ANÁLISIS DE DATOS EN LA AUSCULTACIÓN DE PAVIMENTOS EMPLEANDO EQUIPOS DE PRUEBA NO DESTRUCTIVA

JESÚS DAVID ALFONSO BARRERA

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE TRANSPORTE Y VÍAS TUNJA 2019

ANÁLISIS DE DATOS EN LA AUSCULTACIÓN DE PAVIMENTOS EMPLEANDO EQUIPOS DE PRUEBA NO DESTRUCTIVA

JESÚS DAVID ALFONSO BARRERA Cód.: 201320445

Trabajo de grado en la modalidad de practica con proyección empresarial para optar al título de Ingeniero en Transporte y Vías

Director: Ing. Esp. MAGDA CATALINA ORJUELA FAJARDO

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE TRANSPORTE Y VÍAS

TUNJA 2019

Nota de aceptación:

_______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________ _______________________________

______________________________ Firma del presidente del jurado

______________________________ Firma del jurado

______________________________ Firma del jurado

Tunja, 20 de febrero de 2019.

AUTORIZACIÓN DE REPRODUCCIÓN

La autoridad científica de la facultad de ingeniería reside en ella misma, por tanto

no responde por las opiniones expresadas en este proyecto de investigación.

“Se autoriza su uso y reproducción indicando su origen”

Porque siempre me cuidaron, protegieron y me dieron salud, dedico este trabajo de grado a Dios y a la Virgencita del milagro.

A mis padres, Inés Barrera y Jesús Alfonso quienes con su amor, dedicación, trabajo y valentía apoyaron en todo momento mis sueños y metas de formarme

profesionalmente. También por la paciencia que tuvieron por los momentos que no pudimos compartir juntos.

A mis hermanos, Diego, Diana, y Adriana por sus consejos en los problemas y obstáculos que se presentaban en mi camino y que no fueron impedimento para cumplir siempre con mi estudio y trabajo. Por su compañía, comprensión, amor y

sus buenos deseos.

A Valentina Hernández quien con su amor motiva cada instante de mi vida.

AGRADECIMIENTOS El autor de este trabajo de grado expresa sus agradecimientos a: Ingeniera Magda Catalina Orjuela Fajardo, directora de la pasantía quien dedico su tiempo y realizo aportes valiosos en la elaboración del libro. Ingeniero Javier Augusto Ortiz, ingeniero Senior en Dynatest Colombia y codirector de la pasantía, por compartir sus conocimientos en el ámbito de los pavimentos. Dynatest Colombia, empresa donde se realizó la pasantía, por ser formadora de grandes conocimientos a nivel de proyectos de ingeniería, especialmente de gestión de pavimentos. Escuela de transporte y Vías, por la oportunidad de llevar a cabo mi trabajo de grado en la empresa Dynatest.

CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 16

1. ASPECTOS GENERALES ................................................................................ 18

1.1 RESEÑA HISTÓRICA DE DYNATEST .............................................................. 19

1.2 SERVICIOS DE CONSULTORÍA DE DYNATEST ............................................. 19

1.3 EQUIPOS DYNATEST ...................................................................................... 20

2. DISEÑO METODOLÓGICO .............................................................................. 22

3. EQUIPOS DE EVALUACIÓN NO DESTRUCTIVA DE PAVIMENTOS .............. 23

3.1 EQUIPOS PARA MEDIR LA CONDICIÓN ESTRUCTURAL .............................. 23

3.1.1 LWD (Light Weight Deflectometer) – Deflectómetro Liviano .............................. 23

3.1.2 FWD (Falling Weight Deflectometer) – Deflectómetro de impacto ..................... 25

3.1.3 HWD (Heavy Weight Deflectometer) – Deflectómetro de impacto pesado ......... 27

3.2 EQUIPOS PARA MEDIR LA CONDICIÓN FUNCIONAL ................................... 29

3.2.1 MFV - Vehículo multifuncional ........................................................................... 29

3.2.2 Perfilómetro laser (RSP III) ................................................................................ 31

4. SOFTWARE PARA EL ANÁLISIS DE PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS ........... 33

4.1 ELMOD 6.0 ........................................................................................................ 33

4.2 DYNATEST EXPLORER ................................................................................... 35

5. METODOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS .................................. 37

5.1 ESTADO DEL ARTE ......................................................................................... 37

5.2 METODOLOGÍA AASHTO 93 ........................................................................... 40

5.2.1 Módulo resiliente de la subrasante .................................................................... 40

5.2.2 Normalización de deflexiones por temperatura .................................................. 41

5.2.3 Normalización de las deflexiones por carga ....................................................... 43

5.2.4 Modulo equivalente (Ep) .................................................................................... 43

5.2.5 Número estructural efectivo ............................................................................... 44

5.2.6 Análisis de tránsito ............................................................................................ 46

5.2.7 Espesor de la sobrecapa ................................................................................... 46

5.2.8 Vida residual del pavimento ............................................................................... 46

5.3 CARACTERÍSTICAS CUALITATIVAS DEL PAVIMENTO ................................. 48

5.4 ÍNDICE DE CONDICIÓN DEL PAVIMENTO (PCI) ............................................ 52

6. PROYECTOS, EVALUACIÓN ESTRUCTURAL Y/O FUNCIONAL .................... 55

6.1 PROYECTO 1: TRAMO VIAL, CAUCASIA – ZARAGOZA ................................. 55

6.1.1 Generalidades ................................................................................................... 55

6.1.2 Análisis de deflexiones ...................................................................................... 55

6.1.3 Módulos de la estructura de pavimento ............................................................. 59

6.1.4 Análisis mecanicista .......................................................................................... 62

6.2 PROYECTO 2: TRAMO VIAL – MAGDALENA MEDIO ..................................... 66

6.2.1 Generalidades ................................................................................................... 66

6.2.2 Evaluación estructural ....................................................................................... 67

6.2.2.1 Espesores con Georradar .............................................................................. 68

6.2.2.2 Deflexiones .................................................................................................... 72

6.2.2.3 Módulos retro-calculados en ELMOD 6.0 ....................................................... 78

6.2.2.4 Análisis vida residual ...................................................................................... 79

6.2.3 Evaluación funcional .......................................................................................... 81

6.2.4 Alternativas de rehabilitación ............................................................................. 82

6.3 PROYECTO 3: CALLE DE RODAJE EJE GOLF - AEROPUERTO BOGOTÁ ... 85

6.3.1 Evaluación funcional .......................................................................................... 85

6.3.2 Evaluación estructural ....................................................................................... 88

6.3.2.1 Módulos de las capas de pavimento .............................................................. 92

6.3.2.2 Vida remanente .............................................................................................. 94

6.3.2.3 Transferencia de carga .................................................................................. 96

6.3.3 Recomendación de intervenciones .................................................................... 97

7. CONCLUSIONES .............................................................................................. 99

8. RECOMENDACIONES .................................................................................... 102

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................. 103

INFOGRAFÍA ................................................................................................................. 105

ANEXOS ....................................................................................................................... 106

ANEXO A: TABLA MÓDULOS Y DEFLEXIONES P1 .................................................... 106

ANEXO B: DEFLECTOMETRÍA P2 ............................................................................... 106

ANEXO C: EVALUACIÓN ESTRUCTURAL Y DISEÑO DE REHABILITACIÓN P2 ....... 106

ANEXO C-1: ALTERNATIVA1 – REFUERZO ................................................................ 106

ANEXO C-2: ALTERNATIVA2 – RECICLADO ............................................................... 106

ANEXO C-3: VIDA RESIDUAL Y ANÁLISIS MECANICISTA ......................................... 106

ANEXO D: PCI EJE GOLF P3 ....................................................................................... 106

ANEXO E: ANÁLISIS ESTRUCTURAL EJE GOLF P3 .................................................. 106

LISTA DE FIGURAS

pág.

Figura 1. Fases metodológicas ........................................................................................ 22 Figura 2. Cuenco de deflexiones ..................................................................................... 28 Figura 3. Ubicación geófonos para transferencia de carga .............................................. 28 Figura 4. Curva de desempeño típica de los pavimentos ................................................. 31 Figura 5. Visión general de ELMOD................................................................................. 33 Figura 6. Rango de deflexiones identificadas en el mapa ................................................ 34 Figura 7. Módulos de superficie ....................................................................................... 35 Figura 8. Inspección de deterioros en DE ........................................................................ 36 Figura 9. Factor de ajuste por temperatura para un pavimento con base granular........... 42 Figura 10. Concepto de vida residual............................................................................... 47 Figura 11. Zonas del Cuenco de deflexión que representan la rigidez de las capas ........ 49 Figura 12. Escala para calificar el PCI ............................................................................. 53 Figura 13. Localización general proyecto 1 ...................................................................... 55 Figura 14. Deflexiones medidas zona 1 - carril derecho e izquierdo ................................ 57 Figura 15. Deflexiones zona 1 - carril de adelantamiento ................................................. 58 Figura 16. Deflexiones zona 2 – carril derecho e izquierdo .............................................. 58 Figura 17. Espesores de la estructura de pavimento flexible ........................................... 59 Figura 18. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C Zona 1 - carril derecho ............... 60 Figura 19. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C Zona 1 – carril izquierdo ............. 60 Figura 20. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C Zona 1–carril de adelantamiento 61 Figura 21. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C Zona 2 – carril derecho .............. 61 Figura 22. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C Zona 2 – carril izquierdo ............. 61 Figura 23. Localización tramo proyecto 2 ........................................................................ 67 Figura 24. Radar-grama PR78+050 a PR78+350 ............................................................ 71 Figura 25. Medición de deflectometría a tres bolillos ....................................................... 72 Figura 26. Evaluación de la deflexión máxima ................................................................. 73 Figura 27. Índice de curvatura superficial (BLI) ................................................................ 74 Figura 28. Índice de daño de la base (MLI) ...................................................................... 75 Figura 29. Índice de curvatura de la base (LLI) ................................................................ 76 Figura 30. Unidades homogéneas, variable E1 ............................................................... 77 Figura 31. Modelo INVIAS NT3, Alt. 1 – Capa de refuerzo .............................................. 83 Figura 32. Modelo INVIAS NT3, Alt. 2 – Reciclado In-situ ................................................ 84 Figura 33. Ubicación eje Golf ........................................................................................... 85 Figura 34. Curva típica de desempeño del PCI ................................................................ 88 Figura 35. Opciones de grafica para la normalización de deflexiones .............................. 89 Figura 36. Pestaña para activar la normalización de las deflexiones ............................... 90 Figura 37. Deflexiones normalizadas a 1110 kPa ............................................................ 91 Figura 38. Localización prueba de deflectometría ............................................................ 92 Figura 39. Datos de entrada estructura de pavimento rígido – eje Golf ............................ 93 Figura 40. Vida remanente eje Golf ................................................................................. 95 Figura 41. Transferencia de carga ................................................................................... 96

LISTA DE IMÁGENES

pág.

Imagen 1. Deflectómetro liviano de impacto .................................................................... 24 Imagen 2. FWD – Deflectómetro de Impacto. .................................................................. 26 Imagen 3. HDW – Deflectómetro de impacto pesado ...................................................... 27 Imagen 4. MFV de Dynatest ............................................................................................ 29 Imagen 5. Acelerómetro y laser de índice de Rugosidad internacional (IRI) .................... 32 Imagen 6. RSP III de Dynatest ......................................................................................... 32

LISTA DE TABLAS

pág.

Tabla 1. Metodologías y software para evaluación de pavimentos .................................. 21 Tabla 2. Cargas empleadas en la medición con FWD y HWD ......................................... 26 Tabla 3. Comparación rendimientos en inspección de deterioros en pavimentos ............ 30 Tabla 4. Coeficientes estructurales de pavimentos asfalticos existentes ......................... 45 Tabla 5. Parámetros de evaluación estructural cualitativa ............................................... 50 Tabla 6. Deflexiones medidas con el FWD ...................................................................... 51 Tabla 7. División de tramos ............................................................................................. 56 Tabla 8. Resumen de deflexiones por carril, en micrómetros. .......................................... 59 Tabla 9. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C de las zonas en estudio ................. 62 Tabla 10. Nivel de confianza recomendado según la clasificación de la vía..................... 63 Tabla 11. Valores típicos de la relación de Poisson en diseño de pavimentos ................. 64 Tabla 12. Comprobación mecanicista zona 1 .................................................................. 65 Tabla 13. Comprobación mecanicista zona 2 .................................................................. 66 Tabla 14. Da para determinar estructuras de pavimento homogéneas ............................ 69 Tabla 15. Espesores promedio de las unidades homogéneas ......................................... 70 Tabla 16. Espesores de diseño de rehabilitación ............................................................. 71 Tabla 17. Resumen módulos de elasticidad de las unidades homogéneas ..................... 78 Tabla 18. Vida residual para la unidad homogénea 1. ..................................................... 80 Tabla 19. Indicadores de evaluación funcional ................................................................ 81 Tabla 20. Comparación de la Fricción .............................................................................. 81 Tabla 21. Comparación del ahuellamiento ....................................................................... 82 Tabla 22. Comparación de IRI ......................................................................................... 82 Tabla 23. Reporte PCI eje Golf ........................................................................................ 87 Tabla 24. Rangos D0 para pavimento rígido .................................................................... 88 Tabla 25. Módulos obtenidos para el eje Golf .................................................................. 94 Tabla 26. Lista de aeronaves – eje Golf ........................................................................... 95 Tabla 27. Transferencia de carga – eje Golf .................................................................... 97 Tabla 28. Intervenciones para el eje Golf ......................................................................... 98

GLOSARIO AASHTO: Por sus siglas en inglés, American Association of State Highway and Transportation Officials, es un órgano americano que establece normas, metodologías, y pruebas, para el diseño y construcción de pavimentos flexibles, y rígidos. CUENCO DE DEFLEXIONES: El cuenco de deflexiones representa la respuesta del pavimento ante la acción de una carga de impacto, en este caso proporcionada por un deflectómetro de impacto, que por medio de geófonos mide la deformación vertical de la estructura de pavimento, obteniendo información necesaria para analizar estructuralmente el comportamiento de cada capa de pavimento. DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO (FWD ó HWD): Equipo para medir la condición estructural de un pavimento flexible, rígido, y semi-rígido. DEFLECTÓMETRO LIVIANO (LWD): Equipo para el control de calidad de las capas de subrasante, bases granulares, y capas ligadas (espesores menores a 5 cm). DIELÉCTRICA: Es una constante utilizada en la calibración de espesores correlacionando apiques con información de georradar. DYNATEST EXPLORER: Software para el manejo y análisis de pruebas no destructivas. ELMOD: Software para análisis estructural, utilizando como datos de entrada las deflexiones medidas con deflectómetro de impacto. EQUIPO MULTIFUNCIONAL (MFV): Equipo para medir la condición funcional del pavimento. Realiza una auscultación de los deterioros del pavimento por medio de cámaras de alta resolución. GESTIÓN DE PAVIMENTOS: Es la implementación de un sistema basado en nuevas tecnologías que facilitan la toma de datos en campo y análisis de información para la evaluación de los pavimentos y su respectiva intervención en el tiempo adecuado y costos razonables. MICROAGLOMERADO: Es una mezcla asfáltica que puede ser en frio o caliente, la cual proporciona una nueva capa de rodadura, mejorando la resistencia al deslizamiento, el drenaje y la fricción superficial. PAVER: Software para determinar el índice de condición del pavimento PCI. PRUEBAS DESTRUCTIVAS: Son pruebas que se realizan a los pavimentos por medio de sondeos (extracción de núcleos) y apiques, con el fin de caracterizar las

diferentes capas del pavimento, por ejemplo: espesores de capas, condición de los materiales, perfil de la estructura de pavimento, etc. PRUEBA NO DESTRUCTIVA: Son ensayos in-situ que se llevan a cabo a velocidad de tránsito o estacionales utilizando diferentes equipos especializados, los cuales no afectan físicamente la estructura de pavimento. SISTEMA BOUSSINESQ: se refiere a la teoría de elasticidad en los pavimentos, sus esfuerzos y deformaciones por ante la aplicación de una carga. SOBRE-CAPA: Hace referencia a la colocación de un refuerzo para mejorar la capacidad estructural de un pavimento, por ejemplo, una capa asfáltica sobre la estructura de pavimento existente. RADAR – GRAMA: Grafica que representa por medio de ondas electromagnéticas el espesor de las capas de una estructura de pavimento.

RESUMEN En el presente documento se describen algunos métodos utilizados en la evaluación de pavimentos. Principalmente se habla del procesamiento y análisis de información tomada con equipos de prueba no destructiva de la empresa DYNATEST COLOMBIA. Para lo cual se analizaron tres tramos de diferentes proyectos en ejecución tomando como datos fundamentales, deflexiones, espesores, deterioros, índice de rugosidad internacional (IRI), entre otros. Con el fin de definir los tramos a evaluar, se revisó el alcance de cada proyecto donde se encontró un nivel de complejidad alto debido a la cantidad de mediciones, el tiempo de ejecución y entrega de resultados. Dada esta situación se eligieron tramos de estudio de los diferentes proyectos de los cuales se tenía información de pruebas estructurales y/o funcionales y que permitían hacer un análisis de la situación actual del pavimento. De los resultados obtenidos en la evaluación de los tramos se logró un análisis mecanicista, de vida residual, y estrategias de rehabilitación, para lo cual se definieron las intervenciones necesarias para los proyectos que lo requerían. Además, fue necesario estudiar los equipos de prueba no destructiva con los cuales se obtuvo la información de cada tramo seleccionado. Palabras clave: Análisis mecanicista, deflexiones, deterioros, índice de rugosidad internacional, prueba no destructiva y vida residual.

