Diseno Estructural de Pavimentos Para Aeropuertos

UNIVERSIDAD DEL CAUCA, CATOLICA Y ESCUELA DE INGENIEROS MILITARES COLOMBIA

ESPECIALIZACION EN INGENIERIA DE PAVIMENTOS

MANUAL

DISEÑO ESTRUCTURAL DE PAVIMENTOS PARA AEROPUERTOS DE Ing. Pedro José Mora G. SANTAFE DE BOGOTA D.C. AÑO 2012

1

CONTENIDO

PROGRAMA DE LA ASIGNATURA Objetivo General Objetivo especifico. Plan de Clases Bibliografía Índice

2

OBJETIVOS GENERALES Que el alumno entienda y domine los conceptos de diseño de los pavimentos de aeropuertos, para que este en capacidad de proponer alternativas de diseño, recuperación y mantenimiento.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Aprender a dominar los conceptos generales y particulares de tráfico, capacidad y volumen que interactúan en los diferentes diseños de pavimentos flexibles y rígidos, Aprender a dominar los conceptos generales y particulares en el diseño estructural y evaluación de pavimentos flexibles y rígidos, ya que estos darán la aceptación o rechazo en las construcciones de pista, calles de rodaje y plataformas de parqueo en aeropuertos para que sean utilizados por las diferentes aeronaves. Conocer que método computacional se utiliza en los diseños estructurales y evaluación de pavimentos

3

PLAN DE LA ASIGNATURA

Sesión 1 2 3 4 5 6 7 9 8

9

Tema Definiciones Investigaciones de suelos Trafico

Tiempo Metodología 0.5 hs Presentación 0.5 hs Presentación

Recurso Acetato-Video Acetato-Video

Evaluaciones

3.5 hs

Presentación

Acetato-Video

Diseño Pav Flexibles Diseño de Pav. Rígidos Refuerzos Diseño de aviones Livianos Métodos Computacionales Evaluación de Pavimentos PCN

3.0 hs

Presentación

Acetato-Video

3.5 hs

Presentación

Acetato-Video

Taller Calificativo Taller Calificativo Taller Calificativo

3.0 hs 1.0 hs

Presentación Presentación

Acetato-Video Acetato-Video

2.5 hs

Presentación

Acetato-Video

3.5 hs

Presentación

Acetato-Video

Taller Calificativo

3.0 hs Examen escrito

4

BIBILOGRAFIA

Federal Aviation Administration, Airport Pavement Design and Evaluation Manual AC150-5320-12, Agosto de 2009 Federal Aviation Administration, Airport Pavement Design, LEDDFAA User´s Manual AC-150-5320-16, Octubre de 1999. Manual de Diseño de Aeródromos Parte III Pavimentos, Organización Internacional de Aviación Civil OACI, 1983 Diseño de Pavimentos de Concreto para Aeropuertos, Portland Cement Association, 1983 Seminario Sobre Juntas en Pavimentos de Concreto. Ernesto Sarría Molina, 1989 Federal Aviation Administration, Airport Capacity, AC 150/5060-CH2, Dic 2005 Federal Aviation Administration, Standarize Method of Reporting Airport Pavement Strength PCN, AC 150/5335, Oct. 4 de 2010.

5

INDICE 1

INTRODUCCION

1.1

DEFINCIONES

2

INVESTIGACIONES DE SUELOS Y EVALUACION

2.1 2.2 2.3 2.4

INVESTIGACIONES DE SUELOS INVESTIGACION Y MUESTREO ENSAYOS DE SUELOS SISTEMA DE CLASIFICACION DE SUELOS UNIFICADOS

3

TRAFICO

3.1 3.2 3.3 3.4

CONSIDERACIONES GENERALES DETERMINACIÓN DEL AVION DE DISEÑO DETERMINACION DE LAS SALIDAS EQUIVALENTES PARA EL AVION DE DISEÑO CAPACIDAD DE LA PISTA

4

DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.7.1 4.7.2 4.8 4.9 4.10 4.11

GENERALIDADES SUPERFICIE DE MEZCLAS ASFALTICAS EN CALIENTE BASES SUBBASES SUBRASANTE CURVAS DE DISEÑO DATOS DE ENTRADA ESPESOR MINIMO DE BASE (TABLA) ESPESOR DELPAVIMENTO PARA ALTOS NIVELES DE SALIDAS AREAS CRITICAS Y NO CRITICAS EJEMPLO DE DISEÑO USO DE ESTABILIZACIONES EJEMPLO PARA EL TALLER

5.

DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDO

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.12.1

GENERALIDADES PAVIMENTO DE CONCRETO RIGIDO SUBBASE CALIDAD DE LA SUBBASE SUBRASANTE DETERMINACION DEL MODULO DE FUNDACION (K) DETERMINACION DEL ESPESOR DE LA LOZA DE CONCRETO USO DE LAS CURVAS DE DISEÑO AREAS CRITICAS Y NO CRITICAS EJEMPLO DE DISEÑO VOLUMENES DE ALTO TRAFICO JUNTAS PARA PAVIMENTO DE CONCRETO JUNTAS EN SUBBASE NO ESTABILIZADAS

6

5.12.2 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17

JUNTAS EN SUBBASES ESTABILIZADAS CONSIDERACIONES ESPECIALES DE LAS JUNTAS JUNTAS ACERADAS TIPO DE SELLANTES EN LAS JUNTAS PAVIMENTO DE CONCRETO REFORZADO EJEMPLO PARA EL TALLER

5

REFUERZOS

6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6

GENERALIDADES CONDICIONES DEL PAVIMENTO EXISTENTE DISEÑO DE LAS SOBRECAPAS DISEÑO DE SOBRECAPAS EN MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE SOBRE FLEXIBLES DISEÑO DE SOBRECAPAS EN MEZCLA ASFALTICA EN CALIENTE SOBRE RIGIDOS DISEÑO DE SOBRECAPAS DE PAVIMENTO RIGIDO SOBRE PAVIMENTOS RIGIDOS DISEÑO DE SOBRECAPAS DE PAVIMENTO RIGIDO SOBRE CAPAS DE NIVELACION DISEÑO SOBRECAPAS DE PAVIMENTO ROGIDO LIGADOS JUNTAS SOBRE SOBRECAPAS

7

DISEÑO DE PAVIMENTO PARA AERONAVES LIVIANAS

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7

GENERALIDDAES SECCION TIPICA MATERIALES PARA PAVIMENTOS FLEXIBLES DISEÑO DE PAVIMENTO FLEXIBLE MATERIALES PARA PAVIMENTOS RIGIDOS DISEÑO DE PAVIMENTO RIGIDOS JUNTAS DE PAVIMENTOS RIGIDOS

8

PROGRAMAS

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 8.9

EVALUACION DE PAVIMENTOS GENERALIDADES PROCESOS DE EVALUACION METODO DE LA PCI PAVIMENTOS FLEXIBLES PAVIMENTOS RIGIDOS METODO DEL ACN Y PCN AEROPUERTO ELDORADO EJEMPLO PARA EL TALLER FINAL

7

1.

INTRODUCCION

Este compendio pretende dar una metodología que permita entender, aplicar, mantener y mejorar los pavimentos aeroportuarios con técnicas para el diseño de estructuras de pavimentos, acordes a las metodologías actuales.

1.1

Definiciones

A continuación se dan definiciones sobre el lenguaje técnico más utilizado en el contexto de los aeropuertos. AERÓDROMO: Área definida de tierra o de agua que incluye todas sus edificaciones, instalaciones y equipos, destinada total o parcialmente a la llegada, salida y movimientos en superficie de aeronave AREA DE ATERRIZAJE: Parte del área de movimiento destinada al aterrizaje o despegue de aeronaves AREA DE MANIOBRAS: Parte del aeródromo que ha de utilizarse para el despegue, aterrizaje y rodaje de las aeronaves. A.C.N. NÚMERO DE CLASIFICACION DE AERONAVES: Cifra que indica el efecto relativo de una aeronave sobre un pavimento, para una determinada categoría normalizada del terreno de fundación. BERMA: Partes laterales de la pista, que sirven para dar los anchos establecidos para cubrir las envergaduras de las aeronaves, y su estructura se maneja como áreas no críticas. CALLES DE RODAJE: Área definida en un aeródromo terrestre preparada para el movimiento de una aeronave desde o hacia una plataforma y/o pista. PAVIMENTO: Estructura compuesta por una capa de superficie de concreto hidráulico o mezcla asfáltica en caliente o tratada con asfalto, sobre capas de base y Subbase, ya sean granulares, estabilizadas o trituradas para soportar cargas de tránsito y distribuirlas sobre el terreno de fundación. P.C.N. NÚMERO DE CLASIFICACIÓN DEL PAVIMENTO: Cifra que indica la resistencia de un pavimento para utilizarlo sin ninguna restricción. . PISTA: Área rectangular de definida de un aeródromo terrestre preparada para el aterrizaje y el despegue de aeronaves.

8

PLATAFORMA: Área definida en un aeródromo terrestre, destinada a dar cabida a las aeronaves para los fines de embarque de pasajeros, carga, correo y mantenimiento o estacionamiento de aeronaves. UMBRAL: Comienzo de la parte de la pista utilizable para el aterrizaje.

9

2

INVESTIGACIONES DE SUELOS Y EVALUACION

2.1

Investigaciones De Suelos

Para obtener una información esencial en la variedad de tipos de suelos, las investigaciones deben hacerse encaminadas para determinar su distribución y propiedades físicas. Esta información combinada con datos y registros topográficos y climáticos, provee un planeamiento básico de los materiales para el desarrollo del aeródromo. Una investigación de suelos en un aeródromo debe incluir: -

La investigación de los diferentes estratos del suelo con relación a la propuesta de la Subrasante.

-

Muestreo que se base en la colección representativa de los diferentes estratos del suelo.

-

Pruebas para determinar las propiedades físicas de los suelos con respecto a su densidad y soporte de la Subrasante.

2.2

Muestreo

La FAA, recomienda según sea el área de investigación las separaciones de los sondeos de la siguiente manera, como mínimo para obtener las propiedades de los suelos.

AREA

ESPACIAMIENTO

PROFUNDIDAD

Pistas y Calles de Rodaje

Cada 68 m de intervalo

3.5 m

Otras áreas de Pavimento

1 sondeo por cada 900 m^2

3.5 m

Áreas vecinas

Según se defina el material

Con las excavaciones

Cada sondeo debe reportar -

Localización Fecha de ejecución. Tipo de exploración Cota terreno Profundidad Numero de identificación de las muestras Clasificación Nivel freático

2.3

Ensayos de Suelos

10

Como mínimo la FAA recomienda que se deban registrar los siguientes ensayos que se ejecutan de acuerdo a las normas para ensayos de la ASTM: -

Preparación de muestras en seco de terrenos para análisis granulométrico y determinación de las constantes del terreno. Preparación de muestras en húmedo de terrenos para análisis granulométrico y determinación de las constantes del terreno ASTM D-421 y D2217

-

Análisis de Granulométrico: Proporciona una determinación cuantitativa de la distribución de los tamaños de partículas

-

LL, LP, IP

-

Relaciones de humedad densidad, cuando sea para aeronaves cuyo peso sea menor 30.000 lbs utilícese el ensayo D-698, de resto utilícese el D-427 de la ASTM.

-

CBR, o Modulo de reacción de la Subrasante

-

Desgaste, en la máquina de los Ángeles

-

Permeabilidad de los terrenos granulares

-

Contenido de materia Orgánica

-

CBR de campo

2.4

Sistema de Clasificación de Suelos

Se emplea el sistema de clasificación de acuerdo a la norma ASTM D-2487, el sistema lo establece sobre la base del tamaño del grano y posteriormente de los subgrupos sobre las constantes de plasticidad. Véase tablas 2.1 y figura 2.2 En la clasificación final de los suelos el material se subdivide en 15 grupos, de los cuales se indica su símbolo y una breve descripción: GW GP GM GC SWSP SM SC ML

-

Gravas homogénea y mezclas grava arena, con poco o ningún fino Grava no homogénea y mezclas grava arena, con poco o ningún fino Grava limosa, mezclas de grava-arena-limo. Grava arcillosa mezclas de grava-arena-arcilla Arenas homogéneas y arenas con grava, poco o ningún fino Arenas no homogéneas y arenas con grava, poco o ningún fino Arena limosa, mezcla de arena limo. Arena arcillosa, mezcla arena arcilla Limo inorgánico, arena muy fina, polvo de roca, arena fina limosa o arcillosa

11

CL

-

OL MH CH OH PT

-

Arcilla inorgánica de plasticidad baja a mediana, arcilla con grava, arcilla limosa, arcilla pobre. Limo orgánico y arcilla limosa orgánica de baja plasticidad. Limo inorgánico, arena fina micácea o limo, limo plástico. Arcilla inorgánica de lata plasticidad Arcilla orgánica de plasticidad media alta. Turba, barro y otros suelos muy orgánicos

Se utilizan las cartas de clasificación de las figuras 2.3 y 2.4, para identificación total de los suelos. TABLA 2.1 DE CLASIFICACIÓN DE SUELOS PARA APLICACION EN AEROPUERTOS Mas del 50 % de los Mas del 50% de las gravas Gravas limpias materiales son retenidos es retenida en el tamiz No 4 en el tamiz No 200 Gravas con finos Arenas que con menos del Arenas limpias 50% son retenidas en el tamiz No 4 Arenas con finos El grano fino menos del Arcillas y limos con Limite 50 % es retenido en el liquido menor del 50% tamiz No 200 Arcillas y limos con Limite liquido mayor que el 50%

GP GW GM GC SW SP SM SC ML Cl OL MH CH OH

2.4.1 Ensayos de Resistencia del Terreno La clasificación de los terrenos para fines técnicos proporciona un indicio del comportamiento probable del terreno de fundación para el pavimento. El comportamiento puede ser diferente del previsto debido a varias razones, tales como: grado de compactación, saturación, altura del terreno de recubrimiento, etc. La posibilidad de predecir incorrectamente el comportamiento del terreno de fundación puede eliminarse ampliamente midiendo la resistencia del terreno. La resistencia de los materiales previstos para utilizar en las estructuras de pavimentos flexibles se mide según el Índice de Penetración de California (CBR). Cuando son estructuras que se utilizan para pavimentos rígidos, se ensayan según el método de Placa de Carga.

