propia siguiendo la normativa, y finalmente se realizó un modelado de cada perfil en AutoCad.

5.3 Búsqueda de Costos de Materiales

Finalmente, se realizó una búsqueda de precios en el mercado para los materiales adicionales para cada uno de los perfiles diseñados y se hizo la respectiva comparación económica de acuerdo a la cantidad de material adicional que se requiere para un área de pavimento de 1m2 multiplicado por el espesor resultante del paso anterior. En base a estos resultados se realizará un análisis que permita determinar el costo beneficio de cada pavimento frío que pueden contribuir para la mitigación de la isla de calor urbana en la ciudad de Bucaramanga.

6. Resultados

6.1 Estudios Sobre la Comparación Térmica de los Pavimentos

El análisis de los pavimentos es un área de investigación que ha sido altamente estudiado en las últimas décadas, debido a que la industria del pavimento se encuentra cada vez más interesada en incorporar mejores materiales de pavimento y seguir estrategias que den como

(48)

resultado carreteras más verdes y duraderas. Además, el estudio de la temperatura es fundamental ya que las altas temperaturas en los pavimentos contribuyen al efecto de la isla de calor urbana y al rendimiento largo plazo de los pavimentos [29].

Inicialmente, el efecto de la isla de calor urbana (UHIE) fue estudiado por la Organización Meteorológica Mundial citado en [30], revelando que este efecto puede aumentar la temperatura del aire en una ciudad entre 2° y 8°C. Por otro lado, estudios más recientes realizados por ilustran un rango más preciso que oscila entre 5° y 15°C [30].

A continuación, se exponen seis diferentes investigaciones en donde se compara la temperatura del pavimento asfaltico o también llamado pavimento flexible con diferentes tipos de pavimentos fríos.

6.1.1 Pavimento de Asfalto, Hormigón y Hormigón Pintado Altamente Reflectivo: Universidad Técnica de Karadeniz, Turquía.

Un estudio realizado por Akpinar, Muhammet Vefa y Sedat Sevin en la Universidad Técnica de Karadeniz en Turquía buscaba determinar si los pavimentos fríos podían reducir los efectos ambientales dañinos de la isla de calor y la temperatura ambiente. Para las mediciones experimentales se seleccionaron tres áreas de superficies de pavimento como se muestra en la figura 13: pavimento de asfalto (AP), pavimento de hormigón (CP) y pavimento de concreto pintado altamente reflectivo (HRP), para este último se utilizó pintura en aerosol gris utilizada en el sector de automóviles [31].

(49)

Figura 13. Pavimento de asfalto, concreto y de concreto reflectivo

Nota: (a) pavimento de concreto pintado altamente reflectivo, (b) pavimento de concreto y (c) pavimento de asfalto. Adaptado de [31].

Para medir la temperatura a través del espesor del pavimento, se perforaron un total de ocho agujeros en las áreas pintadas y sin pintar a profundidades de 2.5,5.5,7.5 y 10 cm de la superficie del pavimento, posteriormente se colocaron dentro de los agujeros los sensores de temperatura y se sellaron con un material aislante. Las mediciones de temperatura se tomaron entre las 15:00 y las 16:00 de la tarde. Durante la ejecución experimental, las medidas de temperatura fueron tomadas por 30 días como se ilustra en la figura 14. Como se puede observar, el pavimento con menor temperatura y, por lo tanto, el que menos retiene calor fue el pavimento de concreto pintado altamente reflectivo, que para el día 22 registró una temperatura incluso menor a la del medio ambiente [31].

(50)

Figura 14. Temperatura superficial de los pavimentos de asfalto, concreto y concreto reflectivo.

Nota: HRP: pavimento de concreto pintado altamente reflectivo, CP: pavimento de hormigón, AP: pavimento de asfalto, Air Temperature: temperatura del aire. Adaptado de [31].

