*Por el Ing. Edgardo Becher, Ingeniero en Construcciones UNCPBA y Gerente de Desarrollo y Servicios Técnicos de LOMA NEGRA C.I.A.S.A.
INTRODUCCIÓN
Soy ingeniero desde hace más de 30 años (graduado en 1992) y a lo largo de mi carrera profesional he tenido la suerte de incursionar en distintas áreas dentro de la especialidad construcciones civiles ya que me he iniciado como estructuralista, luego he desarrollado una larga carrera dentro del estudio de la tecnología del hormigón con especial foco en la influencia del cemento sobre las propiedades del hormigón como material de construcción que desarrollo hasta estos días y, paralelamente, he trabajado muy activamente en el desarrollo de proyectos de pisos industriales y pavimentos desde su etapa de concepción hasta, en algunos casos, construcción y, en menor medida, la posterior evaluación de evolución de estado durante el servicio durante, al menos, las últimas dos décadas.
Esta experiencia profesional, desarrollada a partir de proyectos en distintas regiones geográficas con diferentes condiciones de exposición, clima, materiales y hasta matices culturales de las personas involucradas en los proyectos sumado a algunas experiencias donde los resultados no fueron los esperados, me han impulsado a involucrarme muy fuertemente en algunos proyectos viales permitiéndome aprender más allá de lo que se puede leer en la mayor parte de la bibliografía disponible.
En ese sentido, el título de este artículo hace referencia al efecto combinado del tránsito y del clima que, si bien a primera vista no es novedad que influyen fuertemente sobre el comportamiento de los pavimentos en general y, en este caso, hablaremos de los de hormigón en particular, lo cierto es que los ingenieros que actuamos en el ámbito vial, entendemos que hay una evidente influencia del tránsito que genera tensiones de tracción debido a las cargas que transmiten las ruedas de los vehículos (sobre todo, los vehículos pesados) y, también, del clima que genera en el pavimento tensiones por restricción a la contracción y al alabeo de distinta magnitud dependiendo de las condiciones ambientales (temperatura ambiente, asoleamiento, humedad), características de los distintos materiales utilizados, y, también, algunas particularidades y singularidades del proyecto. En todo caso, sabemos que la acumulación de ciclos de repeticiones de ciertos niveles de tensiones en aquellas secciones más solicitadas tenderá a generar fallas en el hormigón que deteriorarán progresivamente el nivel de servicio del pavimento.
Sin embargo, a la hora de diseñar, los proyectistas nos damos cuenta de que en la mayor parte de los proyectos (por no decir todos), desconocemos algunos datos de entrada que, en el caso de disponer de algún software suficientemente sofisticado, nos permitirían modelar el desarrollo del comportamiento de un pavimento con un alto grado de confiabilidad.
Como veremos más adelante, en el desarrollo del artículo, además de las condiciones ambientales que, en todo caso, con mayor o menor esfuerzo son posibles de modelar en forma confiable, existen algunas imprecisiones en el conocimiento del comportamiento de los materiales al momento de diseñar y, también, en el detalle del tránsito esperado que, está muy fuertemente condicionado por el espectro de cargas que, en general, se desconocen y, también, por las variaciones de las trayectorias de paso que pueden eventualmente ser tratadas estadísticamente y, además, por la distribución horaria ya que, como veremos, resultan fundamentales para determinar las tensiones más influyentes sobre el desarrollo del deterioro del pavimento que suelen concentrarse en “momentos críticos” del día donde las tensiones de alabeo resultan máximas (positivas o negativas) por lo que, dependiendo de la sección analizada, sólo el tránsito que pasa alrededor de la hora del amanecer o durante algunas horas de la tarde antes del atardecer es el potencial causante del deterioro del pavimento siendo el resto del tránsito diario, casi indiferente en términos de desarrollo de deterioro.
