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 de transporte de la ingeniería civil y que implica la planificación, diseño, construcción, operación y mantenimiento de carreteras , autopistas , calles , puentes y túneles. para garantizar un transporte seguro y eficaz de personas y mercancías. [1] [2] [3] La ingeniería de carreteras adquirió importancia hacia la segunda mitad del siglo XX, después de la Segunda Guerra Mundial . Los estándares de la 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 inicio de la construcción de la carretera podría remontarse a la época de los romanos. [2] Con el avance de la tecnología desde carruajes tirados por dos caballos hasta vehículos con potencia equivalente a 100 caballos, el desarrollo de carreteras tuvo que seguir su ejemplo. La construcción de carreteras 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 Laboratorio de Investigación del Transporte (TRL), en 1930. [2] En los EE. UU., la ingeniería de carreteras se convirtió en una disciplina importante con la aprobación de la Carretera de Ayuda Federal. Ley de 1944 , que pretendía conectar el 90 % de las ciudades con una población de 50 000 o más. [2] Con el estrés constante de los vehículos que crecían con el paso del tiempo, se necesitaban mejoras en las aceras. Con una 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 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. [3]
Los países desarrollados se enfrentan constantemente a altos costos de mantenimiento de carreteras de transporte envejecidas. El crecimiento de la industria de vehículos de motor y el crecimiento económico que lo 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 la financiación de las vías públicas sea un desafío. [4]
Las características multipropósito de las carreteras, el entorno económico y los avances en la tecnología de fijación de precios de las carreteras cambian constantemente. Por lo tanto, los enfoques para el financiamiento, la gestión y el mantenimiento de las carreteras 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 comunidades de cualquier tamaño. Los impactos adversos comunes al desarrollo de carreteras incluyen daños al hábitat y a la biodiversidad, creación de contaminación del aire y del agua, generación de ruido y vibraciones, daños al paisaje natural y la destrucción de la estructura social y cultural de una comunidad. La infraestructura vial debe construirse y mantenerse con altas calidades y estándares. [6]
Hay 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]
Los sistemas de carreteras generan el precio más alto en lesiones y muertes humanas, ya que casi 50 millones de personas resultan heridas en accidentes de tráfico cada año, sin incluir 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 ocurrencia y gravedad de los accidentes de tránsito. La interacción hombre/máquina con los sistemas de tráfico rodado 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 al rango promedio de esta interacción hombre/máquina con las carreteras. Los avances tecnológicos en la ingeniería de carreteras 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. [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, diseño, construcción, mantenimiento y operación de carreteras para aumentar la seguridad de nuestros sistemas de carreteras. [3]
La ubicación, alineación y forma más apropiadas de una carretera se seleccionan durante la etapa de diseño. El diseño de carreteras implica la consideración de tres factores principales (humano, vehicular y vial) 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 de tráfico y el comportamiento de seguimiento del automóvil. Las consideraciones sobre los vehículos 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 sortear curvas y pendientes y para proporcionar distancias de visión adecuadas para realizar maniobras de adelantamiento a lo largo de 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 desempeño al diseñar carreteras para determinada topografía del sitio. El diseño geométrico de las carreteras se refiere principalmente a los elementos visibles de las carreteras. Los ingenieros de carreteras que diseñan la geometría de las carreteras también deben considerar los efectos ambientales y sociales del diseño en 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 desempeño operativo de una carretera se puede ver a través de las reacciones de los conductores ante las consideraciones de diseño y su interacción. [9]
Los materiales utilizados para la construcción de carreteras han ido evolucionando con el tiempo, remontándose a los primeros días del Imperio Romano. Los avances en los métodos con los que estos materiales se caracterizan y se aplican al diseño estructural de pavimentos han acompañado este avance en los materiales. [10]
Hay tres tipos principales de superficies de pavimento: concreto de calidad de pavimento (PQC), concreto de cemento Portland (PCC) y asfalto de mezcla 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 ya sea las capas base y subbase agregadas, o las capas 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 asfaltado suele estar formado por tres o cuatro capas. Para un pavimento flexible de cuatro capas, hay una capa de superficie, una capa de 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 mezcla asfáltica en caliente (HMA). Generalmente se utilizan agregados no estabilizados para la capa base; sin embargo, la capa base también podría estabilizarse con asfalto, betún espumado, cemento Portland <Roadstone Recycling> 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]
