Análisis de la serviciabilidad del pavimento mediante el método de diseño de la aashto: el caso costarricense



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Resumen ejecutivo


La Serviciabilidad es un indicador que representa el nivel de comodidad y seguridad que un pavimento proporciona a sus usuarios. Esta opinión subjetiva está relacionada con aspectos objetivos que pueden ser medidos en la superficie de un pavimento. Esta investigación apunta específicamente a definir un modelo matemático que permita establecer la curva de PSI para condiciones del medio nacional, basándose en los resultados obtenidos de un panel de evaluadores, que representan al usuario promedio, y la correlación existente entre esa percepción del “confort” con los datos de regularidad superficial y condición de deterioros superficiales de las vías. Dicha percepción se midió inicialmente en varios tramos de carretera con valores de IRI (Índice de Regularidad Superficial) distintos, a través de una encuesta en donde el evaluador indicaba en una escala del 1-5 (1: Muy bueno y 5: Muy Malo) su confort al transitar por dicha vía. Con base en la información recolectada se desarrollo un modelo matemático que permite el cálculo del Índice de Serviciabilidad utilizando como única variable el IRI. Dentro de los resultados se observó que el nivel de tolerancia del usuario Costarricense es mucho más alto que el de su respectivo par en Estados Unidos (donde se generó el modelo AASHTO). La confiabilidad de la encuesta se aseguró Además de la importancia de ampliarincrementando el número de panelistas y tramos de calibración utilizados en el desarrollo con más panelistas la información para del cálculo del modelo.

1INTRODUCCIÓN


Uno de los aspectos fundamentales en la gestión del sistema de infraestructura de pavimentos es la evaluación continua de la infraestructura existente. La “Serviciabilidad" de las carreteras y su evolución a través del tiempo es un concepto ampliamente aceptado por los ingenieros de pavimentos y profesionales para evaluar la calidad y condiciones de las vías. La serviciabilidad del pavimento es un concepto que representa el nivel de servicio que ofrecen las carreteras a los usuarios de vehículos. Dicho indicador fue desarrollado con base en información recolectada tras las observaciones del AASHO Road Test (AASHO, 1961), y es un concepto que aún perdura en la metodología de diseño de pavimentos AASHTO (AASHTO, 1993).

Más específicamente, los orígenes de este concepto se remontan a finales de los cuarenta (Hveem, 1948)., igualmente aA finales de los cincuentas Careb y EIrick (W. N. Carey and y P. E. Irick., 1960) interpretan la serviciabilidad como la capacidad del pavimento para servir a aquellos que son los "clientes" de las carreteras. De este modo, los pavimentos pueden llegar a ser comparados para determinar cuál provee mejor calidad de ruedo y mejor condición de la superficie en un periodo de tiempo.

La serviciabilidad se basa en el concepto que la función de las carreteras es el de proveer comodidad y conveniencia a los usuarios y que su evaluación subjetiva (opinión) puede ser relacionada con las mediciones físicas objetivas del pavimento (De Solminihac et al., 2003).

Más recientemente, diversos estudios han demostrado la importancia de la rugosidad en el estado de la superficie (K. T. Hall y C. E. Correa, 1999; B. Al-Omari y M. I. Darter, 1994; D. Dujisin y A. Arroyo, 1995; W. D. O. Paterson, 1986 ). Por tanto, es de esperar que la rugosidad tenga una correlación significativa con el valor de la serviciabilidad o la calidad del pavimento según lo percibido por el usuario.


1.1Objetivo General


Determinar la relación que existe entre los parámetros subjetivos (percepción humana) de serviciabilidad de un pavimento y los parámetros objetivos (IRI), para Costa Rica, utilizando la metodología aplicada por la AASHTO.

1.2Objetivos Específicos


  • Investigar sobre la metodología utilizada por la AASHTO para la determinación del PSR y el PSI.

  • Generar datos de la percepción de las personas costarricenses respecto a la rugosidad, seguridad y confort de un pavimento flexible.

  • Determinar la rugosidad de un pavimento flexible con ciertas características utilizando el IRI.

  • Generar un modelo matemático que relacione la percepción de los usuarios (datos subjetivos) y el IRI (datos objetivos), para determinar el PSI o percepción de un costarricense típico.

