Reflexión de juntas y fisuras en recubrimientos con AA sobre HH-3-

Experiencias sobre las capas de recubrimiento  :

Aún cuando los cálculos , ensayos de laboratorio y mediciones deflectométricas después de inyectar hacían presumir la eficacia  de una solución de recubrimiento del firme de hormigón con aglomerado , el problema de la fisuración por reflejo iba a estar presente y además quedaba la inquietud de que los  cálculos para diseñar el recubrimiento no se ajustasen del todo a la evolución posterior. A efectos de computar la eficacia de las soluciones, se puso en marcha un procedimiento de  auscultación sistemática y exhaustiva que se basaba fundamentalmente en la inspección visual de los recubrimientos cada 6 meses .

En los gráficos adjuntos  se presenta la evolución de la fisuración reflejada (círculos rojos) en función del tráfico pesado acumulado desde el momento en que entra en servicio el extendido de la capa asfáltica. Se incluye así mismo  el espesor de la misma y el estado de la calzada  inmediatamente anterior ha dicho extendido, evaluado por el parámetro IF0=  porcentaje de fisuras  con relación al número de losas existentes en el firme (en el caso de los firmes semirrígidos: porcentaje de fisuras por cada trozo de calzada de 5 metros de longitud).

Se han representado  algunos de los más de 150 tajos de obra controlados mediante auscultación y en los que se combina el tipo de solución adoptada con el espesor de la misma y el estado de fisuración inicial en la calzada , hecho este muy importante a la hora de tratar de hacer una valoración objetiva del resultado de una solución. En un primer estudio, se caracteriza cada tajo de obra, por una ley de evolución parabólica  que comprende la totalidad de las parejas de puntos %de fisuración reflejada- Millones de vehículos pesados (Curva amarilla) y dos leyes también parabólicas (en color verde) de dos fases de evolución observadas: desde cero a 3 millones de Vp y a partir de 3 millones. El grado de coincidencia de estas tres leyes, da una idea de la homogeneidad del comportamiento a lo largo del tiempo. Se han definido los parámetros Tp50 y Tp100 como el nº de vehículos pesados que han de circular por el recubrimiento, para que la reflexión de las grietas existentes sobre la nueva capa  sea del 50% o 100% respectivamente.

 Por otro lado se ha definido el parámetro Ref3m como el índice de reflexión de fisuras alcanzado cuando han circulado 3 millones de vehículos pesados.

 El procesamiento y estudio de todos estos datos, ha  tendido a encontrar elementos suficientemente sólidos como para poder adoptar un criterio a la hora de diseñar un refuerzo, rehabilitación o simplemente un recubrimiento que soporte razonablemente la fisuración existente y minimice los efectos de la reflexión.

INFLUENCIA DEL ESTADO DE LA CALZADA : Lo primero que se debe de explicitar y evaluar  al analizar un determinado complejo antifisuras , es la forma en que influye sobre su comportamiento el estado de la calzada antes de proceder  al extendido del mismo. De hecho, la misma solución colocada en distintas zonas  ha tenido diferentes resultados.

 Esta experiencia solo se ha realizado en soluciones extendidas en zonas con diferentes estados de deterioro  y en las que, además, ha transcurrido suficiente número de años y ó vehículos pesados para poder apreciar resultados diferenciales representativos. Tal es el caso de las soluciones de Arena-Betún (60 Km y 11-14 años de antigüedad), Arena-Betún+ Geotextil (13 Km y 11 años de antigüedad)  y Geotextil únicamente (204 Km y antigüedades entre 3 y 11 años).

En los gráficos adjuntos se observa la relación existente entre el estado de la calzada antes del extendido  expresado por el índice IF0 y el trafico pesado necesario para provocar  el reflejo del 50% de las grietas (curva azul inferior) ó el 100% de las mismas (curva roja superior). Para las tres soluciones expuestas , disponemos de tres puntos significativos y la correlación encontrada en todos los casos ha sido exponencial de la forma siguiente:   Tp= K1 x IF0^(K2) donde Tp es el tráfico pesado medido en millones de vehículos  que tiene que circular por la calzada de dos carriles  para provocar un reflejo de fisuras determinado. 

IF0 es el ya mencionado Índice de fisuración inicial de la calzada  y K1 y K2 son los parámetros que ajustan las curvas que mejor correlacionan los resultados empíricos. El análisis de estas “funciones de fisuración reflejada “, lleva a tener una idea consistente del problema.

