Simulacion Deterioro Pavimentos - HDM 4 PDF

SIMULACIÓN DE DETERIOROS DE PAVIMENTOS ASFÁLTICOS CON HDM 4 Autores: Ings. Marta Pagola y Oscar Giovanon Institución: Laboratorio Vial IMAE Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura Universidad Nacional de Rosario – Argentina Dirección: Berutti y Riobamba – 2000 Rosario Teléfono: 0341 4808538 / 4808539 interno 36 Fax: 0341 4808540 Email: [email protected]

RESUMEN Hasta el momento, en Argentina y en numerosos países se ha utilizado el HDM III como herramienta de Gestión, y en particular para predecir los deterioros que se producen en la superficie de las calzadas pavimentadas; permitiendo el cálculo de las inversiones necesarias para mantener las mismas en adecuadas condiciones de servicio a los usuarios. Actualmente se cuenta con una nueva herramienta, el HDM 4, la cual abarca un espectro más grande de situaciones y parámetros a ser considerados en el análisis. Ambos, HDM III y HDM 4, poseen insertos modelos de deterioro que son los encargados de predecir la evolución en el tiempo de distintos indicadores del deterioro de la superficie. Si dichos modelos no se calibran adecuadamente, las acciones de mantenimiento y los momentos de aplicación de las mismas, obtenidos de la aplicación del modelo, serán erróneos. En trabajos previos propios se ha realizado la calibración a nivel red de los modelos de deterioro utilizados en el HDM III, para las rutas pavimentadas de la región litoral de Argentina. En este trabajo se presenta la calibración realizada utilizando los modelos que posee el HDM 4, los cuales consideran nuevos parámetros y poseen ecuaciones de predicción modificadas respecto a la versión anterior HDM III.

1.

INTRODUCCIÓN

Los Sistemas de Gestión de carreteras son herramientas útiles para ayudar a los responsables de la toma de decisiones a encontrar la óptima distribución de fondos destinados al mantenimiento y reconstrucción de pavimentos.

Una importante responsabilidad de las autoridades nacionales y provinciales es la de poseer una red de carreteras con pavimentos seguros y que brinden una buena calidad de servicio al usuario, pero generalmente la disponibilidad de recursos es inferior a los requeridos para mantener esa red en un nivel ideal de servicio para los usuarios. Para efectuar una correcta predicción de los recursos necesarios, la repartición u organismo a cargo de la red vial debe poseer datos confiables del estado de su red y de la evolución de la misma. De esa manera, conociendo la historia de los deterioros y simulando la predicción los mismos con la mayor exactitud posible, podrá aplicar acciones de mantenimiento a tiempo y no rehabilitaciones de urgencia, con lo cual las inversiones serán menores y el beneficio para los usuarios será mayor. Existen herramientas disponibles para simular la predicción de las acciones requeridas, las cuales poseen modelos que analizan los deterioros futuros partiendo de las características de la ruta y del tránsito. El programa HDM 4 es una de esas herramientas, el cual posee modelos de deterioro con coeficientes de ajuste particulares que posibilitan lograr la coherencia de la historia de deterioro con la evolución predicha de una dada red o tramo, para que la simulación sea lo más real posible.

2.

TIPOS DE SUPERFICIE DE RODAMIENTO ANALIZADAS

El presente trabajo se ha enfocado hacia los modelos de deterioro de calzadas pavimentadas con superficie asfáltica. Las calzadas con superficie de hormigón no se han analizado debido a que la cantidad de tramos con dicha superficie de rodamiento con datos disponibles para realizar el ajuste es reducida. El HDM 4 considera la posibilidad de diferenciar distintos tipos de superficies asfálticas. Dentro de las mezclas asfálticas pueden citarse: • concreto asfáltico • mezcla con asfalto modificado con polímero • mezcla con caucho pulverizado • mezcla asfáltica en frío • mezcla porosa • SMA (stone mastic asphalt) Mientras que como tratamientos superficiales pueden citarse: • Tratamiento superficial tipo doble • Tratamiento superficial tipo simple • Macadam de penetración • Slurry seal

En el presente trabajo, y para el análisis en conjunto de los datos de deterioro de las distintas rutas, han sido considerados los dos grupos genéricos citados: mezclas asfálticas y tratamientos superficiales.

