La Resistencia a la compresión de los adoquines de concreto en
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA SISTEMA DE ESTUDIOS DE POSTGRADO LA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE LOS ADOQUINES DE CONCRETO EN NICARAGUA Tesina sometida a la consideración de la Comisión del Programa de Estudios de Maestría en Ingeniería del Transporte, para optar al grado de Master. ING. JORGE ANTONIO TÉLLEZ GARCIA ING. JUAN CARLOS VILLANUEVA NARANJO Universidad Nacional de Ingeniería Nicaragua 2003 La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua DEDICATORIA Por su apoyo y comprensión brindados durante todo el curso y fase de titulación, dedico la presente tesina a: Mi esposa: LUANA LISBETH LÓPEZ LUNA Mis Hijos: DARIO ANTONIO Y JORGE FABIAN Con todo el cariño y agradecimiento de esposo y padre. ING. JORGE A. TELLEZ G. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez García y Juan Carlos Villanueva iii La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua DEDICATORIA Por su apoyo y comprensión brindados durante todo el curso y fase de titulación, dedico la presente tesina a: Mi esposa: JUANITA ORTIZ. Mis Hijos: JENNYFFER BERENICE, JUAN CARLOS Y JORGE JOSUÉ. Con todo el cariño y agradecimiento de esposo y padre. JUAN CARLOS VILLANUEVA N. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez García y Juan Carlos Villanueva iv La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua AGRADECIMIENTOS En primer lugar a Jehová, Dios, por brindarnos vida y capacidad para finalizar con buen pie esta tarea emprendida, ya que sin su ayuda ninguna meta puede ser alcanzada. A nuestras familias por la comprensión y estímulo que garantizaron durante el desarrollo de la maestría. Al Dr. Ing. Oscar Gutiérrez, que como tutor supo guiarnos efectivamente hasta alcanzar los objetivos propuestos. Al Ing. Roberto Zelaya Blanco, Presidente Ejecutivo de EPN, por las facilidades brindadas en el trabajo, sin el cual no habría sido posible el finalizar el curso. Al Ing. Joaquín Torres Solís, Gerente Técnico de EPN, por el apoyo brindado durante el curso. A nuestros condiscípulos de estudio, que de una u otra forma y sobre todo el intercambio de conocimientos y experiencias hicieron posible el desarrollo del curso de la mejor forma posible. A todos los docentes que impartieron las materias de la maestría que supieron transmitir sus conocimientos de la mejor forma posible, considerando los tropiezos tenidos en el desarrollo del curso A M&S, PROINCO, Ladrillería San Pablo, M.T.I., EDICROSA, COREA Y ASOCIADOS, EDICO, y a todas las empresas que brindaron información y medios para concretar nuestro trabajo. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez García y Juan Carlos Villanueva v La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua APROBACIÓN Esta tesina fue aceptada por la Comisión del Programa de Estudios de la Maestría en Ingeniería del Transporte de la Universidad Nacional de Ingeniería, como requisito parcial para optar al grado Master. Presidente del Tribunal Secretario del Tribunal Vocal Ing. Jorge Antonio Téllez García Ing. Juan Carlos Villanueva Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez García y Juan Carlos Villanueva vi La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua RESUMEN En el presente trabajo se realiza el análisis estructural del adoquín de concreto, con el objetivo de calcular la resistencia a la compresión que debe poseer este elemento, considerando la carga generada por el tráfico en las vías rurales de Nicaragua, ámbito actual de competencia del Ministerio de Transporte e Infraestructura nicaragüense. Cumpliendo la Normativa para este tipo de documento, se desarrolla el tema dividiéndolo en tres partes: la primera referida a la Presentación, la segunda el Cuerpo del Trabajo y la tercera la Parte Final, en este resumen haremos hincapié en el Cuerpo del Trabajo, específicamente en el desarrollo del tema. El Desarrollo del Tema se subdivide en tres capítulos: En el primero se aborda la situación de los pavimentos de adoquín, enfocando la historia y el desarrollo que han tenido como alternativa ante los otros tipos de pavimentos, se enfatiza el aspecto de los componentes del concreto hidráulico y la forma en que se debe trabajar para obtener una resistencia a la compresión requerida. En el segundo se caracterizan los pavimentos de adoquín en Nicaragua, desde su inicio hasta la fecha, como se construían antes y en la actualidad, también se analiza la información disponible en el MTI sobre la red vial nicaragüense, logrando determinar las características principales en cuanto a tránsito para categorizar las vías y suelo de subrasante, además se esboza un breve análisis acerca de los principales problemas en las vías adoquinadas de Nicaragua. En el tercero se efectúa el análisis estructural del adoquín, objetivo principal del trabajo, consiguiendo determinar que la resistencia a la compresión que deben poseer los adoquines de concreto en Nicaragua es de 210 Kg/cm2, equivalente a 3,000 PSI ó 20.68 Mpa, dependiendo de la unidad de medida que se establezca. Esto se logra por medio del análisis de materiales, la estática, la definición de las solicitaciones climáticas, los agentes externos, parámetros estructurales y las consideraciones especiales. Al final, se integran las conclusiones y recomendaciones derivadas del trabajo, también las diferentes literaturas o Bibliografía consultada, anexándose los principales cálculos efectuados y extractos de literatura. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez García y Juan Carlos Villanueva vii La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua i CONTENIDO LISTA DE TABLAS LISTA DE ILUSTRACIONES Y FIGURAS LISTA DE ABREVIATURAS IV V VI I.- INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 1 II.- OBJETIVOS .............................................................................................................. 2 Objetivo General.......................................................................................................... 2 Objetivos Específicos .................................................................................................. 2 III- HIPOTESIS ................................................................................................................ 2 IV- METODOLOGIA DE INVESTIGACION .................................................................... 3 V- DESARROLLO DEL TEMA ....................................................................................... 4 CAPITULO 1: PAVIMENTOS ADOQUINADOS ............................................................. 4 1.1.- Reseña Histórica ................................................................................................. 4 1.2.- El Adoquín ........................................................................................................... 6 1.3.- Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto .............................. 8 1.3.1.- Factores que afectan la resistencia a la compresión del concreto.............. 10 1.3.1.1.- Efecto de la edad ................................................................................. 10 1.3.1.2.- Efecto de la relación agua – cemento .................................................. 10 1.3.1.3.- Los tipos de cemento en la mezcla ...................................................... 10 1.3.1.4.- Los agregados...................................................................................... 11 1.3.1.5.- Condiciones de humedad durante el curado ........................................ 11 1.3.1.6.- Efecto de la temperatura durante el curado ......................................... 11 1.3.1.7.- Madurez del concreto ........................................................................... 12 1.3.1.8.-Rango de carga..................................................................................... 12 1.3.2.- Relación entre la resistencia a tensión y la resistencia a compresión ........ 12 1.4.1.1.- Cemento............................................................................................... 13 1.4.1.2.- Agregados ............................................................................................ 14 1.4.1.3.- Granulometría de los agregados .......................................................... 14 1.4.1.4.- Agua para el mezclado y el curado ...................................................... 15 1.4.1.5.- Aditivos................................................................................................. 15 1.4.2.- Proporción y mezcla de los materiales ....................................................... 15 1.4.3.- Resistencia ................................................................................................. 16 1.4.4.- Operación de las maquinas ........................................................................ 17 1.4.5.- Curado y Transporte ................................................................................... 18 1.4.5.1.- Fraguado .............................................................................................. 18 1.4.5.2.- Curado.................................................................................................. 18 1.4.5.3.- Reposo ................................................................................................. 19 1.4.5.4.- Transporte ............................................................................................ 19 CAPITULO 2 CARACTERIZACIÓN DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUÍN EN NICARAGUA ................................................................................................................ 20 2.1.- Antecedentes Históricos del Transporte en Nicaragua...................................... 20 2.2.- Desarrollo Histórico De La Red Vial ............................................................... 22 2.3.- Caracterización De La Red Vial De Nicaragua............................................... 22 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua ii 2.3.1.- Caracterización del Tráfico ......................................................................... 22 2.3.2.- Caracterización del Suelo de Subrasante ................................................... 25 2.4.- Pavimentos Adoquinados en Nicaragua............................................................ 26 2.4.1.- Período de 1970 a 1980:............................................................................. 26 2.4.2.- Período de 1980 a 1990.............................................................................. 28 2.4.3.- Período de 1990 al 2002............................................................................. 30 2.4.4.- Pavimentos de adoquines en etapa de diseño ........................................... 33 2.5.- Métodos de Diseño........................................................................................... 34 2.5.1.- Período de 1970 a 1980 y de 1980 a 1990 ................................................. 35 2.5.2.- Período de 1990 a 2002.............................................................................. 35 2.6.- Normas de Construcción y Conservación ......................................................... 35 2.6.1.- Normas de Construcción............................................................................. 35 2.6.2.- Normas de Conservación............................................................................ 37 2.6.2.1.- La Renovación de Adoquines............................................................... 37 2.6.2.2.- Remates ............................................................................................... 37 2.6.2.3.- Arenación de Adoquines ...................................................................... 37 2.7.- Descripción de los Trabajos de Construcción.................................................. 38 2.7.1.- Adoquines ................................................................................................... 38 2.7.2.- Manejo de los Adoquines............................................................................ 38 2.7.3.- Fase de Campo .......................................................................................... 40 2.7.3.1.- Construcción del Drenaje ..................................................................... 40 2.7.3.2.- Movimiento de tierra para la obtención de la sub-rasante .................... 41 2.7.3.3.- Construcción de las capas de base y subbase .................................... 41 2.7.3.4.- Riego de la Capa de Arena .................................................................. 42 2.7.3.5.- Colocación del Adoquín........................................................................ 44 2.7.3.6.- Lleno de Juntas .................................................................................... 45 2.7.3.7.- Compactación de Adoquines de Concreto ........................................... 47 2.7.3.8.- Limpieza ............................................................................................... 47 2.8.- Descripción de los Trabajos de Mantenimiento ................................................. 48 2.9.- Principales Problemas en las Vías Adoquinadas de Nicaragua ........................ 49 2.9.1.- Fallas de Diseño ......................................................................................... 49 2.9.2.- Fallas de Construcción ............................................................................... 54 2.9.3.- Fallas de los Materiales .............................................................................. 55 2.9.4.- Fallas de aplicación del producto................................................................ 55 CAPITULO 3: ANALISIS ESTRUCTURAL DEL ADOQUIN ........................................ 57 3.1.- Solicitaciones..................................................................................................... 57 3.1.1.- Solicitaciones Climáticas............................................................................. 57 3.1.1.1.- Ciclos de Dilatación y Contracción Térmica ......................................... 57 3.1.1.2.- Ciclos de Humedecimiento y Secado ................................................... 57 3.1.1.3.- Ciclos de Congelamiento y Descongelamiento .................................... 57 3.1.2.- Agentes Externos........................................................................................ 58 3.1.2.1.- Ataque Químico.................................................................................... 58 3.1.2.2.- Desgaste por Abrasión ......................................................................... 58 3.1.3 Solicitaciones Estructurales .......................................................................... 59 3.2.- Parámetros Estructurales .................................................................................. 59 3.2.1.- Dimensiones ............................................................................................... 59 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua iii 3.2.2.- Momento de Inercia .................................................................................... 59 3.2.3.- Cargas ........................................................................................................ 60 3.2.3.1.- Eje tipo ................................................................................................. 60 3.2.3.2.- Presión de Inflado ................................................................................ 61 3.2.3.3.- Huella (Área de Contacto) .................................................................... 61 3.2.3.4.- Estados de Carga................................................................................. 62 3.3.- Consideraciones Especiales.............................................................................. 64 3.3.1.- Sobrecarga en los Vehículos ...................................................................... 64 3.3.2.- Estado Mecánico de las Llantas e Impacto................................................. 64 3.3.3.- Fatiga .......................................................................................................... 65 3.3.4.- Combinación de Esfuerzos ......................................................................... 65 3.4.- Análisis Estructural ............................................................................................ 66 3.4.1.- Análisis del Adoquín como un bloque sujeto a Cargas Axiales................... 66 3.4.2.- Análisis del Adoquín como una viga simplemente apoyada (Uso de la Fórmula de la Flexión) ........................................................................................... 68 3.4.3.- Maximización del Esfuerzo ......................................................................... 71 VI.- CONCLUSIONES................................................................................................... 74 VII.- RECOMENDACIONES ......................................................................................... 75 BIBLIOGRAFÍA ANEXOS Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua iv LISTA DE TABLAS TABLA 1.1 VALORES DE RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN .................................... 8 TABLA 1.2 GRANULOMETRÍA DE AGREGADOS PARA LA FABRICACIÓN DE ADOQUINES................................................................................................................. 15 TABLA 2.1 CLASIFICACIÓN DE LA RED VIAL ESTUDIADA ...................................... 23 TABLA 2.2 FACTORES DE DAÑO, ENCUESTA DE 1996........................................... 23 TABLA 2.3 COMPORTAMIENTO DEL TRÁNSITO EN LA RED VIAL ANALIZADA ..... 24 TABLA 2.4 CARACTERIZACIÓN DEL SUELO DE SUBRASANTE ............................ 25 TABLA 2.5 CBR DE SUBRASANTE. TRAMOS CON TPDA<300 .............................. 26 TABLA 2.6 TRAMOS CONSTRUIDOS EN EL PERIODO 1970-1980 ......................... 26 TABLA 2.7 REGISTROS HISTÓRICOS. SANTA RITA - MASACHAPA ....................... 28 TABLA 2.8 TRAMOS CONSTRUIDOS EN EL PERÍODO 1980-1990 ......................... 29 TABLA 2.9 TRAMOS CONSTRUIDOS EN EL PERÍODO 1990-2002 ......................... 30 TABLA 2.10 ESPECIFICACIONES DE RESISTENCIA A COMPRESIÓN DE LOS ADOQUINES................................................................................................................. 36 TABLA 2.11 TIPOS DE ADOQUINES UTILIZADOS EN NICARAGUA........................ 36 TABLA 2.12 VALORES DE CBR PARA DIFERENTES TIPOS DE SUELO ................. 50 TABLA 2-13 DATOS PARA EL CALCULO DE CBR DISEÑO SAN LUCAS - LAS SABANAS ..................................................................................................................... 50 TABLA 3.1 RESULTADOS DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL DEL ADOQUÍN.............. 70 TABLA 3.2 FACTORES DE SEGURIDAD .................................................................... 71 TABLA 3.3 ESFUERZOS MAXIMIZADOS .................................................................... 72 TABLA 3.4 ESFUERZOS REALES ............................................................................... 72 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua v LISTA DE ILUSTRACIONES Y FIGURAS Foto 1.1 Primeros Pavimentos Foto 1.2 Tipos de Adoquín Foto 1.3 Aplicación de adoquines en Aeropuertos Foto 1.4 Resistencia de Adoquines a Equipos Pesados Foto 1.5 Máquina Vibrocompresora Foto 1.6 Almacenaje durante el fraguado Foto 1.7 Protección durante el curado Foto 2.1 Desgaste de los Adoquines. La Paz Centro – León Viejo Foto 2.2 Desgaste de los Adoquines. Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.3 Manejo de Adoquines Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.4 Manejo inadecuado de los adoquines. Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.5 Cunetas. Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.6 Cunetas en Construcción Santa Cruz - San Nicolás Foto 2.7 Conformación de subbase estabilizada con cemento. Santa Cruz - San Nicolás Foto 2.8 Compactación de subbase estabilizada. Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.9 Preparación de la Capa de Arena con ayuda de la raqueta Foto 2.10 Capa de arena lista para la colocación de los adoquines Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.11 Adoquinado en estacionamiento de AGRENIC Foto 2.12 Proceso de colocación de los adoquines. Santa Cruz - San Nicolás Foto 2.13 Colocación de los Adoquines. Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.14 Relleno de Juntas. Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.15 Juntas. Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.16 Adoquines que se están colocando en Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.17 Proceso de compactación. Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.18 Tramo Santa Rita – Masachapa Foto 2.19 Tramo La Paz Centro – León Viejo Figura 2.1 CBR diseño. San Lucas – La Sabana Foto 2.20 Ahuellamiento Tramo La Paz Centro – León Viejo Foto 2.21 Ahuellamiento Tramo La Paz Centro – León Viejo Foto 2.22 Bordillo en Construcción. Santa Cruz – San Nicolás Foto 2.23 Adoquines Ladrillería San Pablo Figura 3.1 Adoquín Tipo Cruz Figura 3.2 Referencias para el Cálculo de I Figura 3.3 Eje de tracción del vehículo tipo C2 Figura 3.4 Huella de la Llanta Figura 3.5 Estado 1 Carga Concéntrica Figura 3.6 Estado 2 Figura 3.7 Afectación 1 Figura 3.8 Afectación 2 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua vi LISTA DE ABREVIATURAS TPDA Tránsito Promedio Diario Anual Mpa Mega Pascal MTI Ministerio de Transporte e Infraestructura PSI Pounds square inch (Libras por pulgada cuadrada) AC Antes de Cristo a/c Relación agua cemento fct Resistencia a Tensión del Concreto f’c Resistencia a Compresión del Concreto ACI American Concrete Institute PNUD Programa Nacional de las Naciones Unidas para el Desarrollo DANIDA Agencia Danesa para el Desarrollo Internacional Ton Tonelada VPD Vehículos promedios diarios CBR Californian Bearing Ratio (Índice de Soporte del Suelo) Km Kilómetros AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials C2 Camión cuyo tren de rodaje consta de un eje direccional y uno de tracción USAID Agencia de Estudios Unidos para el Desarrollo Internacional MIFIC Ministerio de Industria y Fomento BM Banco Mundial AGRENIC Agregados de Nicaragua Lbs Libras Cm Centímetros M3 Metro cúbico mm Milímetros Km/h Kilómetros por hora °C Grado centígrado ° Grado % Por ciento cm4 Centímetros a la cuarta SIECA Secretaría Integración Económica Centroamericana Ix Inercia respecto al eje x Iy Inercia respecto al eje y Kg Kilogramos e excentricidad Kg/cm2 Kilogramos por centímetro cuadrado Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 1 I.- INTRODUCCIÓN En los últimos años se ha incrementado el uso de los pavimentos de adoquín de concreto en el mundo. Pavimento que tuvo su origen en el primer pavimento con superficie dura, que fue el de piedra, y que ya se construía 3000 años AC. Este evoluciona cuando se tallaron las piedras para un mejor ajuste entre ellas y una mayor comodidad en el desplazamiento de personas y medios de transporte, su dominio dura hasta el siglo XIX, cuando aparecen los pavimentos de concreto hidráulico y concreto asfáltico. Años después surgen la fabricación de los adoquines de concreto, con el que se logran obtener superficies uniformes, durables y resistentes, pero también surgen los paradigmas de este relativamente nuevo pavimento, entre los que están: • Su uso y control de calidad, específicamente su resistencia a la compresión, que es el tema principal de este trabajo. • Como envejecen, para comenzar a plantear soluciones a los problemas que presentan, sin embargo en la literatura se afirma que su vida útil depende en gran parte de la resistencia a la compresión, que es una característica que va íntimamente ligada a su resistencia al desgaste que ocasiona el tráfico. Han pasado alrededor de 30 años, desde que se introdujo el pavimento de adoquín de concreto en Nicaragua, que por la situación política y económica se han construidos a la fecha en las vías rurales 126 kilómetros y en este año 2003 esta en proceso el diseño y construcción de 360 kilómetros más, sin que hasta el momento se haya normado su producción y control de calidad, tomando en cuenta que la característica técnica especificada en las normas nicaragüenses para la aceptación del adoquín es la resistencia a la compresión. Las normas extranjeras especifican niveles de resistencia a la compresión muy altos, principalmente por el problema de congelamiento y descongelamiento, lo que es ajeno a la realidad nicaragüense, país en cual se basa este estudio. Además se ha observado que adoquines con resistencias inferiores a las normas extranjeras se han comportado satisfactoriamente ante las condiciones del medio. Por estas razones se emprendió esta investigación, en donde los objetivos fueron esencialmente, determinar los niveles de resistencia que debían tener los adoquines en Nicaragua. Se propuso aplicar la teoría de la resistencia de los materiales aplicada al concreto hidráulico de los adoquines, considerando la carga generada por el tráfico en las vías Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 2 rurales de Nicaragua, para determinar la resistencia a la compresión que deben poseer estos elementos, calculando el tránsito promedio diario anual estimando el aplastamiento del adoquín como un bloque sujeto a cargas concéntricas y excéntricas, determinando el esfuerzo a compresión mas critico obtenido y afectándolo por un factor de seguridad. Los insumos básicos para la investigación, provienen de los registros estadísticos del Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI), las características geométricas del adoquín se miden de forma directa, ya que se utiliza un solo tipo, el de cruz o “Santa Mónica”. II.- OBJETIVOS Para el desarrollo del tema propuesto, se establecieron los siguientes objetivos: OBJETIVO GENERAL Determinar la resistencia a la compresión que deben poseer los adoquines de concreto, acorde con las solicitaciones de cargas establecidas por el tráfico vehicular predominante en las vías rurales de baja intensidad de tráfico en Nicaragua. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Determinar el tránsito promedio diario anual y la distribución vehicular en las vías rurales de baja intensidad de tráfico. Calcular los esfuerzos en el adoquín de concreto, considerándolo como un bloque sujeto a cargas concéntricas y excéntricas, además de una apoyo perimetral como viga simplemente apoyada. Establecer la resistencia a compresión de los adoquines de concreto, a partir del valor del esfuerzo más crítico obtenido, afectado por un factor de seguridad y la combinación de esfuerzos. III- HIPOTESIS LA RESISTENCIA A LA COMPRESION DE LOS ADOQUINES DE CONCRETO DEBE SER DE 24.13 MPA (3500 PSI), PARA UN TRANSITO PROMEDIO DIARIO ANUAL MENOR DE 150 VEHICULOS COMERCIALES. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 3 IV- METODOLOGIA DE INVESTIGACION Para la realización de este estudio la metodología de investigación utilizada, consistió en lo siguiente: En la Unidad del Sistema de Administración de Pavimentos del Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI), se recopiló la información referente a la composición vehicular en el 89% de la red vial básica para determinar el vehículo tipo para el análisis de carga en función de su representatividad en las vías estudiadas, incluyendo sus características de la presión de inflado de las llantas normada para sus estudios, así como también el peso por eje autorizado en Nicaragua y resto de Centroamérica. Se recolecto toda la literatura que fue posible, sobre el tema en Nicaragua e internacionalmente, en el corto tiempo de que se disponía para la elaboración del trabajo, esta información fue analizada. Las dimensiones del adoquín estudiado es del tipo cruz, ya que es el único utilizado en Nicaragua para pavimentos de adoquín, obteniéndose que la longitud es de 24 cm, el ancho es de 22 cm y el espesor de 10 cm, también se encontró que el patrón de colocación es que el ancho va perpendicular al sentido del tráfico. Con toda la información recopilada, se aplica la teoría de la resistencia de los materiales aplicada al concreto hidráulico de los adoquines, considerando la carga generada por el tráfico en las vías rurales del país para determinar la resistencia a la compresión que deben poseer estos elementos, calculando el tránsito promedio anual estimando el aplastamiento del adoquín como un bloque sujeto a cargas concéntricas y excéntricas, determinando el esfuerzo a compresión mas critico obtenido y afectándolo por un factor de seguridad. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 4 V- DESARROLLO DEL TEMA CAPITULO 1: PAVIMENTOS ADOQUINADOS 1.1.- RESEÑA HISTÓRICA La aparición de los pavimentos se debió a la necesidad del hombre de tener vías de transporte durables, que permitieran el desplazamiento rápido y seguro todo el tiempo. La historia de los pavimentos de adoquín se inicia con la construcción de las primeras vías en Creta, en el año 3000 AC., con rodamiento de Foto 1.1 Primeros Pavimentos piedra seccionadas con juntas selladas con algún tipo de aglomerante natural o tierra, esto se conoce con el nombre de empedrado y podría considerarse el “ancestro” más antiguo de estos pavimentos. Con el desarrollo de las técnicas de construcción, en el año 500 AC, en Roma se construyen los primeros pavimentos con bases granulares y rodadura de piedra. Con el desarrollo de los carros de tracción animal, se hizo necesaria una superficie de rodadura más continua que permitiera un tránsito más cómodo; para lograr esto, se abandonó la práctica de colocar las piedras en estado natural y se inició con el tallado de las piedras en forma de bloque, para lograr un mejor ajuste entre ellas. Puede decirse que con esto aparece el primer pavimento de adoquines, pues la palabra española “adoquín” proviene del árabe ad-dukkân que significa “ piedra escuadrada” o “piedra labrada”. El labrado de la piedra continuó hasta inicios del siglo XIX y el hecho de que muchos de los caminos fabricados de esta forma aún continúan en buen estado y en servicio, es prueba irrefutable de su durabilidad y buen comportamiento. Con el desarrollo urbanístico y vial del siglo XIX y la aparición del vehículo automotor a finales de siglo, no resultaba económico ni práctico tallar la gran cantidad de piedras requeridas para satisfacer el ritmo de pavimentación de aquella época. Por tal razón, el pavimento de adoquines de piedra tallada comenzó a ser reemplazado por pavimentos de adoquines de arcilla cocida, además de bloques de madera, ya en 1836 se Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 5 desarrolla la construcción de pavimentos asfálticos y en 1847 los pavimentos de concreto. Estos últimos de uso corriente y predominante en la actualidad. Si bien la pavimentación con bloques de madera se abandonó muy rápido, en Europa se construyeron grandes extensiones de pavimentos de adoquines de arcilla cocida, con resultados aceptables con excepción del desgaste acelerado de las piezas. Posterior a la II Guerra Mundial, en Alemania y los Países Bajos se reemplazó el adoquín de arcilla por adoquines de concreto fabricados en moldes individuales, mostrando grandes ventajas sobre los fabricados con arcilla, sobre todo en la resistencia a la abrasión y por ende a la durabilidad de los pavimentos. La industrialización de los adoquines de concreto nace con la aparición de las Normas de Producto Alemanas en 1964 y en los Países Bajos en 1966. Estas se basaron en la producción uniforme y controlada con diversos grados de automatización y controles de calidad, impulsados también por el desarrollo de equipos de fabricación en Alemania. Dichas tecnologías rápidamente fueron introducidas a otros países como Reino Unido, Sudáfrica, Australia, Nueva Zelanda y Japón a finales de los años 60 e inicio de los 70, mismos que han sido pioneros en el desarrollo y la investigación de los pavimentos de adoquín. En este período también se introdujo este tipo de pavimentos en el Continente Americano. Costa Rica introdujo el producto por la experiencia del uso de este material en Nicaragua, investigaciones del Ing. Max Sittenfeld Roger y por el interés de la empresa Productos de Concreto, líder en las últimas tendencias constructivas mundiales. Sin duda alguna, el crecimiento y la proyección de este tipo de pavimentos en los últimos años han sido de los más rápidos y exitosos. Los pavimentos de adoquines de concreto tienen un rango de aplicación casi tan amplio como el de los otros tipos de pavimentos. Se pueden utilizar en andenes, zonas peatonales y plazas, donde el tráfico es básicamente peatonal; en vías internas de urbanizaciones, calles y avenidas, con tráfico vehicular que puede ir desde unos cuantos vehículos livianos, hasta gran número de vehículos pesados; en zonas de carga, patios de puertos, plataformas de aeropuertos y zonas donde se tienen cargas muy altas e inclusive tráfico de vehículos montados sobre orugas. Las ventajas del adoquín respecto a otros tipos de pavimentos en el proceso constructivo son: manejo, apariencia, seguridad y durabilidad. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 6 Con respecto a la apariencia, permiten que se pueda incluir en ellos señalización, utilizando adoquines de diversos colores. El tamaño del adoquín hace que este pavimento se adapte fácilmente a trazos complicados y que adicionalmente, no se requieran juntas de dilatación y contracción. Su construcción no requiere el empleo de equipos sofisticados, ni de mano de obra especializada, lo que lo hace adaptable a países en vías de desarrollo donde existe buena disponibilidad de mano de obra no calificada. En zonas propensas a hundimientos diferenciales en los pavimentos, y en localidades donde no se hallan construido las redes de acueducto y/o alcantarillado los pavimentos se pueden reparar fácilmente y reutilizar aproximadamente el 95% de todo el material. Además el pavimento se puede dar al servicio inmediatamente que se reconstruya. La alta resistencia de los adoquines, al intemperismo y a los derrames de ácidos y aceites hacen que este pavimento tenga una gran duración y que requiera poco mantenimiento. El avance tecnológico de la industria de la prefabricación permite producir adoquines con un buen control de calidad en grandes volúmenes y a bajo costo. Los pavimentos de adoquines se siguieron construyendo hasta principios del siglo XX y el hecho de que gran cantidad de ellos aún se encuentren en servicio y en buen estado, atestigua su durabilidad y buen comportamiento. Desde comienzo de los años 70, el pavimento de adoquines ha estado sujeto al análisis formal, por lo cual en la actualidad se dispone de diversos métodos de diseño que, fundamentados en planteamientos meramente teóricos y/o extensas evaluaciones en pistas de ensayo, dan soluciones bastante coincidentes a la incógnita de los diseños de espesores de estos pavimentos 1.2.- EL ADOQUÍN Los adoquines son elementos macizos, piedras prefabricadas de espesor uniforme e iguales entre sí con forma de prisma rectangular, que al colocarlos sobre una superficie encajan unos con otros de manera que solamente quede un pequeño espacio entre ellos. Para formar la superficie del pavimento, los adoquines Foto 1.2 Tipos de Adoquín Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 7 deben ser de buena calidad, capaces de soportar el tránsito al menos durante 40 años y tener una buena apariencia por ser la parte visible del pavimento. La superficie de los adoquines es de color uniforme, bajo ninguna circunstancia presentarán fisuras, huecos o materiales extraños, los bordes serán agudos y sin sobrantes de concreto. La resistencia de los adoquines debe ser la necesaria para contrarrestar la abrasión del tránsito y no fracturarse bajo la acción del tráfico pesado, por tanto los materiales utilizados en su fabricación, deben cumplir con los requerimientos establecidos en las especificaciones correspondientes para el concreto hidráulico. Históricamente, los cuatro tipos de adoquines que se han utilizado para pavimentar áreas urbanas son los adoquines de piedra, los de madera, los cerámicos y los de hormigón. Los primeros adoquines de piedra que se utilizaron fueron guijarros de río colocados sobre una capa de arena sellándose las juntas con una argamasa de cal y arena. Los adoquines de madera se usaron en la primera mitad del siglo XIX, como una alternativa a los adoquines de piedra, para intentar reducir así, el nivel de ruido que provocaban las ruedas de acero y las herraduras de los animales. Normalmente, tenían una longitud comprendida entre los 12 y los 25 cm y entre los 7 y los 10 cm de anchura, con una separación entre ellos de 3 mm, que se rellenaba con residuos bituminosos. De todos modos, aunque el nivel sonoro era inferior a los de piedra, se degradaban rápidamente a la intemperie y tras la aparición de los neumáticos se abandonaron. Los ladrillos cerámicos utilizados como material de pavimentación se han estado utilizando durante los últimos 5000 años, desde Mesopotamia, habiéndose demostrado su aptitud para usos peatonales o de bajos requerimientos. Los ladrillos cerámicos en pavimentación se colocaban sobre una capa de arena que también servía para rellenar las juntas, siendo su principal problema el rápido desgaste de su superficie, con la consiguiente reducción de su vida útil y de su resistencia al deslizamiento. Por último, llegamos a los adoquines de hormigón, que comenzaron a fabricarse por primera vez, a finales del siglo XIX. Rápidamente se comprobó que proporcionaban una mayor uniformidad y unos costos más reducidos que los adoquines de piedra y los cerámicos. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 8 Los adoquines tiene un campo de aplicación bastante amplio, limitado casi únicamente por la imaginación. Comúnmente se utilizan en andenes peatonales, estacionamientos, vías urbanas y rurales, ciclo-vías, patios, accesos, campamentos, estaciones de servicio, pisos industriales, revestimiento de taludes y cauces, puertos, terminales de carga, entre otros. Ha sido comprobado que su utilización puede ser la solución ideal en países donde el mantenimiento de carreteras es muy poco, debido principalmente a la escasez de fondos. 1.3.- RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE LOS ADOQUINES DE CONCRETO Con el fin de conocer las regulaciones que rigen la producción de adoquines, en países donde su uso ha tenido una gran aceptación, a tal grado que se invierte en la constante investigación, con el objeto de actualizar las normas en la medida que por el avance del transporte se permiten mayores solicitaciones de carga, se consultaron diferentes normas extranjeras y así compararlas con las Foto 1.3 Aplicación de Adoquines en establecidas para Nicaragua. En la tabla 1.1 se Aeropuertos resumen los requisitos de resistencia a la compresión de las normas consultadas, logrando observar que la resistencia a la compresión especificada, son exigentes, ya que consideran ciertas condiciones climáticas no aplicables en Nicaragua. Tabla 1.1 Valores de Resistencia a la Compresión Resistencia a la Compresión (Mpa) Nicaragua 34.3 – 49 Secretaría de Integración Económica Centroamericana 35.0 - 49 Colombia 32.3 Alemania 60.6 – 62.4 Nueva Zelanda 41.0 – 55.0 Estados Unidos 50.0 – 55.0 Inglaterra 50.0 Holanda (Ensayo a la Flexión) 5.9 País o Entidad Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 9 La tabla anterior muestra los intervalos de resistencia a la compresión que deben cumplir los adoquines, observándose que este valor oscila entre 32.3 Mpa en Colombia y 62.4 Mpa en Alemania. En el caso de Nicaragua, las normas fueron adoptadas de estudios realizados en otros países. Esto origina que las autoridades nicaragüenses establezcan normas diferentes para el control de calidad de los proyectos. Hasta la fecha, las investigaciones realizadas en Nicaragua sobre la resistencia a la compresión de los adoquines son muy escasas y se han limitado, por lo general, a comprobar la resistencia que tienen algunas piezas individualmente, sin entrar a considerar cuál debiera ser la adecuada para atender las solicitaciones propias del medio. Quizá los únicos estudios con el fin de especificarla, han sido los llevados a cabo en el año 2002 por el Ing. Bladimir Zelaya Gutiérrez, quien ensayó adoquines que conformaban la superficie de rodamiento de algunas calles de Managua y de la carretera Santa Rita – Montelimar, determinando su resistencia a la compresión. Resultados que han sido tomados como referencia en este estudio. Ha sido en Europa y particularmente en Inglaterra y Holanda, donde se han desarrollado más ampliamente las investigaciones sobre adoquines. J. Knapton ha contribuido significativamente al estudio de pavimentos adoquinados con investigaciones acerca de la interacción adoquín-suelo y adoquín-adoquín. Los niveles de resistencia exigidos en estos países son muy altos para nuestra realidad, a como se puede observar en la tabla 1.1, si se tiene en cuenta que ellos involucran condiciones muy severas de carga, entre las cuales se encuentra el efecto de congelamiento y descongelamiento, de nula ocurrencia en países tropicales como Nicaragua. En América se han realizado estudios, referentes a los pavimentos de adoquín, principalmente desarrollados en Colombia, México, Venezuela, Estados Unidos, Brasil y Argentina. Países que participan en las Conferencias Internacionales de Pavimentos Intertrabados, exponiendo los avances y aplicaciones, referente a la pavimentación con adoquines; desde métodos constructivos, implementación de mejores técnicas en la producción, mejoras en cuanto consideraciones en los métodos de diseño, entre otros. Desafortunadamente, a pesar de existir gran cantidad de literatura, que aborde el tema de los pavimentos adoquinados, el tema de la resistencia a la compresión que deben tener los adoquines, es únicamente tomada como referencia para el control de calidad de los mismos y no se obtiene gran información sobre las condiciones que rigen la selección de dicho valor. Por lo tanto no existe un método detallado que permita su determinación, considerando condiciones previamente establecidas por el medio. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 10 Si bien es cierto, que los adoquines poseen otras propiedades físico-mecánicas. Estudios anteriores han demostrado que la mayoría de éstas propiedades, están íntimamente relacionadas y dependen de la resistencia a la compresión. Aquí la importancia de conocer la magnitud que deben poseer los adoquines, adecuada a las condiciones reales nicaragüenses. 1.3.1.- Factores que afectan la resistencia a la compresión del concreto 1.3.1.1.- Efecto de la edad Debido al proceso continuo de hidratación del cemento, el concreto se vuelve más resistente con el tiempo, siempre y cuando exista humedad disponible y se tenga una temperatura favorable. Por tanto la resistencia a la compresión a cualquier edad, no es tanto función de la relación agua – cemento, como lo es del grado de hidratación que alcance el cemento. 1.3.1.2.- Efecto de la relación agua - cemento La resistencia del concreto depende la relación agua – cemento; a mayor valor de esta relación menor resistencia y a menor valor de esta relación se reduce la porosidad del concreto endurecido. Las deformaciones por contracción se deben a cambios en el contenido de agua del cemento a lo largo del tiempo. El agua de mezcla al evaporarse, se va usando en la hidratación del cemento, esto produce cambios volumétricos en el concreto que a su vez producen deformaciones. Existen otras características como la velocidad de carga, velocidad de deformación, durabilidad, permeabilidad, resistencia al fuego, a la abrasión, al intemperismo. 1.3.1.3.- Los tipos de cemento en la mezcla Por constituir el elemento aglomerante en la pasta, el cemento desempeña un rol determinante en la resistencia del concreto. Con dosificaciones, tecnología de mezclado, aglomerados y relación agua-cemento iguales, concretos fabricados con diferentes cementos, tendrán diferentes resistencias. A continuación se detallan los cementos usados en la fabricación de concretos: Cemento Tipo I: Cemento de tipo normal, utilizado comúnmente a diario en las construcciones, cuando no se requieren propiedades especiales. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 11 Cemento Tipo II: Tiene menor calor de hidratación que la del tipo I y se utiliza donde existe una exposición moderada a sulfatos o donde se desea un moderado calor de hidratación Cemento Tipo III: Se usa cuando se necesita alta resistencia inicial, tiene considerable mayor calor de hidratación que el tipo I. Cemento Tipo IV: Bajo calor de hidratación, se usa en presas de concreto y otras estructuras donde el calor de hidratación se disipa lentamente. Cemento Tipo V: Resistente al sulfato, se usa en fundaciones, paredes de sótanos expuestos a suelos que contienen alta concentración de sulfatos. 1.3.1.4.- Los agregados Estos constituyen el cuerpo del concreto, por lo tanto sus características físicas, la textura de la superficie del agregado, su tamaño y forma, influyen en la resistencia del concreto. Para garantizar trabazón entre ellos se debe evitar al máximo la utilización de agregados con cantos rodados. 1.3.1.5.- Condiciones de humedad durante el curado La humedad del concreto deberá ser controlada, durante todo el tiempo, se recomienda un prolongado proceso de curado para alcanzar altas resistencias, evitando de esta forma una pérdida brusca de agua, que ocasionaría microfisuras o deformaciones que reducen la resistencia del concreto. 1.3.1.6.- Efecto de la temperatura durante el curado Las altas temperaturas afectan el proceso de hidratación del cemento, debido a la pérdida de agua por evaporación provocada por la temperatura, sumado esto al calor generado por la hidratación del cemento, por lo tanto en regiones calientes, el proceso de curado debe ser más riguroso que en regiones con climas normales, manteniendo húmeda constantemente la superficie del concreto. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 12 1.3.1.7.- Madurez del concreto La sumatoria del producto de la temperatura de curado y el tiempo en que el concreto ha sido curado a esa temperatura se le denomina Madurez del Concreto. Madurez = n ∑ (T i =1 i − 10)(t i ) Ti: Temperatura en grados Farenheit durante el iésimo intervalo. ti: Es el número de días. Por lo tanto a mayor madurez del concreto, la resistencia es mayor. 1.3.1.8.-Rango de carga La velocidad con que aumente la carga sobre un elemento de concreto, es determinante sobre la resistencia del mismo. Por ejemplo la prueba del cilindro estándar se hace a un ritmo de 35 PSI por segundo y la máxima carga se alcanza en 1.5 a 2.0 minutos. Correspondiendo a un rango de 10 microstrain por segundo. La resistencia a tensión (fct) del concreto es afectada por los mismos factores que la resistencia a la compresión. 1.3.2.- Relación entre la resistencia a tensión y la resistencia a compresión Aunque la resistencia a tensión del concreto aumenta cuando aumenta el valor de la resistencia a la compresión, el radio entre la resistencia a la tensión y la resistencia a la compresión disminuye, cuando la resistencia a la compresión aumenta. O sea que con el aumento de la resistencia a la compresión, la diferencia con la resistencia a la tensión en mucho más marcada. No obstante, por medio de la prueba de Tensión indirecta, realizada en Brasil se estableció la relación existente entre la resistencia a la compresión y la resistencia a la tensión del concreto, a partir del valor promedio de los valores obtenidos, de esta forma se define que: fct = 6.4 f ' c Por otro lado el ACI sec. 9.5.2.3 en ecuación (9-9) define el Modulo de Ruptura (fr) para usarse en el cálculo de deflexiones, cuando se usa concreto de peso normal, como: fr = 7.5 f ' c Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 13 Establecidas estas relaciones entre propiedades del concreto, basta entonces el determinar la resistencia a compresión de un elemento, para así inferir las otras propiedades, mediante el uso de las ecuaciones mostradas anteriormente. 1.4.- FABRICACIÓN DE ADOQUINES DE CONCRETO Si bien se pueden fabricar adoquines de concreto con el método convencional de vaciado en moldes o formaletas, los bajos costos y los altos volúmenes de producción, deseables en un proceso eficiente, han llevado a su mecanización, utilizando máquinas vibrocompresoras para la fabricación en serie de estos elementos. Las recomendaciones que a continuación se detallan se han tomado de la literatura disponible sobre el tema. Sin embargo se deben entender solo como guías, ya que los materiales y los equipos disponibles varían en cada lugar de fabricación, lo que obliga a efectuar ajustes a medida que avanza la producción y se establecen los procesos de control de calidad. Los adoquines de concreto deberán satisfacer las especificaciones acordadas entre el comprador y el productor en cuanto a su forma, color textura, dimensiones y resistencia. Las recomendaciones que aquí se presentan buscan la producción de adoquines que satisfagan los requisitos de las normas establecidas para el control de calidad en Nicaragua y que permitan la construcción de un pavimento con calidad y durabilidad satisfactorias. 1.4.1.- Materiales 1.4.1.1.- Cemento El cemento para la construcción de adoquines deberá cumplir con las normas establecidas para la elaboración de concreto con cemento pórtland tipo I, ASTM C 150, cumpliendo tanto en sus características físico-mecánicas como químicas. Cuando éste se encuentre empacado en sacos se deberá almacenar en un lugar seco, preferiblemente cerrado o cubierto con telas impermeables o plásticos que impidan que se humedezca. Las pilas o estibas de sacos de cemento se deberán conformar, sobre tarimas o polines, con una altura que no supere las siete unidades. No se deberá usar cemento que haya estado almacenado en sacos por más de dos meses, a no ser que se verifique si aún es adecuado para la elaboración de la mezcla. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 14 Si se tiene cemento almacenado a granel, los sitios deberán estar debidamente protegidos de la humedad. 1.4.1.2.- Agregados Los agregados cumplirán con los requisitos establecidos en las especificaciones de los agregados para concreto. 1.4.1.2.1.- Agregado Fino (Arena) Es el material pétreo que pasa el tamiz N° 4, es decir granos con un tamaño menor a medio centímetro. Se podrá utilizar la misma arena que se usa comúnmente para elaborar concreto. Deberá ser tan limpia y uniforme como se pueda y se almacenará de tal manera que se pueda manejar sin contaminarla. En lugares lluviosos o en épocas de estación lluviosa, la arena se deberá almacenar bajo techo o cubierta con telas impermeable o plásticos para que no se sature; una arena saturada puede tener más agua de la que necesite la mezcla, lo que origina un problema difícil de resolver en corto tiempo y por lo tanto entorpece el ritmo del proceso de fabricación. 1.4.1.2.2.- Agregado Grueso (Piedra) Es el material pétreo retenido en el tamiz N° 4, es decir con granos con un tamaño mayor a medio centímetro. Para la fabricación de adoquines se recomienda utilizar preferiblemente un agregado grueso con un tamaño máximo de 9.51 mm (3/8”) y que en ningún momento sobrepase los 12.7 mm (1/2”). Si el tamaño máximo es igual o menor que el recomendado, será más fácil obtener superficies lisas, bien terminadas y el manejo de la mezcla también será más fácil; si por el contrario el tamaño máximo es mayor, se dificultará el manejo de la mezcla y tenderán a aparecer irregularidades en el acabado de los adoquines. 1.4.1.3.- Granulometría de los agregados Se recomienda usar una granulometría completa (arena y agregado grueso), lo más cercana posible a la que se establece en la tabla 1.2 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 15 Tabla 1.2 Granulometría de agregados para la fabricación de adoquines Tamiz ½” 3/8” N° 4 N° 8 N° 16 N° 30 N° 50 N° 100 N° 200 % que Pasa (En peso) 100 100 85 65 50 35 15 5 3 1.4.1.4.- Agua para el mezclado y el curado Se deberán utilizar aguas limpias, sin contaminantes. Por lo general el agua potable es apta para ser utilizada como agua de mezclado y de curado. Se recomienda utilizar en la mezcla una relación agua- cemento cercana a 0.35. 1.4.1.5.- Aditivos Para su dosificación y utilización se deberá seguir las recomendaciones del fabricante del aditivo seleccionado, en dependencia de la propiedad del concreto que se desee modificar. Se han utilizado con éxito aditivos superplastificantes en proporciones del 1 y el 2 % del contenido de cemento, en peso, para fluidificar la mezcla, obtener mayor densidad y mejor acabado, manteniendo baja la relación agua-cemento. Además se ha empleado esterato de calcio, tall oil, y emulsiones vinílicas y acrílicas como aditivos para reducir la absorción de agua. 1.4.2.- Proporción y mezcla de los materiales Cuando los materiales se van a dosificar por peso se recomienda utilizar las proporciones 0.35:1:4.5:0.8 es decir por cada medida de cemento, 0.35 de agua, 4.5 de arena, y 0.8 de agregado grueso. Si se van a dosificar por volumen, las proporciones serán 0.5:1:3.2:0.6, es decir por cada porción de cemento, 0.5 de agua, 3.2 de arena y 0.6 de agregado grueso. Se recomienda utilizar un contenido de cemento cercano a los 380 Kg/m3. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 16 Estas cantidades se dan como guía para iniciar la producción. Según la limpieza y el tamaño de los agregados disponibles, el tipo y la duración del vibrado, la cantidad de material que se coloque en el molde, el método y período de curado que se emplee, se obtendrán diferentes resistencias, por lo cual se deberán modificar las proporciones de la mezcla según se requiera. La cantidad de agua que se le debe agregar depende fundamentalmente de la humedad que tengan los agregados y de la forma de estos. Se debe trabajar con una relación agua-cemento cercana al 0.35; mezclas con exceso de humedad generan burbujas en la cara superior de los adoquines contra los martillos compactadores, y al sacarlos del molde las caras verticales se comban; pero mezclas demasiado secas tiene muy poca cohesión y los adoquines, al salir del molde, se pueden fisurar o desmoronar fácilmente; pueden quedar huecos en su cara superior o dejar parte de la mezcla pegada en los martillos compactadores y además, ser muy sensibles al manejo brusco durante las primeras horas después de elaborados. Aunque la mezcla de los adoquines de los materiales se puede hacer a mano, se obtendrá un incremento apreciable, en la resistencia si se hace con una mezcladora, durante un período de aproximadamente dos minutos. 1.4.3.- Resistencia Los adoquines de concreto tendrán en el momento de su utilización una resistencia tal, que sean capaces de soportar el tráfico vehicular, sin partirse o fisurarse, ni desgastarse aceleradamente con la abrasión inducida por las llantas de los vehículos. Foto 1.4 Resistencia de Adoquines a Equipos Pesados Cuando la calidad de los adoquines no alcanza el nivel requerido por la especificaciones, se puede tener una o varias de las siguientes condiciones de producción que afectan desfavorablemente la calidad de los adoquines: • • • • Agua de mezcla en exceso o contaminada. Agregados con contenidos altos de materia orgánica, fracturados o recubiertos de polvo de trituración. Cementos envejecidos. Contenido de cemento muy bajo. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua • • • 17 Proceso de mezclado deficiente. Fisuración de los adoquines al retirarlos del molde o por manejo inadecuado a edades tempranas. Condiciones de curado deficientes o por un período muy corto. Teniendo cuidado de que no tenga lugar alguna de las condiciones descritas anteriormente, se puede lograr no solamente la buena calidad sino la homogeneidad de la producción. 1.4.4.- Operación de las maquinas Para el manejo de cada tipo de máquina se deben seguir las recomendaciones del fabricante; sin embargo, pueden aparecer problemas, fácilmente corregibles, modificando ligeramente la rutina de manejo. Algunos modelos de máquinas son muy sensibles a las diferencias entre los espesores de la placas o tablas sobre los cuales se fabrican los adoquines, lo que ocasiona problemas con el enrase del molde; por lo tanto todas deben tener el mismo espesor según lo recomiende el fabricante de la máquina. Foto 1.5 Máquina Vibrocompresora. (Cortesía M&S) Cuando se termina de llenar el molde y el enrasador no arrastra todo el material sobrante, es una práctica común tratar de acomodar la mezcla vibrando por poco tiempo el molde, sin asentar los martillos compactadores; generalmente esto lleva a que el agregado grueso que esté cercano a la superficie se separe y a que la superficie quede rugosa, con parte del agregado expuesto. Por lo tanto se debe tener cuidado de enrasar bien el molde y aplicar simultáneamente la vibración del mismo y los martillos compactadores. Si después de estar operando correctamente la máquina al salir los adoquines del molde la cara superior queda irregular, muy rugosa y aparece gran cantidad de agregado grueso, puede ser que éste tenga un tamaño máximo muy grande o se haya dosificado en cantidad mayor a la recomendada. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 18 1.4.5.- Curado y Transporte Después de elaborar los adoquines en la máquina, estos deben pasar por los períodos de fraguado, curado y reposo, antes de que estén listos para ser utilizados. 1.4.5.1.- Fraguado Cuando se retiran de la máquina las tablas o placas, con los adoquines recién elaborados sobre ellas, se deben llevar hasta un lugar donde estos puedan reposar durante al menos 8 horas, que puede considerarse el ciclo mínimo de reutilización de las placas. Durante este período de fraguado, los adoquines no deben sufrir ningún daño y deben estar bajo techo, protegidos de la lluvia, de los rayos del sol y de la acción de vientos fuertes, para evitar el secado prematuro de las piezas. Foto 1.6 Almacenaje (Cortesía M&S) durante el Fraguado Las tablas se deben colocar directamente sobre el piso, encaradas mediante soportes auxiliares o en repisas, nunca apiladas una sobre los adoquines frescos de las otras y se debe disponer de suficiente cantidad de tablas como para acomodar la producción de un período. Se recomienda comenzar inmediatamente el curado de los adoquines cubriéndolos con láminas plásticas, bien ajustadas sobre el piso, que eviten la pérdida acelerada del agua de la mezcla. Después de transcurridas las 8 horas se pueden retirar los adoquines de las tablas para poder reutilizarlas, y conformar pilas para reasumir el proceso de curado de los mismos. 1.4.5.2.- Curado El curado también se debe hacer en un recinto donde los adoquines estén protegidos del sol y del viento fuerte. Se puede curar por humedecimiento permanente con agua, de manera que los adoquines no se sequen en ningún momento; cubriéndolos con tela de yute, que también debe permanecer húmeda o con plásticos bien fijados que eviten la pérdida de humedad. Foto 1.7 Protección durante el Curado (Cortesía M&S) Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 19 El secado y humedecimiento repetido a edades tempranas afecta la resistencia de los adoquines. El curado debe hacerse durante tres días como mínimo y preferiblemente durante siete días. 1.4.5.3.- Reposo Después de terminar el curado, los adoquines se pueden almacenar en un recinto cubierto o a la intemperie, hasta que alcancen la resistencia especificada. 1.4.5.4.- Transporte El manejo durante el transporte debe ser el adecuado para que se puedan entregar piezas de la calidad y apariencia requerida. Si los adoquines se cargan desordenadamente en los volquetes y se descargan por volteo, las piezas no se deben partir al caer, pero sí pueden sufrir despicados o desbordados. El manejo ordenado, a mano, del cargue y el descargue de los adoquines puede tomar más tiempo, pero da como resultado piezas completas. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua CAPITULO 2 CARACTERIZACIÓN ADOQUÍN EN NICARAGUA DE LOS 20 PAVIMENTOS DE 2.1.- ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL TRANSPORTE EN NICARAGUA El transporte como actividad organizada para servicio público data de fines del Siglo XIX, con la introducción del ferrocarril en 1879/1881, ya que anteriormente por iniciativa de particulares, sólo existía el servicio de diligencias (tipo de carretones halados por mulas), que funcionaba a discreción de emprendedores y el tráfico se hacía por trochas con superficies más o menos estables, conocidas como “Caminos Reales”, que fueron abiertas desde la época colonial y que eran usadas por el correo y los agricultores. El desarrollo del transporte en Nicaragua ha estado ligado a ciertos acontecimientos históricos y a su posición geográfica en el continente como parte del Istmo Centroamericano. La “Ruta por Nicaragua” fue una de las preferidas (la otra fue la de Panamá) durante la “fiebre del oro” a partir de 1848 año del hallazgo en los Estados Unidos de América, cuando los buscadores de oro, los aventureros, pioneros y oportunistas buscaron como trasladarse de Nueva York a San Francisco de California, sin correr los peligros que enfrentaban al querer desplazarse hacia el Oeste. La ruta Nueva York, San Juan del Norte, San Carlos, Granada (por vía marítima, fluvial y lacustre) y continuando por tierra hasta El Realejo (en la cercanía de Corinto), y volver a embarcarse con destino a San Francisco de California. La “Ruta del Tránsito” (así conocida) llegó a incluir posteriormente el cruce del Lago Xolotlán en “vapores” hasta llegar al Puerto Momotombo (La Paz Vieja) y seguir por tierra hasta El Realejo. Este último trecho se hizo luego por ferrocarril al construirse el ramal Puerto Momotombo – León - El Realejo. La “Ruta del Tránsito” adquirió cierto atractivo al punto de despertar el interés de inversionistas norteamericanos que la dotaron de buques que surcaron el Gran Lago y el Lago Xolotlán. Buques menores hicieron la travesía del Río San Juan hasta San Juan del Norte. Posteriormente, se desarrolló un sistema rudimentario de navegación entre Granada y San Carlos y otros puertos lacustres que, en combinación con el ferrocarril servían a los propósitos del transporte en la Costa del Pacífico. Este sistema fue poco a poco perdiendo clientela a medida que entraban las carreteras en la competencia. El ferrocarril dejó de competir en la década de los 80 y dejó de funcionar y existir a principio de los 90; por su parte, la navegación comercial en el Lago Cocibolca Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 21 disminuyó por las mismas causas que afectaron al ferrocarril, a pesar de que se hicieron algunas mejoras en los puertos principales. Este intento de integración de modos de transporte, que estuvo bajo la administración del ferrocarril como “ente autónomo”, fracasó por errores en la planificación y administración y sobre todo, porque su autonomía no era real. El primer automóvil llegó a Nicaragua en 1902; en 1904 se reporta un total de 50, pero ni las calles ni los caminos facilitaban un transporte terrestre confiable y eficiente. En 1940, la red vial de Nicaragua contaba apenas con 201 kilómetros de caminos, de los cuales sólo 52 kilómetros eran pavimentados; 24 kilómetros de caminos de todo tiempo, y el resto estaban transitables sólo en estación seca. Sin embargo, otro acontecimiento la II Guerra Mundial, urgió a los Estados Unidos de América a promover la construcción de la carretera Panamericana a lo largo de todo el Continente. Cooperaron con 2/3 del costo y en Centroamérica, dirigieron los trabajos de ingeniería con personal estadounidense y empresas contratistas de ese país. En Nicaragua organizaron el Departamento de Carreteras, adscrito al Ministerio de Obras Públicas, el cual llegó a ser el bastión de la vialidad en el país. Nicaragua construyó por administración directa, las carreteras más importantes, fuera de la Panamericana. En la carretera a Rama, parte del proyecto fue construido directamente por el Departamento de Carreteras. El Banco Mundial permitió esta modalidad de construcción en las carreteras del Programa del Préstamo concedido en 1951, así como el BID accedió a financiar la construcción de vías con el préstamo concedido en 1965. Años más tarde, la construcción fue realizada por contrato, mientras el mantenimiento se hizo directamente por el Ministerio de Obras Públicas. Por muchos años, Nicaragua era mencionada en los Congresos Panamericanos de Carreteras como el país que mejor mantenía su red vial. Entre 1940 y 1970, Nicaragua llegó a desarrollar una red de transportes mucho mejor que la del resto de los países centroamericanos, impulsada por financiamientos adecuados y la existencia de un equipo de Ingenieros y Administradores de alta clasificación, que con sus obras lograron mantener un equilibrio concordante con las necesidades de un rápido crecimiento económico. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 22 En los años 80, la contracción económica, producto del estallido de la guerra civil y de un bloqueo económico, produjo tales daños a la infraestructura, que hasta 1998 no había sido posible su recuperación. En Octubre de 1998, ocurrió el fenómeno natural conocido como huracán Mitch, que además de ocasionar serios daños a la infraestructura del país, produjo la pérdida irreparable de 3,000 vidas humanas. La destrucción causada a la infraestructura de transporte ascendió a unos US$326 millones, de acuerdo a estimaciones del Programa de las Naciones Unidas (PNUD). De un total de 18,000 Kms., de la red vial unos 12,600 Km recibieron daños a diferentes niveles, incluyendo la destrucción de 29 puentes. 2.2.- DESARROLLO HISTÓRICO DE LA RED VIAL En todo el contexto histórico explicado en el numeral 2.1 y según la última cifra publicada por el Ministerio de Transporte e Infraestructura (MTI), en la revista de Inventario Vial del 2001, el crecimiento de la red vial ha tenido un comportamiento que puede resumirse de la forma siguiente: • • • • En 1940 Nicaragua tenía 201 Kms., A 1979 esta red alcanza 18,137 Kms., A 1989 esa red perdió más de 4,600 Kms., llegando a 15,287 Kms., Al 2000 alcanza 19,032 Kms., Al 2002, la red posee 18,418 Kms. Tomando en cuenta el tipo de superficie de rodamiento, de los 18,418 kms., 16,237 kms., son caminos no pavimentados y 2,181 kms., corresponden a caminos pavimentados, de estos últimos 163 kms., son adoquinados. 2.3.- CARACTERIZACIÓN DE LA RED VIAL DE NICARAGUA 2.3.1.- Caracterización del Tráfico Durante la realización de nuestra investigación hicimos una serie de análisis, básicamente a la red vial mantenible, o sea en los 8,212.73 km. Tomando como base la longitud de los caminos con al menos un registro de volúmenes de transito, disponibles en la Unidad del Sistema de Administración de Pavimentos del Ministerio de Transporte e Infraestructura, los que conforman aproximadamente el 89% de la red vial básica, clasificamos la red en función de la superficie de rodamiento. Tabla 2.1. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 23 Tabla 2.1 Clasificación de la Red Vial Estudiada Superficie de Rodamiento Longitud Pavimentada 1780.63 Adoquinada 115.22 No Pavimentada 5366.43 Total 7,262.28 Del estudio de pesos por eje en diferentes puntos de la red vial, realizado con financiamiento de DANIDA para el MTI, en 1996, durante la implantación de la Unidad del Sistema de Administración de Pavimentos, se tomaron los factores de daño por tipo de vehículo. Tabla 2.2 Tabla 2.2 Factores de Daño, Encuesta de 1996 Tipo de Vehículo Bus Camión Camion Remolque Remolque Semiremolque 2-3 C2 C3 45+ 40.68 1.29 Nic - 1 1.05 0.87 Nic - 1 0.83 0.81 1.29 0.07 NIc - 2 0.38 0.62 1.2 0.26 Nic - 2 0.93 0.66 0.68 1.2 Nic - 3 0.92 0.93 0.76 0.4 0.17 0.26 2.14 Nic - 4 0.97 0.7 1.32 2.83 1.45 Nic - 7 0.87 0.91 0.82 0.94 1.1 Nic - 11 0.5 0.75 1.08 0.13 0.5 Nic - 12 0.57 0.73 1 Nic - 12 0.57 0.87 0.86 1.05 Nic - 26 0.44 0.88 0.99 0.35 1.35 Nic - 28 0.75 1.05 Promedio 0.731666667 0.815 0.968333333 0.73 1.15 0.77375 Las cifras que están en rojo, están basadas en muestras pequeñas, menor a 15 valores Promedio 0.75 0.85 1 1 1.15 1.25 Carretera Semiremolque Bus Camión 5+ Pequeño Liviano 2.11 1.65 N N 1.68 o o 2.16 2.58 e e 2.29 s s 2.03 t t 2.19 u u 2.06 d d 1.58 i i 1.6 a a 1.83 d d 1.98 o o 2 0.003 0.003 Estos factores se aplicaron a la composición vehicular correspondiente a cada tramo que compone la red vial analizada, lo que nos permite convertir el volumen de tránsito a ejes equivalentes de una carga de 8.2 ton por eje. Los resultados se presentan en la Tabla 2.3. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 24 Tabla 2.3 Comportamiento del Tránsito en la Red Vial Analizada Rangos de Tráfico Longitud Veh. Promedio % Promedio % Promedio Porcentaje Km por tramo Veh. Liv. Veh. Pesados TPDA Menor de 100 T¨PDA entre 101 y 300 TPDA entre 301 y 500 TPDA entre 501 y 1000 TPDA entre 1001 y 3000 TPDA mayor de 3001 TOTAL 2994.15 2141.09 617.34 493.4 647.88 368.42 7262.28 41.23% 29.48% 8.50% 6.79% 8.92% 5.07% 100.00% 52 166 378 768 1,764 9,920 63.78% 63.68% 63.23% 66.25% 68.02% 78.57% 67.25% 36.22% 36.32% 36.77% 33.75% 31.98% 21.43% 32.75% Ejes Equiv. Prom. 15 años 104,165 328,444 854,659 1,548,583 3,618,142 10,125,444 Se puede observar que aproximadamente el 70% de la red vial analizada mueve menos de 300 vpd., y solamente el 5% mueve más de 3000 vpd. Con relación a la composición de vehículos livianos y pesados, se observa un comportamiento mas o menos similar en toda la red, el promedio general es de 67.2% para los vehículos livianos y el 32.75% para vehículos pesados. Una vez convertidos los volúmenes de transito a ejes equivalentes, se obtiene la cantidad de solicitaciones de cargas en el año base, lo que nos permite proyectarla a un período de diseño, que en este caso definimos de 15 años, utilizando una tasa de crecimiento del 5%, un poco superior a la que se utiliza en los diferentes estudios que se realizan para las diferentes direcciones del Ministerio de Transporte e Infraestructura, que generalmente es del 4%. Por otro lado es importante aclarar que para efectos de este estudio se utilizó el tráfico en ambos sentidos, o sea que este se consideró como total para el carril de diseño. La expresión utilizada es la siguiente: T Acumulado n ( 1+ r) −1 = Ti × Ln (1 + r ) donde: Ti :Tránsito en el año inicial r : Tasa de Crecimiento anual del tránsito n : periodo de diseño Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 25 Según el resumen presentado en Tabla 2.3, categóricamente se puede afirmar que los volúmenes de tránsito en las carreteras de Nicaragua son “bajos”, y si nos concentramos en las vías rurales consideradas en los programas de adoquinados, que son las que tiene volúmenes menores a 300 vpd, es suficiente diseñar para un período de 15 años, en el cual se acumularan aproximadamente 500,000 ejes equivalentes. 2.3.2.- Caracterización del Suelo de Subrasante Utilizando como fuente de información los valores de CBR de subrasante disponibles en la base de datos de la Unidad del Sistema de Administración de Pavimentos, se puede caracterizar el suelo de subrasante para el 88% de la red vial básica, o sea 6036.06 Km. Los resultados se presentan en la Tabla 2.4, clasificándola según los valores encontrados. Tabla 2.4 Caracterización del Suelo de Subrasante Rangos de CBR CBR ≥ 30 30 > CBR ≤ 20 20 > CBR ≤ 10 10 > CBR ≤ 6 CBR ≤ 5. TOTAL Longitud Porcentaje Km 188.34 3.12% 308.22 5.11% 1918.17 31.78% 1748.24 28.96% 1873.09 31.03% 6036.06 100.00% Tipo Excelente Buena Regular Mala Muy mala La tabla anterior tiene algunos inconvenientes, ya que en algunos tramos solo se dispone de un solo sondeo en distancias mayores a 20 km, pero al no disponer de otra información, estamos tomando estos datos como válidos. Analizado solamente los tramos que tienen un TPDA menor de 300 vpd, (5135km), se extrajeron los tramos con valores de CBR de subrasante (4,149.24 km), obteniendo los resultados que se muestran en la Tabla 2.5 Se puede observar que aproximadamente el 28.60% de los tramos presentan valores de CBR de subrasante mayores a 10, que el Manual de Diseño y Construcción de Pavimentos de Adoquines de Colombia, los clasifica de bueno a excelente, el 33.91% como capacidad soporte regular y 37.48% como capacidad resistente mala y pésimas. Para los suelos con valores de CBR menores a 3% se sugiere que sean mejorados antes de la construcción del pavimento, ya sea de adoquines o cualquier otro tipo, asfáltico o de hormigón. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 26 Tabla 2.5 CBR de Subrasante. Tramos con TPDA<300 Rangos de CBR CBR ≥ 20 10 ≥ CBR ≤ 19 6 ≥ CBR ≤ 9 3 ≥ CBR ≤ 5 CBR < 3 TOTAL Longitud Porcentaje Tipo Km 279.17 6.73% Excelente 908 21.89% Buena 1407 33.91% Regular 1092.31 26.33% Mala 462.84 11.15% Muy mala 4149.24 100.00% 2.4.- PAVIMENTOS ADOQUINADOS EN NICARAGUA En nuestras investigaciones se hizo énfasis en los pavimentos de adoquín en las vías rurales, ámbito de aplicación y gestión del Ministerio de Transporte e Infraestructura. Considerando las influencias políticas a que ha estado sometido el país, se puede dividir el crecimiento de dicha red vial adoquinada en tres periodos de tiempo: 2.4.1.- Período de 1970 a 1980: En 1972, teniendo como ejemplo los excelentes resultados obtenidos por otros países, se implementa la pavimentación con adoquines en las vías rurales del país, en este lapso de tiempo se construyeron 38.95 kms., los tramos que se detallan en la Tabla 2.6. Tabla 2.6 Tramos construidos en el periodo 1970-1980 VIA LONGITUD (kms) PERIODO DE CONSTRUCCIÓN 1970-1980 Sta Rita – Emp. Masachapa 31.70 1972-1977 Acceso Presa Sta. Bárbara 5.94 1976-1977 Acceso a Posoltega 0.50 1976 Emp. Xiloá – Xiloá 0.81 1976 TOTAL 38.95 Esta modalidad de pavimentos se inicia con el diseño y la construcción de los 31.70 kms., de la carretera Empalme Santa Rita – Empalme Masachapa, realizada en el lapso de seis años (1972 – 1977); fue diseñada, construida y supervisada de forma directa por el entonces Ministerio de Obras Publicas, actualmente Ministerio de Transporte e Infraestructura. Se caracteriza por tener una zona de influencia agrícola, Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 27 ganadera, turística y está clasificada funcionalmente como colectora principal. Tiene una longitud de 31.70 kms., y las actividades que generó dicha construcción fueron la ampliación del derecho de vía, mejoramiento de cercos, cortes y rellenos en terracería para ampliar la superficie de rodamiento, mejoras en el alineamiento horizontal y vertical, restauración del drenaje menor y mayor, construcción de la subbase y base. Características del Tramo Clasificación Funcional : Colectora Principal Derecho de Vía : 24 mts. Ancho de Rodamiento : 6.70 mts. Velocidad de Diseño : 45 a 60 kph. Pendiente : 3% al 7% Peralte Máximo : 10% Bombeo Máximo : 3% Carga de Diseño : HS - 20 - 44 Rodamiento : Adoquines tipo tráfico Costo por Kilómetro : 460,457 C$/km (U$ 92,000) Método de Diseño : Murillo López de Souza Carga por rueda de 5 toneladas Tipo de Tránsito Pesado 800 a 1500 mm anuales de lluvia Espesores de la Estructura de Pavimento Adoquín : 10 cms. Arena : 3 cms. Base : 11cms. (material de banco de préstamo) Subbase : 16 cms.(material de banco de préstamo) Terracería : 61 cms. (terreno natural) Los materiales de la estructura de pavimento se clasifican según AASHTO, en arena no plástica, la base A–2–4 (0) y A-1-b (0) con plasticidad de cero, la subbase A–2–4 (0) y A-1-b (0) con plasticidad de cero, la Terracería A-7-5 (8) con plasticidad de once por ciento a dieciséis por ciento, arena de sello del cauce Chiquilistagua no plástica, y actualmente presenta una superficie de rodamiento regular. De la información recopilada y el comportamiento en sus 25 años de operación, con mantenimiento casi nulo, merece comentarse que esta carretera fue muy bien Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 28 diseñada, construida y supervisada, esto se refleja en la calidad de sus materiales, el nivel de servicio que presta y su condición actual. Para efectos de nuestras investigaciones, se revisaron los registros históricos de los volúmenes de tránsito desde 1965 hasta el 2002, con el cual calculamos la tasa de crecimiento utilizando la estimación logarítmica, que nos arrojó un valor de 5.7%. Posteriormente, considerando que la carretera adoquinada ha estado en operación desde 1975, se estimaron los ejes equivalente soportados hasta la fecha utilizando el factor de daño de la Tabla 2.2 para el camión doble eje (C2), resultando un total aproximado de 2 millones de ejes. El análisis se presenta en la Tabla 2.7. Tabla 2.7 Registros Históricos. Santa Rita - Masachapa Año Mes TPDA 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1996 1997 1999 2001 2002 Tasa de Crecimiento Junio Marzo Junio Marzo Enero Abril Junio Diciembre Diciembre Septiembre Mayo Abril Abril Enero 76 152 146 166 242 390 151 173 335 265 240 712 551 690 1065 720 1202 897 959 5.7% Veh. Pesados Registrados % del total 149 204 54 99 151 71 94 184 235 263 67.4 52.4 48.7 48.5 49.19 40.5 47.72 49.8 46.1 55.6 46.1 35.7 31.78 23.72 21.76 Promedio Veh. Pesados Calculados 163 204 74 84 165 107 115 355 254 384 Ejes Equivalentes 39.9% 8.2Ton. Acumulados 1,991,579 2.4.2.- Período de 1980 a 1990 Este periodo se caracterizó por la disminución en las inversiones viales y esto fue extensible a los pavimentos de adoquines, registrándose solamente la construcción de 11.42 kms, los que son los que presentamos en la Tabla 2.8: Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 29 Tabla 2.8 Tramos construidos en el Período 1980-1990 VIA 1980-1990 Emp. Pta Nic – El Velero Acceso Villa Carlos Fonseca El Arroyo – Ticuantepe TOTAL LONGITUD (kms) PERIODO DE CONSTRUCCION 5.95 1.72 3.75 11.42 1980 1982-1983 1983-1984 En este período se seleccionó El Arroyo – Ticuantepe, esta ruta se caracteriza por tener una zona de influencia agrícola, turística y está clasificada funcionalmente como colectora principal. Características del Tramo Clasificación de la carretera : Colectora Principal (funcional) Derecho de Vía : 30 mts. Ancho de Rodamiento : 6.00 mts. Velocidad de Diseño : 45 a 75 kph. Pendiente : 3% al 7% Peralte Máximo : 10% Bombeo Máximo : 3% Rodamiento : Adoquines tipo tráfico Costo por Kilómetro : DATO NO DISPONIBLE Método de Diseño : Murillo López de Souza Carga por rueda de 5 toneladas Tipo de Tránsito Pesado 800 a 1500 mm anuales de lluvia Espesores del Pavimento Adoquín : 10 cms. Arena : 3 cms. Base : 7 cms. (material de banco de préstamo) Subbase : 28 cms. (material de banco de préstamo) Terracería : 52 cms. (terreno natural) Los materiales de la estructura de pavimentos se clasifican según AASHTO, en arena no plástica, la base A-1-b (0) con plasticidad de cero, la subbase A-1-b (0) con Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 30 plasticidad de cero, la Terracería A-1-b (0) con plasticidad de cero y actualmente presenta una superficie de rodamiento regular. De la información recopilada y el comportamiento en sus 19 años de operación, con mantenimiento casi nulo, merece comentarse que esta carretera, al igual que la construida en el periodo 1970-1980, fue muy bien diseñada, construida y supervisada, esto se refleja en la calidad de sus materiales, el nivel de servicio que presta y su condición actual. 2.4.3.