Universidad Austral de Chile
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Universidad Austral de Chile
Facultad de Ciencias de la Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil en Obras Civiles
“DISEÑO DE LA ESTRUCTURA DE PAVIMENTO DE LA
PISTA DEL AERÓDROMO DE PANGUIPULLI”
Tesis para optar al Título de:
Ingeniero Civil en Obras Civiles
Profesor Patrocinante:
Dra.- Ing. Diana Movilla Quesada
Profesor Co. Patrocinante:
Dr.- Ing. Aitor Cristian Raposeiras Ramos
MIGUEL ENRIQUE BÓRQUEZ BERTRÁN
VALDIVIA – CHILE
2014
Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
Agradecimientos
A mi esposa Vanessa, a mis hijos Vicente y Valeria,
Y a mis padres por todo su apoyo durante esta etapa.
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 2
Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
Resumen
El presente proyecto tiene por finalidad el diseño de la estructura de pavimento del Aeródromo de
Panguipulli. En la actualidad, el aeródromo posee una pista no pavimentada por lo que las operaciones
dependen de las condiciones del terreno, limitando la conectividad aérea de la Región de los Ríos. El diseño
de pavimento se hará en base a la caracterización del suelo y de su capacidad de soporte, junto con la
frecuencia de uso y el tipo de aeronave que utilizaría la pista considerando una vida útil de 20 años. Para esto,
se cuenta con estadísticas de vuelo, y datos de la Dirección de Aeropuertos de la Región de los Ríos y del Club
Aéreo que administra el aeródromo.
Abstract
The objective of this project is based on the design of the pavement structure of the Panguipulli’s
Airfield. Today, this airfield has a non-pavement runway, so the operations depend on ground conditions
limiting the air connectivity of the “Región de los Ríos”+ The pavement design developed based on soils
characterization and its CBR value, along the frequency of use and the kind of airplane which will use the
runway considering a lifetime of 20 years. For this purpose, flights statistics and information were provided by
the “Dirección de Aeropuertos de la Región de los Ríos” and the Flight Club who administers the Airfield of
Panguipulli.
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 3
Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
Índice de contenidos
1 Planteamiento del Problema .......................................................................................................................................... 8
1.1 Introducción.......................................................................................................................................................... 8
1.2 Objetivos ............................................................................................................................................................... 9
1.3 Estado del Arte .................................................................................................................................................... 10
1.4 Estructura del Informe ........................................................................................................................................ 16
2 Marco Teórico .............................................................................................................................................................. 17
2.1 Tipos de Pavimento ............................................................................................................................................. 19
2.2 Generalidades de Diseño de Pavimento Aeroportuario ..................................................................................... 20
2.3 Generalidades de Diseño de Pavimento Flexible ............................................................................................... 23
2.4 Mezcla Asfáltica en Caliente ................................................................................................................................ 25
2.5 Riego de Liga ....................................................................................................................................................... 28
2.6 Imprimante.......................................................................................................................................................... 28
3 Metodología.................................................................................................................................................................. 29
4 Diseño de la Estructura de Pavimento ......................................................................................................................... 31
4.1 Situación actual del Aeródromo ......................................................................................................................... 31
4.2 Determinación de materiales .............................................................................................................................. 32
4.2.1 Base Chancada ................................................................................................................................................ 33
4.2.2 Subbase granular ............................................................................................................................................ 34
4.2.3 Imprimación Bituminosa ................................................................................................................................ 35
4.2.4 Riego de Liga................................................................................................................................................... 35
4.2.5 Pavimento Bituminoso ................................................................................................................................... 36
4.3 Análisis de suelo .................................................................................................................................................. 43
4.3.1 Estrato Nº1...................................................................................................................................................... 45
4.3.2 Estrato Nº2...................................................................................................................................................... 46
4.3.3 Selección CBR de diseño ................................................................................................................................ 47
4.4 Combinación de Tráfico de Diseño .................................................................................................................... 48
4.5 Diseño con FAARFIELD ....................................................................................................................................... 52
4.5.1 Pavimento Flexible.......................................................................................................................................... 54
4.5.2 Estructura de pavimento ................................................................................................................................ 59
5 Conclusiones ................................................................................................................................................................ 62
6 Bibliografía ................................................................................................................................................................... 64
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 4
Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
7 ANEXOS ........................................................................................................................................................................ 68
Anexo 1: Configuración de tren de aterrizaje de aeronaves consideradas en la combinación de tráfico. ........................... 69
Anexo 2: Análisis de suelos.................................................................................................................................................... 72
Estrato Nº1 ............................................................................................................................................................... 72
Estrato Nº2 ............................................................................................................................................................... 77
Anexo 3: Fotografías .............................................................................................................................................................. 78
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 5
Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
Índice de figuras
Figura 1: Transmisión de esfuerzos en pavimento flexible y rígido .................................................................... 17
