El proyecto de rehabilitación estructural de un firme

EL PROYECTO DE REHABILITACIÓN
ESTRUCTURAL DE UN FIRME: EL NUEVO
MODELO IRLANDÉS VS EL MODELO ESPAÑOL
Autor/Ponente
David Almazán Cruzado
Director de Departamento de Firmes y Pavimentos
División de Ingeniería del Terreno
Eptisa, Servicios de Ingeniería, S.A.
1.- RESUMEN
En una época en la que las obras de carreteras de nuevo
establecimiento están tocando a su fin en España, el nuevo reto del
futuro
será
la
capacidad
de
hacer
frente
a
los
principales
parámetros de calidad que, cada día más demandan los usuarios
del entramado viario existente, en base a los indicadores de
durabilidad, tiempos de recorrido, seguridad y confort, y que sólo
mediante
las
pertinentes
gestiones
de
mantenimiento
y
conservación podrán ser garantizados.
Por eso, a la hora de abordar la redacción de un Proyecto de
Rehabilitación Estructural de un Firme habrían de tenerse en cuenta
varios
aspectos
fundamentales
como
son,
su
patología,
la
distribución temporal del tráfico, la determinación de su vida
residual, el estado de la explanada, el estado del drenaje, la
previsión de actuaciones de mantenimiento durante el periodo de
proyecto, así como la posibilidad de valorizar, reciclar o reutilizar
los materiales que lo componen.
En este sentido el Nuevo Modelo Irlandés, que se está aplicando en
la actualidad, y que toma como referencia los estándares de la
Normativa
Inglesa,
fundamentales
recoge
citados
con
gran
parte
anterioridad,
de
hasta
los
aspectos
completar
un
exhaustivo Proyecto de Rehabilitación Estructural. Por su parte, el
Modelo Español, que cada vez se acerca más a este tipo de
Proyectos (valgan como ejemplo, los últimos Proyectos de Reforma
de las Autovías de Primera Generación), aún tiene reminiscencias
del pasado, sobre todo en carreteras de tráficos medios y bajos,
donde
los
firmes
se
refuerzan
sin
justificación
alguna,
con
independencia de su sintomatología. El concepto de “a mayor
espesor de mezcla bituminosa de refuerzo, mejor”, debe pasar a la
historia.
Palabras Clave: Firme, Irlanda, deflexión, módulo, rehabilitación
2.- INTRODUCCIÓN
El objetivo inicial de cualquier proyecto de rehabilitación estructural
de un firme, debería ser la evaluación de su vida residual.
Una vez realizado este pormenorizado análisis, detectada su
patología y estudiadas las demandas de tráfico futuras, se estaría
en condiciones de diseñar la solución más optimizada posible de
rehabilitación.
El problema reside en que en la mayoría de las ocasiones no se
dispone de mucha información y los proyectos de rehabilitación
acaban por reducirse a la ejecución de una simple capa de
aglomerado sobre el firme existente.
Existen numerosos métodos para calcular la vida residual de un
firme, según los parámetros de partida disponibles. Las campañas
de testeo más comunes en este sentido están basadas en la
obtención
de
deflexiones,
información
IRI
e
del
firme
inspecciones
a
través
visuales.
de
Otro
testigos,
tipo
de
documentación de gran interés pero de difícil obtención serían los
proyectos de liquidación (“As Built”), o en su defecto, los proyectos
constructivos de la carretera a rehabilitar, la auscultación de
espesores
de
firme
mediante
georadares,
digitalización
de
imágenes de estado de la carretera, ensayos de módulos de
elasticidad de testigos, datos de aforo desde la puesta en servicio
de la carretera, o incluso, herramientas informáticas de gestión de
firmes.
A continuación se procederán a describir, los modelos más
habituales de proyectos de rehabilitación de un firme, así como sus
datos de partida, tanto en España como en Irlanda.
3.- DESCRIPCIÓN DEL MODELO ESPAÑOL
En la mayoría de los proyectos de rehabilitación de firmes
españoles, se echa de menos información complementaria para
determinar la vida residual de un firme, como puede ser, el tipo de
tráfico en el año de puesta en servicio de la carretera, los
incrementos anuales del tráfico pesado, los espesores y los tipos de
materiales que componen las distintas capas del firme.
