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1. Importancia de las cargas del tránsito en el diseño y la gestión de pavimentosEl diseño estructural constituye una tarea principal de los proyectos de carreteras en la que se determinan los espesores y materiales de las capas constitutivas más adecuados para satisfacer, durante un cierto periodo, la demanda expresada en términos del volumen, composición, cargas y tasas de crecimiento del tránsito. Los datos del tránsito son también útiles durante la fase de operación de los proyectos, dada la necesidad de verificar que la demanda real sea congruente con la estimada, anticipar las intervenciones de conservación preventiva que impidan el abatimiento de los niveles de servicio y dimensionar los trabajos de mantenimiento correctivo que eventualmente se requieran. También debe contarse con datos del tránsito para abordar la gestión de pavimentos a nivel de red, proceso de planeación que comprende la evaluación de políticas públicas, la identificación y análisis de factibilidad de proyectos candidatos, la formulación de programas anuales y plurianuales de construcción, rehabilitación y conservación de carreteras y el seguimiento de la operación de la red en su conjunto. La información referida también es indispensable para el desarrollo de trabajos de investigación relacionados con el desarrollo de modelos de deterioro de pavimentos o de nuevos métodos de diseño, entre muchos otros tópicos. Las desviaciones de la demanda real con respecto a la proyectada pueden tener su origen en factores muy diversos. Entre ellos figuran cambios en la actividad económica que repercuten en los flujos vehiculares observados y los porcentajes de vehículos pesados y tasas de crecimiento que efectivamente ocurran. Estas variables pueden, evidentemente, tener variaciones al alza o a la baja y, en un momento dado, se reflejan en las cargas reales que soporta el pavimento en un momento dado o en su acumulación a lo largo de un periodo. Otro factor que incide directamente sobre las cargas reales es la práctica común de transportar mercancías con pesos que exceden, en distintas magnitudes, los máximos estipulados en las normativas que regulan los pesos brutos vehiculares o las cargas por eje. Tales regulaciones responden al hecho de que la infraestructura vial de los países constituye, con frecuencia, el activo más valioso con el que cuentan y, por lo tanto, es necesario garantizar su preservación, así como la seguridad del público usuario. En relación con este último factor, las normas limitan también las dimensiones de los vehículos de carga. El presente artículo aborda la obtención, procesamiento y aplicación de información sobre las cargas transportadas por vehículos pesados en las carreteras mexicanas. En este proceso, los Sistemas de Pesaje Dinámico (WIM por sus siglas en inglés) se han convertido en los últimos años en una tecnología esencial cuyos aspectos más relevantes se describen en la sección 2. Más adelante, en las secciones 3 y 4, se presenta un software para el proceso de datos recopilados mediante sistemas WIM y la generación de salidas útiles en el diseño y gestión de pavimentos, como espectros de carga e histogramas del peso bruto vehicular. Si bien el funcionamiento de la herramienta se basa en la estructura de datos y formatos de un tipo particular de dispositivo de pesaje, siempre es posible hacer las modificaciones necesarias para soportar las estructuras de datos y formatos de otros dispositivos. La sección 5 se ha dedicado a ejemplificar la utilidad de la herramienta anterior mediante un caso de uso de la información procesada como datos de entrada de la herramienta de diseño mecanicista-empírico IMT-PAVE, desarrollado en años recientes en el Instituto Mexicano del transporte. Finalmente, en la sección 6, se presentan las conclusiones de este trabajo. 2. Sistemas de Pesaje en Movimiento (WIM)Los Sistemas de Pesaje en Movimiento (WIM) son tecnologías instaladas en carreteras o vías férreas que miden las fuerzas dinámicas ejercidas por los neumáticos de un vehículo en movimiento. Su objetivo es calcular la mejor estimación posible de los valores estáticos correspondientes (el peso real). Estos sistemas registran, almacenan y proporcionan datos completos sobre el flujo de tráfico. 2.1 Datos Clave Registrados por el Sistema WIMAdemás de medir el peso bruto vehicular (PBV) y las cargas por eje, un sistema WIM genera un "Registro del Vehículo" detallado que incluye: o Número de registro único y clasificación del vehículo. o Localización del sistema (carril y dirección), fecha y hora. o Velocidad del vehículo, distancias entre ejes o longitud total. 2.2 Tecnologías de MediciónExisten diversas metodologías para medir el peso vehicular. 2.2.1 Pesaje Estático (Referencia)El pesaje estático requiere que el vehículo se detenga por completo, eliminando las fuerzas dinámicas para lograr una medición muy exacta. Se utiliza como valor de referencia para probar y calibrar los sistemas WIM, con precisión típica entre el 0.05 % y 0.1 % de la carga aplicada, dependiendo de la calibración y rangos de medición del sistema. 2.2.2 Clasificación de Sistemas de Pesaje Dinámico (WIM)Los sistemas dinámicos se clasifican según su entorno de uso y velocidad:
2.3 Principios y Usos del Sistema WIMLa International Society for Weigh-In-Motion (ISWIM) establece tres principios esenciales: o Un WIM instalado en una carretera en buen estado puede dar buenos resultados; en una carretera en mal estado siempre dará malos resultados. o Visión Completa: Solo un sistema WIM proporciona una imagen completa de la carga de tráfico real en una ubicación. o No hay un "Mejor Sistema": La selección depende de cómo y dónde se quiera utilizar el sistema.