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INTRODUCCIÓN La evaluación de pavimentos es fundamental en los planes de mantenimiento y rehabilitación de vías, donde el criterio del ingeniero y la aplicación de metodologías de diseño como la AASHTO, INVIAS, SHELL, entre otras, buscan la solución apropiada al desgaste y pérdida de capacidad estructural de una vía. Dicha evaluación permite conocer el estado actual de la vía, ya sea a nivel de proyecto, red, o estratégico, por lo tanto, se considera en la gestión de pavimentos para determinar el costo y tiempo adecuado en el cual se debe intervenir la estructura de pavimento con el fin de brindar seguridad y comodidad a los usuarios. Dentro del ámbito de los pavimentos es necesario que éstos tengan la capacidad que se requiere para soportar las solicitaciones de carga y factores ambientales, dado que debe cumplir con un nivel óptimo de servicio para los usuarios. Por lo tanto la evaluación de daños o patologías de los pavimentos a través de su periodo de diseño se hace necesaria. Para determinar en qué estado se encuentran los pavimentos se requiere de pruebas destructivas y no destructivas, las cuales se llevan a cabo in-situ y en laboratorio. El análisis de estas pruebas permite conocer las características y condiciones de las capas que componen la estructura del pavimento. Actualmente las pruebas destructivas por su alto costo y bajo rendimiento son complementadas con pruebas no destructivas. Estas pruebas utilizan equipos de alta tecnología, generando un mayor rendimiento y disminución en costos. Dentro de las pruebas no destructivas más usadas, en la auscultación de deterioros y evaluación de capacidad estructural, se pueden mencionar las imágenes 3D y deflectómetro de impacto. De acuerdo con lo anterior, el presente trabajo de pasantía tuvo como objetivo general realizar el procesamiento y análisis de datos tomados con equipos de evaluación no destructiva de la empresa DYNATEST COLOMBIA. Por otra parte se plantearon los siguientes objetivos específicos:

Reconocer las características específicas de los equipos FWD, LWD y MFV empleados para la evaluación estructural y funcional de pavimentos.

Analizar datos por medio de software de imágenes 3D LCMS y ELMOD sobre el estado funcional y estructural, respectivamente.

Evaluar soluciones apropiadas al estado funcional y estructural de mínimo tres proyectos viales asignados por Dynatest.

Los siguientes capítulos presentan una descripción y explicación del proceso que se llevó a cabo en la evaluación de los tramos seleccionados, y están organizados de la siguiente forma:

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En el capítulo 1 se encuentran los aspectos generales, donde se presenta una breve reseña de la historia de Dynatest, sus servicios de consultoría, y los equipos de evaluación no destructiva que ofrece. También se mencionan algunas de las actividades que se llevaron a cabo en la empresa en el desarrollo de la pasantía. En el capítulo 2 se presenta la metodología llevada a cabo para la realización de la pasantía, estableciendo tres fases: la primera hace referencia a la vinculación con la empresa Dynatest; la segunda al procesamiento de datos, especialmente deflectometría y deterioros; la tercera hace referencia al análisis de resultados y recomendaciones propuestas para los diferentes proyectos seleccionados. El capítulo 3 describe algunos equipos de evaluación no destructiva, para medir la condición estructural y funcional de los pavimentos. Se muestran algunos aspectos generales como: aplicabilidad, ventajas y resultados. En el capítulo 4 se mencionan las características principales de los softwares usados en la pasantía. El capítulo 5 resume las bases teóricas acerca de las metodologías de evaluación de pavimentos, especialmente la metodología AASHTO de 1993, la metodología del cálculo de PCI y la calificación cualitativa del pavimento según Horak. En el capítulo 6 se presenta el análisis de la evaluación estructural y/o funcional de los proyectos seleccionados, los cuales comprenden pavimentos flexibles y rígidos, así como las recomendaciones para mejorar las condiciones de la estructura de pavimento. El capítulo 7 presenta las conclusiones del trabajo de pasantía. Se muestra los resultados de la evaluación de los tres proyectos: tramo vial Caucasia – Zaragoza, tramo vial Magdalena medio, y calle de rodaje eje Golf – Aeropuerto Bogotá En el capítulo 8 se hacen algunas recomendaciones acerca de las pruebas en campo con equipos de prueba no destructiva, así como los aspectos a considerar en la evaluación estructural y funcional de pavimentos. Al final del documento se mencionan los anexos citados en el capítulo 6, los cuales presentan las memorias de cálculo y datos obtenidos de las mediciones de deflectometría y deterioros.

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1. ASPECTOS GENERALES Los pavimentos por su condición estructural son adecuados para soportar las cargas de tránsito y factores ambientales, los cuales a través del tiempo afectan directamente su estado funcional y estructural. Dada esta condición se requiere una evaluación periódica de los mismos, proporcionando soluciones efectivas y evitando sobrecostos por reconstrucción o inadecuado manejo en los sistemas de gestión de pavimentos. En la actualidad los sistemas de gestión de pavimentos utilizan una avanzada tecnología, proporcionando unos resultados acertados sobre la condición de los pavimentos, lo cual permite establecer planes de mantenimiento, rehabilitación o reconstrucción durante un periodo de análisis establecido. Dichas tecnologías son usadas por diferentes empresas de consultoría del área de pavimentos. De acuerdo con lo anterior, el trabajo realizado en la pasantía “ANÁLISIS DE DATOS EN LA AUSCULTACIÓN DE PAVIMENTOS EMPLEANDO EQUIPOS DE PRUEBA NO DESTRUCTIVA” en la empresa Dynatest se plantearon estrategias de mejoramiento de estructuras de pavimento por medio de información basada en equipos no destructivos y software de análisis estructural y funcional. Cabe mencionar que la duración de la pasantía fue de cinco meses. Se inició el 6 de agosto de 2018 y finalizó el 4 de enero de 2019. Por otra parte, durante la pasantía fueron asignadas tareas de auscultación visual de deterioros por medio de Dynatest Explorer, según la metodología ASTM D5340-12 para aeropuertos y ASTM 6433-11 para vías y estacionamientos, obteniendo solamente el procesamiento de datos en los siguientes proyectos:

Calle de rodaje Delta - Aeropuerto Mariscal La Mar, Cuenca – Ecuador

107.8 km evaluados de: Richmond Virginia – Estados Unidos En deflectometría fueron procesados y analizados por medio de ELMOD 6.0 los siguientes proyectos:

Vía Caucasia – Zaragoza*

Tramo en el Magdalena medio*

Calle de rodaje eje Golf – Aeropuerto Bogotá* En cuanto al reconocimiento de los equipos LWD, FWD y MFV, no fue posible su uso debido al tipo de contrato realizado con la empresa, el cual fue auxiliar de ingeniería en oficina. * Dada las políticas de Dynatest, no se puede revelar información de los proyectos contratados, por lo cual se dan a conocer con otro nombre.

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Sin embargo, se obtuvo acceso para conocer las partes que componen los equipos y obtener las fotografías correspondientes, para finalmente realizar una descripción de dichos equipos. Para conocer acerca de Dynatest, en los siguientes numerales se describe su historia, sus equipos y consultoría en la evaluación de pavimentos en vías y aeropuertos. 1.1 RESEÑA HISTÓRICA DE DYNATEST Dynatest1 fue fundada en 1976 por tres compañeros de la Universidad Técnica de Dinamarca; Richard Stubstad, ingeniero civil; Anders Sorensen, ingeniero mecánico y electrónico; y Mark Hayven, quien era el encargado de la parte comercial. El equipo desarrollo el primer deflectómetro de impacto (FWD), y más adelante se convirtió en una de las empresas especializadas en el desarrollo y fabricación de equipos de evaluación y software de pavimentos. A finales de los años 90, Dynatest entro en el mercado de los perfilómetros laser. El RSP III y IV rápidamente se convirtieron en un gran éxito, ofreciendo calidad y confiabilidad. En 2003 Dynatest compró las divisiones y patentes de los perfilómetros y los equipos de fricción de KJ Law. Dynatest se encargó de actualizar dichos equipos y el software utilizado en los dispositivos de fricción 6875, 1295, y 995 actualmente al servicio. Por otra parte, la división de consultoría desde sus inicios ha proporcionado servicios de ingeniería de pavimentos a través del uso de tecnología aplicada en equipos de evaluación no destructiva y software para análisis de pavimentos. Actualmente Dynatest cuenta con oficinas en Dinamarca, Estados Unidos, Reino Unido, Italia, Nueva Zelanda, Perú, Colombia, Malasia e India, brindando calidad en sus servicios y equipos de evaluación no destructiva, dirigida a la comunidad de la ingeniería de pavimentos en todo el mundo. 1.2 SERVICIOS DE CONSULTORÍA DE DYNATEST En Dynatest se busca dar solución a los problemas de infraestructura por medio de la consultoría de ingeniería de pavimentos, enfocada al tema de evaluación estructural y funcional, para lo cual se utilizan equipos de prueba no destructiva y software propios de Dynatest, tales como: ELMOD, Dynatest Explorer (DE) y PERS.

1 DYNATEST. Historia de Dynatest. Junio de 2018.

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Además, se emplean otros software como PAVER y HDM IV, para análisis funcional y plan de gestión de pavimentos, respectivamente. Con la ayuda de estas herramientas Dynatest plantea sistemas de gestión de pavimentos (PMS, Pavement Managen System) a los proyectos viales y de aeropuertos, permitiendo un adecuado manejo de los recursos para mantener los pavimentos en buen estado. Actualmente se están desarrollando proyectos en Latinoamérica, los cuales comprenden la evaluación funcional y/o estructural de aeropuertos y corredores viales, dentro de los cuales se tienen:

Aeropuertos: México, Ecuador, Perú, y Colombia

Corredores viales: Argentina y Colombia. Considerando la cantidad de proyectos y su complejidad, el área de consultoría cuenta a su vez con el área de Rating, la cual corresponde al procesamiento de deterioros, es decir, su clasificación y cuantificación por medio de Dynatest Explorer y de la cual se hizo parte durante la pasantía. 1.3 EQUIPOS DYNATEST Dynatest cuenta con un portafolio variado de equipos no destructivos para mediciones estructurales, funcionales y de fricción. En Colombia, Dynatest cuenta con el HWD, LWD, RSP III, RSP IV y MFV. Sin embargo, la casa matriz de Dynatest ha desarrollado nuevos y avanzados equipos, de los cuales se destacan los siguientes: Estructurales

Deflectómetro de impacto rápido (FastFWD): Equipo nuevo, el cual utiliza el mismo principio que el FWD, pero su rendimiento es 5 veces mayor.

Raptor (RWD): Equipo nuevo, capaz de medir deflexiones a velocidad de tránsito.

Deflectómetro montado en camión TMD: Es adecuado cuando las operaciones con remolque se ven limitadas, pero conservando el mismo principio de los equipos FWD y HWD

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Funcionales

Vehículo multifuncional (MFV): Captura imágenes 2D y 3D de la condición superficial del pavimento.

Perfilómetro laser (RSP III): Mide IRI, ahuellamiento, perfil longitudinal y transversal de la vía.

Fricción

Evaluador de fricción de pista (Runway Friction Tester, RFT): Es usado en las pistas de despegue y aterrizaje de los aeropuertos para medir la fricción (Mu).

Evaluador de fricción de deslizamiento en autopista (Highway Slip Friction Tester, HFT): Proporciona coeficientes de fricción en la situación más crítica del pavimento, es decir, húmedo.

Ahora bien, en el desarrollo de la pasantía fue posible reconocer los equipos HWD, FWD, LWD, RSP III, RSP IV, y MFV además de charlas sobre su funcionamiento e importancia en la evaluación de pavimentos. Teniendo en cuenta los aspectos anteriores, y dada las herramientas para realizar evaluación de pavimentos en la empresa Dynatest, fue posible integrar la información tomada en campo de algunos proyectos en ejecución, su análisis y respectivas recomendaciones acerca de las estrategias que se deben considerar para mejorar las condiciones de las estructuras de pavimento en estudio. Por último, respecto al procesamiento y análisis de datos, fueron utilizadas las metodologías de evaluación de pavimentos y software que se mencionan en la siguiente tabla. Tabla 1. Metodologías y software para evaluación de pavimentos

Metodologías

AASHTO 93

Parámetros cualitativos de Horak

Índice de condición del pavimento, PCI (ASTM D5340-12 para aeropuertos y ASTM 6433-11 para vías)

Software

ELMOD 6.0

Dynatest Explorer

Kenlayer

FAARFIELD

Macros de Excel: Metodología AASHTO 93

Google Earth Fuente: Elaboración propia.

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2. DISEÑO METODOLÓGICO La metodología para llevar a cabo la pasantía se planteó en tres fases las cuales comprenden el conocimiento de nuevas herramientas computacionales, equipos y experiencia en el análisis de patologías que presentan los pavimentos. En la Figura 1 se muestra dichas fases metodológicas. Figura 1. Fases metodológicas

Fuente: Elaboración propia.

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3. EQUIPOS DE EVALUACIÓN NO DESTRUCTIVA DE PAVIMENTOS Los equipos de evaluación no destructiva miden la capacidad estructural y funcional de los pavimentos, los cuales son fundamentales para el análisis en la gestión de pavimentos. Dichos equipos han mejorado el rendimiento y la calidad en cuanto a obtención y procesamiento de datos. A continuación, se describen algunos equipos de pruebas no destructivas de la marca Dynatest. 3.1 EQUIPOS PARA MEDIR LA CONDICIÓN ESTRUCTURAL Estos equipos proporcionan información de la condición de respuesta del pavimento ante la aplicación de una carga. A través del cuenco de deflexiones son analizadas las diferentes capas que componen la estructura de pavimento, y por medio de retro – cálculo se determinan los módulos de rigidez de las capas. Además, es posible determinar algunos parámetros fundamentales en el diseño de rehabilitaciones, por ejemplo, los parámetros AASHTO 93 (Mr subrasante, número estructural, y módulo equivalente). Algunos de los equipos utilizados en el análisis estructural se describen a continuación. 3.1.1 LWD (Light Weight Deflectometer) – Deflectómetro Liviano El deflectómetro liviano2 es una versión portátil del FWD, es decir, emplea los mismos principios físicos y mecánicos, pero con la diferencia en la proporción y forma de aplicación de la carga. Se aplica una carga de forma sinusoidal sobre la capa de pavimento o subrasante a ensayar, para lo cual tiene una configuración de peso estándar de 10 kg o de 15 kg, y puede aplicar cargas hasta 15 kN de fuerza de impacto. La información de la aplicación de carga y la respuesta del pavimento es obtenida de manera digital por parte de los sensores del equipo (celda de carga, ver Imagen 1, parte derecha). El deflectómetro liviano cumple con las siguientes normas ASTM3: ASTM E2583-07 (2015) "Método de prueba estándar para medir deflexiones con

un deflectómetro de peso ligero (LWD)

2 DYNATEST. Uso del LWD para análisis y control de calidad en capas granulares. p.1 3 DYNATEST. Información del deflectómetro de impacto liviano. Especificaciones [en línea]. [revisado el 27 de agosto de 2018]. Disponible en internet: https://web.dynatest.com/deflectometro-de-impacto-liviano-lwd/

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ASTM E2835-11 (2015) "Método de prueba estándar para medir deflexiones usando una prueba de carga de impulso de plato portátil.

Aplicabilidad El LWD es adecuado para la evaluación de los materiales de: subrasante, capas granulares (base o subbase), y pavimentos asfálticos con capas delgadas. Imagen 1. Deflectómetro liviano de impacto

Fuente: Elaboración propia.

Según Dynatest4, no se recomienda para la evaluación sobre capas de pavimentos rígidos o pavimentos flexibles de capacidad estructural alta, dado que no se alcanzan niveles de deformación adecuados para la determinación de las propiedades mecánicas de los materiales presentes.

Ventajas y Resultados La principal ventaja del empleo del LWD en pavimentos, está asociada a la versatilidad y facilidad de ejecución de las pruebas. A partir de las pruebas realizadas, se puede obtener información no disponible fácilmente con pruebas convencionales como densidad, CBR (California Bearing Ratio: Ensayo de relación

4 DYNATEST. Uso del LWD. Op. cit., p.2.

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de soporte de California) o pruebas de placa, dentro de la cual se destacan los siguientes resultados del LWD: Determinación del módulo dinámico y resiliente de la capa asfáltica y granulares,

respectivamente, para toma de decisión sobre aceptación o rechazo de capas construidas de pavimento, antes de colocar las capas superiores del pavimento.

Validación de los parámetros de diseño contra los resultados de campo. Según Dynatest5, su rendimiento en ejecución de pruebas, supera al tiempo de

una prueba con viga Benkelman (Se pueden efectuar 30 pruebas en el tiempo de una prueba de viga Benkelman.)

Bajo costo por prueba. Geo-referenciación de puntos de prueba y resultados.

Componentes principales Mango actuador, de altura variable Peso de caída (variable en configuración entre 10 kg y 20 kg) Sistema de amortiguamiento Celda de carga Sensores de deformación Sistema de adquisición de datos Software de análisis. 3.1.2 FWD (Falling Weight Deflectometer) – Deflectómetro de impacto El FWD produce una carga de impulso dinámico que simula una rueda en movimiento, lo cual proporciona un cuenco de deflexiones útil para determinar los módulos de cada capa de pavimento por medio de retro- cálculo. En la imagen 2 se muestra dicho equipo, al lado izquierdo se tiene una vista general y al costado derecho se muestra el sistema de carga. El sistema hidráulico permite el levantamiento de las masas de ensayo hasta una determinada altura (Es posible aplicar al pavimento una carga variable en función de las masas aplicadas y la altura de caída), desde la que se dejan caer sobre una placa de ensayo de 300 mm o 450 mm de diámetro la carga necesaria para obtener el cuenco de deflexiones. Normalmente se realizan tres golpes, los dos primeros para asentamiento y el tercero es el que se utiliza para realizar los cálculos. Sin embargo, se debe tener presente las exigencias que define el proyecto o el cliente.

