deflectómetro de caída de peso

Un deflectómetro de impacto (FWD, por sus siglas en inglés) es un dispositivo de prueba utilizado por ingenieros civiles para evaluar las propiedades físicas del pavimento en autopistas, carreteras locales, pavimentos de aeropuertos, áreas portuarias, vías férreas y otros lugares. Los datos adquiridos por los FWD se utilizan principalmente para estimar la capacidad estructural del pavimento, facilitar el diseño de recubrimientos o determinar si un pavimento está siendo sobrecargado. Según su diseño, un FWD puede estar contenido dentro de un remolque o puede estar integrado en un vehículo autopropulsado como un camión o una furgoneta. Los vehículos de inspección vial integral generalmente constan de un FWD montado en un camión pesado junto con un radar de penetración terrestre y un atenuador de impacto .

Durante las pruebas, un FWD somete la superficie del pavimento a un pulso de carga que simula la carga producida por la rueda de un vehículo en movimiento. El pulso de carga se genera al dejar caer un peso considerable sobre un amortiguador que lo modula, y luego se transmite al pavimento a través de una placa de carga circular. Se obtienen datos de diversos sensores para su uso en el análisis posterior a la prueba de las propiedades del pavimento. Se utilizan sensores de deflexión para medir la deformación del pavimento en respuesta al pulso de carga. En algunos FWD, la magnitud del pulso de carga aplicado es un valor constante determinado por el diseño del sistema; en otros, la fuerza se mide mediante celdas de carga.

La placa de carga puede ser sólida o segmentada. Las placas segmentadas se adaptan a la forma del pavimento para distribuir la carga de manera más uniforme en superficies irregulares. El diámetro típico de la placa de carga es de 300 mm en carreteras y de 450 mm en aeropuertos, y la carga para las pruebas en carretera es de aproximadamente 40  kN, lo que produce  una presión de aproximadamente 567 kPa bajo la placa de carga (50  kN  /  707  kPa según la norma europea).

Existen dos tipos diferentes de sistemas de impacto de carga: de masa simple y de masa doble. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

En un sistema de masa única, se deja caer un peso sobre un amortiguador conectado a una placa de carga, que a su vez descansa sobre la superficie que se está probando. Los dispositivos de medición de peso de masa única suelen ser más pequeños, rápidos y económicos, pero, cuando se utilizan en suelos blandos, pueden sobreestimar la capacidad de los pavimentos debido a la inercia de la masa del material del pavimento. ^{[ 3 ]}

En un sistema de doble masa, el peso cae sobre un conjunto compuesto por un primer amortiguador, un segundo peso y un segundo amortiguador. ^{[ nota 1 ]} Esto produce una duración de carga más prolongada que simula con mayor precisión la carga de una rueda, lo que resulta en una mayor reproducibilidad y un resultado más exacto en pavimentos construidos sobre suelos blandos. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

También existen sistemas combinados de masa simple/doble donde el peso descendente y el peso intermedio pueden bloquearse, generando un pulso corto de 150 kN. En modo desbloqueado, el FWD funciona como un sistema de doble masa, generando un pulso largo de 50 kN.

En todos los sistemas, la forma del pulso de carga y el tiempo de subida son importantes porque pueden afectar los valores máximos de la deflexión central hasta en un 10% a un 20%. ^{[ 6 ]}

Los sensores de deflexión se utilizan para medir la deformación del pavimento en respuesta al pulso de carga. Los sensores se montan radialmente desde el centro de la placa de carga a distancias típicas de 0, 200, 300, 450, 600, 900, 1200 y 1500 mm (las deflexiones medidas a estas distancias se denominan D0, D200, D300, etc.).

Se utilizan dos tipos de sensores de deflexión: geófonos y sismómetros de equilibrio de fuerzas . Los sismómetros cuentan con dispositivos de calibración integrados y rangos de medición de deflexión mayores (5  mm frente a 2  mm). Los geófonos carecen de dispositivos de calibración integrados y son más sensibles a las perturbaciones inmediatamente anteriores al impacto, ya que el error inicial se integra , pero son mucho menos costosos que los sismómetros.

Los datos FWD se utilizan con mayor frecuencia para calcular parámetros relacionados con la rigidez de una estructura de pavimento. El proceso de cálculo de los módulos elásticos de las capas individuales en un sistema multicapa (por ejemplo, hormigón asfáltico sobre una capa base sobre la subrasante ) a partir de las deflexiones superficiales se conoce como "retrocálculo", ya que no existe una solución analítica. En cambio, se asumen módulos iniciales, se calculan las deflexiones superficiales y luego se ajustan los módulos de forma iterativa hasta converger con las deflexiones medidas. Este proceso requiere mucha capacidad de cálculo, aunque es rápido en ordenadores modernos. Puede dar resultados bastante engañosos y requiere un analista experimentado. El software de retrocálculo más utilizado es:

• BAKFAA ( Administración Federal de Aviación )
• Clevercalc ( Universidad de Washington )
• ELMOD (Dynatest)
• Evercalc (WSDOT)
• KGPBACK (Geotran)
• MichBack (Departamento de Transporte de Michigan)
• Módulo (TxDOT)
• PVD (KUAB)
• PRIMAX DESIGN / RoSy Design (Sweco, anteriormente Carl Bro)

