VIGA BENKELMAN

INTRODUCCIÓN.

Estos son los ensayos que se realizan en el sitio para determinar los parámetros más significativos en el diseño de pavimentos. En la evaluación estructural de los pavimentos, se consideran como parámetros más significativos las deflexiones y deformaciones obtenidas como respuesta de un firme flexible ante la aplicación de una carga sobre la superficie del pavimento. Aunque existen otras medidas que pueden dar una idea del estado estructural del pavimento, la deflexión en superficie es, sin duda, la que ofrece las posibilidades de análisis más amplias.

La viga Benkelman es un equipo que fue desarrollado durante el ensayo de la “Western Association of State Highway Organizations” (WASHO) en 1952. Se trata de un dispositivo bastante simple, que funciona aplicando la conocida “regla de la palanca” (Nazzal, 2003). Este método se puede considerar simple y económico y su principio de aplicación es ampliamente conocido y consiste en medir el desplazamiento vertical del pavimento ante la aplicación de una carga estática o de lenta aplicación (Goel & Das, 2008).

Este equipo se usa junto con un camión cargado; el ensayo se realiza colocando el extremo de la viga entre las dos ruedas gemelas del camión, midiendo la recuperación vertical de la superficie del pavimento cuando el camión avanza y se retira. (Crespo del Rio & Bardasano, 2004).

OBJETIVO

Detallar el procedimiento para determinar simultáneamente con una viga Benkelman la Deflexión Recuperable y el Radio de Curvatura de un pavimento flexible, producidos por una carga estática. A tal fin se utiliza un camión donde la carga, tamaño de llantas, espaciamiento entre ruedas duales y presión de inflado están normalizadas.

Los valores se deben expresar en unidades SI.

Esta norma no considera los problemas de seguridad asociados con su uso. Es responsabilidad de quien la emplee, establecer prácticas apropiadas de seguridad y salubridad determinar la aplicación de limitaciones regulatorias antes de su empleo.

Determinar la deflexión vertical y puntual de una superficie del pavimento bajo la acción de una carga normalizada, transmitida por medio de ruedas gemelas de un eje simple tipo.

VIGA BENKELMAN

La viga Benkelman es un equipo que fue desarrollado durante el ensayo de la “Western Association of State Highway Organizations” (WASHO) en 1.952. Se trata de un dispositivo bastante simple, que funciona aplicando la conocida “regla de la palanca”. Este equipo se usa junto con un camión cargado (en el caso de España con una carga por eje simple de 128 kN, ruedas gemelas, y una presión de inflado de 900 kPa); el ensayo se realiza colocando el extremo de la viga entre las dos ruedas gemelas del camión, midiendo la recuperación vertical de la superficie del pavimento cuando el camión avanza y se retira. Las principal ventaja de este equipo es que se trata de un ensayo bastante económico; no obstante, es muy laborioso, y no permite obtener el cuenco de deflexiones, sino únicamente la deflexión bajo carga, en el centro de las ruedas gemelas.

Cuando se utiliza una viga Benkelman doble, con dos brazos de medida de longitud diferente, se pueden encontrar dos puntos del cuenco de deflexiones, para el mismo punto de aplicación de la carga, y unos puntos de medida fijos.

Es necesario tener en cuenta, para determinar el tiempo de aplicación de la carga, la velocidad del camión que se emplea con el equipo. Se ha considerado una velocidad de aproximadamente 1 km/h.

EQUIPO

Según se esquematiza, la viga Benkelman consta esencialmente de dos partes:

Un cuerpo de sostén que se sitúa directamente sobre el terreno mediante tres apoyos (dos delanteros fijos "A" y uno trasero regulable "B")

Un brazo móvil acoplado al cuerpo fijo mediante una articulación de giro o pivote "C", uno de cuyos extremos se apoya sobre el terreno (punto "D") y el otro se encuentra en contacto sensible con el vástago de un extensómetro de movimiento vertical (punto "E").

Esquema de viga Benkelman

Fuente: Estudios de evaluación estructural de pavimentos basados en la interpretación de curvas de deflexiones (Ensayos no destructivos); Hoffman Mario & Del Aguila Pablo; 1985.

Viga Benkelman – Es un deflectómetro mecánico simple. Una palanca, suspendida en un bastidor, transmite la deflexión vertical del punto de medida a un comparador o dial medidor. Las dimensiones son las que se indican en la Figura 1 y comprende los siguientes elementos:

Bastidor – Viga (1) con tres pies de apoyos sobre el suelo (4), que sirve

de sustentación a la palanca de medida y de soporte al comprador o dial medidor.

Palanca de medida (2) De 3.6 m de longitud, que se puede desmontar en tres partes durante el transporte. Se suspende al bastidor con un eje (3) que la divide en dos partes con relación 2:1.

Suspensión (3) Un eje, punto de apoyo de la palanca, suspendido en dos rodamientos a bolas, estancos al polvo y solidarios al bastidor.

Puntos de apoyo (4) Son tres pies solidarios al bastidor, con regulación de su altura mediante tornillo; los dos anteriores están situados simétricamente con respecto al eje longitudinal de la viga a 170 mm del mismo y separados del posterior, situado en el extremo del batidor, 1208 mm.

Pasador (5) Sujeto al bastidor por una cadenilla, sirve para bloquear la palanca, dejándola fija al bastidor.

Nivel (6) Para nivelar transversalmente la viga y, por tanto, poner horizontal el eje de rotación de la palanca, por medio de los tornillos de los apoyos anteriores.

Deformímetro (7) Aparato con limbo dividido en 0.01 mm y con un recorrido igual o superior a 10 mm. Se fija al bastidor con un soporte solidario de éste, de modo que su vástago prolongado apoya en el extremo de la palanca de medida. El deformímetro puede ser sustituido por un captador electrónico con presentación de lectura digita. (Si está ubicado como en el esquema la relación de la viga simple es 1:2 o sea que la deflexión en el punto de medida es la lectura en el deformímetro multiplicada por 2)

Palpador (8) Pieza metálica de la forma y dimensiones indicadas en la Figura 1, que reposa sobre el suelo en el punto de medida. Nudos (9) Para unir los tramos en que se puede dividir la palanca de medida.