Usos Principales La versatilidad de los sistemas WIM permite múltiples aplicaciones: o Gestión de Tráfico: Suministro de información sobre carga de vehículos y tráfico. o Control y Cobro: Control de peso, peaje y cobro en función del peso. o Logística: Aplicaciones industriales en puertos, centros logísticos y centros industriales. o Ferrocarril: Diseño y mantenimiento de vías, mantenimiento de trenes y costos de acceso a la vía. Implementación y Análisis de Datos WIMEl proceso de análisis de datos WIM es un flujo de trabajo estructurado que transforma los datos brutos en información útil para la gestión del transporte y la ingeniería civil. Recomendaciones para la Implementación (Cinco Pasos)Para una correcta selección y ajuste a las necesidades específicas, se recomienda: 1. Determinar la aplicación y el uso que se dará a los datos. 2. Seleccionar el sitio considerando el tráfico, las condiciones del pavimento y la seguridad. 3. Definir el rendimiento esperado y los procedimientos de calibración. 4. Elegir la mejor oferta, supervisar la instalación y ejecutar pruebas de aceptación. 5. Describir el uso del sistema, incluyendo la recolección, almacenamiento y control de calidad de los datos. Análisis de la InformaciónLa información clave para la ingeniería y gestión vial son los pesos por eje, el tipo de vehículo y el registro del vehículo. Con estos datos, se puede obtener el espectro de carga, que es la distribución normalizada de la carga de una configuración de ejes específica (sencillo, tándem, trídem etc.) para un tipo de vehículo y un período establecido. 3. Software para la obtención de espectros de cargaPara facilitar el análisis de datos recopilados por estaciones de pesaje WIM de alta velocidad se ha desarrollado una aplicación que permite, depurar, filtrar y analizar la información de manera que al final obtengamos el comportamiento de los pesos vehiculares reales que pasan en la ubicación de instalación del sistema; este comportamiento se representa mediante espectros de carga.
Figura 1. Herramienta para obtención de espectros de carga.
Todo desarrollo analítico requiere insumos de datos alineados con especificaciones particulares. En el contexto de los espectros de carga, la base de datos debe contener registros detallados que al menos incluyan la identificación del sitio y carril, la fecha y hora del evento, así como la velocidad, la clasificación vehicular, el peso bruto y, crucialmente, el peso por cada eje. La herramienta desarrollada soporta la importación nativa de datos desde archivos ACCESS (*.mdb) o EXCEL (*.xlsx), con la condición de que la base de datos cumpla con la información mínima requerida.
Figura 2. Ejemplo de base de datos en ACCESS.
Figura 3. Interfaz gráfica de la herramienta 4. Funcionalidades de la herramientaLa interfaz permite al usuario definir el tipo de base de datos y su directorio. Esta funcionalidad habilita el procesamiento por lotes, incluyendo todos los archivos alojados en la ubicación especificada. La herramienta aplica una serie de pasos secuenciales para depurar la información proveniente de los archivos de registro de pesaje dinámico (WIM). Esto asegura la calidad de los datos y previene errores críticos durante el procesamiento. Estos pasos iniciales son necesarios para acceder y cargar los datos: o Establecer conexión: Configurar y conectar a la base de datos de origen. o Cargar y validar estructura: Cargar los datos del archivo y validar que contengan, al menos, la información mínima requerida para el análisis, procediendo a su extracción. Una vez cargados los datos, se aplica una serie de filtros de control de calidad de la información, los filtros se aplican en el siguiente orden para depurar los datos de ruido o errores de medición: o Filtro de pesos negativos: Se verifica la inexistencia de registros con valores de peso con signo negativo. Si se detectan, el registro completo se elimina del análisis por considerarse un error de medición.
