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ESTUDIO DE FRICCIN EN PAVIMENTOS (AVANCE)
ROBINSON LUCERO CAMPOS, Ingeniero Civil, Laboratorio Nacional de
Vialidad, [email protected] CARLOS WAHR DANIEL,
Ingeniero Civil Universidad Tcnica Federico Santa Mara,
[email protected] CATALINA ARANCIBIA GALEA, Alumna
Memorista, Ingeniera Civil. Universidad Tcnica Federico Santa Mara,
[email protected]
RESUMEN
La Friccin en los pavimentos es un factor importante en la
seguridad de la conduccin y en el diseo de curvas horizontales, por
esta razn se encuentra en ejecucin un anlisis de la estabilidad
dinmica para las vas de nuestro pas. Como primer paso se defini un
conjunto de vas tipo en la regin Metropolitana, las que presentan
distintas condiciones de diseo y caractersticas del pavimento de
manera que sirvan para elaborar los antecedentes de friccin. Las
mediciones se realizaron con el equipo SCRIM, del Laboratorio
Nacional de Vialidad, el que fue operado a sus tres velocidades
(30, 50 y 70 [km./h]), esto permiti estimar nuestros antecedentes
de friccin y velocidad, los cuales se compararon con los datos
internacionales, determinando un diagnstico de la situacin actual.
1. INTRODUCCIN Una va debe proporcionar al usuario seguridad y
confort. No existe un sistema de medida que indique el grado de
seguridad de una ruta, ya que los factores de seguridad de la
calzada son numerosos y variados: velocidad de circulacin, estado
de los neumticos del vehculo, caractersticas geomtricas y textura
de la carpeta de rodado, adems de las condiciones climticas y el
propio conductor. ltimamente se han analizado tres criterios: a)
Consistencia en el diseo; b) consistencia en la velocidad de
operacin; y, c) estabilidad dinmica. Los dos primeros criterios se
refieren al anlisis de las diferencias entre la velocidad de
operacin y velocidad de diseo, el tercero, analiza la diferencia
entre friccin demandada y ofrecida por el diseo. Un margen de
conduccin dinmica segura es siempre requerido, sin embargo, es
raramente verificable. La resistencia al patinaje es un componente
esencial de seguridad en caminos. El coeficiente de friccin entre
el neumtico y el pavimento especifica una condicin que consiste en
adhesin, roce e interconexin. El camino debe proveer un nivel de
resistencia al patinaje para seguridad en frenado, maniobras y
control del vehculo dentro de una zona curva. Estudios han
demostrado claramente que los
-
niveles de friccin desarrollados por un pavimento en contacto
con un neumtico estn dependiendo de dos caractersticas:
macrotextura y microtextura. La seguridad en la conduccin presenta
una importancia social y econmica, debido a los costos de un
accidente de trnsito por una mala adherencia en el pavimento. Se
debe aclarar que la friccin involucra dos elementos: neumtico y
pavimento. La friccin est relacionada directamente con la velocidad
y las condiciones geomtricas de la va. Al variar la velocidad la
adherencia entre neumtico y superficie de rodado cambia, diversos
estudios se han realizado en pases como Alemania, Grecia y Estados
Unidos. 2. CRITERIOS DE SEGURIDAD Los criterios de seguridad estn
basados en la consistencia del diseo. Estudios sobre su
aplicabilidad en indicadores cuantitativos para su evaluacin han
conducido a tres criterios fundamentales. 2.1. Criterio 1:
Consistencia en el diseo Este criterio compara en cada elemento de
diseo la velocidad de diseo (Vd) con la velocidad de operacin
(V85). Niveles de Diseo:
BUENO REGULAR MALO
[ ]hkmdi VV 1085 [ ]hkmdi VV 2010 85 [ ] dihkm VV 8520 Vd:
velocidad de diseo [km./h]. V85i: percentil 85 de velocidad
esperada para el elemento de diseo "i" [km./h]. 2.2. Criterio II:
Consistencia en la velocidad de operacin Se compara la velocidad de
operacin (V85) de dos elementos de diseo sucesivos. Niveles de
Diseo:
BUENO REGULAR MALO
[ ]hkmii VV 1085185 + [ ]hkmii VV 2010 85185 + [ ] iihkm VV
8518520 + V85i: percentil 85 de velocidad esperada para el elemento
de diseo "i" [km./h]. V85 i+1: percentil 85 de velocidad esperada
para el elemento de diseo "i+1" [km./h].
