La ingeniería de carreteras (también conocida como ingeniería de carreteras e ingeniería de calles ) es una disciplina de ingeniería profesional que se deriva de la subdisciplina de ingeniería civil de la ingeniería de transporte que involucra la planificación, diseño, construcción, operación y mantenimiento de carreteras , autopistas , calles , puentes y túneles para garantizar un transporte seguro y efectivo de personas y mercancías. [1] [2] [3] La ingeniería de carreteras se hizo prominente hacia la segunda mitad del siglo XX después de la Segunda Guerra Mundial . Los estándares de ingeniería de carreteras 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 geométrico, los materiales y el diseño del pavimento de la carretera, el diseño estructural del espesor del pavimento y el mantenimiento del pavimento. [1]
El comienzo de la construcción de carreteras se remonta a la época de los romanos. [2] Con el avance de la tecnología, desde los carruajes tirados por dos caballos hasta los vehículos con una potencia equivalente a 100 caballos, el desarrollo de las carreteras tuvo que seguir el mismo camino. La construcción de las autopistas modernas no comenzó hasta finales del siglo XIX y principios del XX. [2]
La primera investigación dedicada a la ingeniería de carreteras se inició en el Reino Unido con la introducción del Transport Research Laboratory (TRL), en 1930. [2] En los EE. UU., la ingeniería de carreteras se convirtió en una disciplina importante con la aprobación de la Ley Federal de Carreteras de 1944 , que tenía como objetivo conectar el 90% de las ciudades con una población de 50.000 o más. [2] Con el estrés constante de los vehículos que se hicieron más grandes 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 ) jugó un papel importante en el desarrollo de nueva tecnología de pavimentos. [2]
La planificación de carreteras implica la estimación de los volúmenes de tráfico actuales y futuros en una red vial . La planificación de carreteras también es una necesidad básica para el desarrollo de las carreteras. 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. [3]
Los países desarrollados se enfrentan constantemente a los altos costos de mantenimiento de las carreteras de transporte antiguas. El crecimiento de la industria automotriz y el crecimiento económico que lo acompaña han 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 financiado en gran medida con presupuestos gubernamentales en el pasado, lo que hace que la financiación de las carreteras públicas sea un desafío. [4]
Las características polivalentes de las autopistas, el entorno económico y los avances en la tecnología de tarificación de las autopistas cambian constantemente. Por lo tanto, los enfoques de financiación, gestión y mantenimiento de las autopistas también cambian constantemente. [5]
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 alterar las características sociales y económicas de una comunidad de cualquier tamaño. Los impactos adversos más comunes del desarrollo de carreteras incluyen el daño al hábitat y la biodiversidad, la creación de contaminación del aire y del agua, la generación de ruido y vibraciones, el daño al paisaje natural y la destrucción de la estructura social y cultural de una comunidad. La infraestructura de carreteras debe construirse y mantenerse con altos estándares y calidades. [6]
Existen tres pasos clave para integrar 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: [6]
Las carreteras son las que generan el mayor costo en términos de lesiones y muertes humanas, ya que casi 50 millones de personas resultan heridas en accidentes de tránsito cada año, sin contar los 1,2 millones de muertes. [7] Las lesiones por accidentes de tránsito son la principal causa de muerte no intencional en las primeras cinco décadas de la vida humana. [8]
La gestión de la seguridad es un proceso sistemático que busca reducir la incidencia y la gravedad de los accidentes de tráfico. La interacción hombre/máquina con los sistemas de tráfico vial es inestable y plantea un desafío a la gestión de la seguridad vial. La clave para aumentar la seguridad de los sistemas viales es diseñarlos, construirlos y mantenerlos de manera que sean mucho más tolerantes al alcance 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 innovaciones más recientes en materia de seguridad vial. [8]
Al garantizar que todas las situaciones y oportunidades se identifiquen, consideren e implementen según corresponda, se pueden evaluar en cada fase de la planificación, el diseño, la construcción, el mantenimiento y la operación de las carreteras para aumentar la seguridad de nuestros sistemas de carreteras. [3]