Viga Benkelman de doble brazo (Opcional) Viga con doble brazo de medida, con sus correspondientes diales registradores (al 0.01 mm y recorrido 10 mm) y las siguientes dimensiones fundamentales:

Longitud del primer brazo de ensayo, desde el pivote al punto de prueba de 2440 mm.

Longitud del primer brazo de ensayo, desde el pivote al punto de apoyo del vástago del deformímetro registrador de 610 mm. (Relación 1:4).

Longitud del segundo brazo de ensayo, desde el pivote a la punta de prueba de 2190 mm.

Longitud del segundo brazo de ensayo, desde el pivote al punto de apoyo del vástago del deformímetro registrador de 548 mm. (Relación 1:4).

Nota 1.- Se permite el empleo de vigas con dimensiones diferentes siempre y cuando no sean tan reducidas que el radio de acción de la carga no afecte permanentemente la posición de sus patas.

Vehículo de carga – El vehículo usado para transportar el dispositivo de deflexión estática y cargar el pavimento deberá ser un camión que lleve una carga de prueba de 80 kN (18000/lbf) en eje simple trasero. La configuración de la carga incluyendo cargas por eje, el tamaño de las llantas y la presión de inflado se pueden obtener a partir de las especificaciones del fabricante; sin embargo, esta información se debe indicar claramente en el informe de ingeniería.

Medidor de pre sión de inflado.Termómetro – De 0º a 100º C con divisiones cada grado.Barreno – Para ejecutar orificios en el pavimento de 40 mm de profundidad y 10 mm de diámetro.

PREPARACIÓN DEL ENSAYO

1. El vehículo se carga con paralelepípedos, preferiblemente de metal, de concreto o de piedra y se pesan en una báscula contrastada hasta tener la carga de 80 kN (18000 lbf) en el eje simple trasero. Se comprueba la carga al comienzo del ensayo y para series de ensayos al comienzo y al final de la jornada de trabajo. Se pesa el eje trasero y las ruedas gemelas, bajo las cuales se realizara la medida, la masa en estas últimas será de 40 kN (9000 lbf). Si los materiales utilizados para cargar el vehículo son susceptibles a las variaciones de humedad, se deberá proteger con una lona.

2. Se imprime sobre un papel la huella de las ruedas gemelas cargadas correctamente, con la presión de inflado recomendada por el fabricante de los neumáticos para esa carga. Para ello se levantan las ruedas con un gato sobre una superficie lo más plana posible, se coloca el papel debajo y se descienden las ruedas reposando libremente toda la carga sobre el papel. Se anota la presión de inflado con la que se ha obtenido la huella. La presión de inflado se debe comprobar cada dos horas.

3. Se monta la viga Benkelman o similar, comenzando por los tres tramos de la palanca de medida. Luego se coloca el nivel y

finalmente el deformímetro. Se comprueba el correcto funcionamiento de todo el conjunto.

Procedimiento

La carga aplicada al pavimento para la realización de ensayos de deflexiones ha sido estandarizada en 9000 libras (4090 kg), y es proporcionada por una de las llantas dobles del eje trasero de un camión. Previamente a la realización de los ensayos deberá verificarse que se cumpla esta condición, así como que la presión de las llantas sea la requerida.

Una vez localizado el lugar donde se realizará el ensayo (usualmente los puntos de medición se localizan en la mitad exterior de un carril), se coloca la llanta a usarse sobre el punto de manera tal que éste coincida aproximadamente con el eje vertical del centro de gravedad del conjunto.

Para esta operación es aceptable una tolerancia en el rango de 3 pulgadas alrededor del punto. Estacionados los neumáticos se inserta entre ellos el extremo del brazo móvil de la viga colocándolo nuevamente sobre el punto de ensayo seleccionado. Dado que esto último se dificulta por la inaccesibilidad tanto visual como manual, se realizará previamente la siguiente operación: Se coloca la Viga en la posición como si estuviera entre las llantas pero en la parte exterior de las mismas, haciendo coincidir, empleando una plomada, el extremo del brazo móvil con el eje vertical del centro de gravedad. Tomando como punto de referencia una varilla vertical adosada a la parte trasera del camión, se efectúa una marca en la viga de manera tal que, en adelante, basta con hacerlas coincidir (la marca con la varilla vertical) para asegurarse que el extremo de la viga coincide con el centro de las llantas, en el momento de iniciar las mediciones.

Configuración geométrica del sistema de carga

De igual forma se puede efectuar, a partir de la primera, sucesivas marcas a distancias elegidas a las cuales se desee medir deflexiones adicionales (puede ser a 30, 40 y 50 cm). Para la metodología de análisis se requiere de por lo menos tres lecturas, pero se pueden obtener más con fines de verificación, lo cual es recomendable, o si es que se desea tener una idea gráfica del tipo de curvas de deflexiones que se producen.

Como norma se realiza la primera marca adicional a una distancia tal que la deflexión que se obtenga en ese punto sea la mitad de la deflexión máxima (obtenida en la marca inicial). La segunda marca adicional se realiza al doble de la distancia de la primera marca adicional. Estas dos distancias se determinarán específicamente para cada proyecto de evaluación que se emprenda. Esto deberá hacerse por medio de tanteos previos, antes de comenzar la recolección masiva de datos. Es común que

se observen variaciones durante la realización de los ensayos, pero no deberá hacerse modificaciones mientras que las deflexiones tomadas en la primera marca adicional estén en el rango entre 35% y 65% de la deflexión máxima.

Esquema del proceso de medición

Una vez instalada la viga en el punto de medición haciendo coincidir con la cadena vertical y la marca inicial (ver figura a), se verificará que ésta se encuentre alineada longitudinalmente con la dirección del movimiento del camión.

Se pondrá el dial del extensómetro en cero, se activará el vibrador y mientras el camión se desplaza muy lentamente se procederá a tomar lecturas conforme la varilla vertical vaya coincidiendo con la primera y segunda marcas adicionales (figuras b c) y una lectura final cuando el camión se haya alejado lo suficiente del punto de ensayo que el indicador del dial ya no tenga movimiento (aproximadamente 5.00 m.), registro que corresponde al punto de referencia con deflexión cero.

