Evaluación de pavimentos de adoquín en vías rurales nic. 01196 con-n

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Evaluación de pavimentos de adoquín en vías rurales nic. 01196 con-n

  1. 1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA RECINTO UNIVERSITARIO PEDRO ARAUZ PALACIOS FACULTAD DE TECNOLOGIA DE LA CONSTRUCCION MAESTRIA EN INGENIERIA DE TRANSPORTE TEMA: ANALISIS Y EVALUACION DE LAS CARACTERISTICAS GEOMETRICAS DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUIN EN LAS VIAS RURALES DE NICARAGUA Trabajo de Tesina para optar el Grado de Master en Ingeniería de Transporte Elaborado por: ING. LUBINA CANTARERO ZEAS ING. DOUGLAS MENDEZ TALAVERA Tutor: MSC. ING. NOEL HEREDIA VERANES Managua, Nicaragua AGOSTO 2003
  2. 2. AGRADECIMIENTO A Dios nuestro Señor, por atender las peticiones de nuestra Santa Madre, la Siempre Virgen María, Auxiliadora de los pecadores. A mi flaco, por su incondicional apoyo, siempre estuvo presente en todos los momentos que le necesité. Muchas Gracias, Ing. Noel Heredia Veranes, además de tutor, encontré en él, un gran amigo. Al Ing. Gustavo Vásquez, por toda la información que nos consiguió y por todo el apoyo brindado para hacer posible la realización de éste trabajo. Al eterno maestro, consejero y amigo, Ing. Peter Sprätz. Al Ingeniero Carlos Morice Martinez, nunca olvidaré sus gestiones al inicio de la Maestría. A Carlos Silva, Roberto Morales, Marthita Torrez, a Gerald, a la Angelita Senovia, a Carlitos Montiel, Alvaro Flores y a todas aquellas personas que de una forma u otra hicieron posible la realización de esta tesina.
  3. 3. DEDICATORIA A Dios Nuestro Señor y a Nuestra Madre Celestial, la Siempre Virgen María. A mi esposo, Julio Cesar Vanegas C, a los tesoros más grandes de mi vida, mis hijas: María Mercedes y Luby Gisselle A Doña Gloria, Don Saúl, Doña Coco y la Chilita. A Imelda, María Auxiliadora, Leslie Nazarena, Saúl Alfredo y Maria Cecilia. Quiero sientan propia la satisfacción de haber alcanzado esta meta.
  4. 4. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T i CONTENIDO TUListado de AbreviaturasUT ........................................................................................................ vi TUResumenUT ...............................................................................................................................vii TUIntroduccionUT ..........................................................................................................................ix TUObjetivosUT ........................................................................................................................................ x TUObjetivo GeneralUT ....................................................................................................................................... x TUObjetivos EspecíficosUT................................................................................................................................ x TUMetodología de InvestigaciónUT...................................................................................................... xi TUProcedimiento para la recolección de la InformaciónUT .............................................................................. xi TUAnálisis de Información y ResultadosUT .......................................................................................xii TUHipótesisUT .......................................................................................................................................xii TU1UT TUEstado del Arte de los Pavimentos de AdoquinUT ............................................................1 TU1.1UT TUHistoria de los Pavimentos de AdoquínUT ......................................................................... 1 TU1.2UT TULos AdoquinesUT .................................................................................................................. 3 TU1.3UT TUComportamiento de los Pavimentos de AdoquínUT .......................................................... 4 TU1.3.1UT TUExperiencias de J. Knapton.UT........................................................................................................ 6 TU1.4UT TUAnálisis Teórico de los Pavimentos de AdoquínUT ............................................................ 9 TU1.4.1UT TUAnálisis por Placa.UT ...................................................................................................................... 9 TU1.4.2UT TUAnálisis ElásticoUT ......................................................................................................................... 9 TU1.4.3UT TUAnálisis por Elementos FinitosUT ................................................................................................. 10 TU1.4.4UT TUOtros Estudios realizadosUT ......................................................................................................... 10 TU1.5UT TUTransmisión de Esfuerzos de los Pavimentos de AdoquínUT ......................................... 11 TU1.5.1UT TUTrabazón de los adoquinesUT........................................................................................................ 12 TU1.5.2UT TUTrabazón VerticalUT ..................................................................................................................... 12 TU1.5.3UT TUTrabazón rotacionalUT .................................................................................................................. 13 TU1.5.4UT TUTrabazón horizontalUT .................................................................................................................. 13 TU2UT TUCaracterización de los Pavimentos de Adoquín en NicaraguaUT ..................................14 TU2.1UT TUAntecedentes Históricos del Transporte en NicaraguaUT .............................................. 14 TU2.2UT TUDesarrollo Histórico De La Red VialUT ........................................................................ 16 TU2.3UT TUCaracterización De La Red Vial De NicaraguaUT ....................................................... 16 TU2.3.1UT TUCaracterización del TráficoUT....................................................................................................... 16 TU2.3.2UT TUCaracterización del Suelo de SubrasanteUT .................................................................................. 18 TU2.4UT TUPavimentos Adoquinados en NicaraguaUT ...................................................................... 19 TU2.4.1UT TUPeríodo de 1970 a 1980:UT ........................................................................................................... 19 TU2.4.2UT TUPeríodo de 1980 a 1990UT ............................................................................................................ 22 TU2.4.3UT TUPeríodo de 1990 al 2002UT ........................................................................................................... 23 TU2.4.4UT TUPavimentos de adoquines en etapa de diseñoUT ........................................................................... 25 TU2.5UT TUMétodos de DiseñoUT ........................................................................................................ 27 TU2.5.1UT TUPeríodo de 1970 a 1980 y de 1980 a 1990UT ................................................................................ 27 TU2.5.2UT TUPeríodo de 1990 a 2002UT ............................................................................................................ 27 TU2.6UT TUNormas de Construcción y ConservaciónUT .................................................................... 27 TU2.6.1UT TUNormas de ConstrucciónUT .......................................................................................................... 27
  5. 5. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T ii TU2.6.2UT TUNormas de ConservaciónUT .......................................................................................................... 29 TU2.6.2.1UT TULA RENOVACION DE ADOQUINESUT ......................................................................... 29 TU2.6.2.2UT TUREMATESUT ...................................................................................................................... 29 TU2.6.2.3UT TUARENACION DE ADOQUINESUT ................................................................................... 29 TU2.7UT TUDescripción de los Trabajos de ConstrucciónUT ........................................................... 30 TU2.7.1UT TUAdoquinesUT ................................................................................................................................. 30 TU2.7.2UT TUManejo de los AdoquinesUT ......................................................................................................... 30 TU2.7.3UT TUFase de CampoUT ......................................................................................................................... 32 TU2.7.3.1UT TUConstrucción del DrenajeUT ................................................................................................ 32 TU2.7.3.2UT TUMovimiento de tierra para la obtención de la subrasanteUT ................................................ 33 TU2.7.3.3UT TUConstrucción de las capas de base y subbaseUT .................................................................. 33 TU2.7.3.4UT TURiego de la Capa de ArenaUT .............................................................................................. 34 TU2.7.3.5UT TUColocación del AdoquínUT .................................................................................................. 36 TU2.7.3.6UT TULleno de JuntasUT................................................................................................................ 37 TU2.7.3.7UT TUCompactación de Adoquines de ConcretoUT ...................................................................... 39 TU2.7.3.8UT TULimpiezaUT ......................................................................................................................... 40 TU2.8UT TUDescripción de los Trabajos de MantenimientoUT .......................................................... 40 TU2.9UT TUPrincipales Problemas en las Vías AdoquinadasUT ........................................................ 41 TU2.9.1UT TUFallas de DiseñoUT ....................................................................................................................... 42 TU2.9.2UT TUFallas de ConstrucciónUT .............................................................................................................. 46 TU2.9.3UT TUFallas de los MaterialesUT ............................................................................................................ 47 TU2.9.4UT TUFallas de aplicación del productoUT ............................................................................................. 47 TU2.9.5UT TUFallas comunes en los pavimentos de adoquín de NicaraguaUT ................................................... 48 TU3UT TUAnálisis de la Configuración de los Pavimentos de AdoquinesUT .................................53 TU3.1UT TULa Subestructura, Base, Subbase y Explanada.UT .......................................................... 53 TU3.2UT TUTipos, formas y resistencia de los adoquinesUT ............................................................... 54 TU3.2.1UT TUForma de los adoquines.UT ........................................................................................................... 54 TU3.2.2UT TUTipos y patrón de colocación del AdoquínUT ............................................................................... 54 TU3.2.3UT TUEspesor de los adoquinesUT .......................................................................................................... 57 TU3.2.4UT TUResistencia MecánicaUT ............................................................................................................... 58 TU3.2.5UT TUJuntas entre adoquinesUT .............................................................................................................. 58 TU3.2.6UT TUDeformación.UT ............................................................................................................................ 59 TU3.3UT TUVentajas De Los Pavimentos De Adoquines De Hormigón.UT ....................................... 59 TU3.3.1UT TUFabricación.UT .............................................................................................................................. 59 TU3.3.2UT TUEjecución.UT ................................................................................................................................. 59 TU3.3.3UT TUComportamiento.UT ...................................................................................................................... 60 TU3.3.4UT TUMantenimiento.UT ......................................................................................................................... 60 TU3.3.5UT TUCostos.UT ...................................................................................................................................... 61 TU3.3.6UT TUPosibilidades expresivas.UT .......................................................................................................... 61 TU3.3.7UT TUComparación De Los Adoquines Prefabricados De Hormigón Con Otras Formas De Pavimentación.UT ........................................................................................................................................ 61 TU4UT TUMétodos usados para el diseño de pavimentos de AdoquínUT .......................................63 TU5UT TUFundamentación de la nueva propuesta para NicaraguaUT .........................................65 TU5.1UT TUFuncionamiento del PavimentoUT .................................................................................... 65 TU5.2UT TUCálculo del daño producido en los pavimentos de adoquínUT ....................................... 67 TU5.2.1UT TUCaracterísticas mecánicas de los materialesUT ............................................................................. 71 TU5.2.1.1UT TUAdoquines de concretoUT .................................................................................................... 72 TU5.2.1.2UT TUMateriales tratados con ligantes hidráulicosUT ................................................................... 72 TU5.2.2UT TUModelos de deterioro estructuralUT .............................................................................................. 72
