Ingeniería de carreteras

Ingeniería de carreteras es una disciplina de ingeniería derivada de la ingeniería civil que implica la planificación, el diseño, la construcción, la operación y el mantenimiento de carreteras, puentes y túneles para garantizar el transporte seguro y eficaz de personas y mercancías.. La ingeniería de carreteras se hizo prominente hacia la segunda mitad del siglo XX después de la Segunda Guerra Mundial. Los estándares de ingeniería vial se mejoran continuamente. Los ingenieros de carreteras deben tener en cuenta los flujos de tráfico futuros, el diseño de intersecciones/intercambios de carreteras, la alineación y el diseño geométricos, los materiales y el diseño del pavimento de la carretera, el diseño estructural del espesor del pavimento y el mantenimiento del pavimento.

German Autobahn, 1936-1939

Historia

El comienzo de la construcción de carreteras podría datarse en la época de los romanos. Con el avance de la tecnología desde carruajes tirados por dos caballos hasta vehículos con una potencia equivalente a 100 caballos, el desarrollo vial tuvo que seguir su ejemplo. La construcción de carreteras modernas no comenzó hasta finales del siglo XIX y principios del XX.

La primera investigación dedicada a la ingeniería vial se inició en el Reino Unido con la introducción del Laboratorio de Investigación del Transporte (TRL), en 1930. En los EE. UU., la ingeniería vial se convirtió en una disciplina importante con la aprobación de la Federal-Aid Highway Ley de 1944, cuyo objetivo era conectar el 90% de las ciudades con una población de 50.000 habitantes o más. Con el estrés constante de los vehículos que crecían con el paso del tiempo, se necesitaban mejoras en los pavimentos. Con la tecnología obsoleta, en 1958 la construcción de la primera autopista en Gran Bretaña (la circunvalación de Preston) desempeñó un papel importante en el desarrollo de nuevas tecnologías de pavimentación.

Planificación y desarrollo

La planificación de carreteras implica la estimación de los volúmenes de tráfico actuales y futuros en una red de carreteras. La planificación de la Carretera es también una necesidad básica para el desarrollo de la Carretera. Los ingenieros de carreteras se esfuerzan por predecir y analizar todos los posibles impactos civiles de los sistemas de carreteras. Algunas consideraciones son los efectos adversos sobre el medio ambiente, como la contaminación acústica, la contaminación del aire, la contaminación del agua y otros impactos ecológicos.

Financiación

Los países desarrollados se enfrentan constantemente a los altos costos de mantenimiento de las carreteras de transporte envejecidas. El crecimiento de la industria de vehículos automotores y el crecimiento económico que la acompaña ha generado una demanda de carreteras más seguras, de mejor rendimiento y menos congestionadas. El crecimiento del comercio, las instituciones educativas, la vivienda y la defensa se han basado en gran medida en los presupuestos gubernamentales en el pasado, lo que hace que el financiamiento de las carreteras públicas sea un desafío.

Las características multipropósito de las carreteras, el entorno económico y los avances en la tecnología de tarificación de carreteras cambian constantemente. Por lo tanto, los enfoques para el financiamiento, la gestión y el mantenimiento de las carreteras también cambian constantemente.

Evaluación de impacto ambiental

El crecimiento económico de una comunidad depende del desarrollo de carreteras para mejorar la movilidad. Sin embargo, las carreteras mal planificadas, diseñadas, construidas y mantenidas pueden perturbar las características sociales y económicas de una comunidad de cualquier tamaño. Los impactos adversos comunes al desarrollo de carreteras incluyen el daño del hábitat y la biodiversidad, la creación de contaminación del aire y el agua, la generación de ruido y vibraciones, el daño del paisaje natural y la destrucción de la estructura social y cultural de una comunidad. La infraestructura vial debe construirse y mantenerse con calidades y estándares elevados.

Hay tres pasos clave para integrar las consideraciones ambientales en la planificación, programación, construcción y mantenimiento de carreteras. Este proceso se conoce como Evaluación de Impacto Ambiental, o EIA, ya que aborda sistemáticamente los siguientes elementos:

• Determinación de toda la gama de posibles repercusiones en el medio natural y socioeconómico
• Evaluación y cuantificación de esos efectos
• Formulación de medidas para evitar, mitigar y compensar los efectos previstos.

