29 - Utilización y calibración de rugosímetros en caminos nacionales

8/14/2019 29 - Utilizacin y calibracin de rugosmetros en caminos nacionales

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UTILIZACION Y CALIBRACIN DE RUGOSIMETROS

EN CAMINOS NACIONALES

Sergio Gonzlez y Walter BrningDepartamento de Ingeniera Civil

Universidad de Chile

Resumen

Las metodologas actuales de planificacin de caminos tienen en la rugo_sidad una de sus variables bsicas. A travs de ella es posible ligar el es-tado de la carpeta, funcin principalmente de la inversin, poltica de con-servacin y trnsito, con los costos de operacin de los usuarios. Su correta medicin y prediccin resulta entonces fundamental para el objetivo de mi-nimizar el costo total de funcionamiento del sistema vial. La aplicacin deeste concepto integral de planificacin caminera se ha visto limitado fuerte-mente en nuestro pas por no disponerse de equipos de medicin de rugosidad,aspecto que limita no slo la utilizacin de relaciones causa-efecto derivadas

en otros ambientes, sino tambin el trabajo experimental propio orientado adesarrollar nuevas relaciones.

En este trabajo se presenta el primer esfuerzo realizado en nuestro paspor utilizar y calibrar rugosmetros a travs de dos equipos disponibles:MAYSMETER (U.S.A.) y NAASRA (Australia), el primero instalado en un carro es-pecial de arrastre y el segundo en un vehculo St. Wagn. Se entregan los re-sultados de un trabajo experimental que permite recomendar el uso de los equi_pos y su rango de aplicabilidad en nuestro pas. Se entregan valores de rugo-sidad para diferentes tipos de carpetas y estado (asfalto, hormign, ripio ,tierra) y la correlacin existente entre ambos equipos utilizados. Por las caractersticas del equipo NAASRA se entregan relaciones entre las rugosidadesobtenidas y la velocidad, presin de neumticos y sobrecarga en el vehculo.Por ltimo, se realiza un anlisis comparativo entre las rugosidades obtenidasa travs del ndice de serviciabilidad para pavimentos de hormign y asfal. toy las rugosidades medidas, entregndose recomendaciones para mejorar dichametodologa.

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(1) Este trabajo ha contado con financiamiento parcial del Fondo Nacional deDesarrollo Cientfico y Tecnolgico (Proyecto N* 0119/84) y de la Direc-cin de Vialidad del Ministerio de Obras Publicas.


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1. Introduccin

La magnitud de recursos involucrados en vialidad ha representado unaparte importante del total de recursos sociales destinados a inversin enlos ltimos aos en nuestro pas. La repavimentacin de los principales cminos nacionales, producto de un deterioro acelerado en la dcada del 70, yen menor grado, la pavimentacin y la construccin de segundas calzadas (conrepavimentacin de la calzada original) han sido los principales tipos deproyectos realizados.

Esta misma situacin ha creado una toma de conciencia de la necesidadde mantener en la mejor forma posible este valioso patrimonio nacional desa_rrollndose, como consecuencia, un programa de seguimiento de pavimentos yobtenindose importantes recursos financieros para conservacin en los pr-ximos aos.

Las metodologas actualmente en uso para los estudios de evaluacin deproyectos viales sean estos de inversin o conservacin, se apoyan fundamen-talmente en la variable .rugosidad que resume el estado de la carpeta. A tra-vs de la variacin en la rugosidad es posible explicar aproximadamente en-tre el 60 y 100% del total de beneficios de proyectos evaluados en los lti_mos aos. De esta manera, es obvio que errores en la estimacin de la rugo-sidad se traducen en grandes errores en la evaluacin y consecuente toma dedecisiones.

*' ' - ,Sin embargo, los problemas metodolgicos no se reducen a medir correc_

tamente esta variable. Las mediciones de rugosidad que se conocen provienende una gran 'diversidad de equipos y mtodos siendo ademas interpretadas yutilizadas en ambientes muy diferentes al nuestro. Por otra parte, las re-laciones que se utilizan para estimar costos de operacin de vehculos y etimar deterioro de pavimentos (MOP, 1982) reflejan , en el mejor de los ca-sos, una adecuada aproximacin en el medio donde fueron obtenidas.En los es^tudios realizados por Soto (1984) y Correa (1984) queda suficientemente cla_ro que dichas relaciones no son adecuadas a nuestra realidad, mostrndosela necesidad ya sea de adaptar dichos mtodos u obtener otros provenientesde estudios propios.

