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ESTUDIO DE LA VIABILIDAD TÉCNICA Y ECONÓMICA DE LA APLICACIÓN DEL SISTEMA DOWEL BAR RETROFIT PARA LA REPARACIÓN DE LOSAS DE HORMIGÓN EN CAMINOS

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Rumbos Tecnológicos 11 • Octubre 2019 – Septiembre 2020

Fecha de recepción: 15 de Mayo de 2019 • Fecha aprobación: 1º de agosto de 2019

Llorente, Carlos*; Romani, Bruno; Giunta, José; Navarro, Abdala, Roberto; Carrasco, Adrián; Labanca, María; Romani, Giuliana.

Facultad Regional San Rafael, Universidad Tecnológica Nacional. Urquiza N° 317, San Rafael, Mendoza.
*Autor a quien la correspondencia debe ser dirigida. Correo Electrónico: carlosllorentearg@hotmail.com

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Resumen

Los costos de inversión y de operación de la infraestructura vial son muy elevados. A su vez los requerimientos de caminos con índices de serviciabilidad aceptables son crecientes para reducir los costos de logística y mejorar la competitividad de la economía. La aparición de fisuras transversales en losas de hormigón nuevas y con vida útil remanente es una falla común. Para prolongar la vida de las losas es necesario desarrollar tareas de conservación, mantenimiento o reconstrucción que garanticen su aptitud como calzada de rodamiento. El sistema DOWEL BAR RETROFIT (DBR) estudiado en el presente PROYECTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO (PID) aplicado en Ruta Provincial N° 150 de la provincia de Mendoza ha demostrado a la fecha ser una solución de recuperación tecnológicamente simple, económica y ambientalmente eficaz.
Palabras claves: infraestructura vial, hormigón, losas, recuperación.

 

Abstract

The investment and operation costs of the road infrastructure are very high. At the same time, the requirements of roads with acceptable service indices are increasing to reduce logistics costs and improve the competitiveness of the economy. The appearance of transverse fissures in new concrete slabs and with a remaining useful life is a common failure. To prolong the life of the slabs it is necessary to develop conservation, maintenance or reconstruction tasks that guarantee their aptitude as a rolling road. The DOWEL BAR RETROFIT (DBR) system studied in the present DEVELOPMENT AND INVESTIGATION PROJECT (DIP) applied in Provincial Route N° 150 of the province of Mendoza has shown to date to be a technologically simple, economical and environmentally efficient recovery solution.
Key words: road infrastructure, concrete, slabs, recovery.

INTRODUCCIÓN

Los requerimientos de infraestructura en general, y de infraestructura vial en particular, son cada vez mayores. Esto se debe a que este elemento es clave para el desarrollo económico y la mejora de las condiciones de vida de la población. Si  específicamente se enfoca el problema de la infraestructura vial, la red de caminos es un elemento central a la hora de disminuir los costos de logística lo que conlleva a una mejora de la competitividad y por ende de inversiones.
Los costos de inversión en la infraestructura vial son muy elevados, por lo que deben ser completados necesariamente con programas de mantenimiento que garanticen índices de serviciabilidad aceptables y aumenten la vida útil. Está ampliamente comprobado a nivel internacional el beneficio de políticas viales sustentadas en inversiones racionales y programas de conservación vial eficaces.
En Argentina, y en especial en algunas provincias como Mendoza, el problema de la infraestructura vial debe ser especialmente analizado. Poblaciones diseminadas en todo el territorio, con grandes extensiones de desiertos, obligan a una red vial extensa que atraviesa topografías que van desde la llanura hasta sectores de montaña, con condiciones climáticas variables y en algunos casos extremas.
El presente proyecto investiga la viabilidad técnica y económica de la aplicación en nuestro medio de la técnica DOWEL BAR RETROFIT (DBR). Esta fue desarrollada en los Estados Unidos de Norteamérica para la recuperación de losas de hormigón en rutas con volúmenes de tránsito importantes. Para tal fin, se aprovecha la única experiencia conocida de aplicación de la mencionada técnica en Mendoza, sobre Ruta Provincial N° 150.