  6. 6. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T iii TU5.2.2.1UT TUFisuración estructural por fatiga:UT..................................................................................... 72 TU5.3UT TUCálculos y analisis realizadosUT ........................................................................................ 74 TU5.3.1UT TUTramo Masaya – Las FloresUT ..................................................................................................... 75 TU5.3.2UT TUTramo Santa Cruz – San NicolásUT .............................................................................................. 79 TU6UT TUAnálisis tecnico economico de los pavimentos adoquinadosUT .....................................85 TU6.1UT TUCosto Unitario de los Pavimentos AdoquinadosUT ........................................................ 85 TU6.1.1UT TURendimiento en la colocaciónUT ................................................................................................... 85 TU6.1.2UT TUComponentes del Presupuesto de un proyecto de adoquinadoUT ................................................. 85 TU6.1.3UT TUCostos de los proyectos ejecutados en NicaraguaUT ..................................................................... 86 TU7UT TUCONCLUSIONESUT .......................................................................................................89 TU8UT TURECOMENDACIONESUT ..............................................................................................91 TUBIBLIOGRAFIAUT .................................................................................................................93 TANEXOS I. Caracterización de la Red vial, en términos de vehículos pesados. II. Fotografía de Masaya – Las Flores III. Datos técnicos de Adoquines, Ladrillería San Pablo IV. Resultados del estudio de dimensionamiento y aspecto físico de adoquines V. Diagrama de Cargas Permisibles MTI VI. Ecuaciones para el cálculo de Módulos VII. Tablas resumen de los resultados con los programas ALIZE III y EVERSTRESS 5.0 VIII. Resultados de los ensayes a compresión IX. Salidas de los estudios con el programa ALIZE III X. Salidas de los estudios con el programa EVERSTRESS 5.0
  7. 7. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T iv Listado de Tablas UTabla 2-1 Clasificación de la Red Vial EstudiadaU ........................................................................................... 16 UTabla 2-2 Factores de Daño, Encuesta de 1996U .............................................................................................. 17 UTabla 2-3 Comportamiento del Tránsito en la Red Vial AnalizadaU ................................................................. 17 UTabla 2-4 Caracterización del Suelo de SubrasanteU ....................................................................................... 18 UTabla 2-5 CBR de Subrasante. Tramos con TPDA<300U ................................................................................ 19 UTabla 2-6 Tramos construidos en el periodo 1970-1980U ................................................................................ 19 UTabla 2-7 Registros Históricos. Santa Rita - MasachapaU ................................................................................ 21 UTabla 2-8 Tramos construidos en el Período 1980-1990U ................................................................................ 22 UTabla 2-9 Tramos Construidos en el período 1990-2002U ................................................................................ 23 UTabla 2-10 Especificaciones de Resistencia a Compresión de los AdoquinesU ................................................ 28 UTabla 2-11 Tipos de Adoquines utilizados en NicaraguaU ................................................................................ 29 UTabla 2-12 Valores de CBR para diferentes tipos de sueloU .............................................................................. 42 UTabla 2-13 Datos para el calculo de CBR diseño San Lucas - Las SabanasU ................................................... 43 UTabla 2-14 Medidas de AhuellamientoU ............................................................................................................. 44 UTabla 5-1 Solicitaciones del Pavimento a analizarU .......................................................................................... 68 UTabla 5-2 Valores de KUBU 1UBU y KUBU 2UBU para Modelo de DeterioroU................................................................................ 70 UTabla 5-3 Resumen del comportamiento del tráfico en la red vial básicaU ....................................................... 74 UTabla 5-4 Datos de Tráfico de los Tramos analizadosU ..................................................................................... 75 UTabla 5-5 Valores de CBR, tramo: Masaya - Las FloresU ................................................................................. 76 UTabla 5-6 Análisis tramo Masaya - Las Flores, Deformación VerticalU ........................................................... 78 UTabla 5-7 Resistencia a la Compresión Santa Cruz-San NicolásU..................................................................... 79 UTabla 5-8 Análisis al tramo Santa Cruz - San Nicolás. Deformación vertical y repeticiones de cargaU .......... 82 UTabla 5-9 Análisis al tramo Santa Cruz - San Nicolás, Tensión por tracción y repeticiones de cargaU ........... 83 UTabla 6-1 Costos en los tramos adoquinados en NicaraguaU ............................................................................ 86 UTabla 6-2 Análisis de alternativas con adoquín de 8 y 10 cm de espesorU ........................................................ 87 Listado de Gráficos UGráfico 2-1 Curva granulométrica, capa de arena. Santa Cruz - San NicolásU ................................................ 35 UGráfico 2-2 Curva Granulométrica. Arena de sello. Santa Cruz - San NicolásU ............................................... 39 UGráfico 2-3 CBR diseño. San Lucas - La SabanaU ............................................................................................ 43 UGráfico 2-4 Curva Granulométrica del Adoquín colocado en el tramo Santa Cruz - San NicolásU .................. 52 UGráfico 3-1 Influencia del Espesor de los Adoquines en la Deformación del PavimentoU ................................ 58 UGráfico 5-1Influencia del Espesor de la Capa de ArenaU .................................................................................. 66 Listado de Figuras UFigura 0-1 Medición de Deformaciones con regla de 3 metrosU ........................................................................xii UFigura 1-1 Subestructura de un pavimento de adoquínU ..................................................................................... 3 Figura 1-2 Estructuras comparativas de pavimento UFigura 1-3 Dispositivo para aplicación de carga para un pavimento de Adoquín. Diseñado por J. KnaptonU . 6 UFigura 1-4 Lectura de las celdillas para diversas presiones de placaU ............................................................... 7 UFigura 1-5 Presión en función de la cargaU ........................................................................................................ 8 UFigura 1-6 Gráfico N° 7 Road Note 29U ............................................................................................................. 8 Figura 1-7 Sin trabazón vertical Figura 1-8 Sin trabazón Rotacional Figura 1-9 Con trabazón Rotacional UFigura 3-1 Adoquines dentados en cuatro costadosU ........................................................................................ 55 UFigura 3-2 Patrón Espina de PezU ..................................................................................................................... 55 UFigura 3-3 Adoquines dentados en dos costadosU ............................................................................................. 56 UFigura 3-4 Patrón de colocación. Categoría 2U ................................................................................................ 56 UFigura 3-5 Categoría 2, patrón en hilerasU ....................................................................................................... 56 UFigura 3-6 Adoquines de diversas formas geométricasU ................................................................................... 57 UFigura 3-7Adoquines comúnmente utilizados en NicaraguaU............................................................................ 57 UFigura 3-8 Patrón de colocación Categoría 3U ................................................................................................. 57
  8. 8. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T v UFigura 5-1 Esfuerzos en una estructura de pavimento de adoquín con capas granularesU ............................... 71 UFigura 5-2 Esfuerzos en una estructura de pavimento de adoquín con capas estabilizadasU ........................... 71 Listado de Fotos UFoto 2-1 Etapas de la Construcción del Tramo: Santa Rita -MasachapaU........................................................ 21 UFoto 2-2 Desgaste de los Adoquines. La Paz Centro-León ViejoU .................................................................... 30 UFoto 2-3 Descargue de los adoquines. Santa Cruz - San NicolásU .................................................................... 31 UFoto 2-4 Manejo de Adoquines Santa Cruz - San NicolásU ............................................................................... 31 UFoto 2-5 Manejo inadecuado de los Adoquines. Santa Cruz -San NicolásU ...................................................... 32 UFoto 2-6 Cunetas. Santa Cruz - San NicolásU .................................................................................................... 32 UFoto 2-7 Cunetas en Construcción Santa Cruz - San NicolásU .......................................................................... 33 UFoto 2-8 Conformación de subbase estabilizada con cemento. Santa Cruz-San NicolásU .............................. 34 UFoto 2-9 Compactación de subbase estabilizada. Santa Cruz - San NicolásU ................................................... 34 UFoto 2-10 Preparación de la Capa de Arena con ayuda de la raquetaU............................................................ 35 UFoto 2-11 Capa de arena lista para la colocación de los adoquines Santa Cruz-San NicolásU ........................ 36 UFoto 2-12 Adoquinado en estacionamiento de AGRENICU ............................................................................... 36 UFoto 2-13 Proceso de colocación de los adoquines. Santa Cruz - San NicolásU ............................................... 37 UFoto 2-14 Colocación de los Adoquines. Santa Cruz - San NicolásU................................................................. 37 UFoto 2-15 Relleno de Juntas. Santa Cruz - San NicolásU ................................................................................... 38 UFoto 2-16 Juntas de adoquines. Santa Cruz - San NicolásU .............................................................................. 38 UFoto 2-17 Adoquines que se están colocando en Santa Cruz - San NicolásU .................................................... 39 UFoto 2-18 Proceso de compactación. Santa Cruz - San NicolásU ...................................................................... 40 UFoto 2-19 Tramo Santa Rita – MasachapaU ...................................................................................................... 41 UFoto 2-20 Tramo La Paz Centro - León ViejoU .................................................................................................. 41 UFoto 2-21 Ahuellamiento tramo La Paz Centro - León ViejoU ........................................................................... 44 UFoto 2-22 Ahuellamiento. Tramo La Paz Centro - León - ViejoU ...................................................................... 44 UFoto 2-23 Bordillo en construcción. Santa Cruz - San NicolásU ....................................................................... 45 Foto 2-24 Adoquines Ladrilleria San Pablo Foto 2-25 Depresión, tramo que comunica a Ticuantepe con la carretera Managua - Masaya UFoto 2-26 Ahuellamiento. Santa Rita - MasachapaU ......................................................................................... 50 Foto 2-27 Adoquinado del tramo Quebrada Honda en el que se observa la separación entre adoquines UFoto 2-28 Adoquines partidos. Dos Montes - El SauceU .................................................................................... 52
  9. 9. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T vi LISTADO DE ABREVIATURAS MTI Ministerio de Transporte e Infraestructura DGV Dirección General de Vialidad PMS “Sistema de Administración de Pavimentos” CERIB Centro Experimental de Investigación para la Industria de Concreto Manufacturado DIN Normas Alemanas NEN Normas Holandesas SVP Simulador de vehículos pesados BM Banco Mundial BID Banco Interamericano para el Desarrollo PNUD Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo AASHTO American Association of State Highway and Trasportation Officials CBR California Bearing Ratio vpd Vehículos por día TPDA Tránsito Promedio Diario Anual USAID Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional SIECA Secretaría de Integración Económica de Centroamérica NTON Normas Técnicas Obligatorias Nacionales NIC-2000 Especificaciones Generales para la Construcción de Caminos, Calles y Puentes. ICPC Instituto Colombiano de Productores de Cemento IRI Indice de Regularidad Internacional UNSW University of New South Wales, Sydney Australia TRRL Transport and Road Research Laboratory CEA Cement and Concrete Association PCA Portland Concrete Association ICPI Interlocking Concrete Paving Institute
  10. 10. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T vii RESUMEN En el trabajo que se presenta se realiza una descripción del estado del arte de los pavimentos de adoquín a nivel mundial. Se realiza una síntesis de los estudios realizados a nivel internacional con respecto a la utilización y comportamiento de los adoquines una vez sometidos al tráfico, la transmisión de esfuerzos en éste tipo de pavimentos y los métodos para analizar su comportamiento. Se caracterizan los pavimentos de adoquín en Nicaragua, los antecedentes históricos, considerando tres etapas de desarrollo, los métodos de diseño que se han utilizado. Adicionalmente se describen las normas de construcción y conservación, las técnicas de construcción y los trabajos de mantenimiento, así como los principales problemas encontrados en los proyectos ejecutados. Se le dio una especial atención a la configuración de los pavimentos, los tipos, formas y resistencia de los adoquines, las ventajas de éste tipo de pavimentos, en cuanto a fabricación, ejecución, comportamiento, mantenimiento y costos Finalmente, se presenta una nueva propuesta de reducir el espesor de los adoquines, basados en una caracterización de la red previamente definida en términos del tráfico y suelo de subrasante. La factibilidad de ésta propuesta quedó comprobada mediante análisis del estado tensional a que son sometidos los pavimentos de adoquín. Además, se presenta el análisis económico donde se demuestra que dicha propuesta produce importantes ahorros en la economía del país.