Con un pavimento flexible, la mayor tensión ocurre en la superficie y la tensión disminuye a medida que aumenta la profundidad del pavimento. Por lo tanto, es necesario utilizar material de la más alta 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 para doblarse y deformarse ligeramente, y luego regresar a su posición original a medida que se aplica y elimina cada carga de tráfico. Es posible que estas pequeñas deformaciones se vuelvan permanentes, lo que puede provocar surcos en la trayectoria de las ruedas durante un tiempo prolongado. [11]
La vida útil de un pavimento flexible suele diseñarse 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 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 problemas excesivos. [11]
Los pavimentos rígidos se utilizan generalmente en la construcción de aeropuertos y carreteras importantes, como las del sistema de carreteras interestatales . Además, comúnmente sirven como losas de pisos industriales 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 y resistentes a todo clima para servir al tráfico de alta velocidad actual. Al ofrecer superficies de conducción de alta calidad para un desplazamiento vehicular seguro, 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 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 de diseño de un pavimento rígido es de entre 30 y 40 años, y dura aproximadamente el doble que la de un pavimento flexible. [12]
Una consideración importante en el diseño de pavimentos rígidos es reducir la falla 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 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 de pavimentos, muchos ingenieros de carreteras han observado que las tensiones inducidas térmicamente en 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 concreto, las tensiones térmicas son extremadamente importantes para las consideraciones de diseño de pavimentos rígidos. [12]
Los pavimentos rígidos generalmente se construyen en tres capas: una subrasante preparada, base o subbase y una losa de concreto. La losa de hormigón se construye según una elección diseñada 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 losa, se deben diseñar refuerzos de temperatura para controlar el comportamiento de fisuración en la losa. El espaciamiento de las juntas está determinado por las dimensiones del panel de la losa. [12]
Los tres tipos principales de pavimentos de hormigón comúnmente utilizados son el pavimento de hormigón plano articulado (JPCP), el pavimento de hormigón armado articulado (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 el estrés por humedad dentro del pavimento crean grietas, que el acero de refuerzo mantiene firmemente unidos. En las juntas transversales, generalmente se colocan pasadores para ayudar a transferir la carga del vehículo a través de la grieta. Los CRCP dependen únicamente de 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. [12]
Durante la vida útil de un pavimento flexible, las cargas de tráfico acumuladas pueden causar surcos o grietas excesivas, una calidad de conducción inadecuada o una resistencia al deslizamiento inadecuada. Estos problemas pueden evitarse manteniendo adecuadamente el pavimento, pero la solución suele tener costos de mantenimiento excesivos, o el pavimento puede tener una capacidad estructural inadecuada para las cargas de tráfico proyectadas. [13]
A lo largo de la vida de una carretera, su nivel de capacidad de servicio se monitorea y mantiene de cerca. Un método común utilizado para mantener el nivel de capacidad de servicio de una carretera es colocar una capa superpuesta sobre la superficie del pavimento. [13]
Hay tres tipos generales de revestimiento que se utilizan en pavimentos flexibles: revestimiento de hormigón asfáltico, revestimiento de hormigón de cemento Portland y revestimiento de hormigón de cemento Portland ultrafino. La capa de hormigón en una capa de PCC convencional se coloca sin adherir sobre la superficie flexible. El espesor típico de una capa de PCC ultrafina es de 4 pulgadas (10 cm) o menos. [13]
Hay dos categorías principales de procedimientos de diseño de superposiciones de pavimentos flexibles: [13]
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 superpuesta. Considerando que se puede construir un refuerzo sobre un pavimento rígido que no ha llegado al final de su vida útil, a menudo resulta más atractivo económicamente aplicar capas de refuerzo con mayor frecuencia. El espesor de capa requerido para un pavimento rígido estructuralmente sano es mucho menor que el de uno que ha llegado al final de su vida útil. Tanto los refuerzos rígidos como los flexibles se utilizan para la rehabilitación de pavimentos rígidos como JPCP, JRCP y CRCP. [14]
Hay tres subcategorías de refuerzos de pavimento rígido que se organizan según la condición de unión en el refuerzo del pavimento y la interfaz de la losa existente. [14]
Diseñar un drenaje adecuado de los sistemas de carreteras es crucial para su éxito. Una carretera debe nivelarse y construirse para que permanezca "alta y seca". [15] Independientemente de qué tan bien estén diseñados y construidos otros aspectos de una carretera, un 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 fallas prematuras, incluso si la falla no es catastrófica. [dieciséis]