La ubicación, la alineación y la forma más apropiadas de una carretera se seleccionan durante la etapa de diseño. El diseño de carreteras implica la consideración de tres factores principales (humanos, vehiculares y de la calzada) y cómo estos factores interactúan para proporcionar una carretera segura. Los factores humanos incluyen el tiempo de reacción para frenar y dirigir, la agudeza visual para las señales y semáforos de tránsito y el comportamiento de seguimiento de los automóviles. Las consideraciones sobre el 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 los vehículos de diseño. Los ingenieros de carreteras diseñan la geometría de la carretera para garantizar la estabilidad de los vehículos al negociar curvas y pendientes y para proporcionar distancias de visibilidad adecuadas para realizar maniobras de adelantamiento en las curvas en carreteras de dos carriles y dos sentidos. [3]
Los ingenieros de carreteras y transporte deben cumplir con muchos estándares de seguridad, servicio y rendimiento al diseñar carreteras para determinadas topografías. El diseño geométrico de las carreteras se refiere principalmente a los elementos visibles de las mismas. Los ingenieros de carreteras que diseñan la geometría de las carreteras también deben considerar los efectos ambientales y sociales del diseño sobre la infraestructura circundante. [9]
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: [9]
El rendimiento operativo de una autopista se puede ver a través de las reacciones de los conductores a las consideraciones de diseño y su interacción. [9]
Los materiales utilizados para la construcción de carreteras han evolucionado con el tiempo, desde los primeros tiempos del Imperio Romano. Los avances en los métodos con los que se caracterizan estos materiales y se aplican al diseño estructural del pavimento han acompañado este avance en los materiales. [10]
Existen tres tipos principales de superficies de pavimento: hormigón de calidad para pavimento (PQC), hormigón de cemento Portland (PCC) y asfalto mezclado en caliente (HMA). Debajo de esta capa de rodadura hay capas de material que brindan soporte estructural al sistema de pavimento. Estas superficies subyacentes pueden incluir las capas de base y subbase de agregado, o capas de base y subbase tratadas, y además la subrasante natural o tratada subyacente. Estas capas tratadas pueden estar tratadas con cemento, asfalto o cal para brindar soporte adicional. [10] Nuevo material
Un pavimento flexible, asfáltico o tarmac, consta normalmente de tres o cuatro capas. En el caso de un pavimento flexible de cuatro capas, hay una capa superficial, una capa base y una capa de subbase construidas sobre una subrasante de suelo natural compactado. Cuando se construye un pavimento flexible de tres capas, no se utiliza la capa de subbase y la capa base se coloca directamente sobre la subrasante natural. [11]
La capa superficial de un pavimento flexible se construye con asfalto mezclado en caliente (HMA). Los agregados no estabilizados se utilizan típicamente para la capa base; sin embargo, la capa base también se puede estabilizar con asfalto, betún espumado, 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. [11]
En los pavimentos flexibles, la mayor tensión se produce en la superficie y disminuye a medida que aumenta la profundidad del pavimento. Por lo tanto, se debe utilizar el material de mayor calidad para la superficie, mientras que se pueden utilizar materiales de menor calidad a medida que aumenta la profundidad del pavimento. El término "flexible" se utiliza debido a la capacidad del asfalto de doblarse y deformarse ligeramente, para luego volver a su posición original a medida que se aplica y se retira cada carga de tráfico. Es posible que estas pequeñas deformaciones se vuelvan permanentes, lo que puede provocar la formación de surcos en la trayectoria de las ruedas durante un tiempo prolongado. [11]
La vida útil de un pavimento flexible se diseña típicamente en el rango de 20 a 30 años. [12] Los espesores requeridos de cada capa de un pavimento flexible varían ampliamente dependiendo de los materiales utilizados, la magnitud, el número de repeticiones de 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 deterioro excesivo. [11]
Los pavimentos rígidos se utilizan generalmente en la construcción de aeropuertos y carreteras principales, como las del sistema de carreteras interestatales . Además, suelen servir como losas de suelo industriales de alta resistencia, pavimentos de patios y puertos, y pavimentos de terminales o parques de vehículos pesados. Al igual que los pavimentos flexibles, los pavimentos rígidos para carreteras están diseñados como estructuras duraderas y resistentes a todo tipo de clima para dar servicio al tráfico de alta velocidad actual. Al ofrecer superficies de rodadura de alta calidad para un desplazamiento seguro de los vehículos, funcionan como capas estructurales para distribuir las cargas de las ruedas de los vehículos de tal manera que las tensiones inducidas transmitidas al suelo de la subrasante sean de magnitudes aceptables. [12]
