En este apartado, las hipótesis del catálogo nacional para la red no estructurante (catalogue nacional pour le réseau non structurant) , es decir excluyendo las autopistas fueron retenidas. Se trata entonces de una vida de diseño de 20 años con una tasa anual de progresión de 2%.
• Estructuras retenidas
En este párrafo son indicadas para cada familia de estructura retenida:
⇒ Los materiales utilizados como base y sub-base.
⇒ La combinación de diferentes materiales utilizados.
⇒ Las condiciones de pegadura en las interfases de las capas.
Estructuras bituminosas (asfálticas) gruesas
Descripción general
Esas estructuras se componen de una capa de rodamiento bituminosa sobre un cuerpo de calzada en materiales tratados con ligantes hidrocarbonatos, hecho de una, dos o tres capas.
Se diferencian de las demás estructuras por un espesor de materiales bituminosos más importante, entre 15 y 40 cm. La rigidez y la resistencia en tracción de la base y sub-base permiten repartir y atenuar los esfuerzos verticales transmitidos al soporte, los esfuerzos creados por las cargas rodantes son soportados en tracción-flexión en las capas ligadas. Esas estructuras son compuestas de varias capas bituminosas; cuando están pegadas, la extensión máxima se produce en la base de la capa más profunda, pero si las capas son despegadas, cada una esta solicitada et tracción y se puede romper prematuramente. Así que la calidad de las interfases tiene una gran influencia en el comportamiento de esas estructuras. Con un diseño adecuado, la aparición de degradaciones en la base y súbase es generalmente posterior a las degradaciones de las capas superiores. Tampoco no se observa deformaciones permanentes debidas a una solicitación excesiva del suelo.
Materiales utilizados
⇒ Grava bituminosa de clase 3 (GB3).
⇒ Pavimento de alto modulo de clase 2 (EME 2).
Combinaciones de capas
Figura 3.7 Estructuras bituminosas (asfálticas) gruesas típicas.
Condiciones de interfase
Todas las capas están pegadas entre sí.
Estructuras semi-rígidas
Descripción general
Estas estructuras se componen de una capa de rodamiento asfáltico (bituminoso) sobre una base y una sub-base con materiales tratados con ligantes hidráulicos, en una o dos capas, cuya espesor total es de 20 a 50 cm.
Carpeta asfáltica GB3 GB3 Carpeta asfáltica EME 2 EME 2
Su funcionamiento puede ser representado de la manera siguiente:
Figura 3.8 Comportamiento de una estructura semi-rígida.
Debido a la gran rigidez de los materiales tratados con ligantes hidráulicos, los esfuerzos verticales transmitidos al suelo son muy débiles. Sin embargo, la base tratada recibe esfuerzos de tracción-flexión, determinantes por su diseño.
La interfase carpeta asfáltica/base es también una zona sensible porque:
⇒ Recibe fuertes esfuerzos normales y de cizalladura horizontal.
⇒ Los centímetros superiores de la base están en general de resistencia mas importante.
Esas bases y sub-bases son sujetadas a fenómenos de contracción. Aunque esta impedido por el roce de la sub-base en su soporte, provoca una grieta transversal, cual sube a través de la carpeta asfáltica. Las grietas aparecen en la capa superior con un espacio regular, del orden de 5 a 20m, con una apertura variable entre unos decimos de milímetros. En general bien delimitadas, esas grietas aumentan y se desdoblan bajo el efecto del tráfico. Materiales utilizados
Tabla 3.12 Materiales utilizados en estructuras semi-rígidas.
Material Clase Condiciones de utilización Grava cemento GC o ligante
por carretera GLR G3 Base o súbase Grava pretriturada GLp G3 Base o súbase
Grava granulada GLg G2 Base o súbase Arena tratada S3 Base o súbase
BB GH Suelo
P
st st εzArena tratada S2 súbase MIOM tratada S2 súbase Suelos finos tratados in-situ S2 Base o súbase
Suelos finos tratados de
aportación S2 Base o súbase
Estructuras de referencia
Figura 3.14 Estructuras semi-rígidas de referencia.