- Período de 1990 al 2002 Es en este periodo que realmente los pavimentos de adoquines han tenido un repunte extraordinario al construirse 76.34 kms., debido al financiamiento logrado con el Banco Mundial, los tramos construidos se presentan en la Tabla 2.9 Tabla 2.9 Tramos Construidos en el período 1990-2002 LONGITUD (kms) PERIODO DE CONSTRUCCION Rivas – Tola Nic – 2 - El Puente – Guisquiliapa 1.83 1.63 0.20 1998-1999 1999 Proyecto PILOTO Shell Palacaguina –Pueblo Nuevo Shell Palacaguina – Palacaguina Dos Montes – El Guacucal Emp. Guanacaste – Mombacho Emp. Tepeyac- Tepeyac Emp. Malpaisillo-Pto. Momotombo 58.00 12.94 3.56 18.03 7.64 1.50 14.33 1999-2001 2000-2001 2000-2001 2000-2001 2000-2001 2000-2001 EMERGENCIA DE MASAYA Nic 4 – Valle La Laguna Sabogales – Plan de Hule Rpto. CO – Pacayita – Valle La Laguna 16.51 4.28 4.60 7.63 2001 2000-2002 2000-2002 TOTAL 76.34 VIA 1990-2002 Dada la importancia de retomar con ímpetu la construcción de pavimentos de adoquines a partir de 1999, se logra un financiamiento con la Asociación Internacional de Fomento, mediante el crédito número CR – 3085 – NI, para ejecutar un Proyecto Piloto de Estabilización de Carreteras Secundarias con adoquines, ampliado por causa Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 31 del terremoto en Masaya al denominado “Plan de Emergencia Terremoto Masaya”, ambos ejecutados bajo la administración del Ministerio de Transporte e Infraestructura por medio de una Unidad Coordinadora desde su fase de concepción y que contó con la asesoría de la empresa LABIAL. Como tramo representativo de éste período se escoge para su análisis el tramo Dos Montes – Guacucal, subtramo de El Sauce – Dos Montes. Características del Tramo Clasificación Funcional : Colectora Principal Derecho de Vía : 20 mts. Ancho de Rodamiento : 6.45 mts. Velocidad de Diseño : 60 kph. Pendiente : 1% Bombeo Máximo : 3% Rodamiento : Adoquines tipo tráfico de mortero Costo por Kilómetro : 1,962,594.59 C$/km (U$ 150,000). Método de Diseño : NO DISPONIBLE Espesores del Pavimento Adoquín : 10 cms. Arena : 3 cms. Base : 15 cms. (material de banco de préstamo) Súbase : 15 cms.(material de banco de préstamo) Terracería : 60 cms. (material de banco de préstamo) Los materiales de la estructura de pavimentos se clasifican según AASHTO, en arena no plástica, base A-2-4 (0) con plasticidad de cero y A-1-b (0) con plasticidad de seis por ciento, la subbase A-2-4 (0) con plasticidad de siete por ciento a nueve por ciento, la Terracería A-2-6 (0) con plasticidad de dieciséis por ciento. Actualmente presenta una superficie de rodamiento buena, pero con algunos problemas puntuales, que si la comparamos con los tramos construidos en los periodos descritos anteriormente, se puede afirmar que están en igual condición. De la información recopilada y el comportamiento observado en sus 2 años de operación, con mantenimiento casi nulo, merece comentarse que esta carretera esta incompleta (falta de obras de protección, señalamiento, etc) y lo empieza a mostrar en Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 32 su rodamiento con baches, juntas entre adoquines mayores a 5 milímetros, fallas en el confinamiento lateral, no tiene hombros, que ha su vez proporcionan soporte a la estructura, etc. Se puede afirmar que en gran medida las fallas señaladas se han observado en casi todos los tramos construidos en el proyecto piloto y de acuerdo a la información recabada en este estudio, en sus inicios fue concebido sin tomar en cuenta un diseño de pavimento y en la marcha se fue mejorando, motivado por su comportamiento ante el clima y el tráfico, de hecho los alcances de obras y costos iniciales de estos caminos se vieron incrementados en más del 85%, lo que demuestra una formulación deficiente del mismo. A manera de ejemplo se puede señalar un resumen breve de una visita de evaluación a un tramo del proyecto piloto que presentó problemas en 1999. RESULTADO DE LA INSPECCION: “En el recorrido del camino se observó que la superficie ya terminada con adoquín presenta deformaciones, a tal punto que la estructura colapsó en parte de los tramos construidos por diversas empresas constructoras. También se observó que se están efectuando trabajos de reparación total de todos los tramos, con la construcción de una estructura de sub-base, base y levantamiento de la superficie de rodamiento conformada con adoquines”, fue lo que expresó el supervisor y el representante del MTI. Revisando las especificaciones que se estipulan contractualmente para el desarrollo de estos trabajos, se puede comentar que son incompletas y muy generales, más bien son procedimientos descriptivos de los trabajos a efectuarse, esto influye decididamente en el producto final. De hecho la concepción del proyecto de adoquinado, no se basa en estudios geotécnicos, ni diseño geométrico, mucho menos hidráulicos, únicamente en la condición existente del camino a ser adoquinado con cierta mejora, es decir que sobre el terreno existente se construye el adoquinado. Revisamos toda la información disponible en las oficinas del Programa de Adoquinado del MTI, y no existe algún documento que señale al MTI que las obras realizadas no eran las adecuadas para la pobre condición del camino. El Ingeniero Representante del MTI en el proyecto, aportó señalamientos concretos al respecto, desafortunadamente las autoridades competentes no se pronunciaron para mejorar la calidad de los trabajos. Al final, en la época lluviosa las obras se destruyeron parcialmente. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 33 Por el comportamiento en estación lluviosa y los diferentes estudios de suelos de ciertos tramos (suelos A-2-6 (1), A-7-5 (12) y A-7-6 (14) con índice de plasticidad de 19% y 22%), se puede concluir que la condición del camino existente no cumplía con el requisito de ser una superficie de macadam y que solo se mejoraría para luego colocar los adoquines, condición con que se concibió el programa piloto. El resumen anterior refleja en gran medida las consideraciones y resultados en el inicio del proyecto piloto, sirvieron para mejorar los estándares en los 16.51 kms., del Plan de Emergencia Terremoto Masaya 2.4.4.- Pavimentos de adoquines en etapa de diseño Los tramos incluidos en el Programa de Estabilización de Caminos Rurales están siendo diseñados por dos consultores diferentes, suman una longitud total de 360 kms. Una primera etapa con 300 kms de longitud, son tramos localizados en su gran mayoría en la zona norte de nuestro país, fue diseñada utilizando la Guía AASHTO 93 para el diseño de Pavimentos, con las siguientes consideraciones: Confiabilidad 85% Índice de Servicio Inicial 4.2 Índice de Servicio Final 2.2 Índice de Servicio de Diseño 2.0 Desviación Estándar 0.45 CBR Diseño 7.0% Período de diseño 15 años Ejes Equivalentes 1,000,000 Numero Estructural 3 Obteniendo una estructura de pavimentos para todos los tramos, conformada de la siguiente forma: Adoquín - 10 cm Arena - 5 cm Base de Suelo Cemento - 17 cm Durante la elaboración del proyecto integrador de la Maestría se recopilaron algunos datos geotécnicos para ciertos tramos y se calculó el CBR de diseño para un percentil del 87.5 %, correspondiente a la carga de tráfico esperado, que los consultores Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 34 definieron de un millón de ejes equivalentes. Con el cálculo se pudo observar, que muchos de los suelos que conforman la terracería de los tramos, poseían un CBR menor al considerado por los consultores para el diseño de la estructura del pavimento. Esto fue reportado a las autoridades competentes del MTI, los que solicitaron al consultor una revisión al respecto. La segunda etapa del proyecto, que tiene una longitud de 60 kms, fue diseñada utilizando una mezcla de métodos, ya que el cálculo del CBR de diseño, fue realizado por el método del Manual Asphalt Pavements del Japan Road Association, para después utilizar este dato en el Software “Pavecheck”, el cual utiliza la guía de Diseño de la AASHTO en su sistema, con iguales consideraciones que la primera etapa. Obteniendo una estructura del pavimento, para todos los tramos de: Adoquín - 10 cm Arena - 5 cm Base Triturada - 20 cm Subbase Granular - 20 cm A pesar que las estructuras calculadas, aparentemente brindarán el soporte adecuado, cabe mencionar que los métodos implementados para determinarlos, deja cierta incertidumbre en torno a su confiabilidad. 2.5.- MÉTODOS DE DISEÑO En nuestro país tradicionalmente los métodos de diseños utilizados sobre todo en el diseño de puentes y pavimentos, han sido influenciados principalmente por los norteamericanos, esto es válido para los pavimentos de adoquines. De hecho en nuestro país no existe una normativa o ley que establezca con que método de diseño se debe trabajar esta área, tradicionalmente esto queda a criterio del diseñador o consultor, pero independientemente del método se ha observado que los espesores de la estructura varían entre 40 y 55 cms, dependiendo de la calidad de la terracería. Un poco para llenar el vacío de la falta de un documento que aborde los aspectos de diseño de pavimentos en Centroamérica, actualmente se esta elaborando el Manual Centroamericano para Diseño de Pavimentos con la participación de todos los países del área y con financiamiento de la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional (USAID), en este manual ya se incluyen la mayor parte de los aspectos del diseño de pavimentos de adoquines, al incorporar la experiencia actual que tiene Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 35 Nicaragua con la implementación del diseño y construcción de 360 kilómetros de vías rurales con financiamiento del Banco Mundial. Generalizando se puede observar en los diversos periodos en que ha discurrido esta actividad lo siguiente: 2.5.1.- Período de 1970 a 1980 y de 1980 a 1990 Se utiliza el método de diseño de pavimento desarrollado por el ingeniero WILLIAMS HAYNES MILLS ( W. H. MILLS), revisado y adaptado por el ingeniero Murillo López de Souza y que en Nicaragua se aplica modificando las intensidades de lluvia. 2.5.2.- Período de 1990 a 2002 Además del método anterior, se incorpora el uso del libro Design Of Pavement Structures de la AASHTO (Guía de Diseño de 1993), con adecuaciones al ámbito nacional en algunos parámetros. 2.6.- NORMAS DE CONSTRUCCIÓN Y CONSERVACIÓN 2.6.1.- Normas de Construcción De la misma forma que en los diseños, las normas de construcción de carreteras han sido influenciadas por las norteamericanas, a tal suerte que a la fecha las normas que rigen en el país con la aprobación del MIFIC, con la codificación NTON 120001-00 (Normas Técnicas Obligatorias Nacionales) y estipuladas en el Acuerdo Ministerial 14 – 2001, del 12 de agosto del 2001, son las ESPECIFICACIONES GENERALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CAMINOS, CALLES Y PUENTES (NIC 2000), que son una actualización de las anteriores ESPECIFICACIONES GENERALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CAMINOS, CALLES Y PUENTES (NIC 80), que recogen en general la forma y contenido de las ESPECIFICACIONES FEDERALES DEL DEPARTAMENTO DE TRANSPORTE DE LOS ESTADOS UNIDOS, excepto la División I que esta adaptada a la Legislación Nacional. En el ámbito regional existe el MANUAL CENTROAMERICANO DE ESPECIFICACIONES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CARRETERAS Y PUENTES REGIONALES (CA-2001). En ambas especificaciones se dedica una sección a normar los pavimentos de adoquín, en el caso de la primera, la sección 502 y la segunda, la sección 504. Estas consideran la forma de construcción de los pavimentos de adoquines, la especificación Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 36 de la resistencia a compresión del concreto y ancho de juntas. Se resumen en la Tabla 2.10. Tabla 2.10 Especificaciones de Resistencia a Compresión de los Adoquines RESISTENCIA (MPa) JUNTA (mm) TIPO 1 TRAFICO PESADO 49.00 3a5 TIPO 2 TRAFICO LIVIANO 34.30 TIPO 1 TRAFICO PESADO 49.00 TIPO 2 TRAFICO LIVIANO 35.00 ESPECIFICACIÓN TIPO NIC 2000 CA - 2001 3a5 Vale decir que la Unidad Coordinadora de Proyectos MTI - BM, que ejecuta el programa de adoquinado de 360 kilómetros de vías rurales en el país, estipula en las especificaciones 3500 psi para los adoquines que se van a colocar. También cabe señalar, que el Ministerio de Transporte e Infraestructura tenía dos Resoluciones Ministeriales, las N° 01 -2001 y N° 30 -2001, antes del Acuerdo Ministerial del NIC – 2000, que se referían a las resistencias de los adoquines y el control de calidad de la producción de los mismos, que se resumen en la Tabla 2.11. Tabla 2.11 Tipos de Adoquines utilizados en Nicaragua RESOLUCIÓN TIPO RESISTENCIA N° 01 -2001 TIPO 1 TRAFICO PESADO 500 kg/cm2 (7000 psi) (18/enero/2001) TIPO 2 TRAFICO LIVIANO 350 kg/cm2 (5000 psi) N° 30 -2001 TIPO 3 TRAFICO BAJO 210 kg/cm2 (3000 psi) (20/abril/2001) (Camino Secundario Rural) Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 37 2.6.2.- Normas de Conservación Actualmente el Ministerio de Transporte e Infraestructura está elaborando una propuesta denominada “Normas para Adoquines de Concreto”, a la cual tuvimos acceso y se puede afirmar que tienen gran similitud a las Normas Británicas. Pese a lo anteriormente descrito se puede afirmar que hasta la fecha, para la conservación o mantenimiento de los pavimentos de adoquines, no existen normas legalmente u oficialmente aprobadas para ninguna actividad, ni a nivel nacional ni regional. En la década de los 80 en el Ministerio de Transporte e Infraestructura, se elaboraron una serie de documentos que se denominaron Tecnologías de Mantenimiento de Caminos, que incluyeron tres actividades para el mantenimiento de calzadas de adoquines, cuyas definiciones son: 2.6.2.1.- La Renovación de Adoquines Es la restauración de las condiciones operativas de las calzadas de adoquines a sus condiciones originales. La unidad de medida es el metro cuadrado de calzada de adoquines. 2.6.2.2.- Remates Realización de trabajos para mantener en buen estado las juntas finales, tanto transversales como longitudinales, del adoquinado con cualquier otro tipo de construcción. La unidad de medida es el metro cúbico de mortero colocado 2.6.2.3.- Arenación de Adoquines Consiste en rellenar las juntas en las calzadas de adoquines con agregados finos. La unidad de medida es el metro cúbico de arena colocada Cada una estas actividades está estructurada en nueve partes que abarcan: definición, aplicaciones, materiales básicos, requisitos de calidad, fuerza y medios de trabajo, condiciones de trabajo, procedimiento de ejecución, seguridad en la obra e índices técnicos – económicos. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 2.7.- DESCRIPCIÓN DE LOS TRABAJOS DE 38 CONSTRUCCIÓN 2.7.1.- Adoquines En las investigaciones que realizamos para elaborar nuestro estudio determinamos que algunos fabricantes están elaborando los adoquines de mortero, con resistencias que oscilan entre las 1500 y 3500 PSI, contradiciéndose con lo estipulado en las Normas NIC 2000 que estipula que deben ser de concreto, son aceptados de fábrica y rara vez se solicitan certificados de calidad; durante la supervisión del pavimento, no se ejecutan los controles de calidad necesarios para corroborar la resistencia requerida. La resistencia al desgaste de estos adoquines, no es suficiente para comportarse satisfactoriamente. Los anterior se comprueba con las foto N° 2-1, tomada en el tramo que va a León Viejo. Foto 2.1 Desgaste de los Adoquines. La Paz Centro-León Viejo 2.7.2.- Manejo de los Adoquines El manejo de los adoquines, es realizado normalmente en dos fases: Una primera fase de la fábrica al sitio de la obra. En algunos casos es efectuada en camiones volquete de forma inadecuada, y la descarga es realizada, levantando la tina del camión, depositándolos de manera brusca en el suelo, sin estibarlos apropiadamente, ocasionando la fractura de algunas piezas o la pérdida de aristas de los mismos; en otros casos en rastras de 2000 adoquines de capacidad y descargados por operarios ( manualmente). Foto 2-2 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 39 Foto 2.2 Descargue de los adoquines. Santa Cruz - San Nicolás Una segunda fase, es la realizada del punto de almacenamiento al frente de trabajo, por medio de carretillas cargados en estas sin ningún orden y descargando el adoquín, al igual que el camión, simplemente volteando la carretilla para que los adoquines caigan, generalmente depositados sobre la arena tendida dejándolos de la forma que caen, dañando las piezas aún más. Cabe mencionar que muchas de las fracturas en los adoquines son obtenidas por el mal manejo de las piezas, que inclusive en algunas ocasiones es utilizado un cargador frontal para el manejo, como si se tratara de materiales granulares. Foto 2.3 Manejo de Adoquines Santa Cruz - San Nicolás Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 40 Foto2.4 Manejo inadecuado de los Adoquines. Santa Cruz -San Nicolás 2.7.3.- Fase de Campo 2.7.3.1.- Construcción del Drenaje Esto al igual que otro tipo de pavimento, se logra con la instalación o complemento del drenaje menor y mayor. Ver fotos N° 2-5 y 2-6 Se observó que la mayoría de las alcantarillas del tramo Santa Cruz – San Nicolás, fueron diseñadas con un ángulo de 90° en relación al drenaje longitudinal. Los expertos recomiendan diseñarlas con cierto ángulo de esviaje, para disminuir la perdida de energía cinética y facilitar la evacuación de las aguas, Foto 2.5 Cunetas. Santa Cruz - San Nicolás Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 41 Foto 2.6 Cunetas en Construcción Santa Cruz - San Nicolás 2.7.3.2.- Movimiento de tierra para la obtención de la sub-rasante Cualquier capa vegetal o material indeseable es retirada, se procede a la construcción de cortes o terraplenes necesarios para la obtención del nivel de terracería. No se acostumbra la escarificación, mezclado del material de subrasante y su posterior compactación para lograr una terracería uniforme. En general se procede conforme al diseño de la estructura de pavimento. La compactación de la subrasante se realiza con la utilización de una cisterna para el riego del agua, motoniveladora para la conformación y un compactador cuyo uso este de acuerdo con el material que será compactado. En general se recomienda lograr un 90% de Proctor Standard. 2.7.3.3.- Construcción de las capas de base y subbase Estas capas deberían ser construidas conforme las especificaciones generales, igual que a otro tipo de pavimento. Generalmente se utilizan materiales de banco, los que en algunas ocasiones, no cumplen con las especificaciones requeridas para estas capas, con el fin de aprovechar los materiales de la zona, lo que representa una reducción en los costos del material, siendo esta una de las razones principales por lo que aparentemente, los costos del pavimento de adoquín es menor que el de otros tipos de pavimento. Esta práctica afecta directamente el desempeño del pavimento, lo que se ve reflejado en los resultados negativos en algunos tramos construidos recientemente. El método constructivo se resume en el traslado del material en unidades de acarreo, descargado y colocado en la línea en pilas, los que son tendidos y preparados con motoniveladora, humedeciendo el material con una cisterna hasta alcanzar los niveles deseados así como la humedad óptima para compactar con un vibrocompactador de rodillo, generalmente mixto, hasta obtener la mayor densidad seca, normalmente se Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 42 requiere un 100 % de la densidad máxima seca obtenida con Proctor Estándar para la base y 95 % de la densidad máxima seca obtenida con Proctor Estándar para la subbase. En las fotos N° 2-7 y 2-8 se observa el proceso de conformación de la subbase estabilizada con cemento, que inicialmente fue diseñada de 17 cm, pero actualmente se está construyendo de 12 cm. Foto 2.7 Conformación de subbase estabilizada con cemento. Santa Cruz-San Nicolás Foto 2.8 Compactación de subbase estabilizada. Santa Cruz - San Nicolás 2.7.3.4.