La problemática abordada
La aparición de grietas y fisuras transversales en las losas de hormigón nuevas es un problema habitual. Las causas más comunes de esta patología son:
1) Aserrado ineficaz, tardío, o bien en escaso espesor.
2) Contracción térmica, aumento inicial y posterior descenso de temperatura durante la construcción.
3) Excesiva adherencia con la base, bases secas o porosas.
4) Contracción por secado, ya sea por mala calidad del hormigón, o por relación largo/ancho muy alta, o bien, deficiencias de curado.
Las causas de la aparición de fisuras también pueden ser el resultado de una combinación de varias de las arriba enumeradas.
Como consecuencia de la falla se puede producir una grieta activa en todo el ancho y espesor de la losa que no permite la correcta transferencia de cargas, se favorece el ingreso de agua, el deterioro de la base de apoyo y consiguientemente la rotura de la losa.
El nivel de severidad del defecto depende de la posibilidad de transferir carga en la fisura activa, y esto es función de la abertura de la misma. Por otra parte, su eficacia como pavimento depende, para un ancho de fisura dado, del tipo de tránsito que deba soportar.
Es decir, si el pavimento debe soportar carga pesada lo recomendable es que la transferencia de carga se verifique en forma efectiva.
En el caso que se analiza, se verificó la aparición de fisuras transversales en una importante cantidad de losas de hormigón construidas en intersecciones de la Ruta Provincial N° 150, localidad Villa 25 de Mayo, departamento San Rafael, provincia de Mendoza . Para la obra se aplica el Pliego de Especificaciones Técnicas Generales de la Dirección Provincial de Vialidad de Mendoza1 y las Especificaciones Técnicas particulares contenidas en el Pliego de la Obra.
El paquete estructural del pavimento analizado es:
1) Subrasante, suelo calidad tipo A 2 / A 2 4, compactación mínima 98% densidad Próctor.
2) Base de agregado pétreo y suelo espesor 15 cm, imprimada.
3) Losa de hormigón simple, espesor 0,18 m, calidad H-30.

Técnicas de Reparación
Las técnicas de reparación aplicables para losas dependen del ancho de la fisura transversal y del tipo de tránsito.

 

Tabla 1: Tipos de reparación según ancho de fisuras

Tabla 1: Tipos de reparación según ancho de fisuras

 

El sellado de grietas y fisuras se corresponde con trabajos de conservación habituales en los pavimentos de hormigón. Esta estrategia presenta como riesgo el desplazamiento relativo de las losas, y con ello la pérdida de una condición básica para su correcto funcionamiento como calzada de circulación.
Las reparaciones en espesor de las losas implican la ejecución de trabajos que permitan restituir la transferencia de cargas, teniendo como alternativas posibles las siguientes:
1) La demolición y reconstrucción de la losa con el riesgo de afectar durante este proceso las losas colindantes y el costo asociado.
2) La colocación de pasadores, esta opción es denominada DOWEL BAR RETROFIT. En esencia esta técnica consiste en transformar la fisura en una junta transversal efectiva a través de la incorporación de elementos que permitan la transferencia de carga, evitando el desplazamiento relativo entre las partes de la losa.