La diferencia de temperatura generada por la HRP tomada por una cámara térmica se muestra en la figura 15. Los resultados de las temperaturas máximas, mínimas y medias se observan en la tabla 12, en consecuencia, se concluyó que la temperatura superficial más baja y con mayor albedo se midió en el pavimento HRP [31].

Figura 15. Temperatura pavimento de concreto pintado altamente reflectivo (HRP)

(51)

Tabla 12. Diferencia de temperatura superficial de pavimentos

Tipo de pavimento Temperatura

mínima máxima Media

Pavimento de asfalto (AP) 54,7 °C 59 °C 57,6 °C Pavimento de hormigón (CP) 43,7 °C 48,1 °C 45,8 °C Pavimento de concreto pintado altamente reflectivo (HRP) 33°C 38,1 °C 36°C Nota: Adaptado de [31].

6.1.2 Modificaciones al Pavimento Flexible

Yinghong Qin, realizó una revisión de la literatura hasta el año 2015 [32], sobre las técnicas existentes para aumentar el albedo del pavimento asfaltico y los efectos que traen estas técnicas con respecto a la temperatura como se observa en la tabla 13.

Tabla 13. Técnicas existentes para aumentar el albedo del pavimento y sus efectos.

Pavimento Técnica Albedo Efectos

Pavimento de asfalto

Agregado de color claro 0,52 Baja 4.0 °C al mediodía de un caluroso verano

Sello de viruta 0.08-0,20

Disminuye

aproximadamente 10°C en un día soleado

Pintura de alto infrarrojo

0,4-0,59 Reduce Tsmax aproximadamente 15°C al mediodía de un día caluroso 0,09-0,66 Reduce Tsmax de 8-20°C en un caluroso verano 0,31-0,59 Reduce Tsmax hasta 12°C 0,46

Reduce 3,8-4,4°C de temperatura media de la superficie

(52)

6.1.3 Pavimento Permeable

Los pavimentos permeables tienen muchos beneficios ambientales, tales como la reducción de la escorrentía de agua lluvia, la descarga de carga contaminante a las aguas receptoras, la mejora de la calidad del agua y la recarga de agua subterránea. Además, también podrían ser una solución efectiva para mejorar el ambiente térmico exterior a través del enfriamiento por evaporación como afirma [33].

Un estudio realizado en California se construyeron nueve secciones de pavimentos, de las cuales seis eran de pavimentos permeables y tres de pavimentos no permeables como se observa en la figura 16. Por otro lado, la temperatura de la superficie de los pavimentos en condición seca fue tomada por una cámara infrarroja como se ilustra en la figura 17.

(53)

Figura 16. Nueve secciones utilizadas en la prueba experimental

Nota: (a) Vista esquemática (b) vista de la foto de las secciones de prueba instaladas. Dónde: (A) Pavimento de hormigón entrelazado, (B) Pavimento de asfalto (C) Pavimento de concreto (1) Pavimento impermeable (2 y 3) Pavimentos permeables. Adaptado de [33].

(54)

Figura 17. Imágenes térmicas infrarrojas bajo condición seca (las temperaturas promedio de la superficie se muestran con albedo entre paréntesis)

Adaptado de [33].

Después de tomar la temperatura en condiciones secas, se realizó una comparación del rendimiento térmico de los pavimentos permeables en condiciones secas y húmedas, para lograr esto se regó las secciones de pavimentos permeables con agua a una temperatura de 25°C. En este experimento, se obtuvo que, bajo condiciones secas, el pavimento permeable B3 produjo una temperatura superficial durante el día más alta que el pavimento impermeable B1, aproximadamente 5°C. Sin embargo, en condiciones húmedas después del riego, el pavimento B3 mostró una temperatura superficial durante el día más baja que el pavimento impermeable, aproximadamente 5°C (ver figura 18) [33].

(55)

Estas observaciones implican que el riego puede ayudar a reducir la temperatura de la superficie del pavimento durante el día en los pavimentos permeables y, en consecuencia, mitigan el efecto de isla de calor urbana y mejoran el confort térmico [33].