- Riego de la Capa de Arena Una vez que la base ha cumplido con los requerimientos de su construcción, se procede a regar la arena con la utilización de unidades de acarreo y es tendida a mano con una pala, con el fin de obtener una cama uniforme sin compactar, cuyo espesor varía de 3 a 5 cms. En las fotos 2-9 y 2-10 se presenta el proceso de preparación de la capa de arena en el Tramo Santa Cruz-San Nicolás, se observa que esta técnica ha sido mejorada. Ahora Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 43 hacen uso de la llamada “raqueta” que es una guía artesanal con la cual garantizan la uniformidad del espesor de la capa y se tiene el cuidado de no caminar sobre ella La foto 2-11 muestra el proceso que se generalizó en la construcción de los tramos del proyecto Piloto. La foto que se presenta fue tomada en los predios de la fábrica de adoquines “AGRENIC”. Foto 2.9 Preparación de la Capa de Arena con ayuda de la raqueta Foto 2.10 Capa de arena lista para la colocación de los adoquines Santa Cruz-San Nicolás Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 44 Foto2.11 Adoquinado en estacionamiento de AGRENIC Luego se hace el tendido del hilo central a lo largo del eje de la vía y se colocan los adoquines auxiliares los cuales sirven para dar la pendiente transversal. La arena empleada es gruesa, generalmente extraída de ríos o lechos de cauce, en algunos casos con alto contenido de tierra orgánica y material plástico. En el proyecto que visitamos, la arena la extraen del lecho del Río Coco, en el sector de Telpaneca. 2.7.3.5.- Colocación del Adoquín Se comienza colocando los adoquines de cualquier lado, la mayoría de las veces del centro y luego el tendido se va haciendo transversalmente, nivelando uno por uno los adoquines con la ayuda de un mazo, regleta y llana se trata que el adoquín quede aproximadamente 1cm. dentro de la arena suelta, cualquier adoquín quebrado o muy dañado es retirado de la obra. Cuando los bloques no calzan en los extremos, el espacio se llena con medios bloques abastecidos por las fábricas o se quiebran en el campo. Cuando la abertura es pequeña menor de 40 mm.; se rellena con mortero de arena y cemento en relación de 4:1. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 45 Foto 2.12 Proceso de colocación de los adoquines. Santa Cruz - San Nicolás Foto 2.13 Colocación de los Adoquines. Santa Cruz - San Nicolás 2.7.3.6.- Lleno de Juntas Una vez instalados una cierta cantidad de adoquines se procede al relleno de las juntas con el mismo tipo de material con que se conforma la capa de arena, el esparcimiento lo realizan un par de operarios que van con escobas rellenando las juntas y haciendo avanzar el material. En el Tramo Santa Cruz - San Nicolás, encontramos que para el relleno de juntas están utilizando la misma arena que se utilizó en la capa, con la salvedad que la tamizan con la malla N° 8. En la foto 2-14 2-15 se puede observar las juntas entre adoquín y el proceso de sellado. Es importante hacer notar que la arena de sello es muy gruesa, lo no garantiza el relleno de las juntas y por consiguiente la trabazón. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua Foto 2.14 Relleno de Juntas. Santa Cruz - San Nicolás Foto 2.15 Juntas de adoquines. Santa Cruz - San Nicolás Por otro lado observamos que los adoquines viene con un pequeño borde que garantiza la separación entre las juntas. Foto 2.16 Adoquines que se están colocando en Santa Cruz - San Nicolás Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva 46 La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 47 2.7.3.7.- Compactación de Adoquines de Concreto Después de terminada la actividad anterior, cuando ya se tiene listo un tramo considerable, normalmente se aplica en dos etapas, primeramente con la plancha como la que se muestra en la Foto 2-17, en el sentido longitudinal al tráfico y luego en el sentido transversal. Posteriormente se aplica el rodillo que se encarga de compactar y dejar terminada la obra. Foto 2-17 Proceso de compactación. Santa Cruz - San Nicolás 2.7.3.8.- Limpieza La ultima fase de construcción es la limpieza de lugar, en algunos se deja que la arena sobrante permanezca sobre la superficie del pavimento hasta que es desalojada por la acción del agua y el paso de los vehículos. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 48 2.8.- DESCRIPCIÓN DE LOS TRABAJOS DE MANTENIMIENTO En Nicaragua, los recursos para la conservación o mantenimiento de la infraestructura del transporte de toda clase, siempre han sido escasos, esto se debe en gran medida a las limitaciones financieras del sector público, los cuales se han visto incrementados desde la década de los años ochenta. Estas razones han incidido de forma desfavorable en la serviciabilidad de nuestra red vial, de lo cual no han sido ajenos los pavimentos de adoquín, lo que han sido atendidos esporádicamente y por razones de alguna emergencia (cortes en la vía, asolvamientos puntuales, etc) La foto 2-18 muestra que los bordillos del tramo Santa Rita-Masachapa ya están destruidos y la 2-19 muestra que las juntas entre adoquines en el tramo La Paz Centro – León Viejo les falta arena de sello. Foto 2.18 Tramo Santa Rita – Masachapa Foto 2.19 Tramo La Paz Centro - León Viejo Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 49 2.9.- PRINCIPALES PROBLEMAS EN LAS VÍAS ADOQUINADAS DE NICARAGUA Es muy importante estudiar las fallas para ver los materiales desempeñándose hasta sus límites y poder determinar acertadamente los factores de seguridad en todos los componentes de la estructura. Una falla no es fácil de definir, ya que los diferentes profesionales tienen diferentes prioridades. El arquitecto se concentra en el impacto visual, mientras que el ingeniero se preocupa más, por la construcción del pavimento. El ingeniero de mantenimiento que mantiene una determinada área de funcionamiento, considerará el pavimento como fallado si se le debe hacer mantenimiento a menudo. La investigación de fallas puede ser compleja porque una falla corriente puede llevar a una falla futura. A menudo la conclusión inicial no es correcta. Las fallas se pueden resumir en tres tipos: de diseño, de construcción y de aplicación del producto. 2.9.1.- Fallas de Diseño En todos los métodos de diseño es necesario conocer la resistencia de la subrasante definida de acuerdo con el valor de la Relación de Soporte de California CBR. Los métodos actuales de diseño usan el valor del CBR saturado en vez del valor de CBR determinado en el sitio. El método para evaluar el CBR saturado se describe en la Norma Británica BS 1377 Parte 4. La Tabla 2-12 tomada de la Norma Británica BS 7533 ilustra el valor del CBR para diferentes tipos de suelo. Se puede observar que un mismo suelo puede tener valores de CBR diferentes utilizados para el diseño. Existen dos valores de CBR relevantes; durante la construcción y el otro el de la vida de servicio. En términos generales, mientras más alto el valor de CBR, más fuerte es el suelo y la construcción total puede ser reducida. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 50 Tabla 2.12 Valores de CBR para diferentes tipos de suelo Valores de CBR para Diferentes tipos de Suelo Tipo de Suelo Indice de Plasticidad Arcilla Pesada 70 60 50 40 30 20 10 - Arcilla Limosa Arcilla Arenosa Limo Arena Mal Gradada Arena Bien Gradada Grava Arenosa Nivel Freático Alto Nivel Freático Alto Detalles de Construcción Detalles de Construcción Pobres Promedio Buenos Pobres Promedio Buenos 1.5 a 2 2 2 1.5 a 2 2 2 a 2.5 1.5 a 2 2 2 a 2.5 1.5 a 2 2 2 a 2.5 1.5 a 2 2 a 2.5 2 a 2.5 2 2 a 2.5 2 a 2.5 2 a 2.5 2.5 a 3 2.5 a 3 2.5 3 3 a 3.5 2.5 a 3.5 3a4 3.5 a 5 3 a 3.5 4 4.6 2.5 a 4 4 a5 4.5 a 7 3 a 4 5a 6 6a8 1.5 a 3.5 3a6 3.5 a 7 2.5 a 4 4.5 a 7 7 a >8 1 1 2 1 2 2 ◄ 20 ► ◄ 40 ► ◄ 60 ► El pavimento se diseña para una vida útil y según el número de vehículos que van a pasar sobre él. El no obtener valores estimados correctos acerca del numero de vehículos que van a transitar por la vía, puede derivar en un espesor mayor o menor de la estructura. En la evaluación correcta de CBR de la subrasante, el no tomar muestras suficientes del sitio de la investigación puede resultar en un subdiseño, por ejemplo por no tomar el menor valor representativo del CBR. En este aspecto vale la pena comentar que durante el diseño del programa de adoquinados de 360 km, se tomó para todos los tramos un CBR de diseño de 7. De una revisión de los resultados de los sondeos realizados para el diseño del tramo San Lucas – La Sabana, se encontró que el CBR de diseño era de 2.2 para un percentil del 95%, el que corresponde a un tráfico esperado de 1,000,000 de ejes equivalentes. Ver Tabla 2-13 y Figura 2-1. Tabla 2-13 Datos para el calculo de CBR diseño San Lucas - Las Sabanas Valor CBR Cantidad de Datos 2 15 3 12 5 11 6 7 9 4 13 3 15 2 CBR diseño % 100.00 80.00 73.33 46.67 26.67 20.00 13.33 2.2 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 51 Figura 2.1 CBR diseño. San Lucas - La Sabana 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0 5 10 15 20 La selección del material para cada capa y los procedimientos de diseño están descritos en la Norma Británica BS 7533. La elección del material errado para la subbase puede dar como resultado que la superficie se levante. Cuando se coloca una capa rígida de base, se le debe construir un drenaje a la capa de arena, ya que las investigaciones muestran como resultado que la capacidad soporte de la arena se puede reducir debido a su fluidificación o degradación. Se deben tener en cuenta las pendientes de la superficie, lo que es muy importante para la rápida remoción del agua superficial. Para las carreteras, la pendiente mínima se especifica generalmente como el 1% longitudinalmente y el 2.5% transversalmente. Cuando se utilizan drenajes, estos deben estar más bajos que la superficie del pavimento para poder drenar el agua del área. La tolerancia de la superficie de adoquines de concreto cercana a pozos de visita, a canales de drenaje y a las salidas deben ser de +6mm – 0mm Los ahuellamientos son causados porque las capas estructurales subyacentes se consolidan con el tráfico canalizado que pasa sobre los adoquines. En la Foto 2-20 y 2-21 se puede apreciar el ahuellamiento en el tramo La Paz Centro – León Viejo. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 52 Foto 2-20 Ahuellamiento tramo La Paz Centro - León Viejo Foto 2.21 Ahuellamiento. Tramo La Paz Centro - León - Viejo Cuando se especifican los detalles de confinamiento lateral, es importante tener conocimiento del tipo y peso de los vehículos, al fallar el bordillo los adoquines rotaran y perderán la trabazón entre ellos, o sea que los bordillos deber ser lo suficientemente fuertes para tolerar el manejo. Foto 2.22 Bordillo en construcción. Santa Cruz - San Nicolás Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 53 Con respecto a los espesores de los adoquines, normalmente se especifican 60 y 80mm recomendados para el uso bajo tráfico. Como guía para su uso, los adoquines de 80mm se utilizan para lugares con tráfico pesado, mientras que los de 60mm en áreas de tráfico liviano. En algunos puertos del Reino Unido se han utilizado adoquines de 100mm de espesor para áreas de tráfico muy pesado y para áreas de tráfico muy liviano se han utilizado adoquines de 50mm de espesor. Algunas formas de adoquines solo pueden colocar en patrón de hiladas. Los rectangulares se prefiere el patrón de espina de pescado en áreas de tráfico vehicular. Cuando se colocan estos adoquines rectangulares en hilada en áreas de mucho frenado, es común que los adoquines se aparten de su alineamiento. En Nicaragua, hasta la fecha solamente se utiliza el adoquín tipo Cruz, que solamente puede colocarse en hilera, con el cuidado de que la dimensión más larga sea transversal con la dirección de circulación de los vehículos. Independientemente del tráfico solamente se colocan de 10cm de espesor, con dimensiones 24 x 22 cm, con un bisel de 1 cm. El peso aproximado es de 23.65 lbs, seco y saturado de 23.90 lbs. El volumen es de 0.00452 m3. La fabrica San Pablo, produce adoquines de diversas formas, pero solamente de 6 cm de espesor, estos han sido utilizados en el estacionamiento del Edificio Pellas, en el Club Terraza y en el Edificio Pellas de Plaza España. Fotos 2.23 Adoquines Ladrilleria San Pablo Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 54 2.9.2.- Fallas de Construcción Aún cuando se han escrito muchas normas acerca de los métodos para la construcción de pavimentos de adoquines, muchos contratistas continúan empleando subcontratistas con pocas o casi nulas habilidades en la construcción. Algunos contratistas subcontratan la colocación de la capa de arena y los adoquines y ellos construyen las capas subyacentes. La capa de arena no se puede usar como material nivelador de base. Cuando se construye una base flexible, esta debe ser cerrada, de manera que la arena no caiga dentro de los espacios vacíos y los llene. Esto resultaría en un perfil inaceptable en la superficie. Si la superficie de la base tiene que tener una textura abierta, se debe tratar de acabar con dedicación y se puede sellar con un material más fino. Al colocar la arena, usando el método no compactado, la colocación, debe ser de densidad uniforme. Al comienzo del enrasado, se toma cerca de medio metro de avance antes de que se pueda formar una sobrecarga detrás del enrasador. Dado que varía el volumen de arena, después cuando se expone el pavimento al tráfico, el resultado es una depresión entre el área principal de adoquines y la superficie existente. Cuando se utilizan materiales estabilizados con cemento para las bases, es necesario curar y proteger correctamente la base ya compactada. En áreas más grandes donde se han utilizado bases suelo-cemento, se debe esperar que endurezca la base y se contraiga. Estas fisuras se deben sellar de tal manera que no penetren partículas de arena en ellas, ya sea mediante membranas impermeabilizantes u otros medios, por ejemplo geotextiles. En situaciones en las cuales se construyen pavimentos de adoquines de concreto en vías existentes y la base es discontinua, puede suceder que ocurran fisuras entre la construcción existente y la nueva, creando una grieta natural entre ellas, Una vez más, como en el ejemplo anterior la arena puede penetrar en las fisuras después de puesto el pavimento al tráfico, dando como resultado que en este momento el pavimento de adoquines de concreto está por debajo de su nivel original. El desempeño del pavimento de adoquines depende de la trabazón, esta se logra llenando totalmente de arena fina la junta entre las caras verticales de los adoquines. Las normas recomiendan arena secada al horno para facilitar el llenado de la junta. En la mayoría de los casos la arena se vuelve húmeda y la fluidez se reduce mucho y en vez de llenar completamente la junta, la puentea. Esto da la apariencia de una junta Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 55 completamente llena, pero al secarse, o al ser mojada por la lluvia las juntas quedan vacías, sin arena, lo cual ocasiona que el agua penetre en las capas subyacentes. Otra practica no recomendada es que los contratistas coloquen los adoquines en el área y luego barran el sello de arena en toda el área. Esta última operación se podría estar realizando muchas semanas después y una vez más, si llueve, el agua penetraría a las capas subyacentes. Como se dijo anteriormente, el agua puede movilizar la arena y causar un perfil superficial insatisfactorio, lo que tiene efecto en el comportamiento de las capas subyacentes. La recomendación de la norma es que la colocación de la arena, de los adoquines, el corte de los ajustes, el vibrado, el llenado de las juntas se lleve a cabo diariamente o a medida que avanza el proceso. 2.9.3.- Fallas de los Materiales Los adoquines generalmente no fallan, en algunas ocasiones las esquinas se desbordan. Esto se explica ya sea por productos de unos moldes nuevos o que los adoquines han estado en contacto directo unos con otros, debido a la deflexión de la base. La acción de la llanta carga origina esfuerzos en el punto de contacto y que las esquinas se quiebren. La característica de la aparición de partículas de arena fina alrededor y sobre los bordes de los adoquines, generalmente indica degradación de la arena. Pero este no es siempre el caso, puede ser que el perfil de la superficie estaba fuera de la tolerancia y la base que se había utilizado estaba profundamente impresa con la forma del adoquín, permitiendo que el agua penetrara en las capas subyacentes causando que los materiales finos de la arena se movilizaran y se bombearan hacia la superficie. 2.9.4.- Fallas de aplicación del producto Un aspecto del desempeño de la superficie son sus propiedades de resistencia al frenado y al deslizamiento, que son muy importantes, y la selección de los productos correctos es primordial para el desempeño. Es necesario diferenciar la resistencia al deslizamiento y al resbalamiento. Resbalar es para los peatones y deslizarse para los vehículos. En los adoquines la junta entre ellos forman la macro-textura y el acabado de la superficie se relaciona con la micro-textura. La Norma Británica BS 6717 restringe el contenido de partículas de agregado solubles en ácidos, para los adoquines de concreto, con el fin de minimizar el riesgo de deslizamiento y resbalamiento. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 56 Para medir la resistencia al deslizamiento se conoce el “Medidor de Norse”, medidor de agarre de carreteras que utiliza una rueda de prueba de tamaño real, que opera a una velocidad entre 30 y 95 km/h, puede medir sobre una distancia de 4 km en un vehículo especialmente diseñado. Otro equipo es “SCRIM” Maquina de investigación rutinaria del coeficiente de fuerza lateral, tiene una rueda de prueba que se arrastra a lo largo de aproximadamente 0.5 km.. El “Verificador de Péndulo”, fue diseñado para medir la fricción de los zapatos. Utilizando un deslizador de caucho el pie es columpiado en forma de arco y la fricción entre el espécimen y el caucho se mide en una escala calibrada. Es el más aceptable para varios autores, se utiliza no solo en laboratorio, sino también en el campo. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 57 CAPITULO 3: ANALISIS ESTRUCTURAL DEL ADOQUIN 3.1.- SOLICITACIONES Todo tipo de pavimento debe ser diseñado para soportar las cargas impuestas por el tráfico, la acción de agentes externos e intemperismo. En Nicaragua los adoquines no son afectados significativamente por los agentes externos o las condiciones de intemperismo propias del medio. Por esta razón no se tendrán en cuenta estas solicitaciones, a excepción de la abrasión, para el análisis de la resistencia a la compresión que deben tener los adoquines. Por lo tanto, estará determinada por el desgaste que pueden ocasionar las llantas de los vehículos y los esfuerzos que éstas inducen en los adoquines como estructura. 3.1.1.- Solicitaciones Climáticas 3.1.1.1.- Ciclos de Dilatación y Contracción Térmica El adoquín no es afectado por los cambios de clima, aún en condiciones extremas de temperaturas. Esto se debe a que por lo general se le asignan altos valores de módulo resiliente ( 2760 a 3100 Mpa) y su rigidez evoluciona y se incrementa con el tiempo (ciclos de dilatación y contracción). Además el coeficiente lineal de expansión térmica del concreto, varía entre 11x10-6 y 20x10-6 cm/°C., esto significa que para una variación de ± 15 °C de la temperatura a la cual se colocan los adoquines, se tiene una variación de ± 6x10-3 cm,. Valor despreciable en comparación con el tamaño de las juntas que existen entre adoquines. Juntas que normalmente tienen valores entre 0.3 y 0.5 cm. Adicionalmente el adoquín se diseña como una pieza maciza con pocas entradas y salientes, de manera que no se inducen esfuerzos diferenciales, por dilatación o contracción, dentro del mismo. 3.1.1.2.- Ciclos de Humedecimiento y Secado Estos ciclos no afectan al adoquín, debido a su poco espesor y rigidez. Estos no presentan problemas de secado diferencial entre la cara superior libre y la inferior en contacto con la base, como puede ocurrir en las losas de pavimento rígido. 3.1.1.3.- Ciclos de Congelamiento y Descongelamiento El agua que se infiltra dentro de la masa de concreto, al congelarse se expande y produce esfuerzos tales que sobrepasan la resistencia a tracción del concreto, fisurando el adoquín, por lo tanto la resistencia que debe tener el concreto para atender estas solicitaciones es muy elevada. Es quizás ésta la principal razón de que las Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 58 normas extranjeras son tan exigentes con la resistencia de los adoquines. Sin embargo éste es un problema serio para los países situados más allá del paralelo 30°, con régimen severo de estaciones, por lo que en el caso de Nicaragua, este problema no reviste importancia. 