Índice internacional de rugosidad

El índice internacional de rugosidad ( IRI ) es el índice de rugosidad que se obtiene más comúnmente a partir de perfiles longitudinales de carreteras medidos. Se calcula utilizando un modelo matemático de vehículo de un cuarto de coche, cuya respuesta se acumula para producir un índice de rugosidad con unidades de pendiente (pulg/mi, m/km, etc.). ^{[ 1 ] [ 2 ]} Aunque es un término universal, el IRI se calcula por trayectoria de rueda, pero puede ampliarse a un Índice de Rugosidad Media (MRI) cuando se recopilan ambos perfiles de trayectoria de rueda. Esta medida de rendimiento tiene menos estocasticidad y subjetividad en comparación con otros indicadores de rendimiento del pavimento , como el PCI , pero no está completamente exenta de aleatoriedad. ^{[ 3 ]} Las fuentes de variabilidad en los datos del IRI incluyen la diferencia entre las lecturas de diferentes recorridos del vehículo de prueba y la diferencia entre las lecturas de las trayectorias de rueda derecha e izquierda. ^{[ 4 ] [ 5 ]} A pesar de estos hechos, desde su introducción en 1986, ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} el IRI se ha convertido en el índice de rugosidad de carreteras más utilizado en todo el mundo para evaluar y gestionar los sistemas de carreteras.

La medición del IRI es necesaria para los datos proporcionados a la Administración Federal de Carreteras de los Estados Unidos , ^{[ 1 ] [ 9 ]} y está cubierta por varias normas de ASTM International : ASTM E1926 - 08, ^{[ 10 ]} ASTM E1364 - 95(2005), ^{[ 11 ]} y otras. El IRI también se utiliza para evaluar la construcción de pavimentos nuevos, para determinar penalizaciones o pagos de bonificación en función de la suavidad.

A principios de la década de 1980, la comunidad de ingeniería vial identificó la rugosidad de la carretera como el principal indicador de la utilidad de una red vial para los usuarios. Sin embargo, los métodos existentes para caracterizar la rugosidad no eran reproducibles por diferentes organismos que utilizaban distintos equipos y métodos de medición. Incluso dentro de un mismo organismo, los métodos no eran necesariamente repetibles ni estables a lo largo del tiempo.

El Programa Nacional Cooperativo de Investigación de Carreteras de los Estados Unidos inició un proyecto de investigación para ayudar a las agencias estatales a mejorar el uso de equipos de medición de rugosidad. ^{[ 12 ]} El Banco Mundial continuó el trabajo ^{[ 6 ]} para determinar cómo comparar o convertir los datos obtenidos de diferentes países (principalmente países en desarrollo) que participan en proyectos del Banco Mundial. Los resultados de las pruebas del Banco Mundial mostraron que la mayoría de los equipos en uso podrían producir mediciones de rugosidad útiles en una sola escala si se estandarizaran los métodos. La escala de rugosidad que se definió y probó finalmente se denominó Índice Internacional de Rugosidad (IRI). ^{[ 8 ]} El IRI se utiliza en la gestión de activos de pavimento, así como a veces en la evaluación de nuevas construcciones para determinar pagos de bonificación/penalización para contratistas o para identificar ubicaciones específicas donde se recomiendan reparaciones o mejoras (por ejemplo, fresado o repavimentación). El IRI también es un determinante clave de los costos operativos de los vehículos, que se utilizan para determinar la viabilidad económica de los proyectos de mejora de carreteras. ^{[ 13 ]}

El IRI se definió como una propiedad matemática de un perfil de carretera bidimensional (un corte longitudinal de la carretera que muestra la elevación a medida que varía con la distancia longitudinal a lo largo de un tramo recorrido). Por lo tanto, se puede calcular a partir de perfiles obtenidos con cualquier método de medición válido, desde equipos de topografía estática con mira y nivel hasta sistemas de perfilado inercial de alta velocidad.

El modelo matemático de cuarto de vehículo reproduce las mediciones de rugosidad que utilizaban las agencias de carreteras en las décadas de 1970 y 1980. El IRI es estadísticamente equivalente a los métodos que se utilizaban, en el sentido de que la correlación del IRI con un vehículo instrumentado típico (denominado "sistema de medición de rugosidad de la carretera de tipo respuesta", RTRRMS) era tan buena como la correlación entre las mediciones de dos RTRRMS cualesquiera. Como estadística basada en perfiles, el IRI tenía la ventaja de ser repetible, reproducible y estable en el tiempo. El IRI se basa en el concepto de un'coche dorado'cuyas propiedades de suspensión son conocidas. El IRI se calcula simulando la respuesta de este "automóvil de referencia" al perfil de la carretera. En la simulación, la velocidad simulada del vehículo es de 80  km/h (49,7  mi/h). Las propiedades del "automóvil de referencia" se seleccionaron en una investigación anterior ^{[ 12 ]} para proporcionar una alta correlación con la respuesta de la marcha de una amplia gama de automóviles que podrían estar instrumentados para medir una estadística de pendiente (m/km). La amortiguación en el IRI es mayor que la de la mayoría de los vehículos, para evitar que el modelo matemático se "sintonice" con longitudes de onda específicas y produzca una sensibilidad que no comparte la población de vehículos en general.