  11. 11. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T viii SUMMARY The present study makes a description of the state-of-the-art of the pavements of paving stone at world-wide level. It is made a synthesis of the studies made at international level with respect to the use and behavior of paving stones once submissive the traffic, the transmission of efforts in this one type of pavements and the methods to analyze its behavior. The paving stone pavements in Nicaragua, the historical antecedents are characterized, considering three stages of development, the design methods that have been used. Additionally to the construction and conservation norms are described, the techniques of construction and the works of maintenance, as well as the main problems found in the executed projects. A special attention to the configuration of the pavements, the types, forms and resistance of paving stones occurred him, the advantages of this one type of pavements, as far as manufacture, execution, behavior, maintenance and costs Finally, appears a new proposal to reduce the thickness of paving stones, based on a characterization of the network previously defined in terms of the traffic and ground of sub grazing. The feasibility of this proposal was verified by means of analysis of the tensional state that the paving stone pavements are put under. In addition, the economic analysis appears where it demonstrates that this proposal produces important savings in the economy of the country.
  12. 12. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T ix INTRODUCCION La historia de los pavimentos de adoquín se da con la aparición de los primeros pavimentos construidos, con superficie limpia y duradera, en el año 3000 AC, con la construcción en Creta de pisos de piedras seccionadas con juntas selladas con algún tipo de aglomerante natural o tierra, estos se conocen con el nombre de empedrados y podría considerarse el “ancestro” más antiguo de los pavimentos de adoquín. Entre los medios de transporte existentes a principios del siglo pasado, predominaban los carruajes para personas, las bestias de carga, carretas de bueyes y carretas de mulas. El automóvil comenzó a utilizarse. Los trazos de carreteras eran sinuosos e irregulares y en los lugares montañosos muchas de las pendientes eran pronunciadas, pues tenían valores entre el 10 y 20%, y en época lluviosa eran casi intransitables. En el período comprendido entre 1898 y 1944 ocurrieron cambios en el mundo, así como en el sistema de transporte, aumentando la comunicación entre las personas y el intercambio de productos promovidos por los nuevos caminos. Esto conllevó a pensar en una mayor consistencia al piso de los caminos existentes, lo que se consiguió con la colocación en forma continua de la piedra recortada. Esta técnica de cortar roca y colocarla fue mejorando hasta la aparición del adoquín, piedra tallada en forma de prisma para empedrados. Surgió la industria de la prefabricación de los adoquines de concreto, con el que se logró obtener una superficie más uniforme, durable y resistente. Últimamente se han desarrollado diferentes tipos de adoquines de concreto, diferenciándose en la forma, dimensiones y dispositivos de transferencia de carga cuya ventaja técnico económica es manifiesta. En Nicaragua, la utilización de los adoquines en la pavimentación de las vías rurales ha venido incrementándose en los últimos años, retomando la experiencia que inició en 1972, después del terremoto de Managua. Esta modalidad de pavimentos se inicia con el diseño y la construcción de los 31.70 kms., de la carretera Empalme Santa Rita – Empalme Masachapa, realizada en el lapso de seis años (1972 – 1977); fue diseñada, construida y supervisada de forma directa por el entonces Ministerio de Obras Publicas, actualmente Ministerio de Transporte e Infraestructura. (MTI) Hasta la fecha se han construido un total de 163Km, y en el presente año el MTI está en proceso de construcción de aproximadamente 360 km de vías de adoquín y en proceso de formulación 500 km adicionales. Se observó que los pavimentos de adoquín construidos recientemente, han reflejado una serie de problemas que no presentaron los primeros tramos
  13. 13. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T x adoquinados, además de que los costos por kilómetro con que se formularon estos proyectos se incrementaron, lo que obligó a una revisión de los estudios y diseños ya finalizados, así como de los diferentes aspectos que intervienen en proceso de formulación. Ante tal situación, como un aporte al desarrollo de la ingeniería vial en Nicaragua, se presenta éste documento, en el cual los autores reflejan los resultados de sus investigaciones y una síntesis de los estudios realizados a nivel internacional con respecto a la utilización y comportamiento de los adoquines una vez sometidos al tráfico, la transmisión de esfuerzos y los métodos para analizar su comportamiento. La parte fundamental de nuestros análisis e investigaciones, se realizaron mediante la utilización del método empírico-mecanicista para el diseño de pavimentos. Con los resultados de los análisis fundamentamos que los adoquines de 8 cm de espesor son suficientes para los niveles de tráfico de Nicaragua. Apoyados en la literatura existente y disponible, se realizó una revisión de la configuración de los pavimentos de adoquín, los tipos, la forma y patrones de colocación, así como su resistencia y ventajas en la fabricación y ejecución de los proyectos. Con respecto a la forma del adoquín, se aborda la conveniencia de experimentar con adoquines de diferentes formas, se presenta una descripción de los diferentes métodos de diseño que se han utilizado en Nicaragua y resto del mundo, las técnicas de construcción y mantenimiento. Para realizar nuestras investigaciones nos plantemos los objetivos siguientes: OBJETIVOS Objetivo General Evaluar y analizar las características geométricas de los adoquines utilizados actualmente en los pavimentos de Nicaragua. Objetivos Específicos Revisar, analizar y evaluar la experiencia de otros países en cuanto a la forma de los adoquines de hormigón. Identificar porque en Nicaragua se utilizan adoquines con forma y espesor únicos para la pavimentación de carreteras rurales. Analizar la posibilidad de reducir los espesores del adoquín que actualmente se utilizan en Nicaragua, garantizando que su aporte estructural como capa de rodamiento esté en concordancia con las solicitaciones de carga a que este sometido.
  14. 14. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T xi METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN El procedimiento que se siguió en éste estudio para alcanzar los objetivos planteados, se describe a continuación. En vista de que nos habíamos propuesto considerar los pavimentos de adoquín ya construidos y los que durante la realización de nuestra investigación están en proceso de ejecución, podemos afirmar que éste es un estudio retro-prospectivo según el tiempo de ocurrencia. Para alcanzar los resultados, el presente estudio combina estudios descriptivos con analíticos. Previamente se realizaron investigaciones sobre el tema, consideradas muy necesarias para el desarrollo de la Ingeniería Vial en Nicaragua, las cuales constituyen el soporte de la investigación. Se tomó en cuenta toda la experiencia internacional acumulada hasta el presente y desde el punto de vista teórico, fundamentamos las aseveraciones hechas en nuestras hipótesis. Se realizaron los ensayos necesarios, sobre todo posibles y comprobamos técnicamente la factibilidad de los cambios propuestos. El universo considerado en éste estudio para fundamentar algunas características muy relacionadas con las variables involucradas, se limitó únicamente a aquellos tramos adoquinados ya construidos y los que están por construirse en un corto plazo. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, una gran parte de los datos que se utilizaron se obtuvieron por medio del análisis de la experiencia internacional, para lo cual se ejecutaron un sin numero de actividades encaminadas a recopilar, analizar y procesar la información relacionada, lo que nos permitió contar con los elementos que sustentan los resultados obtenidos. Procedimiento para la recolección de la Información De manera general, se describen las actividades realizadas durante nuestro estudio: • Caracterización del tráfico predominante en las vías rurales, en términos de vehículos pesados. • Evaluación del comportamiento estructural del pavimento de adoquín, a través de la medición de deformaciones con la regla de 3 metros.
  15. 15. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T xii Figura 0-1 Medición de Deformaciones con regla de 3 metros • Investigación de los valores reales del rendimiento en la colocación de los adoquines en los diferentes proyectos de adoquinado. • Investigación de los costos de fabricación de adoquines con diferente espesor. • Investigación de los costos de transporte del adoquín a las diferentes zonas de nuestro país. ANÁLISIS DE INFORMACIÓN Y RESULTADOS Una vez obtenida la información necesaria se procedió al análisis de la misma. Se compararon los resultados obtenidos en las diferentes pruebas realizadas, permitiéndonos valorar la veracidad de nuestra hipótesis. HIPÓTESIS “Si se demuestra mediante análisis, para los adoquinados de Nicaragua, que existen influencias notables en el comportamiento general de la estructura de tales pavimentos, teniendo en cuenta en primer lugar, las características geométricas de los que actualmente se utilizan en el país, el tráfico pesado, su modo de colocación y el estado tensional a que estarán sometidos; entonces puede ser factible la reducción de espesores de los adoquines actualmente en uso con resultados favorables para la economía del país”.
