Pruebas de resistencia en materiales de pavimentación

Pruebas de resistencia en materiales de pavimentación
Para construir carreteras seguras es muy importante hacer pruebas de resistencia a los materiales de pavimentación. ¿Conoces todas las variables que se miden durante esta prueba? ¿Sabías que ahora puede ser automatizada? En esta nota de aplicación te decimos cómo se hace.

 

¿Qué es una prueba acelerada de pavimento?

También conocida como APT por sus siglas en inglés, se basa principalmente en la aplicación controlada de repeticiones de carga sobre estructuras de pavimento, con el fin de simular los efectos del tránsito vehicular a largo plazo en periodos comprimidos.

La prueba APT normalmente requiere de una pista de pruebas especialmente diseñada. Actualmente, existen 12 instalaciones a escala completa en Europa y un número similar en Estados Unidos, también existen pistas en México, Brasil, Sudáfrica, Australia, Nueva Zelanda, China y Japón.

 

pista-prueba-circularPista circular (LCPC Francia)

pista-prueba-lineal

Pista lineal (LINTRACK, Delft, Holanda)

El Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas – CEDEX

El Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas, mejor conocido como CEDEX por su abreviación en español; este organismo autónomo proporciona apoyo multidisciplinario en las tecnologías de ingeniería civil, la edificación y el medio ambiente y presta sus servicios a diversas administraciones, instituciones públicas y empresas privadas.

La pista de pruebas del CEDEX

La pista de ensayo acelerado del CEDEX consiste en dos tramos rectos con una longitud de 75 m en cada uno de ellos, unidos por dos tramos curvos, cada uno con un radio de curvatura de 25 m, formando un rectángulo redondeado. Una viga de acero ubicada en el perímetro interior funciona como un riel para los vehículos automáticos.

Los segmentos rectos, están situados dentro de dos fosos de pruebas en forma de U. Un cajón de hormigón de 2.6 m de profundidad y 8 m de ancho permite la construcción del terraplén con al menos un espesor de 1.25 m; estas dimensiones facilitan las operaciones de la maquinaria convencional para la construcción de obras y carreteras. El propósito del cajón de hormigón es aislar el comportamiento del pavimento, del que correspondiente al terreno circundante, mediante un sustrato homogéneo en cada prueba y entre distintas pruebas, facilitando la comparación de resultados. Además, el cajón puede ser inundado, de forma que, las condiciones de humedad de los terraplenes y explanadas pueden ser controladas para simular condiciones reales.

La carga es aplicada por medio de dos vehículos automáticos que circulan a una velocidad máxima de 60 km/h y puede ser configurada entre 5.5 y 7.5 toneladas (normalmente se fija a 6.5 toneladas).

    vehiculo-simulacion-trafico

 

Vehículo para simulación de tráfico

¿Qué se mide durante la prueba acelerada de pavimento?

Cuando una rueda se desplaza sobre una carretera, puede producir tensiones y deformaciones en cualquier punto de la estructura del pavimento, las cuales dependen de diversos factores. El pavimento puede instrumentarse para medir las tensiones y deformaciones que aparecen en distintas partes del mismo cuando pasa una carga, en especial, las cargas que se consideran críticas.

Para cada capa, los puntos críticos y las variables de tensión y deformación son distintas, cosa que debe tenerse en cuenta a la hora de elegir el tipo de sensor y su ubicación. La deformación por tracción horizontal en el fondo de la capa bituminosa se considera la variable de respuesta más importante en los pavimentos flexibles. Por lo tanto, la instrumentación de las capas asfálticas se destina sobre todo a medir la tracción horizontal en el fondo de la capa bituminosa.

Las capas granulares y el terreno ceden principalmente por la acumulación de deformaciones verticales. De modo que, el objetivo primordial de la prueba es medir estas variables. También se instalan sensores de deflexión para medir la respuesta transitoria al paso de la rueda. Estos tensores se colocan en la parte superior de la capa de asfalto y se anclan al fondo del pozo de pruebas. Además, se instalan sensores para recopilar datos de variables medioambientales relacionadas con la carga como; temperatura, humedad, nivel freático, velocidad, posición transversal, entre otras.

instrumentacion
Ejemplo de la instrumentación

 

El sistema de medición

Una de las características principales que se consideró durante la fase de diseño fue la automatización, el objetivo principal era poder realizar ciclos de pruebas de forma continua con interrupciones mínimas.