12

13

14

2.4.1.1 Los CBR de campo: nos proporciona información de las Subrasante que se encuentran inalteradas desde hace varios años. Los materiales deberían estar en el lugar durante un tiempo suficiente para permitir que la humedad alcance un estado de equilibrio. Los ensayos CBR sobre materiales de grava son difíciles de interpretar. Los ensayos de laboratorio sobre grava producen con frecuencia resultados demasiados altos, debido a los efectos limitadores del molde. La asignación de valores CBR a los materiales de grava para el terreno de fundación pueden basarse en el criterio y la experiencia. La Tabla 2.3 puede dar una guía práctica en la selección del CBR del terreno de fundación, pero se recomienda que el CBR máximo para el terreno de fundación de grava no estabilizada no sea mayor de 50. Como regla practica en la escogencia del número de ensayos para obtener el valor del CBR, se debe realizar tres ensayos por cada tipo de material principal del terreno. El valor de CBR de cálculo debería seleccionarse con criterio prudente y se recomienda seleccionarlo del valor que sea una desviación normal por debajo de la media. Valores de CBR menores de tres, se debe entrar a estabilizar o buscar otro medio de mejora para la fundación. En algunos países manejan LBR, Lime Rock Radio, para expresar la resistencia del terreno. Para convertir LBR a CBR, se multiplica el LBR por 0.8. 2.4.1.2 Los ensayos de placa de carga: Miden la resistencia del terreno de fundación. El resultado de este ensayo se expresa como un valor k, y se puede considerar como la presión requerida para producir una deformación unitaria de una placa de carga en la fundación del pavimento. Sus unidades están dadas en Lbs/pulg3, MN/m3. El número de ensayos de por si son costosos, por lo que se recomienda dos o tres por estructura de pavimento y su selección debe conservar un criterio de prudente. Las curvas del manual se basan en un ensayo hecho con una placa de 30” (762 mm) de diámetro. Se recomienda no exceder en ningún momento el valor de k de cálculo de 500 lbs/pulg3 o 136 MN/m3, la información que se presenta en la tabla 2, ofrece una orientación general en cuanto a valores k probable para varios terrenos.

15

3.

TRAFICO

3.1

Consideraciones Generales

3.1.1

Carga

Para fines de cálculo del pavimento, debería preverse el peso máximo de despegue de la aeronave. El procedimiento de cálculo supone en la mayoría de los casos que el 95 % del peso bruto es soportado por los trenes de aterrizaje principal y el 5 % por el tren de nariz. 3.1.2

Tipo y Geometría del Tren de Aterrizaje

El tipo de tren de aterrizaje y su configuración determinan de qué modo se distribuye el peso de la aeronave en el pavimento y establecen la respuesta del pavimento a las cargas producidas por la aeronave. Para aviones de cuerpo ancho o cabina ensanchada o tren de configuración especial, se les han preparado sus propias curvas, de resto de las aeronaves tienen curvas en común. Aeronaves con trenes simples: Una sola rueda en cada tren. Aeronaves de ruedas doble o gemelas: Su separación entre ruedas es de 0.51 m entre ejes de los neumáticos para aeronaves ligeras y 0.86 m para aeronaves pesadas. Aeronaves de ruedas en tándem doble o bogíes: El espaciado entre ruedas entre ejes de los neumáticos para aeronaves ligeras es de 0.51 m y separación entre tándem de 1.14 m, y de 0.76 m y 1.40 m para aeronaves pesadas. Aeronaves de Cuerpo ancho o cabina ensanchada: Son las aeronaves de tipo B-747, DC10, A-300, B-767, B-757, L-1011 y C-130, que de acuerdo a su distribución del tren y su separación, se le han preparado curvas especiales para su diseño. Presión de inflado: La presión de los neumáticos varía entre 75 y 200 lbs/pulg2, en configuración al tren y al peso bruto, factores dados por los fabricantes de las aeronaves. 3.2

Determinación del Avión de diseño

3.2.1

Volumen del Trafico

Para el inicio de un estudio de tráfico y diseño de pavimento, es indispensable disponer de pronósticos de salidas anuales por tipo de aeronave. Estos pronósticos se pueden conseguir en la oficina de Transporte Aéreo de la Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil, con la Organización General de Aviación, que es un organismo internacional particular que maneja todos los itinerarios de las agencias de viaje mundial y por último con base a estudios particulares del tráfico que se estime que puede operar.

16

17

3.2.2 Avión de Diseño Los pronósticos o volúmenes de trafico da como resultado una variedad de aeronaves, y el cálculo o la selección de la aeronave debe basarse en la que mayor espesor pavimento requiere para sus condiciones actuales. No siempre sucede que la aeronave más pesada requiere el mayor espesor de pavimento.

18

3.2.3 Determinación de las Salidas Equivalentes Lo primero que se debe establecer es convertir todos los trenes de las aeronaves al mismo tren de aterrizaje que la aeronave de cálculo, para lo cual se emplean factores de conversión, que son similares para el diseño del pavimento rígido como flexible. Estos representan una aproximación relativa a los efectos de fatiga de los diferentes tipos de trenes. Como una aproximación más cercana y teórica se recomiendan los siguientes factores: Para Convertir

A

Rueda Simple Rueda Simple Rueda Doble Rueda Doble Doble Tándem Doble Doble Tándem Doble Tándem Doble Tándem Doble

Rueda Doble Doble Tándem Doble Tándem Rueda Simple Doble Tándem Rueda Simple Rueda Doble Rueda Doble

Multiplicar las salidas por 0.8 0.5 0.6 1.3 1.0 2.0 1.7 1.7

Lo segundo una vez agrupado las aeronaves en la misma configuración de tren de aterrizaje, es la conversión a salidas anuales equivalentes de la aeronave de cálculo, de acuerdo a la siguiente formula Log R1

=

R1 R2 W1 W2

Salidas anuales equivalentes de la aeronave de cálculo Salidas anuales expresadas en el tren de aterrizaje de la aeronave en cuestión Carga Sobre la rueda de la aeronave de calculo Carga sobre la rueda de la aeronave en cuestión

= = = =

log R2 x ( W2/W1) ^ ½

Como las aeronaves de fuselaje ancho poseen trenes de aterrizaje diferente de las otras aeronaves, es preciso considerarlas especialmente para mantener los efectos relativos. Esto se lleva a cabo tratando cada fuselaje como una aeronave con tándem doble de cuatro ruedas, de 300.000 lbs o 136,100 kg, al calcular las salidas anuales equivalentes. A continuación se da un ejemplo de salidas equivalentes para un avión de fuselaje ancho tipo B-747. 2.3.3

Modelo de Tabla de Salidas Equivalentes

19

PERIODO 1999

AVION DE DISEÑO A-320

Numero de salidas del año

T

40099

67,532

TIPO DE AVION TREN RUEDAS SALIDAS A-300-B2

CARGA RUEDA

8

1

PESO

COEF.SALIDAS CARGA

(LB)

RUEDA

304012

1.7

2

35625

FACTOR

CARGA

PESO 1.000

SALIDAS EQUIVAL

35625

2

A-310

T

8

482

332680

1.7

820

35625

1.000

35625

558

A-320-200

D

4

1486

170635

1.0

1486

42659

0.940

40099

1486 701

A-340

T

8

614

560000

1.7

1044

35625

1.000

35625

ATR-42

D

4

3638

40920

1.0

3638

10230

0.940

9616

55

ATR-72

D

4

2384

48400

1.0

2384

12100

0.924

11180

61

B-1900

D

4

12529

16918

B- 707

T

8

17

336000

1.7

29

35625

0.950 1.000

35625

24

B-727-200

D

4

5352

185800

1.0

5352

46450

0.934

43384

7555

B- 737-300

D

4

2549

135500

1.0

2549

33875

0.918

31097

999

B- 747-200

DT

16

247

823000

1.7

420

35625

1.000

35625

297

B- 757-200

T

8

2137

240965

1.7

3633

35625

1.000

35625

2269

B-767-200

T

8

1280

317025

1.7

2177

35625

1.000

35625

1400

B-777-200

T-L

12

212

647240

1.7

361

35625

1.000

35625

257

CN-208

S

2

392

7986

CN-235

S-L

4

358

31752

1.0

358

7938

0.940

7462

13

CV-580(CONVAIR

D

4

1327

54600

1.0

1327

13650

0.940

12831

58

DORNIER228-212

D

4

685

14175

1.0

685

3544

0.902

3196

6

DASH7

D

4

1222

43000

1.0

1222

10750

0.942

10127

36

D

4

1111

41100

1.0

1111

10275

0.942

9679

31

T+D

10

571

558000

1.7

971

35625

1.000

35625

654

DASH8-300 DC-10-30

0.940

DC-8

T

8

553

358000

1.7

940

35625

1.000

35625

635

DC-9-15

D

4

25633

91500

1.0

25633

22875

0.924

21137

1588

DC-3

S

2

2

25200

1.0

2

12600

0.940

11844

2

EMB-110

S

2

272

13007

1.0

272

6504

0.940

6113

9

IL-18

T

8

2

134640

1.0

2

16830

0.940

15820

2

L-1011

T+D

12

220

432000

1.7

373

35625

1.000

35625

266

MD-11

T+D

10

341

602500

1.7

579

35625

1.000

35625

402

MD-80

D

4

835

150000

1.0

835

37500

0.948

35550

564

MD-83

D

4

480

161000

1.0

480

40250

0.948

38157

413

MD-88

D

4

168

149500

1.0

168

37375

0.940

35133

121

MD-90

D

4

362

157000

1.0

362

39250

0.940

36895

285

S-210

D

5

11

1000

1.0

11

200

1.000

200

1

TU-154(TUPOLEV

T

8

1

216050

1.7

1

35625

1.000

35625

1

IL-62

T

8

25

363760

1.0

1

45470

0.950

43197

1

F20

S

2

29

3500

C-210

S

2

1

16976

7979

1

TOTAL D

67,532

DOBLE

1.000 1.0

1

8488

0.940 TOTAL SALIDAS

20,750

LOS COEFICIENTES DE CONVERSION TREN TOMADOS DEL AC/150/5320

G

GEMELA

LOS FACTORES DE CARGA TREN PRINCIPAL PARTE 3 DE LA OACI

T

TANDEM

SL

S. LINEA

PARA FUSELAJE ANCHO Y TREN DE ATERRIZAJE TANDEM SE TOMA CARGA RUEDA DE 35625 Lb

S

SENCILLA

20

PERIODO 1994

AVION DE DISEÑO CABINA ENSANCHADA

PROYECCION 100 % TIPO DE AVION TREN RUEDA SALIDAS AIR BUS –300

B

BOEING 707 B BOEING 727-100 G BOEING 727-200 G BOEING 737 G BOEING 747-400 B-D BOEING 757 B BOEING 767 B DC-10 BD+G DC-8 B DC-9 B FOKKER-27 G HERCULESC130 G-L LOCK-GALAXY B-D ATR-42 G MD-83 G AN-74 S-L FOKKER-50 G RJ-100 G DASH-300 G OTROS S

TOTAL D G

GEMELA

B

BOGUIE

SL GL

COEF. SALIDAS

CARGA RUEDA

35625

FACTOR CARGA PESO

10

345400

1.0

10

35625

1.000

35625

10

8 4 4 4 16 8 8 10 8 4 4 4 16 4 4 12 4 4 4 2

327 3115 1 605 103 1100 6 68 485 4412 580 180 1 91 3360 67 1770 1614 230 7712

333000 160000 190500 130000 877000 250000 380000 555000 350000 110000 45000 175000 769000 35605 160000 798323 30164 50000 43000 15100

1.0 0.6 0.6 0.6 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.6 0.6 0.6 1.0 1.0 0.6 1.0 0.6 0.6 0.6 0.5

327 1869 1 363 103 1100 6 68 485 2647 348 108 1 91 2016 67 1062 968 138 3856

35625 40000 47625 35625 35625 35625 35625 35625 35625 27500 11250 43750 35625 8901 40000 35625 7541 12500 10750 7550

1.000 0.940 0.932 0.920 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 0.924 0.950 0.950 1.000 0.950 0.932 1.000 0.950 0.950 0.950 0.950

35625 37600 44387 32775 35625 35625 35625 35625 35625 25410 10688 41563 35625 8456 37280 35625 7164 11875 10213 7173

327 2297 1 285 103 1100 6 68 485 778 25 157 1 9 2401 67 23 53 14 41

TOTAL SALIDAS

8,249

LOS COEFICIENTES TOMADOS DEL AC/150/5320 LOS FACTORES DE CARGA PARTE 3 DE LA OACI PARA FUSELAJE ANCHO Y BOGUIES SE TOMA CARGA RUEDA DE 35625 LBS

S. LINEA G.LINEA

PROYECCION A 2020

SALIDAS EQUIVAL

8

25,837

DOBLE

PESO (LB)

CARGA RUEDA

16,769

21

3.3

Capacidad de la Pista

Es una medida del máximo número de operaciones de aeronaves, las cuales pueden ser acomodadas en un aeropuerto en una hora. 3.3.1

Definiciones

Demanda: Es la magnitud de las operaciones de las aeronaves para ser acomodadas en un período de tiempo especificado. Índice de Mezcla: Es una expresión matemática y es el porcentaje de aeronaves clase C mas 3 veces el porcentaje de aeronaves clase D. IM = % (C+3D). Mezcla de Aeronaves: Es la clasificación y designación por peso a su despegue o salida Tabla 3.1 AERONAVE Tipo

PESO (lbs) Al despegue

A B C D

12,500 O MENOS 12,500 O MENOS 12,500 – 300,000 SOBRE 300,000

Número Maquina Simple Múltiple Múltiple Múltiple

Tipo de Vuelo: De acuerdo a su operación puede ser, vuelos de reglamento visual (VFR), vuelos de reglamento instrumento (IFR), y vuelos de pobre visibilidad (PVC) Configuración de la pista: Es la orientación con respecto a la dirección del viento, su tipo de operación y las reglas de tipo de vuelo. (Ver Gráficas 3.1 y 3.2) ASV: Volumen anual de Servicio, esta dado por la capacidad horaria de la pista, su configuración, y su tipo de ayudas a la aeronavegación. T: factor de aterrizaje y despegue inmediato. El cual se obtiene de gráficas. E: Factor de Salida, depende del número de calles de salidas que tenga la pista y su separación. 3.3.2

Componentes de la Capacidad Horaria

22

Exceptuando situaciones que involucre condiciones de PVC, o pistas paralelas con destinaciones diferentes o radar, el cálculo es como sigue: a. b. c. d. e. f. g. h.

Seleccione la configuración de la pista en las figuras 3.1 y 3.2 De las figuras seleccionada identifique C*, T y E Determine la clase de aeronaves tipo C y D, operando la pista para calcular el Índice de Mezcla. Determine el porcentaje de llegadas. Determine la Capacidad Base C* Determine el Factor T, en operaciones IFR, T= 1.0 Determine el factor E. Calculo de la capacidad horaria es igual a C* x T x E

3.3.3 Ejemplo 1: Determine cuál es la capacidad de la pista para un pronóstico anual de 220,000 operaciones, y con una demanda relacionada de la siguiente forma: 41 % de Aviones Pequeños: 55 % de Aviones Largos 4% de Aviones pesados

Mezcla de Aviones % % % % A B C D 1 2 3 4

21

20

55

I.M. (C+3D)

4

Configuración No Sketch

Capacidad Horaria VFR IFR

A.S.V. En miles

5

6

7

8

9

10

67

1

-------

63

56

205

El volumen de servicio anual es menor que la demanda de operaciones, por lo que se estima una pérdida de capacidad de la pista que originara demoras a las operaciones, generando costos que pueden ser onerosos.