1. Definiciones

fundamentales.La evaluación del pavimento existente tiene como objetivo establecer un diagnóstico de su estado, de manera que permita seleccionar la solución de rehabilitación más adecuada, en cada uno de los tramos homogéneos en que pueda dividirse la carretera en estudio.Para comenzar este estudio se debe partir de definiciones fundamentales relacionadas con el objetivo principal del trabajo, las que se relacionan a continuación:

x Pavimento: Conjunto de capas de la estructura de una obra vial, cuya función es resistir los esfuerzos producidos por la circulación del tráfico, proporcionando a ésta una superficie de rodadura cómoda y segura, durante un período prolongado de tiempo.

x Evaluación de un pavimento: Reconocimiento de las características estructurales o superficiales de un pavimento mediante observación y medición de deterioros o con el empleo de técnicas y/o equipos para conocer su estado.

x Diagnóstico: Descripción del fenómeno que ocurre y análisis e identificación de las posibles causas de los deterioros existentes en el área evaluada.

x Deflexión: Es el desplazamiento vertical de la superficie del pavimento bajo una carga normalizada de referencia. Es un valor evolutivo que representa el estado estructural del pavimento respecto a un valor inicial de deflexión mínima.

x Deflexión característica: Valor de la deflexión que corresponde a la media de las deflexiones, más dos veces el valor de la desviación típica muestral de las deflexiones en un tramo homogéneo de comportamiento uniforme.

x Deflexión de cálculo: Deflexión característica de un tramo homogéneo corregida por humedad y temperatura.

x Deflexión patrón: Recuperación elástica de la superficie de un pavimento, al tomarse su medida mediante la viga Benkelman, siguiendo el método de recuperación y en las condiciones indicadas.

x Tramos homogéneos: Es un segmento de vía que presenta características similares, de acuerdo a un parámetro o conjunto de parámetros previamente establecidos. A efectos de esta trabajo los tramos homogéneos pueden ser de los siguientes tipos:

a) Por características físicas: Son aquellos que presentan uniformidad en cuanto a número de carriles por calzada, sección estructural del pavimento, fecha de realizadas la última rehabilitación, la categoría de tráfico pesado, etc.

b) Por resultados de la evaluación: Son aquellos que una vez inspeccionados presentan uniformidad en el resultado de algún parámetro evaluado, ya sea, rugosidad, irregularidad o deflexión.

x Rehabilitación estructural: Aumento de la capacidad estructural del pavimento existente, adecuándola a las condiciones previsibles de tráfico durante su vida útil.

x Acciones de rehabilitación estructural: Las soluciones a aplicar en una rehabilitación estructural podrán ser las siguientes:

a) Eliminación parcial y reposición del pavimento existente, incluyendo el reciclado de los materiales.

b) Repavimentación sobre el pavimento existente. c) Combinación de los dos tipos anteriores.d) Reconstrucción total del pavimento, que podrá incluir la base y subbase.x Rehabilitación superficial: Restauración o mejora de las

características superficiales de un pavimento. A diferencia de la rehabilitación estructural, no tiene por objeto aumentar la capacidad resistente del pavimento, aun cuando en determinados casos pueda mejorarla.

x Acciones de rehabilitación superficial: Se aplican cuando la superficie del pavimento presente deterioros que afecten a la seguridad de la circulación, a la comodidad del usuario o a la durabilidad del pavimento, las soluciones a aplicar pueden ser:

a) Sellado de grietas longitudinales o transversales. b) Bacheo superficiales.c) Tratamientos superficiales.d) Repavimentación con capas delgadas de hormigón asfáltico. e) Riegos de Slurry ó micro aglomerados asfalticos.f) La combinación de diferentes soluciones.

1.1.1 Evaluación Visual.En el trabajo “Estudio para determinar las causas del deterioro de las

carpetas asfálticas en Bogotá, Colombia” (13), se especifica que la inspección visual es un método para definir el estado superficial de la carretera y todo tipo de obras ó elementos auxiliares relacionados con el pavimento, que de manera directa ó indirecta pueden afectar a la comodidad y seguridad del usuario. La misma en una

inspección realizada directamente a la vía, por profesionales calificados y debidamente adiestrados que recorren la carretera, con el objetivo de detectar y cuantificar los deterioros existentes siguiendo criterios preestablecidos.La inspección visual o auscultación es un procedimiento esencial para el inventario de los daños de una vía. Como resultado del examen superficial del pavimento puede obtenerse una importante serie de conclusiones para el desarrollo de trabajos futuros de conservación, algunas de las cuales se relacionan a continuación:o Detectar los inicios de posibles fallas y determinar sus causas.o Establecer zonas prioritarias para conservación.o Determinar la necesidad de una evaluación de tipo estructural para

el diseño de refuerzos.o Presentar elementos de juicio que permitan confirmar o modificar

los criterios de diseño vigentes.Un complemento importante para la inspección visual es la existencia de Catálogos de Deterioros o Desperfectos. Se trata de una recopilación de los principales deterioros que pueden aparecer en la vía y que incluye la denominación del mismo y su descripción, una explicación de sus posibles causas, forma de medirlos y evaluarlos (niveles de severidad) e imágenes fotográficas de la aparición de los mismos en un pavimento.La investigación que se propone realizar, será basada fundamentalmente con ayuda de equipamiento de evaluación, pero en la etapa inicial de reconocimiento, la evaluación visual es una herramienta de ayuda que permite reducir las observaciones con equipos. Por esta razón en este documento se ha tratado de una forma somera el tema de la evaluación visual, enfatizándose especialmente en el uso de equipamiento.

