Determinación de los coeficientes de fricción de pavimentos helados bajo diferentes cantidades de nieve

La fricción del pavimento se define como el agarre entre los neumáticos del vehículo y la superficie subyacente de la carretera¹. El índice más comúnmente asociado con la fricción del pavimento en el diseño de carreteras es el coeficiente de fricción del pavimento. La fricción es uno de los factores más importantes en el diseño de carreteras y solo es superada por la durabilidad. Existe una fuerte y clara correlación entre el rendimiento de fricción del pavimento y el riesgo de accidente². Por ejemplo, existe una correlación negativa significativa entre las tasas de accidentes de tráfico y la resistencia al deslizamiento del pavimento ^3,4,5. Varios factores pueden contribuir a una disminución de la fricción del pavimento, y uno de los más directos e influyentes de estos factores es la nevada⁶. Específicamente, las nevadas hacen que se forme hielo en el pavimento, lo que resulta en una reducción significativa en el coeficiente de fricción de la carretera ^7,8. Un estudio centrado en los factores que influyen en las tasas de accidentes de tráfico en el sur de Finlandia señaló que las tasas de accidentes suelen alcanzar su punto máximo en días con fuertes nevadas y que más de 10 cm de nieve pueden conducir a una duplicación de la tasa de accidentes⁹. Resultados similares han sido encontrados en estudios realizados tanto en Suecia como en Canadá^10,11. Por lo tanto, estudiar las propiedades de fricción de los pavimentos congelados por nieve es crucial para mejorar la seguridad vial.

La determinación del coeficiente de fricción de los pavimentos helados es un proceso complejo porque el coeficiente de fricción puede variar bajo diferentes niveles de nevadas y espesores de hielo del pavimento. Además, las temperaturas variables y las características de los neumáticos también pueden afectar el coeficiente de fricción. En el pasado, se han realizado numerosos experimentos para estudiar las características de fricción de los neumáticos sobre hielo¹². Sin embargo, debido a las diferencias en los entornos individuales y las características de los neumáticos, no se pueden obtener resultados consistentes y utilizarlos como base para estudios teóricos. Por lo tanto, muchos investigadores han intentado desarrollar modelos teóricos para analizar la fricción de los neumáticos en el hielo. Hayhoe y Sahpley¹³ sugirieron el concepto de intercambio de calor por fricción húmeda en la interfaz entre neumáticos y hielo, mientras que Peng et ^al.14 propusieron un modelo de datos avanzado para predecir la fricción basado en el concepto anterior. Además, Klapproth presentó un modelo matemático innovador para describir la fricción del caucho áspero sobre hielo liso¹⁵. Sin embargo, se ha demostrado que los modelos anteriores tienen errores significativos, principalmente debido a su incapacidad para caracterizar con precisión y eficiencia las propiedades de fricción de los neumáticos sobre hielo¹⁶.

Para reducir los errores de los modelos teóricos, se necesita una gran cantidad de datos experimentales. La Agencia Meteorológica Finlandesa desarrolló un modelo de fricción para predecir la fricción del pavimento helado, y la fórmula para ese modelo se basó principalmente en datos obtenidos de estaciones meteorológicas de carretera y a través de análisis estadísticos¹⁷. Además, Ivanović et al. reunieron una cantidad significativa de datos experimentales mediante el análisis de las características de fricción de los neumáticos sobre hielo y calcularon el coeficiente de fricción del hielo mediante análisis de regresión¹⁸. Gao et al. también propusieron un nuevo modelo de predicción de la tracción neumático-caucho-hielo combinando el algoritmo de optimización Levenberg-Marquardt (LM) con una red neuronal para obtener la fórmula para el coeficiente de fricción en hielo¹⁹. Todos los modelos anteriores han sido validados o aplicados en la práctica y, por lo tanto, se consideran factibles.

Además de los métodos teóricos, se han desarrollado muchos métodos prácticos para medir el coeficiente de fricción de los pavimentos en áreas nevadas y congeladas. Debido a las particularidades del clima, estos métodos han sido ampliamente utilizados en países nórdicos como Suecia, Noruega y Finlandia²⁰. En Suecia, se utilizan los siguientes tres tipos principales de dispositivos de medición de fricción: BV11, SFT y BV14. El BV14, un comprobador de fricción dual desarrollado específicamente para evaluaciones de mantenimiento invernal, está conectado directamente al vehículo de medición y mide la fricción seca en ambas trayectorias de rueda simultáneamente²⁰. En Finlandia, el vehículo de medición de fricción (TIE 475) se utiliza para las evaluaciones de mantenimiento de carreteras invernales, mientras que en Noruega, el dispositivo de medición de fricción ROAR (sin agua) es un equipo de uso común². La mayoría de las mediciones de fricción invernal realizadas en Suecia, Noruega y Finlandia se han realizado utilizando turismos ordinarios con ABS e instrumentos que miden la deceleración al frenar ^2,20. La ventaja de este método es que es simple y relativamente barato, y la principal desventaja es que la precisión del método es muy baja.

Los estudios descritos anteriormente proporcionan métodos para predecir y detectar coeficientes de fricción en el hielo. Sin embargo, todavía no se ha proporcionado un método uniforme y un valor específico para guiar a los diseñadores de carreteras. Además, para las carreteras de invierno, el coeficiente de fricción entre los neumáticos y el hielo puede variar con respecto a los diferentes espesores de hielo, y también se deben implementar diferentes medidas de eliminación²¹. Por lo tanto, este documento tiene como objetivo determinar el coeficiente de fricción de las carreteras heladas bajo diferentes cantidades de nevadas.

A nivel internacional, el probador portátil británico (BPT) y el probador de fricción portátil del Instituto Sueco de Investigación de Carreteras y Transporte (VTI PFT) son actualmente los instrumentos más utilizados para medir el coeficiente de fricción^22,23. El PFT es un comprobador de fricción portátil desarrollado por VTI, y permite al operador tomar medidas en posición vertical y guardar los datos en la computadora²². El PFT puede medir la mayoría de las marcas viales contorneadas, pero el número de instrumentos disponibles actualmente es aún muy pequeño². El BPT es un probador de coeficiente de fricción de péndulo que fue desarrollado por el British Road Research Laboratory (RRL, ahora TRL). El instrumento es un probador dinámico de impacto de péndulo utilizado para medir la pérdida de energía en los casos en que un borde deslizante de goma se propulsa sobre una superficie de prueba. Los resultados son reportados como Números de Péndulo Británico (BPN) para enfatizar que son específicos de este probador y no directamente equivalentes a los de otros dispositivos²⁴. El instrumento ha demostrado ser útil para la determinación de coeficientes de fricción en el campo experimental del pavimento²³. Este experimento utiliza el BPT para la determinación de coeficientes de fricción.

El presente estudio describe el procedimiento experimental para medir el coeficiente de fricción de pavimentos helados correspondiente a diferentes cantidades de nieve en interiores. Los problemas que deben tenerse en cuenta en los experimentos, como la calibración experimental, la implementación experimental y los métodos de análisis de datos, se explican en detalle. Los procedimientos experimentales actuales se pueden resumir en los siguientes cinco pasos: 1) la preparación del equipo, 2) el cálculo y análisis de la nevada, 3) la calibración del equipo, 4) la determinación del coeficiente de fricción y 5) el análisis de datos.