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Tecnura
ISSN: 0123-921X
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Colombia
RODRÍGUEZ CALDERÓN, WILSON; PALLARES MUÑOZ, MYRIAM ROCÍO
Desarrollo de un modelo de elementos finitos para el diseño racional de pavimentos
Tecnura, vol. 9, núm. 17, 2005, pp. 25-37
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Bogotá, Colombia
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=257021014002
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Página de la revista en redalyc.org
Sistema de Información Científica
Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal
Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
25Desarrollo de un modelo de elementos finitos para el diseño racional de pavimentos
WILSON RODRÍGUEZ CALDERÓN / MYRIAM ROCÍO PALLARES MUÑOZ
con-ciencias
Desarrollo de un modelo de elementosfinitos para el diseño racional de pavimentos
Development of a finite elements model for rationaldesign of pavement
R E S U M E N
El modelo desarrollado pretende predecir los es-
fuerzos y deformaciones de la estructura del
pavimento por acción del tráfico y el clima, reali-
zando inicialmente un análisis estructural lineal y
planteando luego una propuesta no lineal con su
respectiva solución iterativa, teniendo en cuenta el
carácter de las ecuaciones empleadas. El artículo
presenta un modelo de elementos finitos para des-
cribir de forma real y lógica el comportamiento
físico-mecánico de una estructura de pavimento,
teniendo el mayor número de variables o paráme-
tros permitidos por las formulaciones lineal y no
lineal de los modelos constitutivos de los materia-
les que componen la estructura.
Una vez obtenido el modelo computacional, es po-
sible proceder en una segunda fase a la calibración
de los parámetros mediante medición directa u op-
timización matemática. Este trabajo es el comienzo
de una investigación con posibles modificaciones
futuras, dadas las múltiples irregularidades de una
estructura de pavimento tradicional; no obstante,
el propósito es avanzar en la metodología de análi-
sis del estado tenso-deformacional de los
pavimentos ante cargas estándar.
Palabras clave: elementos finitos, diseño racional de pavimentos, modelos constitutivos.
Key words: finite elements, rational design of pavements, constitutive models.
WILSON RODRÍGUEZ CALDERÓN
Ingeniero Civil de la Universidad Industrial de Santander, Especialista en Gerencia Integral de
Obras de la Escuela de Ingenieros Militares, Magíster en Métodos Numéricos para el Cálculo y
Diseño en Ingeniería de la Universidad Politécnica de Cataluña (Barcelona). Director de los grupos
de investigación Informática y Métodos Matemáticos (registrado ante Colciencias, Colombia) y
Simulación y Control Numérico “SICON” (reconocido por Colciencias). Docente del programa de
Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Javeriana.
MYRIAM ROCÍO PALLARES MUÑOZ
Ingeniera Civil de la Universidad Industrial de Santander, Magíster en Métodos Numéricos para
Ingeniería de la Universidad Politécnica de Cataluña.
Clasificación del artículo: investigación
Fecha de recepción: mayo 02 de 2005 Fecha de aceptación: diciembre 16 de 2005
26 Tecnura año 9 No.17 segundo semestre de 2005
con-ciencias
A B S T R A C T
The model developed in this investigation tries to
predict the stresses and strains of the pavement
structure to traffic and climate. Initially, a lineal struc-
tural analysis is made; later, a non lineal proposal
and the iterative solution are suggested, keeping the
character of the used equations. This article intro-
duces a finite elements model that tries to describe
the physical-mechanical behavior of a pavement
structure, keeping the biggest number of variables
or allowed parameters, so much for the lineal for-
mulation as for the non lineal formulation of the
materials constitutive models that compose the
structure. This work starts a research with possi-
ble future modifications, considering the high variety
of irregularities of the traditional pavement structu-
re. We wish to advance in the tension-deformation
state of pavements in front of standard charges
analysis methodology.
1. Antecedentes e introducción
En el diseño de pavimentos es viable suponer solu-
ciones a partir de las que, mediante un proceso de
ajustes sucesivos, puede lograrse una condición
favorable en la estructura del pavimento que ga-
rantice unas condiciones de equilibrio durante
determinado período de tiempo. Este procedimien-
to para el dimensionamiento de las estructuras de
pavimento se conoce como “métodos analíticos o
racionales”; ellos se fundamentan en el análisis del
estado de esfuerzos y deformaciones que les indu-
cen diferentes solicitaciones como tránsito, clima y
características de los materiales de cada una de las
capas y del suelo de fundación o subrasante.