Estructuras mixtas
Descripción general
Estas estructuras se componen de una carpeta asfáltica y de una base asfáltica (10 a 20 cm., en general grava bituminosa) sobre una sub-base en materiales tratados con ligante hidráulicos (20 a 40 cm.).
Las diferentes capas tienen un papel funcional distinto: la sub-base hidráulica reparte y atenúa los esfuerzos transmitidos al suelo soporte, las capas bituminosas (asfálticas) sirven a frenar la subida de las grietas transversales de las capas inferiores y reducen los esfuerzos de flexión en la base de la estructura, asegurándola una unidad y continuidad. Debido a los continuos movimientos de dilatación diferencial entre la grava bituminosa y la grava hidráulica (y la acción de tráfico), la adherencia de esas dos capas puede
Carpeta asfáltica GC o GLR (G3) GC o GLR (G3) Carpeta asfáltica GLp (G3) GLp (G3) Carpeta asfáltica GLg (G2) GLg (G2)
romperse, creando un fuerte aumento de los esfuerzos de tracción en la base de la capa bituminosa.
Materiales utilizados
Las gravas y arenas tratadas con ligante hidráulico son incorporadas en la estructura como sub-base.
El material utilizado en la base es la grava bituminosa de clase 3 (GB3).
Estructuras de referencia
Figura 3.15 Estructuras mixtas de referencia.
Condiciones de interfase
Todas las capas se consideran pegadas entre sí.
Estructuras sueltas Carpeta asfáltica GB3 GC o GLR (G3) Carpeta asfáltica GB3 GLp (G3) Carpeta asfáltica GB3 GLg (G2) Carpeta asfáltica GB3 S3 o S2
Estas estructuras se componen de una capa asfáltica delgada (menos de 15 cm.), a veces reducida a una simple capa superficial, puesta sobre una o varias capas de materiales granulares no tratados. El espesor total de la estructura es en general entre 30 y 60 cm. Su funcionamiento puede ser representado de la manera siguiente:
Figura 3.16 Comportamiento de una estructura suelta.
Los materiales granulares que constituyen la sub-base de la estructura tienen una pequeña rigidez. La capa bituminosa sigue siendo delgada, los esfuerzos verticales son transmitidos al soporte con poca repartición.
Los esfuerzos verticales elevados se crean por repetición, las deformaciones plásticas se transforman en deformaciones permanentes en la capa superior de la estructura.
La carpeta asfáltica recibe a su base esfuerzos importantes y repetidos de tracción- flexión.
La evolución la mas frecuente de las estructuras sueltas se manifiestan primero con la aparición de deformaciones permanentes de tipo rodado y depresiones, las cuales deterioran las calidades de uniformidad transversal y longitudinal. Las solicitaciones repetidas de flexión-tracción en la carpeta bituminosa producen una degradación, bajo la forma de grietas aisladas evolucionando poco a poco hacia un cuarteado.
P εz εz εt BB No tratado Suelo
Materiales utilizados
Base: grava bituminosa de clase 3 (GB3) o grava no tratada tipo B2 (GNT B2). Sub-base: GNT tipo B2 o B1.
Estructuras de referencia
Figura 3.17 Estructuras sueltas de referencia.
Condiciones de interfase
Todas las capas se consideran adheridas entre sí.
• Elección de la carpeta asfáltica
Materiales
Los materiales mas usados son los concretos asfálticos (concretos bituminosos, BB). La elección de la carpeta asfáltica debe efectuarse considerando los objetivos buscados con las características de uso (por ejemplo adherencia, ruido, reacción con la lluvia. La elección de la capa de rodamiento se realiza con la ayuda, por ejemplo, de una tabla multi-criterio de este tipo:
Tabla 3.13 Características de las diferentes carpetas asfálticas.