Figura 2: Estructura típica de pavimento para aeronaves ligeras ........................................................................ 24
Figura 3: Riego de Liga aplicado en Aeródromo Pichoy ...................................................................................... 28
Figura 4: Aplicación Imprimante en Aeródromo Pichoy...................................................................................... 28
Figura 5: Ubicación del aeródromo de Panguipulli ............................................................................................. 31
Figura 6: Pista no pavimentada del aeródromo de Panguipulli ........................................................................... 32
Figura 7: Sección de la estructura de pavimento ................................................................................................. 32
Figura 8: Esquema de ubicación de calicatas ....................................................................................................... 43
Figura 9: Laboratorio en obra Aeródromo Pichoy ............................................................................................... 44
Figura 10: Estratigrafía del terreno ...................................................................................................................... 44
Figura 11: Sección de la estructura de pavimento ............................................................................................... 48
Figura 12: Actividades de vuelo en el aeródromo ............................................................................................... 49
Figura 13: Combinación de Tráfico de Diseño .................................................................................................... 52
Figura 14: Interface FAARFIELD ........................................................................................................................... 53
Figura 15: Selección de pavimento flexible ......................................................................................................... 54
Figura 16: Estructura de Pavimento FAARFIELD.................................................................................................. 55
Figura 17: Ingreso de combinación de tráfico de diseño .................................................................................... 56
Figura 18: Factor de daño acumulativo (CDF) .................................................................................................... 57
Figura 19: Ancho efectivo de neumáticos ............................................................................................................ 58
Figura 20: Estructura de pavimento final............................................................................................................. 59
Figura 21: Diseño de la estructura de pavimento ................................................................................................ 61
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 6
Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
Índice de tablas
Tabla 1: Ventajas y desventajas de pavimento flexible y rígido ........................................................................... 20
Tabla 2: Vida útil remanente de pavimentos basado en el valor del CDF ........................................................... 22
Tabla 3: Requisitos de calidad par base chancada ............................................................................................... 33
Tabla 4: Granulometría requerida para base chancada ....................................................................................... 33
Tabla 5: Granulometría requerida para subbase granular ................................................................................... 34
Tabla 6: Requisitos de calidad para subbase granular ......................................................................................... 34
Tabla 7: Especificaciones Imprimación Bituminosa ............................................................................................ 35
Tabla 8: Especificaciones Riegos de Liga ............................................................................................................. 36
Tabla 9: Especificaciones de Cemento Asfáltico .................................................................................................. 38
Tabla 10: Tipo de cemento asfáltico en base a zona térmica ............................................................................... 39
Tabla 11: Datos climatológicos de Panguipulli .................................................................................................... 40
Tabla 12 Datos climatológicos Asturias ................................................................................................................ 41
Tabla 13: Granulometría agregados para pavimento bituminoso ....................................................................... 42
Tabla 14: Granulometría de Estrato Nº1 ............................................................................................................. 45
Tabla 15: Clasificación del suelo, USCS y AASHTO Estrato Nº1 .......................................................................... 45
Tabla 16: Límites de Atterberg Estrato Nº1 .......................................................................................................... 46
Tabla 17: Resultados de Proctor y CBR Estrato Nº1 ............................................................................................ 46
Tabla 18: Granulometría de Estrato Nº2 ............................................................................................................. 46
Tabla 19: Clasificación de suelo, USCS y AASHTO Estrato Nº2 ........................................................................... 47
Tabla 20: Resultados de Proctor y CBR Estrato Nº2 ............................................................................................ 47
Tabla 21: Número de Actividades de Vuelo ......................................................................................................... 49
Tabla 22: Número de operaciones anuales.......................................................................................................... 50
Tabla 23: Configuraciones de tren de aterrizaje .................................................................................................. 51
Tabla 24: Factor de daño acumulativo de cada aeronave (Additional Airplane Information) ............................. 57
Tabla 25: Resumen de resultados entregados por FAARFIELD ........................................................................... 60
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 7
Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
1 Planteamiento del Problema
1.1 Introducción
Durante la práctica profesional realizada en la Dirección de Aeropuertos (en adelante DAP) del Ministerio
de Obras Públicas (en adelante MOP), Región de los Ríos, se hizo una visita al Aeródromo de Panguipulli,
propiedad de la Municipalidad de Panguipulli. El aeródromo cuenta con una pista no pavimentada de 670
metros de longitud, no posee cercos perimetrales por lo que las condiciones de seguridad son mínimas y las
operaciones de vuelos solo son realizables cuando las condiciones ambientales lo permiten y el terreno no se
encuentra saturado.
De esta visita, surge la intención por parte de la DAP, Región de los Ríos, de contar con un proyecto a
futuro para acondicionar y normalizar la situación de este aeródromo. Dentro de este proyecto se requiere
hacer un diseño de la estructura de pavimento.
El diseño de la estructura de pavimento de la pista del aeródromo de Panguipulli permitirá que el
aeródromo pueda ser utilizado por una mayor cantidad y variedad de aeronaves. Mejorando la conectividad
aérea de la Región de Los Ríos.
La estructura de pavimento consistirá en un firme compuesto por un pavimento flexible de mezcla
asfáltica en caliente, base, subbase, y mejoramiento de subrasante si las condiciones del terreno así lo
requieren.
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 8
Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
1.2 Objetivos
Objetivos Generales
Diseñar la estructura de Pavimento del aeródromo de Panguipulli, determinando el espesor total de la
estructura de pavimento junto a los espesores individuales de las capas de mezcla asfáltica en caliente, base y
subbase, basado en análisis de suelos realizado en el Aeródromo de Panguipulli, y normativas de diseño
utilizadas por el Ministerio de Obras Públicas
Objetivos Específicos
- Determinar el valor de CBR de diseño en base a los análisis de suelos y conveniencia económica y
técnica.
