Modelo de vida útil para pavimentos de aeropuertos
Fernando Varela Soto
Departamento de Ingeniería Civil: Construcción, Infraestructura y Transporte
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civi
Universidad Politécnica de Madrid.
Rosalía Pacheco-Torres
Departamento de Ingeniería Civil: Construcción, Infraestructura y Transporte
Escuela Técnica Superior de Ingeniería Civi
Universidad Politécnica de Madrid.
Mahmoud Al-Khatib
Rauros ZM
INTRODUCCIÓN
La aviación es uno de los principales sectores impulsores de la globalización, moviendo miles de millones de pasajeros al año en sus dos vertientes principales: turismo y negocios. En la actualidad existen alrededor de 42000 aeropuertos construidos. Esta cifra convierte al transporte aéreo en un medio global muy eficiente. La gestión de los activos que componen cada uno de los aeropuertos es una labor necesaria en la que se requiere una coordinación total entre los lados aire (pavimentos, balizamiento, medios auxiliares, etc..) y tierra (Edificio terminal, transporte y distribución de equipaje, etc…).
Son tres los principales factores que influyen en la seguridad de este medio de transporte: el humano, el propio vehículo, y el medio por el que circula (tanto en vuelo como en tierra). El activo principal en la seguridad durante el tránsito en tierra es el pavimento del aeropuerto. Es en éste donde se realizan las dos operaciones de mayor riesgo en un vuelo: aterrizaje y despegue.
La adaptación de los aeródromos y pistas de aterrizaje a las necesidades, vino de la mano de la transformación de las aeronaves en piezas de grandes tonelajes y dimensiones. El repunte de los vuelos comerciales en masa frente a los militares provocó el cambio de diseño tanto de las aeronaves como de los aeródromos, necesitando estos últimos, especialmente las pistas, de una gran capacidad de adecuación frente al flujo incesante de tráfico. La interdependencia de estos dos conceptos es tal, que cualquier modificación de la primera, necesita de la aclimatación y acondicionamiento de la última. Es por esta razón por la que el diseño de los aeropuertos está sujeto a varias normativas y recomendaciones que aconsejan y fijan las condiciones mínimas para el transporte se cumpla de manera segura, eficiente y cómoda.
Las diversas patologías que se pueden observar sobre el pavimento provienen, en la mayoría de los casos, por el efecto de las cargas que producen las ruedas de las aeronaves. Una adecuada gestión de la conservación, a través de la planificación de inspección y mantenimiento, conlleva una considerable mejora de la seguridad para los viajeros y ahorro económico para el ente gestor. La evaluación estructural del pavimento abarca un conjunto de técnicas cuyo objetivo es determinar la capacidad remanente del mismo y es el paso previo para la toma de acciones. Entre estas técnicas, la labor de auscultación es fundamental para la detección de posibles fallos en el pavimento, facilitando además los posibles planes de mantenimiento que se deban realizar en el futuro. Por otro lado, el cálculo de la vida útil del pavimento mediante curvas o modelos evolutivos contribuirá al objetivo de conocer la capacidad del pavimento en función del tráfico, y así poder optimizar la sección en el diseño constructivo.
OBJETIVOS
El presente trabajo profundiza en el desarrollo de un modelo de deterioro para pavimentos flexibles de aeropuertos. A partir de datos de deflexiones obtenidos en diversas campañas de auscultación en pavimentos existentes, se obtienen los valores de módulo de elasticidad de las capas de pavimento mediante retrocálculo. Después, se propone y calibra el modelo evolutivo, aplicando el método de cálculo propuesto por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI). Tomando el índice CDF (Cumulative Damage Factor por sus siglas en inglés) como vector principal, se analiza la sensibilidad del programa oficial de cálculo propuesto por la FAA frente a parámetros influyentes como la configuración del tren de aterrizaje. Finalmente, el modelo propuesto se aplica el caso de estudio de un aeropuerto internacional.
EVALUACIÓN ESTRUCTURAL
La evaluación estructural de los pavimentos aeroportuarios es necesaria para valorar su capacidad de soportar diferentes tipos, pesos y volúmenes de aeronaves que comprenden el tráfico que circula sobre él. Abarca un conjunto de técnicas de auscultación con el objetivo de determinar la capacidad remanente del pavimento, pudiendo ser ensayos destructivos o no destructivos, si no dañan su estructura ni alteran los materiales.