1.1.2. Métodos de Evaluación con Equipos.La evaluación del estado del pavimento mediante auscultación con equipos consiste en utilizar equipamiento específico para estos fines, con el propósito de medir sobre la vía diferentes variables, que luego son comparadas con valoresBlímites admisibles ó umbrales, para definir el estado estructural ó funcional de la vía y establecer las intervenciones correspondientes. Dicha evaluación es un elemento fundamental para desarrollar los programas de rehabilitación y conservación.Se describen en la bibliografía algunas consideraciones importantes quedeterminan actualmente el presente y el futuro de la auscultación de pavimentos con equipos:o Los ensayos no destructivos son preferibles para evitar deterioros

innecesarios de la estructura del pavimento.o Las interferencias y cortes del tráfico deben ser mínimas. Siempre

que sea posible deben utilizarse métodos de ensayo que no afecten al tráfico.

o La velocidad de los ensayos debe ser suficientemente alta para auscultar una red de carreteras en un período de tiempo adecuado para cubrir los requisitos de operación.

o La evaluación de los ensayos de auscultación debe ser ajustada, confiable y basada en análisis racionales.

o El procesamiento y evaluación de los resultados de las auscultaciones debe realizarse en un tiempo eficiente para cumplir los requisitos de operación.

Se definen dos etapas básicas en la evaluación con equipos, las cuales son: Recorrido por el tramo para realizar una inspección y evaluación visual de los deterioros del pavimento, detectando posibles causas para planificar los trabajos con equipos.1) Evaluación estructural y funcional con equipos de auscultación.Para realizar una evaluación con las técnicas actuales de auscultación, existe una gran variedad de equipos en el mercado, algunos incluso capaces de realizar mediciones con técnicas sin contacto, a velocidades del tráfico normal para medir la superficie de la carretera y determinar la regularidad superficial (IRI), la profundidad de las roderas, la irregularidad transversal, la textura y las deflexiones.

1.1.2.1. Métodos de ensayos destructivos.Los métodos de ensayos destructivos son aquellos en los que necesita obtener mediante calicatas muestras de los materiales que conforman las diferentes capas del pavimento, para evaluar las características resistentes y de compactación de las mismas, así como llevar muestras al laboratorio para continuar las investigaciones o precisar algunos valores necesarios. Su ventaja radica en que este método nos podrá fijar exactamente cuál será el refuerzo preciso en cada punto, máxime si completamos el estudio con ensayos de C.B.R in situ o en laboratorio o ensayo de capacidad de carga con placa, tanto del pavimento como del suelo, para lo cual sería necesario efectuar calicatas cada 200 m como máximo. Estos métodos han dejado de usarse, ya que es un método lento de evaluación estructural de los pavimentos, con elevados costos y la necesidad de restituir posteriormente la estructura afectada durante las pruebas.

1.1.2.2. Métodos de ensayos no destructivosLos ensayos no destructivos son aquellos donde no se afecta la integridad del pavimento para obtener información de una variable evaluada cualquiera. Se emplean para evaluar la capacidad estructural y las características superficiales de los pavimentos de carreteras, como son:

o Ensayo del Trafico Acelerado.o Ensayos de cargas repetidas sobre placas ó los ensayos de placa de carga.o Método de auscultación dinámica ó prospección por vibración.o Ensayos de deflectometría empleando equipos como:La principal aplicación de la medida no destructiva de la deflexión desde los primeros días fue el dimensionamiento del refuerzo del pavimento

[California Department of Highways 1972, Asphalt Institute 1981]. La medida de la deflexión incrementa su importancia al comienzo de los años 70, cuando fue introducido el concepto de Sistema de Gestión de Pavimentos.

En el articulo “Introducción a la auscultación de firmes” (24) se define que las características superficiales de las carreteras inciden directamente sobre el usuario y son precisamente las que más le preocupan, al estar directamente vinculadas a la seguridad y la comodidad que el mismo percibe al transitar por la vía.Las características superficiales que se consideran importantes son:o Textura: Influye directamente en la capacidad del pavimento de

eliminar rápidamente el agua superficial, en el valor del coeficiente de rozamiento del pavimento, que garantiza la adecuada adherencia entre neumático y la superficie de la calzada. Además, la textura es la característica determinante en el nivel de ruido del tráfico y en el aspecto económico, influye en el consumo de gasolina y en el deterioro de los vehículos.

o Fricción: Es un valor crítico en la seguridad cuando el pavimento está mojado.

La fricción se determina de forma indirecta midiendo el coeficiente de rozamiento entre el pavimento artificialmente mojado y una rueda de goma especial.

o Regularidad superficial y perfil longitudinal. Es la característica más percibida por el usuario ya que afecta a la comodidad de rodadura, la cual depende principalmente del vehículo y del perfil longitudinal de la carretera. La mayor parte de los sistemas miden el perfil directamente y después se analiza para obtener un indicador de la regularidad superficial.

o Perfil transversal, incluyendo peralte y roderas: El perfil transversal sirve para determinar zonas donde el agua no pueda evacuarse a pesar de la pendiente del pavimento. Las roderas son una consecuencia de los esfuerzos provocados por el vehículo y de la

deformación que experimenta el pavimento. Dependen del tráfico y del tipo de material usado. Además de reducir la comodidad, las

roderas pueden resultar peligrosas al interferir en el control del vehículo y permitir el estancamiento del agua, aumentando el riesgo de hidroplaneo.

o Trazado de la carretera, incluyendo pendiente y radio de curvatura: Se relaciona con los cambios de rasante vertical y horizontal del pavimento.

o Fisuras: Es el primer síntoma del deterioro de la carretera, indicando que las tensiones en la misma han sobrepasado los límites de la resistencia del pavimento o existen problemas en la explanación de la vía.

1.2. Métodos para la Evaluación con Equipos.La evaluación del estado del pavimento ha de llevarse a cabo a partir de los parámetros, síntomas y señales que nos permitan caracterizar tanto su estado funcional como su estado estructural.Equipos basados en sistemas rápidos de medición con Láser, son los utilizados para determinar la calidad de rodamiento, la resistencia al deslizamiento y las deformaciones que permiten identificar las secciones para un mayor estudio y donde las técnicas de evaluación estructural se aplican con mayor éxito.La historia del desarrollo de los equipos de medida de la deflexión también refleja la historia del desarrollo de las técnicas de evaluación estructural de pavimentos. Se han desarrollado técnicas más avanzadas de cálculo inverso para determinar las propiedades de las capas y materiales del pavimento a través de la interpretación de las deflexiones. Inicialmente se usaron métodos semi analíticos basados en la magnitud de la deflexión y la forma de la deformada [Wang et al.1978.]