Figura 18. Rendimiento térmico

Nota: Rendimiento térmico del pavimento permeable (B3) con y sin riego en comparación con el pavimento impermeable (B1). Adaptado de [33].

6.1.4 Pavimentos Fríos Como Estrategia de Mitigación Para la Isla de Calor Urbana

Mat Santamouris realiza una revisión en [34] de la evaluación experimental del régimen térmico de las superficies del pavimento que involucran técnicas de teledetección a mesoescala o métodos de medición a microescala de termografía infrarroja y monitoreo de la temperatura convencional. Además, se enfoca en la dirección actual de investigación sobre pavimentos fríos

(56)

en donde se desarrollan y prueban cinco enfoques tecnológicos como se muestra en la figura 19 [34].

Figura 19. Prioridades actuales de investigación en el campo de los pavimentos reflectantes.

Adaptado de [34].

En el caso (A) sobre el uso de pinturas blancas de nueva generación altamente reflectantes en la superficie del pavimento presenta una reflectividad solar muy alta que en muchos casos supera el 90% [34]. Para la aplicación de esta técnica se aplican las pinturas reflectantes sobre la superficie de las baldosas de hormigón. Los estudios determinaron que los pavimentos cubiertos con pinturas a base de aluminio presentaban una mayor temperatura superficial.

Para el caso (B), el uso de pinturas de colores reflectantes infrarrojos en la superficie del pavimento es adecuado cuando se deben emplear materiales de pavimento no blancos para aumentar su albedo global. El uso de los pavimentos reflectantes coloreados, basados en el uso de los pigmentos reflectantes infrarrojos orgánicos ya está siendo comercializado en los Estados Unidos y su albedo se encuentra alrededor de 0,45 a 0,55 [34].

(57)

El caso (C), es el uso de pintura reflectante del calor para cubrir los agregados del asfalto el albedo varía entre 0,46 y 0,57, asimismo presentan una temperatura superficial mucho más baja que un pavimento de drenaje convencional [34].

Por último, el caso (D) trata del uso de pinturas que cambian de color en la superficie del pavimento. En particular, los recubrimientos termocrómicos pueden responder térmicamente al medio ambiente y cambiar reversiblemente su color y reflectividad de valores inferiores a superiores, a medida que aumenta la temperatura. El monitoreo de la temperatura de superficie ha demostrado que la temperatura media diaria de la superficie de los recubrimientos termocrómicos varía de 31,0 a 38,41°C, siendo menor a la registrada por pigmentos reflectantes infrarrojos y los revestimientos comunes [34].

Las características y resultados de los cinco diferentes enfoques principales recolectados por Santamouris se pueden apreciar con mayor detalle en la tabla 14.

Tabla 14. Descripción de las tendencias tecnológicas existentes en el campo de los pavimentos reflectantes. Descripción de la tecnología para aumentar el albedo Detalles tecnológicos Tipo de pavimento Albedo Resultados (temperatura) Uso de pinturas blancas altamente reflectantes en la superficie del pavimento. Uso de 14 pinturas blancas de alta reflectividad colocadas en la superficie de baldosas de concreto Concreto 0,80-0,90 Reduce la temperatura diaria de la superficie de un pavimento de hormigón blanco en condiciones cálidas de verano de 2-4°C durante la noche Pinturas blancas de alta reflectividad basadas en el uso de hidróxido de calcio Concreto 0,76 Reduce la temperatura de la superficie diaria en condiciones de

(58)

Descripción de la tecnología para aumentar el albedo Detalles tecnológicos Tipo de pavimento Albedo Resultados (temperatura) colocado en la superficie de baldosas de hormigón. verano de 1–5 °C y en 1°C durante la noche en comparación con un pavimento de

concreto del mismo color Uso de pinturas reflectantes infrarrojas en la superficie del pavimento.