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2.3. Criterio III: Estabilidad dinmica Se considera como el
principal criterio de diseo de curvas horizontales, se relaciona
directamente con la dinmica de la conduccin, que es controlada por
las leyes fsicas del movimiento de un vehculo e involucra sus
propiedades, las del trazado y del pavimento de la va por la que
circula. Este criterio se basa en la diferencia entre la friccin
demandada y asumida por el diseo. Para una conduccin segura el
coeficiente de roce asumido debe ser mayor que el coeficiente de
roce demandado.
El roce demandado corresponde al roce que presenta el pavimento,
el cual cambiar a lo largo del tiempo y segn las condiciones
climticas y de circulacin. El roce asumido es determinado a partir
de las condiciones de diseo geomtrico de las curvas.
f a = f (Vd, R, e) Donde: Vd: velocidad de diseo [km./hr]. R :
radio de curvatura [m]. e: peralte [%/100]. Se puede observar que
el roce asumido no hace diferencia al tipo de material empleado ni
a las condiciones climticas, lo cual s afecta al roce demandado y,
por consiguiente, la seguridad en la conduccin. Una forma de
obtener el coeficiente de friccin demandado en la direccin radial
es medirlo directamente en terreno, se debe tener en cuenta que la
mxima transmisin de la fuerza de roce depende de las caractersticas
del neumtico y pavimento y de la presencia de sustancias en el rea
de contacto. De aqu que se necesite un estudio de la micro y
macrotextura que ayude a determinar el estado del pavimento. Adems
de las condiciones climticas del lugar, toma gran importancia la
humedad del pavimento, ya que la presencia de una pelcula de agua
sobre el pavimento disminuye el valor de la friccin. Para
determinar la friccin demandada se deben tener en cuenta diversos
factores:
f d = f (V, caractersticas geomtricas, tipo de superficie,
condiciones climticas)
Considerando las diferencias entre el coeficiente de friccin
asumido y demandado es posible clasificar un pavimento en cuanto a
su seguridad. 2.3.1. Friccin y Parmetros geomtricos Existen
distintos tipos de curvas, algunas son de transicin, diferentes
radios y longitudes, por lo que se hace necesario utilizar un
parmetro que permita comparar la geometra con la friccin y no slo
curvas de condiciones similares. Se ocupa como parmetro de diseo la
razn de cambio de curvatura (CCRS), parmetro que relaciona los
distintos elementos de la curva de anlisis, teniendo en cuenta su
longitud total, y las longitudes de las curvas de transicin, adems
del radio de la curva circular.
