Gestión de Fricción en Pavimentos de Hormigón: Un aporte a...

Gestión de Fricción en

Pavimentos de

Hormigón: Un aporte

a la seguridad vial

Dr. Ing. Tomás Echaveguren,

Universidad de Concepción, Chile

Buenos Aires , Argentina, Octubre de 2010

TEMAS DE LA PRESENTACION

• Introducción

• Comportamiento de la Fricción en el Tiempo

• Técnicas de Recuperación de Fricción

• Principios de Selección de Técnicas de Recuperación de

Fricción

• Conclusiones


Introducción – Fricción – Recuperación - Selección – Conclusiones

El Concepto de Seguridad Vial

Conducción Normal Ruptura Emergencia Accidente

Colisión

Estímulos

Factores Detonantes

Factores Agravantes

Desde el punto de vista de la ingeniería, proporcionar una infraestructura segura (es decir, exenta de peligros), consiste en dados los estímulos percibidos por el conductor, reducir al máximo posible los factores de riesgo (detonantes y agravantes)


El Riesgo de Accidentes y la Seguridad Vial

R = (Pr)(C)(E)

• Riesgo objetivo (Ro): El que el conductor percibe a través de estímulos visuales .

• Riesgo subjetivo (Rs): Lo que el conductor interpreta

• Riesgo latente (Rl): Asociado a los estímulos no percibidos. (Por ejemplo, condición del pavimento)

La misión de la seguridad vial es reducir el Ro y Rl, particularmente pensando en Rl, dado que el conductor no lo percibe.

Este es ámbito de la acción de la ingeniería de pavimentos.


El Riesgo Latente en los Pavimentos

Clase de Factor Atributo IndicadorGrado de Percepción

del UsuarioFricción y/o

TexturaMacro y Micro

TexturaIFI Bajo

RugosidadConfort

Relación Velocidad Rugosidad

IRI Alto

Defectos Superficiales

Severidad y Extensión PCI Medio

Perfil Longitudinal

Perfil Lateral


El concepto de Fricción

• La Fricción (o Resistencia al Deslizamiento) es una propiedad del pavimento que describe su grado de adherencia con el neumático

• Es una fuerza resultante de la interacción del neumático con el pavimento y la interfase existente entre ellos.

• Se describe mediante el coeficiente de resistencia al deslizamiento (CRD).

• Está relacionada con la existencia de puntos de adherencia (micro-textura) y la evacuación pronta de agua en la interfase (macro-textura).

CRD = ΣFhorizontal / Σ FVertical


La Micro y Macro-textura

Longitud de Mega-textura

Longitud de macro-textura

Profundidad de mega-textura

Micro-textura Profundidad de macro-textura

Longitud de micro-textura

Profundidad de micro-textura

Aspereza

(Echaveguren (2004). Traducido del original: Highways Agency, 1999).


Relación entre Fricción y Accidentes

Conducción Normal

Ruptura Emergencia Accidente

Colisión

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

Resistencia al Deslizamiento (BPN)

Rie

sgo

rel

ativ

o d

e ac

cid

ente

s (%

)


Relación entre Fricción y Accidentes

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

Resistencia al Deslizamiento (BPN)

Rie

sgo

rel

ativ

o d

e ac

cid

ente

s (%

)

cual es el umbral?

(Adaptado de Wallman y Astrom, 2000)


Comportamiento Teórico de la Fricción en el tiempo

Edad

Comportamiento de Largo Plazo

Fricción Fase Transiente Fase Permanente

0 3 - 5 20

1

0


Comportamiento de la Fricción en el tiempo en Pav. Hormigón

( ) ( ) 0( ) (0) ( ) (0) cos( )2

D

C

PEA t AF t F F F e tω ϕ

= + ∞ − + +

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Time (Years)

Ski

d R

esis

tan

ce (

SF

C,

50 K

m/h

)

Traffic High Traffic Medium Traffic Low Trend

(Echaveguren, 2008)

3.000 secciones, medidas entre 2005 y 2007 en cada estación del año


Cuando es necesario recuperar fricción?