Seguridad vial

Los sistemas de carreteras generan el precio más alto en lesiones y muertes humanas, ya que casi 50 millones de personas resultan lesionadas en accidentes de tráfico cada año, sin incluir los 1,2 millones de muertes. Los traumatismos causados por el tránsito son la principal causa única de muerte no intencional en las primeras cinco décadas de la vida humana.

La gestión de la seguridad es un proceso sistemático que busca reducir la ocurrencia y la gravedad de los accidentes de tránsito. La interacción hombre/máquina con los sistemas de tráfico vial es inestable y plantea un desafío para la gestión de la seguridad vial. La clave para aumentar la seguridad de los sistemas de carreteras es diseñarlos, construirlos y mantenerlos para que sean mucho más tolerantes con el rango promedio de esta interacción hombre/máquina con las carreteras. Los avances tecnológicos en la ingeniería vial han mejorado los métodos de diseño, construcción y mantenimiento utilizados a lo largo de los años. Estos avances han permitido nuevas innovaciones en seguridad vial.

Al garantizar que todas las situaciones y oportunidades se identifiquen, consideren e implementen según corresponda, se pueden evaluar en cada fase de planificación, diseño, construcción, mantenimiento y operación de carreteras para aumentar la seguridad de nuestros sistemas de carreteras.

Diseño

La ubicación, la alineación y la forma más adecuadas de una carretera se seleccionan durante la etapa de diseño. El diseño de carreteras implica la consideración de tres factores principales (humanos, vehiculares y viales) y cómo estos factores interactúan para proporcionar una carretera segura. Los factores humanos incluyen el tiempo de reacción para frenar y girar, la agudeza visual para las señales y señales de tránsito y el comportamiento de seguimiento del automóvil. Las consideraciones del vehículo incluyen el tamaño y la dinámica del vehículo que son esenciales para determinar el ancho del carril y las pendientes máximas, y para la selección de vehículos de diseño. Los ingenieros de carreteras diseñan la geometría de las carreteras para garantizar la estabilidad de los vehículos al negociar curvas y pendientes y para proporcionar distancias de visibilidad adecuadas para realizar maniobras de adelantamiento a lo largo de las curvas en carreteras de dos carriles y dos sentidos.

Diseño geométrico

Los ingenieros de carreteras y transporte deben cumplir con muchos estándares de seguridad, servicio y rendimiento cuando diseñan carreteras para una determinada topografía del sitio. El diseño geométrico de carreteras se refiere principalmente a los elementos visibles de las carreteras. Los ingenieros viales que diseñan la geometría de las carreteras también deben considerar los efectos ambientales y sociales del diseño en la infraestructura circundante.

Hay ciertas consideraciones que deben abordarse adecuadamente en el proceso de diseño para adaptar con éxito una carretera a la topografía de un sitio y mantener su seguridad. Algunas de estas consideraciones de diseño son:

• Velocidad de diseño
• Volumen de tráfico de diseño
• Número de carriles
• Nivel de servicio (LOS)
• Distancia de la vista
• Alineación, super-elevación y grados
• Sección transversal
• Ancho de carril
• Manómetro de estructura, Limpieza horizontal y vertical

El rendimiento operativo de una carretera se puede ver a través de los controladores & # 39; reacciones a las consideraciones de diseño y su interacción.

Materiales

Los materiales utilizados para la construcción de carreteras han progresado con el tiempo, desde los primeros días del Imperio Romano. Los avances en los métodos con los que estos materiales se caracterizan y aplican al diseño estructural de pavimentos han acompañado este avance en los materiales.

Hay tres tipos principales de superficies de pavimento: hormigón de calidad de pavimento (PQC), hormigón de cemento Portland (PCC) y mezcla asfáltica en caliente (HMA). Debajo de esta capa de rodadura hay capas de material que dan soporte estructural al sistema de pavimento. Estas superficies subyacentes pueden incluir las capas base y subbase de agregados, o las capas base y subbase tratadas y, además, la subrasante natural o tratada subyacente. Estas capas tratadas pueden ser tratadas con cemento, asfalto o cal para soporte adicional. Nuevo material

Diseño de pavimento flexible

Un pavimento flexible, asfáltico o asfaltado normalmente consta de tres o cuatro capas. Para un pavimento flexible de cuatro capas, hay una capa superficial, una base y una subbase construidas sobre una subrasante de suelo natural compactado. Cuando se construye un pavimento flexible de tres capas, la capa de subbase no se usa y la capa base se coloca directamente sobre la subrasante natural.