1.3Antecedentes


A nivel nacional, no existen estudios previos que busquen caracterizar la percepción que tiene los costarricenses sobre la funcionalidad que brindan los pavimentos nacionales. Sin embargo, el concepto de PSI es uno que se ha utilizado tradicionalmente a nivel nacional para el diseño de nuevas estructuras de pavimentos o en el caso de rehabilitación de los mismos. Desafortunadamente, los modelos e información utilizados están desarrollados para realidades muy distintas y por ende deben ser adaptadas y calibradas para las condiciones nacionales.

1.4Justificación


La importancia de generar un apropiado diseño de la estructura de pavimento de una carretera, basándose en la metodología AASHTO 93, deriva en una buena escogencia de los parámetros que conforman la ecuación de diseño. Uno de estos parámetros es la serviciabilidad. Este depende de la percepción del usuario y de la calidad de ruedo de la estructura en términos de la comodidad del mismo.

Como las variableslos factores que afectan de este parámetro están relacionadas relacionados con la percepción de las personas (nivel de tolerancia) y el ambiente en el que desenvuelven diariamente (infraestructura), es importante poder adaptarlo a las condiciones del país, para así poder tener un diseño mucho más adaptado al entorno.


1.5Marco Teórico


El método empírico de diseño de pavimentos AASHTO se basa enes resultado del el AASHO Road Test, una pista de ensayo donde se construyeron pavimentos de determinadas características y que fueron sometidos a distintos tipos de cargas y distribuciones de cargacargas controladas en Ottawa, Illinois entre 1958 y 1960. De estas pruebas a escala natural se obtuvo la información necesaria para desarrollar y calibrar modelos empíricos que hoy por hoy son utilizados en gran parte del mundo. Así surge la “AASHO Interim Guide for the Design of Rigid and Flexible Pavement” (AASHO, 1961) que contenía procedimientos basados en modelos empíricos deducidos de datos recolectados en el AASHO Road Test. En 1993 y tras una serie de revisiones e iteraciones anteriores en 1972, 1981 y 1986 se introduce publica una versión que ofrece cambios y mejoras en lo que a diseño de pavimentos flexibles y rígidos se refiere, la “AASHTO Guide for Design of Pavement StructuresAASHTO Interim Guide for the Design of Pavement Structures” (AASHTO, 1993)., éÉste método introduce el concepto de serviciabilidad en el diseño de pavimentos como una medida de su capacidad para brindar una superficie lisa de ruedo poco rugosa y suave confortable al usuario.

Más recientemente, Lla Agencia de Administración Federal de Autopistas (FHWA)AASHTO se propuso en los años 90´s un ambicioso programa de investigación para desarrollar una guía metodológica para el diseño de pavimentos con un fundamentoa base mecanícistaica-empírica empírico (ME), utilizando modelos calibrados por medio del programa LTPP (Long Term Pavement Perfomance).  

Como resultados de esta investigación, se presento la Nueva Guía de Diseño de Pavimentos Mecanístico-Empírico (Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide - MEPDG) que se lanzó presentó en el año 2004., sSin embargo fue hasta el año 2011 que luego de una serie de revisiones, la misma fue adoptada por AASHTO, se publica y se abre presenta como metodología oficial de AASHTO para diseño de pavimentos: DarwinMEal público en general.. (Palacios, 2011).

Es importante mencionar que los modelos ME (mecanísticos) se basan en las propiedades de los materiales que componen el pavimento, : esto es concreto asfáltico o con cemento Portland, Mmateriales mejorados o estabilizadosezclas asfálticas, capas de basemateriales granulares y subrasantesuelos. Dicha interacción se basa en el comportamiento de modelos respecto a la probabilidad de que se presenten cierto tipo de fallas: deformaciones, ahuellamientos, fisuras, fatiga, etc. (AASHTO, 2008). Estos modelos han sidoson utilizados para transformar la respuesta mecánica de la estructura utilizados para predecir ( estados de esfuerzos y deformaciones) al interior de la estructura ddel pavimento causadas por a la acción del tránsito (cargas) y condiciones ambientales (humedad, temperatura) en indicadores de deterioro o falla. Hay que resaltar que a pesar de que esta guía no incluye el termino de serviciabilidad directamente, lo incorpora cuantitativamente mediante distintos otros indicadores de deterioro como el IRI (Índice Internacional de Rugosidad)..