3.

MODELOS DE DETERIORO QUE POSEE EL HDM 4 PARA SUPERFICIES ASFÁLTICAS

Los modelos utilizados en el HDM 4 han sido modificados respecto a los de la versión anterior HDM III, fundamentalmente se ha profundizado en el análisis de los ya existentes y se adicionaron nuevos modelos relacionados con la seguridad del usuario, como ser la textura y la resistencia al deslizamiento. Los modelos de predicción de deterioro que posee el HDM 4 para calzadas con superficie de rodamiento asfáltica son los que se indican en la tabla de la Figura 1, donde se encuentra también una breve descripción de cada uno de ellos y los coeficientes de ajuste que cada uno de los modelos posee. Deterioro Fisuras anchas estructurales Fisuras transversales térmicas Fisuras totales estructurales Peladuras

Baches

Rotura de borde

Ahuellamiento

Rugosidad

Definición Fisuras interconectadas o lineales con abertura mayor o igual a 3 mm Fisuras transversales no conectadas

Coeficientes de ajuste • Inicio • progreso • inicio • progreso

Fisuras interconectadas o lineales con • inicio abertura mayor o igual a 1 mm • progreso • retardo Pérdida de material de la superficie de • inicio desgaste • progreso • retardo Cavidad abierta en la superficie del • inicio camino con al menos un diámetro de • progreso 150 mm y una profundidad de 25 mm Pérdida de material bituminoso de la • progreso superficie (y posiblemente también material de base) del borde del pavimento Deformación del perfil transversal, • densificación inicial permanente canalizada en las huellas • deterioro estructural del tránsito. Medido con una regla • deformación rígida de 2 metros de longitud plástica posicionada perpendicularmente al eje • desgaste por del camino. neumáticos para nieve Desviaciones de la superficie respecto • Progreso ambiental

a una superficie plana, que afecta la dinámica del vehículo, la calidad de circulación, las cargas dinámicas y el escurrimiento del agua. Valorada con rugosímetros en unidades IRI. Textura Profundidad media de la superficie del camino y un plano, a escala de los agregados gruesos. Valorada en profundidad media de arena. Resistencia al Coeficiente de fricción transversal deslizamiento valorado con equipo Scrim.

•

Progreso en función de los deterioros

•

Factor textura

• •

Factor fricción Efecto de la velocidad

Figura 1. Modelos de deterioro del HDM 4 Como puede observarse los coeficientes de ajuste, en la mayoría de los modelos contemplan dos fases: inicio y progreso. El coeficiente de inicio modifica directamente el tiempo que transcurre hasta la aparición del deterioro, mientras que el coeficiente de progreso modifica el incremento anual del deterioro. En la gráfica de la Figura 2 puede visualizarse esta situación. %F I SURAS

INICIO

PROGRESO

Edad (años)

Figura 2. Curva típica de evolución de las fisuras de superficie Como puede observarse los modelos de deterioro se han incrementado con respecto a la versión anterior HDM III, se han incorporado modelos no considerados previamente y algunos de los existentes han sido desagregados. Cada uno de los modelos de deterioro posee uno o más factores de calibración o coeficientes “K” que permiten ajustar los mismos a las condiciones propias de la región o país donde se apliquen.

Debido a la modificación que han sufrido los modelos, se ha incrementado la cantidad de coeficientes de ajuste. En la versión HDM III eran 7 factores, mientras que en el HDM 4 son 22. Esto si bien hace más flexibles los modelos, implica un mayor esfuerzo en su calibración.

4.

INTERRELACIÓN DE LOS MODELOS DE DETERIORO

Si bien han sido desarrollados modelos particulares para cada deterioro, los mismos no son totalmente independientes. O sea que en la evolución año tras año valorada para algunos de los parámetros intervienen los valores que algunos otros poseen para ese mismo año. En la Figura 3 puede observarse la interacción existente entre los modelos de deterioro del HDM 4.