- Determinar la combinación de tráfico del Aeródromo de Panguipulli en base a análisis estadístico,
requerimientos de la DAP, requerimientos del Club Aéreo y una proyección de 20 años.
- Determinar el tipo de material a utilizar, tipo de asfalto, características de la base, de la subbase y del
mejoramiento de la subrasante si este fuera necesario.
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 9
Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
1.3 Estado del Arte
El método de suelos ligeros tratados (LWTS) ha sido desarrollado para reutilizar suelos dragados,
como geo materiales ligeros artificiales, y la densidad en rangos de 1.0 a 1.2 gr/cm3. Por ejemplo, en ciertos
puertos japoneses alrededor de seis millones de metros cúbicos de suelos arcillosos blandos son dragados
anualmente y son botados en sitios establecidos. La escasez de estos lugares, ha hecho que la reutilización de
estos materiales incremente. El método de suelos ligeros tratados (LWTS) ha sido aplicado para proyectos en
puertos y aeropuertos en Japón. Las propiedades de este suelo han sido investigadas, como por ejemplo su
densidad, llegando a alcanzar valores desde 0.6 a 1.5 gr/cm3 (incluyendo aire, algún aditivo o el contenido de
agua). La fuerza del LWTS está dada por la solidificación de agentes estabilizantes, como el cemento siendo un
método efectivo para disminuir costos y tiempos constructivos. Sin embargo, en la zona costera a causa de la
fuerza producida por los cambios de marea, el uso de estos materiales es más dificultoso (Tsuchida y Kang,
2003).
El diseño de un pavimento flexible se basa en un análisis elástico multicapa. Idealmente se asume que
las capas tienen fricción completa entre ellas y que no existen desplazamientos laterales. Sin embargo, este no
es siempre el caso, ya que debido a las condiciones del tráfico, cambios de temperatura, exposición a la
humedad, la unión entre capas puede variar debilitando su estado de adhesión. Esto hace que los esfuerzos
recibidos por el pavimento, cambien distribuyendo de manera significativa los esfuerzos hacia el suelo
(Kulkarni et al., 2005).
Por otro lado, los efectos de cargas horizontales aceleran el proceso de deterioro cuando existe
pérdida de fricción entre capas. El esfuerzo de tensión producido por debajo de la carpeta asfáltica y los
esfuerzos de compresión producidos sobre la subrasante, son factores determinantes para el diseño. Por lo
tanto, estudiar el comportamiento real entre capas ayuda a poder predecir y diseñar de mejor manera los
pavimentos (Kulkarni et al., 2005).
Una muestra de la falla de la unión entre capas, son las grietas de deslizamiento que aparecen con el
corte producido por las cargas de tráfico, cuando las capas se mueven lateralmente sobre el resto de
superficie. El deterioro producido por estas grietas, deja atrás una superficie insegura y de baja calidad.
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 10Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
Dentro de las causas de los problemas entre capas se estudia la incorrecta selección y aplicación de riego de
liga y los efectos adversos de humedad (Kulkarni et al., 2005).
En el estado de Idaho, en la ciudad de Hailey se llevó a cabo una reconstrucción de pista en escasos
30 días, ahorrando cerca de un millón de dólares en el proceso. El aeropuerto siguió un procedimiento
constructivo llamado “recuperación de profundidad completa” (FDR) utilizando cemento Portland, el cual
permitió reciclar y estabilizar el pavimento asfáltico antiguo, creando una nueva base con una fundación
excelente para el comportamiento del pavimento a largo plazo. Los pavimentos flexibles necesitan
mantención constante y se vuelve complejo a veces definir el método correcto para hacer reparaciones,
aunque ocasionalmente se hacen tratamientos superficiales que mejoran su aspecto sin solucionar el
problema que originó la falla, por lo que dura poco tiempo.
Según el autor Halsted (2009), las soluciones a largo plazo consisten en la colocación de una nueva
capa de asfalto, o si el daño es mayor, remover la base existente y rehacer la capa de asfalto. Se han evaluado
nuevas alternativas reciclando el asfalto por medio de un proceso llamado recuperación de profundidad
completa (full-depth reclamation, FDR), que es ambientalmente amigable por el uso de material reciclado, lo
que conlleva a una disminución en el costo. Este método es apropiado cuando el daño es serio y no puede ser
reparado con sellos superficiales.
Otra técnica utilizada es el uso de asfalto reciclado (reclaimed asphalt pavement, RAP) mezclado con
material nuevo, para ahorrar materiales. En el año 2009, se realizó un estudio para verificar si una inclusión
importante de material reciclado en la mezcla asfáltica tenía alguna incidencia en la resistencia. Los resultados
obtenidos indican que en porcentajes de 20 a 45% de material reciclado, la mayoría de los ensayos fueron
exitosos. Sin embargo no se puede establecer una norma de uso, sino más bien un precedente en la
utilización de esta técnica (West et al., 2009).