IRI

Para establecer criterios de calidad y comportamiento desempeño de los pavimentos que sean capaces de indicanr las condiciones actuales y futuras del estado superficial de un camino, surgió la necesidad de establecer un índice que permitiera evaluar las deformaciones verticales de un camino, que afectan la dinámica de los vehículos que transitan sobre él. Se debe tomar en consideración que la superficie de rodamiento de un pavimento se clasifica considerando la naturaleza de las irregularidades superficiales, las cuales afectan la seguridad, la comodidad y el costo que esto implica ade los usuarios.

El Índice Internacional de Rugosidad, mejor conocido como IRI (International Roughness Index), se define de la siguiente manera: El IRI resume matemáticamente el perfil longitudinal de la superficie de camino en una huella, representando las vibraciones inducidas por la rugosidad del camino en un auto de pasajeros típico, está definido por el valor de referencia de la pendiente promedio rectificada (razón entre el movimiento acumulado de la suspensión y la distancia recorrida) producto de la simulación del modelo de cuarto de carro, para una velocidad de desplazamiento de 80 km/h (Badilla, 2009).

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/montaje_golden_car_peke.jpg

Figura 1. Modelo de cuarto de coche

Fuente: Tomada de es.wikipedia.com, disponible a junio 2013

En la norma de ensayo ASTM E 867 (2006), se define el concepto de Roughness rugosidad como: desviación de una determinada superficie respecto a una superficie plana teórica, con dimensiones que afectan la dinámica del vehículo, la calidad de manejo, cargas dinámicas y el drenaje, por ejemplo, el perfil longitudinal, perfil transversal.

El perfil longitudinal de un camino es una representación en dos dimensiones de la superficie del mismo, a lo largo de una línea imaginaria. Por lo tanto, la medición del perfil es una serie de números que representan elevaciones relativas respecto a un nivel de referencia. De esta manera, se tiene que el índice de un perfil es un valor calculado que resume las variaciones en el perfil de la superficie. Los detalles del cálculo determinan el significado y significancia del índice. El valor del índice puede estar relacionado con un modelo matemático del movimiento de un vehículo o por otros índices comúnmente utilizados (Badilla, 2009).

Se dice que un índice es portable y reproducible, cuando este puede ser calculado a partir de un perfil verdadero y por cualquier perfilógrafo válido. Además, se habla que es estable en el tiempo, cuando puede ser comparado en el tiempo; puesto que el concepto de perfil verdadero tiene el mismo significado año a año y la subsecuente transformación matemática del perfil verdadero también es estable con el tiempo.



http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/47/montaje_golden_car_peke.jpg

Figura 1. Modelo de cuarto de cocheauto

Fuente: Tomada de es.wikipedia.com, disponible a junio 2013

El IRI corresponde a una acumulación de la simulación del movimiento entre la masa suspendida y la masa no suspendida en el modelo del cuarto de carroauto (Figura 1), y normalizada a la longitud L, del perfil (Badilla, 2009).

Ecu. (1)

Nótese que la ecuación anterior es una ecuación de comportamiento lineal, es decir, si el IRI de una sección de 500 m es 1.,0 m/km, y el IRI en la sección siguiente sección de 500 m es 2.,0 m/km, el IRI para el kilómetro completo es el promedio aritmético simple: 1.,5 m/km.

Es decir IRI es el resultado de la sumatoria de distancias medidas, en módulo sobre la horizontal, para la distancia considerada. En módulo quiere decir que computan tanto los aumentos como disminuciones de cota sobre la horizontal. al fin y al cabo aAmbos desplazamientos suponen una variación en la vertical de la masa suspendida.

Algunas de las consideraciones más importantes para el cálculo del IRI son (Badilla et al., 2008; Badilla, 2009; Badilla et al, 2008; Arriaga, 1998):



  • El IRI es independiente de la técnica o equipo utilizado para obtener el perfil. Depende únicamente de la calidad del perfil longitudinal.

  • El perfil se filtra empleando la media móvil sobre una base de 250 mm de largo. Este filtrado simula el efecto suavizante de la deformación del neumático. 

