Pavimentos rígidos para aeropuertos

Demetrio Galíndez López

Ingeniero civil. Docente e investigador del IPN ESIA-UZ.

 

En el presente artículo se muestra de qué manera se ha de implementar el método ACN-PCN con pavimentos rígidos, mediante el desarrollo detallado de una ejemplificación, con la finalidad de obtener pavimentos de resistencia y composición adecuadas para la operación en pistas de aterrizaje.

 

La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), organismo especializado de la Organización de las Naciones Unidas (ONU), establece procedimientos internacionales que deben ser acatados por los países miembros, para que en sus respectivos aeropuertos se realicen operaciones aeronáuticas seguras, cómodas y económicas. Para ordenar las normas y los métodos recomendados, la OACI integró el Convenio sobre Aviación Civil Internacional (también llamado Convenio de Chicago, por el lugar en que se firmó el documento original).

 

En éste, se tratan desde generalidades hasta aspectos minuciosos como letreros, ayudas visuales, sistemas eléctricos, instalaciones, mantenimiento, etcétera. Respecto de las condiciones que deben cumplir los aeródromos, específicamente sobre su diseño y sus operaciones, el Anexo 14 abunda en el tipo de materiales que aseguran pistas adecuadamente pavimentadas, requeridas para que las llegadas y salidas (despegues y aterrizajes) de las aeronaves sean realizadas con éxito.

 

Para determinar la resistencia de los pavimentos y garantizar que éstos tendrán la necesaria para soportar la operación y los efectos de las condiciones climáticas, la OACI ha implementado un método que consiste en clasificar las aeronaves y los pavimentos. Se consideran, pues, dos datos: de un lado, el número de clasificación de aeronaves (ACN, por aircraft classification number), número que indica el efecto relativo de una aeronave sobre un pavimento para determinada resistencia normalizada del terreno de fundación; de otro lado, el número de clasificación de pavimentos (PCN, por pavement classification number), número que indica la resistencia de un pavimento para utilizarlo sin restricciones. De manera abreviada, se le llama método ACN-PCN.

 

Asimismo el organismo ha clasificado el comportamiento del pavimento como equivalente a una construcción rígida o flexible, identificando el tipo flexible con la clave F y el tipo rígido con la clave R. El presente artículo muestra de qué manera se ha de implementar el método ACN-PCN con pavimentos rígidos, mediante el desarrollo detallado de una ejemplificación, con la finalidad de obtener pavimentos de resistencia y composición adecuadas para la operación en pistas de aterrizaje.

 

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, y soporta el volumen del tráfico, su concentración en ciertas zonas y los efectos nocivos de las condiciones climáticas. Al igual que el flexible, el pavimento rígido consiste en una estructura que distribuye las cargas en el terreno de fundación, pero se caracteriza por tener como revestimiento una losa de concreto de cemento Pórtland de resistencia a la flexión relativamente elevada. Entiéndase por dicho concreto una mezcla de áridos graduados con cemento Pórtland y agua, lo que en las pistas corresponde a la losa de concreto hidráulico.

 

Uso del método ACN-PCN con pavimentos rígidos

El PCN notificado indicará que una aeronave con un ACN igual o inferior al PCN notificado puede operar sobre ese pavimento. Siendo así, para determinar la resistencia de pavimentos rígidos en pistas de aterrizaje, tipo identificado con la clave R, primero se debe considerar el ACN de la aeronave más crítica y convertirlo en un PCN equivalente; después, notificar el PCN como la clasificación por carga de su pavimento, en una escala continua que parte del cero en su extremo inferior y no tiene límite superior. Los elementos que es necesario considerar en esta conversión son: la resistencia de la subrasante, la categoría de presión máxima permisible de los neumáticos y el método de evaluación.