5 Ibid., p 3.

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Imagen 2. FWD – Deflectómetro de Impacto.

Fuente: Elaboración propia.

Aplicabilidad El FWD es usado en vías con medios y altos volúmenes de tránsito como lo son: vías secundarias, y primarias, para lo cual la placa de carga debe ser capaz de distribuir uniformemente la carga sobre la superficie del pavimento. Los diámetros más comunes de las placas son de 300 y 450 mm de diámetro para realizar mediciones sobre autopistas y pistas aéreas, respectivamente, aunque este último normalmente requiere de la utilización del HWD. El rango de cargas empleado por estos dos equipos se muestra en la siguiente tabla. Tabla 2. Cargas empleadas en la medición con FWD y HWD

Equipo Carga

FWD 1500 – 27000 lbf (7 – 120 kN)

HWD 6500 – 71800 lbf (30 – 320 kN) Fuente: Elaboración propia

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Para llevar a cabo las pruebas en campo, es necesario que el FWD se haya calibrado. Según el protocolo AASHTO R32-11 se debe calibrar la celda de carga y los sensores (geófonos) anual y mensualmente, con el fin de obtener datos coherentes en las mediciones. Además, las pruebas deben cumplir con la norma ASTM D4694-96. La ubicación de los ensayos se hace de la siguiente manera:

Pavimento flexible, análisis estructural: En la huella

Pavimento flexible, análisis no estructural: Entre huellas

Pavimento rígido: Centro de la losa y bordes (juntas y esquinas)

Ventajas Preciso y rápido, puede ejecutar hasta 60 pruebas por hora. Proporciona el cuenco de deflexiones (con capacidad de 15 geófonos) Determinación de los módulos dinámico y resiliente de las diferentes capas del

pavimento, por medio del software ELMOD (ver subcapítulo 4.1) Ideal para análisis y diseño mecanicista - empírico. Geo-referenciación de puntos de prueba y resultados. 3.1.3 HWD (Heavy Weight Deflectometer) – Deflectómetro de impacto pesado Las características del HWD son muy parecidas a las del FWD, en cuanto a su calibración y recolección de datos, sin embargo, su aplicabilidad difiere en el empleo de una mayor aplicación de carga. En la Imagen 3 se muestra el HWD de Dynatest. Imagen 3. HDW – Deflectómetro de impacto pesado

Fuente: Elaboración propia.

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Aplicabilidad El HWD es utilizado en pavimentos flexibles y rígidos, usualmente para aeropuertos, para lo cual puede simular la carga de aviones pesados como el Boing 747, B-777, Airbus-380, entre otros, lo cual posibilita un análisis en tiempo real del impacto que realizan dichas aeronaves al pavimento. Para estas pruebas es utilizada la placa de 450 mm. En la ejecución de las pruebas tanto en FWD como en HWD se debe verificar que las deflexiones decrezcan a lo largo de los geófonos formando el cuenco de deflexiones, dando la deflexión máxima bajo del plato de carga y la mínima en el último geófono (ver Figura 2). Figura 2. Cuenco de deflexiones

Fuente: ANI. Factibilidad segunda calzada Ibagué – Cajamarca. APP GICA S.A.Tomo 5, estudios actualizados. Diciembre de 2013. p. 11.

El espacio entre geófonos es variable de acuerdo al tipo de medición a realizar, es decir, en pavimentos flexibles se coloca una línea de hasta 15 geófonos separados típicamente; 0, 200, 300, 450, 600, 900, 1200, 1500, y 1800 mm. Para transferencia de carga en pavimentos rígidos se colocan a 200 y 300 mm atrás, adelante, y al lado del plato de carga tal como lo muestra la Figura 3. Figura 3. Ubicación geófonos para transferencia de carga

Fuente: ORTIZ MOSCOSO, Javier A. Capacitación en ELMOD 6. DYNATEST. p. 44.

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3.2 EQUIPOS PARA MEDIR LA CONDICIÓN FUNCIONAL En Dynatest la evaluación de la condición funcional se realiza principalmente mediante el sistema de inspección de la condición del pavimento PCSS (Pavement Condition Survey System), el cual vincula software y equipos de evaluación funcional, los cuales se describen a continuación. 3.2.1 MFV - Vehículo multifuncional Según la definición de Dynatest6, el MFV permite capturar imágenes de alta definición en 2D y 3D por medio del sistema láser de medición de grietas LCMS (Laser Crack Measurement System). Además, combina la funcionalidad del perfilómetro láser RSP (Road Surface Profiler) con el fin de realizar mediciones de índice de rugosidad internacional (IRI), perfil longitudinal y transversal, macro-textura, deterioros superficiales y datos GPS. En la Imagen 4 se muestra únicamente el montaje de las cámaras LCMS que componen el MFV. Imagen 4. MFV de Dynatest

Fuente: Dynatest Colombia. 2018

6 DYNATEST. Equipos funcionales. Descripción de equipos [en línea]. [revisado el 3 de septiembre de 2018]. Disponible en internet: https://www.dynatest.com/vehiculo-multi-funcional-mfv.

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El MFV es utilizado en la determinación del PCI (Pavement Condition Index) por medio de la evaluación de deterioros realizada en el software Dynatest Explorer (DE), lo cual es llevado al software PAVER para finalmente determinar el PCI. Una comparación entre diferentes métodos de auscultación visual de deterioros muestra beneficios al utilizar el MFV en el análisis de 1,000 km de vía, ya que reduce el tiempo de recolección y análisis de datos, tal como lo muestra la Tabla 3. Tabla 3. Comparación rendimientos en inspección de deterioros en pavimentos

Fuente: Modificado por el autor, de: DYNATEST. Presentación MFV.

Puede decirse de manera general que, para una vía diseñada, construida y mantenida adecuadamente, el pavimento se deteriora desde su puesta en servicio hasta alcanzar un nivel de inaceptabilidad en el que el usuario percibe mayores tiempos de viaje e incomodidad. De manera tal que, en el principio se verá afectado de forma lenta y mucho más rápida hacia el final, acelerándose significativamente su deterioro de manera progresiva a partir de un determinado momento. En el esquema que muestra la Figura 4 se observa una curva de desempeño típica en la vida útil de un pavimento.

Descripción Inspección Manual Inspección con LRIS Inspección con LCMS

Tiempo en recolección de

datos 50 días 5 días 5 días

Reportes y análisis 25 días 100 días 10 días

Tipo de deterioros Todos Mayoría de deterioros

Ahuellamiento,

macrotextura, grietas,

baches, envejecimiento

(Wheathering y

Ravelling)

LCMS: Laser Crack Measuring SystemLRIS: Laser Road Imaging System

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Figura 4. Curva de desempeño típica de los pavimentos

Fuente: RODRÍGUEZ MORERA, José David. Gestión de pavimentos: decisiones, estrategia y planificación de largo plazo. En: congreso de infraestructura de transporte (27, julio: LanammeUCR –Universidad de Costa Rica), 2017. p 5.

3.2.2 Perfilómetro laser (RSP III) El perfilómetro laser de Dynatest es utilizado en la auscultación no destructiva para la evaluación funcional de los pavimentos. Se usa para medir directamente el perfil longitudinal y transversal, IRI y el ahuellamiento. Está compuesto por una viga que cuenta con una serie de acelerómetros los cuales corrigen las mediciones por el movimiento de la camioneta. Cuenta también, con un láser que brinda una respuesta de acuerdo con las características de regularidad de la vía (ver Imagen 5). Además, permite la colocación de un láser adicional que mide la textura, por lo cual se convierte en uno de los equipos fundamentales en el análisis de la condición funcional de la vía. Según Dynatest7, el equipo cumple con las normas ASTM E950 Clase 1, AASHTO R 57 y verificadas independientemente, tales como el Text-1001-s, garantizando alta precisión y repetitividad bajo una variedad de condiciones que aseguran que los datos puedan ser usados para evaluación de proyectos en sistemas de gestión de pavimentos.

7 DYNATEST. Equipos funcionales. Descripción de equipos [en línea]. [revisado el 3 de septiembre de 2018]. Disponible en internet: https://www.dynatest.com/perfilometro-laser-rsp-mk-iii.

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Imagen 5. Acelerómetro y laser de índice de Rugosidad internacional (IRI)

Fuente: Elaboración propia.

Para medir ahuellamiento Dynatest tiene una configuración de 5 láseres, los cuales van ubicados en el centro de la viga, dos a 80 cm del centro (por las huellas) y dos más a los extremos (los cuales son unas extensiones removibles). En la Imagen 6 se muestra la viga con la configuración de tres láseres, solamente para medir perfil longitudinal, transversal e IRI. Imagen 6. RSP III de Dynatest

Fuente: Elaboración propia.

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4. SOFTWARE PARA EL ANÁLISIS DE PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS Los principales software de Dynatest con los cuales se hizo análisis estructural y funcional de los proyectos fueron: ELMOD y DYNATEST EXPLORER (DE). Por otra parte, se mencionan otros software fundamentales en la evaluación de pavimentos y que son complementarios a ELMOD y DE. 4.1 ELMOD 6.0 ELMOD es un software de Dynatest, útil para el análisis estructural de pavimentos, sus siglas provienen de Evaluation of Layer Moduli and Overlay Desing (Evaluación de módulos de capa y diseño de sobrecapas). Puede analizar pavimentos flexibles, rígidos y afirmados tanto en vías como en aeropuertos. En la Figura 5 se observa de forma general los datos de entrada que requiere ELMOD, los cálculos que realiza, y los resultados generados.

Figura 5. Visión general de ELMOD

Fuente: ORTIZ MOSCOSO, Javier A. Capacitación en ELMOD 6. DYNATEST, 2017. p. 44.

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El análisis realizado en ELMOD se basa en la teoría de Odemark el cual utiliza el método de espesores equivalentes para efectuar el retro-cálculo. Las ventajas de este enfoque son que la no linealidad del material se puede considerar y el cálculo es más rápido que el análisis elástico estratificado convencional. Para llevar a cabo el análisis, ELMOD toma como datos de entrada las deflexiones medidas en campo por el equipo LWD, FWD, y HWD. Además de las deflexiones, es posible visualizar los datos por medio del sistema de posicionamiento global (GPS) instalado en el equipo, así como también datos de, temperatura del aire y de la superficie del pavimento. Cuenta con herramienta de localización, a través de DTMap (es un módulo para mostrar datos relacionados con condiciones y puntos en un mapa) donde pueden ser observadas las deflexiones en escala de colores a fin de identificar puntos críticos, tal como lo muestra el ejemplo de la Figura 6. Figura 6. Rango de deflexiones identificadas en el mapa

Fuente: Dynatest.

Algunos de los principales resultados proporcionados por ELMOD son:

Deflexiones normalizadas por carga y temperatura

Módulos de superficie: Los módulos de superficie se utilizan para evaluar la calidad de los datos de deflexiones, ya que se puede realizar una comprobación rápida para determinar la existencia o no de una capa rígida a poca profundidad,

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tal como lo muestra el esquema en la parte superior (buen comportamiento de los datos) y la parte inferior (existencia de capa rígida) de la Figura 7.

Figura 7. Módulos de superficie

Fuente: ORTIZ MOSCOSO, Javier A. Capacitación en ELMOD 6. DYNATEST. p. 119, y 124.

Espesores de capa: Espesores obtenidos del análisis con georradar.

Módulos de capa: Los módulos retro-calculados en ELMOD son determinantes para el diseño de la rehabilitación y para verificar si la estructura cumple con los criterios de la mecánica de pavimento, es decir, fatiga, ahuellamiento, deflexión máxima y porcentaje de reserva critica. De modo que son indispensable en el análisis de las estructuras existentes de los proyectos evaluados, así como de las alternativas planteadas.

4.2 DYNATEST EXPLORER Dynatest Explorer (DE) es un software que permite el almacenamiento, procesamiento y manejo de datos de todos los equipos Dynatest. Además, se puede utilizar DE para el análisis automatizado de imágenes en 3D del MFV, y proporciona

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un conjunto de herramientas para el análisis manual de imágenes en 2D recopiladas con el LRIS (Laser Road Imaging System). En la evaluación de deterioros en pavimentos Dynatest Explorer proporciona una imagen en 3D o 2D donde se pueden visualizar los deterioros de forma gráfica y una imagen del derecho de vía (ROW, right of way), tal como lo muestra el ejemplo de la Figura 8. Figura 8. Inspección de deterioros en DE

Fuente: Elaboración propia.

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5. METODOLOGÍAS DE EVALUACIÓN DE PAVIMENTOS Existen diferentes metodologías para evaluar el comportamiento estructural y funcional de los pavimentos, las cuales requieren de información primaria y secundaria, como pueden ser: datos de pruebas destructivas o no destructivas e información de diseños y estudios del proyecto vial. A continuación, se presenta el estado del arte respecto a metodologías de diseño de rehabilitaciones y se describe la metodología AASHTO 93 para el diseño de refuerzos. También se presenta como análisis funcional el concepto de índice de condición del pavimento (PCI). 5.1 ESTADO DEL ARTE Se han realizado diferentes investigaciones acerca de la evaluación de pavimentos mediante pruebas no destructivas aplicando metodologías que establecen criterios para determinar estrategias de mantenimiento, rehabilitación, y reconstrucción. A continuación, se mencionan algunas de dichas investigaciones. Un artículo publicado en la revista semestral de la DIUC8 (Dirección de

investigación de la Universidad de Cuenca) plantea analizar la factibilidad y eficiencia de la deflectometría para evaluar la capacidad portante de la estructura de un pavimento flexible en vías locales de la red austral E405, Ecuador.

Mediante el equipo no destructivo conocido como deflectómetro de impacto se generan deflexiones en el pavimento, las que son interpretadas a través de técnicas basadas en análisis inverso como AASHTO 93, LUKANEN, YONAPAVE y ROHDE. Dichas técnicas permiten la cuantificación y cualificación del nivel de deterioro estructural del sistema pavimento-subrasante a través de dos parámetros. El primer parámetro se define mediante el módulo resiliente, el cual es comparado con los software EVERCALC y ANSYS, que sustentan su desarrollo en análisis inverso y elementos finitos respectivamente. Por otro lado, el segundo parámetro se define mediante la capacidad estructural del sistema pavimento-subrasante, el cual es analizado a través del concepto de deflexión característica propuesta por la guía de diseño AASHTO 93. El estudio da a conocer que el mejor método para caracterizar el estado del pavimento es la técnica propuesta por YONAPAVE.

Investigaciones realizadas en Virginia9 Estados Unidos, acerca de la idoneidad del deflectómetro liviano (LWD) para determinar los módulos de capas in-situ del

8 ÁVILA, Edisson, ALBARRACÍN, Flavio, y BOJORQUE, Jaime. Evaluación de pavimentos en base a métodos no destructivos y análisis inverso. Facultad de ingeniería, Universidad de Cuenca. Maskana, Vol. 6, 2015. 9 HOSSAIN, M. Shabbir y APEAGYEI, Alex K. Evaluation of the Lightweight Deflectometer for in-situ determination of pavement layer moduli. Virginia Transportation Research Council. March, 2010.

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pavimento en su fase de construcción, encontraron gran variabilidad de los resultados al compararlos con el GeoGauge (equipo para el control de la compactación del suelo en terreno mediante rigidez y módulo) y el penetrómetro de cono dinámico (DCP). Los investigadores Hossain Shabbir y Apeagyei Alex encontraron lo siguiente:

No hubo correlaciones significativas entre los resultados con los dispositivos. Aunque no se encontró una relación única entre los módulos LWD medios y los módulos GeoGauge o DCP, se encontró una buena correlación cuando se compararon los valores de rigidez del percentil 85. El efecto de la densidad seca no fue evidente, pero el contenido de humedad mostró una influencia significativa en la rigidez medida con los tres dispositivos, especialmente el LWD. Una investigación de laboratorio limitada indicó que el alto valor de módulo para el LWD puede ser atribuible a la succión del suelo o al desarrollo de presión de poro a partir de la carga transitoria del LWD sobre un suelo de grano fino.

Teniendo en cuenta lo anterior, los autores recomiendan no hacer uso del LWD en el control de calidad en la construcción, hasta que se realicen más investigaciones del efecto de la humedad en el módulo de rigidez, además de realizar pruebas de laboratorio. Sin embargo, establecen que el LWD puede medir directamente las propiedades del módulo que son la base del nuevo diseño de pavimento MEPDG 2008.

Según el proyecto “Evaluación de pavimentos flexibles por el método PAVER y propuesta de mantenimiento vial integral de la carretera Colta – Alausí de la provincia de Chimborazo10”, se tomaron aproximadamente 72 Km para realizar la respectiva evaluación. Por medio de auscultación visual PAVER se determinó el PCI de dicha vía, el cual fue de 63, es decir, bueno. Por otra parte, se determinó el TPDA y el IRI, con lo cual se formuló la propuesta de mantenimiento y se dieron algunas alternativas. Una de ellas fue el mantenimiento rutinario y periódico, el cual comprende reposición de material de base granular, sello de fisuras, bacheo menor, riego de liga, entre otros.