( )1127
2e
R
Vf da =
-
[ ] ( )( )3
222
63700
21
21
ClClCR
kmgonClClCR
S
LLLL
R
L
R
L
R
L
LCCR
++=
++=
L: longitud de la curva [km.]. CCRS: [gon/km]. Lcr: longitud
curva circular [m]. R: radio de la curva circular [m]. L cl1, L
cl2: longitud de clotoide (curva de transicin) [m]. Si no existe
curva de transicin, se tiene la siguiente expresin:
[ ] ( )463700 kmgonS RCCR =
Para las condiciones de diseo, representadas por CCRS, se tiene
tanto friccin demandada como asumida. 2.3.2. Criterio III
Internacional En pases de Europa y en Estados Unidos se han
realizado estudios en las distintas vas para el anlisis de la
estabilidad dinmica. Para evaluar el diseo se han establecido tres
clases de razn de cambio de curvatura, CCRS:
Buen diseo: [ ]kmgonSCCR 180< Diseo regular: [ ]kmgonSCCR
360180
-
Figura 2.1: Relacin entre la friccin transversal
asumida/demandada y la razn de cambio de curvatura para los pases
Alemania, Estados Unidos y Grecia. a) Alemania:
Estabilidad Dinmica (Alemania)
360180
Demandada
Asumida
0.00
0.10
0.20
0.30
0 100 200 300 400 500 600 700 800
CCRs [gon/km]
Coe
fici
ente
de
fric
cin
tr
ansv
ersa
lBUENO REGULAR MALO
-0.045
-
c) Grecia:
Estabilidad Dinmica (Grecia)
360180
Demandada
Asumida
0.00
0.10
0.20
0.30
0 100 200 300 400 500 600 700CCRs [gon/km]
Coe
fici
ente
de
fric
cin
tr
ansv
ersa
l
BUENO REGULAR MALO
-0.04< fa-fd< 0.0
3112743
2842
1082.81012.41090.51095.1
1066.41041.11083.6
sssd
ssa
CCRCCRCCRf
CCRCCRf
++=++=
3. ESTUDIO DEL CRITERIO III Para hacer un anlisis de las vas
basndose en la Consistencia Dinmica es necesario conocer los
parmetros geomtricos de las distintas curvas y la velocidad de
diseo, con lo cual se puede obtener la friccin asumida (utilizando
la ecuacin 1). Para obtener la friccin demandada se utiliza el
SCRIM, equipo perteneciente al Laboratorio Nacional de Vialidad, el
cual permite medir en terreno el coeficiente de roce dinmico con
una rueda oblicua (desviada en 20 respecto a la direccin de avance
del vehculo) y que puede circular a distintas velocidades para
realizar las mediciones (30, 50 y 70 [km./hr]). Esto permite tener
una relacin entre las condiciones geomtricas existentes y la
friccin demandada. El valor entregado por el SCRIM es necesario
relacionarlo con la friccin transversal, para poder comparar la
friccin demandada con la asumida para los distintos niveles de
diseo. La friccin demandada se determina a partir de correlaciones
entre sta y la velocidad de percentil 85. En la eleccin de las vas
y en la obtencin y anlisis de datos es necesario tener presente los
factores que afectan el valor de la friccin del pavimento. La
evaluacin de la resistencia al deslizamiento debe contener una
muestra representativa de las superficies de diferente tiempo de
uso, mtodo de construccin y categoras de caminos.
-
Las condiciones climticas y caractersticas del lugar influyen
considerablemente. Al programar las mediciones se debe tener
presente el perodo en que se realiza, ya que para un mismo tramo
los resultados de mediciones en distintas estaciones sern
diferentes y pueden alterar las conclusiones. 3.1. Factores que
afectan el valor del coeficiente de rozamiento Los principales
responsables de la friccin de la goma neumtica son la adhesin e
histresis. La adhesin corresponde al esfuerzo de corte de la
superficie de contacto, en cambio, histresis es causada por prdida
de amortiguamiento en la goma, cuando sta es desgastada sobre y
alrededor de las partculas minerales. Ver figura 3.1.1. El
deslizamiento en una carpeta de rodado est condicionado por: las
caractersticas del pavimento (tipo, composicin y adherencia), la
densidad del trnsito, condiciones del lugar, contaminacin en la
superficie (aceite, polvo, goma, etc.), grado de humedad en la
superficie y temperatura. En la tabla 3.1.1. se enumeran los
principales factores que afectan la friccin suministrada y
demandada. Figura 3.1.1: Friccin Goma del Neumtico (adhesin e
histresis).
Tabla 3.1.1: Factores que afectan la friccin demandada y
suministrada.