Esto pone en evidencia que la mayor parte de los métodos de diseño actualmente utilizados son bastante “pobres” en términos de confiabilidad y, además, que las calibraciones utilizadas hasta el momento para ajuste de estos métodos, también lo son ya que, en la mayor parte de los casos, no se toman datos reales de espectros de carga, distribución estadística de trayectorias y distribución diaria del tránsito sino que, lo habitual, es tomar consideraciones generales de ejes de camiones y cantidades diarias como datos de los relevamientos.
EFECTO DEL TRÁNSITO
En el caso de un pavimento de hormigón simple con juntas que es la forma de diseño más utilizada en Argentina cuando se opta por la alternativa de pavimento rígido, es conocido que la carga de rueda sobre el borde libre es condicionante del diseño ya que genera las mayores tensiones.
Como se puede observar en la figura 2, el paso de la rueda externa sobre el borde libre al momento de estar alejado de las juntas transversales genera un momento flector positivo (tracción abajo) y la máxima tensión sobre la sección de hormigón que se encuentra por debajo de la carga.
En cambio, al momento de pasar esa misma rueda por una junta transversal, se produce un momento flector negativo (tracción arriba) cuyo pico de tensión se encuentra desplazado del punto de aplicación de carga una cierta distancia como indica la figura 3. Este pico tensional, que suele ser menor que el pico del momento positivo de en la posición indicada en la figura 2, tendrá una magnitud que, si bien influyen varias cuestiones, depende fuertemente del grado de transferencia de deformaciones y esfuerzos que tenga la junta transversal.
Por otro lado, es evidente que la rueda externa del eje de un camión difícilmente tenga una trayectoria que haga “pisar” el borde del pavimento ya que en las rutas hay señalización que tiende a guiar la trayectoria a una cierta distancia que probablemente tenga una distribución del tipo Gaussiana como la indicada en la figura 4 o, en ocasiones, puede ser algo diferente dependiendo de las singularidades de la sección analizada.
También, algunas configuraciones de diseño pueden influenciar fuertemente sobre las tensiones máximas de tracción provocadas por el paso de una rueda. En ese sentido, en la figura 6 se muestra la influencia de la trayectoria y de la condición de borde sobre las tensiones de borde para el pavimento.
Como se puede observar, la presencia de una junta longitudinal por banquina pavimentada suele ser muy efectivo para reducir las tensiones por carga para trayectorias más habituales mientras que el sobreancho suele ser más efectivo para trayectorias donde se tiende a “pisar” la línea demarcatoria lateral, aunque claro está, no es esperable que esto suceda habitualmente y, en todo caso, será una singularidad por considerar en el diseño en caso de que corresponda.
También, en términos de tránsito, más que utilizar ejes equivalentes como en este caso, suele ser recomendable considerar el uso de espectros de tránsito ya que habrá una mejor determinación de la influencia de cada una de las configuraciones de ejes y de cargas que permiten determinar espectros de tensiones que luego tendrán mejores resultados.
EFECTO DEL CLIMA
Sin dudas, el patrón de juntas del pavimento está condicionado fuertemente por el clima. Si bien una mirada no entrenada puede pensar que un pavimento se mantiene indeformable en términos de trayectoria longitudinal, una mirada profesional entiende que el pavimento sufrirá alabeos por gradientes de temperatura y humedad cambiando diariamente de alabeos cóncavos que se desarrollan a lo largo de la noche llegando al máximo con la mínima temperatura ambiente al momento de amanecer hasta desarrollar alabeos convexos durante el día con un máximo al momento de máxima temperatura superficial por suma de los efectos de la temperatura ambiente y el asoleamiento.
En la figura 8 se muestra un modelo simplificado del efecto de los gradientes de temperatura sobre el alabeo y en la figura 9 se muestra el efecto del gradiente de humedad.
En el caso de los pavimentos, los alabeos por gradiente de humedad afectan fundamentalmente al IRI (International Roughness Index) que incide directamente sobre el nivel de servicio del pavimento y, también, condiciona la velocidad de deterioro y, por otro lado, los gradientes térmicos generan tensiones por restricción a la deformación o tensiones de alabeo que, condicionan el diseño de juntas y, por supuesto, también el diseño estructural ya que son tensiones que se suman a las producidas por el tránsito aunque, dependiendo del caso, aumentan las tensiones totales o las reducen.