Para el resto de soluciones tipo que se han aplicado, esta clase  de estudio aún no es empíricamente posible por no haber transcurrido tiempo suficiente que nos permita evaluar de forma contrastada los valores de  TP50 y el TP100 .

La aplicación GestionDeFirmes15.EXE

La aplicación “Gestiondefirmes15.exe”

Esta aplicación forma parte esencial de mi sistema integral de gestión viaria “SINGEVI” que trata de ser una herramienta útil que se acople a las necesidades y pretensiones reales de la política de mantenimiento que determine el gestor.

La filosofía del sistema es la de realizar un mantenimiento de la infraestructura basado en un conocimiento, lo más cierto posible, del valor absoluto de su estado y la evolución del mismo. La evaluación del estado ha de aportar datos precisos dentro de los márgenes de conocimiento, asociados a una valoración (índices) y consecuentemente a unas propuestas de actuación planificadas y ordenadas por el “índice de riesgo” correspondiente a la no actuación.

Esta aplicación, en versiones anteriores realizadas a partir de principio de los años 80, y continuamente actualizadas, ha servido eficazmente en diversas autopistas y autovias españolas y de otros países.

La aplicación prescinde de presentaciones espectaculares innecesarias para cumplir con su objetivo. Básicamente consiste en una puesta en práctica de los principios y experiencias profesionales que se dan a conocer en  el presente blog.

Consta de 12 fases  diferenciadas:

Las cuatro primeras son de aportación de datos :

1.-Deflectométricos.

2.-Visuales

3.-Composición del firme existente

4.- Carga de cálculo , dimensiones de la huella y posición de la misma.

Las fases 5 a 9 son de tratamiento de los datos aportados aplicando los precedimientos explicados en el Blog:

5.- Modelización de las deformadas medidas en los ensayos deflectométricos, ajustándolas a la teoría de Westergaard y otros modelos de comportamiento expuestos en el blog.

6.- Se hace un análisis estructural bajo el punto de vista elástico (tradicional) valorando los parámetros habituales (tensiones, deformaciones, vida probable según ejes acumulados en la explanada etc), con la novedad de que esta valoración se realiza sobre 18 deformadas básicas (3x2x3=18) :

·     a) Todos los ensayos, Ensayos en Junta/Fisura, Ensayos en Centro-Lejos de Junta/Fisura (3 casos).

·      b) Deformadas ajustadas sobre las deformadas realmente medidas y sobre las deformadas elásticas =deformadas medidas a las que se resta la deformada residual.      (2 casos)

·        c) Deformadas ajustando todos los sensores, solo los sensores de carga y último y los sensores 4 al último (3 casos). 

 de la recta de regresión encontrada para las parejas deflexión – carga  a partir del punto crítico de la deformación, y por  el análisis de la deformada residual que nos informa de la existencia de huecos y muy aproximadamente, de la magnitud y alcance de estos .El gráfico adjunto expone un ejemplo de resultados relacionados con este análisis.

7.-Análisis estructural Inelástico –IED: Se analiza el estado real de la base de apoyo a través de la valoración del módulo estructural deflectométrico definido por la pendientede la recta de regresión encontrada para las parejas deflexión – carga  a partir del punto crítico de la deformación, y por  el análisis de la deformada residual que nos informa de la existencia de huecos y muy aproximadamente, de la magnitud y alcance de estos .El gráfico adjunto expone un ejemplo de resultados relacionados con este análisis.

8.-Análisis de Homogeneidad estructural –IHE: En este módulo se analiza el concepto de hasta qué punto lo que estamos haciendo es representativo del estado de firme con carácter general. Este  aspecto del problema es de vital importancia para poder dar peso específico a nuestros cálculos. Por ello se asigna a cada uno de los ensayos realizados, la pareja de valores (ver gráfico adjunto) : Deflexión total medida bajo carga y módulo deflectométrico existente en esa medida ( es decir: la pendiente de la recta de regresión elástica)

9.-Análisis de la transferencia de cargas –CTC:Se hace un estudio completo bajo dos conceptos del parámetro “Coeficiente de transmisión de carga”  que se exponen en el gráfico adjunto.

criterios para el cálculo de la transferencia de carga an una junta o grieta

También se estudia este parámetro en los ensayos realizados en centro de losa (caso de firmes de HH) o en puntos alejados de juntas y fisuras (caso de firmes semirrígidos) para poner en evidencia el cuidado con que hay que tratar este indicador.

En los gráficos siguientes se aprecian los histogramas del CTC calculados por los criterios 1 y 2 tanto en junta como en centro de losa.