La capa superficial de un pavimento flexible se construye con mezcla asfáltica en caliente (HMA). Los agregados no estabilizados generalmente se usan para la capa base; sin embargo, la capa base también podría estabilizarse con asfalto, betún espumado,<reciclaje de piedra caliza> Cemento Portland u otro agente estabilizador. La subbase generalmente se construye con material agregado local, mientras que la parte superior de la subrasante a menudo se estabiliza con cemento o cal.

Con el pavimento flexible, la mayor tensión se produce en la superficie y la tensión disminuye a medida que aumenta la profundidad del pavimento. Por lo tanto, se debe usar material de la más alta calidad para la superficie, mientras que se pueden usar materiales de menor calidad a medida que aumenta la profundidad del pavimento. El término "flexible" se usa debido a la capacidad del asfalto para doblarse y deformarse levemente, y luego volver a su posición original a medida que se aplica y retira cada carga de tráfico. Es posible que estas pequeñas deformaciones se vuelvan permanentes, lo que puede provocar surcos en la trayectoria de la rueda durante un tiempo prolongado.

La vida útil de un pavimento flexible suele estar diseñada en el rango de 20 a 30 años. Los espesores requeridos de cada capa de un pavimento flexible varían ampliamente según los materiales utilizados, la magnitud, el número de repeticiones de las cargas de tráfico, las condiciones ambientales y la vida útil deseada del pavimento. Factores como estos se toman en consideración durante el proceso de diseño para que el pavimento dure la vida útil diseñada sin desgastes excesivos.

Diseño de pavimento rígido

Los pavimentos rígidos se utilizan generalmente en la construcción de aeropuertos y carreteras principales, como las del sistema de carreteras interestatales. Además, comúnmente sirven como losas de piso industrial de servicio pesado, pavimentos de puertos y patios, y pavimentos de terminales o parques de vehículos pesados. Al igual que los pavimentos flexibles, los pavimentos rígidos de las carreteras están diseñados como estructuras duraderas para todo tipo de clima para atender el tráfico de alta velocidad de la actualidad. Al ofrecer superficies de conducción de alta calidad para un viaje vehicular seguro, funcionan como capas estructurales para distribuir las cargas de las ruedas vehiculares de tal manera que las tensiones inducidas transmitidas al suelo de la subrasante sean de magnitudes aceptables.

El hormigón de cemento Portland (PCC) es el material más común utilizado en la construcción de losas de pavimento rígido. La razón de su popularidad se debe a su disponibilidad y la economía. Los pavimentos rígidos deben diseñarse para soportar cargas de tráfico repetidas con frecuencia. La vida útil de diseño típica de un pavimento rígido es de entre 30 y 40 años, y dura aproximadamente el doble que un pavimento flexible.

Una de las principales consideraciones de diseño de los pavimentos rígidos es reducir la falla por fatiga debido a las tensiones repetidas del tráfico. La falla por fatiga es común entre las carreteras principales porque una carretera típica experimentará millones de pasadas de ruedas a lo largo de su vida útil. Además de los criterios de diseño, como las cargas de tráfico, también se deben tener en cuenta las tensiones de tracción debidas a la energía térmica. A medida que ha progresado el diseño del pavimento, muchos ingenieros de carreteras han notado que las tensiones inducidas térmicamente en los pavimentos rígidos pueden ser tan intensas como las impuestas por las cargas de las ruedas. Debido a la resistencia a la tracción relativamente baja del hormigón, las tensiones térmicas son extremadamente importantes para las consideraciones de diseño de pavimentos rígidos.

Los pavimentos rígidos generalmente se construyen en tres capas: una subrasante preparada, una base o subbase y una losa de concreto. La losa de hormigón se construye de acuerdo con una elección de diseño de dimensiones en planta para los paneles de la losa, lo que influye directamente en la intensidad de las tensiones térmicas que se producen en el pavimento. Además de los paneles de la losa, se deben diseñar refuerzos térmicos para controlar el comportamiento de fisuración de la losa. El espacio entre juntas está determinado por las dimensiones del panel de la losa.