 

Resistencia de la subrasante

Para los pavimentos rígidos, se tienen diferentes valores de resistencia K. Éstos son:

  • Resistencia alta: K = 150 MN/m3; comprende todos los valores de K superiores a 120 MN/m3. Clave A
  • Resistencia mediana: K = 80 MN/m3; comprende todos los valores de K entre 60 y 120MN/m3. Clave B
  • Resistencia baja: K = 40 MN/m3; comprende todos los valores de K entre 25 y 60 MN/m3. Clave C
  • Resistencia ultra baja: K = 20 MN/m3; comprende todos los valores de K inferiores a 25 MN/m3. Clave D

 

Presión de los neumáticos

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:

  1. Evaluación técnica (clave T): consiste en un estudio específico de las características de los pavimentos y en la aplicación de tecnología del comportamiento de los pavimentos.
  2. Utilización de aeronaves (clave U): comprende el conocimiento del tipo y la masa específicos de las aeronaves que los pavimentos resisten en condiciones normales de empleo.

 

Determinación del ACN para pavimentos rígidos

A continuación, se ejemplifica detalladamente cómo determinar el ACN para pavimentos rígidos, explicando los pasos y exponiendo las variables del proceso. Para dicho efecto, se utiliza la gráfica elaborada por la Asociación de Cemento Pórtland (PCA por su nombre en inglés: Portland Cement Association).

Pártase de que el doble de la carga derivada de la rueda simple (DSWL) es de 1,000 kg para un determinado espesor del pavimento, de 50 cm. Para una subrasante de resistencia mediana clave B con K=78 MN/m3 se se obtiene un ACN de 128, siguiendo el sentido de las flechas de la figura 1.

 

Figura 1. Gráfica para determinar el ACN de aeronaves que operen en pavimentos rígidos.

 

Espesor para el diseño del pavimento

El espesor del pavimento rígido (de 50 cm en esta ejemplificación) es la suma del espesor de la carpeta y del espesor de la subbase, que son las capas que lo componen (véase la figura 5).

 

Figura 5. Sección transversal de la losa y estructura del pavimento hidráulico soportado en una capa subrasante.

 

En este caso, el espesor de la carpeta es de 35 cm de concreto hidráulico, con una resistencia a la flexión de 700 lb/pulg2 (224 MN/m3) y que se soportará sobre una subbase con resistencia K=82 MN/m3. Su medida se obtiene siguiendo la secuencia de las flechas de la figura 2, que corresponde a una aeronave con un tren de aterrizaje de ruedas gemelas; se considera un B737-700, que tiene un peso máximo de despegue de 69,627 kg, pronosticando que se realizarán 6,000 salidas anuales. Por su parte, el espesor de la subbase se obtiene atendiendo a las recomendaciones para aeropuertos de grandes volúmenes de tráfico pesado: 6 pulgadas (15 cm) para evitar la expulsión de lodo, ya que en subbases mayores se corre el riesgo de que el pavimento funcione mal debido a la consolidación producida por los grandes volúmenes de tráfico.

 

Figura 2. Gráfica para determinar el espesor de pavimentos rígidos para aeronaves con trenes de aterrizaje de ruedas dobles.

 

No obstante, hay una variación del espesor en las secciones central y extrema de las losas, que se debe a la ponderación de las cargas transmitidas por las aeronaves, la cual es mayor en la parte central de la pista, como se muestra en la figura 5.

 

Variables en el diseño del pavimento

Al usar la curva de la figura 2, se requiere tener presentes cuatro parámetros: resistencia del concreto hidráulico a la flexión, módulo de resistencia del terreno de fundación K, peso bruto que transmite la aeronave en función del tipo de tren de aterrizaje que lo soporte PT y salidas anuales o coberturas de la misma aeronave o de la mezcla de aeronaves.