Técnica BBTM BBDr BBM BBSG Normas NFP 98-137 98-134 98-132 98-130 Espesor (cm.) 2 – 3 3 – 4 3 – 5 5 – 9 Adherencia inicial + + + 0 Seguridad Adherencia 5 años + + 0 0 a - Carpeta asfáltica GB3 GNT B2 Carpeta asfáltica GB3 GNT B1 Carpeta asfáltica GNT B2
Mejora de la unidad 0 + + ++ Comodidad Silencio + ++ 0 a + 0 a + aportación estructural - - + ++ Estanqueidad - - - + ++ Comportamiento a la rodada + ++ + 0 a - Leyenda:
++ Excelente + Bien 0 Aceptable
- Mediocre - - Malo
También es necesario considerar los datos económicos del proyecto.
La capa de rodamiento esta en general asociada a otra capa asfáltica (capa de conexión). Esa capa puede ser de BBSG o de BBME.
Definición y diseño de la carpeta asfáltica
El espesor de la carpeta asfáltica no resulta de cálculos sino principalmente de exigencias tecnológicas de realización de obra y de consideraciones empíricas en cuanto a las grietas.
Bajo la acción del trafico, la carpeta asfáltica esta sometida por las llantas a varios esfuerzos complejos. Sin embargo, su comportamiento mecánico es estudiado únicamente en cuanto a los esfuerzos normales. Para determinar el espesor de la carpeta con materiales bituminosos, tres situaciones son consideradas:
Para las estructuras sueltas, el método racional no permite determinar el espesor de la capa asfáltica. Así los métodos empíricos son utilizados. El esquema siguiente propone un espesor en cuanto al tráfico acumulado:
Figura 3.18 Espesor de la carpeta asfáltica en función del tráfico acumulado (estructuras sueltas).
0 2 4 6 8 10 12 14 10^4 10^5 1,3.10^5 10^6 Trafico acumulado E sp es o r en cm
Para las estructuras con base hidráulica, la capa asfáltica asegura una protección mecánica y térmica. Es también en este caso la experiencia quien da una referencia por la elección de un espesor mínimo, para prever y limitar los riesgos de desorden al nivel de la capa de rodamiento. Parece deseable considerar un valor mínimo, en función del trafico, de 6 cm. para las carreteras de poco trafico hasta 12 o 14 cm. para un tráfico de 2000 vehículos pesados al día (clase T0). Mas allá de este limite, este tipo de estructura no es adecuado.
Para las otras estructuras, el espesor de la capa de rodamiento es determinada en función de los límites tecnológicos de cada técnica y el espesor total de la estructura es deducido de los cálculos de diseño.
• Hipótesis de cálculo
Los cálculos de estructura fueron realizados con el método descrito en el Guide technique de conception et de dimensionnement des structures de chaussées de diciembre 1994. Las hipótesis consideradas son las siguientes.
Coeficiente de agresividad estructural media del tráfico.
Las formulas de diseño francés se basan en un eje estándar de 130 kN (13 toneladas). Las convenciones se basan en esa referencia de 130 kN cuya agresividad fue fijada a 1. La configuración de los ejes (aislado, tándem, tridem), de las ruedas (simple o gemelas) y sus cargas son variables de un vehículo pesado a otro. Por otra parte, el daño provocado por la aplicación de una carga depende del tipo de los materiales.
A partir de unas encuestas estadísticas de las cargas circulantes en las diferentes carreteras francesas, el coeficiente de agresividad del eje medio fue calculado en comparación con el eje estándar de 130 kN.
Figura 3.19 Histograma de las cargas en función los ejes simples en la red de carretera francesa (encuesta SETRA 1979).
Figura 3.20 Histograma de las cargas en función los ejes tándem y tridem en la red de carretera francesa (encuesta SETRA 1979).
0,05 0,54 2,54 4,64 6,44 9,71 13,18 10,1 12,24 21,72 15,13 3,04 0,53 0,1 0,3 0,01 0 0 5 10 15 20 25 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 kN %
Los valores medios retenidos por el coeficiente de agresividad se muestran en la tabla siguiente. Para las carreteras que soportan un tráfico pesado en particular, es necesario recalcular el coeficiente de agresividad.