  • El perfil resultante se vuelve a filtrar mediante la simulación del cuarto de auto. Esta simulación registra la respuesta física de un auto “ideal” que transita sobre el perfil a una velocidad de 80 km/h.

  • El IRI (m/km) se calcula como el movimiento acumulado (m) de la suspensión del auto “ideal”, dividido por la longitud del perfil transitado (km). La escala de IRI comienza desde cero, para una ruta perfecta sin rugosidad, y cubre números positivos que crecen en forma proporcional a la rugosidad del perfil.

  • El cálculo matemático del IRI relaciona la acumulación de desplazamientos del sistema de suspensión de un vehículo modelo, dividida entre la distancia recorrida por el vehículo a una velocidad de 80 km/hr, y se expresa en mm/m o m/km. Para caminos pavimentados el rango de la escala del IRI es de 0 a 12 m/km, donde 0 representa una superficie perfectamente uniforme y 12 un camino intransitable; para vías no pavimentadas la escala se extiende hasta el valor de 20.

  • Para una superficie con pendiente constante sin deformaciones (plano inclinado perfecto), el lRI es igual a cero. Por lo que la pendiente, como tal, no influye en el valor del lRI, no así los cambios de pendiente.

  • En definitiva el IRI no es más que el valor del movimiento vertical acumulado del asiento del conductor del vehículo a lo largo de una distancia dada.

En la figura Figura 2 podemos verse pueden observar los rangos típicos del IRI y las unidades utilizadas más comúnmente.



Figura 2. Escala estándar empleada por el Banco Mundial para la cuantificación del IRI para diferentes tipos de vías

Fuente: Badilla, 2009

La Serviciabilidad

La serviciabilidad se usa como una medida del comportamiento del pavimento, que a la vez se relaciona con la seguridad y comodidad que puede brindar al usuario (comportamiento funcional), cuando éste circula por la carretera. También se relaciona con las características físicas que puede presentar el pavimento como grietas, fallas, entre otras; que podrían afectar la capacidad de soporte de la estructura (comportamiento estructural) (Dujisin and y Arroyo, 1995).

El concepto de serviciabilidad está basado en cinco aspectos fundamentales resumidos como sigue:


  1. Las carreteras están hechas para el confort y conveniencia del usuario.

  2. El confort, o calidad de la transitabilidad, es materia de una respuesta subjetiva de la opinión del usuario.

  3. La serviciabilidad puede ser expresada por medio de la calificación hecha por los usuarios de la carretera y se denomina la calificación de la serviciabilidad.

  4. Existen características físicas de un pavimento que pueden ser medidas objetivamente y que pueden relacionarse a las evaluaciones subjetivas. Este procedimiento produce un índice de serviciabilidad objetivo.

  5. El comportamiento puede representarse por la historia de la serviciabilidad del pavimento.

El principal factor asociado a la seguridad y comodidad del usuario es la calidad de rodamiento que depende de la regularidad superficial del pavimento. Este parámetro define el concepto de Clasificación de Serviciabilidad presente Presente (PSR, por sus siglas en ingles).

Inicialmente, y como se mencionó anteriormente, esta condición se cuantificó a través de la opinión de los conductores, cuyas respuestas se tabulaban en la escala de 1 a 5, donde 1 representa una condición muy mala y 5 una excelente condición ( ver Tabla 1).

Tabla 1. Calificación del Índice de Serviciabilidad


Índice de Serviciabilidad (PSR)

Calificación

5 - 4

Muy Buena

4 - 3

Buena

3 - 2

Regular

2 - 1

Mala

1 - 0

Muy Mala

Fuente: AASHTO, 1993

Además es importante definir los siguientes conceptos (Huang, 1998) :



  • Clasificación de Serviciabilidad PresenteValoración de la Serviciabilidad Presente (PSR, por sus siglas en inglés): La media de las puntuaciones individuales de los miembros de un grupo específico.

  • Valoración de la Serviciabilidad PresentePSR Individual: Es la valoración que realizó cada individuo de una sección específica de la carretera. Se encontró durante el análisis de los resultados (De la prueba realizada por la AASHO) que de acuerdo al percentil 50 la aceptabilidad de la carretera rondaba por un PSR de 2,9, mientras que para el rechazo andaba alrededor de 2,5.

