DISEÑO DE PAVIMENTOS PARA AEROPUERTOS

PAVIMENTO R ÍG IDO

DISEÑO DE PAVIMENTOS PARA AEROPUERTOS

D. Curiel y M.Orozco

-Delia María Curiel Castellar-Mauricio Orozco Fontalvo

MAESTRÍA EN INGENIERÍA CIVIL-UNINORTE


¡ A volar!La infraestructura aeroportuaria

de un país es signo inequívoco de su nivel de

desarrollo e interrelación con el resto del mundo; parte medular

de talinfraestructura es la calidad de

las pistas de aterrizaje cuya prioridad —más allá del

confort— es la seguridad.Patricia Arce


1. ANTECEDENTES HISTÓRICOS

Hasta mediados del 30, las pistas de aterrizaje eran

simplemente de césped, con los

lugares de estacionamiento o

los pisos de los hangares sólo

pavimentados. Tales áreas comprendían materiales sueltos

sellados con un ligante de alquitrán

(tar).

En 1937 la pavimentación de pistas y senderos

se mejoró con una base dura recubierta con tarmacadam e

impermeabilizada con mástic de

asfalto caliente.

En los años posteriores de la Segunda Guerra

Mundial el hormigón

reemplazó estos primeros

pavimentos, los que probaron ser inadecuados para

las cargas sostenidas.

Los pavimentos de hormigón originales en Heathrow, que comprendían 305 mm de hormigón sobre 150 mm de

hormigón pobre seco sobre una

subrasante natural de resistencia

mediana a alta, fueron ejecutados entre 1946 y 1951.


2. GENERALIDADES PAVIMENTOS DE CONCRETO EN AEROPUERTOS

Las ventajas del hormigón en términos de su " costo

de vida total "y la resistencia al ataque del

combustible y a la deformación local lo

convierten en el material ideal y mas utilizado en los pavimentos de aeropuertos

Un pavimento deberá proveer capacidad

estructural, fricción, drenaje y rodamiento suave

durante su vida útil.

En pistas de aterrizaje la exigencia mas importante es la respuesta superficial

de fricción (contacto neumático-textura

superficial) en condición de pista mojada.

La vida útil de una pista aérea de despegue y de aterrizaje bien ejecutada

puede llegar hasta a los 30 años en buenas

condiciones y extenderse hasta por 15 más con

unmoderado mantenimiento.


3. DISEÑO DE PAVIMENTOS RÍGIDOS PARA AEROPUERTOS SEGÚN LA FAA


3.1. ADMINISTRACIÓN FEDERAL DE AVIACIÓN

• La Administración Federal de Aviación, Federal Aviation Administration (FAA) en inglés, es la entidad gubernamental responsable de la regulación de todos los aspectos de la aviación civil en los Estados Unidos.

• Fue fundada en Estados Unidos en 1926 el 20 de mayo, para administrar el tráfico aéreo civil.

• Desde el 11 de septiembre de 2001 esta agencia ha estado trabajando conjuntamente con DHS (Departament of Homeland Security) para el control de los vuelos y la seguridad en el aire.


3.2 FUNCIÓN Y PROPOSITO DE UN PAVIMENTO AEROPORTUARIO

Soporte adecuado para la carga de los aviones

La superficie debe ser:• Firme, estable, suave, libre de residuos que puedan dañar

turbinas o hélices.La estructura debe soportar las cargas, la acción abrasiva de los trenes de aterrizaje y el clima.

El pavimento debe operar en todo momento y en cualquier condición climática.


3.3. CAPAS DEL PAVIMENTO

Capas del Pavimento

SuperficieConcreto de cemento Portland (PCC), mezcla de asfalto en caliente (HMA),

mezcla de arena bituminosa y tratamientos superficiales bituminosos

rociados.

Base Agregado triturado ya sea tratado o no tratado.

SubbaseMaterial granular, material

granular estabilizado, o suelo estabilizado.

Geosinteticos


3.4. DISEÑO DE PAVIMENTOS PARA AERONAVES DE MAS DE 30 KIPS

FILOSOFÍA DE DISEÑO• Elementos separados:• Tren de aterrizaje del avión (restricción FAA de 1958).• Diseño del pavimento.• Evaluación del pavimento.• Procedimiento mecanicista de diseño.• FAA Rigid and Flexible Iterative Elastic Layer Design (FAARFIELD).• FEM-3D (rígidos) para nuevas estructuras y sobrecapas en

pavimentos existentes. • Debido al cambio metodológico en el diseño

(empírico a mecanicista), un pavimento debe evaluarse con el mismo método con el cual se diseñó.