Para el análisis de estructuras de pavimento exis-
ten dos grandes vertientes o grupos de métodos:
los de carácter empírico y los fundamentados en
criterios racionales, comúnmente llamados meca-
nicistas. Para la implementación adecuada de un
modelo racional se requiere de un computador que
desarrolle los procesos matemáticos y del criterio
ingenieril adquirido por experiencia directa en ca-
racterización de los materiales, determinación de
patologías causantes de daño en estructuras del
pavimento y familiaridad con órdenes de magnitud
de parámetros de entrada y salida del problema.
Los métodos racionales pueden presentar diferen-
cias en la predicción del comportamiento de la
estructura del pavimento de acuerdo con: a) rigu-
rosidad de modelos constitutivos de material; b)
* * *
caracterización de parámetros de entrada; c) hipó-
tesis sobre dominio y condiciones de contorno del
problema; d) compatibilidad existente entre capas;
e) solicitaciones y condiciones ambientales para el
funcionamiento. En la medida en que el modelo se
adecue a las condiciones reales, será mayor la
aproximación con la cual se caracterice la respuesta
estructural y los esfuerzos y deformaciones críti-
cas para el diseño de espesores.
2. Marco teórico
Dentro de los métodos más difundidos para el dise-
ño racional de pavimentos se encuentran aquellos
que representan la estructura como un conjunto de
capas de espesor constante y longitud infinita hori-
zontal, apoyadas sobre un dominio semi-infinito o
subrasante. Las capas se suponen compuestas por
materiales homogéneos, isótropos y gobernados por
un modelo constitutivo lineal elástico. Sin embargo,
debe notarse que en la definición del módulo elástico
de la capa asfáltica se tienen en cuenta la tempera-
tura y frecuencia de aplicación de la carga, con lo
cual, implícitamente, se considera el comportamien-
to visco-elástico real de las mezclas asfálticas. Bajo
esta perspectiva se han desarrollado importantes
aplicaciones computacionales, como ALIZE III,
ELSYM5 y DEPAV1
; paquetes de software que
trabajan con las restricciones propias de su formu-
1 Software comercial para el diseño de pavimentos.
27Desarrollo de un modelo de elementos finitos para el diseño racional de pavimentos
WILSON RODRÍGUEZ CALDERÓN / MYRIAM ROCÍO PALLARES MUÑOZ
con-ciencias
lación y están restringidos en capacidad en cuanto
al número de capas que pueden representar.
Las técnicas más avanzadas para el análisis y dise-
ño racional de pavimentos consideran el uso de
elementos finitos como la vía de mayor flexibilidad
y versatilidad para la representación de los mate-
riales, las condiciones de compatibilidad y la
representación de n capas; en general se destaca
la gran capacidad para incluir complejidades al pro-
blema, generando mayor certeza de los resultados
alcanzados. A este grupo pertenecen las aplicacio-
nes multifísicas que originalmente no están diseñadas
para abordar el problema particular del comporta-
miento tenso-deformacional de la estructura del
pavimento; sin embargo, cuentan con todas las he-
rramientas que aprovechadas por un usuario
experto pueden conducir a modelos satisfactorios,
más centrados en la realidad del comportamiento
del pavimento. En este artículo se plantea el uso de
ANSYS como modelador de alto rango; no obstan-
te, pueden emplearse otros modeladores similares,
por ejemplo, ABAQUS o NASTRAN2
, teniendo
en cuenta que en cada uno de ellos es necesario
realizar una adaptación de acuerdo con las posibili-
dades de modelación numérica que ofrecen.
En este trabajo se presenta un contraste entre los
modelos elásticos y elastoplásticos, generando gran-
des expectativas sobre la validez de las dos teorías
en la representación del comportamiento de los di-
ferentes materiales de un pavimento.