3.3.3 Ejemplo 2: Determine la capacidad horaria para una pista cruzada en la cual se tiene el siguiente pronóstico: Condiciones IFR

Porcentaje en IFR

13 de Aviones Pequeños: 10 de Aviones dobles pequeños

26 % 20 %

23

25 de Aviones Largos 2 de Aviones pesados

50 % 4%

50 Total Operaciones

100 %

Condiciones VRF

Porcentaje en VRF

2 de Aviones Pequeños: 5 de Aviones dobles pequeños 25 de Aviones Largos 2 de Aviones pesados

6% 15 % 73 % 6%

34 Total Operaciones

100 %

Se cuenta con tres operaciones de aterrizaje y despegue inmediato en condiciones VRF, las cuales equivalen a un 12 % de las operaciones totales:

Tabla de resultados Tiem po

1 VRF IFR

Uso pista

Cap

Mezcla de Aviones

Dig

No

Fig

%A %B

2 CR CR

3 43 43

4 3-27 3-59

5 26 6

6 20 15

I.M .

%C %D (C+ 3D) 7 8 9 50 4 62 73 6 91

%

LL 10 45 55

Calles de % Salidas en 00 pies 1 2 No T.G . 11 12 13 14 45 60 2 12 60 1 0

C* T Fig 3.27

15 89 53

16 1.06 1.00

E

Cap

17 .94 .97

Hor a 18 89 51

MI = Índice de Mezcla CR = Pista cruzada La capacidad horaria calculada de la pista es de 89 operaciones hora en condiciones VRF y 51 operaciones hora en condiciones IFR, excediendo la demanda aeronáutica de 50 en VRF y 34 en IFR

24

Taller calificativo Se tiene un pronóstico de salidas para el aeropuerto de Santa Marta, y quiere determinar las salidas equivalentes para un B-727-100 y verificar para un B-747-400. La plataforma de aviones de pasajeros tiene 4 posiciones a contacto y una remota y está conectada por una calle de rodaje en una cabecera. Obtener este resultado y verificar si la pista tiene la capacidad para recibir este tráfico lo mismo que la plataforma. Aeronave

No de salidas anuales

B-727-100 B-727-200 B-707-100 DC-9-30 A-320-200 B-737-200 DC-10-15 B-747-400

3760 9080 3050 5800 400 2650 1710 85

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

4.

DISEÑO DE PAVIMENTOS FLEXIBLES

4.1

Generalidades

Los pavimentos flexibles consisten en una mezcla de asfáltica caliente colocada sobre una base y Subbase cuando se requiera a las condiciones de la Subrasante, la cual a su vez debe soportar toda la estructura del pavimento. A continuación se da las definiciones de los componentes de una estructura de pavimento flexible y sus características principales que deben respetarse durante el diseño y su construcción. La metodología actual, para su revisión y comprobación del diseño, implica utilizar el programa FAARFIELD de la FAA 3.4

Superficies de Mezcla Asfáltica en Caliente.

Es una capa revestida en asfalto con el fin de prevenir la penetración del agua de la superficie a la base granular; es una superficie lisa y bien compacta, de alta estabilidad y durabilidad con el fin de prevenir que las partículas sueltas pongan en peligro las aeronaves; resistente a los esfuerzos inducidos por las cargas de aeronaves; y su terminado debe tener cualidades antideslizantes y que no cauce un desmedido desgaste a las llantas. Una gradación densa de un concreto de mezcla asfáltica en caliente, se debe producir en planta, para que reúna satisfactoriamente todos los requisitos de la especificación FAA-P401.

3.5

Base Granular

La base es el principal componente de la estructura del pavimento. Esta tiene la función de distribuir las cargas impuestas por las ruedas a la Subbase o Subrasante. La base por sí misma, debe resistir las presiones verticales que producen consolidación, y da como resultado una distorsión en la superficie, y además debe resistir los cambios de volúmenes causados por las fluctuaciones del contenido de humedad. En el desarrollo de la obtención de espesores de los pavimentos, la base como requisito mínimo debe asumir un valor de CBR de 80. La calidad de la base depende de la composición, de las propiedades físicas y su compactación. Las especificaciones cubren la calidad de los componentes, su gradación, manejo, control y preparación de varios tipos de base usadas en aeropuertos, para cubrir que las cargas de diseño estén en los 14,000 kilos o más.

Las principales bases utilizadas son: (1) (2)

Item P-208 Item P-209

Base granular Base en agregado triturado

59

(3) (4) (5) (6)

Item P-211 Item P-304 Item P-306 Item P-401

Base en roca limosa Base tratada con cemento Subbase en concreto pobre Base de mezcla en planta en caliente.

El uso de la base P-208 se limita al diseño de pavimentos para aeronaves cuya carga bruta sea 60,000 lbs o 27,000 kilos o menos. Si se quiere utilizar como base, el espesor de la mezcla asfáltica en caliente debe incrementarse en una pulgada o 25 mm. 3.6

Subbase Granulares

Se incluye como parte integral de la estructura de todos los pavimentos flexibles exceptuando donde se encuentren Subrasante con CBR mayores de 20. Su función es similar a la de la base. Sin embargo es adicionarse para quitar desde la superficie y a la cual está sometida, las bajas intensidades de cargas; los requerimientos de material no son tan estrictos y su valor de CBR es variable. Las especificaciones cubren la calidad de los componentes, su gradación, manejo, control y preparación de varios tipos de Subbase usadas en aeropuertos, para cubrir que las cargas de diseño estén en los 14,000 kilos o más. Las principales Subbase utilizadas son: (1) (2) (3) (4) (5)

Item P-154 Item P-210 Item P-212 Item P-213 Item P-301

Subbase granular Subbase en caliche Subbase en shell Subbase de arena arcillosa Subbase en suelo cemento.

El uso de las sobases P-213 y P-301, no son recomendable cuando se tiene penetración por heladas. 3.7

Subrasante

Las Subrasante deben estar sometidas a bajos esfuerzos que vienen desde la superficie y pasan la carpeta, base y Subbase, los cuales se atenúan con la profundidad y el control de los esfuerzos se hace en la parte superior de la Subrasante a las inusuales condiciones existentes. Una de estas inusuales condiciones es la gran variabilidad por el contenido de humedad o densidad, que cambia en la localización de los controles de esfuerzos. La habilidad de una partícula de suelo es la resistencia al corte y la deformación que varía con su densidad y contenido de humedad. Se ha establecido una tabla la cual muestra con la profundidad el control de compactación que se debe aplicar desde la superficie.

60

Tabla 4.1

Se debe cuidar de contaminar las bases o sobases con la Subrasante por lo que se aconseja protegerlas por medio de Geotextiles. Ejemplo En una extensión de una plataforma que va ser construida para acomodar aviones de tren tanden doble con un peso de 340,000 lbs, las investigaciones de suelos mostraron las siguientes densidades para un suelo no cohesivo: Profundidad En Pulgadas

Densidad en el lugar

2 14 26 38

70 % 84 % 86 % 90 % 61

50

93 %

De acuerdo a la tabla para ese tipo de tren y carga se debe tener la siguiente compactación requerida de la Subrasante Tipo de avión 340,000 lbs

100% 0-21

95 % 21-37

90 % 37-52

85 % 52-68

Al comparase se observa que solo hasta las 38 pulg está cumpliendo el requisito, entonces; se debe dar compactación en una pulgada de suelo para que suba al 95 %, y 21 pulgadas para que suba la compactación al 100 %. 4.5.1 Suelos Sensibles Son por lo general suelos arcillosos los cuales exhiben cambios volumétricos significantes a los cambios de humedad. Los pavimentos de aeropuertos construidos sobre estos suelos están sujetos a movimientos diferenciales que causan rugosidad y craqueo al pavimento. Los diseños de los de pavimentos deben proveer métodos que aminoren o prevengan los efectos de estos suelos. El tipo de arcilla que produce hinchamiento por cambio volumétrico, es por lo general ilitas y caolinaitas, las cuales usualmente posen LL mayor de 40 y IP superior de 25. Los suelos que exhiben un cambio volumétrico mayor del 3% en el ensayo de CBR, requieren tratamiento. Este tratamiento por lo general consiste en la remoción del suelo, estabilización, el cuidado que se tenga en el control de la compactación y el control especial de la humedad. Además de brindar un adecuado drenaje que evite la incorporación de humedad al suelo. La FAA, recomienda el siguiente tratamiento cuando se encuentran este tipo de suelo.

Tabla 4.2 Recomendaciones para suelos sensibles

Potencial de expan Bajo

Medio Alto

4.6

% de expansión 3-5 3-5 6-10 6-10 Mayor de 10

Potencial de Tratamiento. humedad Bajo Compactar el suelo (en 2 al 3 %) y no mayor del 90% Densidad máxima apropiada Alto Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 6” Bajo Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 12” Alto Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 12” Bajo Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 12” Alto Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 36” En suelos variables Estabilizar el suelo hasta una profundidad de 60”

Curvas de Diseño 62

Debido a los diferentes esfuerzos y distribuciones se separan las curvas de diseño para pavimentos flexibles de acuerdo a las configuraciones del tren de aterrizaje. Estas figuras del 4.2 al 4.14 se desarrollan para materiales de base y Subbase no tratadas. Los materiales estabilizados tienen un manejo por separado, y para lo cual se dan las respectivas tablas de equivalencias para que sean compensados los espesores obtenidos de las figuras anteriores.

4.7

Datos de Entrada

El uso de las curvas de cálculo, requiere un valor del CBR para el material de la Subrasante, un CBR para el material de la Subbase, el peso bruto del avión de diseño o seleccionado, el número anual de salidas del avión de diseño. Cuando se habla de operaciones de un avión se habla de una salida y un aterrizaje. Las curvas o gráficas de cálculo indican el espesor total del pavimento y el espesor del concreto asfáltico. 4.7.1

Espesor Mínimo de Base granular

De acuerdo a investigaciones y trabajos de campo para diferentes trenes, el diseño recomienda la siguiente tabla para los espesores mínimos de base granular que se debe utilizar en una estructura de pavimento.

Tabla 4.3

63

4.7.2

Espesor del Pavimento para altos Niveles de Salida.

Las Gráficas utilizadas en los diseños de pavimentos flexibles, dentro de sus parámetros de entrada, solo manejan hasta 25,000 salidas anuales, la FAA a través de investigaciones y observaciones en pavimentos de servicio, ha tabulado logarítmicamente para diferentes salidas que superan las 25.000 salidas de las gráficas, porcentajes en que se debe aumentar el espesor obtenido.

Salidas anuales 50,000 100,000 150,000 200,000

4.8

Porcentaje espesor 104 108 110 112

Áreas Críticas y No Críticas.

Las gráficas de diseño de pavimentos, se utilizan para determinar el espesor total T crítico de pavimento y los requisitos de espesor de la capa la capa de concreto asfáltico. El factor 0.9 T, para pavimentos no críticos se aplica a las capas de base y Subbase, y el espesor que se aplica a la capa de rodadura es el que se registra en cada gráfica de cálculo. En la parte variable de la sección figura 4.1 y en el borde de la berma, la reducción solo se aplica a la base granular. El espesor de 0.7 T, para la base debe ser el mínimo permitido. La Subbase entonces deberá incrementarse en su espesor para proporcionar un drenaje superficial positivo para toda la superficie de fundación. Para fracciones de pulgada de 0.5 o más, utilícese le número entero más próximo.

4.9

Ejemplo de Diseño

Se supone que un pavimento flexible ha de calcularse para una aeronave de tren de aterrizajes de ruedas dobles con una carga de 75,000 lbs (34,000 kg) y 6,000 salidas equivalentes anuales. Los valores de CBR para Subbase y terreno de fundación son de 20 y 6 respectivamente.

64

a) Calculo del espesor total del pavimento: Este es obtenido de la Gráfica 4.3 con los datos de entrada, dando para el ejemplo 23 pulgadas (584 mm). b) Espesor total de la Subbase: Es determinado de la misma Gráfica 4.3, pero se utiliza el valor de CBR de 20 de la Subbase, dando un espesor de 9.5 pulg. (241 mm), siendo este resultado un espesor combinado de mezcla asfáltica y base. El espesor de la Subbase será 23 – 9.5 = 13.5 pulg o 14 “ c) Espesor de la Mezcla asfáltica: De la misma gráfica 4.3, se describe que los espesores en áreas críticas son de 4 pulg (10 mm) y no críticas de 3 pulg. (76 mm). d) Espesor de la Base: El espesor de la base se calcula de la substracción del espesor combinado de mezcla asfáltica y Base, obtenido en el numeral “b”. El espesor de la Base será 9.5 – 4 = 5.5 o 6”. Este espesor aquí calculado se compara con la tabla de espesores mínimos de Subbase del numeral 4.7.1. y se puede observar que para este tipo de rueda y carga, se exige un espesor de base de 6 pulg, por lo que el espesor final para el cálculo será de 6 pulg o 200 mm. Comentarios: Se debe utilizar una base granular tipo P-209, según requisito establecido para aviones de peso mayor a 60,000 lbs Los espesores de las áreas no críticas se calculan según los factores y condiciones del parágrafo 4.8 Resultados

Tipo material

Mezcla en Caliente P-401 Base Granular P-209 Subbase Granular P-154 Adición en Subbase por drenaje Total

4.10

Áreas críticas Pulg - mm 4 (100) 6 (200) 14 (355)

Áreas no críticas Pulg - mm 3 (75) 5 (125) 13 (330) 3 (75)

Borde de Berma

24 (655)

24 (655)

24 (655)

Pulg - mm 2 (50) 4 (100) 10 (255) 8 (205)

Uso de Base y Subbase Estabilizadas

Las capas de base y Subbase estabilizadas son necesarias para pavimentos nuevos donde se tenga presencia de aviones que superen las 100,000 lbs en peso. Para su uso se recomienda utilizar los factores de equivalencia que más adelante se describen, los cuales son sensibles

65

a diferentes variables tales como espesor de la capa, tipo de agente estabilizador y la localización de la capa estabilizada dentro de la estructura. Esta excepción a la utilización de bases estabilizadas se puede hacer, cuando los materiales que se piensan colocar como estructura proviene de una roca dura, tienen gradación cerrada y son el 100 % producida dentro de un proceso de trituración. Además deben registrar una resistencia al ensayo del CBR mayor del 100% para materiales de Base y 35% para materiales de Subbase. Se recomienda no utilizar materiales de menor calidad en sustitución de otros de mejor calidad. Otro requisito en su utilización, es que el espesor mínimo total del pavimento una vez se haya hecho todas las sustituciones, no debe ser menor que el espesor total de pavimento requerido cuando se utiliza una Subrasante de CBR de 20.