3.5. CRITERIO DE DISEÑO

Pavimento rígido:• Esfuerzo horizontal máximo en la parte inferior

del borde de las losas de concreto.• Condición de carga de borde.• FAARFIELD provee el espesor necesario de losa para una

mezcla de tráfico aéreo y sobre una subrasante particular.


3.6. RESPALDO DEL MÉTODOVARIABLES.• FAA está calibrando modelos de comportamiento desde hace 70

años. • FAARFIELD está enfocado en periodos de diseño de 20 años.• Tráfico sin cambios abruptos.• Poco, pero indispensable, mantenimiento.• Se debe renovar la superficie (oferta de fricción) en periodos de tiempo

menores. DISEÑO ESTRUCTURAL.• Determinación del espesor total y los espesores parciales de las

capas componentes.• Magnitud y valor de las cargas de tráfico y volumen del mismo.• Concentración del tráfico en ciertas áreas.• Resistencia de la subrasante.• Calidad de los materiales.


3.7. DISEÑO DE PAVIMENTOS CON FAARFIELD

FAAR

FIEL

D Se basa en el concepto de factor de daño acumulativo (CDF), en el cual se analiza de forma separada la contribución al daño total de cada avión en una mezcla de tráfico dada.

FAAR

FIEL

D No debe emplearse para comparar los espesores necesarios para aeroplanos individuales con aquellos obtenidos con métodos de diseño de versiones previas de esta AC basadas en el concepto de “avión de diseño”.

FAAR

FIEL

D Debe tenerse cuidado al emplear FAARFIELD en la evaluación de estructuras originalmente diseñadas con las curvas de versiones previas de esta AC. Las comparaciones entre esta versión de la AC y sus antecedentes debe hacerse para la mezcla total de tráfico.


3.7.1.PROGRAMA DE COMPUTO

NIKE3D.• Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) of

the U.S. Department of Energy.• Solución tridimensional por elemento finito para

pavimentos rígidos.

3.7.1.1. Consideraciones sobre los aviones• La biblioteca interna de aviones de FAARFIELD se

divide en seis grupos: genéricos, Airbus, Boeing, Otros Comercial, Aviación General y Militar. El diseñador tiene la libertad para seleccionar y ajustar los pesos de aviones y frecuencias.



3.7.1.1. CONSIDERACIONES SOBRE LOS AVIONES

Carga FAARFIELD tiene una extensa biblioteca de aeronaves.Peso bruto máximo de despegue de la aeronave.Se asume que el 95% va en el tren principal y el 5% en la nariz.No se consideran las operaciones de aterrizaje.

Tipo y geometría del tren de aterrizaje

Determina la forma como se distribuye el peso.

Presión de las llantasVolumen de tráfico

Se requiere la proyección de salidas anuales para cada tipo de avión.Plan Maestro o Director, bases de datos de operación.




3.7.1.2. Unidades• Puede operar en unidades inglesas o métricas.

3.7.1.3. Disponibilidad• Puede obtenerse en el sitio web de la FAA

3.7.1.4. Material de referencia• El programa tiene un archivo de ayuda incorporado.

3.7.1.5. Mezcla de tráfico de aviones• Se debe diseñar para una mezcla de aviones y no

una sola aeronave. • La librería de FAARFIELD permite establecer casi

cualquier mezcla de tráfico.


3.8. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO

• 20 años, lo cual es una especificación de la FAA.Vida de diseño

• Versiones anteriores: conversión de la mezcla a un avión de diseño (el más dañino).

• Versión actual: analiza el daño causado por cada avión de la mezcla de tráfico con el concepto de CDF.

Mezcla de tráfico

• La trayectoria variable de los aviones (normalmente distribuida).

• Número de veces que debe pasar una aeronave para producir una aplicación de carga máxima (máximo esfuerzo o máxima deformación) en un área unitaria del pavimento.

• Pavimentos rígidos: Cobertura: medida del número de repeticiones del máximo esfuerzo en el fondo de la losa de concreto.

Relación Pasada-

A-Cobertur

a


RELACIÓN PASADA-A-COBERTURA

Las coberturas de un avión específico son función de:

• El número de pasadas del avión.• El número y espaciamiento de las llantas del tren principal.• El ancho del área de contacto de la llanta.• La distribución lateral de las trayectorias de las llantas con

relación al eje del pavimento o a la demarcación del mismo.