2.1 Ventajas del método de elementos finitos enel análisis
El método de elementos finitos cuenta con innume-
rables ventajas para el desarrollo de un modelo
conceptual y numérico de análisis racional de pavi-
mentos. Entre ellas pueden destacarse:
a) Inclusión de la temperatura como parámetro en
la capa asfáltica. Ello se logra gracias a la posi-
bilidad de incorporar curvas maestras que
caracterizan el módulo dinámico de la mezcla
asfáltica en el intervalo de 5 a 40°C, u otro in-
tervalo de trabajo.
b) Introducción de la no linealidad en las deforma-
ciones (large strain) a través de la activación
de la no linealidad geométrica en el modelo
elastoplástico.
c) Inclusión de la cohesión y del ángulo de fric-
ción como parámetros característicos de los
geomateriales; esto permite, a través de un
modelo constitutivo de Drucker-Prager, carac-
terizar el material no linealmente (aproximación
elastoplástica al modelo de Mohr-Coulomb).
d) Curvas de esfuerzo-deformación (modelos reo-
lógicos).
e) Condición de compatibilidad ligada o no ligada
entre capas.
f) Solución iterativa e incremental para la aplica-
ción de la carga.
g) Determinación de zonas plásticas.
h) Inexistencia de restricción en el número de ca-
pas constituyentes del modelo geométrico.
i) Posibilidad futura de tener en cuenta modelos
constitutivos de material y análisis más avanza-
dos, dado el carácter abierto del método.
2.2 Clasificación y fundamentación del análisis
Los modelos fundamentan su análisis en curvas de
esfuerzo-deformación, teoría elástica y elasto-plas-
ticidad perfecta en geomateriales; sus cálculos se
basan en una representación de las condiciones de
campo en términos del estado de tensiones y de-
formaciones inducidas por diferentes solicitaciones
(cargas, clima, etc.) a los materiales constitutivos
de la estructura del pavimento.
En el modelo lineal es importante señalar que la
imposición o no de condición de liga entre capas
marca notablemente el análisis del comporta-
miento del pavimento. Igualmente, en el análisis
estructural no lineal deben destacarse los siguien-
tes efectos:
• Grandes deformaciones (large strain): la de-
formación no está definida en forma lineal sino
2 Software comercial de elementos finitos.
28 Tecnura año 9 No.17 segundo semestre de 2005
con-ciencias
en términos de una función logarítmica (e = Ln
(DL/L)) que permite minimizar el error en los
cálculos ante grandes deformaciones. Es de
notar que esta expresión es muy conveniente
en el análisis de geomateriales, según la litera-
tura técnica sobre este tema.
• Variación en la forma de aplicación de la carga
a medida que la estructura se deforma: las car-
gas concentradas y el peso mantienen su
dirección después de la deformación, mientras
que la presión de inflado siempre se ejerce de
manera perpendicular a la superficie, ajustán-
dose a la estructura deformada.
• Variación de la respuesta estructural de acuer-
do con el nivel de esfuerzos: cada punto del
modelo puede trabajar de manera elástica o
inelástica de acuerdo con el nivel de esfuerzo
solicitado, representando la no linealidad del
problema.
3. Planteamiento del problema
3.1 Modelación de la estructura del pavimento
En el análisis de la estructura de un pavimento nue-
vo se requiere de un predimensionamiento, esto es,
de los espesores de las capas que lo componen
obtenidos de diseños preliminares. En estructuras
existentes los espesores de capa son determinados
mediante inspección directa a través de sondeos,
apiques o extracción de núcleos.
En la figura 1 se esquematiza una estructura de
pavimento típica. En un modelo de este tipo desa-
rrollado con ANSYS pueden añadirse capas y variar
la dimensión de los espesores y tipos de material, si
el analista así lo requiere. El modelo desarrollado
en este trabajo representa sólo la mitad derecha
utilizando una formulación axisimétrica bidimensio-
nal del problema de esfuerzo-deformación. La línea
roja representa el eje de simetría para el dominio y
la carga circular de magnitud q y radio a. En cuan-
to a la condición de unión de las interfaces puede
optarse por compatibilidad ligada o no ligada, de
acuerdo con los materiales componentes y la expe-
riencia del analista en proyectos similares.
Figura 1. Estructura típica de un pavimento
Las dimensiones de las capas constitutivas de la
estructura del pavimento modelado se presentan en
la tabla 1.
Tabla 1. Espesores de capa de la estructura del pavimento
La subrasante es semi-infinita; sin embargo, en los
modelos de elementos finitos las fronteras se ubi-
can de tal forma que puedan establecerse líneas en
donde no existen desplazamientos importantes, de-
bido a la lejanía que presentan respecto a la carga
aplicada.