 

El sistema de control de la pista de pruebas del CEDEX se basa en un sistema PLC y un sistema de adquisición de datos. 

Ambos, están relacionados entre sí y son controlados desde una PC mediante una red Ethernet. El sistema PLC controla los parámetros de velocidad, posición transversal, presión neumática y todas las variables necesarias para el mantenimiento del vehículo y la seguridad de la instalación. Por otro lado, el sistema de adquisición de datos se encarga del proceso de medición de los instrumentos integrados en el pavimento.

La instalación, los vehículos y el sistema de control son prototipos diseñados, construidos y puestos en funcionamiento específicamente para esta pista y completamente desarrollados con tecnología europea.

El sistema PLC está compuesto por un PLC maestro ubicado en el centro de control y dos PLC esclavos situados a bordo de cada vehículo que se comunican vía Ethernet con el PLC maestro.

El sistema de adquisición de datos MGCplus de HBM, se encarga de acondicionar, monitorear y medir los datos de más de 240 canales, entre galgas extensiométricassensores de desplazamiento (LVDT´s) y sondas Pt100, estratégicamente distribuidas por la pista. Este sistema de adquisición de datos, que actualmente se emplea en numerosos programas de pruebas estructurales de todo el mundo, así como en el monitoreo de ingeniería civil, está diseñado para proporcionar datos de medición de alta calidad, reduciendo de forma significativa el costo y las necesidades de cableado.

El sistema de adquisición de datos de los sensores, que está completamente automatizado, ha sido diseñado y desarrollado por el CEDEX y realiza mediciones en tiempo real, almacenándolas en una base de datos con capacidad para un máximo de 240 sensores en cada prueba de medición.

Las tareas de gestión se dividen en tres procesos:

  • Administración de sensores.
  • Medición.
  • Análisis y almacenamiento de datos.

Una vez que se ha diseñado el plan de instrumentación para cada prueba y todos los sensores disponen de alimentación, el siguiente paso es registrarlos en la base de datos del ordenador de control. A continuación, se incluyen todos los datos que definen al sensor, su ubicación, el sensor de inicio de la medición óptica, las fechas y horas relevantes y el estado de actividad.

Tan pronto como el sensor ha sido registrado en la base de datos, se configuran los módulos MGCplus para realizar la curva de calibración de cada sensor, incluyendo toda la cadena de medición (cableado y dispositivo). De este modo, se establece la correspondencia entre la medición física y la señal eléctrica. Posteriormente, se configuran los parámetros de grabación (frecuencias de muestreo, tiempos, sensores activados y disparos) con el gestor de tarjetas de PC del sistema MGCplus. Como resultado de esta operación se genera y almacena un archivo .MPR. Usualmente se programan dos frecuencias de muestreo diferenciadas. Una de ellas graba las variables estáticas y la otra las variables dinámicas.

El sistema realiza también tareas adicionales que simplifican el trabajo de mantenimiento y proporcionan un monitoreo gráfico y numérico de las lecturas en tiempo real.

monitore-sensor-grafica

Ejemplo de gráfica de monitoreo de un sensor 

La medición

El sistema de adquisición de datos distingue dos tipos de pruebas: pruebas dinámicas y pruebas especiales. Las pruebas dinámicas obtienen mediciones sistemáticas del vehículo en movimiento; para esto, se deben definir previamente los sensores que estarán involucrados en la medición (máximo 240 por prueba) y se genera un archivo ASCII de resultados, que incluye todas las variables necesarias para el análisis de las curvas como la temperatura del pavimento, la temperatura ambiente, el número de ciclos, la posición transversal, la velocidad del vehículo, la fecha y la hora.

Las pruebas dinámicas pueden configurarse para que se activen automáticamente cuando ocurra alguno de los siguientes eventos:

  • Cuando los vehículos cumplen un número de ciclos preestablecidos.
  • En base a una fecha y hora definida.
  • Cuando se alcanza un valor de temperatura en el pavimento previamente definido por el usuario.

Gracias a este tipo de configuración las pruebas se pueden llevar a cabo en cualquier momento, incluso sin la presencia de personal.

¿Cómo funciona la prueba automatizada?

