INSTALACIONES AEROPORTUARIAS CLCULO DE PAVIMENTOS ESTUDIO DE ACCIONES SOBRE ESTRUCTURA Rafael Rodrguez Irastorza lvaro Rodrguez Sanz Pedro Mara Ros Prado Guillermo Urraca LpezINSTALACIONES AEROPORTUARIASINDICE 1 CLCULO DE PAVIMENTOS................................................................................ 2 1)INTRODUCCIN......................................................................................................... 3 2)PAVIMENTO FLEXIBLE............................................................................................ 4 DETERMINACIN DE LA AERONAVE DE CLCULO.................................. 5 DETERMINACIN DE LAS SALIDAS EQUIVALENTES DE LA AERONAVE DE CLCULO....................................................................................... 7 CLCULO DE ESPESORES DE PAVIMENTO FLEXIBLE SEGN EL MTODO DE LA F.A.A. ............................................................................................. 9 3)PAVIMENTO RGIDO............................................................................................... 15 DETERMINACIN DE LA AERONAVE DE CLCULO................................ 16 DETERMINACIN DE LAS SALIDAS EQUIVALENTES DE LA AERONAVE DE CLCULO..................................................................................... 19 CLCULO DE ESPESORES DE PAVIMENTO RGIDO SEGN EL MTODO DE LA F.A.A. ........................................................................................... 21 ESTUDIO DE ACCIONES SOBRE UNA ESTRUCTURA .................................... 27 1)INTRODUCCIN....................................................................................................... 28 2)ACCIONES GRAVITATORIAS................................................................................ 29 CLCULO DE LAS CONCARGAS.................................................................... 30 CLCULO DE LAS SOBRECARGAS ............................................................... 33 CARGAS POR METRO LINEAL EN CADA UNO DE LOS PRTICOS ........ 36 3)ACCIONES ELICAS ............................................................................................... 38 4)CARGAS SSMICAS CONTRA LA ESTRUCTURA .............................................. 42 CLCULO DEL PERODO FUNDAMENTAL DEL EDIFICIO....................... 43 APLICACIN DE LA NORMATIVA ESPAOLA NCSE-02 .......................... 46 EVALUACIN DE LAS FUERZAS ESTTICAS HORIZONTALES EQUIVALENTES....................................................................................................... 50 INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 2 CLCULO DE PAVIMENTOS INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 3 1)INTRODUCCIN Lamisindelospavimentosdepistasyplataformasesladetransmitirlas cargasdelostrenesdeaterrizajedelosavionesalterreno.Existendostipos principalmente: a) Pavimentos flexibles b) Pavimentos rgidos Ambos,juntoconelavinyelterrenodefundacin,formanunsistema interactivo, y as debe tenerse en cuenta en los clculos a travs de variables interrelacionadas que intervienen en los mismos. Las variables que se utilizan en el sistema de clculo F.A.A. son: -TipoI:Losqueserefierenaltrficoquedebesoportarelpavimento,como son: -Los distintos tipos de aviones. -Volumen del trfico. - Tipo II: Los que se refieren al avin, como son: -La forma del tren de aterrizaje (disposicin de ruedas). -La carga sobre el tren principal. -rea de contacto del neumtico. - Tipo III: Los que se refieren a la calidad del terreno, como son: -El valor del CBR del terreno para el clculo de pavimentos flexibles. -El coeficiente de balasto K del terreno y de la subbase para el clculo de pavimentos rgidos. - Tipo IV: Composicin de las distintas capas del pavimento. INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 4 Lascurvasdediseo queproporcionaF.A.A.sebasanenelmtodoCBRde diseoparapavimentosflexibles.Paraeldiseodepavimentosrgidosel mtodo utilizado es el del anlisis de