MOP - Dirección de Vialidad - Laboratorio Nacional DEFLECTOMETRÍA. Subdepartamento de Auscultaciones y Prospecciones

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1 MOP - Dirección de Vialidad - Laboratorio Nacional 10/06/2015 DEFLECTOMETRÍA RENÉ ARTIGAS CONTRERAS Subdepartamento de Auscultaciones y Prospecciones 1 CONTENIDOS - Marco conceptual - Equipos para medir Deflexiones - Deflectómetro de Impacto - Tipos de Ensayos - Retroanálisis - Ejemplos 1

2 DESCRIPCIÓN DEL DEFLECTÓMETRO El Deflectómetro de Impacto (FWD) es un equipo que aplica una carga de impacto a la superficie del pavimento, determinando los desplazamientos verticales (cuenco de deflexiones) producidas en él. Se trata de un ensayo no destructivo, que simula el comportamiento del pavimento ante el paso de los vehículos pesados. Puede ser utilizado en pavimentos de asfalto, hormigón o una composición de ambos, o bien, sobre cualquier capa de un pavimento en construcción. DESCRIPCIÓN DEL DEFLECTÓMETRO A través del análisis de este cuenco se obtiene información de la rigidez de la estructura de pavimentos y su suelo de fundación, siendo ella muy importante para definir la condición de la estructura a lo largo de un proyecto. Lo anterior es fundamental para evaluar actividades relacionadas con la rehabilitación, mantención o control de Calidad. 2

3 D 0 LA DEFLEXIÓN MAXIMA D 50 kn (20ºC) : Deflexión máxima normalizada a una carga de 50 kn (a una temperatura de 20ºC en el caso de los pavimentos asfálticos) representa la deflexión vertical de la superficie del pavimento, bajo el punto donde se aplica la carga. Este parámetro es un indicador general de la condición estructural de los pavimentos, cuyo principal uso es definir tramos que presenten diferentes características estructurales. K CONSTANTE DE BALASTO k : módulo de reacción de la subrasante. Representa la razón entre la carga aplicada y la deflexión debido a ella. Este parámetro se emplea para caracterizar el suelo de la subrasante en un pavimento de hormigón. 3

4 MR MÓDULO RESILIENTE MR : Módulo resiliente de la subrasante. Representa el módulo elástico del suelo luego de aplicar cargas cíclicas sobre él. Este parámetro se emplea para caracterizar el suelo de la sobrasarte en un pavimento asfáltico y se utiliza en los diseños de pavimentos asfálticos y de recapado asfáltico sobre hormigón. NE EF NUMERO ESTRUCTURAL NE ef : Número estructural efectivo, se obtiene del retroanálisis de los pavimentos asfálticos y considera tanto las capas asfálticas como las granulares. El número estructural es un concepto introducido en la prueba AASHTO para caracterizar la capacidad estructural de los pavimentos asfálticos y utilizado por el método AASHTO para el diseño de pavimentos de asfalto. 4

5 EFECTOS DE LAS CARGAS DINÁMICAS EN LOS PAVIMENTOS P Capas Asfálticas Capas Granulares Suelo de Fundación QUÉ ES LA DEFLEXIÓN? La deflexión es el valor del desplazamiento en la superficie del pavimento al aplicarle una carga. El valor de la deflexión depende de una serie de factores, entre los que se destacan: la rigidez y espesor del pavimento,su temperatura, además del soporte del suelo de fundación. P P V 5

6 PARA QUÉ SIRVE CONOCER LA DEFLEXIÓN? PAVIMENTOS FLEXIBLES. PERMITE UTILIZAR LOS RESULTADOS EN EL MÉTODO DE DISEÑO DE PAVIMENTOS AASHTO PAVIMENTOS RÍGIDOS. LAS DEFLEXIONES MEDIDAS EN EL CENTRO DE LA LOSA PERMITEN, MEDIANTE MÉTODOS ELÁSTICOS DE RETROANÁLISIS, EVALUAR LAS CARACTERÍSTICAS ELÁSTICAS DEL PAVIMENTO Y DEL SUELO DE FUNDACIÓN. PARA QUÉ SIRVE CONOCER LA DEFLEXIÓN? Pavimentos Flexibles Pavimentos Rígidos Número Estructural Módulo Resiliente Módulo del Pavimento Deflexiones Máximas Traspaso de carga Existencia de vacíos K reacción 6