 

Resistencia a la flexión

Los pavimentos de concreto hidráulico, bajo las cargas aplicadas por las ruedas, producen esfuerzos de compresión y de flexión. Los esfuerzos de compresión son demasiado pequeños, por lo que no influyen en el espesor de la carpeta. Por su parte, la resistencia a la flexión se determina mediante el módulo de ruptura a los 90 días, que es aproximadamente un 10% mayor el correspondiente a los 28 días, según pruebas de la Sociedad Estadounidense para Pruebas y Materiales (ASTM, por American Society for Testing and Materials).

 

Módulo de resistencia

El módulo de resistencia del terreno de fundación K es una constante elástica del material que soporta el pavimento rígido e indica el valor de resistencia del material de apoyo, determinado por medio de pruebas de placa de 30 pulgadas de diámetro, de acuerdo con el método de Westergaard.

 

Peso bruto

Depende de la disposición del tren de aterrizaje principal (que puede ser tren simple, tren de ruedas gemelas –véase la figura 3– y tren con ruedas bogie) y del peso que éste transmita al pavimento.

 

Figura 3. Esquema del tren de aterrizaje del B-737-700.

 

Respecto al peso transmitido, hay que recordar que las cargas estáticas de los aviones se transfieren al pavimento mediante el tren de aterrizaje (PT), que consta de dos patas principales (P2) y una auxiliar, cercana a la proa (P1) (véase figura 4). Se considera una concentración de carga en la rueda de nariz (P1) de 5 a 10%, y en ambas patas del tren principal (P2) entre el 90 y 95%, por lo que a cada pata corresponde entre el 45 y el 47.5%, que se distribuye entre su número de ruedas.

 

Figura 4. Cargas transmitidas por el tren de aterrizaje del B-737-700 al pavimento.

 

En el presente ejemplo, el espesor del pavimento se determinó con el B737-700, cuya masa total es de 69,627 kg y cuya disposición del tren de aterrizaje es de ruedas gemelas o dobles; la carga sobre cada pata de una de las ruedas del tren de aterrizaje principal es de 32,376 kilogramos.

 

Salidas anuales o coberturas

Para determinar el tráfico futuro se utiliza el término “cobertura”. Con éste, se indica que todos los puntos dentro de un carril de tráfico se han sujetado a un esfuerzo máximo por los aviones, teniendo en cuenta el número de operaciones a plena carga (número de despegues o número de pasadas a plena carga), debido a que el peso del aterrizaje es menor que el peso de despegue. Las salidas anuales de las mezclas de aeronaves con distintos trenes de aterrizaje, que transmiten diferentes pesos al pavimento, se uniforman al mismo tren de aterrizaje multiplicando los siguientes factores de conversión:

  • de rueda simple a ruedas gemelas, por 0.8; a bogie, por 0.5
  • de ruedas gemelas a bogie, por 0.6; a simples, por 1.3
  • de bogie a ruedas simples, por 2; a ruedas gemelas, por 1.7

 

Las salidas de la mezcla de aeronaves a operar se convierten al tren de aterrizaje doble del B737-700. De éste, se consideran 4,840 salidas anuales, atendiendo a los incisos a, b y c.

  1. A 330 200: ruedas doble tándem, peso máximo de despegue 142,000 kg, carga por rueda 20,080 kg, con 2,740 salidas. Salidas equivalentes: 2,740(0.6) (20,080/32,377kg) = 1,020.
  2. B 747 400 ruedas bogie múltiples; peso máximo de despegue 364,250 kg, carga por rueda 21,563, con 534 salidas. Salidas equivalentes: 534(0.6)(21,563/32,377) = 214
  3. Total de salidas equivalentes: 4,840 + 1,020 + 214 = 6,074; se considerarán 6,000 coberturas, valor con el que se calculó el espesor de la carpeta.