En cualquier caso, ya sea para adecuar los ltimos estudios disponi-bles (HDM, 1985) modificando parmetros o coeficientes, o realizar estudiospropios en nuestro pas resulta indispensable contar con equipos y mtodos

apropiados para medir la rugosidad en caminos.

En este documento se incluye un informe de avance de un proyecto deinvestigacin acerca del uso y calibracin de rugosmetros en caminos na-cionales. En el punto 2 se incluye un resumen de conceptos sobre rugosidad yequipos de medicin. En el punto 3 se describe un estudio experimentaldesarrollado para medir rugosidades con dos equipos disponibles en nuestropas. En el punto 4 se entregan los principales resultados obtenidos a lafecha y en el punto 5 las conclusiones y necesidades futuras.


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2. Concepto de Rugosidad en Caminos

El concepto de rugosidad y su atilizacion como parmetro relevante enla descripcin de un camino ha tenido una importante evolucin en los lti-mos aos. Existen muchas definiciones (tales como Darlington, 1973; Hassy Hudson, 1977; Hudson, 1977; Gmez , 1983) que abordan el concepto desde unpunto de vista geomtrico d un camino (perfil longitudinal) y/o desde unpunto de vista del usuario (confort o agrado de un viaje) donde el vehculojuega tambin un rol de importancia. Un intento por resolver este problemase hace en Gmez (1983) donde se define la rugosidad esttica o geomtrica,independiente del instrumento de medida, y rugosidad dinmica que dependedel instrumento, equipo o vehculo donde se instala y de la velocidad de me_dida. Los aparatos de medicin geomtrica registran un perfil detallado delas variaciones de cada uno de los puntos de la huella, mientras que los demedicin dinmica registran las oscilaciones que le produce el perfil superficial (rugosidad esttica), cuando son operados a una velocidad constante

dada (Gmez, 1983).

Resumiendo las principales caractersticas del concepto se puede definir la rugosidad como "las variaciones de la altura de un pavimento a par;tir de una referencia absolutamente lisa, tal que provoque vibraciones enun vehculo cualquiera a travs de su recorrido. Estas variaciones debenser tales que sus dimensiones generan un desplazamiento vertical relativoentre el chasis y el sistema de suspensin de un vehculo" (Briining, 1986).Las unidades de medida corresponden al cuociente entre unidades de desplazamiento vertical en ambos sentidos del eje horizontal y unidades de longi^tud; mts/km, mm/km, pulgadas/milla y otras. ; *

La rugosidad en caminos se reconoce como una variable estrechamente

ligada con los siguientes factores (Balmer, 1973):

i) seguridad de los usuariosii) calidad de viaje de los usuariosiii) solicitaciones sobre el pavimentoiv) vida til de los caminosv) costos de operacin de los vehculos

El nmero e importancia de estos factores han hecho de este concepccuna variable fundamental en el proceso de planificacin vial integral.

La variedad de instrumentos disponibles y escalas de medicin hizo durante muchos aos que las experiencias desarrolladas en diversos pases nofuera posible traspasarlas a otros ambientes. Investigadores de Brasil, I^glaterra, Francia, Estados Unidos y Blgica se reunieron en Brasil en 5:2desarrollando, despus de realizar mltiples mediciones en diferentes equiposy tipos de camino, un ndice internacional de rugosidad denominado l'rl(International Roughness Index). Este ndice corresponde entonces a una ne_dida estandarizada de la rugosidad que la relaciona con aquellos valoresobtenidos por equipos de medicin de diferentes caractersticas (Sayers etal, 1985). Debe s reconocerse que el IRI es un nmero que resume lascualidades de la rugosidad que tienen un impacto sobre el comportamiento delos vehculos, pero que no es el ms apropiado para otras aplicaciones.


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Mas especficamente , el IRI es apropiado cuando se requiere medir rugosidadpara ser relacionada con (Sayers et al, 1985); costos de operacin de velr

culos, calidad o confort del viaje, cargas dinmicas (daos al camino pro-veniente de camiones pesados) y condiciones generales de la superficie.