7 Para qué sirve conocer la Deflexión? Esto nos permite variadas aplicaciones: Evaluar la capacidad de soporte de calles, carreteras, aeropuertos y otras superficies, sean flexibles, rígidas o semirígidas. Evaluación de la transferencia de carga en pavimentos de hormigón. Detección de vacíos en pavimentos de hormigón (estabilidad de losas). Control de calidad. Análisis de tramos de prueba. Sectorización de zonas dañadas. Dimensionamiento de refuerzos. Incorporación a Sistemas de Gestión de Pavimentos. Técnicas de análisis de Deflexiones 7

8 El pulso de carga generado permite simular, con buena aproximación, el efecto del paso de una carga vial dinámica. La interpretación de las deformaciones es realizada en oficinas o estudios especializados, con el uso de software específico, permitiendo la evaluación de los módulos resilientes para las condiciones reales de campo, subsidiando la división en segmentos de comportamiento homogéneo, el dimensionamiento de refuerzos y la evaluación de las condiciones estructurales 8

9 CUENCO DE DFLECCION 9

10 Tipos de Estructuras Pavimento Fuerte Subrasante Fuerte Pavimento Fuerte Subrasante Débil Pavimento Débil Subrasante Fuerte Pavimento Débil Subrasante Débil RETROANÁLISIS Mediante la técnica del retroanálisis, es posible determinar los módulos de cada una de las capas que conforman la estructura. Aplicando el modelo AASHTO, para estructuras flexibles, entrega también el número estructural efectivo del pavimento existente y el Módulo Resiliente del suelo de fundación. Para el retroanálisis de las deflexiones se utiliza un modelo simplificado de dos capas ; una superior (capas aglomeradas y granulares) y una inferior (suelo de fundación). 10

11 11 ANÁLISIS EN PAVIMENTOS FLEXIBLES. RETROANÁLISIS M P d r RR r = 2 4, a a D E M e p RR = r>=o.7 ae d pa M D a E M D a E R p RR p = + + +, NE D E e p = , Medición de deflexión con carga Móvil Viga Benkelman Deflectómetro Transitivo Medición de deflexión con carga Fija Deflectómetro de Impacto EQUIPOS PARA MEDIR DEFLEXIONES

12 Viga Benkelman Equipo de ensaye no destructivo que se posiciona sobre la superficie del pavimento y que cuenta con un brazo articulado cuyo punto de contacto con el pavimento (palpador) detecta la deformación elástica vertical ante la aproximación de una rueda doble cargada con 40 KN. Deflectómetro Transitivo (Lacroix) Equipo autopropulsado no destructivo que utiliza una Viga Benkelman automatizada para medir la deflexión del pavimento ante la presencia de una carga móvil proporcionada por el mismo vehículo. 12

13 DEFLECTÓMETRO TRANSITIVO (LACROIX) Fabricantes WDM Inglaterra Velocidad de operación 2.5 Km/h Llegó a Chile en 1985 Dispone de un mecanismo computacional que registra las deflexiones y mueve automáticamente la viga a su siguiente posición de lectura sin detenerse. Deflectómetro de Impacto F.W.D. Peso total: 1300 kg. Largo 4.5 m, ancho 1.9 m, alto 2.4 m 13

14 DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO La característica principal de la Deflectometría de Impacto es realizar un ensaye, no destructivo, rápido y económico que permite evaluar objetivamente, in situ, tanto el valor de soporte de la subrasante, como la capacidad estructural del pavimento existente. Se aplica para medir deflexiones en superficies con pavimentos flexibles, pavimentos de hormigón, pavimentos compuestos (recapados), capas granulares y suelos de fundación. Para diferentes niveles de evaluación : reconocimiento general de la estructura de un pavimento, reconocimiento rutinario utilizado para los diseños de proyectos de construcción, refuerzo o rehabilitación, análisis específicos de la estructura de un pavimento y controles de tipo receptivo. DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO - Simula mediante un impacto vertical la carga de un vehículo pesado sobre un pavimento -Mide la deflexión elástica dinámica (deflexión de una masa en movimiento). -La fuerza del impulso dos masas desde diferentes alturas sobre una placa de carga de diámetro dado -Variando la altura de caída y las masas, se puede crear una fuerza de impulso en el rango de 20 a 70 kn. -Se simulan cargas de tránsito reales hasta 50 kn, lo que corresponde a un eje de 10 Ton. -El resultado de la deflexión sensores cuenco de deflexiones 14