El Aeropuerto de Adelaide localizado en el estado de Australia del Sur es la principal vía internacional
con aproximadamente 100.000 movimientos de aeronaves y sobre 7 millones de pasajeros al año. Durante los
años 2010 y 2011, se llevó a cabo un proyecto de recarpeteo de pista y áreas de rodaje, el cual fue considerado
como la restauración a mayor escala llevada a cabo en Australia. El proyecto fue completado satisfactoriamente
dentro del presupuesto aprobado y del programa. Las actividades aéreas no fueron interrumpidas durante la
construcción. El pavimento es inspeccionado periódicamente para establecer su condición y edad. En el año
2007, las observaciones indicaron que un gran número de sectores de pavimento estaban llegando al fin de su
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 11Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
vida útil y requerirían un recarpeteo de tres a cinco años. El área que debía repararse estaba entre 400.000 a
475.000 m2 así que el proyecto planteó objetivos claves, como la seguridad (libre de accidentes, incidentes y
lesiones), financieros (fiel al presupuesto aprobado), de programa (dentro de la escala temporal acordada),
calidad (construcción dentro de especificaciones), ambiental (sin incidentes significativos), operación (sin
impacto operacional no programado significativo). El tiempo disponible para los trabajos fue desde las 11
p.m. a las 6 a.m. del día siguiente, pero por motivos de seguridad, en cuanto a retorno de vuelos y
emergencias, la ventana de trabajo se redujo de 1.30 a.m. a 5.30 a.m. Durante los trabajos se instalaron 58.000
toneladas de asfalto, el trabajo requirió de 230 trabajadores y de 190 vehículos. Esto significó, un total de
75.000 horas, además de hombres sin tiempo perdido por lesiones y un gasto de 25 millones de dólares
australianos dentro del presupuesto en un plazo de seis meses (Low and Scanlon, 2011).
Por otro lado, los autores El-Badawy et al. (2012) realizan experimentos que les llevan a conclusiones
determinantes, las cuales se basan en que el pavimento es diseñado de acuerdo a las cargas recibidas durante
su vida útil, por lo que el tráfico vehicular es uno de los factores más importantes. Esto es requerido para la
estimación de la frecuencia y la magnitud de las cargas que son aplicadas. Sin embargo, estos datos son
difíciles de obtener con certeza. El método Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide (MEPDG) requiere
de unas determinadas variables como la inclusión del volumen de tráfico de camiones anuales, factores de
ajuste de volumen (de acuerdo a temporadas y crecimiento poblacional e industrial), factores de distribución
de carga y entradas generales de tráfico. Este método permite una predicción más acertada en el diseño de
pavimentos.
Otro método para el diseño de pavimentos es el “Alberta Transportation Flexible Pavement Design”
que involucra modelos de elementos finitos y que se basa en el análisis de daño incremental (Saha et al.,
2012).
Actualmente, un factor importante a tener en cuenta es la sustentabilidad, crear materiales y procesos
limpios, con menor cantidad de residuos y emisiones. Se han realizado investigaciones sobre inclusión de
polvo de neumático en el asfalto cuya misión principal está relacionada con la reducción de desechos
industriales, los cuales serían reciclados y que traería consigo otras propiedades beneficiosas, como la
reducción del ruido provocado por la vibración de los neumáticos y/o el incremento de la fricción del
pavimento. Existen dos métodos para la inclusión del polvo de neumático: el proceso en seco y el húmedo
que de acuerdo a experiencias en laboratorio otorgan distintas propiedades (Losa et al., 2012).
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 12Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
Muchas de las fallas que aparecen en los pavimentos asfálticos, son producto de la falta de
mantención del mismo, existiendo para ello técnicas de rejuvenecimiento y sello de grietas. El tratamiento de
“Microsurfacing” es un método preventivo que debe ser aplicado previo estudio, ya que requiere el correcto
pavimento, tiempo y condiciones para su aplicación. Con estos parámetros controlados, su aplicación afecta
positivamente la vida útil del pavimento sin hacer intervenciones mayores. Cada dólar invertido en
mantenimiento preventivo resulta desde 6 a 10 dólares de ahorro para el futuro, por lo que este método es
una alternativa económica y ambientalmente factible cuando es usada correctamente. Por otro lado, es
importante destacar que el tratamiento “Microsurfacing” es una emulsión asfáltica modificada con polímeros
(3% del peso del cemento asfáltico) para prevenir ciertas deficiencias en las condiciones del pavimento.
Existen también otros tratamientos como sellos (FogSeal) y capas de asfalto en caliente. Uno de los mayores
beneficios a causa de la utilización de este procedimiento de mantención, es que la modificación del asfalto
con polímeros logra un quiebre más rápido, en muchos casos inferior a una hora, que permite la habilitación
de las vías intervenidas en un tiempo muy reducido. De acuerdo a lo ya señalado, cuando es aplicado en
condiciones controladas y estudiadas puede prolongar la vida útil del pavimento de 5 a 7 años (Broughton y
Lee., 2012).
Se ha estudiado la adición de distintos materiales a mezclas bituminosas, como el cemento que logra
el máximo desempeño mecánico. Se puede obtener mayor rigidez y resistencia con mayor cantidad de
cemento. Sin embargo, cuando ésta es mayor que el contenido bituminoso resulta en una reducción de la
flexibilidad que va en disminución de lo que se espera obtener del pavimento (Jitsangiam et al., 2012).
Otra manera de mantener los pavimentos asfálticos, es mediante un proceso de calentamiento in-situ
del asfalto con rejuvenecedor. El problema es que la temperatura se disipa rápidamente a través de la carpeta
(1,6°C a 2,8°C por mm). Se espera que el pavimento alcance una temperatura de al menos 100°C, lo que es
logrado usando aire caliente, ya que los equipos de radiación no son muy eficientes y existe mucha pérdida de
energía. Esta temperatura esperada solo se logra en los primeros 30 a 50 mm. de espesor por las razones
anteriormente señaladas (Mallick et al., 2012).