4.10.1 Subbase granular Todos los ensayos, factores y recomendaciones que se enuncian para estabilizar una Subbase están basados en la utilización de una Subbase P-154, cuya resistencia es de un CBR de 20. La utilización de materiales estabilizados de mayor calidad que P-154, debe arrojar espesores menores, ya que el factor escogido, divide el espesor requerido de la Subbase P-154 TABLA 4.4 FACTORES EQUIVALENTES PARA SUBBASES DE MAYOR CALIDAD QUE UNA SUBBASE P-154 Subbase en Material granular P-208 Base Granular P-209 Base triturada P-211 Base en roca Subbase en Material estabilizado P-301 Base en suelo cemento P-304 Base granular con cemento P-306 En concreto Pobre P-401 Mezcla en caliente

Factor de Equivalencia 1.0 – 1.5 1.2 – 1.8 1.0 – 1.5 Factor de Equivalencia 1.0 –1.5 1.6 – 2.3 1.6 – 2.3 1.7 – 2.3

4.10.2 Base granular Todos los ensayos, factores y recomendaciones que se enuncian para estabilizar una base están basados en la utilización de una base P-209, cuya resistencia es de un CBR de 80. La utilización de materiales estabilizados de mayor calidad que P-209, debe arrojar espesores menores, ya que el factor escogido divide el espesor requerido de la base P-209 TABLA 4.5 FACTORES EQUIVALENTES PARA BASES DE MAYOR CALIDAD QUE UNA BASE P-209 Base en Material granular

Factor de Equivalencia

66

P-208 Base Granular 1.0 P-211 Base en roca 1.0 La sustitución de P-208 por P-209, es permisible cuando el peso del avión es menor de 60,000 lbs y se aumenta 1 pulg al concreto asfáltico Base en Material estabilizado Factor de Equivalencia P-304 Base granular con cemento 1.2 –1.6 P-306 En concreto Pobre 1.2 – 1.6 P-401 Mezcla en caliente 1.2 – 1.6

Cuando se utilizan bases P-304 y P-306 en pavimentos flexibles, se puede encontrar reflexiones por retracción, por lo que el espesor mínimo a utilizar sobre estas bases no debe ser menor a 4” (100 mm).

Con el fin de hacer una correlación y asemejar a lo del Instituto del Asfalto para utilizar factores de reducción, empleamos la siguiente relación deducida de la resistencia de materiales:

E1 x 1 – u1 H2 = h1 x

1/3

--- -------E2

1- u2

Teniendo en cuenta que los valores u del modulo de Poisonn para los materiales granulares son aproximadamente iguales a 0.35 y que los módulos de elasticidad son de la forma E = K * CBR

CBR1 1/3 H2 = h1 x

--------CBR2

4.10.3 Ejemplo.

67

Use los factores de equivalencia, asumiendo que un pavimento flexible es requerido para un avión de diseño de 300,000 lbs de tándem doble, con 15,000 salidas equivalentes. El CBR de Subrasante es 7 y se quiere utilizar una Subbase P-401.

e) Calculo del espesor total del pavimento: Este es obtenido de la Gráfica 4.4 con los datos de entrada, dando para el ejemplo un espesor 37.5 pulgadas (953 mm). f) Espesor total de la Subbase: Es determinado de la misma Gráfica 4.4, pero se utiliza el valor de CBR de 20 de la Subbase, dando un espesor de 17 pulg. (432 mm), siendo este resultado un espesor combinado de mezcla asfáltica y base. El espesor de la Subbase será 37.5 – 17 = 20.5 pulg o 21 “ g) Espesor de la Mezcla asfáltica: De la misma gráfica 4.4, se describe que los espesores en áreas críticas son de 4 pulg (10 mm) y no críticas de 3 pulg. (76 mm). h) Espesor de la Base: El espesor de la base se calcula de la substracción del espesor combinado de mezcla asfáltica y Base, obtenido en el numeral “b”. El espesor de la Base será 17.0 – 4 = 13”. Este espesor aquí calculado se compara con la tabla de espesores mínimos de Subbase del numeral 4.7.1. y se puede observar que para este tipo de rueda y carga, se exige un espesor de base de 8 pulg, por lo que el espesor final para el cálculo será de 13 pulg o 330 mm. i) Base estabilizada: El espesor obtenido de 13” se divide por 1.4 promedio del rango para P-401, dando 9” (230 mm). j) Subbase estabilizada: El espesor obtenido de 20.5” se divide por 2.0 promedio del rango para P-401, dando 10” (250 mm). k) Chequeo del espesor mínimo: El total del pavimento estabilizado requerido es de 4 + 9 +10 = 23 pulg (585 mm), es comparado para un espesor total de pavimento de CBR 20, el cual fue hecho en este ejemplo dando 17 pulg, el espesor de 23 pulg es mayor al de 17, por lo que el diseño es adecuado.

68

EJEMPLO PARA EL TALLER De los datos del taller No 1, calcular el espesor de pavimento requerido, para una Subrasante cuyo CBR es 3%, y se quiere estabilizar con una base P-401 y una Subbase en concreto pobre P-306

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

5

DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS

5.1

Generalidades

Los pavimentos rígidos de Aeropuertos están compuestos de una placa de concreto de cemento portland colocadas sobre una Subbase granular o estabilizada, que es soportada en una Subrasante compactada. 5.2

Pavimento de Concreto

La superficie de pavimento debe proveer una superficie no deslizante, prevenir las infiltraciones del agua superficial y dar un soporte de acuerdo a la especificación P-501 de pavimentos en concreto de cemento portland. La metodología actual, para su revisión y comprobación del diseño, implica utilizar el programa FAARFIELD de la FAA 5.3

Subbase

El propósito de la Subbase es proveer bajo un pavimento rígido un soporte uniforme estable para la losa de concreto. El mínimo espesor requerido de Subbase en un pavimento es de 4 pulg (100 mm). La FAA toma como Subbase estándar en sus diseños la P-154 y acepta utilizar como Subbase los siguientes materiales: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7)

Item P-154 Item P-208 Item P-209 Item P-211 Item P-304 Item P-306 Item P-401

Subbase granular Base granular Base Triturada Base en roca Base tratada con cemento Concreto Pobre Mezcla asfáltica en caliente

La utilización de estas bases y de mayor espesores son considerados en el diseño, a través del modulo de fundación K respectivo para cada una de ellas. 5.3.1

Calidad de la Subbase:

Subbase estabilizadas son requeridas para los nuevos diseños de pavimentos cuando son solicitadas por aeronaves de peso mayores a las 100,000 lbs, y se utilizan las siguientes: (1) (2) (3)

Item P-304 Item P-306 Item P-401

Base tratada con cemento Concreto Pobre Mezcla asfáltica en caliente.

85

5.5

Subrasante:

Los materiales bajo pavimentos rígidos deben ser compactados para que brinden una adecuada estabilidad uniforme como se explico en los pavimentos flexibles; sin embargo su exigencia no es tan fuerte como se explica en el parágrafo 4.5 debido a los bajos esfuerzos que llegan a la Subrasante. Se hacen las siguientes recomendaciones de compactación de la Subrasante: -

-

Para suelos cohesivos en una sección completa 90 % de la densidad máxima. Para suelos cohesivos en secciones de corte, hasta las 6 pulg 90 % de la densidad máxima Para suelos no cohesivos en una sección completa 100 % de la densidad máxima y a partir de las 6 Pulg de profundidad un 95 %. Para suelos no cohesivos en secciones de corte, hasta las 6 pulg 100 % de la densidad máxima y a partir de las 6 pulg hasta las 18 pulg el 95 % Para suelos sensibles se deben tener las mismas consideraciones del parágrafo 4.5.1

5.6

Determinación del Modulo de Fundación

-

En las investigaciones de los suelos, la determinación del modulo de Subrasante K, es fundamental para saber el soporte de la Subrasante y porque además es requerimiento en el diseño del pavimento rígido. El modulo de fundación debe ser asignado al material que está directamente debajo la losa de concreto, sin embargo es recomendado establecer el valor del K de la Subrasante y hacer las correcciones en la cantidad que se deba, por efectos de la Subbase y espesor utilizado. Se pueden emplear correlaciones de las tablas y cuadro enunciados en el capítulo 2 o utilizar la gráfica 5.1 anexa de acuerdo al CBR de la Subrasante.

5.6.1

Determinación del Valor de K por Efectos de Una Subbase Granular

La determinación del modulo de fundación arriba de una Subbase por ensayo en la etapa de diseño no es usualmente practica. El probable incremento en K está asociado a varios espesores y diferentes materiales de Subbase, la FAA con base a experiencias y ensayos ha establecido las figuras 5.2, para bases tipo P-154 y P-209 y cuando son estabilizadas, utiliza una sola figura 5.3, para sobases tipo P-304, P-306 y P-401.

86

5.7

Determinación del Espesor de la Losa de Concreto

El diseño de las curvas ha sido preparado para los pavimentos rígidos similares a como se realizaron para pavimento flexible de acuerdo al tipo de tren de aterrizaje y carga. Las gráficas están basadas en que la carga es oblicua al borde de la junta, o si está localizada en forma perpendicular o paralelo a la junta. El diseño requiere de cuatro parámetros de entrada: resistencia del hormigón a la flexión, modulo del terreno de fundación, peso bruto de la aeronave de cálculo y número de salidas anuales equivalentes de la aeronave de diseño. Los espesores de las demás estructuras del pavimento se calculan por separado. 5.7.1 Resistencia del Concreto a la Flexión. El espesor del pavimento rígido está relacionado a la resistencia a la flexión del concreto utilizado, la cual se evalúa por el método de la resistencia a la flexión según la norma ASTM C-78, ya que le trabajo primario de una losa de concreto es a la flexión. El diseño de la resistencia a la flexión se debe basar en la edad del concreto que debe ser requerido, cuando la losa se dé al tráfico. El modulo de reacción K del material que soporte el pavimento rígido, se obtiene como se explico en el numeral 5.6, El peso bruto del avión de diseño se da para cada tipo de tren de aterrizaje, para la respectiva carga y para las aeronaves de cabina ensanchada, que tienen su curva especial. La gama de pesos que se utilizan en las curvas, abarca los pesos de la mayoría de aeronaves actuales. El número de salidas anuales de la aeronave de diseño se calcula similar al diseño del pavimento flexible, de acuerdo al tráfico esperado. 5.8

Utilización de las Curvas de Cálculo.

Las curvas del pavimento rígido se trazan de manera que se registren los datos de cálculo en el mismo orden que se trato el numeral anterior y se obtiene únicamente el espesor de la losa de concreto, sin tener en cuenta el espesor de la Subbase. Se han construido curvas opcionales cuando la carga aplicada por la aeronave al borde la junta, forma ángulo relativo a esta, que influye en la magnitud de los esfuerzos en la losa. Los trenes de aterrizaje de ruedas simples y ruedas dobles producen los mayores esfuerzos cuando están paralelos o perpendiculares a las juntas. Los trenes tándem dobles, producen las tensiones o esfuerzos máximos cuando su posición actúa en ángulo a la junta. La utilización de estas curvas, es más que todos utilizadas en la bahía de espera, en los finales de pista, en las intersecciones de calles de rodaje y pista y en las plataformas. Como recomendación una vez obtenido el avión de diseño, se obtiene el espesor por las dos curvas y se analiza la posibilidad de que una aeronave de rueda doble pueda afectar el diseño a las salidas anuales equivalentes.

87

5.9

Áreas Críticas y no Críticas.

Las gráficas de diseño de pavimentos, se utilizan para determinar el espesor de la losa de concreto total T crítico de pavimento. El factor 0.9 T, para pavimentos no críticos se aplica a la losa de concreto. En la parte variable de la sección figura 4.1 y en el borde de la berma, la reducción sola se aplica a la losa de concreto. El cambio de espesor se debe llevar a todo lo largo y ancho de la losa. En las áreas de losa que tenga espesor variable, el espesor de la Subbase debe ajustarse en la medida de lo necesario, para dar una superficie de drenaje uniforme a la superficie de la Subrasante. Para fracciones de pulgada de 0.5 o más, utilícese le número entero más próximo. 5.9

Ejemplo de Diseño

Supongamos una aeronave de 160,000 kilos, y salidas anuales equivalentes de 6,000 con tren de aterrizaje tipo tándem doble. Dentro de estas salidas se consideran que 1,200 es para una aeronave tipo B-747, con 350,000 kilos. La resistencia de la Subrasante de fundación es de un CBR de 3, para una arcilla limosa. La resistencia a la flexión del concreto es de 650 psi (4.5 MN/m2). El peso bruto de la aeronave indica que se debe utilizar una Subbase estabilizada y para lo cual se escoge una Subbase estabilizada con cemento tipo P-304 con un espesor de 6 pulg. El modulo de reacción K, se puede obtener de la Figura 5.1 para un CBR de 3, el cual da un valor de 100 PCI y para continuar con el siguiente procedimiento: a) b)

5.10

Obtención del modulo de reacción por efectos de la Subbase: de la fig. 5.3 el modulo de reacción se aumenta de 100 PCI a 210 PCI. Obtención del espesor de la losa: de la figura 5.20 se obtiene un espesor de concreto de 16.6 pulg (422 mm) que por redondeo a 17 pulg (430 mm) Volúmenes de Alto Tráfico.

Las Gráficas utilizadas en los diseños de pavimentos rígidos, dentro de sus parámetros de entrada, solo manejan hasta 25,000 salidas anuales, la FAA a través de investigaciones y observaciones en pavimentos de servicio, ha tabulado logarítmicamente para diferentes salidas que superan las 25.000 salidas de las gráficas, porcentajes en que se debe aumentar el espesor obtenido.

Salidas anuales 50,000 100,000 150,000 200,000

Porcentaje espesor 104 108 110 112

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

5.11

Juntas para Pavimento de Concreto Rígido

La variación de temperatura y humedad pueden causar cambios en la losa que producen esfuerzos significantes. Como la expansión y la contracción están restringidas a las fuerzas de fricción o cortantes que se desarrollan en la cara que tiene contacto con la Subbase, se producen esfuerzos de comprensión y tensión, y en la superficie pude causar craqueo o fisuramiento que dependiendo de su magnitud pude causar daños. Como la prioridad es reducir estos efectos, es necesario dividir el pavimento en losas de predeterminada longitud para las principales juntas longitudinales, que son las que van según el avance de la pavimentación y determinar así los tipos de juntas transversales. Estas losas deben ser lo más cuadradas posibles cuando no son reforzadas.

5.11.1 Categoría de las Juntas De acuerdo a su función las juntas están categorizadas en juntas de Expansión o dilatación, contracción y de construcción. Todas las juntas deben ser terminadas en una manera que permita ser selladas. 5.11.1.1

Juntas de Expansión

La función de juntas de aislamiento o expansión es aislar pavimentos de intersecciones y de estructuras del pavimento. Tipo A se utiliza cuando las condiciones impiden el uso de dispositivos de transferencia de carga que se extienden a través de la articulación, tal como cuando el pavimento se apoya en una estructura o cuando diferencias horizontales en movimiento de los pavimentos pueden ocurrir. Estas articulaciones están formadas por el aumento del espesor del pavimento a lo largo del borde de la losa. No se proporcionan los pasadores. Tipo A-1 articulaciones pueden ser utilizados como una alternativa en casos en que las juntas de borde engrosadas son indeseables. 5.11.1.2 Juntas de Contracción: Su función es controlar el fisuramiento del pavimento cuando el pavimento se contrae por decrecimiento del contenido de humedad o temperatura. Las juntas decrecen los esfuerzos cuando se produce alabeo en la losa de pavimento. Se usan las juntas Tipo B, C y D 5.11.1.3 Juntas de Construcción: Son requeridas cuando dos pavimentos colindantes son colocados a diferente tiempo, tal como el final de jornada o entre líneas de pavimentación. Se usan las Juntas Tipo E. 5.12 Espaciamiento de las Juntas. Las juntas como se dijo anteriormente, se deberán construirse previendo el menor movimiento posible, de acuerdo al material que se use de Subbase en la estructura del pavimento.