3.2 Módulos de elasticidad de los materiales
Los módulos de elasticidad del suelo y de las capas
granulares se determinan por medio de ensayos
triaxiales dinámicos para suelos. El módulo elástico
de la capa asfáltica se establece a través de ensa-
yos de módulos dinámicos a la temperatura y a la
frecuencia de diseño del pavimento, o por medio de
pistas de prueba o tramos experimentales sobre los
cuales se realizan ensayos de viga Benkelman do-
ble o utilizando deflectómetros.
El ensayo de módulos dinámicos se realiza emplean-
do una máquina de tracción indirecta, como la
máquina dinámica de ensayos Nottingham Asphalt
Tester –NAT. El ensayo es una prueba de tracción
indirecta: una carga vertical es aplicada con de-
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa
29Desarrollo de un modelo de elementos finitos para el diseño racional de pavimentos
WILSON RODRÍGUEZ CALDERÓN / MYRIAM ROCÍO PALLARES MUÑOZ
con-ciencias
terminada frecuencia a una probeta de mezcla as-
fáltica midiendo instantáneamente el desplazamiento
horizontal de la muestra mediante sensores (LVDT)
calibrados para capturar desplazamientos del orden
micrométrico. La frecuencia de carga es controlada
a través del parámetro rise-time (tiempo pico), que
determina el tiempo de ascenso de la carga y permi-
te tener en cuenta el comportamiento viscoelástico
real de las mezclas asfálticas. Generalmente, el en-
sayo se realiza a tres temperaturas (5, 25 y 40°C)
para caracterizar lo que comúnmente se denomina
curva maestra de la mezcla asfáltica o del núcleo
extraído in situ. Las figuras 2, 3 y la gráfica 1 ilus-
tran ciertos detalles sobre el ensayo de módulos.
Figura 2. Montaje de la prueba de módulos dinámicos –NAT
Los módulos de elasticidad tomados como referen-
cia se muestran en la tabla 2.
Tabla 2. Módulos de las capas constitutivas
Figura 3. Aplicaciones de carga en pruebas de módulos dinámicos
Gráfica 1. Curvas maestras de módulos dinámicos3 El valor del módulo dinámico fue tomado de ensayos sobre
muestras obtenidas en el Laboratorio de Asfaltos del Instituto
Colombiano del Petróleo, en el marco de la investigación de los
autores, titulada “Aditivos mejoradores de adherencia para asfaltos”.
Las conclusiones más importantes de este proyecto se publicaron
en la revista de Corasfaltos Asfaltos y Pavimentos (septiembre de
2000). La granulometría de la mezcla corresponde al huso medio de
la especificación MDC-2 del Invías-96 para capa de rodadura de
mezcla densa en caliente. El asfalto utilizado fue una muestra de
Apiay-1999. La dosificación se efectuó con el método Marshall y el
porcentaje óptimo de asfalto obtenido fue de 6,3%. El valor del
módulo dinámico empleado en el modelo se tomó a una temperatura
de 25°C y una frecuencia de 5 Hz.
3.3 Relaciones de Poisson
El módulo de Poisson se define como la relación
entre las deformaciones horizontal y vertical indu-
cidas en la estructura del pavimento por acción de
la carga. La variación de este parámetro no tiene
una incidencia considerable en su comportamiento;
por esta razón, se emplean valores característicos
como los mostrados en la tabla 3.
Tabla 3. Relaciones de Poisson de las capas constitutivas de
la estructura del pavimento
* Los datos fueron tomados del documento “Caracterización
de materiales viales. Su aplicación al diseño estructural de
pavimentos” de la Universidad del Cauca, en el cual se recopilan
importantes trabajos de investigación de diferentes países
incluido Colombia.
En el modelo que aquí se propone se incorporó la
variación del módulo de Poisson respecto a la tem-
30 Tecnura año 9 No.17 segundo semestre de 2005
con-ciencias
peratura en la capa asfáltica utilizando la siguiente
función, propuesta por la Universidad de Notting-
ham:
Para T< 10º C → ν = 0,25
T> 10º C → ν = 0,01*T + 0,15 (1)
Suponiendo condiciones normales de temperatura
(25°C) en la capa asfáltica, ν ≈ 0,40. La gráfica 2
ilustra el comportamiento de Poisson en la capa
asfáltica respecto a la temperatura, como lo indica
la expresión (1).
Gráfica 2. Curva de la Universidad de Nottingham para la
relación de Poisson en mezclas asfálticas
3.4 Ángulo de fricción interna y cohesión
Estos dos datos son imprescindibles para el modelo
elastoplástico no lineal propuesto en este trabajo.