La tecnologa desarrollada en torno a la rugosidad en caminos presentatres aspectos bsicos (Balmer, 1973); i) mtodos de medicin, ii) anlisis einterpretacin de datos y, iii) aplicacin de resultados.

Los resultados de las mediciones de rugosidad se aplican en el anlisisde los cinco factores sealados anteriormente, en especial para aque -losque tienen relacin con evaluacin de inversiones y de conservacin vial.

Los equipos o sistemas para medir rugosidad pueden agruparse en cuatroclases genricas basadas en su facilidad, precisin y calibracin para la

obtencin del IRI (Sayers et al, 1985). Las dos primeras, entregan una medi-da de la rugosidad esttica segn la definicin de Gmez (1983) o del perfillongitudinal de un camino. Los dos ltimos, entregan una medida de la rugosi^dad dinmica.

a) Clase 1. Se incluyen los mtodos ms precisos de mediciones del IRI.El perfil longitudinal de la huella de la rueda se mide como una seriede puntos de elevacin precisos espaciados a lo largo del recorrido.Para mtodos perfilometricos estticos la distancia entre puntos debeser igual o menor a 25 cms. y la precisin en las mediciones de eleva-cin debe ser 0,5 mm. en pavimentos lisos. Se acepta un numero menorde mediciones e inferior precisin para caminos rugosos. Actualmente

los mtodos de mayor precisin son el nivel topogrfico y mira y laviga TRRL (Transport and Road Research Laboratory). Existen tambinperfilmetros lser, que aun estn en etapa de estudio con respecto asu validacin frente al IRI, y perfilmetros de alta velocidad, quepueden medir el IRI de manera ms rpida, sin embargo deben validarsefrente al sistema de nivel y mira.

Los mtodos clasificados como Clase 1 tienen como principal utilidadservir de validacin a otros mtodos y/o estudios que requieran unaalta precisin.

b) Clase 2. Incluye otros mtodos perfilomtricos que permiten un clculodirecto del IRI aun cuando no cumplen los requisitos de precisin de la

clase 1. Como medidores de la clase 2 se pueden citar los siguientesinstrumentos (Sayers et al, 1985; Balmer,1973)Jperfilmetro inercialAPL, perfilmetro inercial CMR, perfilmetro CHLOE y perfilmetros dealta velocidad. Los instrumentos de clase 1 y 2 tienen requerimientosde precisin para mediciones perfilometricas del IRI en que, de acuerdoal rango de rugosidad, se define el intervalo entre puntos y la precisin de elevacin, ambos en mm.


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) Clase 3. La mayora de los rugosinetcos tradicionales pertenecen a estacategora, teniendo todos en comn el hecho de entregar resultadosdependientes del vehculo. Las caractersticas de los vehculos, nosolo son diferentes entre s, sino tambin varan con el tiempo, por locual una medicin obtenida con un instrumento de esta clase debe co

rregirse a la escala IRI usando una ecuacin de calibracin obtenidaexperimentaimente. Esta ultima, segn los cambios producidos en elvehculo, debe recalibrarse. Normalmente, se debe recorrer las pistas decalibracin 2 a 3 veces en el ao para reformular la ecuacin de correlacin del IRI y el rugosmetro. Los rugosmetros ms utilizados son;Mays Meter, Bump Integrator, BPR (Bureau of Tublic Roads), PCA Meter(Portland Cement Association) y el NAASRA (National Association ofAustralian State Roads Authorities). Algunos de ellos se instalan en unequipo propio de arrastre y otros se instalan dentro de un veh culo,normalmente Station Wagn. Dependiendo del tipo de equipo, se planteandiversos requerimientos para los sitios de calibracin de unrugosmetro clase 3 ( Sayers et al, 1985).

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) Clase 4. Corresponde a mtodos de obtencin de rugosidad, bsicamentepor inspeccin visual, ratings subjetivos y mediciones no calibradas.Sin embargo, tambin es conveniente relacionar las medidas a la escalaIRI. Existen diversas escalas subjetivas, siendo la ms utilizada a lafecha la que relaciona la rugosidad con el ndice de Serviciabili_ dad.