Fricción

0

1

0

Edad

Umbral de Alerta

Umbral de Intervención


Qué técnicas de recuperación existen

• Pavimentos Existentes:

• Recuperación de macro-textura y micro-textura

• Pavimentos Nuevos:

• Acabado superficial tal que maximice la macro-textura y la micro-textura

Fricción

0

1

0Edad

Umbral de Alerta

Umbral de Intervención

Recuperación de Fricción


Cuándo aplicar técnicas de recuperación de fricción

Tipo de superficieProblemas existentes

Condiciones de RD y Tx

Aplicabilidad de la actividad de retexturizado

Bush Hammering

Shot Blasting

Ranurado (grooving)

Cepillado (grinding)

ScabblingAire comp.

calienteAgua a presión

Hormigón Reforzado

Continuo (CRCP)

Superficie muy pulida (requiere recuperar RD)

Buena Tx o o x x o o x

Pobre Tx o o x x o o x

Ranuras desgastadas (recuperar Tx)

Buena RD o o OK OK o x x

Pobre RD o o o o o x x

Ruido y Tx excesivos

Buena RD OK x x x o x x

Remover grasa, aceite, caucho

Buena RD x o x x x o OK

Hormigón con Juntas

Superficie muy pulida (requiere recuperar RD)

Buena Tx o o x x o x x

Pobre Tx o o x x o x x

Ranuras desgastadas (recuperar Tx)

Buena RD o o o o o x x

Pobre RD o o o o o x x

Ruido y Tx excesivos

Buena RD o x x x o x x

Remover grasa, aceite, caucho

Buena RD x x x x x o OK


Técnicas de Recuperación de Fricción: Pavimentos Nuevos

Terminación de Textura

Burlap Drag

(texturado con tela gruesa)Turf Drag

(Texturado con césped sintético)Brooming

(Barrido)Tinning

(acanalado con moldes plásticos)

(De Solminihac et al, 2004; Yáñez, 2005)



TécnicaFricción

(IFI)Textura

(mm)Duración

(años)Inversión

USD/Km (4)Burlap Drag

(texturado con tela gruesa)65 BPN 0,6 mm 5 – 7 330

Turf Drag

(Texturado con césped sintético)0,7 SFC 0,6 mm 5 - 7 330

Brooming

(Barrido)0,7 SFC 0,6 mm 5 - 7 330

Tinning

(acanalado con moldes plásticos)40 – 45 (1) < 3 mm (3) 10 - 15 900

(1) Medido con ASTM Trailer E274(2) Medida con Mancha de Arena(3) No existen datos de textura(4) Costo inicial puesto en Cono Sur, en moneda del año 2005




Burlap Drag (texturado con tela gruesa)



Turf Drag (Texturado con césped sintético)



Brooming (Barrido)


Técnicas de Recuperación de Fricción: Pavimentos Existentes

Impacto y Abrasión

Bush Hammering

(con martillos)Shot Blasting

(con bolillas o arena)Scabbling

(discos con protuberancias)

Cepillado y Ranurado

Diamond Grinding

(cepillado con discos diamantados)Diamond Grooving

(ranurado con discos diamantados)

Acción de fluidos

Water Abrasive Blasting

(agua a presión)Hot Compressed Air

(Aire Comprimido Caliente)

SellosHigh Friction Surfacings

(Sellos de Alta Fricción)



Técnicas de Recuperación de Fricción: Pavimentos Existentes

TécnicaFricción Textura

(mm)Duración

(años)InversiónUSD/Km

Bush Hammering

(con martillos)65 BPN 0,9 3 12.000

Shot Blasting

(con bolillas de acero o arena)0,8 SFC 0,8 3 18.000

Scabbling

(discos con protuberancias)0,7 SFC 1,0 3 - 5 12.200

Diamond Grinding

(cepillado con discos diamantados)76 BPN 1,0 5-6 18.000

Diamond Grooving

(ranurado con discos diamantados)77 BPN 1,5 10-15 35.000

Water Abrasive Blasting

(agua a presión)0,7 SFC 1 – 2 1 - 2 4.000

Hot Compressed Air

(Aire Comprimido Caliente)0,5 SFC 0,2 1 60.000

High Friction Surfacings

(Sellos de Alta Fricción)85 BPN 0,8 10 400.000



Pavimentos Existentes: Bush Hammering


Pavimentos Existentes: Bush Hammering

Aumento de RD desde 40 – 45 BPN hasta 60 – 70 BPN


Pavimentos Existentes: Shot Blasting


Pavimentos Existentes: Scabbling


Pavimentos Existentes: Diamond Grinding

Ancho interno: 2.0 mm para áridos duros2.8 mm para áridos blandos

Ancho de discos diamantados(2.5 to 3.3 mm)








Pavimentos Existentes: Diamond Grooving

19 mm

3.2 mm min6.4 mm max

Espesor de discos de corte(2.5 mm)

19 mm



19 mm




Pavimentos Existentes: Sellos de Alta Fricción

• Aplicación en caliente. Puede abrirse al tránsito en 20 minutos.

• Bauxita Calcinada (oxido de aluminio) y ligante premezclados en caliente.

• Aplicación en frio. Puede abrirse al tránsito en 3 horas.