Empleando estos dos parámetros es posible definir
el esfuerzo de fluencia incorporando materiales
constitutivos del tipo elasto-plástico perfecto (grá-
fica 3), que son una aproximación bastante cercana
del modelo constitutivo de Mohr-Coulomb para geo-
materiales.
Para geomateriales, el modelo de Drucker-Prager
establece que el esfuerzo de fluencia puede ser
calculado por medio de:
(2)
donde: σy → Esfuerzo de fluencia
φ → Angulo de fricción interna
C → Cohesión > 0
Gráfica 3. Curva esfuerzo-deformación de un geomaterial
(modelo Drucker-Prager)
Para el modelo no lineal se establecieron valores
de prueba obtenidos de la literatura técnica en el
tema. Sin embargo, es importante señalar que este
modelo es una propuesta cuyo éxito dependerá de
la calibración de los parámetros por medio de en-
sayos de laboratorio y de campo que permitan
establecer su magnitud real. En cualquier caso, el
modelo Drucker-Prager ha sido probado con éxito
en problemas geotécnicos de cierta utilidad prácti-
ca en ingeniería. La tabla 4 muestra los valores
adoptados para probar el modelo no lineal de ele-
mentos finitos en este trabajo.
Tabla 4. Cohesión y ángulo de fricción para el modelo no
lineal propuesto
Se conoce que en la capa asfáltica el ligante aporta
cohesión a la mezcla asfáltica y el agregado mine-
ral la componente friccionante (SUPERPAVE). En
las demás capas la cohesión y el ángulo de fricción
son parámetros conocidos y utilizados ampliamen-
te en problemas de esfuerzos bajo zapatas y
estabilidad de taludes, referenciados con suficien-
cia en la literatura técnica sobre el tema.
3.5 Presión de inflado y radio de carga
La carga aplicada está representada por una pre-
sión vertical distribuida uniformemente sobre un área
31Desarrollo de un modelo de elementos finitos para el diseño racional de pavimentos
WILSON RODRÍGUEZ CALDERÓN / MYRIAM ROCÍO PALLARES MUÑOZ
con-ciencias
circular. Se ha demostrado que la presión transmi-
tida equivale a la presión de inflado de las llantas.
Como el modelo utilizado en este trabajo es bidi-
mensional, en el programa es necesario especificar
que la carga es aplicada en un área circular, lo cual
determina la naturaleza axisimétrica del modelo. El
radio de carga empleado es de 10,8 cm, bajo una
presión de inflado de 5,6 kg/cm2
.
3.6 Condiciones de contorno aplicadas almodelo
El modelo está confinado lateralmente y el eje de la
carga circular está restringido en sus movimientos
horizontales debido a la simetría de la carga respecto
al eje central. La base de la estructura está restringida
en su movimiento vertical y su ubicación se establece
en la medida que los desplazamientos de dicha base
tiendan a cero. Las capas se consideran ligadas o no
ligadas, según el caso, y la geometría utilizada busca
aprovechar la característica cilíndrica del modelo real,
permitiendo un ahorro considerable en elementos y
tiempo computacional.
3.7 Parámetros de control del diseño
En la estructura del pavimento, la deformación por
tracción en la fibra inferior de la capa asfáltica
(et) y el esfuerzo vertical por compresión aplica-
do sobre la subrasante (sv) se establecen como
parámetros de control. Se destaca que el esfuerzo
de tracción en la fibra inferior de la capa asfáltica
(st) es un parámetro que puede establecer diferen-
cias entre un modelo elástico y uno elastoplástico.
En la figura 4 se indica la ubicación de estos pará-
metros en la estructura del pavimento.
Figura 4. Ubicación de los parámetros de control del diseño de la estructura del pavimento
3.8 Organización del programa ANSYS
El programa ANSYS está organizado en dos niveles
básicos: entrada y procesamiento (o de rutinas). El
nivel de entrada actúa como una puerta dentro y fue-
ra del programa; es usado para tener un control global
del programa. En el nivel de procesamiento están dis-
ponibles varios procesadores, cada uno constituido por
un conjunto de funciones que realizan tareas específi-
cas del análisis: en el preprocesador general (/PREP7)
se construye el modelo paramétricamente (geome-
tría, materiales, acoplamiento y restricciones a los
grados de libertad), en el procesador de solución
(/SOLU) se aplican las cargas y se obtiene la solu-
ción del problema, y en el posprocesador general
(POST1) se evalúan los resultados sobre todo el
modelo en puntos específicos.