El ndice de Serviciabilidad, generado por el ensayo vial A.A.S.II.O.Illinois, EE.UU.} 1955-1961), corresponde a una calificacin de los usuariosn una escala de 0 a 5 sobre la calidad del servicio e intenta cuantificar 1deterioro de una superficie de rodado. A travs de sucesivas investiga-ionesde la A.A.S.II.O. se busc una relacin entre la medida subjetiva (ca-ificacin de los usuarios) y una medida objetiva que incorpora parmetros

edibles que representan el estado de deterioro de la superficie de la carpe_ ade rodado. Los parmetros principales corresponden a deformaciones longi-udinales, deformaciones transversales, agrietamientos y superficie parchada,. partir de los cuales se dedujeron ecuaciones que derivan el ndice de Servi^iabilidad, p (HRB, 1962).

En el ao 1975 se realiz en nuestro pas un estudio en que por prime-avez se intent medir el ndice de serviciabilidad, aplicando los conceptos elensayo A.A.S.II.O en el camino longitudinal (Ingeniera Andina Ltda.), afalta de recursos y equipos para medir los mismos parmetros, hizo necesa-ioadoptar una serie de supuestos y simplificar fuertemente el ensayo. En par_icular, se defini 3 variables; C., calificacin de la rugosidad en una esca-ade 1 a 5; C, intensidad de grietas y parches en una escala de 1 a 4 y C,

eformacion transversal y ahuellamiento en una escale de 1 a 3.

Se realiz ajustes estadsticos tomando valores de p obtenidos de nive-.ntopogrfica y los C. de la evaluacin subjetiva de los calificadores m lassecciones de prueba (personal especialmente entrenado), llegando a lassientes ecuaciones que han sido intensamente utilizadas en nuestro pas:


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Los datos sobre rugosidad son normalmente utilizados en aplicaciones que

varan entre anlisis estadsticos, que requieren mediciones de rugosidadsobre diversos tramos de la red vial, y estudios individuales que requierenconocer la rugosidad en sitios especficos. Un ejemplo del primer tipo deaplicacin corresponde a un estudio de costos a usuarios en que se utilizanmtodos de regresin con informaci5n de costos y caractersticas viales en muchos tramos. En este caso, errores aleatorios en mediciones individuales cau_sados por poca precisin de los equipos o por caractersticas peculiares delos caminos, tendern a promediarse; sin embargo, errores sistemticos sesga-

rn las relaciones de costos obtenidos las cuales no podrn ser usadas en otnambientes a no ser que se utilice una escala estandarizada (Sayers et al, 198]

Estudios que tienen relacin con planes de seguimiento de deterioro oefectos de polticas de mantencin en pavimentos corresponden al segundo tiposealado. En esos casos, es de inters mantener un registro continuo de peque-os cambios en la rugosidad en sitios especficos. Es indispensable por lo tajto, reducir los errores aleatorios aumentando el nivel de precisin de los eqipos. Un sesgo constante en los datos puede incluso ser aceptable si no intere-sa comparar resultados con otros tramos, o ambientes. Obviamente, el sesgo nr esta razn, paracaminos no pavimentados el nivel de correlacin entre ibos es menor que en

caminos pavimentados.

,3. Efecto de la velocidad

Se midi velocidades a 30, 50 y 70 km/hr. presentndose los resultadosa forma grfica en la Fig. 4. La conclusin principal es que para rugosida-S bajas, la rugosidad aumenta con la velocidad dndose la situacin inver-I para rugosidades altas, es decir, a mayor velocidad menor rugosidad.

.4. Efecto de la presin de neumticos

En la Tabla 1 se entregan los resultados obtenidos para mediciones delimosidad con el equipo NAASRA para pavimentos de hormign y asfalto conresin de neumtioos de 22, 26 y 30 PSI. Las conclusiones que se puede obte_er son:

A velocidades altas de medicin (70 k/h) se presentan diferencias impor-tantes en la rugosidad entre las presiones extremas (22 y 30 PSI) de un8% y 13%. Sin embargo, esa diferencia se mantiene para las secciones norugosas y rugosas.

i) A velocidades bajas de medicin (30 k/h) tiene una especial importanciael tipo de pavimento y la rugosidad. En asfalto, para la menor rugosi-dad, se presenta la mayor diferencia entre las presiones extremas (27%)


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TABLA 1: Variacin de la rugosidad con la presin de neumticos y velocidapara caminos pavimentados

TABLA 2; Variacin de la rugosidad por efecto de sobrecarga combinada convelocidad y presin de neumticos

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disminuyendo a un 10% en el sector ms rugoso. En hormign, la relacines inversa. La menor diferencia (1,5%) se presenta para el sector me-nos rugoso y la mayor (16%)para el sector de mas rugosidad.