Las fases 10e, 10r, 11 y 12  tratan respectivamente de:

10e: Evaluación o diagnóstico del firme, problemas existes,tipos, descalces, problemas de calidad de la base, despegue de capas etc..

10r: Necesidad y cálculo de un refuerzo en diversas hipótesis de vida probable, y de utilización o nó de técnicas de rehabilitación previas donde sea necesario,  calculando los costes en cada caso.
11: Exposición detallada de soluciones.

12: Presentación de los resultados en esquemas lineales  gráficos con indicación de las actuaciones posibles, costes, prioridades etc.


En estas fases se requiere la intervención del ingeniero para tomar decisiones dentro de las posibilidades existentes.

PARA MÁS INFORMACIÓN SOBRE EL PROGRAMA Y SUS POSIBILIDADES, PUEDEN CONTACTAR CONMIGO A TRAVÉS DEL BLOG Ó POR EMAIL : gestiondefirmes@yahoo.es
enlogami@gmail.com
o por teléfono +34660190666

Antes de seguir adelante........

       Antes de seguir adelante:

Cualquier momento es bueno para plantearse, en el ámbito de mundo de la carretera, si es preciso remover algún obstáculo que en nuestro camino pusieron las prisas, comodidades o rutinas, para rejuvenecer la filosofía de la optimización del esfuerzo y los recursos al servicio de la carretera.

Necesitamos  una permanente actualización que haga de cada actuación sobre una carretera, además de un hecho rentable, un laboratorio donde las experiencias, las teorías y la solidaridad se fundan para dar un salto de gigante en nuestras metodologías y formas de hacer, provocando así  que la innovación se abra paso a lo largo de nuestros caminos.

Entre los elementos que integran los diferentes aspectos del mantenimiento, los firmes son, tal vez, los que requieren una atención más sistemática y cuidadosa por los inmediatos efectos que su deterioro produce sobre el confort y la imagen de la vía, además de las importantes asignaciones económicas que son precisas para poner remedio cuando el mal alcanza proporciones inadecuadas.

El problema es precisamente ¿Qué son “proporciones inadecuadas”?, ¿Como establecer un plan de control y mantenimiento (gestión en definitiva) siendo prudente y realista?, ¿Como asignar recursos con la máxima garantía de aplicarlos adecuadamente?, en definitiva: ¿Cómo definir una eficaz política de mantenimiento y conservación, a la medida de la vía que gestionamos y con los fondos de que disponemos?

A lo largo de las últimas décadas se ha hablado mucho sobre la gestión, la auscultación, los métodos y modelos de cálculo; las Normativas han avanzado sin duda, pero a mi juicio no se ha profundizado en el tema de los firmes lo suficiente como para innovar sobre su comportamiento real y las causas del mismo.

Durante los muchos años al servicio de una importante Autopista de Peaje con diversos tipos de firmes, y unos cuantos años más  ejerciendo como profesional libre, he procurado aprovechar las experiencias y generalizar en la medida de lo posible aquellos comportamientos comunes, tratando de agruparlos, adoptar soluciones de regeneración y refuerzo comparando los estados anterior y posterior, estudiando éxitos y fracasos mediante ensayos que condujeran a comprender porqué un firme puede deteriorarse sin que aparentemente hayan concurrido las circunstancias que contemplaba la Instrucción o los supuestos de las clásicas formulaciones matemáticas.

Es preciso conocer el comportamiento real del firme a partir de su puesta en servicio y definir los indicadores necesarios para su control útil y sistemático. La programación de esta cuestión implica una metodología y un conocimiento continuo, siendo ridículo el coste necesario frente al beneficio que reportará a la Administración de la vía y al usuario.

En la explicación transmitida a lo largo de la 35 presentaciones expuestas hasta la fecha  en el presente blog,  se reduce al mínimo posible, una panorámica de  algunas experiencias útiles para ese conocimiento. Lo que se expone aquí y lo mucho que no se dice por razones evidentes, tienen una  "trastienda" de estudios y experiencias profesionales tendentes a desentrañar el comportamiento real de los firmes de carreteras.

Soy absolutamente consciente de lo mucho que queda por hacer. A estas alturas de la vida, que profesionalmente ha girado y peregrinado por estos mundos de la carretera, sinceramente   solo aspiro a colocar  un granito de arena  en  la ingente labor del progreso y la innovación.