4 Disponible en la librería de elementos del programa comercial de
elementos finitos ANSYS.5 Las direcciones ortotrópicas del material corresponden a las
direcciones de las coordenadas del elemento.
3.9 Elemento finito empleado
El elemento PLANE424
es bidimensional y definido
por cuatro nodos, con dos grados de libertad por nodo
(UX,UY) y capacidad para representar estados de
tensión plana, deformación plana y axisimetría. El
elemento posee propiedades plásticas, creep, rigidez
al esfuerzo, grandes deflexiones y capacidad para
grandes deformaciones; también posee propiedades
para materiales ortotrópicos5
. En la tabla 5 se ilus-
tran la geometría, localización de nodos y sistema de
coordenadas para este elemento, con el que se cons-
truyeron todas las capas del modelo.
32 Tecnura año 9 No.17 segundo semestre de 2005
con-ciencias
Tabla 5. Datos de entrada del elemento para análisis estructural –2D, PLANE42
4. Resultados y discusión
Con el objeto de observar los efectos de los mode-
los constitutivos de los materiales, las condiciones
de liga o no liga entre capas y la verificación de
parámetros de diseño (esfuerzos y deformaciones
de tracción en la interfase capa asfáltica-base
granular y los esfuerzos verticales en la subrasan-
te) en la estructura de un pavimento, se realizaron
tres modelos6
:
1) Modelo elástico lineal de capas ligadas: la hipó-
tesis de compatibilidad en todas las capas es de
tipo ligada, lo que significa compatibilidad total
en los desplazamientos horizontales y verticales.
2) Modelo elástico lineal de capas no ligadas: la
hipótesis de compatibilidad en todas las capas
es de tipo no ligada, que simboliza compatibili-
dad sólo en los desplazamientos verticales.
3) Modelo elastoplástico no lineal de capas liga-
das7
: la hipótesis de compatibilidad en todas las
capas es de tipo ligada, con compatibilidad total
en los desplazamientos horizontales y vertica-
les. Este modelo es una propuesta que debe ser
calibrada y verificada en estudios futuros; sin
embargo, es factible numérica y físicamente, si
se tiene en cuenta que los parámetros de cohe-
sión y ángulo de fricción son comunes en la
mecánica de los geomateriales y pueden ser
determinados en el laboratorio.
Los resultados de esfuerzo y deformación de los
tres modelos en consideración se presentan por
medio de isocontornos.
4.1 Modelo elástico lineal de capas ligadas
En la figura 5 se ilustra el modelo geométrico para
las tres alternativas planteadas anteriormente. De
abajo hacia arriba, la primera capa es la subrasan-
te; la siguiente, la sub-base; la tercera, la base y la
cuarta, la capa asfáltica.
6 Trabajo de investigación realizado por uno de los autores
(Rodríguez W.) en el Instituto Colombiano del Petróleo.7 El análisis de comparación se realiza entre un modelo lineal y un
elastoplástico (no se hace con un viscoelástico), dado que existen
serias restricciones para obtener parámetros viscoelásticos de
mezclas asfálticas que puedan emplearse en un modelo de
elementos finitos. Hasta el momento, en Colombia no existen
máquinas para realizar ensayos que puedan obtener estos
parámetros vía experimental. El modelo elastoplástico sugerido
tiene la ventaja de poseer parámetros obtenibles en el laboratorio y,
por tanto, es un modelo factible que va más allá de las técnicas
convencionales y que verifica un problema reportado en la literatura:
la plastificación de la base.
33Desarrollo de un modelo de elementos finitos para el diseño racional de pavimentos
WILSON RODRÍGUEZ CALDERÓN / MYRIAM ROCÍO PALLARES MUÑOZ
con-ciencias
Figura 5. Dominio del modelo geométrico
En las gráficas 4 y 5 puede observarse la concentra-
ción de esfuerzos y deformaciones horizontales en
la interfase constituida por la capa asfáltica y la base,
como lo predicen otras teorías (por ejemplo, la elás-
tica lineal multicapa, empleada por programas
comerciales como el ALIZE III y el DEPAV). La
gráfica 6 revela que el bulbo de esfuerzos reduce su
influencia a medida que se acerca a la subrasante,
como se espera para garantizar la capacidad portan-
te del suelo. Finalmente, la gráfica 7 permite observar
una concentración de esfuerzos de corte en la capa
asfáltica, que comúnmente no es empleada como pa-
rámetro de control, pero que sería importante evaluar
por los posibles efectos de daño que le producirían,
ya que de ser así debería tenerse en cuenta en el
diseño racional de pavimentos.
