Ingeniería de carreteras

Los países desarrollados se enfrentan constantemente a los elevados costos de mantenimiento de las carreteras de transporte obsoletas. El crecimiento de la industria automotriz y el consiguiente crecimiento económico han generado una demanda de carreteras más seguras, con mejor rendimiento y menos congestionadas. El crecimiento del comercio, las instituciones educativas, la vivienda y la defensa se han financiado en gran medida con los presupuestos gubernamentales en el pasado, lo que ha convertido la financiación de las carreteras públicas en un desafío. ^{[ 5 ]}

Las características multifuncionales de las carreteras, el entorno económico y los avances en la tecnología de tarificación vial están en constante evolución. Por lo tanto, los enfoques para la financiación, la gestión y el mantenimiento de las carreteras también cambian constantemente. ^{[ 6 ]}

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 cualquier comunidad, independientemente de su tamaño. Entre los impactos adversos comunes del desarrollo de carreteras se incluyen el daño al hábitat y la biodiversidad, la generación de contaminación del aire y del agua, la contaminación acústica y por vibraciones, el deterioro del paisaje natural y la destrucción de la estructura social y cultural de la comunidad. La infraestructura vial debe construirse y mantenerse con altos estándares de calidad. ^{[ 7 ]}

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 (EIA), ya que aborda sistemáticamente los siguientes elementos: ^{[ 7 ]}

• Identificación de toda la gama de posibles impactos en el medio ambiente natural y socioeconómico ^{[ 7 ]}
• Evaluación y cuantificación de estos impactos ^{[ 7 ]}
• Formulación de medidas para evitar, mitigar y compensar los impactos previstos. ^{[ 7 ]}

Los sistemas de carreteras generan el mayor costo en lesiones y muertes humanas, ya que casi 50 millones de personas resultan heridas en accidentes de tránsito cada año, sin incluir los 1,2 millones de muertes. ^{[ 8 ]} Las lesiones por accidentes de tránsito son la principal causa de muerte no intencional en las primeras cinco décadas de vida humana. ^{[ 9 ]}

La gestión de la seguridad es un proceso sistemático que busca reducir la frecuencia y la gravedad de los accidentes de tráfico. La interacción entre el hombre y la máquina en los sistemas de tráfico vial es inestable y supone un desafío para la gestión de la seguridad vial. La clave para aumentar la seguridad de los sistemas viales reside en diseñarlos, construirlos y mantenerlos de manera que sean mucho más tolerantes al rango promedio de esta interacción hombre-máquina. 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. ^{[ 9 ]}

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 viales. ^{[ 3 ]}

Los ingenieros de carreteras y transporte deben cumplir con numerosos estándares de seguridad, servicio y rendimiento al diseñar carreteras para una topografía específica. El diseño geométrico de las carreteras se refiere principalmente a los elementos visibles de las mismas. Los ingenieros que diseñan la geometría de las carreteras también deben considerar los efectos ambientales y sociales del diseño sobre la infraestructura circundante. ^{[ 10 ]}

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: ^{[ 10 ]}

• Velocidad de diseño
• Volumen de tráfico de diseño
• Número de carriles
• Nivel de servicio (LOS)
• Distancia de visión
• Alineación, peralte y pendientes
• Sección transversal
• Ancho del carril
• Calibre de la estructura , espacio libre horizontal y vertical

El desempeño operativo de una autopista se puede observar a través de las reacciones de los conductores a las consideraciones de diseño y su interacción. ^{[ 10 ]}

Los materiales utilizados para la construcción de carreteras han evolucionado con el tiempo, remontándose a los inicios del Imperio Romano. Los avances en los métodos de caracterización y aplicación de estos materiales al diseño estructural del pavimento han ido acompañados de dicho avance. ^{[ 11 ]}

Existen tres tipos principales de superficies de pavimento: hormigón de calidad para pavimentos (PQC), hormigón de cemento Portland (PCC) y asfalto en caliente (HMA). Debajo de esta capa de rodadura se encuentran capas de material que proporcionan soporte estructural al sistema de pavimento. Estas superficies subyacentes pueden incluir las capas de base y subbase de agregados, o bien capas de base y subbase tratadas, además del subsuelo natural o tratado subyacente. Estas capas tratadas pueden ser tratadas con cemento, asfalto o cal para un soporte adicional. ^{[ 11 ]} Nuevo material

Un pavimento flexible, asfáltico o de asfalto generalmente consta de tres o cuatro capas. Para un pavimento flexible de cuatro capas, se construyen una capa de rodadura, una capa base y una subbase sobre un subsuelo natural compactado. Al construir un pavimento flexible de tres capas, no se utiliza la subbase y la capa base se coloca directamente sobre el subsuelo natural. ^{[ 12 ]}