Inicio de fisuras

Progreso de fisuras

Ahuellamiento

Baches

Inicio de peladuras

Progreso de peladuras

Deformación estructural

Rugosidad

Efecto ambiental

Figura 3. Interacción de los modelos de deterioro en el HDM 4

5.

TÉCNICA DE VENTANAS

La técnica de ventanas consiste en lograr una curva de comportamiento a través de la superposición de las respuestas observadas en distintos casos semejantes con diferentes edades. Mediante esta técnica pueden aprovecharse las evaluaciones periódicas de deterioros de la red para simular la evolución de los comportamientos aunque no se disponga de un elevado número de años de cada tramo.

Esta técnica se sustenta en el metodológico seguimiento de casos reales adecuadamente respaldados dentro de un Sistema de Información, que brinde los datos necesarios para el análisis planteado. Resulta imprescindible entonces recalcar aquí la importancia de las metodologías de recolección de la información, que deberán aislarse de subjetivismos del evaluador, requiriéndose para este fin de instructivos claros donde se plasmen los criterios a utilizar en la evaluación. Una vez seleccionado el conjunto de parámetros relevantes en la problemática estudiada, es necesario un claro conocimiento del rango de variación de cada uno de ellos dentro del conjunto de datos disponibles. Se plantean, de ser posible, divisiones del rango de cada parámetro (estratificación de variables) de forma de lograr una selección de casos que manifieste una clara tendencia de la respuesta del sistema que se pretende ajustar o modelizar. Para plantear esta gráfica de tendencia, como la indicada en la Figura 4, se superponen los distintos casos incluidos en la selección adoptando el eje respecto del cual se valora la respuesta, generalmente la edad u otra variable definida para acumular las acciones del entorno. Finalmente adoptando en el modelo valores de los parámetros iguales al medio de cada uno de los subrangos, se ajustan los coeficientes del modelo de manera de lograr el acuerdo con las observaciones. Este acuerdo puede lograrse visualmente o en una mejor aproximación automatizarlo mediante el uso de algún indicador como podría ser la minimización del error cuadrático medio. Para visualizar el acuerdo logrado también es posible graficar con el modelo un huso en base a adoptar los parámetros en los valores extremos de los subrangos definidos.

RESPUESTA d is tin to s casos

E dad Figura 4. Esquema de superposición de comportamientos en técnica de ventanas Para realizar el proceso de ajuste de los distintos modelos de deterioros superficiales se han analizado en conjunto los datos correspondientes a distintas rutas con

características similares. De esa manera pudo reconstruirse una curva completa de comportamiento, para toda la vida en servicio, a partir de observaciones realizadas en cortos períodos de tiempo.

6.

DATOS DISPONIBLES DE TRAMOS Y DETERIOROS

Se dispone de una importante base de datos de rutas nacionales de la región litoral y de rutas provinciales de la Provincia de Santa Fe, de las cuales se dispone de aproximadamente 550 datos de deterioro. En esta base se encuentran cargados los siguientes datos: • • • • •

Fecha de construcción Estructura Tránsito Respuesta estructural Deterioros superficiales en distintas etapas de su vida en servicio

Respecto a la respuesta estructural, la misma se corresponde en general con mediciones de la Deflexión Benkelman. En algunas rutas se dispone de evaluaciones estructurales de mayor detalle, provenientes de ensayos con Penetrómetro Dinámico de Cono y de ensayos de laboratorio. Respecto a los deterioros superficiales, en algunos de los tramos el relevamiento se ha realizado de acuerdo a la metodología indicada en el HDM III, mientras que en el resto de los tramos los mismos han sido valorados con la técnica de relevamiento en uso en Argentina, o sea de acuerdo a la metodología de evaluación de pavimentos de la Dirección Nacional de Vialidad. Para poder utilizarlos en el HDM 4 se han realizado algunas adaptaciones, a saber: •

La rugosidad ha sido expresada en IRI (m/km), a partir de mediciones realizadas con distintos rugosímetros y transformadas a IRI con ecuaciones de calibración.