Gráfica 4. Isocontornos de esfuerzo horizontal
Gráfica 5. Isocontornos de deformación total horizontal
Gráfica 6. Isocontornos de esfuerzo vertical
Gráfica 7. Isocontornos de esfuerzo cortante
34 Tecnura año 9 No.17 segundo semestre de 2005
con-ciencias
4.2. Modelo elástico lineal de capas no ligadas
Las gráficas 8 y 9 ponen de manifiesto la influencia
de la compatibilidad no ligada en el comportamien-
to estructural del pavimento, demostrando que los
esfuerzos y las deformaciones horizontales son ab-
sorbidos en gran parte por la capa asfáltica. La gráfica
10 demuestra que el bulbo de esfuerzos vertical se
corta y solo permanece en la capa asfáltica, deno-
tando de cierta manera la discontinuidad provocada
por el carácter no ligado de las capas. La gráfica 11
muestra la persistencia de la concentración de
esfuerzos cortantes en la capa asfáltica.
Gráfica 8. Isocontornos de esfuerzo horizontal
Gráfica 9. Isocontornos de deformación total horizontal
Gráfica 10. Isocontornos de esfuerzo vertical
Gráfica 11. Isocontornos de esfuerzo cortante
4.3. Modelo elastoplástico no lineal de capasligadas
Gráfica 12. Isocontornos de esfuerzo horizontal
35Desarrollo de un modelo de elementos finitos para el diseño racional de pavimentos
WILSON RODRÍGUEZ CALDERÓN / MYRIAM ROCÍO PALLARES MUÑOZ
con-ciencias
Gráfica 13. Isocontornos de deformación total horizontal Gráfica 16. Isocontornos de deformación plástica horizontal
Gráfica 14. Isocontornos de esfuerzo vertical
Gráfica 15. Isocontornos de esfuerzo cortante
En las gráficas 12 y 13 se observa la concentración
de esfuerzos y deformaciones horizontales en la
interfase capa asfáltica-base, tal como lo predice
el modelo elástico lineal de capas ligadas; sin em-
bargo, los valores difieren un poco por el cambio
mismo del modelo constitutivo. La gráfica 14 mues-
tra un bulbo de esfuerzos verticales similar al del
modelo elástico de capas ligadas. La gráfica 15
expone la misma configuración en la concentración
de los esfuerzos de corte de la capa asfáltica del
modelo lineal elástico de capas ligadas, con dife-
rencias en los valores. Finalmente, la gráfica 16
revela los fenómenos plásticos en la capa de base,
los cuales se sugiere analizar con mucho cuidado,
si se tiene en cuenta que ellos están controlados
por los parámetros de cohesión y ángulo de fric-
ción del material granular constitutivo.
5. Comparación de resultados
En la tabla 6 se presentan comparaciones entre
esfuerzos y deformaciones para cada uno de los
modelos. Sx (kg/cm2
) representa el esfuerzo hori-
zontal en la interfase capa asfáltica y base granular;
ex, la deformación horizontal en la interfase capa
asfáltica y base granular; Sxy (kg/cm2
) es el es-
fuerzo cortante máximo en la capa asfáltica.
36 Tecnura año 9 No.17 segundo semestre de 2005
con-ciencias
Tabla 6. Comparación de parámetros de respuesta en los tres modelos
El esfuerzo horizontal Sx es mayor en el modelo no
lineal y se observa una diferencia significativa en-
tre los resultados obtenidos con condición ligada y
no ligada. En las deformaciones horizontales (εx)
ocurre lo mismo que con los esfuerzos horizonta-
les, Sx. En los esfuerzos de corte Sxy se observan
valores similares entre el modelo elástico lineal li-
gado y el modelo no lineal, mientras que el modelo
lineal no ligado presenta esfuerzos menores. La con-
dición no ligada es difícil de garantizar en campo,
dado que en las interfases en verdad existe un fe-
nómeno de contacto complejo y, en algunos casos,
la condición de no liga puede ser inconveniente para
la estabilidad de la estructura. No obstante, los mo-
delos evidencian que el efecto estructural de las
cargas es menor cuando la condición de compatibi-
lidad de las capas es no ligada.