  16. 16. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 1 1 ESTADO DEL ARTE DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUIN 1.1 HISTORIA DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUÍN La historia de los pavimentos de adoquín coincide prácticamente con el inicio de nuestra civilización. Cuando los romanos construyeron la Vía Apia, en el año 312 AC, utilizaron trozos de piedra canteada colocados de manera de proporcionar una superficie lisa. Esta historia ha estado estrechamente ligada a la evolución de las vías urbanas. En la época medieval, las calles servían tanto para permitir el acceso de peatones, carros, animales, etc. A medida que se fueron perfeccionando los carros de tracción animal se buscaron superficies de rodadura más continua, que permitiera un tránsito más cómodo; sin embargo, para lograr esto, se abandonó la práctica de colocar las piedras en estado natural y se comenzó a tallarlas en forma de bloques para obtener un mejor ajuste entre ellas. Puede decirse que con esto aparece el primer pavimento de adoquines. Foto 1-1, Foto 1-2 La palabra adoquín proviene del árabe «ad-dukkån» que quiere decir “piedra escuadrada”. No obstante, el proceso acelerado de urbanización en el siglo XIX y la aparición del automóvil con motor de combustión interna a finales del mismo, hacía poco práctico y poco económico tallar la gran cantidad de piedras que requería el ritmo de pavimentación acorde con las necesidades de esa época. Por esto, el pavimento de adoquines de piedra comenzó a ser reemplazado por pavimentos de adoquines de arcilla cocida, de bloques de madera y se desarrollaron las técnicas de pavimentación con concreto y con asfalto; éstas últimas de uso corriente y predominante en la actualidad. Los adoquines de concreto aparecieron en Alemania a finales del siglo XIX. Después de la Segunda Guerra Mundial, por la escasez de arcilla, los Países Bajos iniciaron la sustitución de adoquines de arcilla por adoquines de concreto, ya que los primeros eran utilizados solo para la construcción de viviendas. La industrialización de los adoquines de concreto nace con la aparición de las Normas de Producto Alemanas en 1964 y en los Países Bajos en 1966. Estas se basaron en la producción uniforme y controlada con diversos grados de Foto 1-1 Via Apía Foto 1-2 Primeros Adoquinados
  17. 17. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 2 automatización y controles de calidad, impulsados también por el desarrollo de equipos de fabricación en Alemania. Dichas tecnologías rápidamente fueron introducidas a otros países como Reino Unido, Sudáfrica, Australia, Nueva Zelanda y Japón a finales de los años 60 e inicio de los 70. Estos países han sido pioneros en el desarrollo y la investigación de los pavimentos de adoquín. En este período también se introdujo este tipo de pavimentos en el Continente Americano. Costa Rica introdujo el producto por la experiencia del uso de este material en Nicaragua, investigaciones del Ing. Max Sittenfeld Roger y por el interés de la empresa Productos de Concreto. Sin duda alguna, el crecimiento y la proyección de este tipo de pavimentos en los últimos años ha sido de los más rápidos y exitosos. (27) Los pavimentos de adoquines de concreto tienen un campo de aplicación casi tan amplio, como el de los otros tipos de pavimento, limitado casi únicamente por la imaginación. Foto 1-3. Comúnmente se utilizan en andenes peatonales, estacionamientos, vías internas de urbanizaciones, ciclo-vías, calles, accesos, campamentos, estaciones de servicio, pisos industriales, revestimiento de taludes y cauces, puertos, terminales de carga, e inclusive tráfico de vehículos montados sobre orugas. Ha sido comprobado que su utilización puede ser la solución ideal en países donde el mantenimiento de carreteras es ineficiente debido a la escasez de fondos. Las ventajas del adoquín respecto a otros tipos de pavimentos en el proceso constructivo son: manejo, apariencia, seguridad y durabilidad. Con respecto a la apariencia, permiten que se pueda incluir en ellos señalización, utilizando adoquines de diversos colores. El tamaño del adoquín hace que este pavimento se adapte fácilmente a trazos complicados y que adicionalmente, no se requieran juntas de dilatación y contracción. Su construcción no requiere el empleo de equipos sofisticados, ni de mano de obra especializada, lo que lo hace adaptable a países en vías de desarrollo donde existe buena disponibilidad de mano de obra no calificada. En zonas propensas a hundimientos diferenciales en los pavimentos, y en localidades donde no se hayan construido las redes de acueducto y/o alcantarillado los pavimentos se pueden reparar fácilmente y reutilizar Foto 1-3 Zona de Carga
  18. 18. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 3 aproximadamente el 95% de todo el material. Además el pavimento se puede dar al servicio inmediatamente que se reconstruya. La alta resistencia de los adoquines, al intemperismo y a los derrames de ácidos y aceites hacen que éste pavimento tenga una gran durabilidad y que requiera poco mantenimiento. El avance tecnológico de la industria de la prefabricación permite producir adoquines con un buen control de calidad en grandes volúmenes y a bajo costo. Los pavimentos de concreto se siguieron construyendo hasta principios del siglo XX y el hecho de que gran cantidad de ellos aún se encuentren en servicio y en buen estado, atestigua su durabilidad y buen comportamiento, por lo que puede afirmarse que los adoquines hoy constituyen una solución aplicada en todas las partes del mundo. 1.2 LOS ADOQUINES Los adoquines son elementos macizos, piedras prefabricadas de espesor uniforme e iguales entre sí con forma de prisma rectangular, que al colocarlos sobre una superficie encajan unos con otros de manera que solamente quede un pequeño espacio entre ellos. Geométricamente deben tener una longitud nominal entre 50 y 250 mm, un ancho nominal no menor de 50mm y un espesor estándar no menor de 60mm, en múltiplos de 20mm, es decir, 60, 80 y en algunos casos 100mm. La relación entre la longitud nominal y el ancho nominal no deber ser mayor de 4 y la relación entre la longitud nominal y el espesor estándar no debe ser mayor de 4. Figura 1-1 Figura 1-1 Subestructura de un pavimento de adoquín Históricamente, los cuatro tipos de adoquines que se han utilizado para pavimentar áreas urbanas son los adoquines de piedra, los de madera, los cerámicos y los de hormigón. Los primeros adoquines de piedra que se utilizaron fueron guijarros de río colocados sobre una capa de arena sellándose las juntas con una argamasa de cal y arena.
  19. 19. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 4 Los adoquines de madera se usaron en la primera mitad del Siglo XIX, como una alternativa a los adoquines de piedra, para intentar reducir así, el nivel de ruido que provocaban las ruedas de acero y las herraduras de los animales. Normalmente, tenían una longitud comprendida entre los 12 y los 25 cm y entre los 7 y los 10 cm de anchura, con una separación entre ellos de 3 mm, que se rellenaba con residuos bituminosos. De todos modos, aunque el nivel sonoro era inferior a los de piedra, se degradaban rápidamente a la intemperie y tras la aparición de los neumáticos se abandonaron. Los ladrillos cerámicos utilizados como material de pavimentación se han estado utilizando durante los últimos 5000 años, desde Mesopotamia, habiéndose demostrado su aptitud para usos peatonales o de bajos requerimientos. Los ladrillos cerámicos en pavimentación se colocaban sobre una capa de arena que también servía para rellenar las juntas, siendo su principal problema el rápido desgaste de su superficie, con la consiguiente reducción de su vida útil y de su resistencia al deslizamiento. Por último, llegamos a los adoquines de hormigón, que comenzaron a fabricarse por primera vez, a finales del Siglo XIX. Rápidamente se comprobó que proporcionaban una mayor uniformidad y unos costos más reducidos que los adoquines de piedra y los cerámicos. Ha sido comprobado que su utilización puede ser la solución ideal en países donde el mantenimiento de carreteras es muy poco, debido a la escasez de fondos. 1.3 COMPORTAMIENTO DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUÍN Las leyes que rigen la transmisión de las presiones ejercidas por cargas superficiales a través de suelos homogéneos, se ajustan bastante a las teorías de Boussinesq y de Froehlich.(10) La primera supone un módulo de deformación “E” constante en las capas que conforman la calzada y el terreno de fundación. El segundo admite la presencia de capas con módulos de elasticidad diferentes, especialmente en las capas superiores, donde este valor suele ser varias decenas de veces más elevado que en el terreno. En este caso, la repartición de presiones se efectúa a través de un área más extensa y los valores de las presiones son menores. Sin embargo ambas teorías suponen las capas formadas por materiales sin o con muy poca cohesión. Cuando aparecen una o varias capas que hacen perder esta homogeneidad, estas teorías ya no tienen aplicación. Es lo que sucede con los pavimentos rígidos, donde la losa de concreto, por su capacidad de absorber esfuerzos de flexo- tracción, distribuye las presiones superficiales a un área mucho más extensa en
  20. 20. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 5 las capas inferiores, siguiendo una ley de distribución totalmente distinta a las antes mencionadas. Figura 1-2 Los pavimentos flexibles, si bien debido a algunas capas superficiales bituminosas, producen algún “efecto de losa”, éste es muy pequeño por el bajo límite de fluencia de estos materiales, que al fin fallan por tracción en sus fibras inferiores, aun bajo el efecto de cargas livianas, en particular si éstas son estáticas y de acción prolongada. Pero se ha comprobado que son las cargas pesadas las que producen el deterioro de los pavimentos. Bajo la acción de estas cargas, el “efecto de losa” desaparece y el material bituminoso pasa a ser considerado como material homogéneo. Por ese motivo, para los pavimentos flexibles se pueden aplicar las teorías clásicas de distribución de presiones en los suelos. (10) De ellas se deduce que el valor de las presiones en un punto dado dentro de un terreno homogéneo depende del espesor de la calzada y de la carga y no de la calidad de las capas que componen el pavimento. Los pavimentos de adoquines no pueden considerarse rígidos, pues si bien se producen momentos de flexión locales en la extensión de cada adoquín, esos se anulan en la junta con el adoquín vecino. Sin embargo, los adoquines no actúan independientemente. Existe una transmisión de esfuerzos a los adoquines vecinos por esfuerzo de corte. Esto existirá en la medida que no supere en magnitud al esfuerzo de fricción generado entre las paredes de los adoquines por la arena fuertemente comprimida entre ellas. Quizás uno de los trabajos investigativos más completos llevados a cabo en este sentido, se deben a las experiencias del profesor J. Knapton, quién analizó este fenómeno y llegó a conclusiones que se detallarán más adelante y como parte de nuestras investigaciones transcribimos del Manual de Diseño y Construcción del Instituto Chileno del Cemento y Hormigón,(11) que corresponden a la segunda edición del libro presentado por el Sr. Jorge Barthou (10). Estas investigaciones sirvieron de base para determinar la distribución de presiones a través de este elemento, y por ende llevan a diseñar las diversas capas que conforman un pavimento de adoquines. Figura 1-2 Estructuras comparativas de pavimento
  21. 21. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 6 El conjunto inseparable adoquín-arena constituye la parte superficial del pavimento y es la que está expuesta en forma más directa al efecto de las solicitaciones externas. Es por eso que su correcta instalación, no solo es importante en la duración que se espera de la calzada, sino que es determinante en la distribución de las presiones a las capas inferiores de modo que se cumplan las hipótesis que han dado forma al sistema de cálculo de estos pavimentos. En el proceso de vibración posterior a la colocación de los adoquines, la arena debe penetrar en los intersticios entre adoquines contiguos y quedar fuertemente comprimida de modo de extender el radio de acción de las presiones aplicadas en la superficie, por el progresivo aumento de la fricción que allí se genera. 1.3.1 Experiencias de J. Knapton. Las experiencias realizadas por el profesor J. Knapton resumidas en su informe "Design of Concrete Block Roads" (28) constituyen hasta la fecha, el estudio más profundo y fidedigno del comportamiento del conjunto adoquín-arena, por lo que estimamos necesario dar a conocer una breve síntesis de sus experiencias y de las conclusiones más importantes que de ellas se desprenden. Figura 1-3 Dispositivo para aplicación de carga para un pavimento de Adoquín. Diseñado por J. Knapton Mediante el sistema indicado en la Figura 1-3, compuesto de una sub-base de concreto sobre la cual se tendió un pavimento de adoquines confinado en sus cuatro costados, se instalaron unas celdillas de presión en la base de la arena de colocación de los adoquines, vale decir en la parte superior de la sub-base. Este
  22. 22. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 7 pavimento se sometió a presión exterior mediante la aplicación de una carga ejercida a través de una placa circular de 125 mm de radio. A medida que la carga iba aumentando, se iban registrando las presiones en las celdillas ubicadas en un área más amplia que el área de aplicación, pero dispuestas en un orden bien determinado. Las presiones correspondientes a diversas presiones de placa, están graficadas en Figura 1-4. Knapton aplicó cargas de hasta 25 KN (presiones de hasta 510 KN/m2) y registró las presiones en las celdas correspondientes a cada carga aplicada. Esta experiencia fue realizada con varias formas y patrones de colocación de los adoquines. Figura 1-4 Lectura de las celdillas para diversas presiones de placa El resultado de esta experiencia se puede observar en el gráfico de Figura 1-5. A medida que la presión superficial aumenta en intensidad, la presión media en las celdillas, medida como un porcentaje de la presión superficial, va bajando progresivamente hasta llegar a un valor cerca del 60% para la mayor presión ejercida. Esta presión máxima es superior a la ejercida aún por los vehículos de mayor tonelaje. Es importante hacer notar que solamente se conoce el valor de la presión entre la superficie de rodamiento y la parte superior de la subbase, no así la ley que rige la variación de presiones.