15 Deflectómetro de Impacto CONJUNTO DE DEFLEXIONES ES REGISTRADA POR TODOS LOS SENSORES DEL FWD EN EL MOMENTO DEL ENSAYO. LAS DEFLEXIONES MÁXIMAS EN CADA LUGAR DE MEDICIÓN, RESULTANTES DE LA APLICACIÓN DE LA CARGA DE IMPACTO, SE DEBERÁN REGISTRAR EN MICRÓMETROS (UM). UN DISPOSITIVO MEDIDOR DE CARGA DETERMINA LA FUERZA MÁXIMA APLICADA POR LA MASA EN EL IMPACTO. EL VALOR LEÍDO ES EN KN. EN TODOS LOS CONTROLES SE DEBE REGISTRAR LA TEMPERATURA DEL PAVIMENTO Y AMBIENTAL. ESTA INFORMACIÓN ES INDISPENSABLE PARA LA POSTERIOR NORMALIZACIÓN DE LAS DEFLEXIONES A 20ºC Y 50 KN. DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO El equipo está montado en un remolque. El remolque es tirado por un vehículo. Inmediatamente después de un ensaye el equipo está listo para su transporte al próximo punto a la velocidad normal tránsito. Durante el transporte las masas son bloqueadas en una posición elevada mediante un sistema automático. Durante las mediciones el FWD se apoya sobre patas de soporte. El FWD está equipado con una bomba de acción manual para elevar el FWD en caso de una falla en el funcionamiento del motor u otro problema. 15

16 DEFLECTÓMETRO DE IMPACTO (FWD) Interior del vehículo computador, rack, monitor, panel del odómetro. Mediciones en detención SISMÓMETRO DEL DEFLECTOMETRO DE IMPACTO Las deflexiones son medidas por lectores de deflexión absoluta, denominados sismómetros. Su rango es de hasta 5 mm., con una resolución de un micrómetro. Cada sismómetro posee un tornillo micrométrico. Son 7 sensores de deflexión, los cuales pueden ser ubicados en las posiciones: cm. desde el centro de la carga. 16

17 POSICIÓN DE LOS SENSORES RESPECTO AL PLATO DE CARGA DESIGUALDAD PERMITIDA DE LA SUPERFICIE 17

18 NÚMERO DE SISMÓMETROS Sismómetro3 Sismómetro 4 Sismómetro 6 Sismómetro 5 Sismómetro 2 Sismómetro 1 Sismómetro 0 SISTEMA DE DOS MASAS Masa Intermedia Masa en caída Estructura de apoyo Goma de apoyo superior Goma de apoyo inferior Pie Pierna de soporte Plato de carga Plato de goma El pulso de carga es generado por una masa en caída libre, dispuesto en un sistema llamado de dos masas 18

19 SISTEMA DE DOS MASAS Sistema de dos Masas Con el sistema de dos masas el pulso de carga es siempre suave, y la carga máxima y tiempo de incremento en aplicación del pulso de carga son reproducibles. Carga Tiempo 19

20 RANGO DE CARGA V/S INCREMENTO DE TIEMPO TIPOS DE PLATO DE CARGA 20

21 PLATO DE CARGA SEGMENTADO PLATO DE CARGA Y SISMÓMETRO EN CONTACTO CON LA SUPERFICIE 21

22 FASE INTERCOMUNICADOR CÁMARA DE VIDEO Y MONITOR INCORPORADO 22

23 Motor a Explosión ( Suministro de Energía ) TERMÓMETRO DE AIRE Y SENSOR INFRARROJO 23

24 ODÓMETRO EL PLATO DE CALIBRACIÓN SE POSICIONA DEBAJO DEL PLATO DEL FWD Plato de la Carga Plato Calibrador 24

25 Rendimiento EN CONDICIONES NORMALES EL EQUIPO FWD PUEDE RECOGER APROXIMADAMENTE 150 PUNTOS DE ENSAYE POR DÍA, AÚN CUANDO ELLO DEPENDE DE LOS TRASLADOS QUE SE DEBAN REALIZAR Y DE LAS LIMITACIONES QUE PRESENTE EL TRÁNSITO Y SIN CONSIDERAR EVENTUALES FALLAS DEL EQUIPO. EL TIEMPO QUE TOMA EFECTUAR UN ENSAYO ESTÁNDAR CONSISTIENDO ÉSTE DE 2 IMPACTOS CON 50 KN ES ALREDEDOR DE 35 SEGUNDOS. ARCHIVO DE SALIDA FWD 25