117

5.12.1 Juntas para Subbase no Estabilizadas Siguiendo la regla de la PCA dada para el espaciamiento de las juntas, no debe exceder el espaciamiento en pies al doble de la altura de la losa en pulgadas, y su relación de largo ancho no debe ser mayor de 1.25. La FAA recomienda la siguiente tabla: Tabla 5.1 Espesor de la losa en mm 152 165-229 Mayor 229

Distancia Longitudinal en m 3.8 4.6 6.1

Distancia Transversal en m 3.8 4.6 6.1

5.12.2 Juntas para Subbase estabilizadas Cuando se utilizan pavimentos sobre estas bases sus procedimientos es diferente para el espaciamiento de las juntas. Su espaciamiento está en función del radio de rigidez relativa de la losa. La junta debe ser seleccionada de tal forma que la relación del rigidez relativa y el espaciamiento de la junta este entre 4 y 6. Tabla 5.2 Espesor de la losa en mm 203-254 267-330 343-406 Mayor 406

Distancia Longitudinal en m 3.8 4.6 5.3 6.1

Distancia Transversal en m 3.8 4.6 5.3 a 5.7 * 6.1

* Para geometrías típicas de pista y de calle de rodaje, la distancia corresponde a juntas longitudinal es (5,7 m)

La rigidez relativa está definida por Westergard como la rigidez relativa de la losa y la rigidez del modulo de fundación. Esta determinada de la por la siguiente formula

r=√

Eh^3

) ^1/4

Radio Rigidez

E h v k

4000000 12 0.15 200

41.4303813

12 (1-u^2) K

118

r = Radio de rigidez en Pulg h= K= E= u =

Espesor de la placa en Pulg Modulo de reacción de la Subrasante real en pci Modulo de elasticidad del concreto = 4,000,000 lb/Pulg 2 Modulo de Poisson = 0.15

Ejemplo: Para una losa con un espesor de 12” y modulo de reacción de Subrasante de 200 lb/Pulg 2, calcular cual es su dimensionamiento.

ι = 41.43 Pulg. Lx y Ly será la multiplicación por 6 del modulo de rigidez relativa = 249 Pulg (6.5 m) Si realizamos el mismo ejemplo con los criterios de la PCA para una h = 12 según la tabla 5.2 o formula anterior nos da un Modulo de 41.43 Pulg. Con la relación de simetría de los lados igual a 1, obtenemos de la figura 5.29 un coeficiente de 7.24, que multiplicado por el radio de rigidez (41.43 * 7.24 = 300) nos una losa de lado de 7.50 m. El criterio de selección por la FAA es tomar el menor lado, por lo que se escoge 6.50 m. The joint spacing should be selected such that the ratio of the joint spacing, in inches, to the radius of relative stiffness is 5.0 or less to control transverse cracking. In the absence of conclusive local experience, a maximum joint spacing of 20 feet (6.1 m) is recommended. The radius of relative stiffness is defined by Westergaard as the stiffness of the slab relative to the stiffness of the foundation.

FIGURA 5.29

119

TABLA 5.3

120

TABLA 5.4 DE USOS DE LAS JUNTAS LONGITUDINALES OBJETIVO

USOS

Insolación o expansión

Utilice en las intersecciones donde los pasadores no son las adecuados y pavimentos donde colindan con estructuras existentes. Consideradas en lugares a lo largo de un borde de pavimento donde la expansión futura es posible Para todas las juntas de contracción en las losas de las calles de rodaje < a 9 pulgadas (230 mm) de espesor. Para todas las otras juntas de contracción en losas < a 9 pulgadas (230 mm) de espesor, separadas a 20 pies (6 m) o menos desde el borde del pavimento Puede ser considerada para su uso general. Considerar su uso en juntas de contracción en losas a > 9 pulgadas (230 mm) de espesor, donde se coloca el pavimentos a 20 pies (6 metros) o menos desde el borde del pavimento Para otras juntas de contracción en el pavimento Dovelas Para Todas las juntas de construcción excluyendo juntas de aislamiento

Contracción

Contracción

Contracción Construcción

TIPO DE JUNTA A

B

C

D E

Los detalles de las juntas se pueden ver en las figuras 5.30 y 5.31

TABLA 5.5 DE USOS DE LAS JUNTAS TRANSVERSALES OBJETIVO

USOS

Expansión de Utilizarlas en las intersecciones con características borde ensanchado que el eje longitudinal del pavimento respectivo o insolación intersecta en un ángulo. El uso en el borde libre de las pavimentos donde se espera una expansión futura, utilizando el mismo espesor del pavimento Contracción No se utilizan

Puede ser considerada para su uso general. En las tres ultimas articulaciones de un borde libre, y en las tres articulaciones, en ambos lados de las juntas de aislamiento Contracción Construcción

Para otras juntas de contracción en el pavimento Se utiliza en las juntas de construcción, en todos los lugares donde se para las operaciones de pavimentación

TIPO DE JUNTA A

B C

D E

121

5.13

Juntas Aceradas

Las juntas que requieren varillas de acero lisas o corrugadas para dar continuidad al pavimento en su resistencia a los esfuerzos que sufre. 5.13.1 Las varillas Corrugadas Son usadas principalmente en juntas longitudinales de contracción y en juntas con llave de construcción para mantener en estrecho contacto las caras de las losas y no se separen, por lo tanto, que haya una mejor trasmisión de esfuerzos entre las dos partes del pavimento, por la acción de los agregados del concreto o de las llaves provistas para el efecto. Las varillas corrugadas por ellas mismas no actúan como aparatos de transmisión de cargas. Las varillas corrugadas deben ser No 5 (16 mm) de diámetro, 30 pulg (760 mm) de longitud y separadas cada 30 pulg (760 mm) 5.13.2 Las varillas lisas o dovelas Este elemento metálico se coloca para transmitir las cargas a través de la junta y evitar desplazamiento vertical relativo de las placas del pavimento. Las varillas lisas deben permitir movimientos horizontales de las placas, para lo cual unas de las mitades de la varilla se pintan y engrasa. En el extremo de las varillas lisas que van en las juntas expansión se debe colocar un manguito o tubo metálico ajustado a la superficie de la varilla, para permitir movimientos de expansión del pavimento en la junta. Se utilizan para las juntas de expansión transversal y para todas las juntas de construcción. Las varillas se colocan en la mitad de la placa mas ½ diámetro (ver detalles) y su espaciamiento esta dado por la siguiente tabla.

TABLA 5.6

Espesor de la losa 6-7 in (152-178 mm) 7.5-12 in (191-305 mm) 12.5-16 in (318-406 mm) 16.5-20 in (419-58 mm) 20.5-24 in (521-610 mm)

Diametro ¾ in1 (20 mm) 1 in1 (25 mm) 1 ¼ in1 (30 mm) 1 ½ in1 (40 mm) 2 in1 (50 mm)

Longitud 18 in (460 mm) 19 in (480 mm) 20 in (510 mm) 20 in (510 mm) 24 in (610 mm)

Espaciamiento 12 in (305 mm) 12 in (305 mm) 15 in (380 mm) 18 in (460 m) 18 in (460 mm)

FIGURA 5.30

122

123

FIGURA 5.31

W = 19 mm +/- 3mm

124

FIGURA 5.32

125

5.13.3 Junta de Aislamiento reforzado (Tipo A-1) Ejemplo de diseño. Un pavimento rígido nuevo será construido para la siguiente combinación de aviones: DC10-10, B747-200B Combi Mixto, B777-200ER. Una junta de aislamiento se proporcionara en el lugar para una futura expansión prevista. Debido al potencial del agua atrapada, una junta de aislamiento reforzado se selecciona. Se asume que la resistencia a la compresión de hormigón f’ç = 4.000 psi. Uso de FAARFIELD, el espesor de diseño PCC para una vida 20-año se determinó que era 15,5 pulgadas (394 mm). La tensión máxima que se utilizará para el diseño de la junta se determina utilizando FAARFIELD como sigue: (1) En la ventana Opciones, en "Opciones Generales", desactive la casilla "No Files Out" caja. (2) Para la sección de diseño, y para cada avión en la mezcla de tráfico, ejecute un "Life" computación. El cálculo se debe realizar por separado para cada avión. (3) Para cada avión, obtenga de la losa de PCC computarizada, la tensión horizontal (tracción) con el resultado del NikePCC.out, archivo de salida, en el directorio FAARFIELD de trabajo. (4) Para la tensión máxima que aparece en el paso 3, se calcula el borde libre de ESFUERZO, mediante la división del esfuerzo horizontal de la losa de PCC de 0,75. (Dividiendo por 0,75 es necesario porque el esfuerzo FAARFIELD ya se ha reducido en un 25% para tener en cuenta la transferencia de la carga asumida por la junta de transferencia.) Para este ejemplo el diseño, la tensión máxima de PCC horizontal de la NikePCC.out archivo de salida se encontró que era 357,71 psi, para el B777-200ER. Por lo tanto, el valor máximo (en funcionamiento) estrés borde libre para el diseño de la sección de hormigón se calcula como 357.71/0.75 = 476.9 psi. La sección de hormigón armado será diseñada utilizando el método de resistencia última. La carga muerta se descuidará. Suponiendo un factor de carga variable de 1,7, calcular el momento flector último, Mu como:

126

donde: σedge es la tensión borde máxima sobre la base de FAARFIELD, Ig = el momento de inercia bruto calculado para una tira de 1-pie de la losa de hormigón, y c = la distancia desde el eje neutro a la fibra extrema, que se supone ser uno -un medio del espesor de la losa. Suponga que el refuerzo del borde consistirá N ° 6 barras espaciadas a 6 pulgadas en la parte inferior de la losa, como se muestra en la figura 5.30. Calcule la resistencia de diseño a flexión mediante la siguiente ecuación:

Donde:

Φ = factor de reducción de estrés (= 0,90 para flexión sin carga axial) As = área de acero = 2 x 0.44 = 0.88 in2 para 1-ft. ancho fy = tensión de fluencia del acero (fy = 60.000 asumir psi) f’c = resistencia a la compresión de hormigón d = profundidad al centroide del acero ρ = relación de acero = As / bd b = anchura de la sección = 12 pulgadas

Para el mínimo de 3 pulgadas (76,2 mm) la distancia sobre las barras de acero No. 6, d = 12.13 pulg (308 mm). Usando el valor de ΦMn, calculado arriba de 45,5 kip-ft. Entonces Mu menor que ΦMn , luego el diseño es adecuado para flexión. Una comprobación también se debe realizar para la relación de acero mínimo y máximo. La proporción mínima del acero está dada por: ρ min =200min/ fy, donde fy es en psi. A partir de los valores anteriores, se obtiene ρ min = 0,0033. La cuantía de armadura calculada ρ = 0,0060> 0,0033, por lo tanto, el criterio de acero por proporción mínima se cumple. La cuantía de armadura máxima se determina a partir de la ecuación:

donde: ρb = es la cuantía de armadura balanceada. β1 = 0,85 (para f’c = 4000 psi) y fy está en psi. Dado que la cuantía de armadura calculada ρ = 0,0060 0.05 % Hierros long. # 4 c 19 cm

# 4 c 19 cm

Transv.

# 4 c 19 cm

# 4 c 19 cm h/4 + 1 = 12 cm

5.16.1 Pavimentos continuos reforzados Los pavimentos continuos reforzados en cemento Portland con aceros transversales y longitudinales con el fin de eliminar juntas intermedias de expansión y contracción. Por lo general contiene de 0.5 a 1% de refuerzo en el acero longitudinal. Su principal ventaja es

131

la

eliminación de juntas transversales las cuales su construcción es demasiado costosa, requieren sellados y es la principal causa de problemas en el mantenimiento. Una superficie continua da una superficie muy suave para el recorrido de las aeronaves. Los parámetros de diseño se basan al igual que los pavimentos rígidos en proveer una buena fundación para la losa y se utilizan los mismos gráficos de diseño, comentados anteriormente en los numerales respectivos de este capítulo.

132

5.16.1.1 Diseño del acero longitudinal. El diseño del acero de refuerzo es crítico para obtener un buen pavimento. El porcentaje debe ser bien seleccionado para obtener un ancho y espaciamiento óptimo del fisuramiento. Este diseño debe satisfacer tres condiciones. El máximo porcentaje es determinado o seleccionado al valor máximo de acuerdo a los siguientes tres requerimientos y no debe ser menor al 0.5 %: a) Cantidad de Acero para resistir restricciones por la Subrasante Debe resistir las fuerzas generadas por la fricción entre el concreto y la Subbase usando el monograma 5.32 a. El uso del monograma requiere de tres parámetros: el esfuerzo del acero de refuerzo, la resistencia a la tensión del concreto y el factor de fricción para la Subbase. Se recomienda para el acero trabajar con el 75 % de la resistencia mínima del acero. La resistencia a la tensión del concreto se estima en un 67 % de la resistencia a la flexión. Y como factor de fricción para la Subbase de 1.8. Cuando no se recomienda Subbase, y si tiene una Subrasante de suelos de grano de fino a grano grueso el factor de fricción es de 1.0 a 1.5. b) Cantidad de acero por efectos de temperatura El acero debe ser capaz de controlar las fuerzas generadas por la expansión y contracción por efectos de cambio de temperatura y cuantía se obtiene por la siguiente fórmula:

Ps Ps ft fs T

= = = = =

(50 ft) / ( fs-195 T) Porcentaje de acero de refuerzo Resistencia a la tensión del concreto Resistencia del acero Máximo diferencial de temperatura para el pavimento en º f

c) Cantidad de acero por resistencia del concreto La cantidad esta en función de la resistencia mínima del acero a utilizar y la resistencia a la tensión del concreto y se relaciona en la siguiente formula. Ps

=

100 ft / fy

5.16.2 Acero transversal La cuantía de acero de refuerzo transversal se requiere para mantener y soportar el espaciamiento del acero longitudinal durante la construcción. Para este caso se utiliza el monograma de la figura 5.33. 5.16.3 Detalles de Colocación El acero de refuerzo longitudinal debe ser colocado en la mitad de la profundidad de la losa o mínimamente un poco arriba. El acero de refuerzo transversal se coloca inmediatamente arriba. Se debe mantener una cubierta mínima de concreto de 3 pulg para mantener el acero de refuerzo. El espaciamiento debe ser de 6 a 12 pulg. El acero

133

transversal no debe estar más separado de 12 pulg. Se recomienda para el traslapo como mínimo 16 pulg o 25 veces el diámetro de la varilla 5.16.3 Espaciamiento de la junta Se requerirán juntas transversales por cuestiones del modelado de la línea de pavimentación o por término de la jornada de trabajo o final de la línea de pavimentación, se construirán de acuerdo a la figura 5.34. Para las juntas aserradas de contracción o expansión, se recomienda que se siga los anchos establecidos en la tabla de separación de juntas 5.1 y para un ancho máximo de líneas de pavimento o ancho de la calzada de 23 m. Las figuras 5.34 en la parte alta, muestran los detalles constructivos que deben tener en cuenta en la construcción de estas juntas. Los detalles de la construcción de las juntas longitudinales se observa la figura 5.35

5.17 Taller Calificativo. Determinar par el tráfico del primer taller como sería la estructura si se empleara pavimento rígido. Calcular su modelado para calle de rodaje de 23m y bermas de 7.50. Calcular el acero de refuerzo para eliminar juntas con los siguientes parámetros: Aeronave de Diseño escogido DC-10-10 peso 400,000 lbs. Resistencia a la flexión 600 psi Resistencia del acero 60,000 psi Base estabilizada con cemento Diferencia de temperatura 10 ºf.