Las mezclas asfálticas en caliente deben mantenerse a altas temperaturas para su correcta colocación y
compactación lo que involucra altos costos económicos y dificultades operacionales, en cuanto al traslado
desde la planta al lugar de colocación. A causa del alto consumo energético que involucra, se ha investigado
en mezclas que puedan trabajar a menores temperaturas, de igual forma a los estándares pero que acarrean
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 13Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
un ahorro y sustentabilidad muy superior. Para esto se elaboraron ensayos de viscosidad y densidad de
mezclas con un aditivo Sasobit® a diferentes temperaturas, de 28°C a 130°C en intervalos de 6°C. Se pudo
concluir de estos análisis que sobre la temperatura crítica, reducía la viscosidad e incrementaba la densidad, y
por el contrario bajo la temperatura crítica aumentaba la viscosidad y disminuía la densidad (Wasiuddin et al,
2012).
A partir de estos resultados se obtiene la mezcla asfáltica tibia (WMA), la cual se está volviendo cada
vez más popular como material de construcción de caminos. Actualmente, existe tecnología para reducir la
temperatura de compactación y así reducir el consumo energético y las emisiones. Dentro de estas alternativas
están los aditivos orgánicos, los cuáles se espera de ellos un gran desempeño. Se puede añadir, que se ha
notado una mejora en la compactación a temperaturas bajo los 88°C. Los resultados muestran que una
reducción en la temperatura de la planta puede llevar una reducción del consumo energético en un 30%. De
acuerdo a estudios previos la reducción de emisiones se refleja en ahorro ya que el control de éstas es muy
costoso. (Wasiuddin et al, 2012).
Uno de los aspectos fundamentales en términos de seguridad de los caminos, son las zonas de
emergencia o parada, que son utilizadas ante cualquier presencia de problema mecánico o una situación de
emergencia. Esto cobra real importancia, cuando se habla de instalaciones aeroportuarias, ya que los aviones
realizan complejas maniobras en la pista que incluyen giros, despegues y aterrizajes. Para aeropuertos que no
cuentan con las instalaciones suficientes de seguridad, se deben aplicar otros métodos para la mitigación de
los riesgos utilizando análisis de árbol de consecuencias. Estas medidas deben considerar diferentes factores,
tales como, costo, beneficio. De esta manera, se está preparado cuando ocurra alguna emergencia
minimizando el riesgo de un accidente (Chou y Lee, 2012).
Las mezclas asfálticas en caliente, tienen como función completar la estructura superior de una obra
vial o pavimento, impermeabilizar las capas de apoyo, otorgar una capa de rodado, así como dar comodidad y
seguridad al usuario garantizando una transitabilidad permanente. Usada principalmente en pasajes, aceras
peatonales, calles, avenidas, carreteras, autopistas, centros deportivos, estacionamientos, plataformas de carga,
pistas de aeropuertos, aeródromos, zonas portuarias, autódromos, entre otras, las mezclas asfálticas en
caliente tienen como componentes principales áridos procesados, cemento asfáltico y eventualmente aditivos
(Bitumix, 2013).
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 14Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
Mejorar y/o restaurar las características superficiales del pavimento, disminuir los riesgos de
desprendimiento de áridos en pavimentos gastados y/o deteriorados son las principales funciones de las
lechadas asfálticas. Esta técnica, se puede utilizar en diversos tipos de obras de tránsito moderado a medio en
carreteras, vías urbanas, estacionamientos, mejoramiento de caminos rurales o predios agrícolas. En Chile, se
ha utilizado satisfactoriamente en mantención de aeródromos y en diversos tipos de climas (Bitumix, 2013).
Es bien sabido, que la graduación de los áridos influye en las propiedades y el comportamiento de las
mezclas. Sin embargo, no hay guías específicas en el diseño de mezclas Superpave para asegurar parámetros
volumétricos adecuados y comportamiento satisfactorio. Aunque las propiedades volumétricas en la mezcla
asfáltica pueden ser obtenidas mediante ajustes de graduación, el comportamiento de la mezcla está aún
sujeto a verificación. En este estudio, los autores desarrollaron el método Bailey de diseño de graduación de
áridos en diseño de mezclas Superpave y un análisis para desarrollar la estructura de agregados en la mezcla
asfáltica. El método de Bailey es elegido en este estudio porque conecta la graduación de agregados con los
vacíos en el agregado mineral. Como conclusión del estudio, se obtiene que el uso del método de Bailey es
recomendado en el diseño de la mezcla porque se puede controlar el porcentaje de vacíos en el agregado
mineral y producir mejor resistencia al ahuellamiento (Shang et al., 2013).
En Japón, la mezcla asfáltica en caliente para pavimento de aeropuerto ha sido diseñada usando el
diseño de mezcla Marshall. En los últimos años, el ahuellamiento ha sido un problema frecuente en
pavimentos asfálticos de aeropuertos con un alto tráfico, especialmente el Aeropuerto Internacional de Tokio,
ya que al parecer la mezcla Marshall bien graduada no soporta el tráfico. Las autoridades del aeropuerto
intentaron aplicar la mezcla Superpave con diferente tamaño máximo nominal de partículas, 13 mm, 19 mm,
30 mm, 40 mm., obteniendo una resistencia mayor al ahuellamiento que las mezclas Marshall. Este estudio
mostró los beneficios que tendría este tipo de mezcla en aeropuertos (Shang et al., 2013).