En base a esta información, uno de los métodos analíticos más
habituales para determinar la vida residual de un firme sería el
calculado mediante las siguientes expresiones (sólo válida en caso
de que Na < Nproyecto):
Vida residual del firme existente = 1- (Na/Nproyecto)
Nfinal
(x años)=
Nrefuerzo [1- (Na/Nproyecto)]
Donde,
Na= Número de aplicaciones de carga desde su puesta en servicio hasta la
actualidad y previamente a la ejecución del refuerzo
Nproyecto= Tráfico de diseño o de proyecto, donde se contabilizan el número de
aplicaciones de carga que es capaz de soportar el firme antes del refuerzo
Nrefuerzo= Número de aplicaciones de carga que soportaría el firme de proyecto con
el espesor de refuerzo estimado.
Nfinal
(x años)=
Número de aplicaciones de carga que ha de soportar el firme
ya
reforzado para un determinado periodo de proyecto (normalmente entre 10 y 20
años)
Otro método de cálculo analítico empleado para obtener la vida
residual de un firme, se realizaría a través de programas multicapa
de cálculo inverso, a partir del análisis de deflexiones y espesores
de capas del firme.
A nivel de recordatorio, en España, el modo de fallo más habitual
de un firme semiflexible o semirrígido se produce por agotamiento
estructural de la capa de base, una vez que se superan las
deformaciones radiales máximas admisibles (caso semiflexible) o
las tracciones horizontales máximas admisibles (caso semirrígido),
que se generan en la fibra inferior de la citada capa. Esta fatiga
estructural se transmite a la capa de rodadura mediante una
progresión de la fisuración de abajo a arriba.
A este respecto, es necesario comentar que la vida de un firme que
ha soportado ya un determinado número de repeticiones de carga,
pero que todavía está lejos del inicio de rotura, es susceptible de
ser alargada incrementando su espesor, ya que implicará una
disminución de tensiones y deformaciones para los mismos ciclos
de carga anteriores. Sin embargo, en el momento que la capa de
mezcla bituminosa o tratada con cemento ha comenzado a
agrietarse, se necesitan otro tipo de soluciones de rehabilitación de
mayor consideración, debido a que la rotura estructural es
irreversible,
siendo
la
capa
agrietada
una
estructura
completamente diferente de la capa íntegra y con mucha menor
resistencia estructural.
En este último caso, la estructura que hay que conservar es un
firme ya roto, cuya deformabilidad es mucho mayor que la de una
capa estructuralmente íntegra. (1)
En base a la experiencia de los últimos años, se podrían distinguir
dos tipos de proyectos de rehabilitación de firmes, en función de su
categoría de tráfico: Proyectos para tráficos medios-altos (T00 a
T2) y Proyectos para tráficos medios-bajos (T2 a T42):
a) Proyectos para tráficos medios-bajos
Los datos de partida suelen ser muy precarios, apenas se cuenta
con alguna inspección visual, alguna campaña de extracción de
testigos, y en el mejor de los casos, con alguna auscultación
deflectométrica.
En estos casos es muy habitual la solución de recrecido con mezcla
bituminosa en caliente sobre el firme existente sin previo análisis
patológico. Sobre manera en épocas de periodo electoral.
En los casos excepcionales donde se dispone de distribuciones
espaciales de deflexiones, las soluciones de rehabilitación se suelen
referir a la Instrucción 6.3-IC del Ministerio de Fomento, con
independencia de la Administración Gestora.
Es necesario destacar que la aplicación directa de la citada
Instrucción 6.3-IC en los proyectos, a partir del parámetro
deflexión y la categoría de tráfico, sin establecer un criterio previo,
puede generar situaciones tan dispares en obra como que, en un
determinado tramo de la carretera a rehabilitar, el espesor de
recrecido en un carril sea de 18 cm y en el adyacente sea de 10 cm
(suponiendo una carretera convencional con una única calzada y
dos carriles, uno para cada sentido).
b) Proyectos
para
tráficos
medios-altos.
Las
Autovías
de
Primera Generación
Este tipo de proyectos cuentan con una información de partida
mucho más completa que los anteriores. Fundamentalmente consta
de una inspección visual, un análisis deflectométrico, una campaña
de regularidad superficial y una campaña de extracción de testigos.
A pesar de que cualquier información complementaria sobre el
tráfico o el propio firme serían de gran utilidad, con las licitaciones
de los Proyectos de las Autovías de Primera Generación se ha
establecido un salto cualitativo en este tipo de proyectos de
rehabilitación de firmes en España sin precedentes.
El grado de detalle al que se ha llegado, aunque mejorable, es muy
superior al de los proyectos de un pasado no muy lejano:
•
División por tramos homogéneos a nivel de deflexiones y de
regularidad superficial.