Li) A velocidad de 50 k/h. se presenta en general una situacin intermediacon relacin al efecto de las velocidades de 70 y 30 k/hr.

La importancia de este efecto combinado es muy fuerte observndose, pa-a un mismo tramo, una diferencia mxima de un 49% y mnima de un 24%.

.5. Efecto de la sobrecarga

El efecto de la sobrecarga combinado con velocidades y presin de neu-ticos se puede ver en la Tabla 2. En todos los casos la sobrecarga haceisminuir de manera significativa la rugosidad. En pavimentos de hormignmayor velocidad menor efecto de la sobrecarga y a menor presin mayor efec_

o de la sobrecarga llegando a alcanzarse un valor del 34,9% de disminucine la rugosidad. Para las condiciones normales de medicin del equipo AASRA(50 km/hr. y 26 PSI) la diminucin con el 3er pasajero es de un 14%.

.6. Mediciones a travs del ndice de serviciabilidad

.6.1. Asfalto

En la Figura 5 se grafican los resultados obtenidos de mediciones deugosidad en caminos de asfalto y se incluye la curva de valores de la ru-psidad obtenida a travs del ndice de serviciabilidad utilizando las ecuaiones presentadas en el punto 2. Los resultados indican una adecuada simi-

itud indicando que la utilizacin de este concepto es apropiada cuando no ecuenta con equipos de medicin. El valor medido para el pavimento de as_alto en mejores condiciones y a velocidad de 50 km/hr., fue de 1,024 mm/kma travs del ndice de serviciabilidad se obtiene un valor de 1.064 mm/km.eflejando un adecuado valor mnimo. El valor mximo medido para un asfaltotuy deteriorado fue de 5.250 mm/km inferior al mximo que entrega la apli-:acin del ndice de serviciabilidad , de 8.430 mm/km.

.6.2.Hormign

La Figura 6 muestra los valores medidos de la rugosidad en diferentes:ramos donde se contaba con estimaciones a partir del concepto de ndice leserviciabilidad. Los resultados estn definitivamente alejados de la rea.

Lidad indicando que dicho mtodo ha sido mal utilizado en nuestro pas parastimar rugosidades. La razn principal parece estar en la no consideracinJe los sellos de las junturas en este tipo de pavimento lo cual en la prc-:ica hace subir considerablemente la rugosidad. Sin embargo, no es ste elnico sesgo dado que la menor medicin de rugosidad en un pavimento de hornign sin junturas fue de 1.676 mm/km. y a travs del ndice de serviciabi-lidad dicho pavimento tendra una rugosidad de 1.155 mm/km. Esta diferenciaje debe a la calificacin dada al parmetro "C,". Cuando el hormign es re-siente, se adapta mejor un valor 1,5 y no 1,0, lo que redunda en una rugosi^ad mayor. Las razones para esta aseveracin son absolutamente empricas


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y se basan en la experiencia adquirida durante el desarrollo de este tra-bajo.

4.7. Valores de la rugosidad en caminos nacionales

La Tabla 3 muestra un resumen de los valores obtenidos en diversassecciones de prueba para pavimentos de hormign y asfalto de diferentesaos de antigedad y para carpetas no pavimentadas de tierra y ripio.

En pavimentos nuevos de asfalto se midi las menores rugosidades,1.024 mm/km aumentando hasta 5.250 mm/km para asfaltos deteriorados. En pavimentos de hormign se observa una mayor variabilidad midindose entre1.676 y 9.322 mm/km.

.- - .