• Bauxita Calcinada (oxido de aluminio) se esparce sobre el ligante.



Tránsito pesado máximo diario por pista

Sitio (HD28/94)

Características Principales SAF Tipo 1 SAF Tipo 2 SAF Tipo 3

FAproximaciones y cruces de intersecciones importantes

3.500 1.000 250G1

Pendientes entre 5 y 10%, tramos de longitud > 50 m

H1Curvas con radios entre 100 y 250 m, con velocidad límite superior a 40 millas/h

L Rotondas

G2Pendientes superiores a 10%, tramos de longitud > 50 m

2.500 750 175H2

Curvas con radios inferiores a 100 m, con velocidad límite superior a 40 millas/h

J / KAproximaciones a zonas riesgosas (rotundas, intersecciones semaforizadas, cruces peatonales, cruces ferroviarios)

2.500 500 100

Fuente: BBA HAPAS (British Board of Agreement, Highway Authorities Product Approval Scheme, 2004)


Criterios para seleccionar la mejor técnica

Valor AnualNeto

Impacto Constructivo

Nivel deRuido

Fricción(IFI)

•Resistencia al Deslizamiento

•Textura•Durabilidad en el tiempo

•Ruido (DbA)•Polución

•Vida Útil•Horizonte de Evaluación

• Inversión•Valor Residual•Costo Usuarios:

•Operación•Demoras•Accidentes•Tiempo de Viaje

Requisitos Técnicos Requisitos Económicos y Ambientales

•Ruido (DbA) en el tiempo


Criterios para seleccionar la mejor técnica

Valor AnualNeto


Nivel deRuido

Fricción(IFI)

•Resistencia al Deslizamiento

•Textura•Durabilidad en el tiempo

•Ruido (DbA)•Polución

•Vida Útil•Horizonte de Evaluación

• Inversión•Valor Residual•Costo Usuarios:

•Operación•Demoras•Accidentes•Tiempo de Viaje

Requisitos Técnicos Requisitos Económicos y Ambientales

•Ruido (DbA) en el tiempo

Cómo agregar estos criterios disímiles?


Método Magnitud - Importancia

Indice = Magnitud * Importancia* 100

• Magnitud:

• Variación dimensional del aporte de cada criterio de decisión al resultado final. El valor depende de las unidades dimensionales de cada criterio (DbA, $, etc.). Usualmente se utiliza una función de transferencia que normaliza los valores dimensionales a un rango a-dimensional que varía entre 0 y 1.

• Importancia:

• Grado de relevancia del criterio de decisión . Varía entre 1 y 10 para variables individuales. En términos agregados, varía entre 0 y 1.


Ejemplo de Matriz de Importancia

Criterio Baja Media Alta Valor Factor

Indice de Fricción Int.

10 10 10/28

Nivel de Ruido en Servicio

8 8 8/28

Valor Anual Neto

7 7 7/28


3 3 3/28

Total 28


Ejemplo de Funciones de Normalización de Magnitud

Criterio Función de Valor

IFI (F60 > 0,29) f(x) = 1,41(F60) – 0,41

IFI (Sp> 68) f(x) = 0,008(Sp) – 0,54

Ruido (15 < x < 95 DbA) f(x) = - 0,0125x + 1,1875

Valor Anual Neto (x > 0) f(x) = x/50.000

Impacto Constructivo (Ruido) f(x) = - 0,022x + 2,222

Impacto Constructivo (Polución) f(x) = - x + 1

• Sp = a + b(Tx)

• F60 = f(RD medida, velocidad de medición, equipo de medición, tipo de neumático de ensaye)

• Las funciones de normalización varían entre 0 y 1.

• La normalización se realiza de acuerdo a la banda de aceptación y rechazo de las variables individuales


Aspectos Relevantes

• La fricción es una variable que contribuye a la presencia de riesgo latente

• Está comprobado empíricamente que baja fricción está correlacionada con el número y consecuencias de accidentes. Especialmente en curvas horizontales.

• Modelación de comportamiento estacional y de largo plazo. En el caso del hormigón, está dominado por el comportamiento estacional.

• Medición adecuada mediante equipos y procedimientos normados y certificados.

• Umbrales de fricción flexibles y realistas con las condiciones locales.

• Selección de técnicas costo-eficientes, propias para cada problema en particular.

• Tanto en pavimentos existentes como nuevos, las técnicas de recuperación de fricción tienen por objetivo recuperar la micro-textura y la macro-textura.

• Considerar sólo el sobre-costo de inversión en recuperación de RD es un error.

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Pavimentos de

Hormigón: Un aporte a

la seguridad vial

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