0,67 6,57 6,85 8,4 11,16 21,09 11,89 4,82 3,66 3,5 4,37 6,14 6,6 3,24 0,78 0,190,05 0,02 0 0 0 5 10 15 20 25 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 kN %
Tabla 3.14 Coeficiente de agresividad de los diferentes tipos de estructuras en función de la clase de trafico.
Clase de trafico TCi Tipo de
estructura
TC0 – TC1 TC2 TC3 ≥ TC4
Plataforma O,4 O,5 O,75 1
Bituminosa
gruesa 0,4 0,5 0,5 0,5
Suelta 0,4 0,7 1 1
Mixta 0,4 0,5 0,75 0,75
Semi-rígida 0,4 0,8 0,8 0,8
Tráfico acumulado utilizado para el diseño
La tabla siguiente indica, para cada clase de tráfico acumulado TCi y para cada tipo de estructura, el número de ejes equivalentes (en millones) utilizado por el diseño de las estructuras del catalogo. El número de ejes equivalentes es igual al tráfico acumulado por el coeficiente de agresividad.
Tabla 3.15 Número de ejes equivalentes (en millones) por cada tipo de estructura y por cada clase de trafico acumulado.
Clase de trafico TCi Tipo de estructura TC0 TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 TC6 TC7 TC8 Bituminosa gruesa 0,025 0,05 0,1 0,3 0,8 2 5 13 30 Suelta 0,07 0,15 0,3 0,7 1,7 4,3 10,4 26 60 Mixta 0,05 0,1 0,2 0,5 1,3 3,2 7,8 19 45 Semi-rígida 0,05 0,1 0,2 0,6 1,4 3,5 8,3 20 48
Riesgo de cálculo
La tabla siguiente da los valores de riesgo de cálculo considerado en función de la clase de tráfico acumulado y del tipo de estructura.
Tabla 3.16 Riesgo de cálculo en función de la clase de trafico acumulado y del tipo de estructura.
Clase de trafico TCi Tipo de estructura
≤
TC1 TC2 TC3 TC4 TC5 TC6 TC7 TC8
Estructura suelta y bituminosa 30% 30% 18% 10% 5% 2% 1% 1%
Base y súbase tratadas 20% 12,5% 10% 7,5% 5% 2,5% 1% 1%
Súbase de estructuras mixtas 50% 50% 35% 20% 10% 3% 2% 1%
Materiales
Las características de los materiales considerados por los cálculos son indicadas en las fichas de los materiales. Las tablas siguientes recapitulan todas sus características. Son valores tomados en cuanto por el diseño. Esos valores son obtenidas aplicando a los valores de estudio, las exoneraciones definidas en el Guide technique de conception et de dimensionnement des structures de chaussées.
MATERIALES BITUMINOSOS (El coeficiente de Poisson es igual a 0.35).
Tabla 3.17 Característicos de los materiales bituminosos.
E en MPa (10°C, 10 Hz) E en MPa (15°C, 10 Hz)
ε.
106 (10°C, 25 Hz) - 1/b SN Sh (m) Kc BBSG 7200 5400 100 5 0,25 ** 1,1GB2 12300 9300 80 5 0,3 ** 1,3
GB3 12300 9300 90 5 0,3 ** 1,3
EME 2 17000 14000 130 5 0,25 ** 1
** Sh (en m) depende del espesor total de la base y sub-base: Sh=0,01m si h < 0,10m
Sh=0,01 + 0,3 x (h-0,1) si 0,10m ≤ h ≤ 0,15m Sh= 0,025m si h > 0,15m
MATERIALES TRATADOS CON LIGANTE HIDRAULICO (El coeficiente de Poisson es igual a 0.25).
Tabla 3.18 Características de los materiales tratados con ligante hidráulico.