En carpetas de ripio la rugosidad medida vari entre 9.698 y 16,980mm/km. En el caso de caminos de tierra la variabilidad observada es mayor

midindose rugosidades entre 4.463 y 19.558 mm/km.5. Conclusiones

i) Con relacin a los equipos utilizados, NAASRA y Mays Meter, se ha demtrado la existencia de una alta correlacin entre ambos, en especialcaminos pavimentados, por lo cual los resultados obtenidos con cualqura de ellos resulta apropiado. Uebe destacarse, por una parte, que pasectores con muy alta rugosidad (sobre 12J300 mm/km) el Mays Meter inslado en carro de arrastre sobrevalora la rugosidad y, por otra parte,que siendo arabos equipos apropiados, el NAASRA tiene a su favor una rlacin de precios del orden de 1 a 10.

ii) Las fuertes variaciones encontradas al medir rugosidad frente a condici'ones diferentes de velocidad, presin de neumticos y sobrecarga, jto al efecto tambin importante de diversos factores operacionales, nsalta la necesidad de uniformar criterios normalizando las medicionesde esta variable, como nico mtodo de poder interpretar adecuadamentilos valores que se obtenga. De otra manera, slo se habr gastado unagran cantidad de recursos en adquisicin y operacin de los equipos s:tener valor sus resultados. Especial importancia adquiere este probleal utilizar los valores medidos para la construccin o validacin de idlos de deterioro de pavimentos.

*

iii) Las relaciones actualmente utilizadas para obtener la rugosidad en ca

nos de pavimento de hormign a partir del ndice de serviciabilidad ascomo los criterios de valores extremos (pavimento nuevo y deteriorado]deben ser revidados a la realidad al presentarse graves distorsiones,observaciones cualitativas del ndice de serviciabilidad hechas por 1;personas que desarrollaron esta experiencia se determinaron rugosidadeinferiores, en promedio, en un 20% con respecto a las medidas con elNAASRA. Las mediciones anteriores eran inferiores entre un 50 y un 35CEsta diferencia se basa en las apreciaciones de los parmetros "C." y"C-" para determinar "p", el parmetro C. no debe ser inferior a 1,5 ihormigones en caminos nacionales. El parmetro "C " debe incluir los los bituminosos en las junturas como componentes de grietas, as, poi


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NOTA: Mediciones con Mays Meter en Chile representan una muestra demenos tamao que con el equipo NAASRA.

TABLA 3: Valores de la rugosidad medidos en diferenteB pases

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ejemplo, un pavimento con sellos cada 7 metros y sin otra alteracin(grietas o parches adicionales) tienen un C, de 3 a 3,5; si adems exi:

ten grietas y parches, entonces C va de 3,5 a 4, Para el caso de ca-minos de asfalto, mientras no se tenga equipos de medicin, la metodo-loga actual entrega un adecuado estimador de la rugosidad con excep-cin del nivel de mximo deterioro,

iv) Conclusiones definitivas de esta investigacin, as como la adecuacinde investigaciones realizadas en otros ambientes, slo sern posiblesen la medida que exista una estimacin del IRI. El mismo proceso de me-dicin continua de la rugosidad en caminos nacionales, de seguimientode pavimento y posible desarrollo de estudios propios requiere de m-todos de calibracin de los equipos a travs de secciones de prueba yestimacin del IRI.

v) Superada la etapa anterior deber procederse a desarrollar normas na-cionales orientadas a medir esta variable. En ese momento tendr senti^do plantear la validacin o desarrollo de nuevas relaciones de costosde operacin de vehculos y de deterioro de pavimentos pudiendo mejo-rarse significativamente entonces los mtodos de evaluacin de proyec-tos viales y toma de decisiones.

AgradecimientosLos autores desean agradecer la colaboracin encontrada de parte de le

Direccin de Vialidad del M.O.P., en especial del Sub-Director IngenieroAlberto Bull S. y del personal del Laboratorio de Vialidad,

Referencias

BALMER, G. (1973) Roughness technology. National Cooperative Highway ResearcProgram Report 86, Transportation Research Board, Washington , D.C.

BRUNING, W.H. (1986) Utilizacin y Calibracin de Rugosmetros en Caminos Nacionales. Departamento de Ingeniera Civil, Universidad de Chile (a ser

publicado), Santiago.

CORREA, C. (1984) Funciones de Consumo de Recursos de Vehculos en Caminos Ncionales. Tesis de Ttulo, Departamento de Ingeniera Civil, Universida

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