134

135

136

137

138

6

REFUERZOS

6.1

Generalidades

Los pavimentos de aeropuertos pueden requerir sobrecapas por varias razones principales, que su pavimento haya cumplido la vida útil de servicio, que se haya dañado por sobrecargas y por último se quiera aumentar su capacidad estructural par soportar cargas mayores. Su refuerzo por lo general consiste en otra capa de pavimento ya sea rígido o flexible, según sus condiciones de trabajo. El reciclado se toma como un diseño de pavimento nuevo, según las capas que abarque. 6.2

Condiciones del Pavimento Existente

Asemejar las condiciones existentes de un pavimento es de los trabajos más delicados para el diseño de las sobrecapas. Las propiedades del pavimento deben incluir espesores, resistencia de cada una de las capas que lo compone, clasificación de la Subrasante y algún estimativo de la capacidad de soporte. En pavimentos fallados se debe analizar la causa de fallo, el estado del drenaje superficial y profundo. Se puede emplear ensayos con pruebas no destructivas para determinar todas las condiciones estructurales de las diferentes capas y de suelo de fundación. 6.3 Diseño de las Sobrecapas Los diseños de la sobrecapas toman sus principios y parámetros de los diseños de pavimentos nuevos, y se definen de la siguiente manera: Sobrecapas de mezcla asfáltica en caliente sobre pavimentos flexibles existentes. Sobrecapas de mezcla asfáltica en caliente sobre pavimentos rígidos existentes. Sobrecapas de concreto rígido sobre pavimentos rígidos existentes. Sobrecapas de concreto rígido sobre capas de nivelación. Sobrecapas de concreto rígido ligados 6.3.1

Sobrecapas de Mezcla Asfáltica en Caliente sobre Pavimentos Flexibles Existentes

Su diseño se basa en el espesor faltante de pavimento que se requiere para soportar las cargas a la cual va a trabajar. Se calcula el nuevo diseño de pavimentos con el CBR de la Subrasante, el número de salidas anuales con la carga de la aeronave de diseño, y se aplica la gráfica para el tipo de avión o tren correspondiente, con el fin de determinar todos los espesores estructurales de la base, Subbase y concreto asfáltico. Con lo anterior se compara con la estructura existente con el fin de hacer los ajustes correspondientes de acuerdo a los factores de equivalencia enunciados en el capítulo cuatro. La asignación de valores va con el criterio y experiencia de la persona que está ejecutando 139

el diseño. Se pueden emplear los criterios de equivalencia que habla el Instituto del asfalto pero estos son más restrictivos que los que emplean la FAA. 1) Ejemplo El pavimento de una calle de rodaje es como sigue. CBR de Subrasante 7, Carpeta asfáltica de 4 Pulg, Base de 6 pulg y la Subbase de 10 pulg con un CBR de 15. Se requiere reforzar para que pueda operar una aeronave de rueda doble de 100,000 lbs. de peso y 3,000 salidas anuales. De la figura 4.3 da 23 pulg para CBR de 7 y 13 para un CBR de 15 Pavimento existente en Pulg. C.A. de Base de Subbase de

4 6 10

Pavimento de diseño en pulg. 4 9 10

Al comprar se nota una deficiencia de 3 pulg en la base, que se compensan con la carpeta existente utilizando un factor de equivalencia de 1.3. de mezcla en caliente a base granular. Con un refuerzo de 3” el cual es lo mínimo recomendado para repavimentación, se supliría la solicitación para la nueva aeronave. Estructuralmente el diseño se satisface con un recrecimiento de 2.5 pulg. Los espesores de sobrecapas deben ser comparados con los requerimientos para satisfacer la geometría del pavimento como corrección del perfil longitudinal y transversal, drenajes y el grado de ajustes con otras estructuras. 6.3.2 Sobrecapas de Mezcla Asfáltica en Caliente sobre Pavimentos Rígidos Existentes Para calcular el espesor requerido de la sobrecapa de una mezcla asfáltica en caliente sobre un pavimento rígido, es necesario calcular el espesor requerido para un pavimento rígido simple y se compra según la siguiente fórmula: T

=

T F Hd

= Sobre capa de Pavimento asfáltico en caliente = Factor que controla el grado de fisuramiento del pavimento rígido. = Espesor del nuevo pavimento rígido. Los parámetros de K y fx, son los del pavimento existente = Indica la integridad estructural del pavimento existente. = Espesor de la losa existente.

Cb he

2.5 ( F*hd – Cb*he)

El factor F controla el grado de fisuramiento que puede ocurrir debajo de un pavimento de concreto asfáltico. Este es función del trafico y el modulo de resistencia de la Subrasante. Normalmente un factor de 1.00 es cuando las condiciones del pavimento existente son buenas. Para el cálculo se utiliza el gráfico 6.1 para diferentes niveles de tráfico.

140

El factor Cb, se aplica al pavimento existente y está determinado de acuerdo a la integridad del pavimento. Los ensayos de pruebas no destructivas son herramientas excelentes para establecer el Cb. El factor de Cb tiene un valor de 1.0 cuando tiene un insipiente fisuramiento, y 0.75 cuando tiene un fisuramiento estructural avanzado. Cuando se utilizan valores de Cb menores a 0.75, podría no ser aconsejable la sobrecapa, si no se modifica su calidad o se minimice su deterioro, debido a las probabilidades de reflexiones por fisuramiento. En algunos casos es preferible remplazar la losa para obtener un Cb más alto y así mismo reducir la sobrecapa. Con el número de condición de pavimento, se puede dar un valor aproximado de Cb. TABLA 6.1 Cb 0.35 a 0.50 0.51 a 0.75 0.76 a 0.85 0.86 a 1.00

Cr 0.75 a 0.80 0.81 a 0.90 0.91 a 0.95 0.96 a 1.00

F 1.00 1.00 1.00 Use gráfica 6.1

La fórmula para una sobrecapa asume que el pavimento rígido es capaz de soportar las cargas a través de una acción de la flexión. Un gran sobrecapeo (20 pulg) en algún punto de un pavimento rígido existente, este puede reflejar en su comportamiento como si fuera una base granular de buena calidad. Cuando esta condición es encontrada, se diseña como un pavimento flexible con la existencia de una base de buena calidad. Cuando las condiciones del pavimento rígido son demasiado pobres, un fisuramiento estructural extensivo, juntas totalmente falladas etc., se recomienda establecer este pavimento como una cama de base, para lo cual se quiebra el pavimento rígido y se compacta sus piezas, para que se afirmen en la fundación. En este caso el diseño se trabaja como un pavimento flexible con una base granular. El mínimo espesor de una capa de mezcla asfáltica en caliente que se recomienda colocar sobre un pavimento rígido es de 5 pulgadas. Encima de una geomembrana para evitar reflexión, la capa de pavimento no debe ser menor de 3 pulg.

141

6.3.3

GRAFICA 6.1 Sobrecapas de Pavimento Rígido sobre Pavimento Rígido.

142

Los diseños de las sobrecapas se basan en los parámetros y gráficas que se utilizan para el cálculo de los diseños de los pavimentos rígidos. El modulo de fundación del pavimento existente se debe hallar con ensayos no destructivos o por medio de sondeos que a través de este. El modulo de fundación que se utiliza para el diseño del pavimento debe ser el del pavimento existente. Por medios de ensayos no destructivos y con juicio del ingeniero diseñador, se deben establecer las características de las capas que componen la estructura del pavimento con ensayos exhaustivos que garanticen estos valores. Se debe establecer el grado de condición del pavimento (PCI) existente acorde a estos parámetros: TABLA 6.2 Cr 1.00 0.75 0.35

Condición del pavimento existente Pavimento en buenas condiciones, ligero o minino fisuramiento Muestra fisuramiento en los borde y esquinas de las losas de tipo no progresivo Pobre condición estructural y se presenta fallado

El espesor requerido de sobrecapa se obtiene de la siguiente fórmula: hc = (h ^1.4 – Cr he ^1.4) ^ 1/4 hc h he Cr

= = = =

Espesor requerido espesor requerido por curvas de diseño Espesor existente del pavimento rígido factor de condición existente

Se debe utilizar valores de Cr que estén entre 1.00 y 0.75, el uso de factores de Cr menor que 0.75 no son recomendados por la gran probabilidad de que se reflejen los fisuramientos. La ecuación usada en la parte de arriba considera que la resistencia del concreto de diseño es igual a la del concreto existente. Cuando se emplea una resistencia a la flexión diferente y mayor a 100 a psi, la ecuación a utilizar es la siguiente:

hc = (h *1.4 – Cr* hb ^ (1.4* h * he)) ^ 1/4 hb = Espesor del pavimento a la resistencia de flexión del pavimento que sirve de base.

6.3.4

Sobrecapas de Pavimento Rígido sobre Capa de Nivelación

En algunos casos es necesario aplicar una capa de nivelación de mezcla asfáltica en caliente, antes de aplicar la capa de pavimento rígido. En estas condiciones la formula

143

aplicar es diferente para la respectiva sobrecapa. Cuando se separa los dos tipos de pavimento, el de recrecimiento y el existente, las losas actúan con mayor independencia que cuando se encuentran en contacto unas con otras. La fórmula para el espesor de la losa de sobrecapa es la siguiente hc = (h ^2 – Cr he ^ 2) ^ 0.5 hc = Espesor requerido de losa de sobrecapa h = espesor requerido por curvas de diseño he = Espesor existente del pavimento rígido Cuando la resistencia a la flexión de la sobrecapa difiere por más de 100 psi, la ecuación se modifica de la siguiente manera: hc = (2h –2Cr*(h/hb)* he ) ^ 0.5 hb = Espesor requerido de losas simple determinado para la resistencia a la flexión del pavimento base. No se permite como capa de nivelación tipo granular por constituye un pavimento tipo sándwich 6.3.5

Sobrecapas de Pavimento Rígido Ligados

Se puede utilizar recrecimientos de losa de pavimento rígido ligado fuertemente, con el fin de que se comporten como una sola losa monolítica. El espesor del recrecimiento se calcula sustrayendo el espesor del pavimento existente, a partir de la losa requerida, de acuerdo a las gráficas de cálculo. La formula sería para la sobrecapa ligada: hc = h – he hc = Espesor requerido de losa de sobrecapa h = espesor requerido por curvas de diseño he = Espesor existente del pavimento rígido Esta condición se puede usar solamente cuando las condiciones del pavimento existente se hallan en perfecto estado. El problema entonces se concentra en el tipo de ligamento que se debe utilizar, y a la preparación de la superficie del pavimento existente.

6.4

Juntas de los Concretos de Sobrecapa.

Cuando se establece colocar una sobrecapa sobre un pavimento rígido existente, se debe estudiar cuidadosamente, en razón de que las juntas del pavimento existente van alterar el arreglo del diseño de la losa calculada. Se enuncia los siguientes pasos como recomendaciones:

144

a) b)

c)

d)

Las juntas no necesitan ser las mismas del pavimento existente solo en el caso de que se trate una sobrecapa ligada. No es necesario proveer una junta de expansión, por cada junta de expansión del pavimento existente; sin embargo un corte o plano de abatimiento se debe proveer con 0.30 m de la junta expansión existente. Juntas de contracción En las sobrecapas donde se tenga parcial o no-ligamento, pueden ser colocadas directamente sobre ellas, o dejando los 0.30 a la junta de expansión, construcción o contracción. Las juntas de contracción en sobrecapas ligadas se deben localizar a 1.2 m de la junta del pavimento existente. Sobrecapas con largos o anchos mayores a 6.10 m deben ser reforzadas de acuerdo a su espesor.

145

7

DISEÑO DE PAVIMENTOS PARA AERONAVES LIVIANAS

7.1

Generalidades

El diseño de pavimentos para aeronaves livianas se concentra en aquellas en que su peso bruto de operación es menor a 30,000 lbs (13,000 kg). Las aeronaves de estos pesos por lo general están destinadas a servir actividades de instrucciones, recreacionales y vuelos regionales. 7.2

Sección Típica.

La sección típica es similar a las que sirven aeronaves de mayor peso y se componen por lo general de una Subbase, base y concreto asfáltico cuando es pavimento flexible y de Subbase y losa de concreto de cemento portland cuando es pavimento rígido. Ver gráfica 7.1 7.3

Materiales para Pavimento Flexible.

El tipo de mezcla asfáltica utilizada es la compuesta según norma P-401, hecha en planta y en caliente e intentan servir a aeronaves de 5,700 libras o más. Como base granular se puede utilizar toda la gama de base descritas para aeronaves pesadas. La Subbase usualmente es requerida excepto cuando la Subrasante tiene un CBR mayor de 20. Los materiales que la componen se deben ajustar a la norma P-154. Se puede utilizar materiales de tipo base, pero estos entran jugar el aspecto económico. Se puede utilizar materiales estabilizados y se utilizan los factores de equivalencia descritos en el capítulo 4, con el fin de reducir espesores de la base y Subbase. La Subrasante se debe compactar de acuerdo a la tabla siguiente:

TABLA 7.1

Peso del avión Suelos no cohesivos, profundidad Suelos cohesivos profundidad en libras de compactación en pulg de compactación en pulg 100 % 95 % 90 % 85 % 95 % 90 % 85 % 80 % 12,500 o menos 6 6-9 9-18 18-24 4 4-8 8-12 12-15 12,501 o más 8 8-12 12-24 24-36 6 6-9 9-12 12-15

7.4

Diseño de Pavimentos Flexibles

146

La gráfica 7.2, muestra los espesores requeridos para aeronaves desde 4,000 hasta 30,000 lbs de peso. El espesor obtenido por estas gráficas se debe utilizar en todas las áreas del aeropuerto. Se debe considerar dentro del diseño, que este pavimento pueda soportar los equipos de mantenimiento y combustibles. Para el uso de la gráfica se requiere el valor de CBR de la Subrasante y el peso bruto de la aeronave de diseño la cual nos arroja el espesor total del pavimento. El espesor de la base es determinado usando la línea de CBR 20. La diferencia de espesores de CBR 20 y Subrasante nos da el espesor de la Subbase a utilizar. La FAA recomienda como mínimo espesor de carpeta asfáltica 2 pulgadas. La razón de colocar este espesor, es la dificultad que se presenta en la compactación y colocación de la carpeta con espesores menores. El mínimo espesor de base a colocar varia de 3 a 6 pulgadas, cuando varia el espesor de la Subbase de 14 a 0 pulgadas. El Instituto del Asfalto trabaja los diseños de estructuras de pavimento de varias formas según la disponibilidad de materiales, y presenta sus diseños para estructuras tipo FullDepth, o espesor total en concreto asfáltico, estructuras utilizando una base emulsificada bajo el concreto asfáltico y una base no tratada debajo del concreto. Utiliza los mismos parámetros de la FAA, como peso de la aeronave y CBR de la Subrasante. Ver gráficas 7.3 y 7.4

7.5

Materiales para Pavimentos Rígidos.