•
Definición de tratamientos, en función del tipo de firme,
categoría de tráfico, capacidad portante (sólo se tiene en
cuenta la deflexión en el centro de la carga), transmisión de
cargas (sólo en firmes rígidos), IRI y datos de testigos de
aglomerado. (Ver figuras 1 y 2)
Figura 1. Planta de definición de tratamientos de rehabilitación
Figura 2. Perfil longitudinal de definición de tratamientos de rehabilitación.
Transiciones.
•
Las deflexiones están corregidas en función de la temperatura del pavimento y la humedad de la explanada. La deflexión
característica se calcula según la Instrucción 6.1-IC (2m+s)
•
No se calcula la vida residual del firme, por falta de datos.
•
Secciones tipo de tratamientos (ver figura 3)
•
Detalle de tratamientos en zonas de transición (ver figura 2)
•
Detalle de tratamientos en zonas de gálibo reducido
•
Detalle de tratamientos sobre firmes rígidos (Ver figuras 4 y 5)
Figura 3. Secciones tipo de tratamientos
Figura 4. Detalle de reparación de fisuras en losas de hormigón
Figura 5. Detalle de tratamiento de rehabilitación de firme rígido
4.- DESCRIPCIÓN DEL NUEVO MODELO IRLANDÉS
Las diferencias principales con el modelo español residen esencialmente
en tres aspectos fundamentales: el diseño inicial de la carretera, el modo
de fallo más habitual de sus firmes y las solicitaciones del tráfico.
a) Diseño inicial del firme
Respecto al diseño inicial de la carretera es destacable señalar que
en Irlanda, al igual que en España, se realiza un diseño para la
explanada y otro para el firme, aunque este último no siempre está
condicionado por el tipo de explanada.
Para el diseño de la explanada se emplean, bien nomogramas (Ver
figura 6), bien cálculos analíticos. Estos diseños son extremadamente
conservadores, hasta el punto de que las reducciones de los valores
de los módulos de elasticidad que se emplean en los materiales que
componen las distintas capas de la explanada, con respecto a los
adoptados en España, tienen una enorme relevancia. (2)
DENOMINACIÓN DE
MÓDULOS DE YOUNG
MÓDULOS DE YOUNG
MATERIAL
EMPLEADOS EN ESPAÑA
EMPLEADOS EN IRLANDA
España/Irlanda
(MPa)
(MPa)
50
25 - 40
>200
75
> 200
75
400 – 500
150
100 – 1.000
100
Suelo adecuado/2CGlacial Till
Zahorra Natural-Suelo
Seleccionado (CBR>20)
/ Capping – 1C
Todo-uno/ Capping –
1C
Zahorra Artificial/ Type
B
S-EST3/Stabilised
capping
Tabla 1. Comparativa de Módulos de Young entre España e Irlanda
MÓDULO EQUIVALENTE DE
MÓDULO EQUIVALENTE
EXPLANADA EN ESPAÑA
DE EXPLANADA EN
(MPa)
IRLANDA (MPa)
TIPO 1
≥ 60
≥ 50
TIPO 2
≥ 120
≥ 100
TIPO 3
≥ 300
≥ 200
TIPO 4
-
≥ 400
TIPO DE EXPLANADA
Tabla 2. Comparativa de Módulos Equivalentes de Explanadas entre España e
Irlanda
Figura 6. Nomograma para la obtención de una explanada Tipo 2, a partir de una
capa de capping y una capa de subbase
Con esta política de diseño se consiguen dos importantes logros:
•
Garantizar y mantener constantes los valores de los módulos
de elasticidad de las capas en el tiempo, así como los
módulos equivalentes de las explanadas a largo plazo.
•
Se introduce el concepto de firme de larga duración (periodo
de proyecto mínimo de 40 años), basado en una explanada
con
una
elevada
capacidad
portante,
perfectamente
adaptada al tipo de cargas de tráfico a soportar.
b) Modos de fallo (salvo en caso de firmes semirrígidos)
Los modos de fallo más habituales que se producen en los firmes
flexibles, se generan principalmente por fisuración de arriba hacia
abajo, debido a la exposición de la capa de rodadura a los agentes
ambientales.
Otro deterioro bastante generalizado sería la pérdida de material en
las juntas de aglomerado, ya que en Irlanda no es muy común el
extendido de mezcla bituminosa a ancho completo.
c) Solicitaciones debidas al tráfico
Simplemente destacar que mientras en España se toma como base
de cálculo la rueda gemela con ejes equivalentes de 128 KN, en
Irlanda se adopta la rueda simple con ejes equivalentes de 80 KN.
