Estimación del IRI en el Extendido de Pavimentos Asfálticos Mediante Modelización Basada en la Transformación del Perfil Longitudinal
Authors:   , Díaz Torrealba Rodrigo 
Published: October 2024

The smoothness achieved in pavement construction, or as-built roughness, has great importance in road engineering since it serves as an indicator for both the level of service provided to users and the overall standard of construction quality. Pavements with increased initial smoothness will have a longer service life, will provide a better quality of service to the user over time, and the highway agency will spend less time and resources on their maintenance. Therefore, being able to predict as-built roughness is an important issue for supporting pavement design, construction and management decision-making.

Traditionally, as-built roughness has been studied in the literature from an empirical approach, based on the statistical correlation between the roughness IRI observed before and after the execution of paving works, leading to models of diverse natures and predictive capability.

Based on the review and analysis of both the available prediction models and the construction process, interactions that limit the predictive capacity of the traditional empirical approach have been identified; demonstrating, through the frequency response of the paver screed and the IRI model, that fitting a before-after IRI type regression is insufficient to explain the observed variability in real as-built roughness data.

In response to this research need, an original approach to as-built IRI prediction is proposed in this work, and a prediction model was developed based on the profile transformation resulting from the levelling response of the asphalt paver during the construction process. Formulation of the linear systems that constitute the model were developed for the case of a wheeled paver without using of automatic levelling. Longitudinal profile data from the Long-Term Pavement Performance (LTPP) SPS-5 experiment was used to calibrate the model, obtaining a mean error of 0.22 m/km for the predicted IRI.

From the base prediction model results, an enhanced model was developed to incorporate the effect of automatic screed control on the paver levelling response. Formulation of linear systems that constitute the model was carried out for the case of wheeled pavers using an automatic control system through levelling beam (long reference averaging). The model was calibrated with profile data from the database prepared for this purpose, obtaining a mean error of 0.17 m/km for the predicted as-built IRI.

The model developed provides a tool for study the effectiveness on roughness correction of a certain overlay design, so project adjustments can be made before the works take place. For instance; to analyse the effects on roughness of an increase or decrease in overlay thickness, evaluate the cost/benefits of laying the overlay in one or more lifts, assist decision making on paver type and size selection, or evaluate smoothness effect of using automatic levelling systems. The research work conducted involve a novel methodological approach for the prediction of as-built IRI, and the results obtained represent an improvement with respect to the available models in the literature, demonstrating the potential of the proposed approach as a valuable modelling alternative.

RESUMEN

La regularidad inicial conseguida en la construcción de pavimentos, o regularidad de construcción, es de enorme importancia en la ingeniería vial. Es un indicador tanto del nivel de servicio ofertado a los usuarios como del estándar de calidad constructiva en general. Los pavimentos que inicialmente cuenten con mejor regularidad tendrán una mayor vida útil, brindaran una mejor calidad de rodado a lo largo del tiempo, y la agencia vial gastará menos tiempo y recursos en su mantenimiento. En este sentido, la predicción de la regularidad de construcción es un aspecto importante a considerar para la toma de decisiones en el ámbito del diseño, construcción y gestión de pavimentos.

Tradicionalmente, el estudio de la regularidad de construcción ha sido abordado en la literatura desde un enfoque empírico, basado en la correlación estadística entre la regularidad IRI observada antes y después de la ejecución de obras de pavimentación, dando origen a una serie de modelos de diversa naturaleza y capacidad predictiva.

A partir de la revisión y análisis tanto de los modelos de predicción disponibles como del proceso constructivo, se han identificado interacciones que limitan la capacidad predictiva del enfoque empírico tradicional; demostrando, a partir de la respuesta en frecuencias de la regla de la pavimentadora y del modelo de IRI, que el ajuste de una regresión del tipo IRI antes-después resulta insuficiente para explicar la variabilidad observada en datos reales de regularidad de construcción.

En respuesta a esta necesidad de investigación, en este estudio se propone un enfoque original para la predicción del IRI de construcción, desarrollando un modelo de predicción basado en la transformación del perfil como resultado de la respuesta de nivelación de la pavimentadora durante el proceso constructivo. Se realizó la formulación de los sistemas lineales que constituyen el modelo para el caso de extendedoras sobre ruedas y sin el uso de nivelación automática. El modelo fue calibrado con datos de perfilometría longitudinal del experimento SPS-5 del programa Long-Term Pavement Performance (LTPP), obteniendo un error medio de 0.22 m/km en la estimación del IRI de construcción.

A partir de los resultados del modelo base, se abordó el desarrollo de un modelo ampliado que incorpora el efecto del control automático de la regla en la respuesta de nivelación de la extendedora. Se realizó la formulación de los sistemas lineales que constituyen el modelo para el caso de pavimentadoras sobre ruedas con el uso de un sistema de control automático mediante viga de nivelación (promediación de larga referencia). El modelo fue calibrado con datos de perfilometría de la base de datos preparada para tal fin, obteniendo un error medio de 0.17 m/km en la estimación del IRI de construcción.

El modelo desarrollado proporciona una herramienta para estudiar la efectividad de un determinado diseño de refuerzo en la corrección de rugosidad, de modo que se puedan realizar ajustes en el proyecto antes del inicio de las obras. Por ejemplo; analizar los efectos en la regularidad de aumentar o disminuir el espesor de refuerzo, evaluar el costo/beneficio de colocar la sobrecarpeta en una o más capas, asistir la toma de decisiones en la selección del tipo y tamaño de pavimentadora, o evaluar el efecto en la regularidad del uso de sistemas de nivelación automáticos. El trabajo de investigación realizado supone un enfoque metodológico original para la predicción del IRI de construcción, y los resultados obtenidos constituyen una mejora respecto de los modelos disponibles en la literatura, demostrando el potencial del enfoque propuesto como una valiosa alternativa de modelación.