Se utilizan losas de concreto de cemento portland, y debe cumplir la especificación P-501, la Subbase a utilizar será de un espesor mínimo de 4 pulgas cuando se pretenda servir aeronaves de 12,000 lbs hasta 30,000 lbs. Para pavimentos que van hacer ser utilizados por aeronaves de 12,000 lbs o menos, no requiere Subbase excepto cuando se encuentran suelos tipo OL, MH, CH y OH. Los materiales utilizados para Subbase deben cumplir con la especificación P-154. La Subrasante debe ser compactada siguiendo los siguientes criterios. Cuando se encuentre suelos cohesivos se debe compactar la sección a un 90 % hasta las 6 pulg. Para suelos no cohesivos usados en relleno, se debe compactar las 6 pulgadas de arriba al 100% y de ahí en adelante hasta un 95 %.Para secciones en corte, las primeras 6 pulg al 100 % y un remanente de 18 pulg al 95 %. Suelos susceptibles a hinchamiento se deben tratar como el capítulo 3.

147

148

149

150

7.6

Diseño de Pavimentos Rígidos.

151

En el diseño de estructuras se utilizan dos tipos de espesores: Para aeronaves de 12,000 lbs (5,700 kg) o menos, la losa es de 5 pulg mínima. Para aeronaves de 12,501 a 30,000 lbs (13,000 kg) la losa es de mínimo 6 pulg. 7.7

Juntas de Pavimento Rígido.

El máximo espaciamiento para juntas longitudinales es de 3.8 m y transversales de 4.8 m. Los detalles se muestran en las gráficas 7.5 a 7.7. Se permiten juntas de construcción y expansión cuando se utilizan sobases estabilizadas con cemento o asfalto. Se permiten juntas con llave cuando el espesor de la losa es superior a 23 cm. Si se quiere reforzar losas, la cuantía mínima es del 0.05 % de acero en ambas direcciones. El espesor de la losa se aumenta 1.25 veces cuando llega a un final de pavimento y como mínimo a 1 m de distancia.

152

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154

155

8

EVALUACION DE PAVIMENTOS

8.1

Generalidades

Las evaluaciones de los pavimentos de aeropuertos son necesarias para asegurar la habilidad de que un pavimento existente es capaz de soportar diferentes tipos de pesos y volúmenes de tráfico de aeronaves. La evaluación también es requerida para determinar las condiciones existentes del pavimento para ser usado en la planeación y diseño de nuevos requerimientos para el aeropuerto. La evaluación de pavimento es prácticamente en reversar los procedimientos de diseño. 8.2

Procesos de Evaluación a) Búsqueda de información de revisiones historia de la construcción, consideraciones de diseño, especificaciones, resultados de ensayos de laboratorio e historia del mantenimiento. Estos se deben completar con los records del tráfico usado y complementar con el tráfico actual. b) Inspecciones en sitio del pavimento, del drenaje, de suelos susceptibles a cambios volumétricos y reacción de los agregados por efectos atmosféricos. c) Muestreo y ensayos en el sitio, de acuerdo a lo se requiera se profundiza más su inspección, no siendo lo mismo para saber su capacidad actual, que para su futuro plan maestro. d) Utilización de ensayos no destructivos, que están sujetos al control de la carga aplicada y la respuesta del pavimento a esta carga. La ventaja de la utilización de esta prueba es que el pavimento se ensaya a las condiciones de humedad, densidad y carga que en el momento están actuando según sea la distribución del tráfico; no se cierra el aeropuerto por tiempos altos y se minimiza totalmente ensayos destructivos.

8.2

Metodología por el PCI (Índice de Condición del Pavimento)

Esta metodología es la más usada para conocer el estado de un pavimento. El PCI es un dato numérico de la condiciones de la superficie de un pavimento, y es una medida de la funcionalidad de su desempeño con implicaciones del desempeño estructural. El rango de un PCI de 100 es cuando el pavimento se encuentra con no defectos y un PCI de 0 cuando no presenta ningún remanente de vida de servicio. El índice es usado en describir deterioros y comparándolos en una igual base de medida. Esta metodología es aplicada a pavimentos flexibles como rígidos y a cada uno se le describe los defectos, ponderando cada defecto según sea su magnitud registrando los cuadros 8.1 y 8.2. El PCI establece como unidades de muestreo, el área que enmarque 20 losas para pavimento rígido, y para pavimento flexible, las secciones de 300 m por 150 de ancho o el ancho de la pista.

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157

158

Rata de condición PCI entre 86 - 100 condición excelente. PCI entre 71 - 85 condición muy buena PCI entre 57 – 70 condición buena PCI entre 41 – 56 condición regular PCI entre 26 – 40 condición pobre PCI entre 11 - 25 condición muy pobre PCI entre 0 – 10 condición fallada.

8.3

Evaluación de Pavimentos Flexibles

Los requerimientos para una evaluación de una estructura de un pavimento flexible, como mínimo, conocer el espesor de los diferentes estratos, y el CBR de la Subrasante. Para obtener el CBR de la Subrasante es preferible que sea obtenido por el CBR de campo, que nos da el estado actual de la Subrasante a los contenidos de humedad cuando esta ya se ha estabilizado. Un buen resultado de CBR de campo es cuando la estructura ya ha cumplido más tres años de colocación, tiempo suficiente que se considera que ha estabilizado la estructura del suelo. Si no es posible hacer los ensayos de campo, se tendrá que utilizar un CBR de laboratorio con muestra del terreno y por último, con caracterizaciones del suelo por clasificación y utilizando las tablas dadas en los capítulos 2, 3 y 4. Este mismo criterio de CBR de campo y densidad, se puede utilizar para las base y Subbase y compararse con la respectivas base y Subbase de predeterminada calidad, según sea su especificación y su sección estándar, y aplicarse las respectivas equivalencias dadas es tablas 4.3 y 4.4 el capitulo 4. Conocidos los parámetros de evaluación, de la Subrasante, Subbase, base y número de salidas equivalentes de la aeronave que se está estudiando, se hace un reverso de los procedimientos de diseño, utilizando las curvas del capítulo 4, para determinar la capacidad de carga del pavimento existente. A lo anterior, se debe hacer un chequeo del mínimo espesor de base, de Subbase y espesor mínimo de carpeta asfáltica. Como enunció anteriormente, se pueden utilizar factores de deterioro dados por Instituto del Asfalto, pero estos son bastantes rígidos en su evaluación de caracterización.

8.4

Pavimentos Rígidos

Como en el caso de los flexibles se requiere conocer el espesor de las capas que componen el pavimento, la resistencia a la flexión del concreto y el modulo de reacción de la Subrasante. Como parámetro de importancia, la obtención de la resistencia a la flexión, se vuelve critica, debido al tipo de ensayo que se debe ejecutar, y a la cantidad de muestras que se

159

deben probar para determinar un valor exacto, más cuando no se conoce su historia o record de ensayos. Se han establecido una serie de correlaciones en base a experiencias dadas por Portland Cement Association las cuales se resumen así: R = 1.02 (ft + 200 psi) R = Resistencia a la flexión en psi ft = Resistencia a la tensión del SPLIT en psi Si se tiene en unidades métricas se suma 1.38 Mpa en vez de 200 psi. El otro modelo es de acuerdo a la resistencia a la compresión del concreto y se resume así: R = 9 √(fc) R = Resistencia a la flexión en psi fc = Resistencia a la compresión Como en el caso de los pavimentos flexibles para obtener el K de la Subrasante es preferible que sea obtenido por el método de la placa de carga, que nos da el estado actual de la Subrasante a los contenidos de humedad cuando esta ya se ha estabilizado, si no ha sucedido esta estabilización se utiliza el factor de corrección de humedad de saturación de la Subrasante. Un buen resultado de K de campo es cuando la estructura ya ha cumplido más tres años de colocación, tiempo suficiente que se considera que han estabilizado la estructura del suelo. Cuando no es posible hacer este ensayo de campo, se tendrá que utilizar un CBR de laboratorio con muestras del terreno, y utilizar las tablas de conversiones de CBR a K, y si no es posible por último, con caracterizaciones del suelo por clasificación y utilizando las tablas dadas en los capítulos 2, 3 y 4. Se debe tener en cuenta los ajustes del modulo de Subrasante por compensación del espesor y calidad de la Subbase.

8.5

Método del PCN y ACN

La Organización de Aviación Civil Internacional OACI desarrollo un método estandarizado de reporte de la resistencia del pavimento conocido como Número de Clasificación de la Aeronave contra Número de Clasificación de Pavimento ACN/PCN. El método se basa en la resistencia reportada en términos una carga equivalente de rueda simple. ACN Un número el cual expresa el efecto estructural relativo de una aeronave en diferentes tipos de pavimentos para una especificada resistencia de la Subrasante en términos de una carga estandarizada de rueda simple. PCN Una número el cual expresa la capacidad de soporte relativa de un pavimento, en términos de una carga estandarizada de rueda simple. 160

El sistema está estructurado de tal forma que un pavimento con un particular valor de PCN, pueda soportar sin restricciones de peso, una aeronave la cual tiene un valor de ACN igual o menor que el valor del PCN del pavimento. Esto es posible porque los valores de ACN y PCN son calculados usando la misma técnica.

8.5.1 Determinación del ACN El cálculo de ACN, es siempre calculado y determinado solamente por las manufactureras de aeronaves, y ha sido desarrollado para pavimentos rígido y flexible, y para cuatro niveles de resistencia de Subrasante. Para pavimentos rígidos sus parámetros de cálculo se utiliza los valores de K, determinado por el ensayo de placa de carga, asume una resistencia de carga de 399 psi del concreto, una carga de una rueda simple expresada en kilogramos y una presión de inflado de 181 psi (1.25 Mpa). Para flexible trabaja con los parámetros de CBR, una carga de una rueda simple y la misma presión de inflado.

8.5.2 Determinación de PCN Se determina siguiendo los procedimientos descritos, para evaluar un pavimento, conociendo datos de la resistencia de la Subrasante, la carga aplicada, su frecuencia. y para lo cual se han establecido gráficas que convierten en un valor relativo estándar. El PCN se obtiene según el programa COMFAA 3.0 de la FAA, tiene como limitación que es un reporte de resistencia solamente y no puede ser usado para diseño o evaluación de pavimentos, en razón de que estos son problemas de ingeniería que requieren detalles en su análisis, y no reducirse a un simple número. 8.5.3 Reporte del PCN Se da por medio del reporte de cinco elementos que son: Valor numérico del PCN, Tipo de Pavimento, Resistencia de la Subrasante, presión de inflado y método de evaluación. El valor numérico esta presentado en dos diferentes categorías, una para aeronaves pesadas de 13,000 o más y livianas que están entre 5,700 kilos a 12,999 kilos.

8.5.4 Tipo de pavimento. Se utiliza el código (R) para el pavimento rígido y (F) para flexible. Si una pista está compuesta por pavimento rígido y tiene una sobre capa de mezcla asfáltica, la manera más usual, es convertir este espesor, en espesor equivalente de pavimento rígido y reportarlo con la letra R. Cuando los espesores de asfalto son considerables, y la losa de pavimento se

161

trabaja o se maneja a una equivalencia de base estabilizada de alta calidad, el pavimento se evalúa como una estructura de pavimento flexible.

8.5.5 Resistencia de la Subrasante La Subrasante se categoriza usando la siguiente tabla de acuerdo al tipo de pavimento. Tabla 8.1 Categoría

Alta Media Baja Ultrabaja

Pavimento rígido K PSI > de 442 psi 221-442 92-221 < de 221

NM/m3 > de120 60-120 25-60 < de 25

Pavimento flexible CBR

Letra de Designación

Tipo de suelo

> de 13 8-13 4-8 < de 4

A B C D

GW,GP,GM GC,SW,SM,SP SC,ML,Cl,OL OM,CH,MH

8.5.6 Presión de inflado Cuatro categorías son usadas para el reporte y se define en la siguiente tabla Tabla 8.2 Categoría Alto Medio Bajo Ultrabajo

Rango Psi Ilimitado 146-218 74-145 0-73

Mpa Ilimitado 1.01-1.50 0.51-1.0 0.0-0.50

Código de Designación W X Y Z

La presión de inflado tiene un pequeño efecto en superficies con pavimento de cemento portland, las cuales pueden soportar altas presiones de inflado. Las presiones pueden ser restrictivas de acuerdo a la calidad de la mezcla y condiciones climáticas del pavimento. DE lo anterior se usa frecuentemente la letra W. 8.5.7 Tipo de Evaluación Se reconocen dos métodos, uno técnico que se designa con la letra T, es cuando se ha realizado una evaluación técnica a la estructura del pavimento. Con la letra U, cuando se ha realizado una evaluación al pavimento con base en la experiencia y al tipo de aeronave que está utilizando la pista y para lo cual el pavimento no sufrido deterioro. Reporte se dará de la siguiente manera como ejemplo 25/F/A/W/U.

162

8.6 TERMINOLOGIA EQUIVALENTE Para determinar un PCN como una evaluación técnica, es necesario definir términos comunes como trafico de aviones y carga del pavimento. Los términos de llegada, salidas, pasos, coberturas, repeticiones de carga, operaciones y ciclo del tráfico, son a menudos usados e intercambiados por diferentes organizaciones, cuando se determina su efecto en la operación de una aeronave en una pista. a. Aterrizajes y despegues. Típicamente las aeronaves llegan con poca cantidad de combustible con respecto a un despegue, como consecuencia de esto, los esfuerzos de carga por rueda que se aplican al pavimento son menores que el despegue por tener la aeronave menor carga. Esta verdad, como el aterrizaje en la zona de contacto, se asume más bajo, debida a que las cargas se alivian por el esfuerzo dinámico vertical que proporcionan las alas. Por esta razón la FAA ignora en el diseño de pavimentos las llegadas y solo y tiene en cuenta las salidas. Pasos: Un paso es una traslación de una aeronave sobre una pista, esto puede ser en llegada, en salida, en una calle de rodaje, o en todas las tres, dependiendo de la magnitud de la carga y la localización en la calle. La figura A1 muestra un típico tráfico asociado a una pista que tiene una calle paralela y otra con una calle central.

La calle paralela requiere que algún movimiento o pequeño uso de la pista, se use como un movimiento de carreteo. La calle central requiere de mayor permanencia de uso de la pista durante su movimiento de carreteo.