 

Distribución de cargas y fatiga del pavimento

La resistencia del pavimento también se ve afectada por las condiciones en que los aviones transmiten la carga a las pistas. Durante el despegue es mayor la carga transmitida a la parte central de la pista; durante el aterrizaje la carga se concentra más en el centro que en los hombros de la pista. Debido a esto, el espesor de losa de concreto hidráulico de 35 cm, que se obtuvo en la figura 2, se pone a lo largo de los 30 metros de las dos fajas centrales, y se puede poner un espesor de 30 cm de losa en las fajas extremas de 7.5 m, que están en los hombros de la pista, como se muestra en la figura 5.

La falla por fatiga debida a la flexión ocurre cuando el material se rompe bajo el efecto de las repeticiones continuas de las cargas, producidas por los esfuerzos de flexión menores a la unidad. Al disminuir las relaciones entre los esfuerzos de flexión y el módulo de ruptura, la posibilidad de falla aumenta (véase la figura 6).

 

Figura 6. Falla en pavimentos rígidos para aeropuertos.

 

En el diseño y construcción de los pavimentos rígidos se debe tener presente la función que desempeñan las juntas entre las losas. Éstas controlan la transferencia de cargas de los aviones y el agrietamiento provocado por contracciones y por el alabeo. Asimismo, dividen el pavimento en porciones adecuadas para su construcción y permiten los movimientos de losas en las intersecciones con otros pavimentos o estructuras. Hay de dos tipos: juntas longitudinales y juntas de contracción. Las primeras son paralelas a los carriles de construcción; su separación depende del equipo de construcción usado, de la anchura total del pavimento y del espesor de éste. Las segundas controlan la formación de grietas transversales irregulares por la contracción del pavimento y disminuyen los esfuerzos producidos por los cambios de volumen en el concreto.

Finalmente, hay que considerar el cálculo del espesor del concreto armado. El armado mantiene cerradas las grietas que se forman, asegurando la integridad de la estructura y mejorando la función del pavimento. Ya que permite un espaciado mayor entre las juntas, requiere una menor cantidad de éstas, lo cual representa una ventaja en lo que se refiere a costos.

 

Valor del PCN y datos a publicarse en el PIA

El diseño y la construcción del pavimento deben garantizar que se tendrá un PCN suficiente para soportar el peso y demás efectos de operación en las pistas de aterrizaje. En este caso, el PCN requerido es de 130; mayor que el ACN calculado, de 128.

En la Publicación de Información Aeronáutica (PIA), se ha de divulgar la resistencia del pavimento correspondiente al aeropuerto: PCN 130/R/B/Y/T. Su interpretación es: número de clasificación de pavimento 130; pavimento de tipo rígido, con clave R; soportado sobre una subrasante de resistencia mediana B, con presión mediana limitada a 1.25 MPa; sometido a una evaluación técnica T.

 

Especificaciones sobre materiales y mezclas

Se requiere, además de este proceso para determinar la resistencia y la composición de pavimentos rígidos, que los materiales y mezclas que constituyan la estructura del pavimento cumplan con las especificaciones de diseño y construcción internacionales de la ASTM y las nacionales de la Secretaría de Comunicaciones y Transportes.

 

Referencia

Organización de Aviación Civil Internacional, OACI (2016). Anexo 14 al Convenio sobre Aviación Civil Internacional: Aeródromos. Volumen I: Diseño y operaciones de aeródromos.

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Figura 1. Gráfica para determinar el ACN de aeronaves que operen en pavimentos rígidos.

2

Figura 2. Gráfica para determinar el espesor de pavimentos rígidos para aeronaves con trenes de aterrizaje de ruedas dobles.

3

Figura 3. Esquema del tren de aterrizaje del B-737-700.

4

Figura 4. Cargas transmitidas por el tren de aterrizaje del B-737-700 al pavimento.

5

Figura 5. Sección transversal de la losa y estructura del pavimento hidráulico soportado en una capa subrasante.

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Figura 6. Falla en pavimentos rígidos para aeropuertos.

 

Texto publicado en la Revista de la CMIC, edición de Feb de 2021 (647), páginas 64-69.

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