Un estudio realizado por IBAGUE Luis11 en la especialización en ingeniería de pavimentos de la Universidad militar nueva granada plantea evaluar mediante equipos de auscultación no destructiva un tramo de vía en Bogotá. Los equipos utilizados fueron el Deflectómetro de impacto FWD y el Georadar, aplicados con el método AASHTO – 93, y comparado con otras metodologías de análisis de

10 CAYAMBE M., Pablo D., y SANTILLÁN V., Jonathan Y. Evaluación de pavimentos flexibles por el método PAVER y propuesta de mantenimiento vial integral de la carretera Colta – Alausí de la provincia de Chimborazo. Universidad nacional de Chimborazo. Facultad de ingeniería, escuela de ingeniería civil. Ecuador. 11 IBAGUE NOVOA, Luis F. Caso de estudio de una evaluación estructural de un pavimento flexible ubicado en la ciudad de Bogotá, localidad de puente aranda entre Av calle 13 y 15, utilizando técnicas no destructivas y análisis de los resultados obtenidos. Universidad Militar Nueva Granada, Facultad de ingeniería. Bogotá, 2016.

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pavimentos como ROHDE y YONAPAVE. La aplicación del Georadar permitió determinar por medio de ondas los espesores de la estructura de pavimento flexible en estudio, sin embargo, se realizaron apiques para verificar dichas lecturas del Georadar, y de esta manera establecer la caracterización de las diferentes capas que hacían parte de la estructura. En el empleo del FWD y aplicando las metodologías mencionadas anteriormente se analizó por medio de retrocálculo la estructura y se determinó el módulo resiliente de la subrasante, el cual fue empleado para determinar el número estructural efectivo. De esta manera al comparar el número estructural efectivo y el requerido, se recomendó actividades de rehabilitación y mantenimiento.

A continuación, se mencionan y describen algunas metodologías para el diseño de refuerzos de pavimentos flexibles (rehabilitación) las cuales tienen como base fundamental las deflexiones del pavimento en servicio. Método de las deflexiones planteado en Argentina por Celestino Ruiz12: Esta

metodología toma como base las deflexiones tomadas con la viga Benkelman en el medio de la rueda de un eje simple de llanta doble y la deflexión a 25 cm del punto anterior. Dada una deflexión admisible, es comparada con la deflexión de servicio. Se observa si hay fallas de origen estructural y se plantea un diseño de sobre capa o mejoramiento de la capa de base granular, con el fin de reducir las deflexiones. Por medio de un ábaco, y teniendo como variables la deflexión de servicio y la admisible, se determina el espesor necesario de la capa de refuerzo. Este método no es muy preciso ya que tiene un procedimiento semi-empírico, pero su empleo es económico y fácil de llevar a cabo.

Método de las deflexiones según el Instituto del Asfalto13: Esta metodología emplea deflexiones y el tránsito de diseño expresado en ejes equivalentes de 8.2 ton cd/pd. Se requiere de una serie de datos de deflexiones de un tramo homogéneo, y determinar su varianza, promedio y deflexión representativa. Al igual que la metodología planteada por Celestino Ruiz, se utilizan ábacos para determinar el espesor de la capa de refuerzo, el cual permite tener una aproximación al espesor necesario para disminuir las deflexiones.

Metodología de la AASHTO14 1993: Para el diseño de una capa de refuerzo se

requiere del número estructural efectivo (SNeff) de la estructura existente y el número estructural para el tránsito de diseño (SNf). Una alternativa para determinar el número estructural efectivo (SNeff) es por medio del cuenco de deflexiones, el cual se puede obtener mediante una prueba no destructiva por

12 VÁSQUEZ VARELA, Luis R. Diseño de rehabilitación de pavimentos flexibles mediante sobrecapas de concreto asfaltico [diapositivas]. Universidad Nacional de Colombia. Facultad de ingeniería y arquitectura. Manizales, 2015. 13 Ibid., p. 12. 14 Ibid., p. 37.

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medio del deflectómetro de impacto. Su procedimiento requiere calcular el módulo resiliente de la subrasante teniendo en cuenta la deflexión y la distancia (r) a la cual se encuentra el sensor. El sensor que se debe seleccionar tiene que estar a 70% o más del radio del bulbo de esfuerzos en la interfaz pavimento – subrasante, además de calcular el módulo equivalente (Ep) por medio de iteraciones. Finalmente, para calcular el espesor de la sobrecapa se realiza la relación entre la diferencia del SNf y el SNeff con el coeficiente estructural para la sobrecapa (aol). Esta metodología abarca variables que son significativas en la capacidad de soporte del suelo de fundación del pavimento, lo cual permite verificar el estado actual y las posibles soluciones a los daños que éste presente.

AASHTO 2008, la cual consiste en procesos empíricos-mecanicistas y racionales que proporcionan el diseño de una estructura de pavimento para un periodo de diseño establecido. En esta metodología se evalúan mediante modelos, criterios como: deformaciones o ahuellamientos, fatiga e índice de rugosidad internacional (IRI). La metodología se basa en el análisis de curvas de desempeño que son generadas al establecer un modelo estructural inicial, las condiciones de tránsito (tasa anual de crecimiento del tránsito, repeticiones anuales), clima, diseño de la mezcla, entre otros.

5.2 METODOLOGÍA AASHTO 93 La metodología AASHTO - 93 se basa en el análisis estructural del pavimento en servicio, para lo cual es posible determinar parámetros en el diseño de la rehabilitación, como: Módulo resiliente de la subrasante (Mr), módulo equivalente (Ep) y número estructural efectivo (SNeff). 5.2.1 Módulo resiliente de la subrasante El cálculo del módulo resiliente de la subrasante se basa en la medición de deflexiones obtenidas con el deflectómetro de impacto FWD y HWD, las cuales deben ser corregidas por carga y temperatura (temperatura de referencia de 20 °C), y se determina mediante la siguiente expresión:

𝑀𝑟𝑟 =𝑃(1 − 𝜇2)

𝜋𝐷𝑟𝑟

Ecuación 1

Dónde: Mrr: Módulo resiliente por retrocálculo de la subrasante, Lb/pulg² P: Carga aplicada, libras µ: relación de Poisson de la subrasante

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Dr: Deflexión medida a una distancia r del centro del plato de carga, pulgadas r: Distancia desde el centro del plato de carga, pulgadas. Ahora bien, para una relación de Poisson de la subrasante de 0.5 se tiene la siguiente ecuación:

𝑀𝑟𝑟 =0.24𝑃

𝐷𝑟𝑟

Ecuación 2

Sin embargo, el módulo retro-calculado no es el real, por lo cual se utiliza un factor de ajuste C, tal como lo expresa la siguiente ecuación.

𝑀𝑟 = 𝐶 ∗ 𝑀𝑟𝑟 Ecuación 3

Dónde: Mr: Módulo resiliente de la subrasante Mrr: Módulo resiliente por retrocálculo de la subrasante C: Factor de ajuste El factor de ajuste C, es un coeficiente definido para correlacionar los datos obtenidos de las pruebas no destructivas en campo y los ensayos de laboratorio de módulo resiliente. En la AASHTO 9315, la selección de dicho valor se dejaba a la potencial ejecución de ensayos de verificación y en los casos donde no existía ningún tipo de certidumbre acerca del tipo de subrasante presente, se usaba de forma generalizada un factor de 0.33. Ahora el factor de corrección para subrasantes de pavimentos con bases o subbases granulares, según recomendaciones de dicho organismo, varía entre 0.3 y 0.4. 5.2.2 Normalización de deflexiones por temperatura Las deflexiones medidas en campo a cualquier temperatura deben ser corregidas a la temperatura de referencia de 20°C, para lo cual, se multiplica la deflexión medida por un factor de ajuste, tal como lo muestra la siguiente ecuación.

𝐷20 = 𝐷𝑇 ∗ 𝐹𝑇 Ecuación 4

15 INVIAS. Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras. 2 ed. Bogotá D.C., 2008. p. 371.

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Dónde: D20: Deflexión normalizada a temperatura de referencia de 20°C DT: Deflexión medida a cualquier temperatura FT: Factor de corrección por temperatura El factor de corrección por temperatura es determinado a partir de la figura 5.6 de la guía AASHTO16. En la Figura 9 se muestra un ejemplo para una estructura de pavimento con base granular. Se debe entrar al ábaco con la temperatura de la capa asfáltica, para el ejemplo 32°C (89.6°F), y cortar la curva del espesor de la capa asfáltica, 17 cm (6.7 pulg), y de esta manera obtener el valor de FT, igual a 0.82. Figura 9. Factor de ajuste por temperatura para un pavimento con base granular

Fuente: Editado por el Autor, de: AASHTO. Guide for design of pavement structures. Washington D.C., 1993. p III-99.

Cabe resaltar que la deflexión corregida hace referencia a la deflexión debajo del plato de carga del FWD. También, se tiene la figura 5.7 de la guía AASHTO para ajustar la deflexión D0 en pavimentos con bases estabilizadas con cemento y puzolanas.

16 AASHTO. Guide for design of pavement structures. Washington D.C., 1993. p III-99.

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5.2.3 Normalización de las deflexiones por carga Las deflexiones deben ser normalizadas por carga con el fin de obtener condiciones de diseño, para lo cual son ajustadas a una carga de un semi eje estándar de 8.2 ton, es decir, 4.1 ton (40 kN). Se utiliza la siguiente ecuación.

𝐷40 =𝑃40 ∗ 𝐷0

𝑃𝑒𝑛𝑠𝑎𝑦𝑜

Ecuación 5

Dónde: D40: Deflexión normalizada a carga de referencia de 40 kN, µm P40: Carga de referencia D0: Deflexión medida debajo de la placa de carga, deflexión máxima, µm Pensayo: Carga aplicada en el ensayo de campo Ejemplo: En un ensayo con FWD se obtuvo una deflexión de 198 µm aplicando una carga de 39.11 kN. Determinar la deflexión normalizada por carga.

𝐷40 =40 𝑘𝑁 ∗ 198𝜇𝑚

39.11 𝑘𝑁

𝐷40 = 203𝜇𝑚 5.2.4 Modulo equivalente (Ep) El módulo equivalente o modulo efectivo del pavimento refleja la rigidez de las capas que lo conforman, es decir, aporte de la capa asfáltica, y los materiales que se encuentran bajo ésta. Se determina mediante la siguiente expresión planteada por la AASHTO 93, a través de una serie de iteraciones, hasta conseguir la igualdad.

𝑑0 = 1.5 ∗ 𝑝 ∗ 𝑎 ∗

[

1

𝑀𝑟√1 + (

𝐷𝑎

√𝐸𝑝

𝑀𝑟

3

) 2

+

(

1 −1

√1 + (𝐷𝑎)2

𝐸𝑝

)

]

Ecuación 6

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Donde: d0: Deflexión central corregida por carga y temperatura, µm o mm p: Presión del plato de carga, Lb/pulg² o MPa a: Radio del plato de carga, pulgadas o mm D: Espesor total de las capas de pavimento, pulgadas o mm Mr: Modulo resiliente de la subrasante, psi o MPa Ep: Modulo efectivo de las capas que componen el pavimento, psi o MPa. 5.2.5 Número estructural efectivo Según la guía de rehabilitación del INVIAS17, el método AASHTO establece tres procedimientos para determinar el número estructural efectivo (SNeff), los cuales son:

Vida residual

Condiciones de las capas estructurales

Deflectometría La guía de rehabilitación recomienda la deflectometría para determinar el número estructural efectivo, ya que es el más preciso y considera las características de rigidez de las capas del pavimento actuales. Los principales parámetros que tiene en cuenta es el módulo resiliente de la subrasante, el módulo equivalente, y el espesor total de la estructura de pavimento. Se determina mediante la siguiente expresión:

𝑆𝑁𝑒𝑓𝑓 = 0.0045𝐷√𝐸𝑝3 Ecuación 7

Dónde: SNeff: Número estructural efectivo D: Espesor total del pavimento, pulg Ep: Módulo efectivo del pavimento, lb/pulg² Para realizar una verificación del número estructural efectivo calculado mediante la ecuación anterior, se puede determinar a partir de la condición actual de las capas estructurales, asignando los coeficientes estructurales y de drenaje de cada capa en base a los deterioros del tipo estructural, es decir, piel de cocodrilo, y fisuras transversales (ver Tabla 4).

17 INVIAS. Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras. 2 ed. Bogotá D.C., 2008. p. 364.

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Tabla 4. Coeficientes estructurales de pavimentos asfalticos existentes

Fuente: INVIAS. Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras. 2 ed. Bogotá D.C., 2008. p. 366 y 367.

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5.2.6 Análisis de tránsito La siguiente ecuación planteada por la AASHTO para calcular el número estructural efectivo (SN) o el tránsito (N8.2ton) es aplicada para el diseño de refuerzos con sobrecapa asfáltica.

𝐿𝑜𝑔 𝑁8.2𝑡 = 𝑍𝑟 ∗ 𝑆𝑜 + 9.36𝐿𝑜𝑔(𝑆𝑁 + 1) − 0.2 + [log (

∆𝑃𝑆𝐼4.2 − 1.5

)

0.4 +1094

(𝑆𝑁 + 1)5.19

] + 2.32𝑙𝑜𝑔𝑀𝑟 − 8.07

Ecuación 8

Dónde: N8.2 t: Transito equivalente de 8.2 toneladas en carril de diseño durante el periodo de diseño. Zr: Parámetro estadístico asociado al nivel de confianza SN: Número estructural ∆PSI: diferencia entre el índice de serviciabilidad inicial y final Mr: Modulo resiliente de la subrasante, lb/pulg². 5.2.7 Espesor de la sobrecapa

Para determinar el espesor de la sobrecapa necesario para recuperar la capacidad estructural del pavimento se utiliza la siguiente ecuación.

𝐷𝑜𝑙 =𝑆𝑁𝑓 − 𝑆𝑁𝑒𝑓𝑓

𝑎0𝑙

Ecuación 9

Dónde: Dol: Espesor de la sobrecapa, pulgadas SNf: Número estructural requerido SNeff: Número estructural efectivo del pavimento existente aol: Coeficiente estructural del material del refuerzo

5.2.8 Vida residual del pavimento El diseño de un pavimento cuenta con dos fases, el periodo de diseño y el periodo de vida útil, donde normalmente los pavimentos flexibles son diseñados a 10 años. Por ende, el concepto de vida residual es el periodo de vida que le queda a un pavimento antes de fallar, asociado al porcentaje de consumo del periodo de diseño. En el esquema de la Figura 10 planteada por la AASHTO, la teoría de la vida

47

residual en la evaluación de pavimentos considera un daño debido a la fatiga que reduce paulatinamente el número de cargas que puede soportar antes de la falla. Figura 10. Concepto de vida residual

Fuente: AASHTO. Guide for Design of Pavements Structures.

La vida residual del pavimento se puede calcular en porcentaje, tal como lo muestra la siguiente ecuación.

𝑉𝑟 = [1 −𝑛

𝑁] ∗ 100

Ecuación 10

Dónde: Vr: Vida residual del pavimento, % n: Número de aplicaciones de carga hasta el instante de la rehabilitación N: Número de aplicaciones de carga que puede soportar el pavimento existente, desde su construcción o última rehabilitación, hasta alcanzar la falla.

48

Por ejemplo, se tiene que el valor admisible de una estructura de pavimento son 13,000,000 ejes equivalentes de 8.2 ton cd/pd antes de la falla, y de 10,000,000 ejes equivalentes de 8.2 ton cd/pd como proyección del tránsito para el servicio de la vía. Entonces se tiene que la vida residual es:

𝑉𝑟 = [1 −10,000,000

13,000,000] ∗ 100

𝑉𝑟 = 23% Es decir que la estructura de pavimento evaluada, si cuenta con vida residual, y que es aproximadamente el 23%. 5.3 CARACTERÍSTICAS CUALITATIVAS DEL PAVIMENTO Las deflexiones medidas en la estructura de un pavimento están directamente asociadas a la resistencia, rigidez de las capas y de sus espesores, por lo cual existen diferentes indicadores que proporcionan un análisis preliminar del comportamiento estructural del pavimento. Horak18 planteó dividir los cuencos de deflexión en tres zonas, tal como se muestra en la Figura 11. La zona 1 se asocia con la rigidez de las capas superiores de rodadura y base principalmente. La zona 2 se asocia con la rigidez de capa de subbase. La zona 3 presenta concavidad hacia abajo y se extiende hasta donde la deflexión sea cero; aunque esta zona comúnmente se limita entre 0.6 y 0.9 m del eje de carga, la extensión real depende del espesor de la estructura de pavimento y de la respuesta de las capas inferiores. BLI hace referencia al índice de curvatura de la base y refleja la rigidez de la zona 1; MLI es el Índice de capas intermedias o índice de dalo de la base y representa la rigidez de la zona 2; y LLI es el índice de capas inferiores o índice de curvatura de la base y representa la deformación por compresión sobre dichas capas.

18 BELTRAN, Gloria y ROMO, Miguel. Análisis de índices derivados de pruebas de deflexión por impacto para evaluación de pavimentos. Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica. Cancún, 2012.

49

Figura 11. Zonas del Cuenco de deflexión que representan la rigidez de las capas

Fuente: BELTRÁN, Gloria y ROMO, Miguel. Análisis de índices derivados de pruebas de deflexión por impacto para evaluación de pavimentos. Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica. Cancún, 2012. p. 4.

El índice de curvatura superficial (ICS, o BLI) se determina mediante la siguiente ecuación.

𝐼𝐶𝑆 = 𝐷0 − 𝐷300 Ecuación 11

Dónde: D0: Deflexión máxima, bajo el plato de carga, µm D300: Deflexión medida a 300 mm respecto al eje de carga, µm Para el índice de daño de la base (IDB, o MLI) es utilizada la ecuación 12.