1.2.2. Determinación de la capacidad estructural del pavimento.La evaluación estructural de los pavimentos y el diseño de rehabilitación, forman parte de los requerimientos generales de un proyecto vial.La deflexión es un valor evolutivo que representa el estadoestructural del pavimento, respecto a un valor inicial de deflexión mínima. Las técnicas de interpretación de los valores de la deflexión permiten cuantificar las actuaciones necesarias de refuerzo o rehabilitación del pavimento. La mayor

dificultad que presenta la deflexión es la lentitud de la medida con los equipos actuales, por lo que su medida se suele realizar como atributo local (a nivel de tramo donde ya se ha decidido que es necesario actuar). Asimismo la deflexión elevada no es buena o mala por si misma, sino que su valor se tiene que interpretar en función del tipo de pavimento y de los espesores de las capas que lo constituyen. Por esta razón disponer de una información fiable y suficiente de los espesores es un elemento fundamental para determinar las características estructurales.La otra variable básica que interviene en el estudio de la capacidad estructural del pavimento es la cuantificación adecuada de las solicitaciones. En esta cuestión se descubre la interrelación entre características estructurales y superficiales. El efecto de superposición más conocido, aunque difícil de cuantificar, es el crecimiento exponencial del daño en el pavimento debido a que las cargas dinámicas se incrementan con la mala regularidad superficial. Es decir, un mismo eje de una carga determinada es mucho mas “agresivo” para el pavimento en un tramo de mala regularidad (IRI elevado) que en otro en buen estado. La inversa también suele ser cierta un tramo de mala regularidad presenta, muy probablemente, un estado estructural deficiente. Por esta razón el IRI es un parámetro de un gran contenido informativo para estimar las características estructurales.

A continuación, se relacionan algunos ensayos y equipos existentes en el mundo para determinar la capacidad estructural de un pavimento:o Ensayo del Tráfico Acelerado (25): Es el más adecuado para experimentar en

vías de pavimentos flexibles y consiste en construir circuitos con calzadas de diferente tipo y someterlas a un tráfico controlado y después contrastar los comportamientos en las distintas clases de calzadas. El mismo tiene el defecto de que precisa de grandes inversiones y gastos de experimentación elevados y como su posibilidad de es limitada hace que no se desarrolle su difusión.

o Ensayos de cargas repetidas sobre placas ó los ensayos de placa de carga (25):

Estos ensayos de carga repetidas son utilizados en algunos casos con el propósito de evaluar el comportamiento de la estructura del pavimento en

cuestión y en otros casos se persigue caracterizar la reacción del pavimento ante una secuencia de carga y encontrar los valores de los módulos de elasticidad de las diferentes capas. Como principal inconveniente tienen que los efectos de las cargas verticales repetidas rápidamente en un mismo punto, en un corto plazo de tiempo, difieren considerablemente de los producidos por el tráfico continuo durante el periodo de vida útil de la carretera.

o Método de auscultación dinámica ó prospección por vibración (25): se basan en

que si por una fuente cualquiera se producen una serie de cargas instantáneas separadas un cierto tiempo, se producirán en el pavimento unas condiciones de trabajo similares a las cargas reales del tráfico. Para este tipo de ensayos se emplean equipos como el Dynaflect y el Road Tester que son vibradores ligeros destinados a ensayos normales y realizan medidas rápidas de deflexiones bajo cargas dinámicas bastantes débiles; se correlacionan sus resultados con mediciones realizadas con viga Benkelman.

o Ensayos de deflectometría (24), (25) empleando equipos como:

a) Viga Benkelman: Es un dispositivo mecánico que mide la deformación total de la calzada en un punto, bajo el efecto de una carga aplicada conocida.

b) Deflectógrafo Lacroix: Es totalmente automático produce una medida del tipo viga Benkelman con gran rendimiento ya que realiza simultáneamente la carga móvil y la medida de la deflexión.

c) Deflectógrafo de Impacto FWD (Falling Weight Deflectometer): Mide la deflexión de una calzada bajo el impacto de una masa. En un principio no fueron enteramente satisfactorios en dos aspectos: por una parte el modelo de carga es diferente de las cargas reales actuales (mayores cargas y mayor velocidad de aplicación de las mismas) del tráfico, y por la otra la velocidad global del ensayo es mucho más baja que la velocidad del tráfico real, lo que implica que se necesiten medidas adicionales de interrupción y control del tráfico, con las consiguientes molestias, riesgos y costos.Este equipo es el más usado actualmente luego de haberse perfeccionado durante más de dos décadas.d) Equipos de última generación como el Deflectómetro Rodante (RWD) y el Deflectógrafo de Alta Velocidad (HSD). El Deflectómetro Rodante (RWD) consiste en un equipo instalado en un vehículo que mide continuamente la deflexión máxima del pavimento bajo una carga en movimiento. Actualmente el equipo puede realizar medidas a la velocidad máxima de 10 Km./h con cargas hasta 220 kN,

o de 32 km/h hasta 40 kN por rueda. Se está desarrollando una versión de hasta 80 km/h. El otro es un Deflectógrafo de Alta Velocidad (HSD) basado en la utilización de sensores de rayos láser que se está desarrollando para medida continua de deflexión en el rango de 20-70 km/h. Ambos equipos poseen el potencial de llegar a desplazar a los deflectómetros de Impacto FWD en el deseable propósito de medir las deflexiones a las velocidades normales del tráfico.A continuación ampliamos la información sobre el Deflectógrafo

de ImpactoFWD (Falling Weight Deflectometer), según bibliografía :

El “Falling Weight Deflectometer” (FWD), se ha convertido en el equipo estándar para la evaluación estructural, por la precisión en la cual puede medir la forma de de deflexión de un pavimento bajo la acción de cargas variables debidamente aplicadas. El uso de la teoría elástica para retrocalcular con las deflexiones de los impactos, permite ser acorde con la realidad en el terreno. Establece las referencias confiables para el cálculo de la vida útil remanente y diseño de la sobre carpeta ó la reconstrucción si es lo apropiado.Su principio de trabajo consiste en aplicar una carga dinámica (variable entre 2 y12 t) en el pavimento causada por la caída de una masa sobre un plato circular (de diámetro 30 cm) cuya superficie de contacto se asemeja al de la rueda de un camión. Las deflexiones producidas son medidas por medio de un grupo de geófonos en unidad de micrones (milésimas de milímetros) en siete puntos cada uno separado de la carga a una distancia de 30 cm, teniendo en cuenta que el primer geófono se encuentra bajo el punto de aplicación de la carga.