Como “regla del dedo gordo, el efecto del gradiente de humedad puede ser desde muy importante como es el caso de las zonas con climas desérticos ya que la humedad de equilibrio en la superficie resulta muy baja hasta prácticamente despreciable en el caso de las zonas con climas húmedos. Cuando analizamos la temperatura y radiación solar, son también los climas desérticos los que producen las mayores tensiones de alabeo mientras que las zonas de climas templados mantienen tensiones de alabeo entre moderadas a bajas.
Dependiendo de la magnitud del proyecto y de la disponibilidad de recursos para desarrollarlo, puede ser posible hacer estudios profundos que permitan establecer con mayor precisión los parámetros de entrada de los proyectos entre los que están el clima pero también con una influencia importante las características de los materiales utilizados ya que, por ejemplo, dependiendo del tipo de agregado grueso utilizado, el módulo de elasticidad y el CET (coeficiente de expansión térmica) del hormigón puede variar en un rango importante por lo que, en gran medida, es un condicionante de la optimización del proyecto.
En la figura 10 se muestra un ejemplo de la influencia del asoleamiento sobre el gradiente de temperatura de una losa de pavimento en un clima desértico tomado de un trabajo publicado por Yinghong Qin y Jacob Hiller en 2011 donde se muestra la gran influencia del asoleamiento sobre la superficie ya que la temperatura superficial aumenta hasta algo más de 15°C los días soleados respecto de los nublados.
Influencia del Clima
En los gráficos de la figura 11 se muestra el efecto de la variación de temperatura superficial diario para los distintos meses meses del año para un proyecto en Sudamérica y las tensiones de alabeo generadas en el borde las losas de pavimento. Por otro lado, se muestra la clásica fórmula de Westergaard para la estimación de las tensiones de borde y el cálculo del coeficiente que depende del tamaño de la losa donde se puede ver que mientras que las losas “convencionales” presentan un coeficiente c = 0,96, cuando se trata de losas pequeñas de 1,80 m de lado, este se reduce a c = 0,05 por lo que las tensiones de alabeo se reducen casi un 95% por lo que, para este proyecto, tenderían a ser prácticamente despreciables ya que el rango se reduce de tensiones del orden de 1,4 a 2,3 MPa a sólo 0,07 MPa a 0,12 MPa.
Claro que este tipo de reducción también tendrá un efecto sobre la optimización del espesor por lo que seguramente el valor de las tensiones de alabeo del pavimento de espesor optimizado será relativamente bajas pero no despreciables.
EFECTO COMBINADO
Cuando analizamos el efecto combinado de tensiones (carga + alabeo), observamos que las tensiones de borde cuando la carga se encuentra alejada de las juntas transversales aumentan significativamente por la tarde cuando los alabeos que producen momentos positivos se maximizan y, por el contrario, los de la mañana al amanecer tiende a reducirse. Este efecto es el mostrado en los gráficos de la figura 11.
Por otro lado, en la figura 12 se muestra que, cuando analizamos el desarrollo de fatiga del hormigón, sólo son los picos de tensiones que se dan por la tarde los que inciden sobre este fenómeno por lo que se demuestra que sólo el tránsito de ese rango horario es el responsable del desarrollo del deterioro del pavimento en esas secciones siendo el resto del tránsito (fuera de ese rango horario) prácticamente irrelevante.