•

El ahuellamiento valorado en los relevamientos corresponde al medido con una regla rígida de 1.2 m, mientras que el que se indica en el HDM 4 es el correspondiente a una regla de 2 m. Este parámetro no ha sido modificado, por lo que en los coeficientes de ajuste se incluye la corrección de metodología.

•

Las fisuras de superficie han sido en la mayoría de los casos evaluadas de acuerdo a la metodología de la Dirección Nacional de Vialidad, grado especificado según catálogo de fotos tipo y % de extensión de ese grado. Para este análisis de simulación con HDM 4 han sido transformadas a % de fisuras totales y % de fisuras anchas. Para ello se ha utilizado una escala de transformación derivada de observaciones de comportamiento reales con ambas metodologías.

Es de comentar que los relevamientos de deterioros superficiales efectuados en los últimos años en la Dirección Provincial de Vialidad de la Provincia de Santa Fe se han estado realizando de acuerdo a la metodología indicada en el HDM III.

7.

•

Respecto a los parámetros baches y peladuras no existe un relevamiento confiable, por lo cual estos modelos no han sido ajustados. Principalmente por el déficit existente en la evaluación de las acciones de mantenimiento.

•

La rotura de borde se produce en rutas con ancho de carril reducido, según está indicado en el HDM 4. El conjunto de rutas analizadas posee, en general, un adecuado ancho de calzada y por lo tanto este deterioro no se produce.

•

En el conjunto de rutas analizadas no existe aún relevamiento de la textura superficial ni de la resistencia al deslizamiento, por lo tanto estos modelos no se han ajustado em el presente trabajo.

MODELOS DE DETERIORO EFECTIVAMENTE AJUSTADOS

En el presente trabajo se han ajustado tres de los modelos de deterioro existentes, tanto para carpetas de rodamiento con mezclas asfálticas como con tratamientos superficiales, debido a la confiabilidad de los datos de relevamiento disponibles. Los modelos ajustados son: fisuras totales, ahuellamiento y rugosidad, habiendo supuesto que no existen baches sobre la calzada o sea con la realización de tareas de mantenimiento periódicas de bacheo.

8.

AJUSTE REALIZADO PARA CARPETAS DE RODAMIENTO CON TRATAMIENTO SUPERFICIAL

Se dispone de 176 datos de deterioros relativos a carpetas de rodamiento con tratamiento superficial. Dichos datos corresponden al comportamiento medio observado en distintas edades de vida de las rutas consideradas. Los entornos de tránsitos y deflexiones en este conjunto de datos es amplio, pero a pesar de eso no fue posible plantear una estratificación respecto a estos parámetros, ya que a pesar de dividir los entornos no se logró reducir las dispersiones ni mejorar el ajuste realizado. Para realizar el ajuste de los modelos del HDM 4 ha sido adoptada como punto de partida una estructura típica media, representativa del conjunto de estructuras

disponibles, sometida a un tránsito igual al medio del entorno (valorado en “N” número de ejes equivalentes de 80 KN). En la gráfica de la Figura 5 pueden observarse tanto los datos disponibles como los resultados obtenidos, los cuales se corresponden con la siguiente descripción: • Cada punto representa una observación o evaluación realizada del deterioro de la superficie para la edad correspondiente • La curva de línea continua color rojo representa la evolución predicha por el HDM 4 sin ajustar, o sea con coeficientes unitarios • La curva de línea continua color negro representa la evolución predicha por el HDM 4 con coeficientes ajustados Como puede observarse, el modelo de rugosidad es el que justifica la calibración realizada, donde se observa una importante diferencia entre el valor del parámetro predicho con los coeficientes unitarios y los ajustados. En los modelos de fisuras totales y de ahuellamiento no existe gran diferencia entre ambas curvas de predicción. El modelo de baches no fue ajustado, y se supuso que los mismos se tapaban a medida que aparecían como tarea de mantenimiento periódico, por lo cual en la correspondiente gráfica de la Figura 5 la predicción de este parámetro se muestra siempre con valor cero.

Figura 5. Evolución de los deterioros para las carpetas de rodamiento con tratamiento superficial, todos los datos disponibles sin estratificación

9.