La capa superficial de un pavimento flexible está construida con asfalto en caliente (HMA). Generalmente se utilizan agregados no estabilizados para la capa base; sin embargo, esta también puede estabilizarse con asfalto, betún espumado, cemento Portland u otro agente estabilizador. La subbase se construye generalmente con material agregado local, mientras que la parte superior de la subrasante suele estabilizarse con cemento o cal. ^{[ 12 ]}

En los pavimentos flexibles, la mayor tensión se produce en la superficie y disminuye a medida que aumenta la profundidad. Por lo tanto, se debe 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. El término "flexible" se utiliza debido a la capacidad del asfalto para doblarse y deformarse ligeramente, y luego volver a su posición original con cada carga de tráfico aplicada y retirada. Es posible que estas pequeñas deformaciones se vuelvan permanentes, lo que puede provocar la formación de surcos en la huella de las ruedas con el tiempo. ^{[ 12 ]}

La vida útil de un pavimento flexible se diseña típicamente entre 20 y 30 años. ^{[ 13 ]} 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 prevista sin deterioros excesivos. ^{[ 12 ]}

Los pavimentos rígidos se utilizan generalmente en la construcción de aeropuertos y carreteras principales, como las del sistema de autopistas interestatales . Además, suelen emplearse como losas industriales de alta resistencia, pavimentos de patios portuarios y terminales de vehículos pesados. Al igual que los pavimentos flexibles, los pavimentos rígidos de carreteras están diseñados como estructuras duraderas y resistentes a la intemperie para soportar el tráfico moderno de alta velocidad. Ofrecen superficies de rodadura de alta calidad para una circulación segura de los vehículos y funcionan como capas estructurales que distribuyen las cargas de las ruedas de manera que las tensiones transmitidas al suelo de la subrasante sean de magnitud aceptable. ^{[ 13 ]}

El hormigón de cemento Portland (PCC) es el material más común utilizado en la construcción de losas de pavimento rígido. 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 un pavimento rígido oscila entre 30 y 40 años, durando aproximadamente el doble que un pavimento flexible. ^{[ 13 ]}

Una consideración importante en el diseño de pavimentos rígidos es la reducción de la fatiga causada por las tensiones repetidas del tráfico. La fatiga es común en las carreteras principales, ya que una autopista típica experimenta millones de pasadas de ruedas a lo largo de su vida útil. Además de los criterios de diseño, como las cargas de tráfico, también deben tenerse 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 observado que las tensiones térmicas en pavimentos rígidos pueden ser tan intensas como las impuestas por las cargas de las ruedas. Debido a la relativamente baja resistencia a la tracción del hormigón, las tensiones térmicas son extremadamente importantes en las consideraciones de diseño de pavimentos rígidos. ^{[ 13 ]}

Los pavimentos rígidos generalmente se construyen en tres capas: una subrasante preparada, una base o subbase y una losa de hormigón . La losa de hormigón se construye según las dimensiones de diseño de los paneles, 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 agrietamiento de la misma. El espaciamiento de las juntas viene determinado por las dimensiones de los paneles de la losa. ^{[ 13 ]}

Los tres tipos principales de pavimentos de hormigón comúnmente utilizados son el pavimento de hormigón simple con juntas (JPCP), el pavimento de hormigón armado con juntas (JRCP) y el pavimento de hormigón armado 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 las tensiones de humedad dentro del pavimento generan grietas, que el acero de refuerzo mantiene unidas firmemente. En las juntas transversales, generalmente se colocan barras de anclaje para ayudar a transferir la carga del vehículo a través de las grietas. Los CRCP dependen exclusivamente 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 pretensados ​​permiten un menor espesor de losa al neutralizar parcial o totalmente las tensiones o cargas inducidas térmicamente. ^{[ 13 ]}

Durante la vida útil de un pavimento flexible, las cargas de tráfico acumuladas pueden causar surcos o grietas excesivas, una calidad de rodadura inadecuada o una resistencia al deslizamiento insuficiente. Estos problemas pueden evitarse mediante un mantenimiento adecuado del pavimento, pero la solución suele implicar costes de mantenimiento excesivos, o bien el pavimento puede tener una capacidad estructural insuficiente para las cargas de tráfico previstas. ^{[ 14 ]}

A lo largo de la vida útil de una carretera, su nivel de funcionalidad se supervisa y mantiene rigurosamente. Un método común para mantener dicho nivel consiste en aplicar una capa de recubrimiento sobre la superficie del pavimento. ^{[ 14 ]}

Existen tres tipos generales de recubrimiento utilizados en pavimentos flexibles: recubrimiento de asfalto-hormigón, recubrimiento de hormigón de cemento Portland y recubrimiento de hormigón de cemento Portland ultrafino. La capa de hormigón en un recubrimiento de hormigón de cemento Portland convencional se coloca sin adherencia sobre la superficie flexible. El espesor típico de un recubrimiento de hormigón de cemento Portland ultrafino es de 10 cm (4 pulgadas  ) o menos. ^{[ 14 ]}