Los tres tipos principales de pavimentos de hormigón que se utilizan comúnmente son el pavimento de hormigón simple articulado (JPCP), el pavimento de hormigón armado articulado (JRCP) y los pavimentos de hormigón reforzado continuo (CRCP). Los JPCP se construyen con juntas de contracción que dirigen el agrietamiento natural del pavimento. Estos pavimentos no utilizan acero de refuerzo. Los JRCP se construyen con juntas de contracción y acero de refuerzo para controlar el agrietamiento del pavimento. Las altas temperaturas y el estrés por humedad dentro del pavimento crean grietas, que el acero de refuerzo mantiene firmemente unidas. En las juntas transversales, generalmente se colocan pasadores para ayudar a transferir la carga del vehículo a través de la fisura. Los CRCP se basan únicamente en acero de refuerzo continuo para mantener unidas las grietas transversales naturales del pavimento. Los pavimentos de hormigón pretensado también se han utilizado en la construcción de carreteras; sin embargo, no son tan comunes como los otros tres. Los pavimentos pretensados permiten un espesor de losa más delgado al neutralizar parcial o totalmente las tensiones o cargas inducidas térmicamente.

Diseño de superposición de pavimento flexible

Durante la vida útil de un pavimento flexible, las cargas de tráfico acumuladas pueden causar surcos o grietas excesivos, una calidad de marcha inadecuada o una resistencia al deslizamiento inadecuada. Estos problemas se pueden evitar manteniendo adecuadamente el pavimento, pero la solución generalmente tiene costos de mantenimiento excesivos, o el pavimento puede tener una capacidad estructural inadecuada para las cargas de tráfico proyectadas.

A lo largo de la vida de una carretera, su nivel de servicio se supervisa y mantiene de cerca. Un método común utilizado para mantener el nivel de servicio de una carretera es colocar una superposición en la superficie del pavimento.

Hay tres tipos generales de revestimiento que se utilizan en pavimentos flexibles: revestimiento de asfalto y hormigón, revestimiento de hormigón de cemento Portland y revestimiento de hormigón de cemento Portland ultradelgado. La capa de hormigón en un revestimiento de PCC convencional se coloca sin adherir sobre la superficie flexible. El grosor típico de una superposición de PCC ultradelgada es de 4 pulgadas (10 cm) o menos.

Hay dos categorías principales de procedimientos de diseño de superposición de pavimento flexible:

• Diseño de análisis de componentes
• Diseño basado en la deflexión

Diseño de superposición de pavimento rígido

Cerca del final de la vida útil de un pavimento rígido, se debe tomar la decisión de reconstruir completamente el pavimento desgastado o construir una capa de superposición. Teniendo en cuenta que se puede construir una superposición sobre un pavimento rígido que no ha llegado al final de su vida útil, a menudo es económicamente más atractivo aplicar capas de superposición con mayor frecuencia. El espesor de recubrimiento requerido para un pavimento rígido estructuralmente sólido es mucho menor que para uno que ha llegado al final de su vida útil. Las superposiciones rígidas y flexibles se utilizan para la rehabilitación de pavimentos rígidos como JPCP, JRCP y CRCP.

Hay tres subcategorías de superposiciones de pavimento rígido que se organizan según la condición de adherencia en la superposición del pavimento y la interfaz de losa existente.

• Sobrecargas bonificadas
• Superpuestos no abonados
• Superposiciones parcialmente vinculadas

Diseño del sistema de drenaje

Diseñar para el drenaje adecuado de los sistemas de carreteras es crucial para su éxito. Una carretera debe nivelarse y construirse para que permanezca "alta y seca". Independientemente de qué tan bien se diseñen y construyan otros aspectos de una carretera, el drenaje adecuado es obligatorio para que una carretera sobreviva toda su vida útil. El exceso de agua en la estructura de la carretera puede conducir inevitablemente a una falla prematura, incluso si la falla no es catastrófica.

Cada sistema de drenaje de carretera es específico del sitio y puede ser muy complejo. Dependiendo de la geografía de la región, muchos métodos para un drenaje adecuado pueden no ser aplicables. El ingeniero vial debe determinar en qué situaciones se debe aplicar un proceso de diseño particular, generalmente una combinación de varios métodos y materiales apropiados para alejar el agua de la estructura. El drenaje del subsuelo del pavimento y los drenajes subterráneos ayudan a prolongar la vida útil y proporcionan un rendimiento del pavimento excelente y confiable. La humedad excesiva debajo de un pavimento de concreto puede causar bombeo, agrietamiento y fallas en las juntas.