163

i)

Escenario de una calle paralela (Calle de rodaje.)

Caso A1a, Calle paralela, presenta dos situaciones posibles, para esto se asume que los pasajeros y la carga de pago son aproximadamente los mismos en operaciones de aterrizaje y despegue. 1) Si la aeronave obtiene combustible en el aeropuerto, luego el ciclo de tráfico es solamente uno, por que los esfuerzos por aterrizaje dados por la carga son de un nivel reducido. Para esta condición (P/TC) es igual 1. 2) Si la aeronave no obtiene combustible, entonces las dos condiciones de pasos son contados con iguales de carga y de esfuerzo. Para esta condición el P/TC ratio es 2. ii)

Escenario de calle de rodaje Central (Central Calle de rodaje.)

Para la configuración de calle central A1b, como se dijo en la calle paralela, se presentan en las dos situaciones que la carga de pago es la misma para despegue y aterrizaje. 1) Si obtiene combustible en el aeropuerto luego el despegue y carreteo deben ser contados como dos pasos, el aterrizaje puede ser ignorado en este caso porque la pista solo en alguna parte puede ser usada. Entonces P/TC es igual a 2 2) Si la aeronave no obtiene combustible por el aeropuerto, entonces el despegue y aterrizaje se deben contar como paso y con el paso de la calle de rodaje y el radio de ciclo tiene la misma magnitud y en este caso P/TC es 3. iii) Una simplificación pero en menor conservación es tomar P/TC igual a 1, para todos los casos. La FAA recomienda par la evaluación de la conductas del aeropuerto del lado conservativo, lo cual asume, un paso cuando entra a la pista. c.

Coberturas.

Cuando un aeroplano se mueve a lo largo de la pista, la trayectoria de su viaje es una línea recta y su paso es el mismo por la misma rueda anterior. Una Cobertura ocurre cuando por unidad de área, una rueda ha atravesado la pista con el tren principal. Debido a la estadística, la unidad de área de la pista no se cubre todas las veces con la misma rueda. El número de pasos requeridos estadísticamente para cubrir la unidad de área en un tiempo en el pavimento es expresado por pasos a Cobertura por (P/C).

A través de este término o relación P/C se aplica a los pavimentos rígidos y flexibles, y tiene un significado diferente cuando se aplica, debido a la reacción de los trenes y su configuración. Para configuraciones dual tándem (2D) y triple tándem (3D), los radios son diferentes tanto para rígido como para flexible

164

Los pasos de las aeronaves pueden ser determinados por observación pero las Coberturas son estimadas por el programa CONFAA. La relación P/C para convertir pasos a Coberturas debe usarse con el programa. Estos radios son diferentes para cada aeroplano por la diferencia de los números de ruedas y la configuración del tren principal, por el área de contacto y la carga por tren, cada radio cambia significativamente para cada avión cuando el área de contacto varia debido a la carga aplicada, para propósitos de este documento el P/C debe ser reportado como el radio obtenido por el programa COMFAA, solamente se necesita asumir el numero de pasos. Los radios de los trenes de ruedas tándem son diferentes en flexible y rígido, y esto ocurre por el método de como se asuman los esfuerzos. Se asume que en el pavimento flexible la carga asociada tiene una serie de esfuerzo picos, dependiendo del número de ruedas del tándem, pero en un pavimento rígido se actúa como una simple deflexión de la placa con un solo esfuerzo pico por el grupo de ruedas. Generalmente los trenes simples o dobles dan un solo esfuerzo de carga por paso sin importar el pavimento. Sin embargo, el esfuerzo de un tren tándem en un pavimento flexible es doble por las dos repeticiones de carga y en el pavimento rígido el esfuerzo es uno solo debido al efecto de un esfuerzo por grupo de ruedas. Un triple tándem dará en el flexible tres tiempos de esfuerzo, pero solo uno se dará en el rígido. Esto se establece en el programa COMFAA,

d. Operaciones (Operation). Este término es usado para el diseño de pavimento, tomando la carga full tanto para la salida y carga mínima para el aterrizaje. Esto a menudo es usado intercambiándolo con el ciclo de tráfico y pasos, que para esta sección es preferible utilizar los términos más precisos. . e. Ciclo de tráfico y relación de ciclo (Traffic Cycle and Traffic Cycle Ratio). Como se ha discutido, un ciclo de tráfico puede incluir un paso por aterrizaje, un paso por rodaje o todos los tres. Para el diseño de pavimento o para la evaluación de la relación del ciclo de tráfico y Coberturas (TC/C) en Pavimentos Flexibles, se toma los pasos a coberturas, y se requiere tener más de un paso por ciclo de tráfico. Cuando solo se tiene un paso en la operación se asume la cantidad por cada tráfico, entonces el radio P/C es suficiente. Pero las situaciones encontradas es que se tiene más de un paso, por lo que se considera el evento del aterrizaje y despegue, entonces se debe considerar el TC/C para ordenar la cantidad de los efectos por todo el tráfico. Esto ocurre muy a menudo en la parte central de las calles de rodaje o cuando no es llenado el aeroplano en el aeropuerto. La ecuación siguiente TC/C = (P/C) / (P/TC) (Ecuación 1) Donde: TC = Traffic Cycles C = Coverages P = Passes El programa CONFAA 3.0 calcula automáticamente estos términos.

165

CÁLCULOS DEL TRÁFICO EQUIVALENTES. Con el fin de completar los cálculos del tráfico equivalente para la conversión de una de las aeronaves en la mezcla a otro, se utiliza un procedimiento basado en el factor de daño acumulativo, (CDF). El método es similar a la utilizada en los procedimientos de diseño incorporado en el programa de diseño FAARFIELD, requerido por la AC 150/5320-6, y proporciona resultados más consistentes que la Método de rueda de carga (como en CBR FAA y los métodos de Westergaard) cuando la mezcla de tráfico contiene una amplia gama de geometrías de engranaje y cargas larguero. La principal diferencia entre el CDF procedimiento usado aquí y en el de FAARFIELD es que en FAARFIELD, la CDF es sumado sobre todas las aeronaves para producir el criterio de diseño, mientras que en el procedimiento utilizado aquí la metodología CDF se utiliza para convertir el tráfico para la mezcla completa en un número equivalente de coberturas de una de las aeronaves en la mezcla. Aeronave que se designa como la "crítica" o aeronaves "más exigente" es la aeronave para la determinación de PCN, el diseño de espesores, se base en el avión de diseño de mayor espesor (Criterio de la FAA CBR y los métodos de Westergaard). La carga de la rueda método se describe brevemente antes de describir el método FCD. En el método de carga de la rueda, seleccionar una de las aeronaves en la mezcla a ser la aeronave crítica ya continuación, convertir el tráfico de la aeronave permanezca en el tráfico equivalente de la aeronave crítica. En primer lugar, con la ecuación A1-1, convertir el tráfico para el tipo de engranaje de cada una de la conversión de las aeronaves en tráfico equivalente para el mismo tipo de arte como la aeronave crítica.

(Ecuación 2)

Donde: TCCNV = el número de ciclos de tráfico de los aviones de conversión. TCCRTGE = el número de ciclos de tráfico de la aeronave crítica equivalente al número de ciclos de tránsito de las aeronaves debido a la conversión de equivalencia de ejes. N = el número de ruedas del tren de aterrizaje principal de la aeronave conversión. M = número de ruedas del tren de aterrizaje principal de la aeronave crítica. En segundo lugar, con la ecuación A1-3, convertir los ciclos de equivalencia de engranajes de tráfico en equivalentes de el tráfico basándose en la magnitud de la carga.

(Ecuación 3)

166

Donde: TCCRTE = el número de ciclos de tráfico de la aeronave crítica equivalente al número de ciclos de tránsito de las aeronaves debido a la conversión de tipo de arte y magnitud de la carga equivalencias. WCNV = la carga de la rueda de la aeronave conversión. WCRT = la carga de la rueda de la aeronave crítica.

Alternativamente, ambas operaciones se pueden combinar en una sola ecuación:

(Ecuación 4)

Finalmente, los ciclos de tráfico equivalente de todos los aviones de la conversión se añaden a la original ciclos de tráfico de la aeronave crítica para dar a los ciclos totales equivalentes de tráfico de la crítica aeronave. En el método CDF, el número de ciclos de tráfico equivalente de la aeronave crítica se define como el número de ciclos de tráfico de la aeronave crítica que hará que la misma cantidad de daños en el pavimento como el número de ciclos de tráfico de los aviones de conversión, donde daño se define por CDF. CDF se deriva de la regla de Miner, que señala el daño inducido en un elemento estructural es proporcional al número de aplicaciones de carga dividido por el número de aplicaciones de carga requerido para fallar el elemento estructural. En el diseño de pavimento aeropuerto, las aplicaciones de carga son contado en coberturas, por lo que la relación para el cálculo de tráfico equivalente se deriva primero en términos de coberturas.

CDF factor de daño acumulativo resultante de las coberturas equivalentes de la aeronave crítica coberturas de fallar el pavimento cuando se carga por la aeronave crítica coberturas equivalentes de la aeronave crítica

167

CDF es la fracción de la vida útil del pavimento total utilizada por la operación indicada de la aeronave enel pavimento. De ello se deduce que el CDF para las aeronaves críticas equivalente es igual a el CDF para el avión de conversión. O bien:

(Ecuación 5) Pero

Donde: TCCNV = el número de ciclos de tráfico de los aviones de conversión. TCCRTE = el número de ciclos de tráfico de la aeronave crítica equivalente al número de ciclos de tráfico de los aviones de conversión. PCCNV = pasos-para el índice de cobertura de la aeronave conversión. PCCRT = pasos-para el índice de cobertura de la aeronave crítica. Por lo tanto, los ciclos de tráfico equivalente de la aeronave crítica por el método FCD está dada por:

(Ecuación 6)

La ecuación 6 se puede reescribir como:

Donde: CCRTEI = el número de coberturas equivalentes de la aeronave Ith en la lista, incluyendo el aeronave crítica. CDFCNVI = el CDF de la aeronave del primer avion en la lista, incluyendo la aeronave crítica.

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Sumando sobre todas las aeronaves en la lista da el número total de equivalentes de las coberturas aeronave crítica, CCRTETotal , como:

Donde n = el número total de aeronaves en la lista, incluyendo la aeronave crítica. Definición del total de CDF para la mezcla de tráfico, CDFT, como el número total de coberturas equivalentes de la aeronave crítica dividido por el número de coberturas a un fallo de la aeronave crítica, da la ecuación:

(Ecuación 7) El total CDF para la mezcla de tráfico es por lo tanto, según esta definición, la suma de las FDC de todos la aeronave en la mezcla de tráfico, incluido el de la aeronave crítica. Tabla A1-2 muestra cómo los cálculos anteriores se combinan, utilizando el Life COMFAA cálculo con la opción controlado por lotes, para determinar los ciclos de tráfico equivalente de la aeronave crítica. El pavimento se supone que es una estructura flexible 33,80 pulgadas de espesor sobre una CBR 8 subrasante. Para este ejemplo, supongamos que el B747-400 es la aeronave crítica. También asumir que la relación P / TC es de 1,0 para los ciclos de tráfico es igual Salidas Anuales. Haciendo referencia a la La tabla superior, la contribución CDF de cada aeronave en el pavimento se calcula divisorias 20-año Coberturas (columna 7) por la vida (columna 9), con los resultados mostrados en la Porción inferior de la mesa. El B747-400 es el avión crítico asumido, por lo que las operaciones de de todas las demás aeronaves se equiparan al B747-400. Los resultados se muestran en la Columna 11 de la Porción inferior de la mesa. Columna 11 resultados utilizamos la ecuación A1-6, es decir, (3000/0.6543) * Col. 10. La suma de las salidas equivalentes anuales (Ecuación A1-7) indica que todos los demás aviones son equivalentes a las salidas 468 del B747-400.

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La parte superior de la tabla se puede ver en la ventana de detalles en el programa después de ejecutar la función de la vida para pavimento flexible con el programa en el "MORE" modo. Espesor del pavimento y resistencia de la subrasante se debe introducir en el programa para que esta función funcione correctamente. Resultados para todas las aeronaves en la lista se calcula y se muestra si la casilla está marcada por lotes. De lo contrario, los resultados para sólo un avión se muestran. Las instrucciones detalladas se dan más adelante para el funcionamiento del programa. Coberturas hasta el fallo para cada aeronave individual se calcula en el programa cambiando el número de coberturas para que la aeronave hasta el espesor de diseño por el método CBR (para pavimentos flexibles) es el mismo que el espesor del pavimento evaluación, en este caso 33,8 pulgadas. Como se explicó anteriormente, la FCD es la relación de coberturas aplicadas a las coberturas al fracaso, y es una medida de la cantidad de daño causado a la acera de la aeronave durante un período de 20 años (bajo las suposiciones implícitas en el procedimiento de diseño). Si la CDF para cualquier avión es igual a uno, entonces el pavimento se prevé que fallan en 20 años si se trata de la única aeronave en funcionamiento. Si la suma de las CDF para todos los aviones de la lista es igual a uno, entonces el pavimento se prevé que en 20 años no con todas las aeronaves que operan en los pesos operativos asumidos y salidas anuales. La suma de los CDFs en este ejemplo es 0,7564, lo que indica que el pavimento se opera bajo un conjunto de suposiciones conservadoras. Cabe señalar que la suma de las CDFs, calculado en la COMFAA no estrictamente proporcionar una predicción de daño del pavimento causado por la acumulación de daño a

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partir de todos los aviones, porque no todos los engranajes de aterrizaje de aviones pasar por el camino longitudinal mismo. La suma da aquí, por tanto, proporcionar un resultado un tanto conservadora que esperado. En comparación con el programa de ordenador FAARFIELD, los valores COMFAA corresponden a la "Max CDF para aeronaves" valores de FAARFIELD. La "contribución" CDF valores de FAARFIELD se suman a lo largo de trayectorias longitudinales definidos y no corresponden a los valores de COMFAA, excepto cuando la Contribución y Max para valores de aeronaves coinciden. Este análisis indica, todas las cosas en igualdad de condiciones, el concepto equivalente avión crítico utilizado en CBR FAA y los métodos de Westergaard y en COMFAA, produce diseños más conservadores que el procedimiento utilizado en FAARFIELD, y por qué los dos métodos no pueden ser hechos para producir la mismas predicciones de la vida útil del pavimento de mezclas de tráfico diferentes.

APÉNDICE 2. PCN DETERMINACIÓN POR EJEMPLOS UTILIZACION DEL PROGRAMA COMFAA 3.0 APÉNDICE 3. MATERIAL DE LECTURA RELACIONADO Las publicaciones siguientes se usaron en el desarrollo de este CA: a.

CA 150/5320-6, Plan del Pavimento Aeropuerto y Evaluación. Esta publicación está disponible gratis del Departamento de Transporte, la Sección, M-442.32, Washington, DC, 20590,

c.

Boletín de ICAO, Revista Oficial de Aviación Civil Internacional, la Tecnología Aeropuerto, Volumen 35, No. 1, Montreal, Quebec, Canadá H3A 2R2, el l980 del enero.

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