Friccin Demandada Friccin Suministrada Velocidad Velocidad
Aceleracin y frenado Neumtico Caractersticas del vehculo Pavimento
superficial Condiciones climticas microtextura
-
viento macrotextura roco drenaje visibilidad pendiente
transversal
Geometra del camino Condiciones climticas curvatura precipitacin
peralte temperatura arrastre efectos cclicos
Al comparar y sacar conclusiones se deben tener presente los
factores que influyen en el valor del coeficiente de friccin. a)
Adherencia Se relaciona con la estructura geomtrica de la
superficie de rodado formada por ridos y ligante de unin. Las
propiedades de la mezcla dependen de la naturaleza y granulometra
de los ridos, del ligante utilizado y de su composicin. La
adherencia que presenta un pavimento (micro y macrotextura) expresa
la buena o mala friccin y el grado de drenaje que posee. Ver figura
3.1.2. - Macrotextura: Corresponde a los intersticios generados
debido a la distribucin de ridos en
la superficie. Afecta en la capacidad de drenaje que tiene la
superficie del pavimento para despejar el agua de la superficie, lo
cual permite un mejor contacto entre el neumtico y la superficie de
rodado.
- Microtextura: Influye en la friccin entre el neumtico y la
superficie de rodado. Es la
caracterstica propia del rido expuesto. Figura 3.1.2: Escala de
textura.
-
b) Presencia de agua en la superficie El espesor de la pelcula
de agua sobre la calzada en ocasiones produce prdida de control, lo
cual es conocido como hidroplaneo. El hidroplaneo se produce cuando
el espesor de la pelcula es apreciable y el vehculo viaja a alta
velocidad y en texturas muy finas que no dan tiempo de evacuar el
agua entre el neumtico y el pavimento. Los neumticos pierden
contacto con la superficie del pavimento. c) Naturaleza del rido
que constituye la naturaleza de la calzada Condiciones de desgaste
y pulimento, que afectan directamente a la adherencia entre
neumtico y superficie de rodado, dependen de la naturaleza y forma
del rido. Esto da las propiedades a la calzada, influye en su vida
til y en la seguridad de la conduccin. d) Naturaleza del ligante
utilizado. (cemento, betn, alquitrn) Exceso del ligante es nocivo y
disminuye el roce. e) Estacionalidad El coeficiente de friccin para
una misma va cambia dependiendo del perodo en que se realice la
medicin, verano-invierno. f) Presin de inflado del neumtico
Mientras mayor sea la presin de inflado del neumtico, menor ser el
rea de contacto neumtico-pavimento, por lo tanto, la friccin entre
ambas superficies disminuye. g) Velocidad del vehculo A medida que
la velocidad aumenta existe la tendencia a la disminucin del
rozamiento. h) Importancia del trfico Esto va unido con la categora
de la va. El volumen y tipo de trfico que circule influir en el
desgaste del pavimento. 3.2. Situacin actual La prdida de la
capacidad de adherencia del pavimento constituye un factor de
riesgo que afecta la seguridad del trnsito. La resistencia al
deslizamiento est directamente relacionada con el coeficiente de
rozamiento del pavimento, ya que esa resistencia es producto del
coeficiente de rozamiento por la fuerza normal que acta sobre el
pavimento. Todas las carpetas de hormign, asfalto u otras, que se
construyan o reparen, en vas urbanas, debern presentar un
coeficiente de rozamiento mnimo cuyo valor se detalla en la Tabla
3.2.1.
-
Tabla 3.2.1: Valores mnimos de Coeficiente de Rozamiento.
Tipo de Sitio Coef. de Roce
1 Rotondas 2 Curvas con radios menores a 150 [m] 3 Pendientes
1/20 o mayores y
pendientes de largos mayores a 100[m] 4
Aproximaciones a cruces semaforizados en vas no restringidas
0.55
Vas interurbanas de categora autopista primaria y colectora.
Vas urbanas con trficos con flujos mayores que 2000 veh/da.
0.5
Todas las dems vas 0.4
3.3. Medicin del coeficiente de friccin demandado SCRIM: Sideway
force coefficient routine investigation machine. Maquina para la
investigacin rutinaria del coeficiente del esfuerzo lateral.