Muchos analistas utilizan métodos simplificados para calcular parámetros relacionados que son de naturaleza empírica. El más común es la deflexión máxima bajo el centro de la placa de carga (D0), que está relacionada con medidas empíricas como la deflexión de la viga Benkelman (después de un pequeño ajuste por las diferencias entre los dos dispositivos). Históricamente, algunos usaban el radio de curvatura (D0-D200), pero este método está en desuso ahora porque es evidente que la placa de carga de acero de 300 mm de diámetro afecta la forma de la curva de deflexión entre el centro (D0) y el sensor D200 a 200 mm. Sin embargo, esto significa que se pierde mucha información útil sobre la forma de la curva de deflexión. Horak y Emery han publicado índices que utilizan esta información: BLI = D0-D300, que indica el rendimiento de la capa base; MLI = D300-D600, que indica el rendimiento de la subbase; y LLI = D600-D900, que indica el rendimiento del subsuelo. Estos y otros índices similares se conocen como factores de forma. Los datos FWD también pueden ser muy útiles para ayudar al ingeniero a dividir la longitud del pavimento en secciones homogéneas.

Los datos FWD también pueden utilizarse para calcular el grado de transferencia de carga entre losas de hormigón adyacentes y para detectar huecos debajo de las losas.

Los datos FWD generados en contextos no estocásticos dan como resultado residuos interpolados que, si bien son matemáticamente coherentes, no tienen una interpretación geotécnica práctica. ^{[ 7 ]}

El deflectómetro ligero (LWD) es un deflectómetro de impacto portátil que se utiliza principalmente para probar los módulos de base y subrasante in situ durante la construcción. La medición con LWD es más rápida que el método de medición isotópica y no requiere mediciones de referencia. El equipo no tiene fuentes radiactivas y puede ser operado por una sola persona, lo que permite el análisis de datos y la impresión de informes en el sitio. ^{[ 8 ]} Algunos LWD no tienen celda de carga y asumen un valor de carga nominal, mientras que otros emplean una celda de carga para medir la carga real. Dependiendo del sistema, un LWD puede tener un solo geófono ubicado en el centro o puede tener dos geófonos, generalmente ubicados en posiciones de 300 y 600 mm.

Investigaciones recientes han ampliado la aplicación de las pruebas con deflectómetros ligeros avanzados (LWD, por sus siglas en inglés) más allá del control de calidad básico, hacia la evaluación avanzada del comportamiento del suelo y los materiales de base, así como la predicción del rendimiento en la ingeniería de pavimentos.

Un avance clave es el uso de mediciones repetidas de LWD para modelar el comportamiento de la deformación permanente en suelos de subrasante bajo diversos niveles de tensión y contenido de humedad. Se ha demostrado que los modelos de deformación permanente derivados de mediciones multifuncionales de LWD se correlacionan fuertemente con los datos tradicionales de ensayos triaxiales de carga repetida, lo que respalda el uso de datos de LWD para enfoques de diseño mecanicista-empíricos en pavimentos flexibles. ^{[ 9 ]}

Trabajos posteriores han evaluado la distribución de tensiones en el suelo durante las pruebas LWD y han perfeccionado las teorías clásicas de distribución de tensiones, como la ecuación de Boussinesq, para reflejar mejor los cambios reales de tensión vertical dentro de los geomateriales bajo carga LWD. Estos perfeccionamientos mejoran la interpretación de las respuestas de tensión y deflexión medidas, optimizando el uso de los datos LWD en el análisis de desempeño y las prácticas de diseño de pavimentos. ^{[ 10 ]}

Investigaciones adicionales han explorado las interacciones entre múltiples factores que afectan las mediciones de LWD, incluyendo el contenido de agua, la tensión aplicada y las propiedades del material, destacando cómo estos influyen en las respuestas medidas y su interpretación dentro de los modelos predictivos. ^{[ 11 ]}

Un deflectómetro de peso de caída rápida (FFWD, por sus siglas en inglés) es un FWD que utiliza actuadores neumáticos o eléctricos en lugar de hidráulicos, lo que hace que el mecanismo sea varias veces más rápido.

Un deflectómetro de peso pesado (HWD, por sus siglas en inglés) es un deflectómetro de impacto que soporta cargas elevadas (normalmente de 300  kN a 600  kN) y se utiliza principalmente para ensayar pavimentos de aeropuertos. Existe la creencia errónea de que se necesitan cargas elevadas para evaluar la capacidad de un aeropuerto para soportar aeronaves pesadas; sin embargo, los métodos de ensayo no están diseñados para comprobar la resistencia de la estructura, sino para determinar las propiedades de sus materiales.

Un deflectómetro de peso rodante (RWD) es un deflectómetro que puede recopilar datos a una velocidad mucho mayor (hasta 88  km/h) que el FWD, lo que permite obtener los datos sin control de tráfico ni cierre de carriles. ^{[ 12 ]} Se implementa como un camión con remolque con dispositivos de medición láser montados en una viga debajo del remolque. A diferencia del FWD, que se detiene para realizar mediciones, un RWD recopila datos de deflexión mientras se desplaza. ^{[ 13 ]}

Los materiales de ensayo se describen en la norma ASTM D 4694, y el método de ensayo se define en la norma ASTM D 4695.140.