ANEJO 2
CRITERIOS A TENER EN CUENTA PARA EL ESTUDIO DE LAS ACTUACIONES PREVENTIVAS (*)

(*) Nota técnica nº2 de la IIª Convención COEX (mayo 1995) revisada por la Subdirección General de Conservación y Explotación para incluir como anejo a la Orden Circular 323/97 T

1. CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE PREVENCIÓN Y REFUERZO DE FIRMES

Los firmes son estructuras que se agotan por fatiga, produciéndose su rotura cuando han sufrido la acción de un número elevado de repeticiones de cargas -transmitidas por las ruedas de los vehículos, fundamentalmente las de los vehículos pesados- que de forma individual no les producen prácticamente ningún daño.

El número de repeticiones de carga que es capaz de soportar el firme antes de romperse depende -entre otros factores- de su espesor. Por tanto, a mayor espesor más tiempo tarda en romperse, a igualdad de los demás factores.

Esto es así dado que los criterios de rotura que se consideran habitualmente para los firmes están relacionados con:

• la deformación unitaria en la fibra inferior de las capas de mezcla asfáltica
• la tensión de tracción en la fibra inferior de las capas tratadas con cemento
• la deformación vertical de las capas granulares y suelos

y estas tensiones y deformaciones son menores cuanto mayor es el espesor del firme. Por tanto, de acuerdo con las leyes que rigen la fatiga de los materiales, cuanto más bajo sea el nivel de la tensión aplicada en cada ciclo, mayor número de ciclos de aplicación resistirá el material antes de iniciar su agrietamiento (es decir, de llegar a la rotura).

La vida de un firme que ha soportado ya un cierto número de repeticiones de carga, pero que aún no han sido tantas como para que se inicie la rotura, es susceptible de ser alargada incrementando su espesor, ya que esta actuación implica una disminución de las tensiones y deformaciones que produce cada ciclo de carga. Sin embargo, un vez que una capa de aglomerado asfáltico o tratada con cemento, se ha empezado a agrietar ya no hay posibilidad de alargar su vida desde un punto de vista teórico debido a que la rotura estructural es irreversible y la capa agrietada es una estructura completamente diferente de la capa íntegra y notablemente menos capaz estructuralmente que ésta.

Sin embargo, la adición de un espesor suplementario a una capa que aún no ha iniciado su rotura alarga su vida de fatiga y, además, suma los efectos del nuevo espesor.

Este funcionamiento determina que la estrategia óptima (es decir la más económica) de conservación suele ser la de ir suplementando el espesor del firme con capas no muy gruesas un poco antes de que se inicie su rotura. De esta manera se consigue "exprimir" al máximo la capacidad estructural de los firmes construidos. Esta actuación es básicamente lo que se suele denominar conservación preventiva, la cual se justifica principalmente a partir de las consideraciones anteriores y de otras complementarias relativas a los beneficiosos efectos sobre las referidas tensiones y deformaciones que tiene la buena impermeabilidad del firme.

La alternativa a este tipo de conservación consiste en actuar no antes, sino después de iniciada la rotura. En este caso, la estructura que hay que conservar es una estructura ya rota cuya deformabilidad es mucho mayor que la de una capa estructuralmente íntegra, por lo que el espesor de la mezcla que hay que colocar sobre ella es bastante mayor que en el caso anterior, a igualdad de duración del firme reforzado. Esta forma de actuar es la denominada conservación correctiva o curativa y es, generalmente, menos económica que la anterior especialmente a largo plazo.

Las consideraciones anteriores se refieren al firme como si fuera una estructura ideal homogénea sin tener en cuenta que, en la práctica, los firmes no son homogéneos sino más bien muy heterogéneos -comparándolos con otras estructuras- siendo su comportamiento bastante aleatorio. El conocimiento y consideración de esta circunstancia es esencial a la hora de analizar y establecer la conservación más adecuada.

En una estructura de firme determinada, existen numerosas características que varían en torno a un valor medio, entre otras las que gobiernan su comportamiento estructural, por ejemplo:

• Espesores de las capas.
• Grado de adherencia entre capas.
• Módulos (o características) de deformabilidad, dependientes a su vez de un conjunto de condiciones que pueden ser muy variables no sólo en el espacio sino también en el tiempo: humedad, temperatura, materiales, etc, etc.

