Metodología para el Modelado de la incertidumbre de Propiedades del material de asfalto Pavimentos

Metodología para el Modelado de la incertidumbre de Propiedades del material de asfalto Pavimentos

La mayoría de las técnicas de modelado actuales asumen que las capas de pavimento son homogéneos. Este supuesto puede ser considerada una de las principales fuentes de incertidumbre en la realización de estructuras de pavimento. El objetivo principal de este trabajo es presentar una metodología que incluye la incertidumbre de las propiedades del material como parte de la respuesta mecánica de estructuras de pavimento. Esta metodología combina eficazmente una técnica estocástica con el modelado de elementos finitos. Las capacidades del método propuesto se ilustran mediante el estudio de la función de la distribución interna de vacío de aire de mezclas asfálticas en el comportamiento mecánico de los pavimentos flexibles. Los resultados de este modelo corroboran su utilidad para incorporar la variabilidad en el análisis mecánico de pavimentos. En particular, la metodología fue eficaz en la reproducción de las distribuciones de vacío interno observados en capas de asfalto compactado en el campo y su capacidad para incluir tales distribuciones en el modelado macroscópicos de pavimentos flexibles.

INTRODUCCIÓN

Asfalto de mezcla en caliente (HMA) mezclas son uno de los materiales más utilizados en la construcción de infraestructura vial. El rendimiento de este compuesto viscoelástico depende en gran medida de tres factores principales:

1.

Las propiedades individuales de sus fases constitutivas (es decir, física, química y propiedades mecánicas del aglutinante de asfalto y los áridos);

2.

Sus características volumétricas (es decir, proporciones volumétricas de las fases individuales); y

3.

Las características específicas de su microestructura (por ejemplo, el tamaño y la ubicación de huecos de aire, aire nula conectividad caminos y tortuosidad, agregados de la orientación y la interacción de contacto).

Los dos primeros factores se determinan por lo general durante el proceso de diseño de la mezcla sobre la base de las especificaciones del proyecto, por ejemplo, las propiedades de los materiales necesarios para resistir tráfico específico y las condiciones ambientales. Por otro lado, la mayoría de los factores relacionados con el tercer aspecto son un resultado directo del proceso de construcción. Como ejemplo de este último aspecto, Kassem (2008) llevó a cabo un estudio de campo exhaustivo para analizar el impacto de las diferentes técnicas de compactación sobre la distribución interna final de vacíos de aire en los cursos de asfalto. Los resultados mostraron que la compactación altamente influye en el tamaño promedio de huecos de aire de una capa compactada, así como la distribución espacial y la homogeneidad de la estructura de vacío interno.

Contrariamente a las características reales y la respuesta estructural de los pavimentos, la mayoría de los métodos de diseño y análisis asume que los materiales de carreteras son homogéneas e isotrópicas y que su respuesta constitutiva es lineal elástico. Afortunadamente, el desarrollo reciente y rápida de las capacidades y técnicas computacionales, así como las posibilidades de utilizar la teoría probabilística para incluir la incertidumbre relacionada con la variabilidad de las propiedades de los materiales ofrecen nuevas posibilidades para el desarrollo de modelos más realistas. Estas herramientas pueden contribuir a comprender mejor y caracterizar el desempeño de pavimentos flexibles.

Dentro de este contexto, se propone una metodología numérica eficiente en este documento como una técnica poderosa y novedosa para incluir la incertidumbre de las propiedades del material al llevar a cabo la modelización mecánica de pavimentos asfálticos. Esta metodología comprende seis etapas principales que incluyen la generación estocástica de distribuciones espaciales probables de las propiedades del material y la aplicación de la estructura de pavimento que contiene propiedades-en el material variables de un modelo de elementos finitos para evaluar su respuesta mecánica.

La principal contribución de la metodología es el uso de campos aleatorios (es decir, una rama de la teoría estocástica general), que permite a los valores de generación de una variable aleatoria teniendo en cuenta no sólo su variabilidad natural, sino también su dependencia espacial o correlación dentro de una específica espacio de trabajo (Vanmarcke 2010). En general, las aplicaciones anteriores de la teoría de campo aleatorio en ingeniería de pavimentos son limitadas. Algunos trabajos en esta área incluyen un modelo de la variabilidad de la interacción neumático pavimento (Sun et al., 2006), un modelo de elementos finitos probabilística de la variabilidad y la incertidumbre de las propiedades del material lineales elásticas mecánicas y predicción de vida de los pavimentos de campo del aire (Lua y demanda a 1.996), y el modelado de micromecánica de los efectos de huecos de aire en el rendimiento mecánico de mezclas asfálticas sometidos a la humedad procesos de difusión (Caro et al. 2011).

Como ejemplo de sus capacidades, la metodología propuesta se implementa para estudiar el impacto de las distribuciones de huecos de aire internos de mezclas asfálticas en el comportamiento mecánico de los cursos de asfalto. Por lo tanto, el aire probable distribuciones de huecos que simulan las que resultan de la compactación de mezclas asfálticas en el campo se generan, y esta información se utiliza más para asignar las propiedades del material viscoelástico mecánicas a diferentes zonas dentro de un curso de asfalto. A continuación, un modelo de elementos finitos pavimento flexible se somete a una carga mecánica y se evalúa la respuesta del curso asfalto.

El principal valor de la aplicación de la metodología de modelado propuesto es que los resultados pueden ser utilizados no sólo para obtener valores válidos esperados de la realización de pavimentos, sino también información con respecto a la variabilidad y la incertidumbre asociada a tales prestaciones. Como resultado, el modelo proporciona información valiosa que se puede incorporar como parte de las consideraciones de fiabilidad de las metodologías existentes mecanicistas de diseño de pavimentos empírica.

En la primera parte de este trabajo se presenta el enfoque de modelado propuesto, seguido por la descripción de los principales conceptos de la teoría del campo aleatorio. En la segunda parte, la aplicación de la metodología se ilustra mediante la realización de un análisis de sensibilidad del impacto de la distribución interna de vacío de aire de mezclas asfálticas en el desempeño mecánico de cursos de asfalto en pavimentos flexibles. Por último, se presentan las principales conclusiones.

Metodología propuesta Modelado

...