Metodología de aplicación del DBR
Los pasos para el desarrollo de la aplicación del DBR para la reparación de losas de hormigón en un total de cincuenta y nueve (59) ejecutados en RP N° 150 fueron los siguientes:
1) Evaluación de las losas e identificación de las pasibles de recuperación por el sistema DBR.
Esta actividad es clave para la eficacia de la aplicación del método, y consiste en identificar qué losas reúnen las condiciones para ser recuperadas. A tal fin deben considerarse en primer lugar la vida útil a fatiga de la losa (edad), y que el tipo de grieta o fisura a tratar sea susceptible de ser reparado por DBR.
2) Demarcación de las franjas de posición de las barras pasadoras.
Esta actividad tiene como objetivo principal que la colocación de los pasadores sea en los lugares adecuados, esto es sectores de mayor carga (huellas) y que la posición de las barras reúna la condición de ser paralelas entre sí y al eje de circulación del camino. Estos trabajos se resuelven con el uso de cintas métricas convencionales y plantillas de forma rectangular con las dimensiones del sector a demoler para la colocación de las barras. La demarcación se realiza con pintura en aerosol o a pincel. El resultado de esta actividad es una serie de franjas rectangulares pintadas sobre el pavimento.
3) Corte del hormigón en las cavidades de posicionado de las barras pasadoras.
El aserrado de los sectores de alojamiento de pasadores se realizó con una aserradora de pavimentos convencional del tipo 15 HP. A los fines de lograr dos cortes simultáneos, se modificó el equipo agregando un disco en el eje del mismo. De esta forma se lograron cortes paralelos e idénticos en profundidad.
4) Demolición y retiro de hormigón en cavidades de posicionado de barras pasadoras.
Estas tareas se desarrollaron con martillos demoledores de tipo manual de distintas potencias. En la etapa inicial con equipos más potentes y la terminación de la cavidad con equipos más pequeños para lograr un mejor ajuste de las dimensiones finales deseadas. El producto de la demolición de las losas es de escaso tamaño y volumen por lo que su retiro no presenta dificultad.
5) Limpieza de las cavidades de posicionado de barras pasadoras.
La limpieza de las cavidades requiere del retiro de toda partícula suelta del hormigón existente. Esto se realiza con cepillos de acero, compresores e incluso pueden utilizarse hidrolavadoras. La condición básica indispensable es que la superficie esté limpia, libre de partes sueltas y que puedan afectar la unión del hormigón nuevo y viejo. La superficie final debe ser rugosa.
6) Aplicación de puente de adherencia en cavidades.
En el caso analizado el producto utilizado como puente de adherencia entre el hormigón viejo de las cavidades y el nuevo, fue del tipo SIKADUR 32 GEL. La eficacia del uso de estos productos reside en el seguimiento de las pautas y recomendaciones de utilización del fabricante. La aplicación de estos productos se realizó con brocha. El colado del hormigón en la cavidad se realizó con el puente de adherencia en estado fresco.
7) Preparación y colocación de barras pasadoras.
Las barras pasadoras se conformaron con acero liso IRAM de diámetro 25 mm. La longitud adoptada para las mismas fue de 45 cm. Las barras fueron alojadas en tubos de PVC extrapesado de diámetro exterior 32 mm, disponiendo en las puntas de tapas plásticas y una holgura del orden de los 6mm por punta. De esta manera se asegura el movimiento independiente de los pasadores. El conjunto se aloja en la cavidad utilizando patas de material plástico adosadas al caño con una atadura de alambre. En correspondencia de la abertura (grieta o fisura) se dispone poliestireno expandido para garantizar el trabajo estructural.
8) Colado del hormigón en cavidades.
El hormigón fue elaborado en obra controlando en peso las cantidades de agua, cemento y áridos.
El agua de amasado utilizada fue potable de la red domiciliaria disponible en el lugar, el cemento del tipo Puzolánico tipo CPP40 IRAM 50.000. Los áridos obtenidos por zarandeo de cantera ubicada en río Diamante y lavados. En particular estos áridos cumplen con la condición de Desgaste Los Ángeles menor de 22%. Los límites granulométricos establecidos se detallan a continuación.

Tabla 2: Granulometría de áridos empleada

Tabla 2: Granulometría de áridos empleada

Para asegurar un correcto colado del hormigón el tamaño máximo de los áridos adoptado fue acorde a las dimensiones libres en la cavidad. El asentamiento del hormigón fresco fue del orden de los 12 cm. Para lograr este último valor la dosificación incorporó aditivo tipo SIKACRETE PLUS. Con esto se mejoró la trabajabilidad, se redujo el agua de amasado, se atrasó el fragüe inicial, se logró acelerar el proceso de endurecimiento y de aumento de la resistencia estructural. En todos los casos el hormigón fue vertido con el puente de adherencia en estado fresco. La terminación fue realizada con llana.
9) Curado del hormigón en cavidades.
A los fines de garantizar el correcto curado del hormigón dispuesto en las cavidades se utilizó membrana de curado tipo SIKACURE. El proceso de curado se extendió por 14 días.
10) Sellado de fisuras y grietas.
El sellado de grietas y fisuras es recomendable ejecutarlo en forma inmediata, compatibilizando esto con el proceso de fraguado del hormigón. El material utilizado fue del tipo SIKADUR 52 Inyección.
11) Librado al tránsito.
El librado al tránsito se realizó 14 días después del colado del hormigón.

Seguimiento y evaluación del comportamiento del DBR
A los fines de la evaluación del comportamiento del sistema DBR aplicado, se realizó un seguimiento de la totalidad de las losas reparadas desde la fecha de los trabajos (enero y febrero de 2015) a la actualidad. El total de losas reparadas ascendió a cincuenta y nueve (59).
Las evaluaciones realizadas se basaron en los siguientes aspectos:
1) Fisuración y desprendimientos del hormigón colado.
2) Aparición de nuevas grietas y fisuras en las losas reparadas.
3) Desplazamiento vertical relativo entre los sectores de losas conectados por los pasadores.
Los aspectos 1) y 2) fueron establecidos a partir de inspecciones visuales de todas las losas reparadas. El aspecto 3) mediante mediciones in-situ a través de la colocación de una regla metálica suficientemente rígida para poder apreciar desplazamientos relativos.
Los resultados de la evaluación del comportamiento del sistema DBR fueron satisfactorios. En particular se indica:
1) No se verificó en ningún caso fisuración y/o desprendimientos del hormigón colado, sólo en dos casos se pudo apreciar desgaste de la superficie expuesta del concreto vertido en las cavidades; esto puede corresponder a error en la dosificación de cemento en ese caso puntual, dado que en general el comportamiento superficial fue satisfactorio.
2) No se observó la aparición de nuevas grietas ni fisuras en las losas reparadas; sí, en algunos casos puntuales, se verificó desgranamiento del hormigón en los sectores de grietas entre cavidades de pasadores. Esto pone de manifiesto la baja calidad del hormigón de la losa inicial.
3) No se observó en ningún caso desplazamiento vertical relativo entre los sectores de losas conectadas con pasadores, lo que indica que los elementos introducidos para la transmisión de cargas han sido eficaces.
4) Es importante indicar que los volúmenes de tránsito de la ruta analizada son de nivel bajo, no obstante se verifica la presencia de carga pesada en forma significativa. Por otra parte, el tiempo total transcurrido desde la realización de las reparaciones a la fecha de las evaluaciones finales del comportamiento ha sido de 4 (cuatro) años. Durante ese período de tiempo no se ha realizado por parte de la Repartición Responsable del camino ningún tipo de trabajo de conservación.