o Filtro por velocidad de circulación: Se establece un umbral de velocidad (configurable por el usuario) que, por defecto, se fija en mayor a 30 km/h. Los vehículos registrados por debajo de este límite son eliminados del análisis. Esta exclusión se justifica porque las bajas velocidades pueden comprometer la precisión de la clasificación y el pesaje dinámico del vehículo.
o Filtro por Clasificación Vehicular: Dado el enfoque del análisis en el diseño y gestión de pavimentos, solo se consideran los vehículos pesados de carga de acuerdo con la clasificación de la Normativa “NOM-012-SCT-2-2017: Sobre el peso y dimensiones máximas con los que pueden circular los vehículos de autotransporte que transitan en las vías generales de comunicación de jurisdicción federal". Cualquier vehículo que no se encuentre dentro de las clasificaciones de interés es excluido. Las clasificaciones consideradas son: "B2", "B3", "B4", "C2", "C3", "C2-R2", "C3-R2", "C2-R3", "C3-R3", "T2-S1", "T2-S2", "T2-S3", "T3-S1", "T3-S2", "T3-S3", "T2-S1-R2", "T2-S2-R2", "T2-S1-R3", "T3-S1-R2", "T3-S1-R3", "T3-S2-R2", "T3-S2-R3", "T3-S2-R4", "T2-S2-S2", "T3-S2-S2", "T3-S3-S2". Una vez finalizado el control de calidad y la depuración de la información, la herramienta aplica los algoritmos de procesamiento necesarios para transformar los registros de pesaje dinámico en espectros de carga. Los espectros se generan para las siguientes configuraciones de ejes: o Sencillo o Dual o Tándem o Trídem La configuración de cada grupo o de cada tipo de eje se puede ver representada en la Figura 4.
Figura 4. Tipo de configuraciones de ejes y grupo de ejes.
Como resultado del análisis realizado, la herramienta genera los siguientes productos de salida: 1. Espectro de Carga Individual: Distribución de carga para cada archivo de registro analizado. Disponible en formato *.xml (para uso interno y portabilidad) y como reporte detallado en Excel (*.xlsx). 2. Espectro de Carga Consolidado: Resumen acumulado de los espectros de carga, obtenido de la sumatoria de todos los registros en los archivos procesados. Se genera en formatos *.xml y Excel (*.xlsx). 3. Histograma del Peso Bruto Vehicular (PBV): Reporte en Excel (*.xlsx) que presenta la distribución del Peso Bruto Vehicular, por cada una de las clasificaciones vehiculares predefinidas.
Figura 5. Ejemplo de archivos de salida Una vez finalizado el proceso de análisis y la generación de espectros de carga para todos los archivos en el directorio seleccionado, la herramienta habilita las siguientes funciones: o Visualización detallada: Se pueden visualizar los espectros generados para cada grupo de ejes a través de la interfaz gráfica. o Análisis de Sobrecarga Automático: La herramienta cuantifica automáticamente el porcentaje de muestras de los grupos de ejes de interés que exceden los límites de carga legales (cuyos umbrales son configurables por el usuario). o Exportación de gráficos: Los usuarios tienen la posibilidad de exportar los gráficos de forma individual o por lote (todos los espectros generados), guardándolos como archivos *.jpg. Adicionalmente a la visualización, los resultados tabulares del análisis son accesibles directamente en el directorio de trabajo. Los resultados generados en formato Excel (*.xlsx) se almacenan automáticamente en una subcarpeta denominada “EspectrosXml”, esta carpeta se crea dentro del mismo directorio que contiene los archivos de registro base.