Existen dos categorías principales de procedimientos de diseño de recubrimientos de pavimento flexible: ^{[ 14 ]}

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

Cerca del final de la vida útil de un pavimento rígido, se debe decidir si reconstruir completamente el pavimento desgastado o construir una capa de recubrimiento. Dado que se puede construir un recubrimiento sobre un pavimento rígido que aún no ha llegado al final de su vida útil, suele ser más rentable 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 los recubrimientos rígidos como los flexibles se utilizan para la rehabilitación de pavimentos rígidos como JPCP, JRCP y CRCP. ^{[ 15 ]}

Existen tres subcategorías de recubrimientos rígidos de pavimento que se organizan según la condición de adherencia en la interfaz entre el recubrimiento y la losa existente. ^{[ 15 ]}

• Revestimientos adheridos
• Revestimientos no adheridos
• Revestimientos parcialmente adheridos

El diseño de sistemas de carreteras que permitan un drenaje adecuado es crucial para su éxito. Una carretera debe estar nivelada y construida para que permanezca "alta y seca". ^{[ 16 ]} Independientemente de lo bien que se diseñen y construyan otros aspectos de una carretera, un drenaje adecuado es obligatorio para que una carretera dure toda su vida útil. El exceso de agua en la estructura de la carretera puede provocar inevitablemente una falla prematura, incluso si la falla no es catastrófica. ^{[ 17 ]}

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 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 dirigir el agua lejos de la estructura. ^{[ 17 ]} El drenaje subsuperficial del pavimento y los drenajes inferiores ayudan a proporcionar una vida útil prolongada y un rendimiento excelente y confiable del pavimento. ^{[ 18 ]} El exceso de humedad debajo de un pavimento de concreto puede causar bombeo, agrietamiento y falla de 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 aleje de la estructura. Las carreteras deben diseñarse con una pendiente o coronación para que el agua de escorrentía se dirija hacia el arcén, a una cuneta, y se aleje 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 un lugar apropiado. ^{[ 17 ]}

La construcción de carreteras generalmente va precedida de estudios topográficos detallados y la 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 tecnológico ha elevado el nivel de habilidades requeridas para gestionar proyectos de construcción de carreteras. Estas habilidades varían de un proyecto a otro, dependiendo de factores como la complejidad y la naturaleza del proyecto, los contrastes entre la construcción nueva y la reconstrucción, y las diferencias entre proyectos en regiones urbanas y rurales. ^{[ 19 ]}

Existen varios elementos de la construcción de carreteras que pueden dividirse en elementos técnicos y comerciales del sistema. ^{[ 19 ]} A continuación se enumeran algunos ejemplos de cada uno:

• Elementos técnicos
  • Materiales
  • Calidad del material
  • Técnicas de instalación
  • Tráfico
• Elementos comerciales
  • Comprensión del contrato
  • Aspectos ambientales
  • Aspectos políticos
  • Aspectos legales
  • Preocupaciones públicas

Por lo general, 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 proporciona información sobre: ^{​​[ 19 ]}

• Condiciones del terreno existentes
• Equipo necesario para la excavación, nivelación y transporte de materiales hacia y desde la obra.
• Propiedades de los materiales a excavar
• Requisitos de drenaje necesarios para trabajos subterráneos
• Requisitos de apuntalamiento para la protección de excavaciones
• Cantidades de agua para la compactación y el control del polvo.

El objetivo general del mantenimiento de carreteras es corregir defectos y preservar la estructura y la funcionalidad 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 predictiva del mantenimiento , los métodos empíricos basados ​​en datos ofrecen resultados más precisos que los modelos mecánicos. ^{[ 21 ]} Los defectos difieren entre pavimentos flexibles y rígidos. ^{[ 22 ]}

El mantenimiento de carreteras tiene cuatro objetivos principales:

• Reparación de defectos funcionales en el pavimento
• prolongar la vida útil funcional y estructural del pavimento
• mantener la seguridad vial y la señalización
• mantener la franja de reserva vial en condiciones aceptables

Mediante prácticas de mantenimiento rutinarias, los sistemas de carreteras y todos sus componentes pueden mantenerse en su estado original, tal como fueron construidos. ^{[ 22 ]}

La gestión de proyectos implica la organización y estructuración de las actividades del proyecto desde su inicio hasta su finalización. Estas actividades pueden incluir la construcción de infraestructuras como carreteras y puentes, o actividades de mantenimiento, tanto mayores como 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 establecidos. Además, minimizar los impactos sociales y ambientales es fundamental para una gestión de proyectos exitosa. ^{[ 23 ]}