tensiones que se forman en el borde de la losa. A continuacin se realizar el clculo del espesor necesario para pavimento flexible y rgido, as comola determinacin el valor PCN, para un terreno de CBR=8 y la siguiente previsin de trfico: Tipo de avinDespegues anuales mximos B747-4004000 A310-30057000 B767-30088000 A320-20027000 MD90-5077000 B-737-6005000 FOCKER-10038000 2)PAVIMENTO FLEXIBLE Estformadoporunacapaderodaduraasflticadeunos10-16cm.de espesor,apoyadosobreunacapadefirme,ycuandolascondicionesdel terreno de fundacin lo requieren, se aade una capa de cimiento. TT RodaduraCimiento o subbaseFirme o base12 TT3 FAAindicaquetantoelfirmecomoelcimientodebenconstruirseconcapas estabilizadascuandoelpavimentodebasoportaravionesde100.000libras (45.400 Kg) o ms de peso al despegue. INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 5 Calcular un pavimento flexible es determinar los valores de T1, T2, T3 y T . El mtodo de clculo propugnado por F.A.A. se basa: 1.En la forma del tren de aterrizaje. 2.En el CBR del terreno. 3.En el peso mximo al despegue del llamado "avin de clculo". 4.Enelnmerode"salidas(despegues)anualesequivalentes"del"avin de clculo". Conocidosestosdatos,F.A.A.olosAirportPlanningproporcionanunos grficos para cada forma de tren de aterrizaje que permiten determinar: 1.Elespesordelacapaderodaduraasfltica"T1"enfuncindequese trate de un rea crtica o no. 2.El espesor total del pavimento "T". 3.El espesor del firme "T2". 4.Por diferencia el espesor del cimiento "T3". DETERMINACIN DE LA AERONAVE DE CLCULO Sedefinelaaeronavedeclculocomoaquelladeentretodaslasquevana utilizardeterminadapista,queparaelnmerodesalidasmximasestimadas paraunaoyparaunCBRdelterrenodado,necesitaelmayorespesorde pavimento. En este caso, el CBR del terreno vale 8. Lo primero ser conocer las aeronaves que operan, as como su MTOW, el tipo detrenprincipalquetienenyelnmerodesalidasmximasanuales (determinadasatravsdelasprognosisnecesarias,queennuestrocasoson datos de entrada). Con estos datos se entra en las curvas de la F.A.A. o bien enlosbacosdelAirportPlanningparadeterminarelespesornecesariode mezcla bituminosa para cada tipo de avin. INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 6 Tipo de avin Despegues anuales mximos MTOW (lb) MTOW (kg) Tipo de tren Espesor total (in) Espesor total (cm) Espesor total corregido(cm) B747-4004000870000394625 2 B(4) 18 4646 A310-30057000346125157000B(4)3897102 B767-30088000350000158750B(4)358995 A320-2002700016650075500R.G.276969 MD90-507700015600070760R.G.307681 B-737-600500014350065090R.G.287171 FOCKER-100 3800010100045810R.G. 25 6466 La columna de espesor total se corresponde con los valores calculados a travs de los bacos. No obstante, en el caso de que el nmero de salidas sea superior a 25000, los resultados de espesor resultante deben ser corregidos al alza, que se reflejan en la columna de espesor total corregido, mediante la siguiente expresin: |||

\|||

\| + =25000log 133 . 0 125000Ne etotal Alavistadelosresultados,laaeronavedeclculoeselA310-300,quees aquella para la que se requiere un mayor espesor de pavimento flexible, e=102 cm de espesor en este caso. INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 7 DETERMINACIN DE LAS SALIDAS EQUIVALENTES DE LA AERONAVE DE CLCULO Consiste en calcular el nmero de salidas equivalentes de todas las aeronaves queoperanenelaerdromo,enrelacinalassalidasquehacelaaeronave tipo, es decir, el A310-300. Lo primero ser convertir las aeronaves de rueda gemela a boogie de 4 ruedas. Para ello, con las normas dadas por la F.A.A., se aplica un factor de correccin de 0.6 al nmero de salidas reales de la aeronave, que se denominarn como R2. Posteriormenteseha decalcularelvalordecargasobrecadaruedadecada avin (W). Se usa la siguiente expresin:nMTOWW = 95 . 0 , dondeneselnmeroderuedasdeltrenprincipal,4enelcasoderueda gemelay8enelcasodetrentipoboogie.Asimismosetieneencuentaque kg 8644 1815700095 . 0 95 . 0 = = =nMTOWWaceselpesoporruedaparaelA310-300, la aeronave de clculo. Tambin hay que tener en cuenta que el Boeing 747-400 es una aeronave de fuselajeancho,ysegnlanormativadelaF.A.A.estetipodeaeronave,a efectosdeclculo,siempreseconsideracomounaaeronavede MTOW=300000lb=136078kg, con boogie de 4 ruedas. Finalmente,elnmerodesalidasequivalentesdelaaeronavedeclculo(R1) se determinan mediante la expresin:

|||

\|=25 . 01log log RWWanti Rac INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 8 De este modo se puede confeccionar la siguiente tabla: Tipo de avin Despegues anuales Factor de conversin Salidas con el tren de aeronave de clculo (R2) Carga por rueda W (kg) Salidas equivalentes de la aeronave de clculo (R1) B747-400400014000161592256 A310-300570001570001864457000 B767-300880001880001885293754 A320-200270000,6162001793113435 MD90-50770000,6462001680526830 B-737-60050000,63000154591466 FOCKER-100380000.622800108802133 N total de salidas equivalentes del A310-300 196874 Aspues,sepuedeconsiderarquetodoslosdespeguesdetodaslas aeronavesdelaprognosissonequivalentesa196874despeguesdeun A310-300. INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 9 CLCULO DE ESPESORES DE PAVIMENTO FLEXIBLE SEGN EL MTODO DE LA F.A.A. Los datos de partida son los siguientes: Avin de clculo A310-300 MTOW: 157000 kg (346125 lb). Nmero de despegues: 196874 CBR del terreno: 8 Los pavimentos flexibles consisten en una "capa de rodadura" formada por una mezclaencalientecolocadasobreunasubbaseofirmeysifuesenecesario (comoresultageneralmente)unasubbaseinferiorqueseapoyasobrela cimentacinoelterreno.Paraavionesdemsde100.000librasdepesose requierequelabaseylasubbaseseanestabilizadas(FAA),queesloque ocurre en nuestro caso. Paracalcularlosespesoresestabilizados,primerosedebendeterminarlos espesores de pavimento sin estabilizar, y posteriormente aplicar una correccin paradeterminarlosestabilizados.Paraello,seemplealanomenclatura definida en la siguiente figura: TT RodaduraCimiento o subbaseFirme o base12 TT3 Se denomina T4 al valor resultante: T4=T-T3, es decir: T4=T2+T1 ElespesortotaldelpavimentoTseobtienedirectamentedelosgrficos F.A.A.correspondientealtrendeaterrizajedelavindeclculo,odelgrfico obtenido del Airport Planning, y a travs del CBR del terreno, del peso mximo INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 10 aldespeguedelavindeclculoydelmximodeoperacionesequivalentes anuales. En nuestro caso, el espesor antes de la correccin debida a que el nmero de operaciones es mayor de 25.000 es T*=38 in (97 cm). Aplicando la correccin, T=109 cm. El valor T1 se obtiene directamente en los bacos para tren de aterrizaje boggie de 4 ruedas, marcando stos que para zonas crticas el espesor debe ser de 4 in(10cm.)yenaquellaszonasnoconsideradascrticaselvalordelespesor debe ser de 3 in (8 cm.). Dado que el nmero de salidas es superior a 25.000, estosvaloresdebenserincrementadosen1in(3cm),esdecir,queelvalor final en zonas no crticas ser de 11 cm. y en las zonas crticas el valor ser de 13 cm. ElvalordeT4sepuedeobtenertambindelosbacos,considerandoquela subbase es un terreno de CBR mayor del dado. Supondremos que el valor del CBR de la subbase es de 20, y por tanto, acudiendo a los bacos, T4=20 in (51 cm.). No obstante, de nuevo hay que corregir al alza ese valor, debido a que el nmerodeoperacionesessuperiora25000.As,elvalorcorregidodeT4 mediante la frmula |||

\|||

