Pavimentos flexibles para aeropuertos

Demetrio Galíndez López

Ingeniero Civil. Docente e investigador del Instituto Politécnico Nacional. ESIA UZ.

 

Para garantizar que el pavimento tendrá la resistencia necesaria para soportar la operación de las aeronaves y los efectos de las condiciones climáticas, la Organización de Aviación Civil Internacional establece un método que consiste en clasificar las aeronaves y el pavimento.

 

La finalidad de un aeropuerto es transportar pasajeros y carga a través de operaciones aeronáuticas respetando el marco normativo que establece la Secretaría de Comunicaciones y Transportes (SCT) en nuestro país y las recomendaciones de la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI).

 

Las operaciones comprenden llegadas y salidas de aeronaves; luego del aterrizaje, la aeronave se desplaza por las calles de rodaje para ir a las plataformas, y viceversa: de éstas, circulan a la cabecera de la pista para realizar el despegue. Para esto se requiere que las pistas, las calles de rodaje y las plataformas estén pavimentadas.

 

El pavimento es una estructura conformada por una mezcla de materiales pétreos y cementantes que proporciona una superficie de rodamiento resistente, estable, permanente, tersa y durable, que soporta y distribuye el peso total del avión, así como soporta el volumen del tráfico, su concentración en ciertas zonas y los efectos nocivos de las condiciones climáticas.

 

Estructuralmente, el pavimento está constituido por dos grandes capas: la subestructura, que se sustenta en el terreno natural, formada por el cuerpo del terraplén y la subrasante, y la superestructura o pavimento, compuesta por diversas capas que, según su tipo, hacen un pavimento rígido o flexible que se soporta en la capa subrasante.

 

El diseño o cálculo estructural consiste en determinar el espesor total del pavimento y el espesor de las capas que lo componen, con base en la resistencia de la subrasante, para un determinado número de años.

 

El Anexo 14 y el Manual de Diseño de Aeródromos, parte 3, pavimentos de la OACI, establecen las siguientes definiciones:

 

“Pavimento. Estructura formada por la combinación de cimiento, firme y revestimiento, colocado sobre un terreno de fundación para soportar las cargas del tránsito y distribuirlas al terreno.

 

”Pavimento flexible. Estructura de pavimento que mantiene un íntimo contacto con el terreno de fundación y reparte las cargas sobre el mismo y, por lo que a estabilidad se refiere, depende de la trabazón o entrelazamiento de los áridos, rozamiento y cohesión de las partículas.”

 

En México, el terreno de fundación es la subrasante, el cimento es la sub-base, el firme es la base, y el revestimiento es la carpeta asfáltica, a la que nombran “hormigón bituminoso” (véase figura 5).

 

Resistencia del pavimento

 

Para garantizar que el pavimento tendrá la resistencia necesaria para soportar la operación de las aeronaves y los efectos de las condiciones climáticas, la OACI establece el método ACN/PCN, que consiste en clasificar las aeronaves y el pavimento. El ACN (Airplane Classification Number o número de clasificación de aeronave) indica el efecto relativo de una aeronave sobre un pavimento para determinada resistencia normalizada del terreno de fundación; PCN (Pavement Classification Number) es el número de clasificación de pavimento; indica la resistencia de un pavimento para utilizarlo sin restricciones.

 

Se debe considerar el ACN de la aeronave más crítica y convertirla en un PCN equivalente, para notificarlo como la clasificación por carga de su pavimento en una escala continua que comienza con cero en el extremo inferior, sin límite superior.

 

El PCN notificado indicará que una aeronave ACN igual o inferior al PCN notificado puede operar sobre ese pavimento. Se notificará además la categoría o el valor de la presión máxima permisible de los neumáticos y el método de evaluación. Pueden notificarse diferentes PCN si la resistencia de un pavimento está sujeta a variaciones estacionales de importancia.