La estadística de pendiente del IRI se eligió para garantizar la compatibilidad con las medidas de rugosidad en uso. Se trata de la velocidad relativa absoluta (rectificada) promedio de la suspensión, dividida por la velocidad del vehículo para convertirla de tasa (p. ej., m/s) a pendiente (m/km). El contenido de frecuencia de la tasa de movimiento de la suspensión es similar al de la aceleración vertical del chasis y a la carga vertical de la carretera. Por lo tanto, el IRI está altamente correlacionado con el nivel general de vibración de la marcha y con el nivel general de vibración de la carga del pavimento. Si bien no está optimizado para ajustarse con total precisión a ningún vehículo en particular, su fuerte correlación con la calidad de la marcha y la carga de la carretera es tal que la mayoría de los proyectos de investigación que han probado estadísticas alternativas no han encontrado mejoras significativas en la correlación.

La frecuencia de la respuesta de la suspensión a la velocidad de simulación del vehículo de referencia también determina el valor final de la comodidad de marcha del IRI. La sensibilidad del IRI se centra en longitudes de onda entre 0,82 y casi 200 pies (0,25 a 61 metros). Sin embargo, si alguna longitud de onda es igual a 7,9 o 50 pies (2,4 o 15,2 metros), los valores del IRI se ponderan más. ^{[ 2 ]} El modelo de cuarto de vehículo tiene correlaciones más altas con camiones ligeros y camiones pesados. ^{[ 2 ]}

Los valores IRI se informan en pulgadas por milla (in/mi), metros por kilómetro (m/km) o milímetros por kilómetro (mm/km) según el movimiento de la suspensión a lo largo de la distancia recorrida. Las agencias de carreteras utilizan umbrales IRI para caracterizar el estado de la carretera; por ejemplo, en Estados Unidos, un IRI inferior a 95 in/mi (1,50 m/km) se considera generalmente en buen estado por la Administración Federal de Carreteras , un IRI entre 96 y 170 in/mi (1,51 y 2,68 m/km) se considera aceptable, y un IRI superior a 170 in/mi (2,68 m/km) se considera deficiente. ^{[ 14 ]}

El IRI se calcula a partir del perfil de la carretera. Este perfil se puede medir de varias maneras. Las mediciones más comunes se realizan con instrumentos de Clase 1, capaces de medir directamente el perfil de la carretera, y con instrumentos de Clase 3, que utilizan ecuaciones de correlación. Según la terminología del Banco Mundial, estos corresponden a dispositivos de Nivel de Calidad de la Información (IQL) 1 e IQL-3, que representan la precisión relativa de las mediciones. ^{[ 15 ]} Un error común es pensar que los 80  km/h utilizados en la simulación también deben utilizarse al medir físicamente la rugosidad con un vehículo instrumentado. Los sistemas IQL-1 miden el perfil de elevación, independientemente de la velocidad, y los sistemas IQL-3 suelen tener ecuaciones de correlación para diferentes velocidades para relacionar las mediciones reales con el IRI. Si los perfiles capturados son iguales, los valores de IRI serán iguales.

Los sistemas IQL-1 pueden informar sobre intervalos variables de rugosidad. El IRI se informa a intervalos de 10 a 20 metros o 528 pies (160 metros) para recopilaciones a nivel de proyecto. El IQL-3 lo hace a intervalos de 100 m o más.

Las primeras mediciones se realizaron con una técnica de levantamiento con varilla y nivel. El Laboratorio de Investigación del Transporte desarrolló una viga que tenía un transductor de desplazamiento vertical. Desde finales de la década de 1990, el uso del Dipstick Profiler, ^{[ 16 ]} con una precisión reportada de 0,01  mm (0,0004 pulgadas), se volvió bastante común. ^{[ 17 ]} El ROMDAS Z-250 funciona de manera similar al Dipstick. El perfilador de andar ARRB Systems , el ICC SurPRO y el perfilador de andar SSI CS8800 fueron innovaciones importantes para recopilar perfiles precisos a velocidad de andar. Las unidades de perfilador de andar ARRB, ICC y SSI recopilan datos regularmente para los Rodeos de Perfiladores de Referencia de la FHWA ( Recopilación de datos 2009-2013 e Informe DTFH61-10-D-00026 ). Estas unidades se pueden utilizar para certificar perfiladores inerciales como un dispositivo de referencia ya que tienen un intervalo de muestreo menor a 2,75 pulgadas según AASHTO PP49. ^{[ 18 ]}