  23. 23. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 8 Figura 1-5 Presión en función de la carga Una segunda deducción de Knapton, se refiere a la vida estructural del conjunto adoquín-arena. Para ello lo compara con el conjunto capa de rodado y capa de base de un pavimento asfáltico, a través de la variación de presiones axiales a diversas profundidades del pavimento, en función de los módulos de deformación relativos. Knapton, llegó a la conclusión de que una capa combinada de adoquín (80 mm) y arena (50 mm) es equivalente a una capa asfáltica de 16O mm. (10) para la cual, de acuerdo a gráfico 7 de la ROAD NOTE 29 que se muestra en la Figura 1-6, se puede esperar una vida estructural de poco más de 1,5 millones de pasadas de ejes estándar. Figura 1-6 Gráfico N° 7 Road Note 29
  24. 24. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 9 Otra deducción que formula Knapton es que el espesor del adoquín no tiene influencia apreciable en la curva de presiones de gráfico. Sin embargo, en el documento: Pavimentos de Adocretos, Manual de Diseño (10), se admite que esta curva es válida para un adoquín de 80 mm de espesor, debido a que el promedio sensible de los adoquines empleados en los experimentos es cercano a ese valor. 1.4 ANÁLISIS TEÓRICO DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUÍN A partir de 1960, producto de perfeccionadas tecnologías de prefabricación de hormigón, se encuentra el adoquín como elemento básico constitutivo de los pavimentos articulados. A pesar de que la utilización de los pavimentos de adoquín tiene una larga historia, la investigación sobre su comportamiento estructural y el desarrollo de métodos de diseño apoyados en datos experimentales, es reciente. Para el análisis de las características de este tipo de pavimentos se han desarrollado varios métodos, tales como: Métodos de Análisis Teóricos, por Modelos o Criterios de Diseño Práctico. A continuación se describen los métodos para el Análisis Teórico de los Pavimentos de adoquines de hormigón. 1.4.1 Análisis por Placa. Trabajos realizados por el Instituto del Cemento Portland en Johannesburgo y del CERIB en Francia (8, Capítulo 5) han estudiado las características de un pavimento de adoquines de hormigón modificando el análisis por placas y determinando las propiedades de las piezas mediante el ensayo de carga con placa. El principal inconveniente de este tipo de análisis es que no se pueden deducir fácilmente el comportamiento de la base y la sub-base sobre la explanada. Despreciando esta limitación, los trabajos de dicho Instituto, han mostrado que es posible obtener una información provechosa de la modificación de la teoría de placas. 1.4.2 Análisis Elástico La teoría del análisis elástico es el procedimiento más ampliamente utilizado para el estudio de pavimentos flexibles. El pavimento es representado como una sucesión de capas con unas propiedades elásticas, la distribución de esfuerzos a través del pavimento son calculadas en función de las magnitudes de la carga, su colocación, el espesor de las capas y sus propiedades. Antes de la llegada de las computadoras de alta velocidad en los años 60 se habían hecho pequeños progresos en el análisis de los sistemas de capas. No obstante desde hace tiempo una variedad de soluciones elásticas han sido publicadas incluyendo un amplio número de programas conocidos como EVERSTREES, ALIZE, CHEVRON, ELSYM, BISTRO y CIRCLY. Tales programas sirven únicamente para analizar la distribución de los esfuerzos y deformaciones en un pavimento, para un espesor determinado, independientemente del procedimiento de diseño. En nuestro análisis, reflejado en el Capítulo 5, fueron
  25. 25. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 10 utilizados el EVERSTRESS 5.0 y el ALIZE III para el chequeo del estado tensional del pavimento de adoquín. Debido a la lentitud del método se usan simplificaciones que son aproximadas. Entre estas simplificaciones se destaca el método de espesores equivalentes (MET) originalmente desarrollado por Odemark y que ha sido gradualmente mejorado en Europa y utilizado en variedad de análisis de pavimentos flexibles. Esencialmente el método MET reemplaza los espesores de cada capa por un espesor equivalente, de forma que el pavimento pueda ser posteriormente diseñado como un medio elástico. Dado que el método es aproximado es necesario incorporar factores de corrección en el cálculo de los espesores equivalentes, factores que han sido determinados obteniendo una excelente correspondencia entre el MET y otro tipo de métodos. El MET ha sido aplicado con éxito en el análisis de pavimentos de adoquines de hormigón. 1.4.3 Análisis por Elementos Finitos El uso de las teorías de placas y capas elásticas ignora la naturaleza discontinua de los pavimentos de adoquines, pero asume que pueden ser modelados en términos de una capa elástica continua equivalente cuyas propiedades pueden ser determinados por el ensayo de carga con placa, estudio del tráfico acelerado o por los fallos de peso en el deflector. Una alternativa es utilizar las técnicas de los elementos finitos para los pavimentos de adoquines, definiéndolos como una superficie articulada, conociendo las cargas o la incidencia de los desplazamientos en las juntas entre unidades vecinas. Este tipo de estudios han sido realizados en Japón y Países Bajos, demostrando que el análisis por elementos finitos es capaz de expresar el comportamiento observado en los pavimentos de adoquines según la relación carga/flecha con más precisión que la teoría de las capas elásticas. Estas técnicas de análisis han sido introducidas para el estudio de pavimentos de adoquines de hormigón en zonas industriales y puertos por Knapton & Meletiou en el libro "The Structural Design of Heavy Duty Pavements for Ports and Other Industries". En él se utiliza el Programa de Elementos Finitos Lusas, obteniendo gráficos en los que se muestra la incidencia de diversas cargas sobre el pavimento y la distribución de esfuerzos según el tipo de explanada.(8 Capítulo 5) 1.4.4 Otros Estudios realizados Hasta mediados de la década del 70, el diseño de pavimentos de adoquines se asimilaba casi completamente al diseño de pavimentos flexibles, es decir, de tipo asfáltico. Las propiedades mecánicas tomadas como un conjunto no habían sido consideradas, incluso en países que ya contaban con normas sobre pavimentos de adoquines como Alemania con su “Pflastersteine aus Beton”, DIN 18501 de 1964 y Holanda con su “NEN 7000” de 1966.
  26. 26. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 11 Ambas normas pusieron énfasis solo en las propiedades físicas de los adoquines, sin justificar con antecedentes tecnológicos los métodos de diseño propuestos. Recién en 1976 en Inglaterra, el profesor J. Knapton investigó las propiedades mecánicas adicionales de estos pavimentos, para establecer algún método de diseño y, eventualmente hacerlos más competitivos con las soluciones tradicionales. Para ello diseño un aparato experimental que simula un pavimento sometido a carga vertical. Esta experiencia, realizada con varias formas y patrones de colocación de los adoquines, demostró que las presiones en las celdas aumentaban en menor proporción porcentual que las presiones aplicadas en la superficie. Comparando estos resultados con la capacidad teórica de disipación de carga en pavimentos bituminosos, esto le permitió establecer un método de diseño asimilado al de pavimentos flexibles. Sin embargo, aun persistía la duda acerca de si estos métodos de diseño reflejaban el comportamiento real de los pavimentos de adoquines bajo tráfico. Por ello, la Concrete Masonry Association y la Cement and Concrete Association de Australia (11), patrocinaron en 1978 un exhaustivo programa de ensayos a escala natural sometidos a cargas móviles dirigido por el profesor B. Schackel, el que posteriormente fue ratificado por el mismo investigador en el National Institute of Transport and Road Research de Pretoria, Sudáfrica, empleando un simulador de vehículos pesados (S.V.P.) 1.5 TRANSMISIÓN DE ESFUERZOS DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUÍN Estudios realizados han mostrado que los pavimentos de adoquín se van rigidizando con el tiempo, aumentando con ello su capacidad de disipación de carga y que las deformaciones permanentes se acumulan, fundamentalmente, al principio de la vida del pavimento. Hasta que se alcanza un estado de trabazón total, más allá del cual la deformación del pavimento es muy pequeña. (8, 10,11,16,23,38) También se vio en estos ensayos, que el comportamiento de los pavimentos depende fuertemente de la forma de los adoquines. Más aun, la forma de los adoquines tiene una influencia significativa en la velocidad con que el pavimento alcanza el estado de trabazón total y determina la magnitud de carga por rueda que el pavimento puede resistir sin fallar. Los resultados y conclusiones de estas experiencias han servido de base a los métodos de diseño utilizados en Australia, Sudáfrica y otros países, y han permitido comprender mejor el comportamiento de los pavimentos de adoquines sometidos a tráfico. Recientemente se han desarrollado métodos de diseño computacionales, que modelan el comportamiento de los pavimentos de adoquines y permiten incluir una amplia gama de variables en el diseño. Esto les otorga un carácter más general y los hace aplicables a un mayor número de casos que los métodos tradicionales. Sin embargo, su utilización aun no se ha generalizado.