Presenta un mtodo rutinario y continuo de medida de la resistencia
al deslizamiento en superficies de pavimentos hmedos. El objetivo
de este aparato es medir el coeficiente de roce dinmico en una
condicin desfavorable combinando las componentes de roce
longitudinal y transversal. Es un equipo de rueda, con neumtico
liso, montada en un sistema que la lleva oblicua en 20 de
convergencia con respecto a la direccin de avance, instrumentada
con una celda de carga axial que mide la reaccin del roce del
pavimento sobre la rueda. Est provisto de un sistema de riego
autnomo capaz de proporcionar una lmina de agua de 1 [mm] nominal.
3.31. Mediciones Se utiliza una rueda con neumtico liso para
eliminar cualquier efecto debido al desgaste del dibujo de la
huella. La relacin entre la fuerza desarrollada normal al plano de
la rueda de ensayo (fuerza tangencial), y la carga sobre la misma,
es el coeficiente de roce transversal, SFC (Side friction
coeficient). La ventaja primordial del mtodo radica en la
posibilidad de registrar de manera continua la resistencia al
deslizamiento de la superficie en cuestin, as como en la
razonablemente larga vida del neumtico estndar de ensayo. Las
determinaciones se realizan a velocidades de 50 [km./h], pero se
pueden efectuar adems medidas a velocidades de 70 [km./h] o [30
km./h]. 3.3.2. Material necesario a) Vehculo y rueda de ensayo: El
aparato de ensayo est acoplado al chasis de un vehculo que tiene
adems un depsito para agua. El aparato estndar tiene una rueda de
ensayo normalizada situada en el lado derecho del
-
vehculo, que permite realizar las mediciones en la zona de
rodada derecha del carril, perturbando lo menos posible el trnsito
de otros vehculos en la calzada. b) Sistema de medida y registro:
El sistema estar diseado para poder medir y registrar las fuerzas
normales originadas y la velocidad del vehculo durante el ensayo.
El sistema de adquisicin, registro y tratamiento de datos del
coeficiente de roce, as como de la velocidad del vehculo, ser
adecuado al fin que se propone con pasos, de medida con longitudes
del 5, 10 20 [m]. La informacin a registrar y su posterior
elaboracin depender y variar de acuerdo con las necesidades del
usuario; la informacin mnima consistir en los valores del SFC y de
la velocidad, de la longitud de los subtramos ensayados y su
ubicacin en la carretera. c) Suministro de agua: El suministro de
agua se realizar, desde el estanque integrado en el vehculo, a
travs de la salida tubular que haga incidir el chorro de agua sobre
la superficie del pavimento, justamente delante de la rueda de
ensayo, mojndolo en un ancho de 300 [mm]. La salida del agua es por
gravedad o generada por una bomba, por lo que el gasto o flujo vara
con el nivel del agua en el depsito. La llave de salida se podr
calibrar para suministrar agua que produzca una lmina de 1 [mm] de
espesor sobre la superficie de un pavimento liso. La capacidad del
estanque permite una medicin de 60 [km.] continuos aproximadamente
(vara dependiendo de la velocidad de operacin). 3.3.3. Operacin Al
comienzo de cada tramo a examinar se introduce en el sistema las
condiciones prefijadas de ensayo. Tambin se efectan lecturas y
registro de la temperatura ambiente y de la superficie del
pavimento. El equipo registra 16 lecturas del SFC por metro de
recorrido y se graba automticamente en el sistema de registro el
valor medio de estas lecturas. Durante la ejecucin del ensayo, se
introducen manualmente, para su registro, referencias
(kilometrajes, vas para vehculos lentos, trabajos en la va, cruces,
puentes, cambio de pista, etc.), lo cual otorga una mayor
informacin del registro. Antes del inicio de cada jornada se
calibra el equipo, contrastando la clula de presin con otra idntica
previamente calibrada. 3.4. Friccin Radial Los valores obtenidos
por el SCRIM deben ser transformados para obtener la friccin
demandada en la direccin longitudinal; de esta forma es posible
utilizar la relacin elptica de Krempel, la cual relaciona la
friccin en la direccin radial con la friccin en la direccin
longitudinal. ( )5925.0 Tr fnf =
fr: coeficiente de friccin en la direccin radial. fT:
coeficiente de friccin en la direccin tangencial
(longitudinal).