  • Índice de serviciabilidad Serviciabilidad presente Presente (PSI): Índice de Serviciabilidad Presente, el cuál es una combinación matemática de valores obtenidos de una ciertas de evaluación de campo, medidas físicas formuladas para predecir el PSR de los pavimentos.

La ecuación que se generó a partir de la información recolectada durante el experimento y que es actualmente utilizada para el cálculo del PSI es la que se muestra a continuación.

Ecu. (2)

Donde,


SV: Varianza de la pendiente (rugosidad)

RD: Roderas

C: Grietas

P: Parches

Sin embargo dicha ecuación sufrió ciertas modificaciones producto de la aplicación de la misma en agencias de transporte de estadodistintos Departamentos de Transporte de Estados Unidos oy países, con el fin de adaptarla a las condiciones del lugar. Debido a la mínima contribución que representan losEn general, se ha demostrado en varios estudios que la rugosidad, que en este caso se midió através del parámetro SV, es el principal factor deterioros superficiales dentro del PSI y la dificultad a la que conlleva su obtención, es que algunas de estas agencias optaron por que su ecuación PSI dependiera únicamente de la rugosidad de la carretera en determinar el PSI (AASHTO, 1993).

Debido a que la rugosidad es un factor tan importante para el diseño de pavimentos, el cambio en la rugosidad controlará rige el ciclo de vida funcional de los pavimentos. Adicionalmente, en este sentido, la calidad de la construcción influirá influye fuertemente en el rendimiento y el ciclo de vida del pavimento diseñado.

El diseño estructural basado en la serviciabilidad, considera necesario determinar definir el índice de serviciabilidad inicial (P0) y el índice de serviciabilidad final (Pt), para establecer la vida útil o de diseño del pavimento. La pérdida de serviciabilidad se define como la diferencia entre el índice de servicio serviciabilidad inicial y terminal (AASHTO, 1993).

∆PSI = P0- Pt Ecu. (3)



Figura 3. Tendencia en el comportamiento de los pavimentos

Fuente: Guía AASHTO, 1993
Los factores que influyen mayormente en la pérdida de serviciabilidad de un pavimento son: el tráfico, medio ambiente y edad del pavimento.

Relación PSI e IRI

Existen varios autores investigadores que han generado distintos modelos para calcular el PSI con base en el IRI de una carretera. Al-Omari y Darter (1994) desarrollaron ecuaciones para los estados de Louisiana, Michigan, New Jersey, New Mexico e Indiana, que donde correlacionan el PSR y el IRI y que funcionan para pavimentos rígidos y compuestos,. Además, además los investigadores reportaron queencontraron que no existe diferencia significativa entre los modelos para cada estado y tipos de pavimentos. El modelo generado por ellos es el que se muestra a continuación:



Pavimentos Flexibles

, R2=0,73 Ecu. (4)

Pavimentos Rígidos

, R2=0,73 Ecu. (5)

Hall y Muñoz (1999) también desarrollaron modelos para estimar el PSI con base en el IRI para pavimentos asfálticos y de concreto. Estos modelos fueron desarrollados analizando primero la relación existente entre la varianza de la pendiente (SV) y los valores de PSI derivados de los datos obtenidos de la prueba AASHTO, y luego, la relación entre SV e IRI para perfiles que representaran un amplio espectro de rugosidades. Las ecuaciones obtenidas son las siguientes:



Pavimentos Flexibles

, R2=0,95 Ecu. (6)

Pavimentos Rígidos

, R2=0,97 Ecu. (7)

Donde x = log (1+SV) para ambos casos. Adicionalmente se establece una ecuación de regresión del análisis de pares ordenados IRI – SV, obteniendo la ecuación:



, R2=0,99 Ecu. (8)

Combinando las ecuaciones (6) y (8) para pavimentos flexibles y las ecuaciones (7) y (8) para pavimentos rígidos, es posible obtener modelos que correlacionen PSI e IRI con un alto grado de confianza. No obstante, se espera que dichos modelos compuestos resulten en una pérdida de eficiencia (mayor varianza asociada a las predicciones) pues suman el error masociado a dos modelos independiente. Idealmente, se debería estimar directamente los parámetros asociados a la relación entre el IRI y el PSI si este es el interés.


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