3.1.2.- Agentes Externos 3.1.2.1.- Ataque Químico Otra solicitación importante en los pavimentos, es el ataque químico por derrame de sustancias sobre el pavimento. Los derrames más frecuentes de aceite, gasolina o diesel, no afectan los adoquines de manera considerable, más allá de la coloración de su superficie. Mientras menor sea la relación agua - cemento y la porosidad, menor posibilidad se tendrá de ataque por agentes externos. Por otra parte, algunas investigaciones han demostrado que concretos curados en planta, bajo condiciones de humedad y temperaturas sujetas a oscilaciones muy reducidas, desarrollan una mayor resistencia al ataque por ácidos. Este es el caso de adoquines sometidos a un curado vigilado cuidadosamente. 3.1.2.2.- Desgaste por Abrasión La abrasión ocasionada por el peso de las llantas se puede convertir en un problema serio cuando se tienen concretos sumamente débiles. La resistencia a la abrasión es función de la resistencia a la compresión, de la velocidad de desgaste de la pasta, de los agregados y de la relación agua - cemento, etc.. Sin embargo algunas pruebas y la experiencia en obras ha demostrado que, por lo general, la resistencia a la compresión es el factor que individualmente controla en forma más definitiva la resistencia del concreto a la abrasión. En Inglaterra, Shacklock, recomienda para la abrasión de llantas neumáticas y tráfico peatonal alto, una resistencia a la compresión en cilindros de no menos de 24 Mpa (245 Kg/cm2); y por su parte la Cement and Concrete Association, recomienda que el concreto posea un porcentaje de minerales silíceos no inferior a 25% por considerarse que la porción fina del concreto es la responsable de su resistencia a la abrasión. Por otro lado, el Comité 201 del ACI en su guía para concretos duraderos, especifica para abrasión una resistencia no menor de 27.6 Mpa (282 Kg/cm2), tamaño de agregado y asentamientos no mayores de 1 pulgada (25.4 mm), agregados finos con Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 59 buena cantidad de sílice, y un contenido de aire de no más del 3%, cuando las condiciones climáticas así lo permitan. Las recomendaciones anteriores están basadas en la práctica corriente de concretos vaciados. Existe entonces la necesidad de encontrar las correlaciones entre las pruebas de resistencia a la compresión en cilindros vaciados y los ensayos de compresión y flexión, realizados sobre adoquines vibrocompactados, para que de esta forma traducir estas recomendaciones a los adoquines, y así poder establecer un límite inferior de resistencia, bien sea a compresión o a flexión, para atender esta solicitación. 3.1.3 Solicitaciones Estructurales Están constituidas principalmente, por las cargas verticales que transmiten los vehículos a la estructura del pavimento y, como se dijo anteriormente, son las principales en conjunto con el desgaste por abrasión, para determinar la resistencia a la compresión que deben tener los adoquines, en zonas donde no ocurra congelamiento y descongelamiento, como es el caso de Nicaragua. 3.2.- PARÁMETROS ESTRUCTURALES Figura 3.1 Adoquín Tipo Cruz 3.2.1.- Dimensiones Para este estudio, tomando en cuenta el patrón de colocación y el tipo de adoquín utilizado en la construcción de pavimentos de adoquines en Nicaragua, se consideró como adoquín típico al adoquín en cruz, con una longitud de 24 cm, un ancho de 22 cm y un espesor de 10 cm, aunque actualmente se realizan estudios para la implementación de adoquines con otras formas y menor espesor. 3.2.2.- Momento de Inercia Esta es una propiedad matemática de un área, y para un área de dimensiones dadas, como es la sección transversal del adoquín, puede determinarse numéricamente a como se muestra en los anexos, en donde se determinan los Momentos de Inercia con respeto a los ejes x e y, del adoquín necesarios para Figura 3.2 Referencias para el Cálculo de I Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 60 la determinación de esfuerzos, cuando entran en juego esfuerzos por flexión. De esta forma se determinó la Ix= 13,871.92 cm4 e Iy= 18,316.00 cm4. En el cálculo, se aplicó la teoría de centro de gravedad y el Teorema de los Ejes Paralelos, necesarios para la determinación del Momento de Inercia de Áreas Compuestas, por medio de la sumatoria de los momentos de inercia de cada una de las áreas geométricas simples individuales, con respecto a los ejes del adoquín. 3.2.3.- Cargas 3.2.3.1.- Eje tipo El Acuerdo Centroamericano Sobre Circulación por Carreteras del SIECA, en su artículo 12, establece el límite de peso por eje para los vehículos pesados en toda el área, si bien es cierto que existen Las Regulaciones sobre Pesos y Dimensiones dictadas por la Dirección de Administración Vial del Ministerio de Transporte e Infraestructura (ver Anexo de Diagrama de Cargas Permisibles), éstas resultan menores y, dada la próxima implementación de los acuerdos centroamericanos, se hace necesario asumir, el valor que represente la condición más crítica. En el Diagrama de Cargas Permisibles anexo, se determina la carga transferida a cada rueda, de acuerdo a las cargas permisibles determinadas para cada tipo de vehículo pesado de circulación común en Centroamérica, donde es posible observar que el camión, consistente en un automotor con eje simple direccional y un eje simple de tracción, conocido como C2 es el que transfiere la mayor carga a cada una de las ruedas del eje de tracción, por lo que se determina una carga de 10 Toneladas por eje, para el eje tipo en el presente estudio, además este tipo de vehículo tiene una representatividad de los equipos comerciales bastante considerable ya que equivale a un 42.08 % del volumen de tráfico pesado por carreteras nicaragüenses. Figura 3.3 Eje de tracción del vehículo tipo C2 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 61 Por lo antes expuesto, la carga por llanta para el análisis es de 2.5 Toneladas (2,500 kg). Es cierto que las regulaciones no son cumplidas por los transportistas, al transportar carga hasta un 60% más de lo permitido en los casos extremos. Para los cálculos se asumirá la carga, tal y como se establece y posteriormente los resultados de los esfuerzos serán afectados debido al exceso de carga en un porcentaje que será establecido más adelante. 3.2.3.2.- Presión de Inflado Por lo general, la presión de inflado de las llantas de los vehículos está entre 70 y 90 PSI. Para este estudio se considera una presión de inflado promedio de 85 PSI (5.99 Kg/cm2), valor estipulado por el MTI en sus estudios de deflexiones con viga Benkelman. Se asume que la presión que ejercen las llantas sobre el pavimento es igual a la presión de inflado. 3.2.3.3.- Huella (Área de Contacto) En ingeniería de pavimentos se define como área de contacto la relación entre la carga por llanta y su presión de inflado. Existen dos maneras de considerar la forma de la huella, una de ellas asume que ésta es circular, la otra, la más utilizada por ajustarse más a la realidad, con la geometría que muestra la figura 3.4 Donde: L= A= A 0.5227 P Pc A: Área de contacto en cm2 P: Carga por llanta en Kg Pc: Presión de inflado en Kg/cm2 L: Longitud de la huella Figura 3.4 Huella de la Llanta Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 62 Con los datos establecidos en los puntos anteriores 3.2.3.1 y 3.2.3.2, se realiza el cálculo de la huella para el estudio, obteniendo los valores de A = 417.36 cm2 y L= 28.26 cm. 3.2.3.4.- Estados de Carga Sobre un adoquín se pueden tener infinitos estados de carga desde su superficie totalmente libre, hasta completamente cubierta por la llanta. En este estudio se consideraron dos estados intermedios de carga que son los que representan las condiciones más extremas: 3.2.3.4.1.- Estado 1 La rueda del vehículo cubre completamente el adoquín, concentrando la carga en el centro de gravedad de la superficie del adoquín, por lo que se puede afirmar que la carga generada por los vehículos para este caso es concéntrica. Figura 3.5 Estado 1 Carga Concéntrica Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 63 3.2.3.4.2.- Estado 2 1 2 4 3 La rueda del vehículo cubre parcialmente los adoquines, distribuyendo la carga a razón de 5.99 kg/cm2 de área afectada en los adoquines, lo que genera dos afectaciones diferentes en los adoquines en cuanto a punto de aplicación de la carga, se asume que la presión que ejercen las llantas sobre el pavimento es igual a la presión de inflado. Considerando una junta de 5 mm, que representa el límite máximo para la separación entre piezas, se Figura 3.6 Estado 2 determinaron dos tipos de afectaciones en los adoquines, tomando en cuenta la simetría de los mismos y la localización de la huella, de esta Figura 3.7 Afectación 1 forma en la Figura 3.6, se puede observar que los adoquines 1 y 3 tienen la misma área afectada por la carga, por lo tanto la misma magnitud de ésta, así como la excentricidad con respecto del centroide, lo mismo sucede con los adoquines 2 y 4. En el estudio se denomina al caso de los adoquines 1 y 3 afectación 1, con una carga que se concentra excéntrica con respecto al eje x, así mismo a los adoquines 2 y 4 se les denominó afectación 2, con una carga con excentricidad con respecto al eje y. Para la determinación del punto exacto de aplicación de la fuerza, fue necesario el cálculo del centroide de la figura que forma la intersección de la huella con los bordes del adoquín, ver anexo, determinando que para la afectación 1 la excentricidad e = 8.18 cm con respecto del eje x, y para la afectación 2 la excentricidad e = 7.72 cm con respecto del eje y. Para la magnitud de la carga aplicada para ambas afectaciones se tomó el área de influencia de la huella para cada una, estableciendo que la carga para la afectación 1 es P= 383.36 kg, que corresponde a un área Figura 3.8 Afectación 2 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 64 de 64 cm2, y para la afectación 2, P= 769.67 kg, para un área de 133.0 cm2. 3.3.- CONSIDERACIONES ESPECIALES En Nicaragua los pavimentos de adoquín, son utilizados generalmente en vías rurales y municipales, que son vías de tráfico bajo. En las cuales los controles de pesos permisibles son realizados de forma ocasional, es práctica común que los usuarios, con el fin de aprovechar al máximo los viajes que realizan, sobrecargan sus equipos, aduciendo una falsa economía al realizar menos ciclos de viaje para transportar sus productos. Al mismo tiempo el estado mecánico y operativo de los vehículos que circulan sobre estas vías raras veces es el óptimo, utilizando llantas con un alto grado de desgaste, así como presiones de inflado inadecuadas, etc., es que debe ser tomado en cuenta el daño adicional que producen estos vehículos, debido a estas consideraciones señaladas anteriormente, magnificando los esfuerzos que se producen al aplicar la carga permisible señalada en el punto 3.2.3.1 de este documento, utilizada para el cálculo de los esfuerzos de flexo compresión en los adoquines. A continuación se mencionan los efectos que producen las condiciones inadecuadas de operación, así como el factor de maximización del esfuerzo para cada caso, en base a experiencias y literaturas investigadas para este estudio y que fueron tomados en cuenta para la determinación del esfuerzo real al que están sujetos los adoquines en nuestro medio. 3.3.1.- Sobrecarga en los Vehículos Debido a que el esfuerzo en un elemento está relacionado directamente con la carga a la que está sometido, un incremento en la misma genera mayores esfuerzos. Esfuerzo que aumentan en mayor porcentaje en comparación con la carga. Por tal razón y a causa de que en Nicaragua las regulaciones de Pesos y Dimensiones dictadas por el M.T.I., no son cumplidas por los usuarios en su gran mayoría, transportando en ocasiones hasta un 55% más de la carga permisible por eje. El esfuerzo producido al pasar el eje con esta sobrecarga es de aproximadamente 1.55 veces el esfuerzo producido por el paso de un eje cargado con el peso estipulado. 3.3.2.- Estado Mecánico de las Llantas e Impacto Los componentes que actúan perpendicularmente y tangencialmente a la superficie, dependen de la forma de aplicarse la solicitación y de su intensidad vertical y horizontal., en la obra: “Construction of Roads and Pavements”, del señor Agg, se observa que la relación con el efecto de impacto que un vehículo pesado con llantas Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 65 macizas muy gastadas, éste puede producir una reacción de hasta cinco veces el peso estático por la rueda en el caso más extremo, en tanto que los vehículos que ruedan sobre llantas neumáticas en buenas condiciones, sobre superficies lisas, producen cargas dinámicas que varían en magnitud despreciable con respecto de la estática. Por otro lado las investigaciones de Thompson del Public Roads Volumen N° 5, señalan que los vehículos comerciales con llantas neumáticas en buenos pavimentos, producen una reacción igual a una y media veces el peso por rueda y origina una tensión igual a 1.6 veces la que produciría una carga estática igual al peso por rueda. Ante la importancia que tiene el hecho de que los vehículos cuenten con llantas en buen estado o en mal estado, también de que en Nicaragua estado de las llantas de los vehículos que circulan por vías rurales, es en la mayoría de los casos inadecuada, además de que los vehículos de circulación normal en nuestro medio utilizan llantas neumáticas, se considera con énfasis esta condición y se aplican las correcciones debidas al esfuerzo calculado, tomando en cuenta el efecto de las cargas dinámicas al circular con llantas neumáticas en mal estado. 3.3.3.- Fatiga El efecto de la fatiga es menos grave en adoquines que en losas de concreto, pues el comportamiento de un adoquín partido por el centro es casi idéntico al de dos adoquines con la mitad del área cada uno, sin embargo no es deseable tener al final de la vida útil del pavimento de adoquines gran cantidad de estos fisurados, por lo tanto, si se quiere evitar a toda costa la fatiga (lo que puede ser deseable), es necesario que el nivel de esfuerzos sobre el adoquín sea menor que el 50% de falla, o sea que hay que multiplicar por 2 el esfuerzo a flexo compresión que debe resistir el adoquín. 3.3.4.- Combinación de Esfuerzos Debido al desempeño propio de los pavimentos adoquinados, estos se analizan como un bloque sujeto a cargas axiales concéntricas y excéntricas, esto requiere de la consideración de un apoyo perimetral por fricción debido a la transferencia de carga, la que tiene lugar entre las juntas de los adoquines. Estudios realizados recientemente en la Universidad de Newcastle, sobre la naturaleza de la interacción de los adoquines, se encontró que el adoquín transfiere por fricción entre el 38 y el 52% de la carga aplicada. Esto depende del tamaño de la junta y del material que la constituya. Estos valores se obtuvieron de pruebas, realizadas sobre una máquina diseñada para simular el comportamiento del pavimento, que consistía en Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 66 aplicar una carga sobre el adoquín central del modelo y registrar a través de dispositivos la carga transferida a los adoquines vecinos. La transferencia de carga por fricción implica que el momento resultante proviene de la combinación de una parte de la carga sostenida por el adoquín como bloque sujeto a cargas axiales y el resto como viga simplemente apoyada. Puesto que en ambos casos la solución es una función directa de la carga y siempre es mayor para la condición simplemente apoyada, de esto se deduce que al tomar en cuenta la fricción resulta una solicitación, para el adoquín, mayor que si se considera como bloque sujeto a cargas axiales. Para la condición más crítica, cuando la transferencia es máxima, el adoquín asume por fricción el 52% de la carga y el 48% restante como bloque sujeto a cargas axiales. Como en ambos casos el esfuerzo es proporcional a la carga, el esfuerzo resultante será igual a 0.52 veces el esfuerzo correspondiente al adoquín como viga simplemente apoyada más 0.48 veces el esfuerzo como bloque sujeto a cargas axiales. 3.4.- ANÁLISIS ESTRUCTURAL 3.4.1.- Análisis del Adoquín como un bloque sujeto a Cargas Axiales Si se aplican fuerzas a un cuerpo, y no se produce movimiento, las reacciones, que impiden este movimiento así como los esfuerzos que tienen lugar en las fibras internas del cuerpo, pueden calcularse aplicando leyes de la estática. Una fuerza exterior aplicada a un cuerpo, hace que éste se deforme o cambie ligeramente de forma. También produce fuerzas interiores (esfuerzos) que actúan dentro del cuerpo. La Resistencia de Materiales es la ciencia que analiza los esfuerzos y las deformaciones producidas por la aplicación de fuerzas exteriores. En la solución de todos los problemas, es deseable tener conocimiento de las reacciones físicas que tienen lugar dentro del elemento. Por tanto, es importante ser capaz de “visualizar” el esfuerzo y la deformación que ocurren en un cuerpo. El esfuerzo es una función de la fuerza interior en un cuerpo, y se produce por la aplicación de cargas exteriores. Supóngase que un bloque está formado de un gran número de fibras alineadas paralelamente, y a éste le es aplicada un carga, si el cuerpo está en equilibrio, cualquier porción de la estructura debe estar en equilibrio, por tanto cada fibra del cuerpo resiste un porción de la fuerza aplicada. La suma de las cargas soportadas por cada fibra es igual a la carga aplicada. Sin embargo no es muy común hablar de la fuerza total en el cuerpo, sino más bien de la intensidad de la fuerza en las Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 67 fibras. Esta intensidad de la fuerza se llama el esfuerzo o esfuerzo unitario. El esfuerzo unitario se define como la fuerza por unidad de área. En términos algebraicos, s= Donde: P A s = esfuerzo unitario P = Carga Aplicada A = Área sobre la cual actúa la carga La definición s = P / A es una fórmula muy importante y útil. Deben notarse dos cosas, la primera es que la fórmula se aplica a partes que estén cargadas ya sea a tensión o a compresión, la segunda, y más importante, es que las cargas deben aplicarse a través del centroide de la sección transversal y deben coincidir con el eje (carga concéntrica), tal y como ocurre con el estado de carga 1. Si una carga axial no pasa por el centroide del la sección transversal del cuerpo, la fórmula no se aplica directamente. Un caso especial de esfuerzo normal ocurre cuando un cuerpo es soportado por otro. El esfuerzo de compresión desarrollado entre dos cuerpos en su superficie de contacto se llama esfuerzo de aplastamiento o apoyo, este esfuerzo ocurre en la superficie de contacto, en nuestro caso, entre la llanta y el adoquín. Cuando a un elemento se le aplica una carga axial paralela al eje centroidal, pero a cierta distancia de éste, como en el estado de carga 2 en ambas afectaciones, a este tipo de carga se le denomina excéntrica, siendo la excentricidad e la distancia entre la carga y el eje centroidal. Para resolver este problema, la carga se descompone en una fuerza que pasa por el centriode y un par que genera un Momento Flexionante. Ambos generan un esfuerzo, la carga axial genera esfuerzos normales y el momento genera un esfuerzo de flexión definido por: s= Donde: Mc I s = esfuerzo unitario de las fibras extremas del elemento. M = Momento flexionante. I = Momento de inercia de la sección transversal del elemento. c = Distancia desde el eje neutro hasta las fibra extremas. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 68 Como ambos esfuerzos ( P / A y Mc / I ) actúan para alargar o acortar las fibras, estos pueden combinarse algebraicamente. El hecho es que ambas cargas producen esfuerzos en la misma línea de acción confirmando que la superposición de esfuerzos es válida. Por tanto, los esfuerzos en cualquier fibra, cuando un elemento este expuesto a cargas excéntricas, pueden calcularse como. s=± P Mc ± A I Todos los esfuerzos de tensión serán considerados positivos, mientras que los esfuerzos a compresión serán negativos. Esta convención de signos ayuda a determinar la naturaleza de los esfuerzos finales, ya que para cada afectación, se analiza las fibras más alejadas del eje neutro, tanto en la región de compresión como la región a tensión que, a como se puede observar en la tabla 3.1, se obtienen diferentes magnitudes del esfuerzo para ambos casos. 3.4.2.- Análisis del Adoquín como una viga simplemente apoyada (Uso de la Fórmula de la Flexión) Debido a la condición propia de desempeño del adoquín, de transferir esfuerzos a través de las juntas, es que se consideró el analizarlo como una viga simplemente apoyada. Para esto se utiliza la fórmula de la flexión desarrollada en estática para vigas con diferentes tipos de apoyo, esta fórmula es exactamente igual a la utilizada en el análisis como bloque, con la presencia de cargas excéntricas, para calcular el aporte al esfuerzo que la flexión genera en el elemento ante la presencia del momento flexionante, con la salvedad que el momento calculado se realizó haciendo uso de las fórmulas de momento máximo para vigas simplemente apoyadas para cargas en el centro del claro y cargas en cualquier punto del claro, además las propiedades de la sección transversal no fueron las utilizadas en el análisis como bloque, que correspondían a la superficie del adoquín, sino que sobre todo el momento de inercia fue tomada de la sección transversal del adoquín, en dependencia de la posición observada durante el análisis, ya que debido a que el apoyo en el adoquín es perimetral, el análisis como viga se efectuó, para cada estado de carga, en dos direcciones y así determinar el esfuerzo crítico a como se observa en la tabla 3.1. La fórmula utilizada para el cálculo, como se dijo anteriormente, es similar a la descrita en el punto 3.4.1, pero para efectos de claridad en los cálculos, es la que se describe a continuación: Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua s= Donde: 69 Mc I s = esfuerzo unitario de las fibras extremas del elemento. M = Momento flexionante. I = Momento de inercia de la sección transversal del elemento. c = Distancia desde el eje neutro hasta las fibra extremas. Para el cálculo del momento flexionante se utilizaron las fórmulas para viga simplemente apoyada, a como se describe a continuación: M= PL 4 M= Pab L En la Tabla 3.1 se muestran los resultados de la aplicación de los dos tipos de análisis, tanto como bloque sujeto a cargas axiales y como viga simplemente apoyada, tomando en consideración todos y cada uno de los parámetros estructurales establecidos para el estudio. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 70 Tabla 3.1 Resultados del Análisis Estructural del Adoquín Estado Afectación 1 1 2 2 Tipo de Análisis Carga (Kg) Bloque Viga Viga Bloque Bloque Viga 2,500.00 2,500.00 2,500.00 383.36 383.36 383.36 Viga Bloque Bloque Viga 383.36 796.67 796.67 796.67 Viga 796.67 Area (cm2) Inercia (cm4) c (cm) 444.00 64.00 64.00 133.00 133.00 M (Kg*cm) Esfuerzo (Kg/cm2) 5.63 15,000.00 40.91 13,750.00 34.38 3,135.88 7.84 3,135.88 4.14 942.50 2.36 1,833.33 2,000.00 13,871.92 13,871.92 2,000.00 5.00 5.00 8.18 8.18 5.00 1,833.33 18,316.00 18,316.00 1,833.33 5.00 7.72 7.72 5.00 2,300.16 6,150.29 6,150.29 2,801.68 2,000.00 5.00 4,381.69 10.95 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva 6.27 8.58 3.40 7.64 (Compresión) (Compresión) (Tensión) (Compresión) (Tensión) La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 71 3.4.3.- Maximización del Esfuerzo Por muchas razones, no se diseña un elemento para ser utilizado a su máxima capacidad, generalmente se aplica un factor de seguridad al máximo esfuerzo posible para obtener un esfuerzo de diseño, los que deben ser especificados por alguna autoridad, tal como se hace con los códigos y especificaciones para obras. Las especificaciones limitan el esfuerzo permisible, dependiendo del número de repeticiones esperadas de la carga durante la vida útil del elemento y las inversiones de esfuerzos que puedan ocurrir. Debido a que en Nicaragua no están establecidos factores de seguridad para este tipo de elementos, es que en el estudio se establecieron una serie de factores, basados en las consideraciones realizadas en el punto 3.3, donde se abordan las condiciones en que un pavimento adoquinado se desempeña, de acuerdo a las solicitaciones existentes en Nicaragua y que reflejan el comportamiento y condiciones mecánicas y de operación normal del parque vehicular nicaragüense y basados en estudios de otros países. Sobre el efecto de estos factores en el pavimento, se establecieron los factores de maximización del esfuerzo, descritos en la tabla 3.2, para afectar los calculados en la tabla 3.1. Tabla 3.2 Factores de Seguridad Condición Sobrecarga Impacto (Carga Dinámica) Fatiga Factor 1.55 1.60 2.00 Una vez aplicados los factores se obtuvieron los valores de los esfuerzos de diseño para el concreto con que se deben construir los adoquines en nuestro medio, los que se reflejan en al tabla 3.3. Además de los factores de seguridad y basado en la transferencia de carga de los adoquines, a como se determinó en el punto 3.3.4, se afectó los esfuerzos calculados por la condición abordada en ese punto, de que el esfuerzo real sería obtenido del 52 % del esfuerzo obtenido como viga simplemente apoyada más el 48% del esfuerzo obtenido como bloque sujeto a cargas axiales. La suma fue realizada de manera algebraica respetando la condición propia del esfuerzo (compresión o tensión), así como observando el hecho, de que el esfuerzo obtenido como viga simplemente apoyada, es la magnitud del esfuerzo a compresión localizado en las fibras superiores, ubicadas por encima del eje neutro y del esfuerzo a tensión de las fibras inferiores por Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 72 debajo del eje neutro, por lo que este valor se evaluó en el cálculo considerando ambas naturalezas del esfuerzo, teniendo que combinar el mismo valor dos veces, pero con signo contrario, obteniendo una serie de valores de esfuerzos, los que se detallan en la tabla 3.4, indicando su naturaleza de tensión o compresión. Tabla 3.3 Esfuerzos Maximizados Estado Afectación 1 1 2 2 Tipo de Análisis Esfuerzo (Kg/cm2) Bloque Viga Viga Bloque Bloque Viga 27.92 (Compresión) 202.91 170.50 62.21 (Compresión) 20.54 (Tensión) 11.69 Viga Bloque Bloque Viga 31.11 42.57 (Compresión) 16.85 (Tensión) 37.90 Viga 54.33 Tabla 3.4 Esfuerzos Reales Estado Esfuerzo (Kg/cm2) Afectación 1 1 Compresión Tensión 118.92 102.06 35.94 23.78 46.04 13.68 92.11 75.26 3.78 15.94 6.32 26.04 2 1 40.14 0.73 48.69 11.62 20.16 7.82 27.80 36.34 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 73 Una vez establecidos los esfuerzos a compresión y a tensión, producto de la combinación de las condiciones de análisis del adoquín, como viga simplemente apoyada y como bloque sujeto a cargas axiales, se inició un proceso de escogencia del esfuerzo más crítico, a que estaría sujeto el adoquín. Se realizó una serie de revisiones, sobre todo los esfuerzos a tensión, ya que, a como fue descrito con anterioridad, el concreto posee una resistencia a la tensión que constituye una fracción de la resistencia a la compresión. Por medio de la fórmula que establece la relación entre la compresión y la tensión en el concreto, se define que: fct = 6.4 f ' c De tal forma que se indujo la magnitud de la resistencia a compresión que debe tener el adoquín, para resistir el esfuerzo a tensión calculado. Se seleccionó el valor más alto de los esfuerzos a tensión registrados, el que se obtuvo del estado de carga 1 con un valor de 92.11 Kg/cm2, ver tabla 3.4, determinando que para resistir satisfactoriamente dicho esfuerzo, el concreto debe poseer una resistencia a la compresión de 207.14 Kg/cm2, que redondeando es de 210 Kg/cm2, resultando mucho mayor que cualquiera de los esfuerzos a compresión obtenidos en el análisis. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 74 VI.- CONCLUSIONES Basados en los resultados obtenidos de este estudio, se establecen las conclusiones acerca del desempeño estructural y algunas propiedades, del adoquín de concreto, tenemos entonces: El comportamiento estructural del adoquín dentro del pavimento, se asemeja al de un bloque sujeto a cargas axiales producidas por el paso vehicular, considerando además un apoyo perimetral por fricción desarrollada a través de las juntas. Esto indica que el adoquín asume una parte de la carga como simplemente apoyada y el resto como un bloque sujeto a cargas axiales. Los niveles de resistencia en los adoquines, se obtuvieron bajo la consideración de una transferencia de carga a través de las juntas y por lo tanto son válidas mientras dicha transferencia exista, esto implica que la correcta construcción del pavimento es determinante en el buen desempeño del adoquín, como elemento constructivo de pavimentos. Los esfuerzos determinantes en el comportamiento del adoquín, sujeto a cargas producidas por el tráfico en los diferentes tramos inspeccionados, están constituidos por los esfuerzos a tensión, lo que se refleja en el tipo de falla común en las piezas del adoquinado, al encontrarse adoquines fracturados, generados por los esfuerzos a tensión localizados en la cara inferior de los elementos, y no observamos adoquines explotados (pulverizados en su mayor parte) lo que constituye una falla a compresión. Desde el punto de vista estructural, la resistencia a la compresión que deben tener los adoquines para atender la solicitaciones propias en Nicaragua, se puede lograr fácilmente con los materiales, equipos y métodos constructivos disponibles, siempre y cuando estos sean empleados adecuadamente. La resistencia a la compresión obtenida para el adoquín de concreto tipo cruz, con dimensiones de 22 cm de ancho, 24 cm de longitud y 10 cm de espesor, es de 210 Kg/cm2, equivalente a 3,000 PSI ó 20.68 Mpa, dependiendo de la unidad de medida que se establezca. Este estudio no abarca los adoquines construidos de mortero (práctica que se ha hecho común en Nicaragua por medio de fábricas artesanales), por lo que el comportamiento del mortero difiere de gran forma con el comportamiento del concreto, además que los adoquines fabricados con mortero no son recomendados para la construcción de pavimentos, debido a su escasa resistencia a la abrasión y poca durabilidad. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua 75 VII.- RECOMENDACIONES Modificar las ESPECIFICACIONES GENERALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DE CAMINOS, CALLES Y PUENTES (NIC 2000) y legalizarlas. Modificación que se refiere a la resistencia a la compresión de los adoquines de concreto, estableciendo una tercera categoría para las vías rurales de baja intensidad de tráfico con un valor de 210 Kg/cm2, equivalente a 3,000 PSI ó 20.68 Mpa, dependiendo de la unidad de medida que se norme. Dado que los resultados obtenidos son meramente teóricos, aunque basados en condiciones nicaragüenses, sería interesante la realización de tramos de prueba para evaluar en el campo, el comportamiento de los adoquines construidos con concreto de una resistencia igual a la determinada en este estudio, ante solicitaciones de carga de diferente índole y repeticiones de ejes constantes. Si bien es cierto la resistencia determinada es suficiente para resistir las solicitaciones de carga nicaragüenses, no se puede poner a un lado la necesidad de un rígido control de calidad, desde la selección de los materiales para construir los adoquines, hasta la construcción del pavimento y la operación de la vía pavimentada, así como un riguroso mantenimiento a la vía, garantizando una vida útil prolongada que justifique la inversión realizada, para un buen nivel de servicio a los usuarios. Abandonar la practica de utilizar adoquines de mortero, esto se puede lograr si en cada muestra de adoquín se incluye el certificado de calidad del adoquín y el de la mezcla o pasta con que fue elaborado. Formar una Comisión Técnica, conformada por todos los involucrados: normadores, fabricantes, constructores, que elabore las “Normas Nicaragüenses para Adoquines de Concreto”, en función de la situación real de Nicaragua en este campo y vele por su fiel cumplimiento. Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua BIBLIOGRAFIA Tesis de Maestría presentada por los Ing. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en Nicaragua Manual Centroamericano de Normas de Diseño Geométrico de la Carreteras Regionales. Secretaría de Integración Económica Centroamericana (SIECA). Centroamérica 2000. Manual Centroamericano de Especificaciones para la Construcción de Carreteras y Puentes Regionales. Sistema de Integración Económica Centroamericana (SIECA). Centroamérica 2000. Acuerdo Centroamericano sobre Circulación por Carreteras. Sistema de Integración Económica Centroamericana (SIECA). Centroamérica 2000. Especificaciones Generales para la Construcción de Caminos, Calles y Puentes NIC 2000. Ministerio de Transporte e Infraestructura. Nicaragua 2000. Plan Nacional de Transporte. Ministerio de Transporte e Infraestructura. Nicaragua 2000. Apuntes de Pavimento. Ing. Gustavo Corredor M. Caracas 1997. Resistencia de Materiales. Robert W. Fitzgerald. EEUU 1970. Manual A.C.I. Estadísticas de Tránsito, Inventario Vial y Pesos y Dimensiones del año 2002 del Ministerio de Transporte e Infraestructura. Tecnología del Concreto, Tomo 3. A. M. Neville . Diseño de Pavimentos Rígidos. Ing. Carlos Cuevas. Análisis Comparativo de Métodos de Diseño de Pavimentos Flexibles, Monografía de los Brs. Luis de León López Poveda y Oscar Antonio Mondragón Casco, Universidad Nacional de Ingeniería. Estudio de la Resistencia del Concreto con Cemento Pórtland Tipo I, de Diferentes Marcas Elaboradas en Nicaragua, Monografía de los Brs. Mayra Irene Martínez Rivera y José Antonio López Medina, Universidad Nacional de Ingeniería. Hormigón, Ing. Alejandro Sandino Pardo, Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Ingeniería. Diseño y Reforzamiento de Pavimentos, La Experiencia Francesa. Varios Autores. Caracterización de los Pavimentos de Adoquín en las Vías Rurales de Nicaragua, Varios Autores. Universidad Nacional de Ingeniería. Highway And Traffic Engineering In Developing Countries, Bent Thagesen. Norma Técnica Colombiana, NTC 2017. Notas Técnicas Instituto Colombiano de Productores de Cemento (ICPC): 4-17-238, 423-767, 4-31-77, 4-18-167,4-21-241, 5-178-683. Third International Worshop On Concrete Block Paving, Cartagena De Indias, Colombia En Mayo 1998 Del 10 Al 13. Concrete Block Paving, Concrete Manufacturers Association. Pavimentos de Adoquines, Manual de Diseño y Construcción, Instituto Chileno del Cemento y del Hormigón. Ingeniería de Pavimentos para Carreteras, Alfonso Montejo Fonseca. Tesis de Maestría presentada por los Ing. Jorge A. Téllez y Juan Carlos Villanueva La Resistencia a la Compresión de los Adoquines de Concreto en NIcaragua a ANEXO 1 CALCULO DE LA CARGA POR RUEDA Basado en el Límite de Peso por Eje Establecido en el Artículo 12 del Acuerdo Centroamericano Sobre Circulación por Carreteras del SIECA Límite de Peso por Eje (Toneladas) Tipo de Vehículo C2 C3 C4 T2-S1 T2-S2 T2-S3 T3-S1 T3-S2 T3-S3 Eje Simple Direccional 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 Tipo de eje del tractor Eje de Tracción Simple Doble 10,00 16,50 Triple Tipo de eje del semiremolque Eje de Arrastre Simple Doble Triple 20,00 9,00 9,00 9,00 9,00 16,00 20,00 16,00 16,00 16,00 9,00 16,00 20,00 Carga Transferida a Cada Rueda (Toneladas) Tipo de Vehículo C2 C3 C4 T2-S1 T2-S2 T2-S3 T3-S1 T3-S2 T3-S3 Eje Simple Direccional 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 2,50 Tipo de eje del tractor Eje de Tracción Simple Doble 2,50 2,06 Triple Tipo de eje del semiremolque Eje de Arrastre Simple Doble Triple 1,67 2,25 2,25 2,25 Tésis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez G. y Juan Carlos Villanueva 2,25 2,00 1,67 2,00 2,00 2,00 2,25 2,00 1,67 Totales 15,00 21,50 25,00 23,00 30,00 34,00 30,00 37,00 41,00 La Resistencia a la compresión de los Adoquines de Concreto en NIcaragua b ANEXO 2 CALCULO DEL MOMENTO DE INERCIA DEL ADOQUÍN Utilizando el métododo del Cálculo del Momento de Inercia para Areas Compuestas Por medio del Teorema de los Ejes Paralelos Dimensiones del adoquín Tipo Cruz Unidades en centímetros Tabla de Cálculos Area Forma 1 2 3 4 5 6 7 cm2 220,00 105,00 105,00 3,50 3,50 3,50 3,50 Ixi cm4 8.873,33 1.968,75 1.968,75 2,38 2,38 2,38 2,38 dx Ixi + Ad2 cm cm4 8.873,33 1.968,75 1.968,75 265,27 265,27 265,27 265,27 13.871,92 8,67 8,67 8,67 8,67 Ix = Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A Téllez y Juan Carlos Villanueva Iyi cm4 1.833,33 428,75 428,75 0,78 0,78 0,78 0,78 dy Iyi + Ad2 cm cm4 1.833,33 8.015,00 8.015,00 113,17 113,17 113,17 113,17 18.316,00 8,50 8,50 5,67 5,67 5,67 5,67 Iy = La Resistencia a la Compresión de los Adoquines en Nicaragua c ANEXO 3 PUNTO DE APLICACIÓN DE LAS CARGAS CASO II EN SUS DOS AFECTACIONES AFECTACION 1 Unidades en centimetros Forma Area x cm2 1 31,00 6,66 2 2,00 1,11 3 29,00 6,66 4 2,00 12,21 Totales 64,00 Coordenadas del centro de masa y Ax 4,21 1,95 1,45 1,95 206,46 2,22 193,14 24,42 426,24 X= 6,66 Ay 130,51 3,90 42,05 3,90 180,36 Y= 2,82 AFECTACION 2 Unidades en centimetros Forma Area x cm2 1 4,50 0,91 2 17,00 0,76 3 4,50 0,91 4 3,00 2,09 5 101,00 4,87 6 3,00 2,09 Totales 133,00 Coordenadas del centro de masa y 18,08 10,49 2,91 18,99 10,49 1,99 Ax 4,10 12,92 4,10 6,27 491,87 6,27 525,52 X= 3,95 Tesis de Maestría presentada por los Ings. Jorge A. Téllez G. y Juan Carlos Villanueva Ay 81,36 178,33 13,10 56,97 1.059,49 5,97 1.395,22 Y= 10,49 CALCULO DE ESFUERZOS Estado Afectación 1 1 2 2 Estado Afectación 1 1 2 2 Tipo de Análisis Bloque Viga Viga Bloque Bloque Viga Viga Bloque Bloque Viga Viga Tipo de Análisis Bloque Viga Viga Bloque Bloque Viga Viga Bloque Bloque Viga Viga Carga (Kg) 2.500,00 2.500,00 2.500,00 613,38 383,36 383,36 383,36 796,67 796,67 796,67 796,67 Afectación 1 2 1 2 1 64,00 64,00 133,00 133,00 Inercia (cm 4 ) 1.833,33 2.000,00 13.871,92 13.871,92 2.000,00 1.833,33 18.316,00 18.316,00 1.833,33 2.000,00 ESFUERZO MAXIMIZADO Esfuerzo (Kg/cm 2 ) 27,92 (Compresión) 202,91 170,50 62,21 (Compresión) 20,54 (Tensión) 11,69 31,11 42,57 (Compresión) 16,85 (Tensión) 37,90 54,33 COMBINACION DE ESFUERZOS Estado Area (cm 2 ) 444,00 Esfuerzo (Kg/cm 2 ) Compresión Tensión 118,92 92,11 102,06 75,26 35,94 23,78 46,04 13,68 3,78 15,94 6,32 26,04 40,14 0,73 48,69 7,82 11,62 27,80 20,16 36,34 c M (cm) (Kg*cm) 5,00 5,00 8,18 8,18 5,00 5,00 7,72 7,72 5,00 5,00 15.000,00 13.750,00 5.017,45 3.135,88 942,50 2.300,16 6.150,29 6.150,29 2.801,68 4.381,69 Esfuerzo (Kg/cm 2 ) 5,63 (Compresión) 40,91 34,38 12,54 (Compresión) 4,14 (Tensión) 2,36 6,27 8,58 (Compresión) 3,40 (Tensión) 7,64 10,95 REPUBLICA DE NICARAGUA MINISTERIO DE TRANSPORTE E INFRAESTRUCTURA DIRECCION GENERAL DE VIALIDAD ¡ Uniendo a Nicaragua ! DIAGRAMA DE CARGAS PERMISIBLES PESOS MAXIMOS PERMISIBLES POR TIPO DE VEHICULOS TIPO DE VEHICULOS ESQUEMAS DE VEHICULOS PESO MAXIMO AUTORIZADO 1er. Eje 2do. Eje 3er. Eje 4to. Eje 5to. Eje 6to. Eje C2 4,50 C3 5,00 9,00 13,50 16,00 8,00 C4 21,00 8,00 20,00 5,00 6,67 6,66 9,00 T2-S1 5,00 9,00 T2-S2 5,00 9,00 5,00 23,00 16,00 16,00 5,00 8,00 T3-S2 6,66 30,00 16,00 8,00 8,00 16,00 5,00 6,66 9,00 16,00 5,00 34,00 8,00 8,00 T3-S3 30,00 8,00 20,00 9,00 6,67 T3-S1 25,00 6,66 8,00 T2-S3 Peso Máximo Total (1) Ton - Met. 37,00 8,00 20,00 6,66 41,00 8,00 8,00 6,67 6,66 4,50 9,00 4.0 a 4.0 a 21,50 4,50 9,00 6.5 b 6.5 b 26,50 C2-R2 5,00 16,00 4.0 a 4.0 a 29,00 6.5 b 6.5 b 34,00 4.0 a 5.0 a 5.0 a 35,00 6.5 b 5.0 b 5.0 b 37,50 C3-R2 5,00 C3-R3 8,00 5,00 5,00 8,00 16,00 8.0 b 8.0 b NOTA: El peso máximo permisible será el menor entre el especificado por el fabricante y el contenido en esta columna. a: Eje sencillo llanta sencilla. b: Eje sencillo llanta doble.