Para efectuar una auscultación con deflectómetro de impacto (Figura No 1) se establecerán las deflexiones en diversos puntos, que se producen en la estructura del pavimento al ser

sometidas a una carga. Estas deflexiones deberán ser corregidas para obtenerlas en unas condiciones estándar de temperatura, humedad y carga aplicada. Los valores de la deflexión se expresan normalmente en centésimas o milésimas de milímetro.Los resultados de las auscultaciones deflectométricas requieren dos tipos de análisis:En primer lugar un tratamiento estadístico que permita identificar y agrupar tramos con igual comportamiento estructural. El análisis estadístico se realiza por zonas preestablecidas donde se conoce o se supone que la sección de pavimento es la misma. A las deflexiones obtenidas en esa zona se le aplica algún test de homogeneidad para establecer tramos homogéneos (se suele realizar un análisis de la varianza de las 6 deflexiones obtenidas: Test de Fischer o similar).Definidos los tramos homogéneos, estructuralmente hablando, se procede a la realización del cálculo inverso (back-calculation). Este cálculo inverso se realiza utilizando uno de los múltiples programas de este tipo existentes que permiten, ajustando los módulos de elasticidad de las diferentes capas que componen el modelo, obtener unas deflexiones teóricas iguales a las obtenidas en la práctica. Hay que resaltar que en el cálculo es necesario introducir los datos de los espesores de las capas existentes así como las deflexiones obtenidas. Con estos datos de entrada, el programa facilita los módulos de elasticidad de estas capas. Otro dato que se ha obviado pero que es necesario para el cálculo es conocer el tipo de material de cada capa. Este dato generalmente se conoce, pero si no es así se deberá realizar o bien una extracción de testigos u otro tipo de actuación para averiguarlo.

Con los espesores y los módulos de elasticidad obtenidos, se consigue un modelo estructural del pavimento existente con el que se procede

a la realización del cálculo de las tensiones y deformaciones de todas las capas. Para ello se puede utilizar cualquier modelo multicapa de pavimentos de los empleados usualmente. Realizado dicho cálculo, y obtenidos los valores de las tensiones o deformaciones para cada capa existente, se analizan solamente aquellos que causan, según la teoría del cálculo de la fatiga, la rotura de cada capa por dicho motivo. En este análisis se obtiene, con la ayuda de las leyes de fatiga correspondientes, el número de ejes estándar que originaría la rotura por fatiga en cada capa, obtenido el número menor de ejes que produce la rotura de uno de los materiales, es posible, conociendo el tráfico anual en la sección en estudio en número de ejes, saber la vida residual estructural que le queda al pavimento. Para poder aplicar todo lo anterior, es preciso corregir las deflexiones obtenidas en la auscultación ypasarlas a condiciones de temperatura y humedad estándar.

Esquema de trabajo del Deflectómetro de Impacto.

1.2.3. Evaluación de las características superficiales de los pavimentos. Durante el transcurso del tiempo se han desarrollado una amplia gama de equipos para evaluar el estado superficial del pavimento, entre los que se encuentran:o Equipos de medida de la Textura :a) Método de la Arena: Consiste en extender una cantidad de arena

de granulometría cerrada entre los intersticios de la superficie del pavimento en un área normada mediante el empleo de un marco portátil hasta adquirir asperidad. Entonces se puede definir la profundidad media de los intersticios buscando la relación entre la cantidad de arena extendida y la superficie cubierta.

b) Equipos de última generación: Entre ellos se encuentra el Vídeo-Láser RST.

La textura se mide usando cámaras láser de 32 kHz, una para cada rodada o bien una en el centro del carril y otra en la rodada. Con este equipo también se evalúan las otras características superficiales del pavimento.

Equipos de medida del rozamiento (Fricción:a) Equipos de tipo péndulo Son

desarrolladosbajo la normativa de los diferentespaíses, como por ejemplo el Rugosimetro de Leroux, el Rugosimetro del Road Research Laboratory, etc. El Péndulo de Fricción es un equipo portátil, que se utiliza para valorar el coeficiente de fricción en forma puntual. Con el mismo puede obtenerse el CFT o el CFL dependiendo de la forma de ubicación del equipo en el camino.

b) En Cuba se construyó y emplea el Péndulo Portátil DIVA para medir la resistencia al deslizamiento.

c) Remolques especiales: Consisten en remolques provistos de una rueda cargada que puede bloquearse durante un tiempo muy corto (de 1 a 2 seg.), midiendo mediante un dispositivo dinamométrico el esfuerzo de remolque, obteniendo entonces una medida directa del coeficiente de rozamiento instantáneo con deslizamiento. Entre estos equipos se encontraban el Trailer del Road Research Laboratory, el aparato Riekert utilizado en Alemania, el Estradógrafo modificado desarrollado en Francia, etc.Una versión más moderna de este tipo de equipo es el Mu Meter:Mu Meter (Figura No 4): Consiste en un trailer liviano de tres ruedas, donde las dos ruedas medidoras se encuentran con un ángulo de divergencia entre ellas de 15º. Se valora el CFT (Coeficiente de Fricción Transversal). La condición de medición para la medición en carreteras con este tipo de equipos es de 60 Km/h y 1 mm de altura de película de agua.a) Decelerómetros: Son en general vehículos automóviles provistos

de un sistema de medida de deceleración, que se utilizan bloqueando las 4 ruedas. Han sido desarrollados en diferentes países como Gran Bretaña, Francia, EEUU, España, etc.

b) Equipos de ultima generación: Existe una amplia diversidad dentro de las que se encuentran equipos de rueda oblicua (como el SCRIM), equipos de rueda parcialmente bloqueada con grado de bloqueo fijo (como el GRIP TESTER, 14.5 % de bloqueo), el remolque DWW Holandés, el Estradografo Danés, el Odoliógrafo Belga, etc.