Los ensayos no destructivos (NDT) presentan como principal ventaja la capacidad de recopilar información del pavimento de manera rápida y eficaz, manteniendo a su vez operacional la pista de aterrizaje. Esto es posible debido a la ausencia de sondeos y excavaciones que se realizan normalmente y que tienen a veces consecuencias dañinas sobre el pavimento y las operaciones aeroportuarias. Su bajo coste económico y la capacidad de reunir datos de hasta 250 ubicaciones al día les confieren una gran ventaja frente a otros ensayos, pues las herramientas utilizadas miden la respuesta del pavimento frente a una carga dinámica, simulando dicha carga a la de las ruedas de la aeronave más crítica o pesada. No obstante, existen ciertas limitaciones en este tipo de ensayos. A pesar de ser un método muy eficaz de evaluación del estado estructural del pavimento, se requiere la utilización de otros métodos por parte del ingeniero para evaluar el estado funcional del mismo, como pueden ser la inspección visual o los parámetros de fricción.
La deflexión se puede definir como el desplazamiento vertical de una determinada zona de un pavimento a causa de las cargas a las que se ve sometido, ya sean dinámicas o estáticas. Este dato se puede cuantificar gracias a las herramientas de los equipos que generan una cuenca de deformación, que posteriormente será recogida por los sensores. Los dos ensayos más comunes para realizar estas pruebas son el deflectómetro de impacto (FWD) y el deflectómetro de impacto pesado (HWD), y ambos permiten obtener la respuesta del pavimento frente a una carga dinámica controlada.
Las deflexiones medidas proporcionarán la base para estimar los valores de los módulos elásticos del pavimento mediante el denominado retrocálculo. Se trata de un método basado en la iteración de unos denominados módulos semilla para posteriormente calcular las deflexiones que se producen, y compararlas con las del caso de estudio, y así sucesivamente. La prueba finaliza una vez se obtienen valores muy cercanos a los del caso de análisis o cuando la diferencia se sitúe en el rango de tolerancia.
Los valores de entrada requeridos para poder calcular las deflexiones teóricas incluyen las características del pavimento como su espesor, las cargas, deflexiones y el coeficiente de Poisson.
CASO DE ESTUDIO
El presente caso de estudio tiene como objetivo comprobar y demostrar el modelo de vida útil para el pavimento de la pista de aterrizaje de un aeropuerto internacional situado en el país de México. El tráfico que circula por la pista de aterrizaje consta de las siguientes aeronaves.
Para este estudio, se han empleado como datos de partida los módulos de elasticidad del estado real del pavimento. Estos módulos se han obtenido tras un proceso de retrocálculo de las deflexiones obtenidas con DFW durante los años 2016 y 2018 dentro del plan de conservación y mantenimiento del aeropuerto. La pista de aterrizaje principal, de 2700 m de longitud, se ha subdividido en 3 zonas (A, B y C) para su estudio. La pista es del tipo pavimento flexible, compuesto por una carpeta asfáltica de 31 cm, una base hidráulica de 16 cm, una subbase de 16 cm y finalmente, una subrasante de 19 cm.
Sobre la pista de vuelo, se tomaron datos con FWD sobre cuatro calles imaginarias separadas entre sí y del eje central 7 m de distancia. La medición de la deflexión se realizó cada 25m.
En esta investigación se empleó el software FAARFIELD 1.42 para evaluar la vida útil del pavimento. El software utiliza un método iterativo de para el diseño, siguiendo el procedimiento desarrollado por la Federal Aviation Asociation (FAA) (Federal Aviation Administration, 2017). Una vez conocidos los valores de los módulos elásticos y la composición del tráfico, se procederá a su introducción en el software FAARFIELD, con el objetivo de obtener el CDF del pavimento y posteriormente poder localizar las zonas más afectadas.
RESULTADOS
Resultado del retrocálculo
El módulo elástico efectivo de un material caracteriza la relación entre los esfuerzos y las deformaciones del conjunto del pavimento. Este debe ser análogo a las condiciones existentes de los ensayos no destructivos realizados, obtenidos mediante el proceso de retro cálculo. El conjunto de módulos de cada capa proporcionará, con más o menos exactitud, la misma superficie de deflexiones medidas desde varias distancias del centro de la carga, es decir, cuando se introducen en un software de pavimentos elásticos afín al utilizado en el proceso de retro cálculo. Por otra parte, las propiedades de la capa subrasante se indican mediante el índice CBR. Este es el método más utilizado para la evaluación de la capacidad de resistencia de los materiales de la subrasante, subbase y base.