Cada sistema de drenaje de carreteras es específico del sitio y puede ser muy complejo. Dependiendo de la geografía de la región, es posible que muchos métodos para un drenaje adecuado no sean 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 desviar el agua de la estructura. [16] El drenaje subterráneo del pavimento y los desagües inferiores ayudan a prolongar la vida útil y a proporcionar un rendimiento excelente y confiable del pavimento. [17] La humedad excesiva debajo de un pavimento de concreto puede causar bombeo, grietas 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 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 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. [dieciséis]
La construcción de carreteras generalmente va precedida de estudios detallados y preparación de la subrasante. [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 en la tecnología 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 las nuevas construcciones y las reconstrucciones, y las diferencias entre los proyectos de las regiones urbana y rural. [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 de ellos:
Normalmente, la construcción comienza en la elevación más baja del sitio, independientemente del tipo de proyecto, y avanza hacia arriba. Al revisar las especificaciones geotécnicas del proyecto se da 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 está en el rango de 4 a 16 pulgadas y está diseñada para soportar la capacidad estructural requerida de la sección de pavimento. [18]
Los materiales comunes utilizados para una subbase de 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 frecuentes 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 materiales locales son excesivamente caros o los requisitos de materiales para aumentar el soporte estructural de la subbase no están fácilmente disponibles, los ingenieros de carreteras pueden aumentar la capacidad de soporte del suelo subyacente mezclando cemento Portland, asfalto espumado o usando suelo polimérico. estabilización como el polímero acrílico de estireno reticulado que aumenta la relación de soporte de California de materiales in situ en un factor de 4 a 6. [19]
La capa 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 base se construye directamente alrededor de esta capa. De lo contrario, se construye directamente sobre la subrasante. El espesor típico de la capa base varía de 4 a 6 pulgadas y se rige por las propiedades de la capa subyacente. [18]
Se aplican cargas pesadas continuamente a las superficies del pavimento y la capa base absorbe la mayoría de estas tensiones. Generalmente, la capa base se construye con agregado triturado sin tratar, como piedra triturada, escoria o grava. El material de la capa base tendrá estabilidad bajo el tráfico de la 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 brindan un mejor soporte para cargas pesadas, susceptibilidad a las heladas y sirven como barrera contra la humedad entre las capas base y superficial. [18]
Hay dos tipos de superficies de pavimento más comúnmente utilizadas en la construcción de carreteras: asfalto mezclado en caliente y concreto de cemento Portland. Estas capas de superficie de pavimento proporcionan una superficie de conducción 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 asfalto de mezcla en caliente se denominan pavimentos flexibles. El sistema Superpave se desarrolló a finales de la década de 1980 y ha ofrecido cambios en el enfoque de diseño, el diseño de mezclas, las especificaciones y las pruebas de calidad de los materiales. [18]
La construcción de un pavimento asfáltico eficaz 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 base es un asfalto de baja viscosidad que se aplica a la capa base antes de colocar la capa superficial HMA. Esta capa une el material suelto, creando 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 adhesivas generalmente se aplican en pavimentos adyacentes (bordillos) para ayudar a la unión del HMA y el concreto. [18]
Las capas de superficie de hormigón de cemento Portland se denominan pavimentos rígidos o pavimentos de hormigón. Hay tres clasificaciones generales de pavimentos de hormigón: lisos con juntas, reforzados con juntas y reforzados continuamente. [18]
Las cargas del tráfico se transfieren entre secciones cuando los agregados más grandes en la mezcla de PCC se entrelazan 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. Las barras de unión son barras de acero deformadas que se colocan a lo largo de juntas longitudinales para mantener en su lugar las secciones de pavimento adyacentes. [18]
El propósito general del mantenimiento de carreteras es reparar defectos y preservar la estructura y capacidad de servicio del pavimento. Los defectos deben definirse, comprenderse y registrarse para crear un plan de mantenimiento adecuado. La planificación del mantenimiento resuelve un problema de optimización y puede ser predictiva. En la planificación empírica del mantenimiento predictivo , los métodos 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:
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. [21]
La gestión de proyectos implica la organización y estructuración de las actividades del proyecto desde su inicio hasta su finalización. Las actividades podrían 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 exitosa del proyecto. [22]