 

El sistema ACN/PCN proporciona un sistema internacional de clasificación de aeroplanos/pavimentos normalizado que reemplaza los diversos sistemas de clasificación de pavimento utilizados, como ESWL (equivalent single wheel load o carga de rueda única equivalente), LCN (Load Classification Number o número de clasificación de carga), AUW (All Up Weight o todo el peso) y el de la Federal Aviation Administration de Estados Unidos, All Up Weight by Gear Type (todo el peso por tipo de engranaje), entre otros.

 

Determinación del número de clasificación de aeronaves

 

Para determinar el ACN de un pavimento flexible código F, se considera la resistencia de la subrasante, la categoría de presión máxima permisible de los neumáticos y el método de evaluación.

 

La resistencia de la sub rasante se determina definiendo los valores normalizados en función del valor relativo soporte (CBR o California bering ratio) para cuatro categorías:

 

  • Resistencia alta: CBR = 15 y comprende todos los valores CBR superiores a 13. Código A.
  • Resistencia mediana: CBR = 10 y comprende todos los valores CBR entre 8 y 10. Código B.
  • Resistencia baja: CBR = 6 y comprende todos los valores CBR entre 4 y 8. Código C
  • Resistencia ultra baja: CBR = 3 y comprende todos los valores CBR inferiores a 4. Código D.

 

La categoría de presión máxima permisible de los neumáticos comprende los siguientes rangos:

  • Ilimitada: sin límite de presión. Clave W
  • Alta: presión limitada a 1.75 MPa. Clave X
  • Mediana: presión limitada a 1.25 MPa. Clave Y
  • Baja: presión limitada a 0.50 MPa. Clave Z

 

Método de evaluación

 

Se consideran dos tipos de evaluación: la técnica T consiste en un estudio específico de las características de los pavimentos y en la aplicación de tecnología del comportamiento de los pavimentos; el aprovechamiento de la experiencia en la utilización de aeronaves U comprende el conocimiento del tipo y masa específicos de las aeronaves que los pavimentos resisten satisfactoriamente en condiciones normales de empleo.

 

El método ACN/PCN para pavimentos flexibles emplea el modelo matemático de Buossinesq, basado en los esfuerzos y desplazamientos en un semiespacio elástico isotrópico y homogéneo bajo carga aplicada en la superficie, utilizando valores aproximados de CBR.

 

Ejemplo

Determinar el ACN del B737-200, que operará en un pavimento flexible con una subrasante de resistencia baja CBR = 6, cuyas características (véanse figuras 3 y 4) son:

 

PT = masa total = 58,332 kg

Disposición del tren de aterrizaje D = ruedas gemelas o dobles

P1 = carga en rueda de proa = 8%= 58,332 (0.08) = 4,667 kg

P2 = carga transmitida por ambas patas principales = 92% = 58,332(0.92) = 53,665 kg

DSWL= P2/2 = carga sobre cada pata de una de las ruedas del tren de aterrizaje principal = 92%/2 = 46% = 58,332 (0.46) = 26,833 kg

Ps = presión de los neumáticos= 1.25 MPa (megapascal)

Área de contacto de cada neumático = 1,049 cm2

Distancia entre áreas de contacto de ruedas dobles S = 78 cm

 

Con base en el procedimiento del CBR de los ingenieros del ejército de EU, se elaboró la gráfica de la figura 2 para el cálculo del ACN a partir de determinar el espesor del pavimento, que se puede obtener utilizando la siguiente expresión:

 

t = [(DSWL/C1 CBR) – (DSWL/C2 Ps)]1/2 = [(26,833/0.5695 (6)) – (26,833/32.035(1.25]1/2

=(7853 – 670)1/2 = 85 cm

 

donde:

 

t = espesor del pavimento crítico en cm

C1 = 0.5695; C2 = 32.035 = coeficientes de diseño

 

Diseño del pavimento flexible

 

La OACI elaboró gráficas para tipo de tren de aterrizaje. En este caso, para un CBR = 6 de resistencia baja, y 10,000 coberturas (salidas anuales), siguiendo la secuencia de las flechas de la gráfica para ruedas dobles de la figura 1, se obtiene un espesor total de pavimento de 85 centímetros.