AJUSTE REALIZADO PARA CARPETAS DE RODAMIENTO CON MEZCLA ASFÁLTICA

Para este tipo de superficie se dispone de 389 datos de deterioro, que representan una apreciable cantidad de datos para realizar el ajuste. Con este conjunto se ha realizado una división en dos grupos netamente diferenciados, estructuras nuevas y estructuras reforzadas. Dicha división ha sido realizada no sólo por la estratificación visible en los datos, sino por responder a distintos modelos de simulación de comportamiento dentro del HDM 4. 9.1.

Estructuras nuevas

Para este tipo estructural se dispone de más de 200 datos de deterioro estructural, y los mismos han podido ser analizados en tres grupos estratificados según la deflexión Benkelman debido a las diferencias observadas en los comportamientos, todos sometidos a un tránsito anual igual al tránsito promedio del entorno analizado. Han sido analizados los siguientes grupos: •

Deflexión menor a 50 [mm/100]

•

Deflexión entre 50 [mm/100] y 90 [mm/100]

•

Deflexión superior a 90 [mm/100]

En las gráficas de las Figuras 6, 7 y 8 pueden observarse los datos y los deterioros predichos para cada uno de los grupos, respondiendo a la misma descripción que la realizada en el punto 8 para las carpetas de rodamiento con tratamientos superficiales. Figura 6. Evolución de los deterioros para las carpetas de rodamiento con mezcla

< 50

TODOS

asfáltica en rutas con estructura nueva, deflexión < 50 [mm/100]

Como puede observarse, para los tres grupos analizados, el ajuste realizado es importante. O sea que la predicción de deterioros realizada con los coeficientes ajustados se adapta mucho mejor a la evolución real observada sobre los tramos de ruta. Se recuerda que el modelo de evolución de baches no fue ajustado, sino que fue considerada la ejecución de tarea de bacheo como mantenimiento rutinario.

50 > D < 90

TODOS

Figura 7. Evolución de los deterioros para las carpetas de rodamiento con mezcla asfáltica en rutas con estructura nueva, deflexión entre 50 y 90 [mm/100]

> 90

TODOS

Figura 8. Evolución de los deterioros para las carpetas de rodamiento con mezcla asfáltica en rutas con estructura nueva, deflexión > 90 [mm/100]

9.2.

Estructuras reforzadas

Se dispone de 171 datos de deterioro para las estructuras reforzadas. Al igual que para las carpetas de rodamiento con tratamientos superficiales no se ha realizado ninguna estratificación, o sea que todos los datos han sido analizados en conjunto. En las gráficas de la Figura 9 se observan los datos y resultados obtenidos, respondiendo a la descripción realizada en el punto 8 para las carpetas de rodamiento con tratamiento superficial.

Figura 9. Evolución de los deterioros para las carpetas de rodamiento con mezcla asfáltica en rutas con estructura reforzada, todos los datos disponibles sin estratificación

Para este conjunto de datos puede observarse que el ajuste de los tres modelos de deterioro analizados es importante, al existir una amplia diferencia entre los comportamientos predichos con coeficientes unitarios (curvas rojas) y los realizados con coeficientes ajustados (curvas negras).

10. Coeficientes de ajuste obtenidos para los modelos de deterioro del HDM 4

El ajuste mostrado en las Figuras previas para los distintos tipos de superficie de rodamiento y estructura se ha realizado buscando el conjunto de coeficientes de ajuste que mejor representara la evolución real de los deterioros de superficie. Con la aplicación de este conjunto de coeficientes se representa entonces el comportamiento medio de los deterioros de los grupos analizados. El mismo puede ser utilizado con confianza en estudios de simulación de comportamiento realizados a nivel red, mientras que si el análisis a realizar es a nivel tramo los mismos deben ser considerados sólo como una guía debiendo ser modificados de acuerdo al comportamiento del tramo en estudio, en la medida que se dispongan datos de evaluación de deterioros superficiales.

TIPO DE SUPERFICIE DE RODAMIENTO DETERIORO

FISURAS

COEFICIENTE DE AJUSTE

MEZCLA ASFÁLTICA REFUERZO

MEZCLA ASFÁLTICA NUEVA D < 50

50