-
n: razn que vara entre 40 50 % (depende del porcentaje de
friccin radial til). Al realizar las mediciones a las tres
velocidades de operacin del SCRIM para cada va, se tienen 3
valores, los que relacionan la friccin con la velocidad. Del total
de mediciones es posible construir las curvas friccin velocidad
para los distintos percentiles (asociados a la cantidad de vas). De
esta manera los valores se comparan con los resultados
internacionales. Mediante estudios se ha obtenido la siguiente
relacin entre el factor de friccin transversal (fR) y la velocidad
de diseo (Vd):
( )71079.51019.227.0 263 ddr VVf +=
La relacin (7) se puede comparar en los distintos pases,
obteniendo el comportamiento del diseo segn el percentil que se
aproxime a esta relacin, ver Figura 3.4.1. Figura 3.4.1:
La friccin demandada se obtiene del percentil 85 de velocidad,
para esto es necesario conocer la velocidad de operacin (V85) en
funcin de las caractersticas geomtricas. Luego se determina la
friccin demandada, la cual es comparada con la friccin asumida. En
este trabajo se han tomado mediciones con el SCRIM, lo cual permite
tener las curvas friccin-velocidad para los distintos percentiles,
el problema est en determinar V85 en trminos de los parmetros
geomtricos que caracterizan a cada va, ya que la velocidad de
operacin no es un trmino utilizado en nuestro pas. No es posible
utilizar expresiones de otros pases, porque representan realidades
y condiciones de diseo diferentes.
Relacin Fr v/s VelocidadDistintos Pases
0.050.070.090.110.130.150.170.190.210.23
30 40 50 60 70 80 90 100
Velocidad [km/hr]
fr
Ec. 7 Grecia 80% USA 90% AL 80 %
-
4. Resultados preliminares Las mediciones se han considerado en
vas de la regin Metropolitana, separando los resultados de zonas
curvas y rectas. Los caminos son de dos pistas de asfalto, por lo
que se deben distinguir los resultados para cada pista ya que las
condiciones de acceso a la curva cambian. El SCRIM registra los
valores cada 10 metros, identificando el kilometraje de las curvas,
es posible obtener el valor del coeficiente de friccin (SFC) para
rectas y curvas en las distintas velocidades de medicin. Estos
valores se grafican, de este universo de curvas se obtienen los
percentiles de friccin, lo cual nos dice el porcentaje de caminos
que se encuentra sobre ese valor de friccin para una cierta
velocidad. Ver figura 4.1. Para relacionar los resultados con los
criterios internacionales es necesario tener una mayor cantidad de
datos, de manera de representar mejor la realidad nacional. Figura
4.1: Medidas de SCRIM & Velocidad.
SFC v/s Velocidad
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
20 30 40 50 60 70 80
Velocidad [km/hr]
SFC
95%80%70%60%30%10%5%20%95%
80 %70 %60 %30 %20 %
10 %
5 %
-
6. REFERENCIAS
1. Echaveguren, T. Anlisis emprico del criterio f=2e de
distribucin de peralte para el diseo de alineamientos horizontales.
Memorias del Primer Congreso de Ingeniera Vial: La Importancia de
los Estudios de Preinversin en el Diseo Vial. (DIVIAL 2001)
2. Lamm, R; Mailaender, T; Psarianos,B. Highway design and
traffic safety engineering
handbook. Captulo 10: Driving dynamics and safety criterion III.
3. Choveiri, E; Lamm, R; Psarianos,B; Soilemezoglov, G. A practical
safety approach to
highway geometric design international. Case studies: Germany,
Greece, Lebanon and The United States.
4. Heger, R; Lamm, R; Schoch, M; Steger, R. Influence of vehicle
dynamics on road
geometrics. Metropolitana.