  27. 27. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 12 Estudios realizados por diversos autores, han demostrado que los pavimentos de adoquines exhiben un comportamiento similar a los pavimentos flexibles tradicionales, fundamentalmente en lo que se refiere a las propiedades de distribución de tensiones y desarrollo de deformaciones. Por ello, el modo de falla típico de estos pavimentos es la acumulación de deformaciones permanentes (ahuellamiento), provocada por la repetición de cargas que sobrepasan la capacidad elástica de las capas del pavimento. En el caso de los pavimentos de adoquines, la capacidad estructural de la superficie de rodado esta dada fundamentalmente por la transmisión de esfuerzos entre elementos vecinos. Los ensayos de Knapton y otros investigadores han mostrado que por efecto de la transmisión de esfuerzos verticales entre adoquines, las presiones aplicadas sobre la superficie del pavimento pueden llegar a reducirse en un 40% a nivel de la subbase, haciendo evidente con esto la capacidad estructural de esta capa. 1.5.1 Trabazón de los adoquines El mecanismo que permite la transmisión de esfuerzos entre los adoquines se denomina “trabazón” y se le define como la capacidad de estos elementos para resistir un desplazamiento relativo con respecto a sus vecinos. Una buena trabazón le confiere a los adoquines la capacidad de transmitir las cargas superficiales aplicadas en áreas pequeñas, ampliándolas a áreas más extensas de la capa de subbase manteniendo las presiones en la subrasante dentro de límites admisibles. La propiedad de distribución de cargas va mejorando con el uso, produciéndose progresivamente un estado de trabazón total llamado “hermeticidad”, la capa de rodadura va adquiriendo mayor rigidez y los adoquines dejan de constituir una capa de desgaste para transformarse en una capa estructural. Una vez lograda esta “hermeticidad”, el pavimento adquiere una condición de equilibrio que no es afectada, significativamente, ni por el volumen de transito ni por la magnitud de las cargas por rueda, dentro de un rango de 2.4 a 7 t. 1.5.2 Trabazón Vertical La trabazón vertical se consigue a través de la arena que rellena las juntas entre adoquines. Este material proviene, en primer lugar, de la cama de arena desde la cual asciende durante la vibración de los adoquines rellenando el perímetro inferior de los bloques, y en segundo lugar del material de sello esparcido y compactado al finalizar la construcción del pavimento. Figura 1-7 Sin trabazón vertical
  28. 28. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 13 Una vez obtenida esta trabazón la carga de un adoquín puede trasmitirse por esfuerzos de corte a sus vecinos. En la Figura 1-7, se observa una sección donde no se hay trabazón vertical. 1.5.3 Trabazón rotacional Una carga vertical aplicada asimétricamente sobre un adoquín tiende a hacerlo rotar. Para que ello suceda, es necesario que dicho bloque desplace lateralmente a sus vecinos. Figura 1-8. Sin embargo, si estos están impedidos de desplazarse mediante una restricción en los bordes del pavimento, se consigue la trabazón rotacional. Figura 1-9 1.5.4 Trabazón horizontal Las fuerzas horizontales de aceleración o frenaje pueden producir un lento desplazamiento horizontal de los adoquines a lo largo de la huella principal de la calzada y las presiones generadas, pueden llegar a romper las esquinas de los adoquines. Este fenómeno puede reducirse en gran medida aparejando los adoquines en “espina de pescado”, y más aun si se emplean adoquines de cara dentada. El “corrimiento” no puede ser eliminado totalmente en sectores de frenaje severo, pero las medidas propuestas minimizan sus efectos evitando la rotura de adoquines y una mala impresión visual. Figura 1-8 Sin trabazón Rotacional Figura 1-9 Con trabazón Rotacional
  29. 29. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 14 2 CARACTERIZACIÓN DE LOS PAVIMENTOS DE ADOQUÍN EN NICARAGUA 2.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL TRANSPORTE EN NICARAGUA El transporte como actividad organizada para servicio público data de fines del Siglo XIX, con la introducción del ferrocarril en 1879/1881, ya que anteriormente por iniciativa de particulares, sólo existía el servicio de diligencias (tipo de carretones tirados por mulas), que funcionaba a discreción de emprendedores y el tráfico se hacía por trochas con superficies más o menos estables, conocidas como “Caminos Reales”, que fueron abiertas desde la época colonial y que eran usadas por el correo y los agricultores. El desarrollo del transporte en Nicaragua ha estado ligado a ciertos acontecimientos históricos y a su posición geográfica en el continente como parte del Istmo Centroamericano. La “Ruta por Nicaragua” fue una de las preferidas (la otra fue la de Panamá) durante la “fiebre del oro” a partir de 1848 año del hallazgo en los Estados Unidos de América, cuando los buscadores de oro, los aventureros, pioneros y oportunistas buscaron como trasladarse de Nueva York a San Francisco de California, sin correr los peligros que enfrentaban al querer desplazarse hacia el Oeste. La ruta Nueva York, San Juan del Norte, San Carlos, Granada (por vía marítima, fluvial y lacustre) y continuando por tierra hasta El Realejo (en la cercanía de Corinto), y volver a embarcarse con destino a San Francisco de California. La “Ruta del Tránsito” (así conocida) llegó a incluir posteriormente el cruce del Lago Xolotlán en “vapores” hasta llegar al Puerto Momotombo (La Paz Vieja) y seguir por tierra hasta El Realejo. Este último trecho se hizo luego por ferrocarril al construirse el ramal Puerto Momotombo – León - El Realejo. La “Ruta del Tránsito” adquirió cierto atractivo al punto de despertar el interés de inversionistas norteamericanos que la dotaron de buques que surcaron el Gran Lago y el Lago Xolotlán. Buques menores hicieron la travesía del Río San Juan hasta San Juan del Norte. Posteriormente, se desarrolló un sistema rudimentario de navegación entre Granada y San Carlos y otros puertos lacustre que, en combinación con el ferrocarril servían a los propósitos del transporte en la Costa del Pacífico. Este sistema fue poco a poco perdiendo clientela a medida que entraban las carreteras en la competencia. El ferrocarril dejó de competir en la década de los 80 y dejó de funcionar y existir a principio de los 90; por su parte, la navegación comercial en el Lago Cocibolca disminuyó por las mismas causas que afectaron al ferrocarril, a pesar de que se hicieron algunas mejoras en los puertos principales.
  30. 30. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 15 Este intento de integración de modos de transporte, que estuvo bajo la administración del ferrocarril como “ente autónomo”, fracasó por errores en la planificación y administración y sobre todo, porque su autonomía no era real. El primer automóvil llegó a Nicaragua en 1902; en 1904 se reporta un total de 50, pero ni las calles ni los caminos facilitaban un transporte terrestre confiable y eficiente. En 1940, la red vial de Nicaragua contaba apenas con 201 kilómetros de caminos, de los cuales sólo 52 kilómetros eran pavimentados; 24 kilómetros de caminos de todo tiempo, y el resto estaban transitables sólo en estación seca. Sin embargo, otro acontecimiento la II Guerra Mundial, urgió a los Estados Unidos de América a promover la construcción de la carretera Panamericana a lo largo de todo el Continente. Cooperaron con P 2 P/B 3B del costo y en Centroamérica, dirigieron los trabajos de ingeniería con personal estadounidense y empresas contratistas de ese país. En Nicaragua organizaron el Departamento de Carreteras, adscrito al Ministerio de Obras Públicas, el cual llegó a ser el bastión de la vialidad en el país. Nicaragua construyó por administración directa, las carreteras más importantes, fuera de la Panamericana. En la carretera a Rama, parte del proyecto fue construido directamente por el Departamento de Carreteras. El Banco Mundial permitió esta modalidad de construcción en las carreteras del Programa del Préstamo concedido en 1951, así como el BID accedió a financiar la construcción de vías con el préstamo concedido en 1965. Años más tarde, la construcción fue realizada por contrato, mientras el mantenimiento se hizo directamente por el Ministerio de Obras Públicas. Por muchos años, Nicaragua era mencionada en los Congresos Panamericanos de Carreteras como el país que mejor mantenía su red vial. Entre 1940 y 1970, Nicaragua llegó a desarrollar una red de transportes mucho mejor que la del resto de los países centroamericanos, impulsada por financiamientos adecuados y la existencia de un equipo de Ingenieros y Administradores de alta clasificación, que con sus obras lograron mantener un equilibrio concordante con las necesidades de un rápido crecimiento económico. En los años 80, la contracción económica, producto del estallido de la guerra civil y de un bloqueo económico, produjo tales daños a la infraestructura, que hasta 1998 no había sido posible su recuperación. En Octubre de 1998, ocurrió el fenómeno natural conocido como huracán Mitch, que además de ocasionar serios daños a la infraestructura del país, produjo la pérdida irreparable de 3,000 vidas humanas. La destrucción causada a la infraestructura de transporte asciende a unos US$326 millones, de acuerdo a estimaciones de PNUD. De un total de 18,000 Km de la red vial unos 12,600 Km recibieron daños a diferentes niveles, incluyendo la destrucción de 29 puentes.