Esto supone que dada una estructura-tipo teórica de firme extendida en un tramo de carretera, no fallará toda ella a la vez en el momento en el que haya soportado el número teórico de ejes equivalentes N que produce la rotura por fatiga en dicha estructura-tipo. Más bien, lo que sucederá en aquel tramo es que, bastante antes de que el número de ciclos alcance a N, se empezarán a producir roturas por fatiga en aquellas zonas elementales donde el conjunto de las dispersiones sea más desfavorable. Conforme vaya creciendo el número de cargas que han circulado por el tramo, más zonas alcanzarán el agotamiento.

Si se supone que el comportamiento estructural del conjunto de zonas elementales tiene una distribución normal o parecida a la normal, la velocidad de aparición de zonas agotadas será creciente hasta alcanzar el número de repeticiones de carga que agotan a la estructura de características medias, decreciendo a partir de este momento de manera que, siempre, quedará un cierto porcentaje del firme que no se agota, a pesar de que las repeticiones de cargas sean muy superiores al máximo teórico para la estructura-tipo.

Este comportamiento condiciona las actuaciones de rehabilitación, debido a que dentro de un tramo con la misma estructura teórica existirán en general zonas con un nivel de degradación muy diferente, que requerirán actuaciones de rehabilitación también bastante diferentes.

La forma de soslayar esta dificultad es tratar de diferenciar las situaciones y comportamientos locales de las situaciones y comportamientos más generales, especialmente cuando aquéllos son peores que éstos, y definir tratamientos diferentes para cada caso.

La consideración conjunta de los criterios, expuestos al principio, sobre las diferencias entre lo "preventivo" y lo "correctivo" y de lo dicho sobre el comportamiento aleatorio del firme, permite una primera aproximación al problema de la tramificación y de la elección de las condiciones características que sirvan de base para el diseño de las actuaciones.

Como ejemplo se podría suponer que la capacidad de respuesta estructural del firme de un determinado tramo homogéneo, en cuanto a las acciones y en cuanto a su estructura tipo, está representado por una curva del tipo indicado en la figura.

A partir del momento de la puesta en servicio del firme, el número de ciclos de carga N va creciendo llegando, con valores relativamente bajos, a producir el agotamiento de las zonas más desfavorables (A). Sin embargo estas zonas deben suponer un pequeño porcentaje del conjunto por lo que la velocidad de aparición de estas primeras zonas agotadas es lenta.

Conforme crece el número de ciclos se entra en la parte B de la curva, en la cual la velocidad de aparición de zonas agotadas se va acelerando y en la que se extiende el agotamiento del firme a una superficie mucho mayor. Una vez alcanzado Nm estaría aproximadamente la mitad del firme agotado, mientras que el resto se iría agotando con el tiempo a una velocidad decreciente.

Una estrategia "ciegamente" preventiva exigiría recrecer la estructura antes de que fallara ninguna zona elemental, lo que conllevaría el recrecer muy poco después de la primera implantación del firme y llevaría al absurdo de tener que estar continuamente recreciendo para evitar que se agotaran partes pequeñísimas del total de superficie afirmada.

Por el contrario, si se retrasaran mucho las actuaciones se arruinaría de forma irreversible buena parte del firme del tramo en cuestión y esto exigiría actuaciones correctivas importantes lo cual, como se ha dicho, es desfavorable económicamente.

Desde la perspectiva económica, parece lógico aceptar que se produzcan algunas zonas agotadas, tratar éstas localmente mediante las actuaciones correctivas oportunas y aplicar una estrategia preventiva al resto del tramo en el momento en el que la velocidad de aparición de zonas agotadas empieza a crecer con rapidez. El porcentaje máximo de zonas agotadas que se puede admitir, debe elegirse minimizando el coste a largo plazo. del conjunto de la actuación.

Desde este punto de vista, una estrategia de conservación del firme adecuada sería ir reparando mediante acciones correctivas localizadas las zonas que se van agotando desde la puesta en servicio del firme hasta el momento elegido para el refuerzo: normalmente, inmediatamente antes de que la velocidad de deterioro empiece a crecer rápidamente. Previamente a éste se habrían así eliminado las zonas agotadas -e incluso aquéllas con muy baja vida residual- evitando que condicionen el espesor del recrecimiento generalizado del firme.