Materiales E (MPa) S6
(MPa) - 1/b SN Sh (m) Kc Kd
Grava cemento o
grava G3 23000 0,75 15 1 0,03 1,4 1
Grava pretriturada (activo otro que cal)
G3 23000 0,80 13,7 1 0,03 1,5 1
Grava granulada (activo otro que cal)
G2 20000 0,65 12,5 1 0,03 1,5 1 Clase S2 8500 0,43 Arena (escoria) Clase S3 12500 0,65 10 0,8 0,025 1,5 1 Clase S2 12000 0,50 Arena cemento Clase S3 17200 0,75 12 0,8 0,025 1,5 1 Clase S1 5000 0,27 MIOM tratadas 12000 0,50 12 0,8 0,025 1,5 1
S2 Suelo tratado in- situ Suelo S2 3000 0,30 11 0,8 0,04 1,4 1 Suelo tratado de aportación Suelo S2 4000 0,40 11 0,8 0,025 1,4 1
GRAVA NO TRATADA (El coeficiente de Poisson es igual a 0.35).
Tabla 3.19 Características de las gravas no tratadas.
Tipo de grava Modulo E (MPa) Valor máx. de E
A o B1 por capas de 25cm 2 veces el modulo de la capa inferior 200 MPa
B2 por capas de 25cm 3 veces el modulo de la capa inferior 600 MPa
• Verificación debido al hielo
Elección del invierno de referencia
La elección de invierno de referencia condiciona la frecuencia eventual de barreras de deshielo. En la práctica, se consideran dos situaciones de referencia:
⇒ El invierno excepcional HE, cual corresponde al invierno mas riguroso encontrado entre 1951 y 1997.
⇒ El invierno riguroso no excepcional HRNE definido como un invierno de frecuencia decenal en el periodo 1951 – 1997.
La tabla da los valores de situaciones de referencia de unas ciudades francesas por los inviernos no excepcionales:
Ciudad HRNE
Marignane (sureste de Francia) 20
Bordeaux (suroeste de Francia ) 40
Lille (norte de Francia) 85
Paris 100
Strasbourg (Noreste de Francia) 180
Los valores de referencia deben ser utilizados por las zonas no urbanizadas. Para las vías ubicadas en una zona urbana, una exoneración de 20% puede aplicarse.
Proceso de verificación
El proceso de verificación está descrito en el Guide technique de conception et de dimensionnement des structures de chaussées.
La verificación al hielo consiste en comparar el índice de hielo atmosférico de referencia IR, que caracteriza el invierno de referencia para el cual queremos proteger la estructura, al índice de hielo admisible por la estructura IA. Este índice se evalúa en función de la estructura de la carretera, de la sensibilidad al hielo y del espesor no resquebrajadizo del soporte.
Si IA ≥ IR, la verificación es positiva. La estructura puede ser retenida.
Si IA < IR la verificación es negativa. Es necesario entonces o de cambiar el tipo de estructura o de modificar la concepción de la sub-rasante para obtener una mejor protección.
El esquema siguiente explicita el proceso utilizado:
Figura 3.22 Verificación al hielo.
Carpeta asfáltica Base Sub-base
Sub-rasante
Suelo
IR = índice de hielo atmosférico de
IA = índice de hielo admisible en la
QB = cantidad de hielo admisible en la
parte superior de la
Qng = protección térmica aportada por
materiales no
Qg = cantidad de hielo admisible en la parte superior del terraplén
Para cada estructura propuesta, fueron determinado dos valores de QB a obtener en la plataforma para que la protección sea eficiente por dos tipos de inviernos de referencia (100° x días por el invierno riguroso no excepcional y 200° x días por el invierno riguroso excepcional. Para los inviernos de rigurosidad intermedia entre esos dos valores, una interpolación linear se realiza para determinar QB.
La determinación de QB es obtenida de Qg y de Qng: QB = Qg + Qng
Determinación de Qg
El cálculo de Qg necesita caracterizar la sensibilidad al hielo de los materiales de la capa superior del terraplén y de la subrasante.
Sensibilidad al hielo de los materiales:
Según la naturaleza, los suelos y los materiales granulados son más o menos sensibles al fenómeno de cryosuccion. Esta sensibilidad esta evaluada en laboratorio por la prueba de inflado (NF P 98-234-2). El valor de la pendiente de la curva de inflado determina la clase de sensibilidad al hielo.
Figura 3.23 Pendiente de la prueba de inflado (unidad: mm/√(ºC x horas).