En el modelo irlandés, a nivel de obtención de datos de partida para
la redacción de proyectos de rehabilitación de firmes, no se
discrimina entre distintas categorías de tráfico. La información que
se aporta normalmente, se basa en una evaluación superficial
digitalizada del firme en base a sus deterioros superficiales, pci (Ver
tabla 4), una auscultación estructural, mediante deflectómetro de
impacto, una campaña de extracción de testigos y finalmente un
estudio de los módulos de elasticidad existentes en el firme
antiguo.
El índice pci (Pavement Condition Index) está basado en la captura
de
imágenes
digitalizadas
de
las
degradaciones
superficiales
detectadas en la superficie de rodadura. En función del grado de
deterioro obtenido del pavimento, el vehículo de auscultación,
calcula un índice de estado del pavimento (pci) discriminando el
porcentage debido a fallos estructurales y el de fallos superficiales,
con el siguiente criterio:
La metodología seguida para la obtención de la solución de
rehabilitación más idónea sería la siguiente:
a) En función de los deterioros superficiales se realiza una
primera evaluación del estado del firme: Cálculo del pci
b) Posteriormente, a partir de los resultados de la auscultación
deflectométrica, se realiza un estudio pormenorizado del
cuenco
de
deflexiones,
donde
se
evalúa
la
capacidad
portante de la explanada, de las capas conglomeradas o
aglomeradas en su conjunto, y de la capacidad portante
general del firme. Este estudio se realiza para cada golpe,
pues
es
costumbre
en
Irlanda
repetir
el
ensayo
deflectométrico sobre el mismo punto con tres tipos de carga
33, 40 y 40 KN. (Figura 7)
N3-INTERCHANGE
SB SLIP entrance N3 TO M50
46kN
200
measured deflections (microns)
180
160
140
120
D1
100
D6
D1-D4
80
60
40
20
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
chainage (meters)
Figura 7. Estudio del cuenco de deflexiones del deflectómetro de impacto
c) Al igual que ocurre en España, se realiza un proceso de
sectorización de la obra por tramos homogéneos en función
de las deflexiones. En Irlanda se trata de un proceso más
complejo, pues se ha de tener en cuenta todo el cuenco de
deflexiones, como se ha comentado en el punto anterior y no
sólo la deflexión máxima, como ocurre en España.
En este caso la deflexión característica se ve afectada por un factor
de corrección por temperatura del pavimento y su tramificación se
realiza en base a la distribución resultante de aplicar el percentil del
85%.
d) Con los datos de base aportados y mediante un programa
analítico de cálculo inverso, se obtienen los módulos de
elasticidad estimados del firme, que se comparan con los
obtenidos en los ensayos de laboratorio de cara a su
verificación.
e) Los módulos analíticos obtenidos se verifican mediante
ensayos de compresión diametral, en laboratorio, antes de
proceder al cálculo de la vida residual.
f) Una vez obtenidos los parámetros iniciales se calcula la vida
residual del firme, mediante la siguiente tabla (tabla 3):
Tabla 3. Cálculo de vida residual de diversos ramales en la Circunvalación M50 de
Dublín
Las estimaciones de la vida residual del firme se cotejan con los
datos de inspección visual (pci) donde, como se puede comprobar
los resultados coinciden con las estimaciones de vida residual. (4)
Tabla 4. Valoración de estado del firme en base al Índice pci
g) Calculada la vida residual, se realiza un cálculo del tráfico
futuro en base al Método de Evaluación del Tráfico para
Actuaciones de Mantenimiento (Ver figura 8), donde se
puede obtener un factor de crecimiento de tráfico aplicado a
cada categoría de tráfico pesado (OGV1+PSV y OGV2) o un
porcentaje anual de crecimiento del tráfico pesado. (7)
Figura 8. Determinación de índices y factores de crecimiento de tráfico en Irlanda
h) Con un programa analítico multicapa y en base a los datos de
tráfico obtenidos, se calcula la solución de rehabilitación más
idónea en cada caso.
Al igual que ocurre en el caso de las explanadas, en las capas de
aglomerado
se
toman
valores
de
Módulos
de
Young
muy
conservadores, lo que aumenta el coeficiente de seguridad del
diseño de la rehabilitación final del firme. (ver tabla 5)
DENOMINACIÓN DE
MÓDULOS DE YOUNG
MÓDULOS DE YOUNG
MATERIAL
EMPLEADOS EN ESPAÑA
EMPLEADOS EN IRLANDA
España/Irlanda
(MPa)
(MPa) (3)
6000
4700
>11000
8000
- /DBM125
-
2500
- /HRA50
-
3100
PA / PA
4000
< 3000
Asphalt Concrete (
antiguas G, D, S) /
DBM50 – HDM50
Asphalt Concrete
(antigua MAM) / EME2
Tabla 5. Comparativa de Módulos de Elasticidad en mezclas bituminosas entre
España e Irlanda
EL NUEVO MODELO IRLANDÉS VS EL MODELO ESPAÑOL
Mientras que en España, uno de los motivos principales de la
revisión de la Instrucción 6.1-IC fue la introducción de un cambio
cualitativo en la concepción y clasificación de las explanadas (Año
2003), en Irlanda, desde el año 1994, se están diseñando
explanadas muy conservadoras que aportan una gran
capacidad
portante al firme y por tanto, una gran durabilidad.