Conviene indicar que la práctica de la auscultación para determinar

el coeficiente de rozamiento está evolucionando hacia nuevos equipos (como el Grip Tester y otros parecidos) mas versátiles (ya que permiten realizar los ensayos a diferentes y mas elevadas velocidades, fijar correctamente la

alineación de ensayo, etc) y más económicos que los SCRIM. A la vez se tiende a dotar a los equipos de un sistema complementario de medida de la textura para poder obtener el IFI (Índice Internacional de Fricción) con un único ensayo.A continuación se expone una breve información sobre los equipos de

últimageneración Grip tester y Scrim:Grip tester (Figura No5): Consiste en un trailer liviano de tres ruedas, donde solo la rueda central es la medidora. La misma se desplaza en el sentido del tránsito con un grado de bloqueo del 14 %. Se valora el CFL (Coeficiente de Fricción Longitudinal). La condición de medición adoptada con este tipo de equipos es de 65 Km/h y 0.25 mm de altura de película de agua.Scrim: Está compuesto de un camión cisterna de 5000 litros de capacidad que asegura el riego de agua sobre la calzada y posee dos ruedas medidoras, de características normalizadas ubicadas a ambos lados del vehículo con un ángulo de deriva de 20º. Se valora el CFT. La condición de mediciónadoptada por este equipo fue una velocidad de medición de 50 Km /h y 0.50 mm de altura de película de agua.

o Equipos de medida de Regularidad superficial y perfil longitudinal (24):Se han desarrollado diferentes equipos como por ejemplo:

a) Regla de 3 m: Consiste en una regla recta de 3 m que se coloca sobre la superficie de la calzada permitiendo medir los desniveles existentes.

b) Regla Móvil de 3 m: Formada por un chasis fijo (tubular ó compuesto de perfiles) provisto en cada extremidad de 2 rueditas de diámetro reducido y en

el centro una rueda palpadora por medio de la cual se miden por comparación con el chasis las variaciones de altura, las cuales son amplificadas por un sencillo dispositivo mecánico.

c) Viágrafo: Este equipo permite obtener una medida mucho mas precisa de las irregularidades de la superficie y proporcionan un mayor rendimiento en las mediciones.

d) Perfilometros: Dentro de este grupo se encuentran los equipos APL y APLI modificado que miden la regularidad superficial (IRI) a través de la medida del perfil longitudinal de la superficie. (más adelante se expondrán mas detalles sobre los mismos). En Cuba se ha desarrollado el Perfilometro Merlín.

e) Equipos de última generación: Entre estos se encuentran el Vídeo-Láser RST y el Láser Portable miden la regularidad superficial en las dos trayectorias de las ruedas independientemente, generando las medidas de IRI para cada rodada. Además, es posible calcular un índice de "medio coche" usando los dos perfiles como dato de entrada (que se puede proporcionar si el usuario lo solicita). Aunque el standard de IRI se define para una velocidad constante especificada, los algoritmos del Vídeo-Láser RST y del Láser Portable permiten no sólo medir a cualquier velocidad, sino a velocidad variable.A continuación ampliamos la información sobre los equipos

APL y APLImodificado (11):

El IRI (Índice de Rugosidad Internacional) describe el confort que experimenta un usuario cuando se desplaza en un vehículo a una velocidad de 80 Km./h (según articulo “Medida del perfil longitudinal de un pavimento mediante navegación Inercial”).Uno de los equipos empleados para la determinación del IRI es el APL, equipo diseñado por el Laboratorio Central des Ponts et Chaussées de Francia, cuyo funcionamiento esta basado en la utilización de un sistema oscilatorio mecánico.

El analizador de perfil longitudinal APL (Figura No6) determina el perfil superficial dentro de un campo de longitud de onda comprendido entre 0,5 y 40 Hz. El equipo realiza ensayos continuos a velocidad cercana a los 30Km/h, puede ser utilizado sobre cualquier tipo de superficie pavimentada o en afirmado y bajo diferentes condiciones ambientales. El APL debe ser remolcado por un vehículo automotor. La unión mediante cardán asegura que el movimiento del vehículo interfiera con las señales registradas por el APL.Con el desarrollo del Analizador de Perfil Longitudinal APLI modificado, se está empleando en el mundo un nuevo método de medición del IRI basado en la navegación inercial, con este nuevo sistema se logra la captura de registros digitales de alta resolución y con un amplio rango de medida.La navegación inercial se basa en el registro de las aceleraciones generadas durante el movimiento de un objeto y el cálculo de los desplazamientos mediante la doble integración de estos registros. Para el registro de las aceleraciones se emplean instrumentos conocidos como acelerómetros. Estos instrumentos son de gran precisión, confiabilidad y de fácil acople con sistemas de adquisición actuales. Las mediciones inerciales son frecuentemente utilizados en los sistemas de navegación de aeronaves, botes y automóviles para largas distancias y tiempos de monitoreo largo.La instrumentación del equipo está compuesta por un codificador de posición (encoder), un acelerómetro (navegación inercial), un sistema de adquisición de datos y un software de adquisición. La instrumentación del APLI se presenta en la siguiente Figura No 7:

1. 3. Evaluación con Equipos de Bajo Rendimiento.En nuestro país la medida de deflexión, el calculo de la Lisura (Irregularidades Superficiales – IRI) y la Rugosidad (Coeficiente de Fricción – APL) se ejecutan con equipos de bajo rendimiento, los que se describen a continuación de manera más detallada, así como se exponen los procedimientos de trabajo con dichos equipos.