 

El espesor de las demás capas del pavimento se calcula con la misma figura 1, utilizando un CBR = 20 en capa de sub-base, se obtiene un espesor de base y carpeta = 35 cm; como el espesor de la carpeta en zonas críticas indicada en la figura 1 es de 10 cm, la base resulta de 25 cm. Por lo tanto, el espesor de la capa de sub base es de 85 – 35 = 50 cm, estructura que se representa en la figura 5.

 

Con el espesor total del pavimento y el CBR de la subrasante se puede determinar el ACN de la aeronave, que numéricamente es dos veces la carga derivada de una sola rueda (DSWL), de acuerdo con la siguiente expresión:

 

ACN = [(t2/1000)/(0.878/CBR) – 0.01249] = [(852/1000)/(0.878/6) – 0.0129] = 54

 

Con la secuencia indicada por las flechas en la gráfica de la figura 2, para un espesor de pavimento de 85 cm y resistencia baja CBR 6, se obtiene también un ACN = 54

 

Variables que influyen en la determinación del ACN/PCN

 

A continuación se detallan las variables que se utilizaron en la determinación del ACN y el espesor del pavimento.

 

Tipo de tren de aterrizaje

Determina cómo se distribuye el peso de la aeronave en el pavimento, que define la reacción de éste. Se tienen los siguientes:

  • Aeronaves de tren simple. No requieren ninguna hipótesis especial
  • Aeronaves de ruedas gemelas. Se consideran 0.51 m de separación entre centros del eje de los neumáticos (S) para aeronaves ligeras y 0.86 m de separación entre el eje de los neumáticos para aeronaves pesadas.
  • Aeronaves con bogie de cuatro ruedas. Se consideran 0.51 m de separación entre centros del eje de los neumáticos y un espaciado entre ejes bogie (ST) de 1.14 m para aeronaves ligeras, y 0.76 m de separación entre el eje de los neumáticos y un espaciado entre bogies de 1.40 m para aeronaves pesadas. La distancia entre centros de las ruedas diagonales del bogie se calcula:

 

SD= (S2 + ST2)1/2 (véase figura 3)

 

Peso que transmite la aeronave al pavimento

 

Las cargas estáticas de los aviones se transmiten al pavimento a través del tren de aterrizaje, que consta de dos patas principales y una auxiliar cercana a la proa. La carga transmitida por cada pata depende de la posición del centro de gravedad respecto a los tres puntos de apoyo.

 

PT = P1 + P2 ; P1 L1 = P2 L2; P2 = P1 (L1 /L2)

 

donde:

 

PT= carga máxima

P1 = carga transmitida por la pata auxiliar

P2 = carga transmitida por ambas patas principales

L1 y L2 = distancia medida a lo largo del eje de simetría, desde el centro de gravedad hasta P1 y P2 (véase figura 4)

 

Se considera que la concentración de carga en la rueda de nariz varía de 5 a 10%, y en ambas patas del tren principal, entre el 90 y 95%, por lo que a cada pata corresponde entre 45 y 47.5%, que se distribuye entre su número de ruedas.

 

Volumen de tráfico

 

Con objeto de determinar el tráfico equivalente, se recurre al pronóstico de las operaciones anuales. Para el diseño del pavimento se utiliza el número de operaciones a plena carga o número de pasadas a plena carga, que corresponde al número de despegues o salidas expresado como coberturas, debido a que el peso del aterrizaje es bastante menor que el peso de despegue.