En España, la experiencia ha puesto de manifiesto que era difícil
encontrar suelos sin tratar que tuviesen un buen comportamiento
para conformar una explanada de clase 3. Esto pudo ser debido a
que los suelos seleccionados tipo 3 no se comportaron según lo
esperado, o que también, con gran frecuencia se clasificaba como
suelos tipo 3, materiales que estaban muy en el límite, que debían
haber sido clasificados como tipo 2, y sobre los que debía haberse
colocado un firme de mayor espesor. Este aspecto ha motivado la
degradación prematura de muchas carreteras en nuestro país. (5)
En el caso de las explanadas irlandesas, que se conforman según el
esquema adjunto (ver figura 9), se emplean módulos de Young
mucho más conservadores que en España (caso de diseño
mediante monogramas), donde además se limita la deformación
vertical de la capa de sub-grade (caso de diseños analíticos), que
habrá de ser inferior a una deformación máxima admisible, en
función de las solicitaciones del tráfico previsto. (ver tablas 1 y 2) (6)
Layer Description
Sub-base
Formation Level
Pavement
Foundation
Subformation Level
Sub-grade
Figura 9. Definición de capas una explanada en Irlanda
Donde,
Sub-base, sería un material muy similar a una zahorra artificial española tratada o
no Formation Level, sería un material (tratado o sin tratar) tipo macadam o
zahorra artificial con mayor tamaño máximo de árido que en el caso de la subbase,
Subformation
level
(capa
prescindible
en
determinados
diseños),
a
veces
coincidente con la sub-grade y de naturaleza similar, que sería un suelo
caracterizado por su CBR (%) y dentro del rango variable del suelo inadecuado –
suelo seleccionado español. También puede tratarse de un material tratado o sin
tratar.
En definitiva, en un gran número de carreteras de la Red Nacional
Irlandesa, ejecutadas en la última década es habitual obtener
valores de deflexiones considerablemente inferiores a las carreteras
españolas (en mismas condiciones de carga y años de explotación),
no es habitual el fallo estructural en el pavimento, y por tanto, su
durabilidad es superior.
Sin embargo, y al contrario de lo que sucede en Irlanda, en la
actualidad España es un referente en el empleo de materiales
nuevos para firmes de carreteras, que van desde el máximo
aprovechamiento de los materiales locales, mediante estabilización
o tratamientos de capas de firme con conglomerantes, hasta el
empleo de las últimas tecnologías bituminosas, como el betún
modificado con caucho de alta viscosidad, los reciclados con
emulsión o los tratamientos superficiales anti-contaminantes.
CONCLUSIONES
Con la combinación de ambos modelos de rehabilitación, es decir, el
empleo de modelos de cálculo de firmes conservadores, ya desde el
diseño de la explanada y la acumulación de datos para la obtención
de una amplia información de partida, junto con el uso de
materiales
nuevos
ambientales,
se
que
aportan
pueden
soluciones
conseguir
a
los
estructuras
problemas
de
firmes
rehabilitadas perfectamente dimensionadas y de larga duración.
REFERENCIAS BILIOGRÁFICAS
(1)
Félix Edmundo Pérez, Rodrigo Miró y Adriana Martínez;
Proyecto, Conservación y Gestión de Firmes (2.007)
(2)
Interim Advise Note 73/06. Design Guidance for Road
Pavement Foundations (2006)
(3)
HD 26/06. Pavement Design. Design Manual for Roads and
Bridges.
(4)
Pavement
Condition
Survey
M50.
Dublin.
Pavement
Management Services. (2008)
(5)
Félix
Edmundo
secciones
Pérez.
especiales
“Comportamiento
para
tráficos
de
pesados”.
firmes
y
Revista
Carreteras nº 152 (2.007)
(6)
NRA HD 25/94. Foundation Design. Design Manual for Roads
and Bridges.
(7)
NRA HD 24/96. Traffic Assessment. Design Manual for Roads
and Bridges.