El diseño de losas de concreto de menor tamaño y espesor considera el apoyo sobre una base granular, tratada con cemento o asfáltica, y que no existe adherencia entre la base, o el pavimento antiguo, y la losa de concreto. El principio fundamental consiste en diseñar el tamaño de la losa para que en ella no ruede al mismo tiempo más de un juego de llantas, reduciendo así al mínimo la tensión de tracción crítica en la superficie.
Se han construido tramos de ensayo a gran escala y se han probado bajo cargas aceleradas con espesores de concreto de 8, 15 y 20 cm, todas con base granular y sobre capas asfálticas sin adherir. Las pruebas demostraron que una disminución en las dimensiones de la losa permite que, al ser de bajo espesor, soporte una cantidad considerable de ejes equivalentes (EE) antes de comenzar a agrietarse. Las losas de concreto sobre bases granulares con espesor de 20 cm no mostraron agrietamiento a pesar de haber sido ensayadas a más de 50 millones de EE.
Las losas de espesor de 15 cm mostraron, en promedio, grietas a los 12 millones de EE, mientras que las de 8 cm de espesor resistieron 75.000 ejes equivalentes antes de aparecer las primeras grietas. Los ensayos probaron también que las losas de concreto con fibra pueden soportar hasta 20 veces más tráfico antes de comenzar a agrietarse, y que tienen vida útil más larga una vez agrietadas. A partir de esto se ha desarrollado un software de diseño mecánico-empírico, que optimiza la geometría y el espesor de las losas de concreto, considerando las condiciones particulares de cada proyecto: clima, tráfico, capa y materiales.
Las tensiones críticas se han calculado utilizando el análisis de elementos finitos, para diferentes condiciones de cargas mecánicas y térmicas en posiciones variadas. El agrietamiento de las losas se determina calculando la fatiga del concreto y los modelos utilizados por la guía de diseño AASHTO del año 2007, y mediante calibración en secciones de prueba a gran escala.
La nueva metodología diseña losas de concreto que son, en promedio, 7 cm más delgadas para vías de alto tráfico en comparación con el diseño tradicional de pavimentos AASHTO (1993). El método también es capaz de diseñar de manera eficiente pavimentos de concreto para vías de menor volumen de tráfico que no son cubiertas con los actuales métodos de diseño de pavimento, ofreciendo una alternativa a soluciones en otros materiales.
Los pavimentos de losas con geometría optimizada –de acuerdo con la presentación del doctor Michael Darter (EE.UU) en el comité anual de la ACPA 2014– son una de las 12 innovaciones más importantes en los últimos años en el diseño de pavimentos de concreto.
Ante las variaciones de pavimentos de otros materiales en cuanto a su desempeño y los costos que esto conlleva en temas de conservación, el concreto ha llegado en los últimos años como una solución atractiva. Dentro de las opciones que ha generado este cambio se encuentran los pavimentos con losas de geometría optimizada, que han ganado aceptación por su menor costo inicial de construcción y están siendo utilizados por algunos entes públicos y privados para todo tipo de carreteras, calles o parqueaderos, bien sea como pavimentos de tránsito intenso con alta circulación de vehículos pesados, de alta montaña bajo condiciones desfavorables, o como pavimentos para vías de bajo tránsito con cargas livianas.
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| Diseño tradicional AASTHO. |
Con el primer proyecto construido el año 2005 (Cuesta Villalobos, Guatemala) y con más de 8 millones de metros cuadrados construidos en distintos países, la tecnología de losas de concreto con geometría optimizada logra reducir el espesor de diseño de las losas de pavimento frente a las soluciones tradicionales y ahorran hasta un 20% en recursos. Esta solución se aplica en más de diez países, entre ellos Chile, Guatemala, Perú, Bolivia, Australia y Colombia.
Los pavimentos diseñados con esta tecnología exigen poco mantenimiento frente a otras alternativas de pavimentación y tienen, además, bajo impacto ambiental puesto que logran ahorros de hasta 30% en iluminación y, por ende, consume menos energía eléctrica para la misma intensidad lumínica. Al mismo tiempo, los pavimentos fabricados en concreto absorben menos calor, lo que aporta a la disminución del calentamiento del terreno al reflejar el calor incidente sobre las losas. Entre otros beneficios, estos pavimentos no requieren sellos de juntas ni barras de amarre o traspaso entre losas, y además es sencillo repararlos en caso de fallas porque están integrados por losas pequeñas y delgadas, lo que también disminuye la congestión en las vías por mantenimiento del pavimento.
Desarrollo tecnológico
El desarrollo tecnológico ha llevado el concepto de dimensionar losas optimizando su geometría. El principio del sistema es dimensionar las losas de tal manera que sólo exista un juego de ruedas sobre cada losa, distribuyendo de mejor manera la carga en el pavimento para evitar el agrietamiento por flexión, lo que se traduce en mejoras en la calidad, en la extensión de la vida útil del pavimento y en menor espesor del pavimento, como se muestra a continuación.
Con el fin de validar, calibrar y optimizar el sistema de diseño y el método constructivo de losas cortas se ha considerado un estudio realizado por la Universidad de Illinois en EE.UU, además de los datos recopilados de proyectos y tramos de calibración de hasta 10 años de antigüedad.
Los resultados han servido para calibrar y validar el software, el cual permite predecir el comportamiento del pavimento y disminuir el espesor para un tráfico dado. Esta herramienta que implementa la tecnología de losas cortas, puede calcular pavimentos desde 6 cm de espesor. Calcula el daño acumulativo en las losas mediante predicción de tensiones, que están basadas en redes neuronales.
Es un programa de elementos finitos especial para pavimentos que aplica algoritmos de fatiga del proyecto NCHRP 37a (AASHTO 2008). Trabaja, además, con un modelo de escalonamiento por diferencial de energía en las juntas e IRI para entregar resultados.
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| Diseño tradicional AASTHO: 4.5X3.5m - 25 cm. de espesor - Máxima tensión 22.4 Kg/cm2 |
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| Diseño de geometría optimizada: 1.75X1.75m - 15 cm. de espesor - Máxima tensión 20.7 Kg/cm2 |
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