Las mediciones dinámicas del perfil de la carretera se realizan con instrumentos montados en el vehículo. El método consistía en un sensor (inicialmente ultrasónico, pero luego láser) que medía la altura del vehículo con respecto a la carretera. Un acelerómetro se integraba doblemente para dar la altura del sensor con respecto al datum. La diferencia entre ambos es el perfil de elevación relativo de la carretera. Este perfil de elevación se procesa mediante el algoritmo de cuarto de coche para obtener el IRI. Los métodos más comunes consideran que el IRI se mide en cada trayectoria de rueda. Los dos IRI de trayectoria de rueda deben combinarse para obtener el perfil de rugosidad IRI general. ^{[ 19 ]} para el carril. Hay dos maneras de hacerlo. Un modelo de "medio coche" (HRI) simula el vehículo viajando a lo largo de ambas trayectorias de rueda, mientras que un modelo de "cuarto de coche" simula una rueda en cada trayectoria de rueda y el promedio es el IRI del carril. El método de cuarto de coche se considera más preciso para representar el movimiento percibido por los usuarios y es el más común.

Un problema importante con los perfilómetros radica en la diferencia entre sus áreas de contacto y la huella de un neumático. Esta última es mucho mayor que la de cualquier perfilómetro estático/de baja velocidad de Clase 1 o un perfilómetro láser convencional. Esto se puede solucionar con un láser lineal de 4 o 6 pulgadas montado en las huellas de las ruedas para imitar el ancho de la huella del neumático. También se puede utilizar un láser de escaneo de alta definición que crea un modelo 3D de la superficie del pavimento. Dos ejemplos de esto son el sistema Pavemetrics y el XenoTrack-True Solid State Lidar , adoptados por numerosos fabricantes de equipos originales (OEM) de perfilómetros para redes viales en todo el mundo. Además de medir la rugosidad, este sistema también mide otros atributos clave del pavimento, como el agrietamiento, la profundidad de las roderas y la textura.

Las alternativas más económicas a los perfilómetros son los RTRRMS, que no registran el perfil, sino que se instalan en los vehículos y miden cómo responden estos al perfil del pavimento. Estos deben calibrarse con respecto al IRI para obtener una estimación del mismo. Dado que los RTRRMS suelen verse afectados por la textura del pavimento y la velocidad, es común utilizar diferentes ecuaciones de calibración para corregir las lecturas y compensar estos efectos.

Los sistemas RTRRMS se pueden agrupar en tres categorías amplias y generalmente son IQL-3, excepto posiblemente la mayoría de los sistemas basados ​​en teléfonos móviles, que son IQL-4:

• Integradores de impacto: Estos dispositivos tienen una conexión física entre la masa suspendida y la no suspendida y registran el movimiento relativo. Originalmente montados en remolques, como el desarrollado en India por CRRI, CRRI Trailer Bump Integrator , ahora se instalan con mayor frecuencia en el piso de un vehículo con un cable que se conecta a la suspensión, como los producidos por TRL (Reino Unido), CSIR (Sudáfrica) o ROMDAS (Nueva Zelanda), ROMDAS Bump Integrator .
• Sistemas basados ​​en acelerómetros: Estos sistemas utilizan un acelerómetro para medir el movimiento relativo de la masa suspendida, corregido (en ocasiones) en función de la masa no suspendida. Ejemplos de estos sistemas son los primeros sistemas ARAN (Canadá) y el ARRB Roughometer (Australia).
• Sistemas basados ​​en teléfonos celulares: Estos son un subconjunto de sistemas de acelerómetro en la medida en que el acelerómetro está integrado en el teléfono celular. Ejemplos de estas aplicaciones son TotalPave , RoadBounce Roadroid , RoadLab Pro , RoadBump yAunque se están volviendo omnipresentes, las aplicaciones presentan diferencias importantes en cuanto a las funciones de configuración y calibración. Deben usarse con mucha precaución y se consideran más apropiadamente IQL-4 que IQL-3.

El IRI generalmente tiene una relación inversa con el PCI . Una carretera lisa con un IRI bajo suele tener un PCI alto. Sin embargo, esto no siempre es así, y una carretera con un IRI bajo también podría tener un PCI bajo y viceversa. ^{[ 5 ] [ 20 ]} Por lo tanto, uno solo de estos indicadores de rendimiento no es necesariamente suficiente para describir el estado de la carretera de forma integral. Se informa que la predicción de valores futuros de IRI puede ser más fácil que la del PCI, ya que incluye menos incertidumbre. ^{[ 1 ]}

• Rugosidad de la carretera
• rugosidad superficial

• «Relación entre la rugosidad de la carretera y la velocidad de los vehículos con la vibración corporal total humana y los límites de exposición», por Ahlin y Granlund, en International Journal of Pavement Engineering , volumen 3, número 4, diciembre de 2002, páginas 207-216 . https://doi.org/10.1080/10298430210001701

• MÚČKA, Peter. Especificaciones internacionales del índice de rugosidad en todo el mundo, Road Materials and Pavement Design , ISSN 1468-0629, 2017, vol. 18, n.º 4, págs. 929–965. https://doi.org/10.1080/14680629.2016.1197144

• "El pequeño libro de la elaboración de perfiles" , Sayers y Karamihas
• Índice de Rugosidad Internacional del Banco Mundial (BM)