Uso de diez pinturas reflectantes infrarrojas de diferentes colores colocadas en la superficie de baldosas de hormigón. Concreto 0,27-0,70 Reduce la temperatura de la superficie diaria en condiciones de verano de 2–10°C en comparación con un pavimento de

concreto del mismo color

Uso de una pintura reflectante infrarroja oscura colocada en la superficie del asfalto junto con partículas de cerámica huecas en la masa del pavimento. Asfalto 0,46 Reducción de la temperatura diaria de la superficie en 5°C en comparación con un concreto del mismo color.

Uso de una pintura reflectante infrarroja oscura colocada en la superficie del asfalto junto con partículas de cerámica huecas.

Asfalto 0,50

Reduce la

temperatura

superficial diaria del pavimento de (8-15°C) y en 2°C durante la noche en comparación con el asfalto convencional Cinco delgadas capas reflectantes de diferentes colores que utilizan pigmentos reflectantes infrarrojos para Asfalto 0,27–0,55 Reduce la temperatura diaria de la superficie del pavimento en 16-24°C y en 2°C durante la noche, en

(59)

Descripción de la tecnología para aumentar el albedo Detalles tecnológicos Tipo de pavimento Albedo Resultados (temperatura) pavimentos de asfalto comparación con el asfalto convencional Uso de pintura reflectante del calor para cubrir los agregados del asfalto.

Uso de una pintura reflectante para cubrir todos los agregados del asfalto.

Asfalto 0,46-0,57

Reducción de la temperatura

superficial diaria del pavimento en 10.2–

18.8°C, en

comparación con el asfalto convencional Uso de una pintura

reflectante para cubrir los agregados superficiales del asfalto.

Asfalto 0,25-0,6

Reducción de la temperatura de la superficie diaria del pavimento en 6.8-20°C, en comparación con el asfalto convencional Uso de pinturas que cambian de color en la superficie del pavimento.

Uso de once colores termocrómicos aplicados en la superficie de pavimentos de hormigón. Concreto Color: 0,51–0,78 Incoloro: 0.71–0.81 Reduce la temperatura diaria de la superficie del pavimento en 5.4– 10°C, en

comparación con los pavimentos convencionales Uso de cenizas volantes y escorias como componentes del hormigón. Cuando el 70% de la escoria se usa como

reemplazo de cemento, la mezcla presentaba un albedo aumentado Concreto 0,58 No disponible Nota: Adaptado de [35].

6.1.5 Pavimento Rígido con Pigmento de Colores

Un trabajo de grado realizado por Daniela Torres y Johan Soto en la Universidad Piloto de Colombia ubicada en Bogotá, Colombia. Se realizaron ensayos de laboratorios en los cuales se

Referencias

Documento similar

que hasta que llegue el tiempo en que su regia planta ; | pise el hispano suelo... que hasta que el

E Clamades andaua sienpre sobre el caua- 11o de madera, y en poco tienpo fue tan lexos, que el no sabia en donde estaña; pero el tomo muy gran esfuergo en si, y pensó yendo assi

Sanz (Universidad Carlos III-IUNE): &#34;El papel de las fuentes de datos en los ranking nacionales de universidades&#34;.. Reuniones científicas 75 Los días 12 y 13 de noviembre

(Banco de España) Mancebo, Pascual (U. de Alicante) Marco, Mariluz (U. de València) Marhuenda, Francisco (U. de Alicante) Marhuenda, Joaquín (U. de Alicante) Marquerie,

The part I assessment is coordinated involving all MSCs and led by the RMS who prepares a draft assessment report, sends the request for information (RFI) with considerations,

Volviendo a la jurisprudencia del Tribunal de Justicia, conviene recor- dar que, con el tiempo, este órgano se vio en la necesidad de determinar si los actos de los Estados

Como asunto menor, puede recomendarse que los órganos de participación social autonómicos se utilicen como un excelente cam- po de experiencias para innovar en materia de cauces

En cuarto lugar, se establecen unos medios para la actuación de re- fuerzo de la Cohesión (conducción y coordinación de las políticas eco- nómicas nacionales, políticas y acciones