El control de la erosión es un componente crucial en el diseño de sistemas de drenaje de carreteras. Se debe permitir el drenaje de la superficie para que la precipitación se drene lejos de la estructura. Las carreteras deben diseñarse con una pendiente o corona para que el agua de escorrentía se dirija hacia el arcén de la carretera, hacia una zanja y lejos del sitio. El diseño de un sistema de drenaje requiere la predicción de la escorrentía y la infiltración, el análisis de canales abiertos y el diseño de alcantarillas para dirigir el agua superficial a una ubicación adecuada.

Construcción, mantenimiento y gestión

Construcción de carreteras

La construcción de carreteras suele ir precedida de estudios detallados y preparación de la subrasante. Los métodos y la tecnología para construir carreteras han evolucionado con el tiempo y se han vuelto cada vez más sofisticados. Este avance en la tecnología ha elevado el nivel de habilidades requeridas para administrar proyectos de construcción de carreteras. Esta habilidad varía de un proyecto a otro, dependiendo de factores como la complejidad y la naturaleza del proyecto, los contrastes entre la nueva construcción y la reconstrucción, y las diferencias entre los proyectos de la región urbana y la región rural.

Hay una serie de elementos de construcción de carreteras que se pueden dividir en elementos técnicos y comerciales del sistema. A continuación se enumeran algunos ejemplos de cada uno:

• Elementos técnicos
  • Materiales
  • Calidad del material
  • Técnicas de instalación
  • Tráfico
• Elementos comerciales
  • Comprensión de los contratos
  • Aspectos ambientales
  • Aspectos políticos
  • Aspectos jurídicos
  • Preocupaciones públicas

Por lo general, la construcción comienza en la elevación más baja del sitio, independientemente del tipo de proyecto, y avanza hacia arriba. Mediante la revisión de las especificaciones geotécnicas del proyecto se da información sobre:

• Condiciones de terreno existentes
• Equipo necesario para excavación, clasificación y transporte de materiales hacia y desde el sitio
• Propiedades de materiales a excavar
• Necesidades de deshidratación necesarias para trabajos de categoría inferior
• Requisitos para la protección de la excavación
• Cantidades de agua para compactación y control de polvo

Construcción de la capa de subbase

Una capa de subbase es una capa diseñada con materiales cuidadosamente seleccionados que se ubica entre la subrasante y la capa base del pavimento. El grosor de la subbase generalmente está en el rango de 4 a 16 pulgadas y está diseñado para soportar la capacidad estructural requerida de la sección de pavimento.

Los materiales comunes utilizados para la base de una carretera incluyen grava, piedra triturada o suelo de subrasante estabilizado con cemento, cenizas volantes o cal. Las capas de subbase permeables son cada vez más frecuentes debido a su capacidad para drenar el agua que se infiltra desde la superficie. También evitan que el agua del subsuelo llegue a la superficie del pavimento.

Cuando los costos de los materiales locales son excesivamente elevados o los requisitos de materiales para aumentar el soporte estructural de la subbase no están fácilmente disponibles, los ingenieros de caminos pueden aumentar la capacidad de soporte del suelo subyacente mezclando cemento Portland, espuma de asfalto o utilice polímeros de estabilización del suelo, como polímero acrílico de estireno reticulado, que aumenta la relación de carga de California de los materiales in situ en un factor de 4 a 6.

Construcción de la capa base

La capa base es la región de la sección de pavimento que se ubica directamente debajo de la capa superficial. Si hay una capa de subbase, la capa base se construye directamente sobre esta capa. De lo contrario, se construye directamente sobre la subrasante. El grosor típico de la capa base varía de 4 a 6 pulgadas y se rige por las propiedades de la capa subyacente.

Se aplican continuamente cargas pesadas a las superficies del pavimento, y la capa base absorbe la mayoría de estas tensiones. Generalmente, la capa de base se construye con un agregado triturado sin tratar, como piedra triturada, escoria o grava. El material de la capa base tendrá estabilidad bajo el tránsito de la construcción y buenas características de drenaje.