1.3.1. Deflexiones: Viga Benkelman.Los ensayos de medida de la deflexión con equipos han sufrido con el tiempo transformaciones, haciéndose más sofisticado. Versiones automáticas de la Viga Benkelman se construyeron en los años 60, el deflectómetro móvil de California y el Deflectógrafo Lacroix francés [Kennedy et al. 1978] fueron los representantes de esta generación de equipos de medida de la deflexión. A mediados los años 70 la demanda de equipos más rápidos y efectivos que se necesitan para los sistemas de gestión originó el desarrollo de equipos vibratorios en régimen permanente, tales como el Dynaflect y el Road Rater [Smith and Lytton 1985]. A finales de los años 80 los deflectómetros de impacto [Falling Weight Deflectometer, FWD] fueron ganando popularidad y difusión e incrementando la aceptación de los investigadores y profesionales debido a su mejor representación de la cargas del tráfico respecto a sus antecesores, convirtiéndose en el equipo de referencia para la mayoría de las administraciones de carreteras europeas y americanas.La deflexión con viga Benkelman

corresponde según bibliografía, a la realizada con un eje de carga de 100kN con ruedas duales (Figura No 8). Si las mediciones han sido hechas en otras condiciones, la deflexión de cálculo se obtiene aplicando a la deflexión obtenida en

cada tramo coeficient

es de corrección

5cm

31,0cm

Área

Eje simple de 100kN31,0cm

por humedad de la subrasante y por temperatura del

pavimento. Las

13cm

equivalente

deflexiones en nuestro país son Figura No 8. Características del eje trasero del vehículo de medición.

corregidas para una temperatura de

50ºC (x) de la superficie del pavimento y para la humedad de cálculo de la subrasante.

El proyecto de rehabilitación del pavimento incluye la evaluación y revisión de la estructura existente y la solución de refuerzo necesario para reducir las afectaciones provocadas por el tráfico.

El procedimiento de medición con la viga Benkelman consta de las siguientes etapas de trabajo:1. Estudio del proyecto y expediente de la vía.2. Evaluación visual de la vía para definir tramos preliminares.3. Evaluación deflectométrica de cada tramo y análisis de las

características resistentes de la estructura.4. Análisis del tráfico existente y predicción del tráfico futuro.5. Comprobaciones de la capacidad estructural a partir del tráfico futuro.Después de realizar el diagnóstico sobre el estado de cada tramo homogéneo y el nivel de sus deterioros, se analizan las soluciones de rehabilitación posibles y se proyecta la más apropiada en cada caso. El proyecto de la solución de rehabilitación se individualizará para cada uno de los tramos homogéneos que se hayan determinado, basados en los resultados de la i n s p e c c i ó n visual y en el estudio de las deflexiones.Los valores límites que se han utilizado como parte del procedimiento que se viene aplicando para los estudios de rehabilitación de pavimentos están basados fundamentalmente en las consideraciones de la Instrucción de Carreteras para la Rehabilitación de Firmes del MOPT, España (Norma 6.31C)( ).Para el proyecto de refuerzo de un pavimento se deben manejar una serie de factores entre los que pueden citarse:

o Tipo de pavimento existente (definido mediante extracción de testigos o calicatas) o mediante el conocimiento de su historia constructiva.

o Análisis del tráfico pesado actual y el esperado durante el período de proyecto.o Características de la subrasante y condiciones de

funcionamiento de los sistemas de drenaje.

o Evaluación del estado de la superficie para poder definir la conveniencia de otras soluciones, como reparaciones aisladas, mejora del perfil, fresado de la capa de rodadura, etc.

o Evaluación estructural.o Características de los materiales disponibles, así como las

técnicas de ejecución que se disponen.o Análisis de la necesidad de regularización del perfil previo a la

ejecución del refuerzo.o Análisis de la necesidad de ampliación de la sección transversal de la

vía, con el objetivo de llevar a cabo estas operaciones simultáneamente.

o Características de los paseos, analizando la necesidad de su rehabilitación estructural.

o Necesidades de mantener la circulación durante la ejecución de los trabajos.En los últimos trabajos realizados para la evaluación de los pavimentos por deflexión (2), (4), (5), se han seguido básicamente las consideraciones de la Instrucción de Carreteras para la Rehabilitación de Firmes (Norma 6.31C) (23). Después de realizar el diagnóstico sobre el estado de cada tramo homogéneo y el nivel de sus deterioros, se analizan las soluciones de rehabilitación posibles y se proyecta la más apropiada en cada caso. El proyecto de la solución de rehabilitación se individualizará para cada uno de los tramos homogéneos de comportamiento uniforme que se hayan determinado, basándose en la inspección visual y en la auscultación del pavimento y en especial, en el estudio de las deflexiones. De existir zonas singulares dentro de cada tramo homogéneo, que por su estado de deterioro así se consideren, se les propone una solución particular localizada.¾ Rehabilitación estructural.Las soluciones a aplicar en una rehabilitación estructural podrán ser de los siguientes tipos:

o Eliminación parcial y reposición del pavimento existente, incluyendo el reciclado de los materiales.

o Recrecimiento del espesor sobre el pavimento existente.

o Combinación de las dos soluciones anteriores.o Reconstrucción total del pavimento, lo que puede incluir la subrasante.En la solución de eliminación parcial y reposición del pavimento se retiran la capa o capas que están agotadas, o próximas al agotamiento, hasta la profundidad que se considere necesario, y se sustituyen por otras de materiales adecuados. En este caso se entiende que el espesor total a colocar sea adecuado para el nivel de tráfico que circulará en el nuevo período de diseño. La solución de recrecimiento consiste en colocar sobre el pavimento existente una o varias capas nuevas, elevando la cota de la superficie de rodadura, por consiguiente, la capacidad estructural, como resultado el número de ejes de cálculo que soportará la nueva estructura.Reparación previa de las zonas

singulares.Aunque el valor característico de la deflexión del tramo no sea excesivo, pueden existir sin embargo deterioros localizados superficialmente que reflejen falta de capacidad estructural que afecte la subrasante. Suelen presentarse con un aspecto visual diferente al existente en el resto del tramo. Se entenderá que el agotamiento estructural afecta a la subrasante en las zonas localizadas de blandones, detectadas visualmente, y cuando para la categoría de tráfico pesado correspondiente, el valor de la deflexión en un punto determinado supera los valores indicados en la tabla de categoría de tráfico pesado.Se considerará que el pavimento tiene una vida residual insuficiente siempre que el valor de la deflexión patrón en un punto determinado supere los umbrales del valor puntual de la deflexión

(10–2 mm) para el agotamiento estructural.Según la categoría de tráfico pesado, la profundidad de eliminación parcial y de reposición del pavimento será la necesaria para que el espesor total de mezclas bituminosas nueva.

Después de eliminar las capas agrietadas, si aún quedan mezclas asfálticas sin fisuración, con evidente buen estado y suficiente vida útil, los espesores de éstas se deben considerar como espesores de mezclas nuevas.