Para poder trabajar con los módulos de elasticidad como datos de entrada en el software de cálculo, se obtiene el valor de módulo medio por zona. En la tabla 1 se resumen los módulos de elasticidad y CBR para cada zona en los dos años medidos (2016 y 2018).
Cálculo con Faarfield
Se introducen los datos de tráfico en el programa FAARFIELD, estimando un crecimiento anual del 4%. En el apartado de diseño del pavimento, se introducen los datos de estado del pavimento: (i) en un estado inicial con módulos de elasticidad estándar; (ii) en el año 2016 con los resultados del retrocálculo para ese año; (iii) en el año 2018 con los datos correspondientes. Se estima una vida útil del pavimento de 30 años.
Para valorar la contribución de cada aeronave al daño causado, se calcula el índice de Factor de Daño Acumulado (CDF Cumulative Damage Factor). En base a la normativa formulada por la Administración Federal de Aviación (FAA), el CDF se define como la cantidad de fatiga estructural que ha sido absorbida por el pavimento durante su vida útil. En el momento de que CDF tenga un valor de 1, se entiende que el pavimento ha agotado toda la fatiga permitida. Si el número de ciclos operando bajo este estado de cargas es inferior al máximo permitido, no se producirá fallo sino una fracción de daño que se va acumulando (Ruiz Calvo, 2003).
En el gráfico se resume el valor de CDF obtenido en cada sección de la pista de aterrizaje:
Los cálculos con los módulos de elasticidad obtenidos para el año 2018 señalan que todas las zonas de la pista han superado el límite de fatiga permitida. Puede observarse que la zona C de la pista es la más dañada, debido a que gran parte de los despegues se realiza en esta zona.
Una vez conocidas tanto las distintas aeronaves que conforman el tráfico y su contribución al CDF del pavimento, en este apartado se estudiará la sensibilidad del daño en función de la configuración del tren de aterrizaje y del peso total de la aeronave. La configuración del tren de aterrizaje resulta, en muchos casos, un factor determinante para calcular el daño generado sobre el pavimento. La disposición de las ruedas de una aeronave de gran tonelaje conlleva una mayor distribución de cargas sobre un nivel superior de la subrasante. Esto se verá reflejado en el espaciado existente entre configuraciones, es decir, cuanto mayor sea la separación entre configuración de ruedas, menor será el CDF generado por la aeronave, y viceversa (Gholam Ali Shafabakhsh, 2015). Además, el peso bruto de la aeronave por sí solo no constituye un factor efectivo para el cálculo del CDF, pues este valor se debe conjugar con el peso soportado por cada rueda, en función de la configuración del tren de aterrizaje.
Para investigar la interacción entre las cargas de las ruedas y el pavimento, se ha creado dentro del software FAARFIELD un tráfico compuesto por cuatro aeronaves: B747-400 ER y B777-300 ER por un lado; A380 y A340-600 por otro. Para facilitar los posteriores cálculos, se ha insertado el mismo número tanto de despegues anuales (500) como de crecimiento anual (4%). La estructura del pavimento para este estudio será la misma que la del caso del aeropuerto de estudio. Se han escogido estas aeronaves por presentar diferente peso y configuración del tren de aterrizaje.
Con el fin de demostrar que el peso bruto de la aeronave por sí solo no constituye un factor efectivo para el cálculo del CDF, se comparan el peso por rueda de cada aeronave y el daño causado.
La aeronave A340-600 genera mayor CDF a pesar de que ambas tienen un total de 14 ruedas en el tren de aterrizaje, cada una soportando un peso similar. Atendiendo a la configuración de dicho tren de aterrizaje (figura 7) se aprecia cómo el A340-600 cubre mayor superficie con las ruedas que el B77-300, causando así más daño acumulado a lo largo del tiempo.
El B747-400 y el A380 tienen una similar configuración de tren de aterrizaje, si bien el segundo cuenta con cuatros ruedas más. En este caso, esta configuración de más ruedas favorece un mejor reparto de las cargas y un menor CDF acumulado.
CONCLUSIONES
Se ha demostrado, mediante el cálculo de curvas o modelos de evolución de vida útil y apoyados por los estudios de la composición del tráfico y módulos elásticos, que el pavimento ha sufrido una serie de deterioros localizados en zonas específicas que urgen a su reparación.
Los resultados expuestos demuestran que el peso bruto de la aeronave por sí solo no constituye un factor efectivo para el cálculo del CDF, sino, como se indica en el caso de estudio, es el óptimo reparto de dicho peso a la configuración del tren de aterrizaje el que lo determina.