Los materiales tratados con cemento, o con cal y cemento, son insensibles al hielo, aunque su resistencia en tracción por hendimiento (NF P 98-408) sea al mínimo de 0,25 MPa si son susceptibles de estar en contacto con el hielo (por ejemplo sub-rasante dejado libre un invierno antes de la realización de las capas superiores).
0,05 0,40
SGn SGp SGt
Pendiente de la prueba de inflado (unidad: mm/√ (°C x horas)
Con SGn : material no resquebrajadizo SGp : material poco resquebrajadizo SGt : material muy resquebrajadizo
Los materiales tratados únicamente con cal son considerados como poco resquebrajadizos (pendiente de 0,4).
En el caso de que no es posible disponer de los resultados de prueba de inflado, se puede adoptar las clases de sensibilidad al hielo mencionado en la tabla siguiente indicativa.
Tabla 3.20 Clase de sensibilidad al hielo por tipos de materiales.
Clasificación geotécnica del suelo o del
material no tratado sin los resultados de la prueba de inflado) Clase de sensibilidad al hielo (a adoptar
Materiales cuyo % pasante a 80mm es < 3%
(una parte de los materiales D) SGn
A3, A4, B1 SGp
A1, A2, B2, B3, B5, B6, R1 SGt
Es importante notar los puntos siguientes:
Los criterios geotécnicos no son suficientes para caracterizar la sensibilidad al hielo de un material, cual puede según su procedencia encontrarse en cada una de esa clase.
Esta tabla fue elaborada suponiendo para cada material la clase de sensibilidad más elevada en más de 10% de los casos estudiados. Una aplicación estricta de esta tabla puede desembocar en subestimaciones, en particular para los suelos finos. Además, los materiales granosos sensibles al hielo con la prueba de inflado no presentan una caída de la fuerza de sustentación significativa.
No es posible pronunciarse por los materiales no presentes en la tabla con los conocimientos actuales. Para esos materiales una prueba de inflado es indispensable. Una vez determinada la sensibilidad al hielo de los materiales, la plataforma (terraplén y sub-rasante) esta dividida en capas de la misma clase de sensibilidad al hielo no resquebrajadizo, poco resquebrajadizo o muy resquebrajadizo. Por los requerimientos de la verificación al hielo y deshielo, se representa la plataforma geométricamente por un esquema en por lo cual la sensibilidad al hielo crece con la profundidad. Eso se obtiene:
⇒ Asimilando a materiales poco resquebrajadizos (SGp) los materiales no resquebrajadizos ubicados debajo de una capa poca resquebrajadiza.
⇒ Asimilando a materiales muy resquebrajadizos (SGt) los materiales ubicados debajo de una capa muy resquebrajadiza.
Llamando hn y hp los espesores en centímetros de materiales no resquebrajadizos (SGn) y poco resquebrajadizos (SGp), Se obtiene siempre uno de esos tres esquemas:
Figura 3.22 Casos de cálculo de resistencia al hielo.
Cálculo de Qg
La cantidad de hielo admisible en superficie de un material resquebrajadizo, Qg, es obtenido con el pendiente de la prueba de inflado, p, de este material. La tabla permite calcular Qg.
Tabla 3.21 Cantidad de hielo admisible en superficie de un material resquebrajadizo
Cantidad de hielo admisible en superficie de un material resquebrajadizo
Valor de p 0,05 < p ≤ 0,25 0,25 < p ≤ 1 p > 1
Valor de Qg 4 1/p 0
En el caso 2, la cantidad Qg en la parte superior del material sensible se calcula directamente con la misma tabla.
Para el caso 3, se determina con la ayuda de la tabla, la cantidad de hielo admisible en superficie de cada de los dos materiales SGp y SGt. Se nota respectivamente esas cantidades Qg (SGp) y Qg (SGt). La cantidad de hielo admisible en superficie de la capa de material poco resquebrajadizo (SGp) depende del espesor hp de materiales poco
SGn SGn SGn SGp o SGt SGp SGt hn hn hn hp Capas inferiores insensibles al hielo Capas inferiores sensibles al hielo Capas inferiores