𝐼𝐷𝐵 = 𝐷300 − 𝐷600 Ecuación 12

Dónde: D300: Deflexión medida a 300 mm respecto al eje de carga, µm D600: Deflexión medida a 600 mm respecto al eje de carga, µm

50

El índice de curvatura de la base (ICB, o LLI) es determinado mediante la ecuación 13.

𝐼𝐶𝐵 = 𝐷600 − 𝐷900 Ecuación 13

Dónde: D600: Deflexión medida a 600 mm respecto al eje de carga, µm D700: Deflexión medida a 900 mm respecto al eje de carga, µm Horak plantea una serie de rangos para identificar si las condiciones estructurales del pavimento evaluado a 40 kN son firmes, en alerta o severas. En la siguiente tabla se presentan dichos rangos.

Tabla 5. Parámetros de evaluación estructural cualitativa

Fuente: Editado por el Autor, de: Benchmarking the structural condition of flexible pavements with deflection bowl parameters. Journal of the South African Institution of Civil Engineering. eering Vol 50 No 2, 2008, p. 2–9.

A continuación, se presenta un ejemplo de cálculo de los índices de Horak de una medición con FWD en una estructura de pavimento flexible, donde se obtuvieron las siguientes deflexiones (ver Tabla 6).

D0 (µm) RoC (m) ICS (µm) IDB (µm) ICB (µm)

Firme <500 >100 <200 <100 <50

Alerta 500-750 50-100 200-400 100-200 50-100

Severa >750 <50 >400 >200 >100

Firme <200 >150 <100 <50 <40

Alerta 200-400 80-150 100-300 50-100 40-80

Severa >400 <80 >300 >100 >80

Firme <400 >250 <200 <100 <50

Alerta 400-600 100-250 200-400 100-150 50-80

Severa >600 <100 >400 >150 >80

Nota: Estos criterios se pueden ajustar para mejorar la sensibilidad en la evaluación comparativa

D0: Deflexion bajo el plato de carga ICS: indice de condicion superficial

IDB: indice de daño de la base ICB: indice de curvatura de la base

Base Granular

Base cementada

Base bituminosa

Parámetros del cuenco de deflexión Calificación condición

estructuralTipo de base

51

Tabla 6. Deflexiones medidas con el FWD

Load D1 (0 mm)

D2 (300mm)

D3 (600mm)

D4 (900mm)

D5 (1200mm)

D6 (1500mm)

D7 (1800mm)

kN µm µm µm µm µm µm µm

40.0 158 123 60 30 18 14 11

Fuente: Elaboración propia.

Índice de curvatura superficial

𝐼𝐶𝑆 = 158𝜇𝑚 − 123𝜇𝑚

𝐼𝐶𝑆 = 35𝜇𝑚 De acuerdo a los rangos planteados por Horak (ver tabla 5, base bituminosa), se tiene una condición óptima de la capa asfáltica.

Índice de daño de la base

𝐼𝐷𝐵 = 123𝜇𝑚 − 60𝜇𝑚

𝐼𝐷𝐵 = 63𝜇𝑚 El índice de daño de la base, 63 µm indica una condición firme de la base granular, según los rangos de la tabla 5.

Índice de curvatura de la base

𝐼𝐶𝐵 = 60𝜇𝑚 − 30𝜇𝑚

𝐼𝐶𝐵 = 30𝜇𝑚 El índice de curvatura de la base presenta una condición firme, ya que para llegar a esta condición debe ser < a 50 µm. En general la estructura de pavimento se encuentra estructuralmente en buenas condiciones. Dada la importancia de estos parámetros en la evaluación preliminar de los pavimentos, es necesario considerar el módulo de elasticidad de la subrasante, ya que, según el estudio “Caracterización de los cuencos de deflexión en pavimentos flexibles” del ingeniero Carlos Higuera19, la variación de los módulos de elasticidad

19 HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Caracterización de los cuencos de deflexión en pavimentos flexibles. Revista, Facultad de Ingeniería. UPTC, Tunja. 2009. p. 78 - 86.

52

generan una sensibilidad alta en relación a la deflexión superficial y de la subrasante. Por otra parte, la variación en el módulo dinámico de la capa asfáltica presenta una sensibilidad baja, pero la variación de su espesor genera una sensibilidad media. Ahora bien, la base granular, genera una sensibilidad media a la variación de su módulo de elasticidad y alta en relación a la variación de su espesor. Dadas las condiciones anteriores, resulta factible realizar dicho análisis con el fin de identificar tramos con deficiencias estructurales. 5.4 ÍNDICE DE CONDICIÓN DEL PAVIMENTO (PCI) El índice de condición del pavimento PCI (Pavement Condition Index) es determinado en vías y aeropuertos para identificar de forma general que tan bueno o malo se encuentra actualmente el pavimento, en una escala de 0 para un pavimento fallado, a 100 para un pavimento en perfecto estado (ver Figura 12). El cálculo del PCI se fundamenta en los resultados de un inventario visual de la condición del pavimento en el cual se establecen: clase, severidad y cantidad de cada daño presente, de acuerdo a las definiciones y clasificación de deterioros según las normas ASTM D5340-12 para aeropuertos y ASTM 6433-11 para vías y estacionamientos, aplicada a pavimentos flexibles y rígidos. Por otra parte, para las vías nacionales que están a cargo del INVIAS se deben tener en cuenta los manuales de inspección de obras.

53

Figura 12. Escala para calificar el PCI

Fuente: Editado por el autor de: ASTM 6433-11. Standard practice for roads and parking lots pavement condition Index surveys.

En Dynatest la inspección de deterioros es realizada por medio del equipo MFV, fundamentalmente por el sistema LCMS, y procesada con el software Dynatest Explorer, para finalmente realizar el cálculo en PAVER. Para llevar a cabo dicho procedimiento, previamente se debe realizar un seccionamiento basado en las unidades de muestra definidas en la inspección de campo. Según Luis Vásquez20 las unidades de muestra dependen del tipo de proyecto a evaluar: En la evaluación de una red vial puede tenerse un número muy grande de unidades de muestreo cuya inspección demandará tiempo y recursos considerables; por lo tanto, es necesario aplicar un proceso de muestreo. En la evaluación a nivel de proyecto se deben inspeccionar todas las unidades; sin embargo, de no ser posible, el número mínimo de unidades de muestreo que deben evaluarse se obtiene mediante la ecuación 8, la cual produce un estimado del PCI ± 5 del promedio verdadero con una confiabilidad del 95%.

20 VÁSQUEZ VARELA, Luis Ricardo. Pavement Condition Index (PCI) para pavimentos asfálticos y de concreto en carreteras. Ingepav. Manizales, febrero de 2002. p. 4.

54

𝑛 =𝑁 ∗ 𝑠2

𝑒2

4 ∗ (𝑁 − 1) + 𝑠2

Ecuación 14

Dónde: n: Número mínimo de unidades de muestreo a evaluar. N: Número total de unidades de muestreo en la sección del pavimento. e: Error admisible en el estimativo del PCI de la sección (e = 5%) s: Desviación estándar del PCI entre las unidades. Vásquez21, basado en las normas ASTM 6433, menciona que:

Durante la inspección inicial se asume una desviación estándar del PCI de 10 para pavimento asfáltico (rango PCI de 25) y de 15 para pavimento de concreto (rango PCI de 35). En inspecciones subsecuentes se usará la desviación estándar real (o el rango PCI) de la inspección previa en la determinación del número mínimo de unidades que deben evaluarse. Cuando el número mínimo de unidades a evaluar es menor que cinco (n < 5), todas las unidades deberán evaluarse.

De esta manera el PCI forma parte fundamental en la evaluación funcional de pavimentos, ya que se pueden definir tratamientos superficiales y mantenimientos rutinarios que exige las condiciones de la vía, para brindar seguridad y comodidad.

21 Ibid., p. 5.

55

6. PROYECTOS, EVALUACIÓN ESTRUCTURAL Y/O FUNCIONAL 6.1 PROYECTO 1: TRAMO VIAL, CAUCASIA – ZARAGOZA 6.1.1 Generalidades El presente proyecto tuvo como objeto la evaluación estructural del pavimento de cada uno de los carriles en los tramos K9+690 a K9+990 y K21+150 a K21+200 de la vía Caucasia – Zaragoza. La Figura 13 muestra la ubicación de dichos tramos los cuales se referenciarán como zona 1 y zona 2 respectivamente, donde se realizó la evaluación estructural con el equipo HWD. Figura 13. Localización general proyecto 1

Fuente: Elaboración propia

6.1.2 Análisis de deflexiones Se realizó un programa de pruebas de deflectometría orientado a determinar las condiciones estructurales del pavimento en las dos zonas definidas; las pruebas de

Zona 2

Zona 1

56

deflectometría se realizaron con 3 niveles de carga (25 kN - asentamiento, 40 kN – registro y 50 kN - registro), y se aplicó la carga sobre la placa de diámetro de 30 cm. Para facilitar la identificación de los puntos de deflexión medidos en sitio, se separó cada zona por carriles tal como lo muestran la Tabla 7. Además, se realizó medición a un carril de adelantamiento en la zona 1. Tabla 7. División de tramos

Zona Carril Inicio Final

1 D K9+990 K9+690

I K9+690 K9+990

A K9+940 K9+691

2 D K21+150 K21+200

I K21+200 K21+150

Fuente: Elaboración propia.

Para este proyecto se definieron los siguientes rangos de deflexiones, proporcionados por Dynatest: Deflexiones ≤ a 500 µm: Estructura firme 500 µm < Deflexión ≤ 1,000 µm: Estructura buena 1,000 µm < Deflexión ≤ 1,500 µm: Estructura regular Deflexiones > 1,500 µm: Estructura débil Por medio de ELMOD es posible generar los puntos de deflexiones de las pruebas in-situ acorde a los umbrales definidos anteriormente con su respectiva localización. En las figuras 14 y 15 se muestran los carriles de la zona uno (1). En el carril derecho se observa que el pavimento se encuentra firme lo cual indica inicialmente que sus capas aportan la resistencia necesaria al paso del tránsito, sin incurrir en mayores deflexiones. En el carril izquierdo se tienen algunos puntos que indican que la estructura se encuentra en buenas condiciones (puntos amarillos), sin embargo, es necesario indicar que las deflexiones son aproximadamente de 1 mm en la peor situación, es decir, la estructura de pavimento se está empezando a debilitar por el paso del tránsito o por efectos climáticos, como altas temperaturas.

57

Figura 14. Deflexiones medidas zona 1 - carril derecho e izquierdo

Fuente: ELMOD 6.0.

Para el carril de adelantamiento se tiene que las deflexiones reflejan un estado firme de la estructura de pavimento. En la Figura 15 se observan las deflexiones medidas de dicho tramo. En la zona dos (2) se tiene que para el carril derecho las deflexiones no superaron 0.5 mm, lo cual indica un buen comportamiento de la estructura de pavimento ante la carga aplicada en el ensayo (50 kN), aproximadamente equivalente a un semi eje sencillo de cuatro llantas, según la resolución 4100 de 200422. Para el carril izquierdo se observan dos puntos de deflexión seguidos donde la estructura presentó una deflexión promedio de 0.75 mm, tal como lo muestra la figura 16 lado derecho.

22 MINISTERIO DE TRANSPORTE. Resolución 4100. Colombia, diciembre 28 de 2004. p. 8.

Carril derecho Carril Izquierdo

58

Figura 15. Deflexiones zona 1 - carril de adelantamiento

Fuente: ELMOD 6.0. Figura 16. Deflexiones zona 2 – carril derecho e izquierdo

Fuente: ELMOD 6.0.

Carril derecho Carril izquierdo

59

En la siguiente tabla se muestra un resumen de los valores promedio, valores mínimos y máximos de las deflexiones (D0) obtenidas para cada carril de las dos zonas evaluadas. Tabla 8. Resumen de deflexiones por carril, en micrómetros.

Zona 1 Zona 2

Carril derecho

Carril izquierdo

Carril adelantamiento

Carril derecho

Carril izquierdo

Deflexión promedio

490

530

455

529

546

Deflexión Máxima

689

774

622

623

665

Deflexión Mínima

304

381

353

413

420

Desviación Estándar

94 95 75 67 77

Fuente: Elaboración propia.

6.1.3 Módulos de la estructura de pavimento Mediante la información deflectométrica y espesores se determinó la rigidez de cada una de las capas que conforman la estructura del pavimento; por medio del análisis del retrocálculo, se determinaron los módulos elásticos para el suelo de fundación, materiales granulares y capa de rodadura (mezcla asfáltica) teniendo como referencia los espesores de cada capa y por medio del software ELMOD 6, se analizó la deflexión de carga generados por el HWD utilizando la denominada metodología "empírico-mecánica. De acuerdo a información secundaria, para los dos tramos sujetos a evaluación se cuenta con los mismos espesores y material. Cabe aclarar que la variación de los espesores de cada capa granular afecta directamente los valores del módulo, ya que estos dependen del tipo de material, condiciones constructivas, condiciones regionales, etc. En la Figura 17 se muestra la estructura de pavimento existente.

Figura 17. Espesores de la estructura de pavimento flexible

Fuente: Elaboración propia.

cm

7,5

Subrasante

20

20

Capa Asfáltica

Base Granular

Subbase Granular

Mejoramiento con material de corte

60

En las figuras 18, 19, 20, 21 y 22 se observa los resultados de los módulos de elasticidad en los puntos evaluados de la zona 1 y 2. E1 hace referencia al módulo de la capa asfáltica, E2 a la base granular, E3 a la subbase granular, y Esub a la subrasante. Los módulos del asfalto cambian de acuerdo con la temperatura al momento en que fueron realizadas las mediciones deflectométricas, para lo cual se normalizaron las deflexiones a temperatura de referencia de 20°C, normalizando los módulos elásticos obtenidos a esta temperatura. De forma general en las siguientes figuras se observa un buen comportamiento en los módulos elásticos de la capa asfáltica y granular de ambas zonas, y por otra parte se tiene que la subbase granular y la subrasante presentan módulos similares, generando esta última capa un adecuado aporte de fundación de la estructura de pavimento. Figura 18. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C Zona 1 - carril derecho

Fuente: Elaboración propia. A partir de: ELMOD 6.0 Figura 19. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C Zona 1 – carril izquierdo

Fuente: Elaboración propia. A partir de: ELMOD 6.0

61

Figura 20. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C Zona 1 – carril de adelantamiento

Fuente: Elaboración propia. A partir de: ELMOD 6.0

Figura 21. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C Zona 2 – carril derecho

Fuente: Elaboración propia. A partir de: ELMOD 6.0

Figura 22. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C Zona 2 – carril izquierdo

Fuente: Elaboración propia. A partir de: ELMOD 6.0

62

En la Tabla 9 se resumen los módulos de elasticidad y la desviación estándar (modelo log normal) de la estructura de pavimento para cada una de las zonas en estudio. Se observa que entre la zona 1 y la zona 2 se evidencia una variación del módulo obtenido en la carpeta asfáltica, para la zona 1 se obtuvo un valor medio de 4,200 MPa y para la zona 2 de 3,000 MPa, lo cual puede indicar un cambio del material extendido. Sin embargo, se presenta una homogeneidad de los módulos en cada zona, lo cual es un buen indicador de la homogeneidad de la mezcla. De la misma manera los módulos del material granular y de la subrasante presentan un buen comportamiento homogéneo para las zonas evaluadas. Tabla 9. Módulos de elasticidad normalizado a 20°C de las zonas en estudio

Fuente: Elaboración propia.

6.1.4 Análisis mecanicista Para verificar si estas estructuras cumplen con los criterios mecanicistas (Fatiga y ahuellamiento) se eligió de cada zona una estructura y se determinaron los esfuerzos y deformaciones de servicio y admisibles según los criterios de la Shell,

Zona Carril Capa

Módulo

Prom.

(Mpa)

Desviación

Estándar

Carpeta Asfáltica 4,284 1.22

Base granular 681 1.20

Subbase granular 108 1.46

SR mejorada 75 1.38

Carpeta Asfáltica 4,410 1.19

Base granular 665 1.12

Subbase granular 92 1.42

SR mejorada 62 1.38

Carpeta Asfáltica 4,044 1.13

Base granular 640 1.18

Subbase granular 148 1.37

SR mejorada 96 1.31

Carpeta Asfáltica 2,921 1.17

Base granular 556 1.12

Subbase granular 115 1.27

SR mejorada 86 1.31

Carpeta Asfáltica 3,082 1.13

Base granular 595 1.14

Subbase granular 101 1.35

SR mejorada 63 1.35

Izquierdo

2

Derecho

Izquierdo

Adelantamiento

1

Derecho

63

Dormon – Kerhoven, CRR de Bélgica y el criterio de Huang. Se asumen los siguientes valores de diseño:

Volumen de bitumen de la mezcla asfáltica, 12 % Se tomó el valor de 12% de volumen de bitumen, correspondiente a una mezcla asfáltica típica.

Nivel de confianza, 95 %

El nivel de confianza se asumió de los rangos propuestos por la AASHTO para el diseño de pavimentos (ver Tabla 10), teniendo en cuenta la clasificación de la vía, la cual corresponde a una autopista en zona rural.

Tabla 10. Nivel de confianza recomendado según la clasificación de la vía

Clasificación funcional de la vía Nivel recomendado de confiabilidad, %

Urbana Rural

Autopistas 85 - 99.9 80 - 99.9

Arterias principales 80 – 99 75 - 95

Colectoras 80 – 95 75 - 95

Locales 50 – 80 50 - 80

Fuente: Editado por el autor, de: AASHTO. Guide for design of pavement structures. Washington D.C., 1993. p. II-9.