\| + =25000log 133 . 0 125000Ne etotal , ser T4=57cm. Por tanto, el valor del firme no estabilizado ser de T2=T4-T1=57-13=44 cm. Por ltimo, el valor del espesor de la subbase ser de T3=T-T4=109-57=52 cm. DeacuerdoalanormativaAC-150/5320-6Dde1995,elvalordelespesor mnimodebaseparaunaaeronavede157000kgytrendeaterrizajetipo boogiede4ruedas,debeserde20cm,queesinferioralvalorobtenido mediantenuestrosclculos.Porlotanto,elespesorT2=44cmseconsidera vlido. INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 11 ESPESORES MNIMOS DE BASE SEGN AC-150/5320-6D de 1995 Peso del avinEspesor mnimo de base AVIN lbs.(Kg)in.(mm) Rueda Simple 30.000 -50.000 -50.000 75.000 (13.600 -(22.700 -22.700) 34.000) 4 6 (100) (150) Ruedas Gemelas 50.000 -100.000 -100.000 200.000 (22.700 -(45.000 -45.000) 90.700) 6 8 (150) (200) Boogie de cuatro ruedas 100.000 -250.000 -250.000 400.000 (45.000 -(113.400 -113.400) 181.000) 6 8 (150) (200) B-757 / 767200.000 - 400.000(90.700 - 181.000)6(150) DC-10 / L.1011400.000 - 600.000(181.000 - 272.000)8(200) B-747 400.000 -600.000 -600.000 850.000 (181.000 -(272.000 -272.000) 385.700) 6 8 (150) (200) C-130 75.000 -125.000 -125.000 175.000 (34.000 -(56.700 -56.700) 79.400) 4 6 (100) (150) Unavezcalculadoslosespesoressinestabilizar,quesemuestranenla siguientetabla,seprocedealclculodelosvaloresdeespesordelterreno estabilizado. T1T2T3T4T 13cm44cm52cm57cm109cm Enlospavimentosquedebensoportaraeronavesdepesoigualosuperiora 100.000 libras, las bases y las subbases debern ser estabilizadas o al menos serbasesgranularesderidosmachacadosdeltipoP-209.Alutilizarestos materiales de ms calidad se podrn disminuir los espesores de los pavimentos que proporcionan las curvas de clculo, lo cual puede resultar ventajoso. EnelMtodoFAAestosetieneencuentaatravsdeunosfactoresde equivalencia iguales o superiores a la unidad, de forma que para obtener los espesores de las capas mejoradas o estabilizadas basta dividir el espesor de la capa estndar por el factor de equivalencia. ia equivalenc de Factorestndar Espesormejorado o do estabiliza Espesor = INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 12 Elegimosparanuestroterrenolossiguientestipos,recomendadosporla normativa FAA Subbase: P-209, factor equivalencia (1.4-2.0). Se elige =1.7. Base:P-401(demezclabituminosa),factordeequivalencia (1.2-1.6). Se elige =1.4. As pues, los espesores finales quedan de la siguiente manera EspesorT1 (cm)T2 (cm)T3 (cm)T4 (cm)T (cm) Sin estabilizar 13445257109 Estabilizado1331314475 2.4) CLCULO DEL PCN Para conocimiento de Compaas Areas y dems operadores del aeropuerto, enlaspublicacionesdeinformacin aeronuticadelmismo(API)yconobjeto de que los operadores conozcan la resistencia del pavimento sobre el que van aoperar,elManualdeProyectodeAerdromos,Parte3,Pavimentosyel Anexo 14 recomienda el sistema ACN-PCN. Setratadeunsistemaparainformardelacapacidaddeunpavimento aeroportuario para recibir un determinado tipo de avin. Esto se hace a travs de las cifras llamadas ACN y PCN. ElACN(AircraftClassificationNumber)deunavinesunacifraqueindicael efectorelativodeunaaeronavesobreunpavimentoparaunadeterminada resistencia normalizada del terreno de fundacin. ElPCN(PavementClassificationNumber)deunpavimentoesunacifraque indica la resistencia de un pavimento para poderlo utilizar sin restricciones. Ambascifras,aunquerelativas,soncomparablesyascuandoelACNdeun avinesigualoinferioralPCNdelpavimentodelaeropuerto,laaeronave INSTALACIONES AEROPORTUARIASCLCULO DE PAVIMENTOS 13 puede operar sobre ese pavimento a reserva de cualquier limitacin que pueda imponersealapresindelosneumticos,oauntipodeterminadode aeronave. Estopuededarlugaraunsistemadeclculodepavimentos,yaquesi conocemoselACNdelavinmscrticoquevaaoperarsobreelpavimento, bastar determinar el espesor del mismo de forma que el PCN sea superior o igual al ACN crtico. Es decir; el PCN de un pavimento indica la capacidad que tiene este para recibir un determinado avin. De este modo, se puede conocer la capacidad deoperacindedeterminadaaeronaveendeterminadoaeropuerto.Estose producir siempre que pavimento aeronavePCN ACN De la tabla 8.14.1 se obtiene el ACN para la aeronave de clculo, A310-300, en unterrenodefundacinmediana(CBR=10)esACN=51.Siseconsiderael terrenodefundacinbaja(CBR=6),elACNresulta62.Seempleanlosdatos del modelo Airbus A-300, por ser el ms parecido a la aeronave de diseo. Para la categora estndar del terreno (B, pues 8