En mis próximas presentaciones, trataré de una aplicación informática que recoge los elementos básicos del comportamiento inelástico de los firmes para evaluarlos, emitir un  diagnóstico,  calcular soluciones de rehabilitación  y proyectar la inversión necesaria allí donde realmente lo sea, con evaluación del riesgo en caso de no realizarse, y, consecuentemente, aportar al gestor de la vía, una herramienta para la  gestión de recursos.

Consideraciones previas al cálculo estructural

Consideraciones sobre el ajuste de la deformada, previas al cálculo estructural

Antes de abordar el cálculo estructural del firme basado en el conocimiento de la deformada, se debe de incidir en algunos aspectos relevantes que se deducen de la observación y  análisis de la curva que se obtiene mediante el ajuste de las deflexiones producidas por  la carga en un cierto número de sensores.

Se pretende resaltar dos aspectos muy significativos el ajuste:

1.- Que para una determinada deformada medida, el ajuste de una curva es posible para un valor máximo del coeficiente de ajuste y que este es siempre constante sea cual sea la hipótesis que utilicemos de módulo E  y de espesor H para el firme.

2.- Que el coeficiente de ajuste máximo conseguido no varia si se alteran el módulo E y el factor de rigidez Fr en una proporción determinada.

Para la mejor comprensión de lo que se expone en este apartado, se ha realizado el ajuste sobre una misma deformada en nueve hipótesis diferentes de espesor y módulo.  El resumen de algunos de los resultados obtenidos se expone en el cuadro siguiente:

 

Firme	H	E	K	Fr	σmax	Εz x105	Cajte
AA-Semirrígido	40	79000	1100	1.20	8.27	75.5	96.94
HH	45	187000	1100	0.36	22.3	77.7	96.94
AA-Semiflexible	35	93.000	1075	1.64	8.27	79.9	96.94
AA-semirrígido	30	67000	1150	2.80	5.40	80.7	96.61
AA-Flexible	15	55000	1725	3.60	8.22	107.3	79.23
AA-Flexible	45	56000	1075	1.28	6.42	72	96.94
AA- semirrígido	45	92000	1100	0.72	11.0	74.4	96.94
AA-Semirrígido	45	79000	1075	0.92	8.93	74.8	96.94
AA-Semirrígido	35	78000	1075	1.32	8.93	74.8	96.94

 Relación entre el módulo E y el factor Fr para un mismo coeficiente de ajuste:La observación de los resultados, resumidos en el cuadro anterior, evidencian que el coeficiente de ajuste es siempre el mismo excepto en el caso de la fila 5 , en el que no se ha encontrado un coeficiente aceptable por sobrepasar el factor de rigidez la tolerancia máxima de 3,5.

El ajuste de la deformada depende exclusivamente de las deflexiones obtenidas si bien los parámetros que determinan la curva resultante varían de forma que el parámetro β permanezca constante.

Si consideramos una determinada deformada producida por la misma carga sobre diferentes hipótesis de firme y procedemos al ajuste en cada uno de los casos, considerando el módulo E como un dato fijo en cada uno de ellos, encontramos que el coeficiente de ajuste que se obtiene es siempre el mismo así como el módulo K de la subbase, variando únicamente el factor de rigidez Fr.

Si alteramos el módulo del paquete resistente sin variar nada más, y procedemos a realizar un nuevo ajuste de la curva, encontraremos exactamente el mismo coeficiente de ajuste para un nuevo valor del factor de rigidez que es igual al calculado inicialmente por la razón entre los módulos considerados en  cada caso (Ver los ejemplos de las filas 2 y 7 del cuadro adjunto así como los de las filas 3 y 9).

Esta observación tiene una demostración teórica bien fácil:

Supongamos un firme al que le hemos ajustado una deformada con un determinado valor de E1, H y μ obteniendo un coeficiente de ajuste máximo Caj con un factor de rigidez Fr₁ y un módulo K.

El consiguiente valor obtenido para β será:

                          

Supongamos que  realizamos un segundo ajuste  con el mismo valor de K pero con un nuevo valor E2 del módulo del paquete.

El ajuste máximo se conseguirá para un nuevo valor Fr₂ del factor de rigidez y tendremos:

El coeficiente de ajuste será el mismo si β₁ = β₂

Es decir:

β₁ / β₂=1 = Rig2/Rig1=(E₂ x Fr₂)/(E₁ x Fr₁), de donde se deduce que el nuevo factor de rigidez necesario para obtener el mismo coeficiente de ajuste con el nuevo módulo, ha de ser

                                           

Esta expresión nos simplifica muy considerablemente el cálculo del ajuste y nos permite introducir variaciones sobre el módulo de partida inicial para obtener soluciones posibles, lógicas sin perder garantía en el ajuste realizado.