El diseño de las actuaciones debe tener muy en cuenta la diferencia entre zonas agotadas y zonas con vida residual remanente (zonas no agotadas).

En las primeras el firme preexistente está roto y por tanto su deformabilidad es muy superior a la que se exige a las capas íntegras del firme. Si la actuación que se diseña consiste únicamente en colocar nuevos espesores de mezcla sobre él, habría que considerar esta situación en el cálculo a través, por ejemplo, de unos módulos de deformación muy bajos, lo que exigirá fuertes espesores de recrecido. Dado que el espesor del recrecimiento sobre estas zonas condiciona el espesor del recrecimiento sobre la totalidad de la calzada y arcenes, el coste del tratamiento de la zona agotada será innecesariamente alto.

Sin embargo, si se elimina mediante fresado el material roto y se sustituye por mezcla nueva en el espesor necesario para homogeneizar la capacidad soporte o vida residual de la zona reparada con la de las zonas no agotadas, se conseguirá un ahorro notable de material, especialmente en carreteras de doble calzada en las que normalmente el carril izquierdo está muy lejos de estar agotado aún cuando lo esté el derecho.

La actuación sobre las zonas no agotadas para alargar su vida consiste, como se ha dicho, en un incremento del espesor. El punto de partida a tener en cuenta para el dimensionamiento del espesor adicional necesario, es el conocimiento de la vida residual del firme existente. Es preciso definir unas condiciones características de este firme y en base a ellas dimensionar el refuerzo. Sin embargo, las condiciones características así definidas no incluyen las zonas agotadas, ya que éstas son objeto de un tratamiento local especial previo al refuerzo mencionado en el párrafo anterior.

Por consiguiente, las condiciones del firme existente tenidas en cuenta para dimensionar el recrecimiento generalizado, serán notablemente mejores -y por tanto los espesores de refuerzo menores- que las resultantes si se hubieran considerado indiscriminadamente zonas agotadas y zonas no agotadas. El estudio económico de alternativas suele poner, además, de manifiesto la conveniencia de extender los tratamientos locales previos al refuerzo no sólo a las zonas agotadas sino a aquéllas otras con vida residual muy baja.

2. METODOLOGIA RECOMENDABLE

La sistemática expuesta consiste en:

• 1º) Tratamiento local de las zonas agotadas que van apareciendo en los años anteriores al refuerzo. Este tratamiento se haría en campañas anuales o bienales, en las que cada año se sanearían las zonas agotadas que han aparecido desde la finalización de la campaña anterior.
      El tratamiento consistirá por lo general en la eliminación mediante fresado de los materiales agrietados y en su sustitución por materiales nuevos. La profundidad del tratamiento vendrá determinada por el espesor de material nuevo necesario para que, cuando en el futuro se le sumara el espesor del refuerzo previsible (normalmente 5 cm), la sección así constituida tuviese la vida prevista para la actuación general de rehabilitación. En el punto 4. de las Recomendaciones se dan los criterios básicos para fijar el espesor de estos saneos.
• 2º) Tratamiento local, inmediatamente anterior al recrecimiento generalizado, de las zonas con vida residual muy baja, menor de la que se ha considerado como característica para el dimensionamiento del recrecimiento (y de las zonas agotadas que puedan quedar desde la última campaña de saneos). Este tratamiento es idéntico al de zonas agotadas y los criterios de dimensonamiento del espesor son los mismos.
      La determinación de la vida residual por debajo de la cual conviene fresar un cierto espesor del firme existente, se deduce del estudio económico, minimizando el coste a largo plazo del conjunto de actuaciones contempladas en la presente metodología.
• 3º) Recrecimiento generalizado con un espesor de mezcla calculado a partir de las condiciones características de las zonas no agotadas. Estas condiciones se pueden expresar a través de un parámetro globalizador del comportamiento como es la deflexión y están directamente relacionadas con la vida residual de cada zona.
      La sección del firme reforzado será la suma de un espesor de firme nuevo, con su capacidad de resistir a la fatiga intacta, más un espesor de firme antiguo que ya ha gastado una parte de su capacidad de resistir a fatiga. (La vida residual de la sección conjunta se puede obtener a partir de la ley de Miner).