Al calcular la relación P/C, FAARFIELD usa el concepto de ancho de llanta efectivo.

Para pavimentos rígidos Se define en la superficie y es igual al ancho nominal del área de contacto de la llanta.



SALIDAS ANUALES Y CICLOS DE TRÁFICO

Se consideran sólo las salidas.

• Aterrizajes:• Menor peso por el consumo de combustible.• En el contacto parte del peso continúa en las alas.

Ciclo estándar de tráfico (TC):

• Un despegue y un aterrizaje del mismo avión.• Un ciclo de tráfico produce una pasada (P/TC = 1.0).• En operaciones donde el avión recorre el pavimento más de

una vez puede ser necesario ajustar el P/TC, por ejemplo, en ausencia de pistas de rodaje.



FACTOR DE DAÑO ACUMULADO CDF

Usa la regla de Miner.

• Cantidad de la vida estructural de fatiga que ha sido usada.



3.9. DISEÑO PAVIMENTO RÍGIDO

El proceso de diseño para el pavimento rígido considera un solo modo de falla: Agrietamiento de la losa

El agrietamiento de la superficie es controlado al limitar el esfuerzo horizontal en la parte inferior de la losa de concreto

Las fallas en la subbase y subrasante no son consideradas.

FAARFIELD itera variando el espesor de la losa hasta que el CDF alcanza un valor de 1, una vez logrado esto, la sección satisface las condiciones de diseño.


3.8. DISEÑO PAVIMENTO RÍGIDO

subrasante debidamente compactada

subbase granular o tratada Debe proveer un soporte uniforme y estable para las losas de concreto. Un espesor mínimo de 6 pulgadas es requerido.

PCC debe proveer una superficie con cualidades antideslizantes, prevenir la infiltración de agua a la subrasante y proveer un buen soporte estructural para

los aviones.


3.8. DISEÑO PAVIMENTO RÍGIDOSUBBASE

Materiales aceptables para subbase:


3.8. DISEÑO PAVIMENTO RÍGIDOSUBRASANTE

Los materiales de la subrasante deben ser compactados de acuerdo a especificaciones establecidas por la FAA. En los pavimentos rígidos las repeticiones de carga puede causar un mezclado entre los materiales granulares de la subbase y la subrasante, contaminando de esta manera el suelo y creando vacíos que pueden generar bombeo. El uso de geosintéticos o estabilizaciones mecánicas y químicas pueden reducir considerablemente esta contaminación.

Determinación del modulo de la subrasante

Donde Esg= Modulo resiliente de la subrasante en psi. Para el cálculo del modulo de reacción de la subrasante la FAA recomienda la siguiente formula , que es una correlación a partir del CBR.


3.8. DISEÑO PAVIMENTO RÍGIDODETERMINACIÓN DEL ESPESOR DE LA LOSA

FAARFIELD diseña el espesor de la losa basado en el supuesto de carga en los bordes. Para obtener esta carga, se coloca el tren de aterrizaje tangente y perpendicular al borde de la losa, tomando el mayor de los 2 esfuerzos y reduciéndolo en un 25% por la transferencia de carga tenemos el esfuerzo de diseño.

FAARFIELD necesita 5 inputs.

El programa No calculará los espesores de las capas subyacentes, pero exigirá que se coloquen los espesores mínimos establecidos.

Resistencia a la flexión del concreto• De 4.14 a 4.83

Mpa.

Periodo de diseño• 20 años

Modulo de la subrasante

Propiedades de los materiales para capas • Se debe ingresar el

espesor

Información del mix de aviones•Tipo de avión, peso bruto, número anual de salidas y porcentaje de crecimiento anual


















• Si el avión tiene ejes en sus alas se coloca dos veces al ingresar la información de los aviones en el programa, como sucede con el avión A340-600. Para este caso la contribución del CDF se reparte también en las alas.

EJEMPLOS PAVIMENTOS DE AEROPUERTOS EN CONCRETO EN EL

MUNDO


W H I T E T O P P I N G 3 5 A Ñ O S D E S E RV I C I O

AEROPUERTO DE ROSARIO


W H I T E T O P P I N G 3 5 A Ñ O S D E S E RV I C I O

PISTA DE AEROPARQUE EN BUENOS AIRES


H O U S T O N ( T E X A S )

AEROPUERTO INTERNACIONAL BUSH


C O N S T R U I D O E N E L A Ñ O 1 9 8 9

AEROPUERTO INTERNACIONAL DE USHUAIA


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