Tránsito 2,500,000 ejes equivalentes de 8.2 ton cd/pd, teniendo en cuenta que es una vía nueva, y asumiendo un nivel de transito NT2, dado que no fue posible conocer información del tránsito proyectado.

Relación de Poisson Los coeficientes de Poisson fueron tomados de la Tabla 11. Según los valores típicos propuestos por la FAA se asumieron los siguientes valores: AC 0.35, BG 0.4, SBG 0.4, y SR 0.45

64

Tabla 11. Valores típicos de la relación de Poisson en diseño de pavimentos

Material Rango Típico

Concreto asfaltico o bases tratadas con asfalto (AC) 0.25 - 0.4 0.35

Concreto hidráulico (PCC) 0.10 - 0.20 0.15

Base tratada con cemento 0.15 - 0.25 0.20

Base y subbase granular 0.2 - 0.40 0.35

Subrasante 0.3 - 0.45 0.40 Fuente: Editado por el autor, de: FAA. Advisory circular 150/5370-11B. CHAPTER 5, Deflection data anlyses. p.53.

Presión de contacto (q): 5.76 kg/cm²

Se tomó un valor típico de presión de contacto de un eje sencillo de rueda doble de 8.2 ton.

Carga (P) Para el cálculo de la carga por llanta se tomó un eje estándar de 8.2ton aplicando la siguiente ecuación.

𝑃 =𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑗𝑒

𝑁° 𝑑𝑒 𝑙𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎𝑠

Ecuación 15

𝑃 =8200𝑘𝑔

4

𝑃 = 2050 𝑘𝑔

Radio del plato de carga (a)

𝑎 = (𝑃

𝜋 ∗ 𝑞)0.5

Dónde: P: carga por llanta, Kg q: Presión de contacto, Kg/cm²

𝑎 = (2,050 𝑘𝑔

𝜋 ∗ 5.76 𝑘𝑔/𝑐𝑚2)0.5

𝑎 = 10.64 𝑐𝑚

Ecuación 16

65

Separación entre ejes (s)

𝑠 = 3 ∗ 𝑎

Dónde: a: Radio del plato de carga, cm

𝑠 = 3 ∗ 10.64 𝑐𝑚

𝑠 = 31.9 𝑐𝑚

Ecuación 17

Para la zona uno (1) y dos (2) se eligió el carril izquierdo dado que presentaba el menor valor de módulo de elasticidad de la subrasante, y de esta manera se conseguía una situación crítica que representara dicha zona. En las Tabla 12 y 13 se presentan los valores de deformación, esfuerzo y deflexión de servicio y admisibles, los cuales indican que las estructuras cumplen los criterios de fatiga y ahuellamiento y presenta un porcentaje de reserva crítica de 18% para la zona 1, y 12% para la zona 2. Los valores de servicio se presentan en el anexo A, calculados mediante la herramienta Kenlayer y BISAR 3.0, siguiendo la metodología del Ingeniero Carlos Hernando Higuera Sandoval, Docente Titular de la Escuela de Transporte y Vías de la UPTC. Tabla 12. Comprobación mecanicista zona 1

Capa Parámetro Vr. De

servicio

Vr. Admis.

% Consumo

%Reserva Observación

C. Asfáltica ξr, strain 1.400E-04 < 2.011E-04 70 30 Cumple Criterio

de fatiga

Subrasante

ξz, strain 3.397E-04 < 4.53E-04 75 25 Cumple C. de

deformación o ahuellamiento

σz, Kg/cm2

0.2470

< 0.8080 31 69 Cumple C. de

deformación o ahuellamiento

< 0.301 82 18 Cumple C. de

deformación o ahuellamiento

Modelo estructural

Δ, mm 0.4760 < 0.725 66 34 Cumple C. de

deflexión

Fuente: Elaboración propia.

66

Tabla 13. Comprobación mecanicista zona 2

Capa Parámetro Vr. De

servicio

Vr. Admis.

% Consumo

%Reserva Observación

C. Asfáltica ξr, strain 1.599E-04 < 2.288E-04 70 30 Cumple Criterio

de fatiga

Subrasante

ξz, strain 3.983E-04 < 4.53E-04 88 12 Cumple C. de

deformación o ahuellamiento

σz, Kg/cm2

0.2690

< 0.8211 33 67 Cumple C. de

deformación o ahuellamiento

< 0.307 88 12 Cumple C. de

deformación o ahuellamiento

Modelo estructural

Δ, mm 0.4950 < 0.725 68 32 Cumple C. de

deflexión

Fuente: Elaboración propia.

6.2 PROYECTO 2: TRAMO VIAL – MAGDALENA MEDIO 6.2.1 Generalidades Dentro de los proyectos en ejecución de Dynatest en Colombia, se tiene la evaluacion funcional y estructural del corredor vial localizado en los departamentos de Cundinamarca, Boyacá, Norte de Santander y César, conectando los principales centros poblados de dicha región con una longitud de 605 km aproximadamente. De dicho corredor se tomó un tramo de 54 Km en el Magadalena Medio, con una calzada bidireccional en pavimento flexible y carriles de 3.0 m de ancho, con el fin de establecer las estrategias necesarias para mantener o rehabilitar dicho tramo. En la Figura 23 se observa una vista general de la localizacion del tramo vial en estudio que va desde el PR74+650 a PR 128+000.

67

Figura 23. Localización tramo proyecto 2

Fuente: Elaboración propia. A partir de: Google Earth.

Para llevar a cabo el análisis estructural y funcional se tomo la informacion primaria y secundaria de pruebas destructivas y no destructivas de las cuales se tenian datos de deflexiones, espesores, indice de rugosidad internacional (IRI), ahuellamiento y fricción. 6.2.2 Evaluación estructural

De acuerdo a lo anterior se analizó la condicion estructural del tramo en base a las medidas de deflexion y espesores con Georradar. Se determinaron los parametros AASHTO - 93, es decir, módulo resiliente (Mr), módulo equivalente (Ep), y número estructural efectivo (SNeff). Dados éstos parametros y el tránsito de diseño futuro (Nf) es posible determinar la vida remanente de las estructuras de pavimento homogeneas.

68

6.2.2.1 Espesores con Georradar Los espesores del tramo vial en estudio se tomaron del análisis con georradar, por medio del software RADAN 7. Las constantes dieléctricas fueron calibradas por medio de información de apiques realizados cada 10 km. Para determinar estructuras homogéneas se llevó a cabo la metodología de las diferencias acumuladas, planteada en el anexo E de la Guía de diseño de rehabilitaciones del INVIAS, tomando como variable la deflexión máxima (d0) ya que representa el comportamiento global del pavimento ante una carga. En la Tabla 14 se muestran las unidades homogéneas a lo largo del tramo en estudio. Dadas las diferencias acumuladas (Da) se eligieron 5 unidades homogéneas que representaran las estructuras de pavimento existentes. Sin embargo, se encontró que en algunas partes del tramo la estructura de pavimento solo estaba compuesta de 3 capas y las demás de 4, por lo cual se dejaron 6 unidades homogéneas para realizar el diseño de las intervenciones.

69

Tabla 14. Da para determinar estructuras de pavimento homogéneas

Deflexión máxima (d0) medida con el FWD

De

fle

xio

ne

s

Un

ida

de

s h

om

og

én

ea

s

Fuente: Elaboración propia.

70

Se encontraron capas asfálticas de 16 a 29 cm, lo cual indica que la vía presenta rehabilitaciones con sobrecapas, y diferentes espesores de capas granulares; bases de espesores que varían de 18 a 38 cm, y subbases de 39 a 50 cm en promedio. (Ver Tabla 15). Tabla 15. Espesores promedio de las unidades homogéneas

Fuente: Elaboración propia.

Se realizó un promedio ponderado de espesores de las unidades homogéneas (ver Tabla 16) con el fin de determinar los parámetros AASHTO 93 y como datos de

Capa Asfaltica Base granular Sub base Granular Total GRANULARES Total

PR 74 - 76 19 38 -- 38 57

PR 76 - 78 17 29 -- 29 46

PR 78 - 80 17 33 -- 33 50

2 PR 80 - 82 16 31 48 79 95

PR 82 - 84 19 24 50 74 93

PR 84 - 86 22 20 42 62 84

PR 86 - 88 22 21 44 65 87

PR 88 - 90 22 22 -- 22 44

PR 90 - 92 23 19 43 62 85

PR 92 - 94 21 21 -- 21 42

PR 94 - 96 24 21 -- 21 45

PR 96 - 98 21 22 41 63 84

PR 98 - 100 25 21 39 60 85

PR 100 - 102 24 21 50 71 95

PR 102 - 104 25 19 48 67 92

PR 104 - 106 23 18 40 58 81

PR 106 - 108 25 22 -- 22 47

PR 108 - 110 28 23 44 67 95

PR 110 - 112 27 33 -- 33 60

PR 112 - 114 27 22 46 68 95

PR 114 - 116 28 29 -- 29 57

PR 116 - 118 28 21 48 69 97

PR 118 - 120 29 22 -- 22 51

PR 120 - 122 26 23 -- 23 49

PR 122 - 124 24 22 43 65 89

PR 124 - 126 24 23 44 67 91

PR 126 - 128 24 20 44 64 88

E.H. Estructura homogenea

3

1

4

5

6

LOC.ESPESORES (cm)

E.H.

71

entrada en el software ELMOD donde se realizó retrocálculo, obteniendo los módulos de cada capa. Tabla 16. Espesores de diseño de rehabilitación

Fuente: Elaboración propia.

Como se mencionó anteriormente algunos puntos del tramo solo contaban con tres capas, tal como lo muestra el ejemplo del radar – grama de la Figura 24, donde son dibujadas las capas de acuerdo a las ondas generadas con el georradar, su señal y la calibración de las dieléctricas. En el esquema los puntos amarillos y rojos limitan el espesor de la capa asfáltica y granular respectivamente. Finalmente, en la parte inferior automáticamente va saliendo el perfil de la estructura de pavimento. Figura 24. Radar-grama PR78+050 a PR78+350

Fuente: Elaboración propia.

Capa Asfaltica Base granular Sub base Granular Total GRANULARES Total

1 PR 74 a 80 17 34 -- 34 51

2 PR 80 a 82 16 31 48 79 95

3 PR 82 a 102 22 18 36 54 76

4 PR 102 a 110 25 17 37 54 79

5 PR 110 a 120 28 15 29 44 72

6 PR 120 a 128 25 18 37 55 80

E.H. LOC.ESPESORES (cm)

72

6.2.2.2 Deflexiones Las deflexiones fueron tomadas con el equipo FWD a tres bolillos, es decir, un punto en cada carril, y sobre la huella cada 500 m, para de esta manera obtener puntos cada 250 m, calzada, tal como se muestra en la Figura 25. Figura 25. Medición de deflectometría a tres bolillos

Fuente: Elaboración propia.

Se utilizó una hoja de cálculo de Excel de la metodología AASHTO 93 realizada por Dynatest para determinar el número estructural efectivo (SNeff). Para llevar a cabo dicho cálculo es necesario crear una base de datos en ELMOD con los datos crudos (deflexiones tomadas en campo), a fin de obtener los datos de entrada de la hoja de cálculo, los cuales son: datos de GPS, deflexiones, y modulo estimado de cada capa. Estos datos son exportados a Excel y pegados en la hoja de cálculo AASHTO. En el anexo B se encuentran los archivos correspondientes a la normalización de deflexiones por carga y temperatura, obteniendo al final un promedio de deflexiones para cada punto. También se presenta el cálculo de los parámetros AASHTO y la calificación cualitativa según Horak. Los índices de Horak permiten una evaluación preliminar al diseño de la rehabilitación, ya que se pueden identificar puntos donde el pavimento se encuentra débil o lo contrario, firme. A continuación, se presenta el análisis del índice de cada capa planteado por Horak respecto a bases bituminosas por tener espesores mayores a 15 cm en su mayoría.

73

Deflexión máxima (d0) En la Figura 26 se observa que existen cuatro (4) puntos en alerta, ubicados en las abscisas K79+501, K103+750, K112+501, y K123+250, es decir, la estructura de pavimento presenta un debilitamiento estructural, el cual se debe identificar con los demás índices y determinar que capa incide directamente en esa pérdida de capacidad. Figura 26. Evaluación de la deflexión máxima

Fuente: Elaboración propia.

74

Índice de curvatura superficial (BLI)

Teniendo en cuenta el comportamiento de las deflexiones que representan la rigidez de la capa asfáltica, ésta se encuentra en una condición firme, (ver Figura 27), por lo cual se prevé que la estructura inicialmente no va a fallar por fatiga y se debe tener en consideración posibles ahuellamientos.

Figura 27. Índice de curvatura superficial (BLI)

Fuente: Elaboración propia.

75

Índice de daño de la base (MLI)

De acuerdo con las deflexiones máximas que se encontraron en nivel de alerta, se puede comparar que en las abscisas K78+748, K79+501 y K123+250, se presenta un índice severo de la condición de la base granular (ver Figura 28), lo cual indica que esta capa pudo provocar el debilitamiento de toda la estructura de pavimento. Por otra parte, en las abscisas K78+748 y K118+000 también se tiene una condición crítica, y que por medio de la repetición de cargas se pueda llegar a presentar ahuellamiento en un tiempo corto. Por otra parte, en nivel de alerta se deben considerar las estructuras que se encuentran en las abscisas K76+502 a K76+750, K104+000, K106+501, K112+250, ya que la base ha perdido capacidad estructural. Figura 28. Índice de daño de la base (MLI)

Fuente: Elaboración propia.

76

Índice de curvatura de la base (LLI)

La condición crítica que presenta la subrasante respecto a la rigidez se ve afectada en la estructura de pavimento ubicada en las abscisas K118+000 y K132+250, donde la primera coincide con las deflexiones severas de la capa de base granular, es decir, se presenta una deformación por compresión que puede inducir a un ahuellamiento, para lo cual es necesario realizar una intervención, inicialmente que involucre todas las capas en este punto (Bacheo). También se presentan algunas abscisas de alerta como lo son: K103+750, K106+501, y K112+501, y las que se muestran en la Figura 29 con un menor nivel de alerta. Figura 29. Índice de curvatura de la base (LLI)

Fuente: Elaboración propia.

77

Para el análisis AASHTO 93 se tomó el mismo concepto de las diferencias acumuladas, con el fin de establecer unidades homogéneas. A este punto ya se contaba con los módulos de capa calculados en ELMOD, para lo cual se tomó como variable el módulo de la capa asfáltica (E1) y el módulo equivalente (Ep), donde finalmente el de E1 representaba de una mejor manera las unidades homogéneas al ser similares a las determinadas por la variable deflexiones para el análisis de espesores. En la Figura 30 se muestran las unidades homogéneas seleccionadas para el análisis estructural AASHTO.

Figura 30. Unidades homogéneas, variable E1

Fuente: Elaboración propia.

78

6.2.2.3 Módulos retro-calculados en ELMOD 6.0 Por medio del software ELMOD se determinaron los módulos de elasticidad de las capas que componen las estructuras de pavimento de las unidades homogéneas seleccionadas, donde se encontraron módulos de subrasante buenos debido a la presencia de terraplenes, los cuales actuaron como mejoradores en la resistencia de dicha capa. En la Tabla 17 se muestra un resumen de los módulos retro-calculados, donde se evidencia una buena correlación de los datos representada en su desviación estándar. Tabla 17. Resumen módulos de elasticidad de las unidades homogéneas

Fuente: Elaboración propia.

Unidad

HomogéneaCapa

Módulo

Prom.

(Mpa)

Desviación

Estándar

Carpeta Asfaltica 3,091 1.5

Base granular 323 2.0

Subbase granular -- --

Subrasante 108 1.7

Carpeta Asfaltica 3,872 1.38

Base granular 433 1.55

Subbase granular 347 1.73

Subrasante 192 1.26

Carpeta Asfaltica 4,713 1.35

Base granular 549 1.76

Subbase granular 278 1.94

Subrasante 205 1.28

Carpeta Asfaltica 2,796 1.76

Base granular 280 1.67

Subbase granular 146 1.77

Subrasante 148 1.34

Carpeta Asfaltica 3,917 1.75

Base granular 347 2.19

Subbase granular 151 2.29

Subrasante 165 1.64

4

5

1

2

3

79

6.2.2.4 Análisis vida residual El análisis de la vida residual se llevó a cabo en base al módulo resiliente de diseño de la subrasante obtenido con la ecuación 1, y teniendo en cuenta un periodo de 10 años (hasta el 2028). Por otra parte, el periodo de diseño de la rehabilitación fue de 12 años, basado en las especificaciones de la guía del INVIAS23, la cual tiene en cuenta el nivel de tránsito y el tipo de intervención. El transito futuro para el 2030 se tiene que es de 27,250,000 ee de 8.2 ton /cd/pd. En el anexo C-3 se encuentra el análisis de vida residual de las unidades homogéneas (determinadas con la variable E1). Adicional se presenta el año en que va a fallar la estructura de pavimento y su respectiva intervención. En la Tabla 18 se muestra el análisis de vida residual de la unidad homogénea 1, la cual presentaba la situación más crítica a nivel estructural, al tener poca o nula vida residual.

23 INVIAS. Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras. 2 ed. Bogotá D.C., 2008. Tabla 1.1, p 12.

80

Tabla 18. Vida residual para la unidad homogénea 1.

Fuente: Elaboración propia.