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 15Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
1.4 Estructura del Informe
El primer capítulo del informe hace una revisión de distintas técnicas y soluciones de pavimentos
aeroportuarios, revisando métodos constructivos y uso de nuevos materiales para su construcción y
mantención.
El segundo capítulo aborda la teoría del diseño, el comportamiento del pavimento flexible, su
estructura y tipos. Se plantean las bases para el diseño de pavimento aeroportuario y se define de forma
general los materiales y su función, en la estructura de pavimento.
El tercer capítulo define la forma en la que será elaborado el diseño en cuanto a técnicas y
procedimientos.
El cuarto capítulo trata sobre el diseño de pavimento, partiendo por la situación actual del Aeródromo
de Panguipulli, seguido por la definición de todos los materiales involucrados en la estructura de pavimento y
sus especificaciones técnicas. Posteriormente, se hace un análisis del suelo, donde se pretende obtener el
valor de CBR de diseño. El siguiente subcapítulo revisa las estadísticas de vuelos del Aeródromo de
Panguipulli, y define la combinación de tráfico de diseño. Con los datos obtenidos, se realiza el diseño de la
estructura de pavimento mediante el software FAARFIELD.
En el quinto capítulo se muestran las conclusiones obtenidas en este proyecto, y en el sexto se
adjuntan los anexos, dentro de los cuales se constata el respaldo fotográfico y ensayos de suelo.
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Planteamiento del Problema 16Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
2 Marco Teórico
El diseño de aeropuertos debe reflejar el entendimiento conjunto de varios factores relacionados, que
incluyen las características de la aeronave, tráfico aéreo, seguridad, ruido en comunidades cercanas y
obstáculos en la zona de seguridad, por lo que el diseño se vuelve interdisciplinario (Whitford, 2003).
Los requerimientos funcionales de los pavimentos son evaluados antes de su diseño, ya que es
importante que estos provean una superficie durable, operativa bajo cualquier condición climática, segura y
que brinde confort en su uso. En la etapa de diseño se debe evaluar el tipo de pavimento a utilizar (flexible o
rígido), selección de materiales para base y subbase, tratamientos de subrasante, diseño de espesores de capas
de pavimento y sistemas de drenaje. Los pavimentos pueden clasificarse en dos categorías, flexible
(usualmente mezcla asfáltica) o rígido (hormigón).
La clasificación está hecha acorde a la forma en que el pavimento transmite las cargas de uso hacia el
suelo a través de su estructura (Figura 1). El pavimento flexible provee suficiente espesor para la distribución
de cargas a través de varias capas de la misma, haciendo que los esfuerzos y tensiones en la subrasante estén
dentro de los límites aceptables. A causa de esto, se espera que la resistencia del suelo de fundación tenga una
incidencia directa en el espesor de la capa de pavimento flexible. El diseño de pavimento en capas considera
la reducción de esfuerzos por la profundidad (Fwa, 2003).
Figura 1: Transmisión de esfuerzos en pavimento flexible y rígido
Fuente: (Fwa, 2003)
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Marco Teórico 17Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
En una estructura de pavimento flexible, o pavimento de asfalto, la capa superficial está formada por
dos superficies bituminosas, la capa de rodadura (Wearing course) y la capa intermedia (Binder course). Para
poder construir una superficie durable, impermeable y resistente a la erosión o desgaste, la capa de rodadura
está hecha en la mayoría de los casos de mezcla asfáltica en caliente densa. En cambio, la capa intermedia está
constituida por más cantidad de agregados y menos contenido de asfalto. La composición de las mezclas
bituminosas y el tamaño máximo de áridos para estas capas, está determinada por su uso, el requerimiento de
textura en la superficie y el espesor de la capa. Además, se debe aplicar un riego de liga diluido en agua para
unir las dos capas (Bandara y Grazioli, 2009).
Las capas de base y subbase tienen un alto porcentaje del total del espesor de la estructura de
pavimento flexible, necesario para poder distribuir los esfuerzos. La base puede servir también como capa de
drenaje y provee protección contra bajas temperaturas. La base está compuesta de material chancado, el cual
debe cumplir una serie de exigencias en relación al porcentaje de caras fracturadas, capacidad de soporte y
tamaño.
La subbase está formada por material de menor calidad que la base, en cuanto a su resistencia y
granulometría, aunque debe ser superior al material de la subrasante. Se exige que esta capa presente un valor
de CBR, como mínimo de 20. Usualmente, esta capa tiene un mayor espesor. Cuando la subrasante posee muy
baja resistencia, ésta sirve de plataforma para la construcción de la base. Cuando la subrasante posee
cualidades suficientes (CBR > 20%) esta capa se puede obviar.
La subrasante en la mayoría de los casos debe mejorarse compactando su superficie, por lo que
requiere algún tratamiento. La profundidad y el porcentaje de compactación dependen del tipo de suelo
(cohesivo, no cohesivo), de las cargas de las aeronaves y la presión de los neumáticos (Bandara y Grazioli,
2009).