Figura 6. Interfaz de visualización de los espectros
Figura 7. Ejemplo de espectros generados por grupo de ejes en formato Excel
Figura 8. Ejemplo de espectros generados por clasificación vehicular en formato Excel
La información detallada y depurada generada por la herramienta constituye un insumo de alto valor para la gestión de la infraestructura carretera. Su utilidad se extiende a múltiples áreas, ya que proporciona una representación de las cargas reales que interactúan con el pavimento. Las principales aplicaciones y beneficios incluyen: o Diseño de Pavimentos M-E: Permite diseñar nuevos pavimentos utilizando la metodología Mecanístico-Empírica (M-E). Esto garantiza que los espesores de las capas sean adecuados para las cargas reales que circulan. o Planeación de Mantenimiento: Facilita la optimización de las estrategias de conservación y rehabilitación. Al conocer las cargas exactas, se pueden predecir con mayor precisión la aparición de fallas y planificar intervenciones oportunas. o Análisis Estacional: Permite realizar análisis estacionales del comportamiento de las cargas (mes a mes o temporada), identificando variaciones debidas a cosechas, transporte de materiales o regulaciones del transporte. o Estudios de Cumplimiento: Sirve de base para estudios regulatorios de pesos y dimensiones, identificando tramos o rutas con una alta incidencia de sobrecarga, lo que impacta directamente en la seguridad y en la vida útil de la vía. 5. Integración al IMT-PAVE para estimar vida remanente
La herramienta computacional IMT-PAVE es un software para el diseño de pavimentos basado en el método empírico-mecanicista. Este enfoque integra el concepto de espectro de carga con el de factor de daño, estableciendo su relación con el análisis de esfuerzos y deformaciones dentro de la estructura del pavimento (Garnica et al., 2023). El software requiere como datos de entrada la información de tránsito, la definición del nivel de carga mediante espectros de carga y la configuración de la sección del pavimento. Como resultados, proporciona el análisis espectral correspondiente y la evaluación de la confiabilidad estructural. Un ejemplo de aplicación de la herramienta previamente descrita consiste en la integración de los espectros de carga a la herramienta de diseño de pavimentos IMT-PAVE. Esta integración permite incorporar los espectros de carga generados por las estaciones de pesaje dinámico WIM, ya sea para su utilización directa en los procesos de diseño de pavimentos o para evaluar la influencia de la sobrecarga mediante la estimación de la vida remanente del pavimento. En este sentido, a continuación de se presenta la estimación de la vida remanente de un activo específico, utilizando de manera conjunta las herramientas previamente descritas. 5.1 Asignación de los datos de tránsitoPara la asignación del tránsito se utilizaron los datos presentados en la Figura 9, los cuales provienen del Libro de Datos Viales de la SICT y corresponden a la estación de aforo más cercana a la estación de pesaje.
Figura 9. Asignación de datos de tránsito en el IMT-PAVE.
5.2 Asignación del Nivel de CargaPor otra parte, para la asignación del nivel de carga se empleó la información proveniente de una estación de pesaje dinámico (WIM) especifica, la cual contaba con un total de 365 archivos, uno por cada día del año y en un formato de base de datos (.mdb). Es importante señalar que todos los registros se encontraban normalizados, como se muestra en la Figura 10. La información relevante para el análisis es la siguiente: identificador de regitro (ID), fecha y hora de registro, tipo de vehículo conforme a la norma NOM-012-SCT-2-2017, velocidad, longitud del vehículo, número de ejes, peso bruto vehicular (PBV) y carga por eje.
Figura 10. Interfaz parcial de los datos de la estación de pesaje dinámico. Según Castro et al. (2021), un espectro de carga es la distribución normalizada de la carga para una configuración de eje determinado (sencillo, dual, tándem o trídem). El daño al pavimento es un fenómeno acumulativo dependiente de la magnitud y frecuencia de las cargas del tránsito, el cual puede representarse mediante ejes equivalentes (ESAL). Asimismo, a partir del espectro de carga puede definirse el Factor de Espectro de Carga (LSF). Además de esto, para incorporar los espectros de carga al IMT-PAVE, primero se procesaron los datos obtenidos de la estación de pesaje dinámico (WIM) en la herramienta espectro de carga. Así, se obtuvieron los parámetros que describen el espectro mediante una función logarítmica normalizada (unimodal o trimodal) como se muestra en la Figura 11. De acuerdo con la función trimodal, un espectro puede representarse mediante 9 parámetros: 3 proporciones (W), 3 desviaciones (σ) y 3 medias (µ); y al considerar todos los tipos de eje, se requieren 36 valores para describir completamente su comportamiento. Para obtener estos parámetros, la herramienta integra un algoritmo automatizado que ajusta la función trimodal al espectro real a partir de condiciones iniciales definidas mediante controles interactivos (Castro et al., 2021). Una vez generados, dichos parámetros pueden importarse directamente al módulo de diseño del IMT-PAVE, donde el software los utiliza como insumo para el análisis empírico-mecanicista y la estimación del daño en la estructura del pavimento (Figura 12).
Figura 11. Cálculo de espectros de carga a partir de los datos de la estación de pesaje dinámico (WIM)
Figura 12. Importación de los espectros de carga al IMT-PAVE.
5.3 Definición de la estructura del pavimento
En este apartado se describe la sección tipo del pavimento existente en el tramo de estudio donde se localiza la estación de pesaje dinámico (WIM). La Figura 13 presenta los espesores de cada una de las capas que conforman la estructura, junto con los módulos dinámicos o resilientes asociados a cada una de ellas.
Figura 13. Asignación de la estructura del pavimento al IMT-PAVE.