  31. 31. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 16 2.2 DESARROLLO HISTÓRICO DE LA RED VIAL En todo el contexto histórico explicado en el inciso 2.1 y según la última cifra publicada (45) el crecimiento de la red vial ha tenido un comportamiento que puede resumirse de la forma siguiente: • En 1940 Nicaragua tenía 201 Kms., • A 1979 esta red alcanza 18,137 Kms., • A 1989 esa red perdió más de 4,600 Kms., llegando a 15,287 Kms., • Al 2000 alcanza 19,032 Kms., • Al 2002, la red posee 18,418 Kms. Tomando en cuenta el tipo de superficie de rodamiento, de los 18,418 kms., 16,237 kms., son caminos no pavimentados y 2,181 kms., corresponden a caminos pavimentados, de estos últimos 163 kms., son adoquinados. 2.3 CARACTERIZACIÓN DE LA RED VIAL DE NICARAGUA 2.3.1 Caracterización del Tráfico Durante la realización de nuestra investigación hicimos una serie de análisis, básicamente a la red vial denominada por el MTI como mantenible, o sea a 8,212.73 km. Tomando como base la longitud de los caminos con al menos un registro de volúmenes de transito, disponibles en la Unidad del Sistema de Administración de Pavimentos del Ministerio de Transporte e Infraestructura, los que conforman aproximadamente el 89% de la red vial básica, clasificamos la red en función de la superficie de rodamiento. Tabla 2-1. Tabla 2-1 Clasificación de la Red Vial Estudiada Superficie de Rodamiento Longitud Km Pavimentada 1780.63 Adoquinada 115.22 No Pavimentada 5366.43 Total 7,262.28 Del estudio de pesos por eje en diferentes puntos de la red vial, realizada con financiamiento de la Agencia Danesa para el Desarrollo Internacional del Gobierno Real de Dinamarca (DANIDA) para el MTI, en 1996, durante la implantación de la Unidad del Sistema de Administración de Pavimentos, se tomaron los factores de daño por tipo de vehículo. (46). Tabla 2-2
  32. 32. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 17 Tabla 2-2 Factores de Daño, Encuesta de 1996 Bus 2 - 3 Camión C2 Camion C3 Remolque 4- Remolque 5+ Semiremolque 4- Semiremolque 5+ Bus Pequeño Camión Liviano Nic - 1 1.05 0.87 0.68 1.29 2.11 Nic - 1 0.83 0.81 1.29 0.07 1.65 NIc - 2 0.38 0.62 1.2 0.26 1.68 Nic - 2 0.93 0.66 0.68 1.2 2.16 Nic - 3 0.92 0.93 0.76 0.4 0.17 2.58 Nic - 4 0.97 0.7 1.32 0.26 2.14 2.29 Nic - 7 0.87 0.91 0.82 2.83 1.45 2.03 Nic - 11 0.5 0.75 0.94 1.1 2.19 Nic - 12 0.57 0.73 1.08 0.13 0.5 2.06 Nic - 12 0.57 0.87 1 1.58 Nic - 26 0.44 0.88 0.86 1.05 1.6 Nic - 28 0.75 1.05 0.99 0.35 1.35 1.83 Promedio 0.731666667 0.815 0.968333333 0.73 1.15 0.77375 1.98 Promedio 0.75 0.85 1 1 1.15 1.25 2 0.003 0.003 Las cifras que están en rojo, están basadas en muestras pequeñas, menor a 15 valores Tipo de Vehículo Carretera N o e s t u d i a d o N o e s t u d i a d o Estos factores se aplicaron a la composición vehicular correspondiente a cada tramo que compone la red vial analizada, lo que nos permite convertir el volumen de tránsito a ejes equivalentes de una carga de 8.2 ton por eje. Un resumen de los resultados es presentado en la Tabla 2-3 y el listado completo en Anexo I. Tabla 2-3 Comportamiento del Tránsito en la Red Vial Analizada Rangos de Tráfico Longitud Km Porcentaje Veh. Promedio por tramo % Promedio Veh. Liv. % Promedio Veh. Pesados Ejes Equiv. Prom. 15 años TPDA Menor de 100 2994.15 41.23% 52 63.78% 36.22% 104,165 T¨PDA entre 101 y 300 2141.09 29.48% 166 63.68% 36.32% 328,444 TPDA entre 301 y 500 617.34 8.50% 378 63.23% 36.77% 854,659 TPDA entre 501 y 1000 493.4 6.79% 768 66.25% 33.75% 1,548,583 TPDA entre 1001 y 3000 647.88 8.92% 1,764 68.02% 31.98% 3,618,142 TPDA mayor de 3001 368.42 5.07% 9,920 78.57% 21.43% 10,125,444 TOTAL 7262.28 100.00% 67.25% 32.75% Se puede observar que aproximadamente el 70% de la red vial analizada mueve menos de 300 vpd., y solamente el 5% mueve más de 3000 vpd. Con relación a la composición de vehículos livianos y pesados, se observa un comportamiento más o menos similar en toda la red, el promedio general es de 67.2% para los vehículos livianos y el 32.75% para vehículos pesados. Una vez convertidos los volúmenes de tránsito a ejes equivalentes, se obtuvo la cantidad de solicitaciones de cargas en el año base, lo que nos permite proyectarla a un período de diseño, que en este caso definimos de 15 años, utilizando una tasa de crecimiento del 5%, un poco superior a la que se utiliza en los diferentes estudios que se realizan para las diferentes direcciones del Ministerio de Transporte e Infraestructura, que generalmente es del 4%.
  33. 33. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 18 Por otro lado es importante aclarar que para efectos de este estudio se utilizó el tráfico en ambos sentidos, o sea que este se consideró como total para el carril de diseño. La expresión utilizada es la siguiente: ( ) ( )rLn r TT n iAcumulado + −+ ×= 1 11 donde: TB iB : Tránsito en el año inicial r : Tasa de Crecimiento anual del tránsito n : Periodo de diseño Según el resumen presentado en Tabla 2-3, categóricamente se puede afirmar que los volúmenes de tránsito en las carreteras de Nicaragua son “bajos”, y si nos concentramos en las vías rurales consideradas en los programas de adoquinados, que son las que tiene volúmenes menores a 300 vpd, es suficiente diseñar para un período de 15 años, en el cual se acumularan aproximadamente 500,000 ejes equivalentes. 2.3.2 Caracterización del Suelo de Subrasante Utilizando como fuente de información los valores de CBR de subrasante disponibles en la base de datos de la Unidad del Sistema de Administración de Pavimentos, se caracterizó el suelo de subrasante para el 88% de la red vial básica, o sea 6036.06Km. Anexo I Los resultados se presentan en la Tabla 2-4, clasificándola según los valores encontrados. Tabla 2-4 Caracterización del Suelo de Subrasante Rangos de CBR Longitud Km Porcentaje Tipo CBR ≥ 30 188.34 3.12% Excelente 30 > CBR ≤ 20 308.22 5.11% Buena 20 > CBR ≤ 10 1918.17 31.78% Regular 10 > CBR ≤ 6 1748.24 28.96% Mala CBR ≤ 5. 1873.09 31.03% Muy mala TOTAL 6036.06 100.00% La tabla anterior tiene algunos inconvenientes, ya que en algunos tramos solo se dispone de un solo sondeo en distancias mayores a 20 km, pero al no disponer de otra información, estamos tomando estos datos como válidos. Analizado solamente los tramos que tienen un TPDA menor de 300 vpd, (5135km), se extrajeron 4,149.24 km, que corresponden a tramos con valores de CBR de subrasante disponible, obteniendo los resultados que se muestran en la
  34. 34. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 19 Tabla 2-5. Se observa que aproximadamente el 28.60% de estos tramos presentan valores de CBR de subrasante mayores a 10, que el Manual de Diseño y Construcción de pavimentos de adoquines (11) los clasifica de bueno a excelente, el 33.91% con valores que oscilan entre 6 9, clasificados como suelos con capacidad soporte regular y 37.48% con valores menores que 6, clasificados como suelos con capacidad resistente mala o pésima. Específicamente, para los suelos con valores de CBR menores a 3%, dicho manual sugiere que sean mejorados antes de la construcción del pavimento, ya sea de adoquines o cualquier otro tipo, asfáltico o de hormigón. Tabla 2-5 CBR de Subrasante. Tramos con TPDA<300 Rangos de CBR Longitud Km Porcentaje Tipo CBR ≥ 20 279.17 6.73% Excelente 10 ≥ CBR ≤ 19 908 21.89% Buena 6 ≥ CBR ≤ 9 1407 33.91% Regular 3 ≥ CBR ≤ 5 1092.31 26.33% Mala CBR < 3 462.84 11.15% Muy mala TOTAL 4149.24 100.00% 2.4 PAVIMENTOS ADOQUINADOS EN NICARAGUA En nuestras investigaciones se hizo énfasis en los pavimentos de adoquín en las vías rurales, ámbito de aplicación y gestión del Ministerio de Transporte e Infraestructura. Considerando las influencias políticas a que ha estado sometido el país, se puede dividir el crecimiento de dicha red vial adoquinada en tres periodos de tiempo: 2.4.1 Período de 1970 a 1980: En 1972, teniendo como ejemplo los excelentes resultados obtenidos por otros países, se implementa la pavimentación con adoquines en las vías rurales del país, en este lapso de tiempo se construyeron 38.95 kms., los tramos que se detallan en la Tabla 2-6. Tabla 2-6 Tramos construidos en el periodo 1970-1980 Vía Longitud km Período de Construcciópn U1970-1980 Sta Rita – Emp. Masachapa Acceso Presa Sta. Bárbara Acceso a Posoltega Emp. Xiloá – Xiloá TOTAL 31.70 5.94 0.50 0.81 U38.95U 1972-1977 1976-1977 1976 1976
  35. 35. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 20 Esta modalidad de pavimentos se inicia con el diseño y la construcción de los 31.70 kms., de la carretera Empalme Santa Rita – Empalme Masachapa, realizada en el lapso de seis años (1972 – 1977); fue diseñada, construida y supervisada de forma directa por el entonces Ministerio de Obras Publicas, actualmente Ministerio de Transporte e Infraestructura. Se caracteriza por tener una zona de influencia agrícola, ganadera, turística y está clasificada funcionalmente como colectora principal. Tiene una longitud de 31.70 kms., y las actividades que generó dicha construcción fueron la ampliación del derecho de vía, mejoramiento de cercos, cortes y rellenos en terracería para ampliar la superficie de rodamiento, mejoras en el alineamiento horizontal y vertical, restauración del drenaje menor y mayor, construcción de la subbase y base. UCaracterísticas del Tramo Clasificación Funcional : Colectora Principal Derecho de Vía : 24 mts. Ancho de Rodamiento : 6.70 mts. Velocidad de Diseño : 45 a 60 kph. Pendiente : 3% al 7% Peralte Máximo : 10% Bombeo Máximo : 3% Carga de Diseño : HS - 20 - 44 Rodamiento : Adoquines tipo tráfico Costo por Kilómetro : 460,457 C$/km (U$ 92,000) Método de Diseño : Murillo López de Souza Carga por rueda de 5 toneladas Tipo de Tránsito Pesado 800 a 1500 mm anuales de lluvia UEspesores de la Estructura de Pavimento Adoquín : 10 cms. Arena : 3 cms. Base : 11cms. (material de banco de préstamo) Subbase : 16 cms.(material de banco de préstamo) Terracería : 61 cms. (terreno natural) Los materiales de la estructura de pavimento se clasifican según AASHTO, en arena no plástica, la base A–2–4 (0) y A-1-b (0) con plasticidad de cero, la subbase A–2–4 (0) y A-1-b (0) con plasticidad de cero, la Terracería A-7-5 (8) con plasticidad de once a dieciséis, arena de sello del cauce Chiquilistagua no plástica, y actualmente presenta una superficie de rodamiento regular. La Foto 2-1 presentan varias etapas de la construcción del tramo: Santa Rita – Masachapa. De la información recopilada y el comportamiento en sus 25 años de operación, con mantenimiento casi nulo, merece comentarse que esta carretera fue muy bien diseñada, construida y supervisada, esto se refleja en la calidad de sus materiales, el nivel de servicio que presta y su condición actual.