Los materiales de la capa base a menudo se tratan con cemento, betún, cloruro de calcio, cloruro de sodio, cenizas volantes o cal. Estos tratamientos brindan un soporte mejorado para cargas pesadas, susceptibilidad a las heladas y sirven como una barrera contra la humedad entre la base y las capas superficiales.

Construcción de capa superficial

Hay dos tipos de superficies de pavimento que se utilizan con más frecuencia en la construcción de carreteras: asfalto de mezcla en caliente y hormigón de cemento Portland. Estas capas superficiales de pavimento brindan una superficie suave y segura para transitar, mientras que simultáneamente transfieren las cargas pesadas del tráfico a través de las diversas capas base y hacia los suelos de la subrasante subyacentes.

Capas de mezcla asfáltica en caliente

Las capas de superficie de mezcla asfáltica en caliente se conocen como pavimentos flexibles. El sistema Superpave se desarrolló a fines de la década de 1980 y ha ofrecido cambios en el enfoque de diseño, el diseño de la mezcla, las especificaciones y las pruebas de calidad de los materiales.

La construcción de un pavimento asfáltico efectivo y duradero requiere un equipo de construcción experimentado, comprometido con la calidad de su trabajo y el control del equipo.

Problemas de construcción:

• Asphalt mix segregation
• Laydown
• Compactación
• Juntas

Una capa de imprimación es un asfalto de baja viscosidad que se aplica a la capa base antes de colocar la capa de superficie HMA. Esta capa une el material suelto, creando una capa cohesiva entre la capa base y la superficie de asfalto.

Una capa de adherencia es una emulsión de asfalto de baja viscosidad que se utiliza para crear una unión entre una superficie de pavimento existente y una nueva capa de asfalto. Las capas de adherencia generalmente se aplican en pavimentos adyacentes (bordillos) para ayudar a la unión del HMA y el concreto.

Hormigón de cemento Portland (PCC)

Las capas superficiales de hormigón de cemento Portland se denominan pavimentos rígidos o pavimentos de hormigón. Hay tres clasificaciones generales de pavimentos de concreto: lisos con juntas, reforzados con juntas y reforzados continuamente.

Las cargas de tráfico se transfieren entre secciones cuando los agregados más grandes en el PCC se mezclan entre sí, o mediante dispositivos de transferencia de carga en las juntas transversales de la superficie. Las barras de pasador se utilizan como dispositivos de transferencia de carga para transferir cargas de manera eficiente a través de juntas transversales mientras se mantiene la alineación horizontal y vertical de la junta. Los tirantes son barras de acero deformadas que se colocan a lo largo de las juntas longitudinales para mantener las secciones de pavimento adyacentes en su lugar.

Mantenimiento de carreteras

El objetivo general del mantenimiento de las carreteras es corregir los defectos y preservar la estructura y el servicio del pavimento. Los defectos deben definirse, comprenderse y registrarse para crear un plan de mantenimiento apropiado. La planificación del mantenimiento está resolviendo un problema de optimización y puede ser predictivo. En la planificación del mantenimiento predictivo, los métodos empíricos basados en datos dan resultados más precisos que los modelos mecánicos. Los defectos difieren entre pavimentos flexibles y rígidos.

Hay cuatro objetivos principales del mantenimiento de carreteras:

• reparación de defectos de pavimento funcional
• prolongar la vida útil funcional y estructural del pavimento
• mantenimiento de seguridad vial y señalización
• mantener la reserva de carretera en condiciones aceptables

A través de prácticas de mantenimiento de rutina, los sistemas de carreteras y todos sus componentes se pueden mantener en su estado original tal como fueron construidos.

Gestión de proyectos

La gestión de proyectos implica la organización y estructuración de las actividades del proyecto desde su inicio hasta su finalización. Las actividades pueden ser la construcción de infraestructura como carreteras y puentes o actividades de mantenimiento mayores y menores relacionadas con la construcción de dicha infraestructura. Todo el proyecto y las actividades involucradas deben manejarse de manera profesional y completarse dentro de los plazos y el presupuesto. Además, minimizar los impactos sociales y ambientales es esencial para una gestión de proyectos exitosa.

Enlaces externos: estándares de diseño de carreteras