3. CONSIDERACIONES SOBRE LA DEFLEXIÓN

La evaluación del estado y comportamiento del firme existente es, sin duda, lo más delicado de un proyecto de refuerzo.

A la hora de proyectar un refuerzo hay que distinguir, en primer lugar, las zonas agotadas y las zonas muy próximas a agotarse, ya que las mismas, como se ha indicado anteriormente, deben ser objeto de tratamientos locales previos.

Esta labor puede hacerse mediante la inspección visual solo en los casos de zonas agotadas con grietas de fatiga aparentes en la superficie. Sin embargo, dado que las grietas de fatiga se inician normalmente en la parte inferior de las secciones, la observación superficial puede no detectar zonas donde ya se ha iniciado la fatiga. Tampoco se pueden detectar así las zonas con baja vida residual.

La deflexión es el principal instrumento disponible para conocer la heterogeneidad del firme y la vida residual de las distintas secciones.

Dentro de un tramo con una misma sección-tipo teórica, y sometido a las mismas acciones, se miden diferentes valores de la deflexión, que reflejan dicho comportamiento heterogéneo.

Las diferentes deflexiones (supuesto que el tráfico ha sido el mismo en todas las secciones) son un reflejo de las diferencias entre las secciones: espesores, materiales y especialmente características del cimiento. Las menores deflexiones corresponden a las secciones más resistentes y con mayor vida residual ya que, en general, una deflexión menor implica tensiones y deformaciones unitarias menores y por tanto mayor número de ciclos antes de rotura. Las deflexiones altas pueden corresponder a zonas con poca vida residual o incluso a secciones agotadas.

Para cada nivel de tráfico soportado hay un valor de la deflexión para el cual se produce el agotamiento de la sección (deflexión crítica: Dc). Expresado de otra manera, para cada deflexión (en tanto que es un parámetro global que representa las características de la sección), existe un número de repeticiones de carga que produce la rotura.

Comparando el deflectograma con la inspección visual se puede conocer el valor de la deflexión que corresponde a las zonas agotadas con fisuración aparente en la superficie. No se conoce, sin embargo, el valor de la deflexión correspondiente a secciones cuya fatiga esté iniciada pero en las cuales la fisuración aún no haya ascendido a la superficie del firme, ni tampoco el valor de la deflexión para el cual se inicia la fisuración (Dc). Estos valores se pueden estimar mediante la observación de catas y testigos realizados en las zonas de mayores deflexiones pero sin fisuración observable en superficie.

El análisis del deflectograma bajo esta perspectiva permite separar por una parte las zonas agotadas o próximas a agotarse, en las cuales se llevarán a cabo los tratamientos correctivos locales adecuados y, por otra, las zonas con una vida aún apreciable en las que el tratamiento será exclusivamente el recrecido, pudiendo subdividir éstas en zonas con diferentes características y por tanto con necesidad de diferentes espesores de refuerzo.

Esta metodología permite eliminar del deflectograma las deflexiones mayores antes del cálculo de la deflexión característica de los tramos, con el consiguiente ahorro de espesores.

En los firmes semirrígidos el mecanismo de rotura es diferente del que se presenta en los semiflexibles (y en los flexibles) ya que el agotamiento de las secciones se produce en dos escalones diferenciados, y mientras no se produce el primero de ellos (agotamiento de las capas tratadas con cemento) los valores de la deflexión son muy bajos y poco indicativos de la vida residual.

Por consiguiente, en estos firmes, la estimación de la vida residual antes de la rotura de la grava-cemento no se puede hacer mediante el análisis de la deflexión, debiendo realizarse a partir del seguimiento de la aparición de zonas rotas conforme se van incrementando los ejes soportados, y a partir del conocimiento de las leyes de fatiga de los materiales, considerando en todo caso que en las capas tratadas con cemento pequeñas variaciones de las condiciones (espesor, módulos, etc) pueden tener una influencia muy grande en la vida residual y, debido a esta circunstancia, las dispersiones del comportamiento pueden ser muy fuertes, especialmente si el dimensionamiento ha sido estricto.