Costos de reparación de losas con fisuras transversales
Considerando como alternativas aceptables de reparación de las losas la demolición y reconstrucción de las mismas o el DBR; y que en ambos casos se restituiría la transferencia de cargas, se indican a continuación los costos de cada una de ellas. Los valores se corresponden a precios de mercado del departamento de San Rafael, provincia de Mendoza, donde se encuentra la obra, a fecha marzo 2019. Se han incluido en los cálculos costos directos exclusivamente, esto abarcó materiales, mano de obra y equipos.
En las Tablas que siguen se presentan los valores calculados:

Tabla 3: Costos Alternativa 1

Tabla 3: Costos Alternativa 1

 

Tabla 4: Costos Alternativa 2

Tabla 4: Costos Alternativa 2

 

Los valores calculados implican que la demolición y reconstrucción de una losa de hormigón de las características indicadas tendría un costo de $ 13.713,20, y la aplicación del sistema DBR para la reparación del mismo elemento exigiría una inversión de $ 4.646,30, disponiendo para tal fin de seis (6) pasadores por losa, tres (3) por huella.

Evaluación económica de las alternativas
A los fines de la evaluación económica de las Alternativas 1 y 2 se utiliza como indicador el costo anual equivalente CAE.
En primera instancia, se realizan para las dos alternativas el cálculo del CAE donde, para una inversión inicial dada, se consideran distintas vidas útiles y costos de oportunidad del capital variables en un rango que va del 6 al 12% anual.

Tabla 5: Costo Anual Equivalente Alternativa 1

Tabla 5: Costo Anual Equivalente Alternativa 1.Alternativa 1: Reconstrucción losa costo anual equivalente de la inversión.

 

Para la alternativa DBR (Alternativa 2) se considera el costo adicional de mantenimiento de la fisura transversal que no aplicaría en el caso de la demolición y reconstrucción de la losa (Alternativa 1).

Tabla 6: Costo Anual Equivalente Alternativa 2

Tabla 6: Costo Anual Equivalente Alternativa 2. Alternativa 2: DBR Costo anual equivalente de la inversión + junta adicional. Junta asicional: 0,59 U$S/año.

 

Los resultados indican, para una tasa del 12% (situación más desfavorable desde el punto de vista del capital), que el sistema DBR con una duración de cuatro años tendría un costo de U$S/año 38,50. En ese escenario siempre sería menor que el costo anual equivalente de la demolición y reconstrucción, por lo que siempre sería mejor opción el DBR. Para una tasa del 9% anual sería necesario que el DBR tuviera al menos una vida útil de cinco años, y para el 6% anual 8 años aproximadamente.
Dado que se propone un análisis multivariable, se desarrolla una simulación de Monte Carlo usando como herramienta software Crystal Ball, con las variables y consideraciones que se indican:

 

Alternativa 1: Demolición y reconstrucción losa

Alternativa 1: Demolición y reconstrucción losa.

 

Grafico 4: Costo Anual Equivalente ALTERNATIVA 1

Grafico 4: Costo Anual Equivalente ALTERNATIVA 1

 

Alternativa 2: Sistema DBR

Alternativa 2: Sistema DBR

 

Gráfico 8: Costo Anual Equivalente Alternativa 2

Gráfico 8: Costo Anual Equivalente Alternativa 2

 

Se considera como valor referencial el costo anual equivalente de una losa de hormigón nueva para una vida promedio de 40 años con una tasa de descuento del 6%. El valor obtenido es U$S/año 22,79. Los resultados de la simulación indican que con las suposiciones realizadas se tiene una probabilidad del 96,71% de superar ese valor de costo. Por otra parte, en el caso de aplicar DBR, se tendría una probabilidad del 78,16 de que el costo anual equivalente sea igual o menor que ese valor. Estos resultados se tienen considerando las mismas tasas referenciales y una vida útil para el DBR variable entre 5 y 11 años, con una media de 8 años2.
Se analizan a continuación los resultados de la simulación pero considerando ahora que el DBR tiene un vida útil promedio de diez (10) años, con un mínimo de siete (7) y un máximo de trece (13).