En general, el modelo no lineal es más crítico que el
lineal. Esta situación genera la pregunta: ¿es ne-
cesario avanzar hacia modelos no lineales de
predicción de esfuerzos y deformaciones en pavi-
mentos? Esta pregunta no puede ser respondida
categóricamente, descalificando las aproximacio-
nes hechas por los modelos lineales; no obstante,
los resultados obtenidos del análisis que aquí se plan-
tea advierten que vale la pena realizar esfuerzos
por ir más allá de la teoría de la elasticidad, ya que,
efectivamente, en los pavimentos suceden fenóme-
nos no lineales como deformaciones plásticas,
fluencia y fatiga, entre otros, que sólo pueden abor-
darse considerando otros modelos constitutivos de
mayor alcance.
Sin embargo, deberá evitarse emplear modelos ex-
cesivamente complejos, pues en muchas ocasiones
no es factible obtener sus parámetros por medio
del laboratorio y no queda otra salida que acudir a
costosas técnicas de retrocálculo, debido a la gran
información que requieren para obtener ajustes me-
dianamente satisfactorios, y al consumo de tiempos
considerables para llegar a obtener resultados con
márgenes de confiabilidad aceptables. En este sen-
tido, se considera que la propuesta no lineal
presentada en este trabajo es viable, si se tiene en
cuenta que los parámetros de cohesión, fricción y
módulo pueden ser determinados con pruebas de
laboratorio reconocidas.
6. Conclusiones y recomendaciones
• El método de elementos finitos demuestra su
superioridad respecto a otras metodologías y
marca un camino a seguir para realizar diseños
de pavimentos más ajustados al comportamiento
real. En una segunda fase se propone realizar
las actividades de calibración pertinentes y la
verificación de los modelos para determinar su
grado de validez. Sin embargo, debe destacar-
se que el desarrollo de los modelos numéricos
en sí mismos constituyen una importante herra-
mienta para futuras investigaciones en el campo
del análisis y diseño de pavimentos.
• El esfuerzo de corte es un dato no empleado
normalmente como parámetro de control en el
diseño de pavimentos; sin embargo, los mode-
los de elementos finitos advierten la existencia
de concentraciones de esfuerzos de corte que
probablemente induzcan fallas importantes a la
estructura. Mediante la implementación de un
modelo numérico adecuado podría predecirse
de manera más clara su influencia y la relevan-
cia de tenerlo en cuenta en el diseño. Para pistas
de aeropuertos, el cálculo de esfuerzos de cor-
te tiene gran importancia si se tiene en cuenta
que el impacto de los aviones durante el proce-
37Desarrollo de un modelo de elementos finitos para el diseño racional de pavimentos
WILSON RODRÍGUEZ CALDERÓN / MYRIAM ROCÍO PALLARES MUÑOZ
con-ciencias
so de aterrizaje produce esfuerzos de corte de
magnitud considerable.
• La condición de liga entre capas no es muy
ventajosa respecto de la de no liga desde el punto
de vista de los esfuerzos y deformaciones ob-
tenidos del análisis. No obstante, en la realidad
suele existir un fenómeno complejo de contac-
to entre capas intermedio entre las condiciones
de liga y no liga. En la topografía colombiana
(zonas montañosas en gran parte del territorio)
no convienen los estados de no liga, que pue-
den afectar la estabilidad de las estructuras.
• Algunas veces la condición de liga entre capas
puede verse afectada por la inclusión de geoma-
llas en las interfases (por ejemplo, geomallas
en la interfase capa asfáltica-base); por esto,
se recomienda evaluar la conveniencia técnica
y económica de emplear este tipo de materiales
en estructuras.
• Se recomienda usar los resultados de los mode-
los numéricos de elementos finitos con buen
juicio y rigor matemático, físico e ingenieril para
tomar decisiones basadas en las restricciones e
hipótesis propias de los modelos; de otra mane-
ra, puede llegarse a concepciones erradas o poco
ajustadas a la realidad. No debe olvidarse que
todo modelo matemático o físico es una aproxi-
mación a la realidad, y que es imprescindible
reconocer el alcance de las teorías que susten-
tan las predicciones halladas.
• El modelo elastoplástico desarrollado en este
trabajo predice deformaciones plásticas en la
base granular. Esta situación es reportada por
la literatura en casos de campo.
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