Finalmente, al aplicar el análisis espectral y probabilista según las especificaciones de la herramienta, se determinó que la vida remanente del pavimento es de 19.7 años por deformación de fatiga y de 4.6 años por deformación permanente.
Figura 14. Resultados del análisis espectral y probabilista en el IMT-PAVE.
5.4 Comparación del nivel de Carga dentro del límite legal A diferencia de los espectros de carga reportados por la estación de pesaje dinámico, el IMT-PAVE contiene unos espectros de carga predefinidos basados en la norma oficial mexicana relacionada al límite legal de pesos de los vehículos (NOM-012-SCT-2-2017) como se muestra en la Figura 15. Así mismo, los resultados presentados con un nivel de carga legal demuestran que el tiempo de vida remanente basado en el método del IMT-PAVE es mayor (Figura 16) a diferencia de los espectros generados con las cargas reales de la estación de pesaje dinámico, lo cual indica la presencia de una sobrecarga en el tránsito que circula por la estación y el año acumulado al pavimento.
Figura 15. Asignación del nivel de carga dentro del límite legal en el IMT-PAVE.
Figura 16. Resultados del análisis espectral y probabilista en el IMT-PAVE.
6. Conclusiones
A partir de lo antes expuesto, se tienen las siguientes conclusiones: · La información sobre el volumen, composición, cargas y tasas de crecimiento del tránsito constituye un insumo esencial para el diseño y gestión de pavimentos. · Con los dispositivos WIM y herramientas para el proceso de estos datos como la presentada en este artículo, la obtención, tratamiento y aplicación de información confiable sobre los flujos vehiculares se ha simplificado de manera notable. · Los Sistemas de Pesaje en Dinámico son tecnologías instaladas en vías que miden las fuerzas dinámicas de los vehículos para estimar su peso estático real. Estos sistemas registran el Peso Bruto Vehicular (PBV), la carga por eje y otros datos clave como la velocidad y la clasificación vehicular. Los WIM se clasifican según su entorno (Baja Velocidad, Alta Velocidad, Puentes, Ferroviario), ofreciendo diferentes niveles de precisión. La información que proporcionan es fundamental para la gestión del tráfico y el diseño de pavimentos. · La herramienta Espectro de Carga resulta útil porque permite procesar y caracterizar las cargas reales registradas por las estaciones de pesaje dinámico (WIM), generando espectros de carga que pueden incorporarse directamente en el IMT-PAVE. · El ejercicio de estimación de vida remanente mediante el IMT-PAVE evidencia la realidad entre diseñar un pavimento bajo las condiciones de carga establecidas por la NOM-012-SCT-2-2017 para las distintas configuraciones de vehículos que transitan por la Red Federal Carretera y las cargas reales registrados por las estaciones de pesaje dinámico (WIM). Los resultados muestran que la sobrecarga presente en el tránsito reduce considerablemente la vida útil del pavimento, destacando la importancia de incorporar datos reales en el proceso de diseño, evaluación y conservación de pavimentos. 7. Referencias
American Society for Testing and Materials [ASTM]. (2009). Standard specification for highway weigh-in-motion (WIM) systems with user requirements and test methods (ASTM E1318-09). Castro, F., Pérez, A., Garnica, P., Hernández, R. I. (2021). Caracterización de espectros de carga en la red carretera mexicana. [Publicación Técnica no. 624]. México: Instituto Mexicano del Transporte. https://imt.mx/archivos/Publicaciones/PublicacionTecnica/pt275.pdf Garnica, P. y Hernández, R. (2013). Manual de Usuario IMT-PAVE 1. [Documento Técnico No. 53]. México: Instituto Mexicano del Transporte. https://imt.mx/archivos/Publicaciones/DublicacionTecnico/dt53.pdf Federal Highway Administration [FHWA]. (2016). LTBP Program's Literature Review on Weigh-in-Motion Systems (Publication No. FHWA-HRT-16-024). U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration. Garnica, P., Hernández, R., & Castellanos, A. (2016, marzo-abril). El IMT-PAVE 3.0, una herramienta para el diseño estructural de pavimentos. Instituto Mexicano del Transporte.https://imt.mx/resumen-boletines.html?IdArticulo=427&IdBoletin=159 International Society for Weigh-in-Motion [ISWIM]. (2019). Guide for users of weigh-in-motion: An introduction to weigh-in-motion. CASTRO Federico SÁNCHEZ Agustín SOLORIO José Ricardo “Las opiniones expresadas en esta publicación son de los autores y no necesariamente reflejan los puntos de vista del Instituto Mexicano del Transporte” |