 

Gráfico 9: Vida útil DBR promedio de 10 años, Alternativa 2

Gráfico 9: Vida útil DBR promedio de 10 años, Alternativa 2

 

En tal caso, la probabilidad de que el Costo Anual Equivalente del DBR sea U$S 22,79 o menos es prácticamente el 100%.

Gráfico 10: Costo Anual Equivalente Alternativa 2 Vida útil promedio 10 años

Gráfico 10: Costo Anual Equivalente Alternativa 2 Vida útil promedio 10 años

 

Evaluación cualitativa de las alternativas
Los resultados de la evaluación económica indican que si se logra que el sistema DBR tenga una duración mínima del orden de los diez (10) años superaría para todas las hipótesis propuestas a la alternativa de reconstrucción de las losas.
Con relación a los aspectos tecnológicos de cada una de las técnicas propuestas, no representan problema de ningún tipo dado que son necesarios procesos constructivos ampliamente conocidos. La eficacia de los resultados depende en ambos casos de la disponibilidad de recurso humano calificado y del correcto uso de los materiales. Un aspecto clave a considerar es el riesgo de deterioro de losas colindantes al momento de la demolición para la reconstrucción. Esto no se verifica para la opción del DBR.
Ambientalmente la alternativa DBR es menos impactante. La producción de escombros por las tareas de demolición es sensiblemente menor, lo mismo que las emisiones sonoras del proceso constructivo y el consumo de materiales y energía.

CONCLUSIONES

El seguimiento y control durante cuatro años del comportamiento de las losas de hormigón reparadas con el sistema DOWEL BAR RETROFIT ha sido satisfactorio. Los elementos reparados con esta técnica han cumplido eficazmente su función. Su ejecución en obra desde el punto de vista tecnológico es perfectamente compatible con la calidad de las empresas constructoras locales3. No obstante, para su eficacia y durabilidad deben observarse cuidados en cuanto a la calidad de los materiales y su aplicación en obra.
Al momento de la comparación de la alternativa del DBR frente a la opción de la demolición y reconstrucción de las losas afectadas por las fisuras transversales, la primera resulta ambientalmente más amigable y eficiente.
El análisis económico indica que con duraciones relativamente bajas en servicio de las losas reparadas con la técnica DBR, esta solución resulta más conveniente que proceder a la reconstrucción de las losas. Los beneficios son mayores en la medida que el costo de oportunidad del capital sea más alto4.
La necesidad de contar con un tiempo mínimo de duración de las reparaciones indican que la técnica DBR es recomendable para losas nuevas o con considerable vida útil a la fatiga remanente.

Esquemas y relevamiento fotográfico

BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA

THUESEN, H., FABRYCKY, W., THUESEN, G.; “Ingeniería Económica”, Prentice Hall Hispanoamericana; México D.F., 1996.
Dirección Provincial de Vialidad de Mendoza; “Pliego de Especificaciones Técnicas Generales”; Mendoza, 2004.

GARCIA BALADO,J.; “Análisis estructural del pavimento de hormigón”; Instituto del cemento portland; Buenos Aires, 1970.

ANDERSON, D., SWEENEY, D., WILLIAMS, T.; Estadística para la administración y economía”, 10° Edición; Cengage Learning; México D.F., 2008.

http://pdfs.semanticscholar.org (Life Cycle Cost Analysis of Dowel Bar Retrofit)

http://www.wsdot.wa.gov/research/reports/fullreports/576.2.pdf

 

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1 Si bien el volumen de tránsito de la ruta analizada es bajo, la solución de losas de hormigón en intersecciones es una solución siempre recomendable.

2 Téngase presente que el DBR en la obra analizada tiene una edad de cuatro años a la fecha y presenta muy buen estado, por lo que supone que una vida útil promedio de ocho años se considera razonable.

3 La empresa contratista de la Dirección Provincial de Vialidad de Mendoza que ejecutó los trabajos de DBR es del tipo mediana y tiene sede en la ciudad de San Rafael, Mendoza.

4 Esto se justifica por la sensible diferencia en el monto de la inversión inicial de las soluciones.

 

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