 

Para calcular el tráfico con trenes de aterrizaje diversos a salidas equivalentes, las salidas anuales por tipo de aeronave se multiplican por los siguientes factores:

 

  • De simple a gemelas, 0.8, y a bogie 0.5
  • De doble a simple, 1.3, a bogie y doble bogie, 0.6
  • De bogie a simple, 2.0, y a doble gemelas, 1.7

 

Para calcular las salidas equivalentes, se consideran las características de la mezcla de aeronaves que primordialmente operarán en el aeropuerto:

 

  • B 737 200 (considerado como el avión de diseño): ruedas gemelas, peso máximo de despegue 58,332 kg, carga por rueda 26,833 kg, con 7,420 salidas, que corresponden a 7,420 salidas equivalentes
  • A300 B2: ruedas doble tándem, peso máximo de despegue 142,000 kg, carga por rueda 16,507 kg, con 6,420 salidas. Salidas equivalentes = 6,420 (0.6) (16,507/26,833 kg) = 2,370
  • B 747 100 ruedas bogie; peso máximo de despegue 323,410 kg, carga por rueda = 18,920, con 642 salidas. Salidas equivalentes = 642(0.6)(18,920/26,833 = 272
  • Salidas equivalentes = 7,420 + 2,370 + 272 = 10,062, se considerarán 10,000 coberturas

 

Ponderación de las cargas transmitidas y fatiga del pavimento

 

La resistencia del pavimento se ve afectada por las condiciones en que los aviones transmiten la carga en las diferentes zonas del aeropuerto. En el despegue, la zona sujeta a mayor fatiga es la parte central de la pista; conforme se incrementa la velocidad de la aeronave, la carga transmitida es menor. En el aterrizaje, más allá de los 1,000 metros del umbral de la pista, la carga transmitida es menos marcada, debido a que se reduce por la sustentación de las alas; lo mismo ocurre en las calles de salida rápida, pues por la velocidad a la que sale la aeronave de la pista se tiene menor concentración de carga en comparación con las demás calles de rodaje, donde la aeronave circula a menor velocidad y la carga se concentra más, sobre todo en la plataforma, en la que se tiene la mayor concentración de carga, como se muestra en la figura 5.

 

Para cada una de estas zonas se requiere un determinado PCN. En la plataforma sería el ACN 54 del espesor crítico del pavimento más el 10%, es decir, PCN = 54 (1.1) = 59.4; en la parte central de la pista y calles de rodaje, PCN = 0.8 (54) = 43.2; en los bordes de la pista, PCN = 0.7 (54) = 37.8, y en la cabecera de la pista, PCN = 0.5 (54) = 27 con valores redondeados, como se muestra en la figura 5. Podrán operar en este pavimento todas las aeronaves que tengan un ACN menor a los PCN indicados.

 

En la Publicación de Información Aeronáutica (PIA) se divulgará el valor más crítico de resistencia del pavimento: PCN 60/F/C/Y/T, cuya interpretación sería: número de clasificación PCN 60, pavimento flexible soportado sobre una subrasante de resistencia baja (C), presión de inflado de neumático mediana limitada a 1.25 MPa, sometido a una evaluación técnica T.

 

Se requiere además, para obtener el PCN del pavimento, que los materiales que constituyen su estructura –suelos, arena, graba, asfalto y mezcla asfáltica– cumplan las especificaciones de diseño y construcción internacionales de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (American Society for Testing and Materials, ASTM) y las nacionales de la SCT, mediante las especificaciones establecidas en las normas N-CMT, N-CTR-CAR, N-CSV-CAR y N-LEG, y los manuales M-CAL y M-MMP, con sus números correspondientes.

 

Comentario final

 

Los fabricantes de aviones publican por cada aeronave un manual de operación que contiene un capítulo correspondiente a los pavimentos; se establece que está elaborado con base en lo estipulado por la OACI en los documentos relacionados con los pavimentos.

Captura de pantalla 2020-03-23 a la(s) 20.21.08

Figura 1. Ponderación de la carga transmitida al pavimento y estructura de éste.

Captura de pantalla 2020-03-23 a la(s) 20.21.19

Figura 2. Falla de un pavimento flexible causada por un mal diseño, por una construcción deficiente o por la operación de una aeronave mayor a la de diseño.

 

Fuente: Texto publicado en la Revista Mexicana de la Construcción, febrero de 2020, página de la 42 a la 45.

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