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 economía. Los pavimentos rígidos deben diseñarse para soportar cargas de tráfico repetidas con frecuencia. La vida útil típica diseñada de un pavimento rígido es de entre 30 y 40 años, durando aproximadamente el doble que un pavimento flexible. [12]
Una consideración importante en el diseño de pavimentos rígidos es la reducción de las fallas por fatiga debido a las tensiones repetidas del tráfico. Las fallas por fatiga son comunes en 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 avanzado el diseño de pavimentos, 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 los pavimentos rígidos. [12]
Los pavimentos rígidos se construyen generalmente en tres capas: una subrasante preparada, una base o subbase y una losa de hormigón. 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 dentro del pavimento. Además de los paneles de la losa, se deben diseñar refuerzos térmicos para controlar el comportamiento de agrietamiento en la losa. El espaciamiento de las juntas está determinado por las dimensiones de los paneles de la losa. [12]
Los tres tipos principales de pavimentos de hormigón que se utilizan habitualmente son el pavimento de hormigón simple con juntas (JPCP), el pavimento de hormigón armado con juntas (JRCP) y los pavimentos de hormigón armado continuo (CRCP). Los JPCP se construyen con juntas de contracción que dirigen el agrietamiento natural del pavimento. Estos pavimentos no utilizan ningún 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 las tensiones de humedad dentro del pavimento crean grietas, que el acero de refuerzo mantiene firmemente unidas. En las juntas transversales, normalmente se colocan barras de pasador para ayudar a transferir la carga del vehículo a través de las grietas. Los CRCP dependen únicamente del 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 preesforzados permiten un espesor de losa más delgado al neutralizar parcial o totalmente las tensiones o cargas inducidas térmicamente. [12]
A lo largo de la vida útil de un pavimento flexible, las cargas de tráfico acumuladas pueden provocar una formación excesiva de surcos o grietas, una calidad de rodadura inadecuada o una resistencia al deslizamiento inadecuada. Estos problemas se pueden evitar con un mantenimiento adecuado del pavimento, pero la solución suele tener unos costes de mantenimiento excesivos o el pavimento puede tener una capacidad estructural inadecuada para las cargas de tráfico previstas. [13]
A lo largo de la vida útil de una carretera, su nivel de aptitud para el servicio se controla y mantiene de cerca. Un método común utilizado para mantener el nivel de aptitud para el servicio de una carretera es colocar una capa sobre la superficie del pavimento. [13]
Existen tres tipos generales de revestimientos utilizados en pavimentos flexibles: revestimiento de asfalto y hormigón, revestimiento de hormigón de cemento Portland y revestimiento de hormigón de cemento Portland ultrafino. La capa de hormigón en un revestimiento de PCC convencional se coloca sin adherir sobre la superficie flexible. El espesor típico de un revestimiento de PCC ultrafino es de 4 pulgadas (10 cm) o menos. [13]
Existen dos categorías principales de procedimientos de diseño de superposiciones de pavimento flexible: [13]
Cerca del final de la vida útil de un pavimento rígido, se debe tomar una decisión entre reconstruir completamente el pavimento desgastado o construir una capa de recubrimiento. Considerando que se puede construir una capa de recubrimiento sobre un pavimento rígido que no ha llegado al final de su vida útil, a menudo es más atractivo económicamente aplicar capas de recubrimiento 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. Tanto las capas de recubrimiento rígidas como las flexibles se utilizan para la rehabilitación de pavimentos rígidos como JPCP, JRCP y CRCP. [14]
Hay tres subcategorías de superposiciones de pavimento rígido que se organizan según la condición de unión en la superposición del pavimento y la interfaz de la losa existente. [14]
El diseño de sistemas de carreteras con un drenaje adecuado es crucial para su éxito. Una carretera debe ser nivelada y construida para que permanezca "alta y seca". [15] Independientemente de lo bien que se diseñen y construyan otros aspectos de una carretera, es obligatorio que el drenaje sea adecuado 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. [16]
Cada sistema de drenaje de carreteras es específico del lugar y puede ser muy complejo. Dependiendo de la geografía de la región, muchos métodos para un drenaje adecuado pueden no ser aplicables. El ingeniero de carreteras 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. [16] El drenaje del subsuelo y los desagües inferiores del pavimento ayudan a proporcionar una vida útil prolongada y un rendimiento excelente y confiable del pavimento. [17] La humedad excesiva debajo de un pavimento de hormigón puede provocar bombeo, agrietamiento y falla de las juntas.