  36. 36. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 21 Foto 2-1 Etapas de la Construcción del Tramo: Santa Rita -Masachapa Para efectos de nuestras investigaciones, se revisaron los registros históricos de los volúmenes de tránsito desde 1965 hasta el 2002, con el cual calculamos la tasa de crecimiento utilizando la estimación logarítmica, que nos arrojó un valor de 5.7%. Posteriormente, considerando que la carretera adoquinada ha estado en operación desde 1975, se estimaron los ejes equivalentes soportados hasta la fecha utilizando el factor de daño de la Tabla 2-2 para el C2, resultando un total aproximado de 2 millones de ejes. El análisis se presenta en la Tabla 2-7. Tabla 2-7 Registros Históricos. Santa Rita - Masachapa Año Mes TPDA Veh. Pesados Registrados % del total Veh. Pesados Calculados 1965 Junio 76 1966 Marzo 152 1967 Junio 146 1968 Marzo 166 1969 Enero 242 149 67.4 163 1970 Abril 390 204 52.4 204 1971 Junio 151 54 48.7 74 1972 Diciembre 173 99 48.5 84 1974 Diciembre 335 151 49.19 165 1975 Septiembre 265 71 40.5 107 1976 Mayo 240 94 47.72 115 1977 Abril 712 184 49.8 355 1978 Abril 551 235 46.1 254 1979 Enero 690 263 55.6 384 1996 1065 46.1 1997 720 35.7 1999 1202 31.78 2001 897 23.72 2002 959 21.76 Tasa de Crecimiento 5.7% Promedio 39.9% Ejes Equivalentes 8.2Ton. Acumulados 1,991,579
  37. 37. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 22 2.4.2 Período de 1980 a 1990 Este periodo se caracterizó por la disminución en las inversiones viales y esto fue extensible a los pavimentos de adoquines, registrándose solamente la construcción de 11.42 kms, que son los que presentamos en la Tabla 2-8: Tabla 2-8 Tramos construidos en el Período 1980-1990 Vía Longitud km Periodo de Construcción U1980-1990 Emp. Pta Nic – El Velero Acceso Villa Carlos Fonseca El Arroyo – Ticuantepe TOTAL 5.95 1.72 3.75 U11.42U 1980 1982-1983 1983-1984 En este período se seleccionó El Arroyo – Ticuantepe, esta ruta se caracteriza por tener una zona de influencia agrícola, turística y está clasificada funcionalmente como colectora principal. UCaracterísticas del Tramo Clasificación de la carretera : Colectora Principal (funcional) Derecho de Vía : 30 mts. Ancho de Rodamiento : 6.00 mts. Velocidad de Diseño : 45 a 75 kph. Pendiente : 3% al 7% Peralte Máximo : 10% Bombeo Máximo : 3% Rodamiento : Adoquines tipo tráfico Costo por Kilómetro : DATO NO DISPONIBLE Método de Diseño : Murillo López de Souza Carga por rueda de 5 toneladas Tipo de Tránsito Pesado 800 a 1500 mm anuales de lluvia UEspesores del Pavimento Adoquín : 10 cms. Arena : 3 cms. Base : 7 cms. (material de banco de préstamo) Subbase : 28 cms. (material de banco de préstamo) Terracería : 52 cms. (terreno natural) Los materiales de la estructura de pavimentos se clasifican según AASHTO, en arena no plástica, la base A-1-b (0) con plasticidad de cero, la subbase A-1-b (0) con plasticidad de cero, la Terracería A-1-b (0) con plasticidad de cero y actualmente presenta una superficie de rodamiento regular.
  38. 38. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 23 De la información recopilada y el comportamiento en sus 19 años de operación, con mantenimiento casi nulo, merece comentarse que esta carretera, al igual que la construida en el periodo 1970-1980, fue muy bien diseñada, construida y supervisada, esto se refleja en la calidad de sus materiales, el nivel de servicio que presta y su condición actual. 2.4.3 Período de 1990 al 2002 Es en este periodo que realmente los pavimentos de adoquines han tenido un repunte extraordinario al construirse 76.34 kms., debido al financiamiento logrado con el Banco Mundial, los tramos construidos se presentan en la Tabla 2-9. Tabla 2-9 Tramos Construidos en el período 1990-2002 Vía Longitud km Período de Construcción U1990-2002 Rivas – Tola Nic – 2 - El Puente – Guisquiliapa Proyecto PILOTO Shell Palacaguina –Pueblo Nuevo Shell Palacaguina – Palacaguina Dos Montes – El Guacucal Emp. Guanacaste – Mombacho Emp. Tepeyac- Tepeyac Emp. Malpaisillo-Pto. Momotombo EMERGENCIA DE MASAYA Nic 4 – Valle La Laguna Sabogales – Plan de Hule Rpto. CO – Pacayita – Valle La Laguna TOTAL U1.83 1.63 0.20 U58.00U 12.94 3.56 18.03 7.64 1.50 14.33 U16.51 4.28 4.60 7.63 U76.34U 1998-1999 1999 1999-2001 2000-2001 2000-2001 2000-2001 2000-2001 2000-2001 2001 2000-2002 2000-2002 Dada la importancia de retomar con ímpetu la construcción de pavimentos de adoquines a partir de 1999, se logra un financiamiento con la Asociación Internacional de Fomento, mediante el crédito número CR – 3085 – NI, para ejecutar un Proyecto Piloto de Estabilización de Carreteras Secundarias con adoquines, ampliado por causa del terremoto en Masaya al denominado “Plan de Emergencia Terremoto Masaya”, ambos ejecutados bajo la administración del Ministerio de Transporte e Infraestructura por medio de una Unidad Coordinadora desde su fase de concepción y que contó con la asesoría de la empresa LABIAL.
  39. 39. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 24 Como tramo representativo de éste período se escoge para su análisis el tramo Dos Montes – Guacucal, subtramo de El Sauce – Dos Montes. UCaracterísticas del Tramo Clasificación Funcional : Colectora Principal Derecho de Vía : 20 mts. Ancho de Rodamiento : 6.45 mts. Velocidad de Diseño : 60 kph. Pendiente : 1% Bombeo Máximo : 3% Rodamiento : Adoquines tipo tráfico de mortero Costo por Kilómetro : 1,962,594.59 C$/km (U$ 150,000). Método de Diseño : NO DISPONIBLE UEspesores del Pavimento Adoquín : 10 cms. Arena : 3 cms. Base : 15 cms. (material de banco de préstamo) Súbase : 15 cms.(material de banco de préstamo) Terracería : 60 cms. (material de banco de préstamo) Los materiales de la estructura de pavimentos se clasifican según AASHTO, en arena no plástica, base A-2-4 (0) con plasticidad de cero y A-1-b (0) con plasticidad de seis, la subbase A-2-4 (0) con plasticidad de siete a nueve, la Terracería A-2-6 (0) con plasticidad de dieciséis, Actualmente presenta una superficie de rodamiento buena, pero con algunos problemas puntuales, que si la comparamos con los tramos construidos en los periodos descritos anteriormente, se puede afirmar que están en igual condición. De la información recopilada y el comportamiento observado en sus 2 años de operación, con mantenimiento casi nulo, merece comentarse que esta carretera esta incompleta (falta de obras de protección, señalamiento, etc) y lo empieza a mostrar en su rodamiento con baches, juntas entre adoquines mayores a 5 milímetros, fallas en el confinamiento lateral, no tiene hombros, que ha su vez proporcionan soporte a la estructura, etc. Se puede afirmar que en gran medida las fallas señaladas se han observado en casi todos los tramos construidos en el proyecto piloto y de acuerdo a la información recabada en este estudio, en sus inicios fue concebido sin tomar en cuenta un diseño de pavimento y en la marcha se fue mejorando, motivado por su comportamiento ante el clima y el tráfico, de hecho los alcances de obras y costos iniciales de estos caminos se vieron incrementados en más del 85%, lo que demuestra una formulación deficiente del mismo. A manera de ejemplo se puede señalar un resumen breve de una visita de evaluación a un tramo del proyecto piloto que presentó problemas en 1999, (29)
  40. 40. Análisis y Evaluación de las Características Geométricas de los Pavimentos de Adoquín en las vías rurales de Nicaragua Tesis de maestría presentada por los Ings. Lubina Cantarero y Douglas Méndez T 25 URESULTADO DE LA INSPECCION: “En el recorrido del camino se observó que la superficie ya terminada con adoquín presenta deformaciones, a tal punto que la estructura colapsó en parte de los tramos construidos por diversas empresas constructoras. También se observó que se están efectuando trabajos de reparación total de todos los tramos, con la construcción de una estructura de sub-base, base y levantamiento de la superficie de rodamiento conformada con adoquines”, fue lo que expresó el supervisor y el representante del MTI. Revisando las especificaciones que se estipulan contractualmente para el desarrollo de estos trabajos, se puede comentar que son incompletas y muy generales, más bien son procedimientos descriptivos de los trabajos a efectuarse, esto influye decididamente en el producto final. De hecho la concepción del proyecto de adoquinado, no se basa en estudios geotécnicos, ni diseño geométrico, mucho menos hidráulicos, únicamente en la condición existente del camino a ser adoquinado con cierta mejora, es decir que sobre el terreno existente se construye el adoquinado. Revisamos toda la información disponible en las oficinas del Programa de Adoquinado del MTI, y no existe algún documento que señale al MTI que las obras realizadas no eran las adecuadas para la pobre condición del camino. El Ingeniero Representante del MTI en el proyecto, aportó señalamientos concretos al respecto, desafortunadamente las autoridades competentes no se pronunciaron para mejorar la calidad de los trabajos. Al final, en la época lluviosa las obras se destruyeron parcialmente. Por el comportamiento en estación lluviosa y los diferentes estudios de suelos de ciertos tramos (Usuelos A-2-6 (1), A-7-5 (12) y A-7-6 (14) con índice de plasticidad de 19% y 22%),U se puede concluir que la condición del camino existente no cumplía con el requisito de ser una superficie de macadam y que solo se mejoraría para luego colocar los adoquines, condición con que se concibió el programa piloto. El resumen anterior refleja en gran medida las consideraciones y resultados en el inicio del proyecto piloto, sirvieron para mejorar los estándares en los 16.51 kms., del Plan de Emergencia Terremoto Masaya 2.4.4 Pavimentos de adoquines en etapa de diseño Los tramos incluidos en el Programa de Estabilización de Caminos Rurales están siendo diseñados por dos consultores diferentes, suman una longitud total de 360 kms. Una primera etapa con 300 kms de longitud, son tramos localizados en su gran mayoría en la zona norte de nuestro país, fue diseñada utilizando la Guía AASHTO 93 para el diseño de Pavimentos, con las siguientes consideraciones:

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