Cuando se produce el evento que inicia una prueba, el ordenador de control indica al PLC maestro que posicione los vehículos en las condiciones especificadas para la prueba (velocidad y posición transversal). Una vez que los vehículos están situados en la posición correcta para la prueba programada, el ordenador envía una serie de comandos de bajo nivel a cada MGCplus conectado a la red Ethernet. Estos comandos transfieren a los módulos MGCplus los archivos .MRP con los parámetros de grabación y los activa para que se preparen para el proceso de adquisición de datos.

Para disparar la medición se emplea un sensor óptico conectado a cada MGCplus. Cuando el vehículo seleccionado pasa por el sensor óptico, se activa la adquisición de datos. Después de un periodo de tiempo definido en el archivo de la grabación, la grabación de datos se interrumpe.

 

registro-datos

Datos registrados en una prueba dinámica.

 

Cuando los vehículos completan un ciclo desde el comienzo de la adquisición de datos, el ordenador de control se conecta a los módulos MGCplus. El archivo de datos recopilados que ha generado el sistema de adquisición se transfiere al ordenador de control y se convierte a formato ASCII mediante el control ActiveX del software Catman. Estas operaciones están programadas en un script de Visual Basic que también realiza un primer procesamiento de las señales, en el cual los tiempos se transforman en distancias, se recortan y se vuelven a muestrear con el fin de almacenar el número de muestras que son necesarias para el análisis.

Después de esto, el ordenador de control combina todos los datos en el archivo ASCII de resultados, incorporando los datos del sistema PLC relativos a los vehículos (velocidad y posición transversal) y los datos del sistema de adquisición de datos relativos al proceso de medición del sensor. Una vez que se almacenan todos los datos, la prueba finaliza y el sistema PLC encargado de dirigir los vehículos retoma el control.

Las pruebas especiales

Algunas de las pruebas especiales son:

  • Monitoreo de la temperatura: En estas pruebas se utilizan dos módulos Siemens ET 200, que forman parte del sistema PLC y a los que se conectan las salidas analógicas del MGCplus. El objetivo consiste en obtener un registro continuo de la temperatura del pavimento y la temperatura ambiente, lo que permite analizar los instrumentos y el deterioro del pavimento.
  • Arranque manual: Estas pruebas pueden realizarse con los vehículos en movimiento o con los vehículos detenidos. La prueba comienza cuando se envía una señal de disparo. Este tipo de prueba se utiliza para estudiar en detalle algunas variables específicas durante el paso del vehículo, que no pueden evaluarse en las pruebas dinámicas. Se realizan con una frecuencia de muestreo de hasta 3000 muestras por segundo. Esta prueba también se utiliza para medir la respuesta de uno o varios sensores a equipos distintos a los vehículos de prueba; por ejemplo, dispositivos con tracción delantera.
  • Inicio por sensor óptico: Tiene las mismas características que la prueba de arranque manual, pero en este caso, uno de los sensores ópticos situados en la pista de pruebas activa la medición.

¿Por qué el sistema de adquisición de datos MGCplus es una opción ideal?

En la actualidad, MGCplus es el sistema de adquisición de datos (DAQ) más usado en toda clase de aplicaciones de medición industriales, de laboratorio, de I+D, en bancos de ensayos, calibración, producción, pesaje, análisis experimental de tensiones y pruebas de durabilidad. Sus más de 100 000 canales puede usarse en distintas aplicaciones alrededor del mundo. Además, este sistema de adquisición de datos es compatible con una gran variedad de transductores e interfaces de PC.

Adicionalmente, te permite medir una gran cantidad de magnitudes como: fuerza, desplazamiento, presión, temperatura, par, aceleración, deformación, tensión, corriente, frecuencia o resistencia a baja o alta velocidad. Lo que te ayuda a reducir costos, ya que con un solo sistema puedes medir prácticamente cualquier magnitud. Sus módulos de frecuencia de 225 Hz o 600 Hz con una exactitud de hasta 0.0025 garantiza llevar a cabo tareas de medición con una exactitud inigualable. Especificaciones del MGCplus→

MGC-PLUS-HBM

Referencia: HBM. Applications “The CEDEX Test Track – Accelerated pavement testing” [documento en línea https://www.hbm.com/en/5949/cedex-test-track/ acceso: junio de 2016]

Leave a reply

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

6 − 6 =