Otro aspecto muy influyente y que necesariamente tiene que considerarse en el diseño es la estadística de trayectorias. Como muestra el ejemplo de la figura 13, para el mismo diseño de pavimento, el desarrollo del deterioro será muy diferente para cada una de las trayectorias siendo muy importante determinar la frecuencia de pasadas a cada distancia del borde o, como en el caso del ejemplo, de la junta longitudinal lateral que separa el pavimento de la banquina pavimentada ya que, dependiendo de esta distancia, el pavimento tendrá un desempeño muy diferente encontrándose en este caso, que la vida en servicio esperada varía de 11 años a 27 años que, evidentemente, es una diferencia más que sustancial ya que, por otro lado, si en lugar de limitar el IRI como una única condición de diseño, incorporamos una limitación al porcentaje de losas fisuradas que, si lo consideramos en el 10%, la vida útil del pavimento con paso de rueda sobre la demarcación lateral de la ruta se reduce a sólo 8 años aumentando la brecha en forma considerable con las otras trayectorias.
CONSIDERACIONES FINALES
En función de lo desarrollado, me gustaría dejar finalmente una serie consideraciones que, obviamente, están dentro de mis convicciones, pero serán con gusto debatibles con los colegas que quieran hacerlo. A continuación, mis consideraciones:
•El comportamiento de los pavimentos responde a las leyes físicas conocidas por lo que los deterioros pueden explicarse sin mayores dificultades utilizando los conocimientos actuales tanto a nivel científico como ingenieril.
•Los métodos de diseño de pavimentos actualmente disponibles, incluso los ME (empíricos-mecanicistas) más sofisticados, son limitados ya que los modelos que utilizan no necesariamente disponen de la información adecuada y, en ese sentido, deberían ser aún más sofisticados para lograr resultados confiables para distintos lugares del mundo con realidades diferentes y sus singularidades.
•El disponer de la información certera sobre el clima, trayectorias (que dependen de los estilos de manejo y condiciones de entorno), distribución horaria del tránsito y otros aspectos relevantes es un reto para sofisticar los modelos. Sin embargo, también será necesario mejorar la información de los materiales para lograr resultados confiables.
•Todos los proyectos, luego de adjudicados y previo a la construcción, deberían ser revisados con datos “reales” de comportamiento de los materiales a utilizar en la obra.
•Al presente, tanto el criterio profesional del proyectista y su expertiz como la del constructor influyen fuertemente sobre el comportamiento “real” del pavimento.
•Existen al presente trabas legales que impiden hacer ajustes sobre el proyecto, sobre todo, cuando tienen efectos sobre los costos. En ese sentido, si no se revisan estas prácticas, los proyectos seguirán teniendo resultados inciertos (poco confiables).
Mi consejo de amigo a las autoridades viales y/o comitentes responsables de proyectos viales:
•Adjudique la realización del proyecto de pavimentación a un estudio de ingeniería con profesionales de probada idoneidad en el desarrollo de este tipo de soluciones (no cualquier solución vial sino de la utilizada en el caso específico).
•Adjudique la construcción del pavimento a una empresa que, además de ofrecerle un costo justo (no necesariamente en más barato), tenga idoneidad técnica tanto para la revisión del proyecto como de la construcción.
•Contrate profesionales idóneos para el control del proyecto y construcción del pavimento.
Con todo esto, y algo de suerte (ya que, como se desarrolló en el artículo, hay ciertas limitaciones en las metodologías actuales de diseño y/o en la calidad de la información disponible), logrará un pavimento de buen nivel de servicio durante el período de diseño establecido al costo adecuado, “asegurando” la mejor inversión.
BIBLIOGRAFÍA
•E. Becker, 2024. Presentación en el 13er Congreso Iberoamericano de Pavimentos de Concreto desarrollado en Guatemala sobre “Control de Esfuerzos, Deformaciones y Fisuración de Pavimentos de Hormigón”
•J. Roesler, A. Bordelon & J. Hiller, 2009. “Mechanistic-Empirical Design Concepts for Jointed Plain Concrete Pavement
•T. Van Dam, 2015. “Concrete Pavement Curling and Warping: Observation and Mitigation”
•Y. Qin & J. Hiller, 2011. “Modelling the Temperature and Stress Distribution in Rigid Pavements: Impact of Solar Radiation Absorption and Heat History Development”
•E. Becker et al., 2008. “Pisos Industriales de Hormigón: Diseño, Construcción y Mantenimiento”