El control de la erosión es un componente crucial en el diseño de los sistemas de drenaje de las carreteras. Se debe permitir el drenaje superficial para que la precipitación se escurra lejos de la estructura. Las carreteras deben diseñarse con una pendiente o corona de modo que el agua de escorrentía se dirija hacia el arcén de la carretera, hacia una zanja y fuera 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. [16]
La construcción de carreteras suele ir precedida de estudios detallados y preparación del subsuelo. [3] Los métodos y la tecnología para la construcción de carreteras han evolucionado con el tiempo y se han vuelto cada vez más sofisticados. Este avance tecnológico ha elevado el nivel de habilidades necesarias para gestionar 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 proyectos en regiones urbanas y rurales. [18]
Hay una serie de elementos de la construcción de carreteras que pueden dividirse en elementos técnicos y comerciales del sistema. [18] A continuación se enumeran algunos ejemplos de cada uno:
Por lo general, la construcción comienza en la cota más baja del sitio, independientemente del tipo de proyecto, y avanza hacia arriba. Al revisar las especificaciones geotécnicas del proyecto, se brinda información sobre: [18]
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 espesor de la subbase generalmente oscila entre 4 y 16 pulgadas y está diseñada para soportar la capacidad estructural requerida de la sección del pavimento. [18]
Los materiales más comunes que se utilizan para la subbase de una carretera incluyen grava, piedra triturada o tierra de subrasante estabilizada con cemento, cenizas volantes o cal. Las capas de subbase permeables son cada vez más comunes debido a su capacidad para drenar el agua que se infiltra desde la superficie. También evitan que el agua subterránea llegue a la superficie del pavimento. [18]
Cuando los costos de los materiales locales son excesivamente caros o los requisitos de materiales para aumentar la capacidad de carga estructural de la subbase no están fácilmente disponibles, los ingenieros de carreteras pueden aumentar la capacidad de carga del suelo subyacente mezclando cemento Portland, asfalto espumado o usar estabilización de suelo con polímeros , 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. [19]
La capa de base es la región de la sección del pavimento que se encuentra directamente debajo de la capa superficial. Si hay una capa de subbase, la capa de base se construye directamente sobre esta capa. De lo contrario, se construye directamente sobre la subrasante. El espesor típico de la capa de base varía de 4 a 6 pulgadas y se rige por las propiedades de la capa subyacente. [18]
Las superficies del pavimento están sometidas a cargas pesadas de forma continua y la capa base absorbe la mayor parte de estas tensiones. Generalmente, la capa 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 tráfico de construcción y buenas características de drenaje. [18]
Los materiales de la capa base suelen tratarse con cemento, betún, cloruro de calcio, cloruro de sodio, cenizas volantes o cal. Estos tratamientos proporcionan un mejor soporte para cargas pesadas, resistencia a las heladas y sirven como barrera contra la humedad entre la capa base y la capa superficial. [18]
Existen dos tipos de superficies de pavimento que se utilizan con mayor frecuencia en la construcción de carreteras: asfalto mezclado en caliente y hormigón de cemento Portland. Estas capas de pavimento proporcionan una superficie de circulación suave y segura, al mismo tiempo que transfieren las cargas de tráfico pesado a través de las distintas capas de base y hacia los suelos de subrasante subyacentes. [18]
Las capas de superficie de asfalto mezclado en caliente se denominan 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. [18]
La construcción de un pavimento asfáltico efectivo y duradero requiere de un equipo de construcción experimentado, comprometido con la calidad de su trabajo y el control de los equipos. [18]
Problemas de construcción:
Una capa de imprimación es un asfalto de baja viscosidad que se aplica a la capa base antes de colocar la capa de superficie de HMA. Esta capa une el material suelto y crea una capa cohesiva entre la capa base y la superficie del asfalto. [18]
Una capa de adherencia es una emulsión asfáltica 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 se aplican normalmente sobre pavimentos adyacentes (bordillos) para facilitar la unión del HMA y el hormigón. [18]
Las capas de superficie de hormigón de cemento Portland se denominan pavimentos rígidos o pavimentos de hormigón. Existen tres clasificaciones generales de pavimentos de hormigón: pavimentos lisos con juntas, pavimentos reforzados con juntas y pavimentos reforzados de forma continua. [18]
Las cargas de tráfico se transfieren entre secciones cuando los agregados más grandes en la mezcla de PCC se entrelazan entre sí, o a través de 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 las juntas transversales mientras se mantiene la alineación horizontal y vertical de la junta. Las barras de unión 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. [18]
El objetivo general del mantenimiento de carreteras es reparar los defectos y preservar la estructura y la capacidad de servicio del pavimento. Los defectos deben definirse, comprenderse y registrarse para crear un plan de mantenimiento adecuado. La planificación del mantenimiento consiste en resolver un problema de optimización y puede ser predictiva. En la planificación del mantenimiento predictivo , los métodos empíricos basados en datos dan resultados más precisos que los modelos mecánicos. [20] Los defectos difieren entre pavimentos flexibles y rígidos. [21]
Hay cuatro objetivos principales del mantenimiento de carreteras:
Mediante prácticas de mantenimiento de rutina, los sistemas de carreteras y todos sus componentes pueden conservar su condición original, tal como fueron construidos. [21]
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 infraestructuras, como carreteras y puentes, o actividades de mantenimiento mayores y menores relacionadas con la construcción de dichas infraestructuras. Todo el proyecto y las actividades involucradas deben gestionarse 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. [22]