Mr. AASHTO DiseñoMr. AASHTO Diseño

(kg/cm²) (psi)

K74+748 767,6 10.965,7 4,71 13.565.646 100 5 No 2023

K75+000 1.207,1 17.243,9 4,82 45.546.515 62 17 Si 2035

K75+251 742,2 10.602,5 4,35 7.209.635 100 3 No 2021

K75+501 866,8 12.382,7 4,13 7.262.317 100 3 No 2021

K75+750 629,2 8.988,8 4,06 3.050.206 100 1 No 2019

K76+000 1.771,9 25.313,5 5,55 315.733.163 9 116 Si 2038

K76+250 2.106,1 30.087,6 6,15 1.031.592.612 3 379 Si 2038

K76+502 482,3 6.889,6 3,96 1.382.272 100 1 No 2019

K76+750 561,9 8.027,5 3,76 1.410.374 100 1 No 2019

K77+000 1.629,9 23.284,3 7,00 1.584.776.782 2 582 Si 2038

K77+250 897,8 12.825,6 4,47 13.506.761 100 5 No 2023

K77+502 1.333,6 19.051,1 4,83 58.760.120 48 22 Si 2038

K77+750 480,0 6.857,1 4,95 6.515.824 100 2 No 2020

K78+000 858,9 12.269,8 4,54 13.490.436 100 5 No 2023

K78+251 557,5 7.963,6 5,15 12.279.504 100 5 No 2023

K78+501 526,2 7.517,5 4,75 6.027.342 100 2 No 2020

K78+748 608,0 8.686,1 3,83 1.911.842 100 1 No 2019

K79+000 821,5 11.735,4 4,53 12.136.340 100 4 No 2022

K79+250 985,9 14.084,0 4,98 36.204.042 78 13 Si 2031

K79+501 376,1 5.372,5 3,56 388.809 100 0 No 2018

K79+750 523,1 7.473,5 4,20 2.485.474 100 1 No 2019

K80+000 747,9 10.684,6 4,74 13.402.649 100 5 No 2023

Vida útil

(años) Año falla

Vida

residual

Unida

d H.

Capa de refuerzo

o reciclado in-situ1

LOC SN efectivo

AASHTO W 18

% Consumo

al año 2028 INTERVENCIÓN

81

6.2.3 Evaluación funcional En la evaluación funcional se analizó el IRI, ahuellamiento y fricción, donde los resultados fueron comparados respecto a la práctica actual en el país, relacionada principalmente con las Concesiones 4G. Los valores de la Tabla 19 hacen referencia a la condición que se llegaría realizando mantenimiento alto (Microaglomerados en frio o en caliente, tratamiento superficial, lechada asfáltica, y/o sobrecapa delgada) o mantenimiento medio (Sello de fisuras, parcheo y bacheo). Cabe resaltar, que los valores en la siguiente tabla fueron proporcionados por la concesión de la vía, teniendo en cuenta que tiene un tránsito de diseño NT3 (27,250,000 ee de 8.2 ton /cd/pd en un pedido de diseño de 10 años) Tabla 19. Indicadores de evaluación funcional

INDICADOR Mantenimiento

Alto (> 15 ee 8.2 ton cd/pd)

Mantenimiento Medio (3 – 15 ee

8.2 ton cd/pd)

IRI (m/km) 2.50 3.00

Ahuellamiento (mm) 12.0 15.0

Fricción Mu 0.55 0.45

Fuente: DYNATEST. Plan de mantenimiento HDM IV. 2018

Los valores obtenidos de IRI, ahuellamiento, y fricción, corresponden a un promedio ponderado por hitos de todas las mediciones que se tenían del tramo en estudio, auscultado por el equipo RSP III y de fricción (Mu-meter). Comparando los resultados con los propuestos para las vías 4G, se tiene que a nivel de fricción la vía presenta buenas condiciones, ya que presenta valores entre 0.71 y 0.75 (ver Tabla 20) lo cual genera seguridad al deslizamiento cuando la vía se encuentre húmeda. Tabla 20. Comparación de la Fricción

Unidad Homogénea

PR inicial PR Final Fricción

(Mu)

Fricción permisible

mínimo (mm) Observación

UH_1 K74+500 K80+000 0.71 0.55 Cumple

UH_2 K80+000 K89+000 0.71 0.55 Cumple

UH_3 K89+000 K102+500 0.73 0.55 Cumple

UH_4 K102+500 K114+750 0.71 0.55 Cumple

UH_5 K114+750 K128+000 0.75 0.55 Cumple

Fuente: Elaboración propia.

82

En cuanto al ahuellamiento, también se tiene buenas condiciones lo cual genera seguridad y comodidad al usuario (ver Tabla 21). Tabla 21. Comparación del ahuellamiento

Unidad Homogénea

PR inicial PR Final Ahuell. (mm)

Ahuell. permisible

máximo (mm) Observación

UH_1 K74+500 K80+000 4.10 12.0 Cumple

UH_2 K80+000 K89+000 3.30 12.0 Cumple

UH_3 K89+000 K102+500 5.25 12.0 Cumple

UH_4 K102+500 K114+750 3.90 12.0 Cumple

UH_5 K114+750 K128+000 4.00 12.0 Cumple

Fuente: Elaboración propia.

Por otra parte, a nivel de IRI se encontraron condiciones inaceptables (ver Tabla 22), para lo cual se propone realizar un mantenimiento alto, con un microaglomerado en caliente a las unidades homogéneas 2, 3, 4, y 5, principalmente en las abscisas donde se encontró deficiencia estructural (ver anexo C-3, vida residual), ya que a la unidad homogénea 1 se le realizara una rehabilitación con una capa de refuerzo o un reciclado, lo cual soluciona los problemas de irregularidad superficial. Tabla 22. Comparación de IRI

Unidad Homogénea

PR inicial PR Final IRI Prom. (m/km)

IRI permisible máximo (m/km)

Observación

UH_1 K74+500 K80+000 5.61 2.50 No cumple

UH_2 K80+000 K89+000 3.28 2.50 No cumple

UH_3 K89+000 K102+500 3.06 2.50 No cumple

UH_4 K102+500 K114+750 4.92 2.50 No cumple

UH_5 K114+750 K128+000 4.94 2.50 No cumple

Fuente: Elaboración propia.

6.2.4 Alternativas de rehabilitación Como se mencionó anteriormente, la unidad homogénea 1, comprendida entre los km 74+748 y km 80+000, presentó deficiencias en cuanto a capacidad estructural, y poca o nula vida residual, para lo cual se plantearon dos alternativas de solución a este problema. La alternativa uno (1) corresponde a una capa de refuerzo (ver

83

Figura 31) y una alternativa dos (2) a un reciclado In-situ (ver Figura 32). Para las demás unidades homogéneas se plantearon mantenimientos de preservación como microaglomerados, sobre capas delgadas, y bacheos (ver anexo C-3). Las memorias de cálculo del diseño de las alternativas se encuentran en el Anexo C-1 y C-2, donde los coeficientes estructurales (ai) de las capas existentes se asumieron del subcapítulo 5.2.3; asfalto, aAC de 0.17/pulg y base granular, aBG de 0.14/pulg. Figura 31. Modelo INVIAS NT3, Alt. 1 – Capa de refuerzo

Fuente: Elaboración propia.

84

Figura 32. Modelo INVIAS NT3, Alt. 2 – Reciclado In-situ

Fuente: Elaboración propia.

85

6.3 PROYECTO 3: CALLE DE RODAJE EJE GOLF - AEROPUERTO BOGOTÁ En este proyecto, se analizó el eje Golf ubicado en la plataforma sur del aeropuerto Bogotá. Su estructura de pavimento está compuesta por losas de concreto en un área de 300 m de largo por 50 m de ancho aproximadamente, tal como se enmarca en la Figura 33. Figura 33. Ubicación eje Golf

Fuente: Elaboración propia. A partir de: Google Earth.

A continuación, se presenta el análisis funcional y estructural de dicho eje. 6.3.1 Evaluación funcional Se determinó el PCI con base en los deterioros obtenidos con el sistema de auscultación semi-automatizada generada por las mediciones del equipo MFV. En el anexo D se encuentra el resumen de deterioros de dicho eje.

86

El PCI fue determinado por medio de la metodología PAVER, utilizando la norma ASTM 5340 – 12: Standard Test Method for Airport Pavement Condition Index Surveys. Las memorias de cálculo se presentan en el anexo D (ver archivo: PCI EJE GOLF_ ASTM 5340). La calificación del PCI se realizó con base en el esquema que se presentó en el numeral 5.4. En la Tabla 23 se presenta el PCI por unidades de muestra, donde el PCI de la sección, en este caso el eje Golf indica una condición del pavimento buena.

Sin embargo, en las unidades de muestra 2 y 3 se debe considerar realizar una rehabilitación debido a que se tienen asentamientos y/o escalonamientos que generan una condición irregular en el pavimento, afectando principalmente la transferencia de carga. Algunas de las posibles causas pueden ser las siguientes:

Asentamiento debido a una fundación blanda

Bombeo o erosión del material debajo de la losa

Alabeo de los bordes de la losa debido a cambios de temperatura o humedad.

87

Tabla 23. Reporte PCI eje Golf

Fuente: Elaboración propia.

Ahora bien, dadas las condiciones de que a una mayor afectación mayor serán los costos (ver Figura 34) es importante que se lleve a cabo lo más pronto las intervenciones pertinentes.

PID: INSPECTOR NAME:

PS-TXWG-PCC BRANCH USE : Terminal 1 29-nov-18

SECTION ÁREA: 13,470 m²

Unidad de

Muestra

Área (A),

m²PCI Rating A*PCI PCIs Rating

1 309.15 93 Good 28,750.72 86 Good

2 1,015.77 60 Fair 60,946.23

3 927.44 62 Fair 57,501.44

15 264.98 98 Good 25,968.39

22 706.62 93 Good 65,715.93

23 574.13 98 Good 56,264.85

24 618.30 98 Good 60,592.92

25 706.62 98 Good 69,249.05

26 529.97 93 Good 49,286.95

27 1,104.10 93 Good 102,681.15

28 485.80 91 Good 44,208.10

29 441.64 91 Good 40,189.18

30 44.16 79 Satisfactory 3,488.95

31 353.31 86 Good 30,384.79

32 176.66 98 Good 17,312.26

33 618.30 93 Good 57,501.44

34 132.49 91 Good 12,056.75

35 574.13 98 Good 56,264.85

42 794.95 98 Good 77,905.18

43 839.11 83 Satisfactory 69,646.52

44 662.46 84 Satisfactory 55,646.56

45 794.95 74 Satisfactory 58,826.36

46 794.95 77 Satisfactory 61,211.21

Suma 13,470.00 1,161,599.80

Jesús David Alfonso

DATE REPORT:

PCI EJE GOLF

88

Figura 34. Curva típica de desempeño del PCI

Fuente: ORTIZ, Javier. Gestión de pavimentos usando PAVER. Dynatest. Junio de 2015. p. 4.

6.3.2 Evaluación estructural Las mediciones se realizaron con el equipo HWD, donde se trazaron cuatro (4) líneas (línea C, D, E, y F, ver anexo E – Plano de mediciones) que abarcaron la calle de rodaje Golf. La localización de las pruebas se realizaron mediante un proceso aleatorio, obteniendo datos en el centro de losa, y entre juntas para el cálculo de módulos y transferencia de carga, respectivamente. Inicialmente se analizó la deflectometría dentro de los rangos propuestos por Horak de acuerdo con el estudio de evaluación comparativa para aeropuertos en Sur África. Sin embargo, considerando lo anterior y la experiencia, en Dynatest se analiza la deflectometría de acuerdo con las condiciones particulares de cada aeropuerto. Para este caso se analizó una calle de rodaje con los rangos de deflexión máxima que se muestran en la Tabla 24. Tabla 24. Rangos D0 para pavimento rígido

Condición estructural Deflexión Máxima (micrones) Normalizada a 1110 kPa

Adecuada <1,000

Alerta 1,000 – 1,500

Severa >1,500 Fuente: Dynatest. 2019

89

Por medio de ELMOD se normalizaron las deflexiones a 1110 kPa equivalentes a una carga de 176.53 KN. A manera de ejemplo se describe el procedimiento para la normalización de las deflexiones por medio de las opciones de grafica que muestra ELMOD (ver Figura 35). Figura 35. Opciones de grafica para la normalización de deflexiones

Fuente: Elaboración propia a partir de: ELMOD 6.0

90

Se elige el esfuerzo al que se requieren normalizar las deflexiones, en este caso 1110 kPa y se activa el cuadro de “Normalizar a” tal como se muestra en la Figura 36. Figura 36. Pestaña para activar la normalización de las deflexiones

Fuente: Elaboración propia a partir de: ELMOD 6.0

Los resultados pueden ser exportados a Excel o simplemente visualizarlos como muestra la Figura 37. Cabe resaltar que el presente ejemplo solo muestra las deflexiones de un punto de medición, ubicado en la abscisa K0+013.

91

Figura 37. Deflexiones normalizadas a 1110 kPa

Fuente: Elaboración propia a partir de: ELMOD 6.0

92

En la Figura 38 se observa que existen puntos en alerta y severos ubicados hacia el centro del área de la calle de rodaje analizada, los cuales indican que la estructura de pavimento rígido se ha debilitado, pero en general la respuesta del pavimento fue buena ante la aplicación de la carga.

Figura 38. Localización prueba de deflectometría

Fuente: Elaboración propia a partir de: ELMOD 6.0

6.3.2.1 Módulos de las capas de pavimento Se realizó retrocálculo por medio de ELMOD 6 considerando los espesores obtenidos mediante georradar, módulos semilla, y el tipo de material que compone la estructura de pavimento. La estructura está compuesta por una capa de concreto hidráulico, base granular y subrasante, para la cual se asumieron los módulos semilla que se presentan en la Figura 39.

93

Figura 39. Datos de entrada estructura de pavimento rígido – eje Golf

Fuente: ELMOD 6.0.

El retrocálculo se presenta en el anexo E, donde se calculó un promedio de módulos por línea medida y un promedio de todos los módulos determinados por medio de corrección logarítmica. Se encontró que en la línea F el módulo dinámico del concreto resulto mayor que en las demás líneas, presentando una buena correlación entre los resultados de módulos expresado en su desviación estándar, tal como lo muestra la Tabla 25. En la línea D se obtuvo el módulo dinámico del concreto más bajo, lo cual indica que la estructura de pavimento se ha debilitado, y requiere de una pronta intervención. Para calcular el módulo de rotura del concreto hidráulico se consideró la ecuación planteada por la FAA24 (Federal Aviation Administration, AC 150/5370-11B) para pavimentos rígidos.

𝑀𝑅 = 43.5 (𝐸𝑃𝐶𝐶

106) + 488.5

Ecuación 18

24 FAA. Use of nondestructive testing in the evaluation of airport pavement. Advisory circular 150/5370-11B. U.S. Department of transportation. Septiembre 30 de 2011. p.76.

94

Donde: MR: Módulo de rotura del concreto, lb/pulg² Epcc: Módulo estático del concreto, psi; Eestatico=0.8*Edinamico Edinamico: Módulo dinámico del concreto, definido por el retrocálculo, lb/pulg² Tabla 25. Módulos obtenidos para el eje Golf

Fuente: Elaboración propia.

6.3.2.2 Vida remanente De acuerdo con los resultados del retrocálculo y el tráfico aéreo se determinó la vida remanente mediante el software FAARFIELD. En la Tabla 26 se muestra el tránsito de aeronaves, el cual fue proporcionado por la concesión del aeropuerto en estudio, y en la Figura 40 la estructura de pavimento existente y su vida remanente, usando los resultados de todas las pruebas realizadas.

Línea Capa E, MPa

Módulo de

rotura, MR

MPa

K, MPa/m Desvest*

Concreto Hidráulico (Promedio*) 20,544 4.1 1.51

Base Granular (Promedio*) 295 1.54

Subrasante (Percentil 85) 155 25 1.07

Concreto Hidráulico (Promedio*) 19,917 4.0 1.54

Base Granular (Promedio*) 247 1.37

Subrasante (Percentil 85) 115 16 1.19

Concreto Hidráulico (Promedio*) 23,922 4.2 1.69

Base Granular (Promedio*) 348 1.69

Subrasante (Percentil 85) 154 16 1.17

Concreto Hidráulico (Promedio*) 43,524 4.9 1.08

Base Granular (Promedio*) 750 1.20

Subrasante (Percentil 85) 108 13 1.11

Concreto Hidráulico (Promedio*) 24,357 4.2 1.61

Base Granular (Promedio*) 346 1.71

Subrasante (Percentil 85) 119 17 1.22

* Los promedios y desviación estándar son calculados por corrección logarítmica

F

GENERAL

C

D

E

95

Tabla 26. Lista de aeronaves – eje Golf

Fuente: FAARFIELD.

Figura 40. Vida remanente eje Golf

Fuente: FAARFIELD.

De acuerdo con el análisis de vida remanente, la estructura resiste las cargas de tránsito aéreo en un periodo mayor a 20 años, sin embargo, es necesario evaluar la transferencia de carga, con el fin de verificar si las barras de trasferencia se están comportando adecuadamente.

96

6.3.2.3 Transferencia de carga Se evalúo la transferencia de carga en las juntas de losas por medio de las deflexiones de los geófonos 2 y 3 del equipo HWD, y se determinó a partir de la relación propuesta por la FAA25 (AC 150/5370-11B) expresada por la siguiente ecuación:

𝑇𝐶 = (∆𝑙𝑑

∆𝑙𝑐) ∗ 100

Ecuación 19

Donde: TC: Eficiencia en la transferencia de carga ∆ld: Deflexión en la losa no cargada, micrones ∆lc: Deflexión en la losa cargada, micrones Para tener claro el concepto de la posición donde se evalúa la transferencia de carga, la siguiente figura muestra la losa cargada y descargada. Figura 41. Transferencia de carga

Fuente: FAA. Use of nondestructive testing in the evaluation of airport pavement.