 Evidentemente es de esperar que en un firme real con un cierto nivel de envejecimiento, la  deformada anisótropa tenga un coeficiente de ajuste superior al de la deformada isótropa  y que en el caso de que no existan defectos en el firme que afecten a su carácter isótropo, ambas deformadas han de coincidir. En los gráficos adjuntos se exponen los resultados del ajuste de las deformadas en tres puntos diferentes pertenecientes a una misma auscultación de un firme de hormigón. En el ensayo del punto representado en el  gráfico 79, la deformada isótropa y la anisótropa son muy similares obteniéndose unos coeficientes de ajuste del 99,4 y 98,9 respectivamente. En este caso se observa que el comportamiento global del firme  expresado a través del estudio de la recta de deformación elástica (gráfico 79.1), la deflexión residual es del orden de 50 mm/1000 y la carga crítica inferior a 2 Ton   siendo la fase inelástica muy poco significativa.

 Análisis comparativo de las deformadas Isótropa y Anisótropa:

Según lo estudiado hasta el momento, en todo firme hemos de considerar a priori, que la deformación del mismo, producida por el paso de las cargas, tiene una fase inelástica y otra elástica que debemos de calcular y delimitar para extraer el máximo de información y como consecuencia emitir un diagnóstico lo más completo posible.

Al margen de esta consideración, y sea cual sea la deformación que estemos considerando, hay que tener en cuenta que del ajuste realizado obtendremos en general la existencia de discontinuidades en la proximidad de la carga como condición precisa para obtener un ajuste máximo. Estas discontinuidades representan el efecto de la anisotropía del firme que provoca una concentración de tensiones en el entorno de la carga , tanto mayor cuanto mayor es tal anisotropía que , en su caso de mayor evidencia se materializa en la existencia de fisuración visible , juntas de trabajo o discontinuidades entre capas (despegue).

La deformada anisótropa es la deformada que mejor se ajusta a la deformada real teniendo en cuenta la posible presencia de discontinuidades en el entorno de la carga.

La deformada isótropa es la deformada que mejor se ajusta a la deformación real firme sin permitir en el ajuste la presencia de discontinuidades en el entorno de la carga.

 En el caso segundo observamos un comportamiento prácticamente elástico deducido del estudio de la recta de deformación  elástica. La deformación residual y la carga crítica son prácticamente nulas así como la deformada residual (gráfico 80-1).

En este caso el ajuste de las deformadas  es prácticamente idéntico obteniéndose unos coeficientes de ajuste  del 99,3% para la deformada anisótropa y del 99,1% para la isótropa  y un módulo K de 3000 y 3100 Kg/ cm2 respectivamente y un efecto de anisotropía caracterizado por unos coeficientes de transmisión de carga del 92% a ambos lados de la carga (gráfico 80-2), lo que establece una perfecta consonancia entre el cálculo residual y el ajuste de las deformadas  siendo estos dos cálculos totalmente independientes.

En el caso del ejemplo presentado en los gráficos 81-1 y 81-2, se estudia la deformación en un punto para el que, en el estudio previo de las fases elásticas e inelástica, arrojó una deflexión residual de 162 mm/1000 y una carga crítica de 3,92 Ton  siendo la deflexión total para 6,5 Ton de 235 mm/1000, es decir una zona del firme estudiado con serios problemas estructurales asociados a un descalce notable del firme.(figura 3.1).

El ajuste realizado en las hipótesis de anisotropía y de isotropía arroja unos coeficientes de ajuste respectivos del 98,2% y del 93,1% evidenciándose un desfase mas que notable entre las deformadas isótropa (azul) y anisótropa (roja) de la figura 81-2 con unas diferencias de deflexión  bajo carga de  80 mm/1000 . 

Estas observaciones  realizadas por comparación entre las deformadas isótropa y anisótropa y su clara relación con las extraídas del análisis del comportamiento del firme en sus fases elástica e inelástica, confirma por un lado la verosimilitud de la naturaleza de los cálculos y por otro lado abre un camino para poder establecer criterios consistentes que nos lleven a poder realizar un estudio completo del firme tanto en su fase elástica como inelástica, a partir del estudio de una sola deformada sin necesidad de recurrir a la auscultación con tres cargas . Este estudio en profundidad será abordado en una próxima publicación, y del análisis de sus conclusiones formularemos las condiciones bajo las cuales  el disponer de una sola deformada pueda ser  aceptable  para realizar el  estudio completo del firme.