En el diseño del pavimento aeroportuario, se vuelve importante considerar los efectos de daño
acumulativo que tienen las cargas sobre la estructura, las cuales se evidencian en deformaciones progresivas,
propagación de grietas y daño por fatiga. El número total de aplicación de las cargas durante la vida útil del
pavimento, debe ser un dato conocido ya que se debe identificar el tipo de aeronave que causa un mayor
daño acumulativo para poder definir la estructura de pavimento (Fwa, 2003).
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Marco Teórico 18Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
La Federación de Aviación Americana (en adelante FAA), se ha dedicado a la elaboración de
normativas, manuales y reglamentos que normalizan todos los aspectos del diseño de aeropuertos. El diseño
de pavimento flexible planteado por la FAA está basado en el método de diseño de CBR y fue desarrollado en
pistas de prueba y observaciones de pavimento en servicio.
El presente proyecto está basado acorde a la normativa vigente con la que el Ministerio de Obras
Públicas de Chile (en Particular el Departamento de Ingeniería de la Dirección de Aeropuertos) diseña los
aeródromos nacionales.
2.1 Tipos de Pavimento
Los pavimentos para aeropuertos pueden ser clasificados en rígidos (hormigón), flexible (mezclas
asfálticas) o mixtas (“sándwich” hormigón-asfalto). Según los autores Pitrelli y Pérez (2013), existen también
otros pavimentos especiales que responden a condiciones particulares de cada proyecto:
Hormigón armado
Hormigón pretensado
Hormigón armado con fibras
Adoquinado
Mezclas bituminosas reforzadas
Alquitranes modificados
Hormigón o asfalto poroso
Mallas metálicas
Engineered materials arresting system (EMAS)
Las soluciones usadas para la estructura de pavimento en Chile, son mayoritariamente de pavimento
flexible respondiendo a condiciones económicas y técnicas que son expresadas en la tabla 1 (Pitrelli y Perez,
2013).
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Marco Teórico 19Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
Tabla 1: Ventajas y desventajas de pavimento flexible y rígido
PAVIMENTO FLEXIBLE PAVIMENTO RÍGIDO
VENTAJAS
MENORES COSTOS RESISTENCIA A HIDROCARBUROS
RODADURA SUAVE MAYOR DURACIÓN
POSIBILIDAD DE RECARPETEO O REFUERZO CONSERVACIÓN DE ROCE
CONSERVACIÓN DE RASANTE DE PROYECTO ( NO
MÉTODOS CONSTRUCTIVOS MÁS SENCILLOS
SE DEFORMA)
REPARACIONES RÁPIDAS Y A UN MENOR COSTO
DESVENTAJAS
DEGRADABLES POR HIDROCARBUROS MAYORES COSTOS
PÉRDIDA DE COEFICIENTE DE ROCE MÁS DIFICIL DE CONSTRUIR
DETERIORO DE LA RASANTE DE PROYECTO
RODADURA ASPERA
(DEFORMABLE)
ENVEJECIMIENTO JUNTAS
DIFICIL DE REPARAR
Fuente: Elaboración propia, basado en (Pitrelli y Perez, 2013)
2.2 Generalidades de Diseño de Pavimento Aeroportuario
Los factores a tener en cuenta para la planificación de pavimentos aeroportuarios se dividen en dos
grupos: factores técnicos y factores económicos.
Los factores técnicos se caracterizan por cubrir la geotecnia (“CBR” para pavimento flexible o “K”
módulo de balasto, para pavimento rígido), mezclas de aeronaves (pesos de las operaciones), tráfico (salidas
anuales), disponibilidad de materiales, condiciones climáticas, geometría necesaria, normativa a emplear tipo
de obra (Aeródromo nuevo o existente).
Por otro lado, los factores económicos se basan en la elaboración del pavimento siendo en planta o in
situ, el volumen de las obras a ejecutar, distancia de puntos de abastecimiento de materiales al lugar de las
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Marco Teórico 20Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
obras, distancia de vertederos la maquinaria disponible para la ejecución (rendimientos) (Pitrelli y Perez,
2013).
El diseño aeroportuario es un problema de ingeniería complejo que involucra un gran número de
variables. Para ello, uno de los programas computacionales utilizado es el denominado FAARFIELD, que utiliza
análisis basado en capas elásticas y elementos finitos. Los pavimentos son diseñados para proveer una vida útil
limitada ya que los límites de fatiga son anticipados y poder lograr la vida útil de diseño requiere un control
de construcción cuidadoso y mantenimiento periódico (FAA, 2009).
Por otro lado, los pavimentos están sujetos a una amplia gama de cargas y efectos climáticos. Los
ingenieros de carreteras, basan el diseño del espesor del pavimento en análisis teóricos de distribución de la
carga en el pavimento y el suelo, el análisis de datos experimentales y el estudio del pavimento en condiciones
de servicio. El diseño utilizando FAARFIELD está enfocado a proveer un mínimo de 20 años de vida útil, sin
considerar mantenciones mayores (FAA, 2009).
El diseño estructural del pavimento consiste en la determinación del espesor completo de la
estructura de pavimento junto con los espesores individuales de cada capa. Las variables que determinan el
diseño son:
Magnitud y características de las cargas de las aeronaves.
Volumen de tráfico.
Concentración de tráfico en algunas áreas.
Capacidad de soporte del suelo.
Calidad de materiales de la estructura.