El valor ideal de la transferencia de carga es el 100%, lo cual significaría que la distribución de las cargas impuestas por el tráfico se está dando de manera uniforme entre las losas ubicadas a cada lado de la junta. De acuerdo con la AC 150/5370-11B la transferencia de carga en términos de deflexiones es aceptable en un rango de 70% a 90%. Además, se consideró que para una transferencia de carga menor

25 FAA. Use of nondestructive testing in the evaluation of airport pavement. Advisory circular 150/5370-11B. U.S. Department of transportation. Septiembre 30 de 2011. p.63.

97

a 50% se tiene una condición crítica, y de 50 a 70% se debe realizar un proceso de observación. En la siguiente tabla se presentan los resultados obtenidos para la transferencia de carga en las posiciones evaluadas, de las cuales se evidencia que la mayoría presentan LTE∆<70%, evidenciando deficiencias en este parámetro. Tabla 27. Transferencia de carga – eje Golf

Fuente: Elaboración propia.

6.3.3 Recomendación de intervenciones Teniendo en cuenta la evaluación funcional y estructural se proponen las intervenciones que se muestran en la Tabla 28.

LíneaDeflexión D2,

µm

Deflexión

D3, µm

Transferencia

de carga, %Línea

Deflexión

D2, µm

Deflexión

D3, µm

Transferencia

de carga, %

920.17 292.54 32 550.14 320.38 58

774.89 640.60 83 638.90 239.18 37

530.02 551.70 100 666.63 223.42 34

922.44 315.22 34 344.20 235.32 68

504.79 218.57 43 503.85 163.64 32

744.99 376.43 51 565.56 217.47 38

367.83 157.70 43 680.49 186.96 27

852.25 385.63 45 507.15 142.80 28

335.68 308.03 92 382.28 245.30 64

1148.36 297.66 26 412.33 218.04 53

1280.85 203.75 16 227.91 180.24 79

1405.43 322.13 23 734.03 367.81 50

1749.79 430.78 25 301.32 315.45 100

944.43 157.63 17 139.58 126.94 91

794.18 239.26 30 279.04 127.21 46

1201.02 315.18 26 707.13 195.13 28

959.45 446.17 47 304.92 294.56 97

1060.99 762.75 72 682.13 162.39 24

1150.56 354.77 31 597.71 212.97 36

965.85 273.79 28 354.13 204.88 58

969.69 232.63 24 733.66 314.44 43

835.67 223.89 27 205.31 157.10 77

1278.55 273.37 21 842.16 154.49 18

1139.21 321.66 28 927.28 221.26 24

601.80 240.00 40 645.89 144.00 22

D

E

F

C

D

98

Tabla 28. Intervenciones para el eje Golf

Fuente: Elaboración propia.

Tipo de intervención Mejorar su condición funcional Mejorar su condición estructural

Sellado de juntas*

Procedimiento

Retirar sellante existente

Rectificación de la junta

Limpieza con material abrasivo

Colocar material llenante

Colocar sellante

Sellado de grietas longitudinales

y transversales.Cepillado

Mejorar condiciones de

escalonamiento

Restauración de la transferencia de

carga

Aserrado de ranuras en juntas, en el

sentido de tránsito (20 cm de

profundidad)

Instalación de dovelas (características

e instalación según AC 150/5320-6E, Ø

40 mm, longitud 510 mm,

espaciamiento 460 mm)

Relleno de la ranura (Concreto

Hidráulico - AG 2, Fracción 2 (INVIAS,

Art. 500 -13, sección 500.2.1: )

Se recomienda llevar un control en el

comportamiento de las juntas

*Para el caso de las losas que requieren rehabilitación, el sellado de juntas se debe realizar al

finalizar esta tarea

Plan de mantenimiento

preventivo

Rehabilitación

99

7. CONCLUSIONES Se llevó a cabo el procesamiento y análisis de datos de pruebas no destructivas

realizadas con los equipos y software Dynatest. Principalmente se evaluaron vías y aeropuertos, pavimentos flexibles y rígidos.

Se realizó el reconocimiento de los equipos LWD, FWD, HWD, RSP III, y MFV,

lo cual permitió identificar sus componentes principales, su funcionamiento, y su aplicación en los pavimentos. También, se adquirió conocimiento de dichos equipos por medio de capacitaciones y charlas enfocadas a la recolección de información en campo y su respectivo análisis en oficina.

El empleo del equipo LWD en el control de calidad de las capas granulares y

subrasante en su fase de construcción ha sido en los últimos años un caso de estudio e investigaciones, ya que los datos tomados con el equipo son sensibles a la condición de humedad que presentan dichas capas. Sin embargo, dada la experiencia y tecnología puesta en este equipo, es posible realizar gran cantidad de mediciones con el fin de establecer homogeneidad en los resultados de módulos.

Los equipos FWD y HWD permiten por medio de sus magnitudes de carga

simular el paso de un vehículo y establecer parámetros de diseño. Las pruebas con FWD aplican cargas de impacto, las cuales simulan ejes estándar, como: semieje de 8.2 toneladas con carga de 40 kN según la AASHTO, y semieje de 11 toneladas con carga de 50 kN según el Ministerio de transporte (resolución 4100 de 2004), con lo cual es posible obtener resultados de diseño utilizando metodologías empírico – mecanicistas. En cuanto a las cargas generadas por el HWD en aeropuertos, es posible aplicar cargas que estiman el paso de una rueda de un avión de peso bruto máximo de despegue de 22 a 350 ton como el ATR-72 y Boing B-777, respectivamente, obteniendo resultados para estimar la vida residual del pavimento.

A través del conocimiento adquirido en Dynatest, se puede mencionar que los equipos en la evaluación no destructiva de pavimentos, por medio de su tecnología, efectúan pruebas que reflejan el comportamiento de los pavimentos frente a la aplicación de cargas y factores ambientales, permitiendo establecer por medio de metodologías empírico – mecanicistas estrategias de rehabilitación.

De la información proporcionada por los equipos de evaluación no destructiva y

los resultados generados con los software: ELMOD, y DYNATEST EXPLORER, fue posible determinar estrategias de rehabilitación a nivel estructural y funcional para dar solución a los problemas que presentaron las estructuras de pavimento evaluadas.

100

De acuerdo al procesamiento de datos realizado con el software Dynatest

explorer fue posible identificar que el sistema laser de medición de grietas (LCMS) incorporado en el equipo MFV permite una mejor visualización de las fisuras y baches ya que se cuenta con una imagen en 3D, en comparación con el sistema laser de imagen de la vía (LRIS), lo cual genera mayor rendimiento y confiabilidad en la auscultación para determinar el PCI.

El análisis deflectométrico de los proyectos evaluados permitió obtener los

módulos de las capas, tanto para pavimentos flexibles como rígidos. También por medio de la metodología AASHTO 93 se determinaron parámetros de diseño (número estructural, módulo equivalente y módulo resiliente), con el fin de plantear capas de refuerzo en áreas donde las deflexiones permitieron identificar estructuras de pavimento con baja capacidad estructural.

Para el proyecto 1 “Tramo vial, Caucasia – Zaragoza” se obtuvo homogeneidad en los módulos de las capas existentes, es decir, se están comportando de manera coherente con las propiedades del material de cada capa. Los módulos obtenidos promedio de los dos tramos evaluados indican una buena mezcla asfáltica, una estabilización de base granular, una base y subrasante en óptimas condiciones de soporte. Los módulos promedio fueron los siguientes: capa asfáltica de 3,694 Mpa, base granular de 626 Mpa, subbase granular de 111 Mpa y subrasante de 63 Mpa. También, se encontró que la estructura de pavimento cumple los criterios de fatiga planteados por la Shell, y ahuellamiento por Dormon – Kerhoven, CRR de Bélgica y el criterio de Huang, así como el de reserva critica del ingeniero Carlos Hernando Higuera Sandoval, para lo cual no se deben realizar hasta el momento trabajos de rehabilitación, sin embargo, se recomienda realizar en un (1) año una auscultación visual de deterioros con el fin de implementar mantenimientos rutinarios.

En el proyecto 2 “Tramo vial – Magdalena medio”, se consideraron dos alternativas para recuperar la capacidad estructural del pavimento en la unidad homogénea 1.

Refuerzo: Sobrecapa de 12 cm, una capa base del tipo MDC-19, y capa de rodadura MDC-19 GCR.

Reciclado In-situ: Se debe remover la capa asfáltica en su totalidad y 30 cm de base granular. El material reciclado debe cumplir con los artículos 400 y 461 de las especificaciones generales de construcción, INVIAS – 2013. Además, se debe adicionar 2% de asfalto espumado, más 0.5 % de cemento.

101

Por otra parte, para las unidades homogéneas 2, 3, 4 y 5 se propuso tratamientos de restauración, es decir, microaglomerados en caliente.

Para el proyecto 3 “Calle de rodaje eje Golf - aeropuerto Bogotá”, se propuso realizar trabajos de restauración de la transferencia de carga colocando dovelas de diámetro de 1 ½” (400 mm) en el sentido del tránsito a 20 cm de profundidad separadas cada 46 cm, en todo el eje Golf. Además, se debe realizar un mantenimiento preventivo en el sellado de juntas y grietas en la totalidad del área evaluada.

Se logró aprender sobre los equipos y software para la evaluación de pavimentos tanto en vías como en aeropuertos. Se identificaron las principales características de los equipos LWD, FWD, HDW, MFV y RSP III en las pruebas estructurales y funcionales. En cuanto al análisis de deflexiones usando ELMOD 6.0 se puede mencionar que es una herramienta útil para el retrocálculo de módulos y diseño de refuerzos, además de calcular la transferencia de carga, módulos de superficie, y seccionamiento por diferencias acumuladas.

Por último, al juntar el análisis estructural y funcional es posible por medio de los software PERS y HDM IV implementar sistemas de gestión de pavimentos (PMS, Pavement Management System) que aporten a la capacidad de tránsito y comodidad a los usuarios.

A nivel profesional, la pasantía aportó un conocimiento amplio y necesario para incursionar en la consultoría de pavimentos, tanto en la evaluación como en el diseño de nuevas estructuras. Se adquirido además un pensamiento crítico respecto a la interpretación de datos, resultados y estrategias de mantenimiento o rehabilitación para solucionar los problemas que presentan los pavimentos durante su vida útil.

102

8. RECOMENDACIONES En la evaluación de pavimentos, la recolección de información en campo es la

base principal para que el análisis y estrategias de mantenimiento o rehabilitación sean acordes al comportamiento que está presentando el pavimento. Dada esta condición, se recomienda tener en cuenta aspectos preliminares a la realización de mediciones en campo, es decir, se debe verificar que los equipos funcionen adecuadamente, así como la revisión del plan de mediciones, el cual hace referencia al tipo de prueba que se va a efectuar, el número de pasadas o pruebas y su respectiva localización.

Uno de los problemas más comunes en la realización de las pruebas en campo

con los equipos LWD, FWD, y HWD son los datos atípicos, es decir, que el cuenco de deflexiones no decrezca, por lo cual es recomendable realizar más golpes o cambio en la magnitud de carga para observar el comportamiento del pavimento.

En el análisis de retro-cálculo por medio de ELMOD 6 es importante considerar

módulos semillas coherentes con el proyecto que se está desarrollando, ya que estos son sensibles a los módulos retrocalculados, especialmente los de la capa de rodadura, ya sea en pavimentos flexibles o rígidos. Cabe resaltar que por medio del método de elementos finitos incorporado en ELMOD, es posible determinar los módulos semilla.

Se recomienda tener en cuenta el comportamiento de los diferentes materiales que componen una estructura de pavimento, ya que en cada región del país los pavimentos se van a comportar de manera diferente. Lo anterior se hace con el fin de establecer coeficientes estructurales (ai) adecuados para el diseño de rehabilitaciones con refuerzo o reciclados.

Cuando un proyecto tiene evaluación funcional y estructural se recomienda nombrar los datos de campo con el mismo nombre, es decir, el nombre de la vía, la ubicación, el carril o las líneas de medición, con el fin de unificar y tener unidades homogéneas para determinar las intervenciones necesarias dentro del sistema de gestión de pavimentos.

Respecto al trabajo y conocimiento adquirido en la empresa Dynatest, se

recomienda que los estudiantes de ingeniería en transporte y vías tengan la posibilidad de realizar sus pasantías en esta empresa, ya que se aplican conceptos y metodologías sobre el diseño y evaluación de pavimentos en vías y aeropuertos.

103

BIBLIOGRAFÍA AASHTO. Guide for design of pavement structures. Washington D.C., 1993 ÁVILA, Edisson, ALBARRACÍN, Flavio, y BOJORQUE, Jaime. Evaluación de pavimentos en base a métodos no destructivos y análisis inverso. Facultad de ingeniería, Universidad de Cuenca. Maskana, Vol. 6, 2015. BELTRÁN, Gloria y ROMO, Miguel. Análisis de índices derivados de pruebas de deflexión por impacto para evaluación de pavimentos. Sociedad Mexicana de Ingeniería Geotécnica. Cancún, 2012. Benchmarking the structural condition of flexible pavements with deflection bowl parameters. Journal of the South African Institution of Civil Engineering. eering Vol 50 No 2, 2008. CAYAMBE M., Pablo D., y SANTILLÁN V., Jonathan Y. Evaluación de pavimentos flexibles por el método PAVER y propuesta de mantenimiento vial integral de la carretera Colta – Alausí de la provincia de Chimborazo. Universidad nacional de Chimborazo. Facultad de ingeniería, escuela de ingeniería civil. Ecuador. DYNATEST. Equipment specification for Pavement Condition Survey System (PCSS). DYNATEST. Uso del LWD para análisis y control de calidad en capas granulares. 2018. FAA. Use of nondestructive testing in the evaluation of airport pavement. Advisory circular 150/5370-11B. U.S. Department of transportation. Septiembre 30 de 2011. HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Caracterización de los cuencos de deflexión en pavimentos flexibles. Revista, Facultad de Ingeniería. UPTC, Tunja. 2009. HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Mecanica de pavimentos - principios basicos. Editorial UPTC. Tunja. 2016. HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Nociones sobre metodos de diseño de estructuras de pavimento de carreteras. UPTC. Tunja. 2010. HIGUERA SANDOVAL, Carlos Hernando. Nociones sobre evaluación y rehabilitación de estructuras de pavimentos. Segunda edición. Escuela de Transporte y Vías, Facultad de ingeniería. UPTC. Tunja. 2010.

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HIGUERA SANDOVAL, Carlos H., y PACHECO MERCHAN, Óscar F. Patología de pavimentos articulados. Revista ingenierías Universidad de Medellín. 2010. HOSSAIN, M. Shabbir y APEAGYEI, Alex K. Evaluation of the Lightweight Deflectometer for in-situ determination of pavement layer moduli. Virginia Transportation Research Council. March, 2010. IBAGUE NOVOA, Luis F. Caso de estudio de una evaluación estructural de un pavimento flexible ubicado en la ciudad de Bogotá, localidad de puente aranda entre Av calle 13 y 15, utilizando técnicas no destructivas y análisis de los resultados obtenidos. Universidad Militar Nueva Granada, Facultad de ingeniería. Bogotá, 2016. INVIAS. Especificaciones generales de construcción de carreteras. Bogotá D.C., 2013. INVIAS. Guía metodológica para el diseño de obras de rehabilitación de pavimentos asfálticos de carreteras. 2 ed. Bogotá D.C., 2008. MINISTERIO DE TRANSPORTE. Resolución 4100. Colombia, diciembre 28 de 2004. NATIONAL COPERATIVE HIGHWAY RESEARCH PROGRAM, TRANSPORTATION RESEARCH BOARD, and, NATIONAL RESEARCH COUNCIL. Guide for Mechanical-empirical desing of new and rehabilitated pavement structures. Marzo, 2004. ORTIZ MOSCOSO, Javier A. Capacitación en ELMOD 6. DYNATEST, Julio 19 de 2017. VÁSQUEZ VARELA, Luis R. Diseño de rehabilitación de pavimentos flexibles mediante sobrecapas de concreto asfaltico [diapositivas]. Universidad Nacional de Colombia. Facultad de ingeniería y arquitectura. Manizales, 2015. VÁSQUEZ VARELA, Luis Ricardo. Pavement Condition Index (PCI) para pavimentos asfálticos y de concreto en carreteras. Ingepav. Manizales, febrero de 2002.

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INFOGRAFÍA DYNATEST. Información del deflectómetro de impacto liviano. Especificaciones [en línea]. [revisado el 27 de agosto de 2018]. Disponible en internet: https://web.dynatest.com/deflectometro-de-impacto-liviano-lwd/ DYNATEST. Equipos funcionales. Descripción de equipos [en línea]. [revisado el 3 de septiembre de 2018]. Disponible en internet: https://www.dynatest.com/vehiculo-multi-funcional-mfv. DYNATEST. Equipos estructurales. Descripción de equipos [en línea]. [revisado el 3 de septiembre de 2018]. Disponible en internet: https://www.dynatest.com/equipamento-evaluacion-estructural.

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ANEXOS ANEXO A: TABLA MÓDULOS Y DEFLEXIONES P1 ANEXO B: DEFLECTOMETRÍA P2 ANEXO C: EVALUACIÓN ESTRUCTURAL Y DISEÑO DE REHABILITACIÓN P2 ANEXO C-1: ALTERNATIVA1 – REFUERZO ANEXO C-2: ALTERNATIVA2 – RECICLADO ANEXO C-3: VIDA RESIDUAL Y ANÁLISIS MECANICISTA ANEXO D: PCI EJE GOLF P3 ANEXO E: ANÁLISIS ESTRUCTURAL EJE GOLF P3