El programa FAARFIELD está basado en el “Factor de Daño Acumulativo” (en adelante CDF, sigla en
inglés) en el que la contribución de cada aeronave al daño total producido es analizada de forma separada
(FAA, 2009).
Aeronaves
Las cargas impuestas por las aeronaves varían de acuerdo a las siguientes características:
Ingeniería Civil en Obras Civiles | Marco Teórico 21Diseño de la estructura de pavimento de la pista del Aeródromo de Panguipulli
Carga: El diseño asume que el 95% de todo el peso de la aeronave es llevado por el tren principal de
aterrizaje y solo el 5% es llevado por el tren de la nariz. Se recomienda para el diseño utilizar el
máximo peso anticipado de despegue (FAA, 2009).
Tipo y Geometría del Tren de Aterrizaje: Esto indica la manera en que el peso de la aeronave es
distribuido en el pavimento y como éste responde a estas solicitaciones (FAA, 2009).
Presión de Neumáticos: Depende de la configuración del tren, peso total, y radio del neumático (FAA,
2009).
Volumen de Tráfico: Se requiere con un pronóstico anual de salidas por tipo de aeronave (FAA,
2009).
Salidas Anuales y Ciclos de Tráfico
El diseño considera sólo las salidas al contabilizar las operaciones, y no las llegadas. Esto se debe a
que en la mayoría de los casos, los aviones llegan significativamente con menos peso que al momento del
despegue, esto a causa del consumo de combustible. Durante el impacto en el aterrizaje, la fuerza ascendente
remanente que está en las alas, alivia la fuerza dinámica vertical que es aplicada al pavimento. Se define como
un ciclo de tráfico estándar (TC, por su sigla en inglés) un despegue y un aterrizaje de la misma aeronave
(FAA, 2009).
Factor de Daño Acumulativo (CDF)
Es expresado como la razón entre repeticiones de carga aplicada sobre las repeticiones de carga para
la falla o admisibles. Para una aeronave y un tráfico constante se expresa de la siguiente manera:
A continuación, la Tabla 2 muestra cómo interpretar los valores obtenidos del cálculo del CDF.
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Tabla 2: Vida útil remanente de pavimentos basado en el valor del CDF
CDF Vida Útil Remanente del Pavimento
1 Ha sido utilizada toda la vida útil de pavimento.
1 El pavimento ha excedido su vida útil a fatiga.
Fuente: Elaboración propia, basado en (FAA, 2009).
2.3 Generalidades de Diseño de Pavimento Flexible
El pavimento flexible consiste en una carpeta asfáltica ubicada sobre una capa de base, y cuando las
condiciones de la subrasante lo requieren, una capa de subbase (FAA, 2009).
La carpeta asfáltica debe prevenir la penetración del agua a la base, proveer una superficie suave, libre
de partículas sueltas, y resistir los esfuerzos de corte provocados por la acción de los neumáticos de las
aeronaves (FAA, 2009). Los requerimientos para mezclas asfálticas en caliente se encuentran en las
Especificaciones Técnicas Generales de la DAP.
La base es el componente estructural principal del pavimento flexible. Su principal función es la de
distribuir la carga impuesta por los neumáticos de las aeronaves al nivel de subbase o subrasante. El material
que compone esta base debe ser de alta calidad y tener el suficiente espesor para prevenir fallas en la
subrasante (FAA, 2009). Los requerimientos para material de base se encuentran en las Especificaciones
Técnicas Generales de la DAP.
La Subbase forma parte integral de la estructura de pavimento excepto cuando la subrasante cuenta
con una capacidad de soporte (CBR) sobre 20. La función es similar a las de la base, distribuir cargas. Sin
embargo, las solicitaciones a este nivel son menores, por lo que las exigencias respecto a la calidad de los
materiales también lo son (FAA, 2009). Los requerimientos para material de subbase se encuentran en las
Especificaciones Técnicas Generales de la DAP.
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La subrasante está sujeta a esfuerzos menores que la superficie de la estructura del pavimento, y estos
esfuerzos disminuyen con la profundidad. La capacidad del material de subrasante para resistir deformaciones
y esfuerzos de corte depende de su densidad y del contenido de humedad (FAA, 2009).
El diseño de pavimento flexible considera modos de falla para el pavimento (Figura 2):
Esfuerzo vertical en la subrasante y esfuerzo horizontal en la capa de asfalto.
Limitar el esfuerzo vertical en la subrasante significa evitar una falla por ahuellamiento.
Limitar los esfuerzos horizontales bajo la carpeta asfáltica significa prevenir fallas en el
pavimento producto del inicio de grietas en la capa superficial de asfalto (FAA, 2009).
Figura 2: Estructura típica de pavimento para aeronaves ligeras
Fuente: Elaboración propia, basado en (FAA, 2009)
2.3.1. Selección de CBR de Diseño
La elección del nivel de subrasante dependerá de factores económicos y constructivos. En algunos
casos, pudiera ser más conveniente hacer un mejoramiento a algún estrato, mientras que en otros casos es
más económico diseñar sobre un estrato débil (FAA, 2009).
El diseño para aeronaves con pesos inferiores a 13.600 kg está enfocado a operaciones de vuelo no
comerciales, como actividades agrícolas, de instrucción, o recreativas. El aeródromo de Panguipulli se
enmarca en esta categoría, ya que la mayoría de las operaciones son de aeronaves privadas y el volumen de
tráfico y la magnitud de las aeronaves es menor.
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