26 Definición de Parámetros CARGA : EN KILONEWTON(KN) DMX : DEFLEXIÓN MÁXIMA SE MIDE EN MICRONES EP : MÓDULO ELÁSTICO DEL PAVIMENTO SE MIDE EN MEGAPASCAL (MPA)(CAPAS ASFÁLTICAS Y GRANULARES ) ES UN MÓDULO COMPUESTO. EPC : MÓDULO ELÁSTICO DEL PAVIMENTO DE HORMIGÓN SE MIDE EN MEGAPASCAL (MPA) ES : MÓDULO ELÁSTICO DEL SUELO DE FUNDACIÓN SE MIDE EN MEGAPASCAL (MPA) K : MÓDULO DE REACCIÓN DE LA SUBRASANTE (CONSTANTE DE BALASTO) SE MIDE EN MEGAPASCAL/METRO TC : TRANSFERENCIA DE CARGA MR : MÓDULO RESILIENTE DE LA SUBRASANTE ES UN MÓDULO ELÁSTICO DE UN SUELO SE MIDE MEGAPASCAL (MPA) NEEF : NÚMERO ESTRUCTURAL EFECTIVO SE MIDE EN CM. Tipos de Ensayos del FWD Los resultados de las auscultaciones con deflectómetro de impacto requieren dos tipos de análisis: en primer lugar un tratamiento estadístico, que permita identificar y agrupar tramos con igual comportamiento estructural, y un segundo tipo de análisis que se realiza para cada tramo homogéneo, y que tiene el objetivo de evaluar los módulos elásticos de las capas de pavimento y su fundación. El procedimiento de mayor difusión internacional para el análisis de las deflexiones se conoce con el nombre de Retroanálisis o Backcalculation que consiste en ajustar las deflexiones medidas a las deflexiones teóricas que se obtendrían con un modelo de estructura de pavimento (definido por espesores conocidos y módulos por determinar). 26

27 Tipos de Ensayos del FWD Existen tres tipos de ensayo FWD: - El ensayo base: Sirve para evaluar la capacidad estructural de un pavimento, siendo también utilizado en materiales de base y subrasante. - El ensayo de junta: Para evaluar la capacidad de transferencia de carga en juntas y grietas, como también evaluar la presencia de huecos bajo pavimentos de hormigón. - El ensayo de esquina: Tiene por objeto evaluar la condición de las esquinas de una losa, y la presencia de huecos bajo ésta, esta zona es la que está sometida a la mayor solicitación de tensiones. (los dos últimos sólo en pavimentos de hormigón ). TRANSFERENCIA DE CARGA D0 D2 27

28 Análisis de Transferencia de Carga. LA TRANSFERENCIA DE CARGA SE DETERMINA MEDIANTE LA SIGUIENTE FÓRMULA: %TC=100*DSC/ DC(*B) ; CON B=D0/D30 DONDE: %TC :% DE TRANSFERENCIA DE CARGA DSC :DEFLEXIÓN EN LADO NO CARGADO DC :DEFLEXIÓN EN LADO CARGADO B :FACTOR DE CORRECCIÓN D0; D3 :DEFLEXIONES A 0 Y 30 CM, MEDIDO EN EL CENTRO DE LA LOSA. CONSERVADORAMENTE, EL FACTOR DE CORRECCIÓN B SE CONSIDERA IGUAL A 1. Análisis de Transferencia de Carga. TRANSFERENCIA DE CARGA EN JUNTAS. KM PISTA D0 D30 TC T PAV. Nº UM UM % ºC % % 13.0 TRANSFERENCIA DE CARGA EN GRIETAS KM PISTA D0 D30 TC T PAV. Nº UM UM % ºC % %

29 TABLA DE CÁLCULO DE TC EXISTENCIA DE VACÍOS D0 3 niveles de caída 20, 30, 50 kn 30, 50, 70 kn 29

30 TABLA DE ESTIMACIÓN DE VACÍOS RETROANÁLISIS Macro de Microsoft Excel 30

31 DATOS RETROCALCULADOS Pavimento: Asfalto DATOS RETROCALCULADOS Pavimento: Hormigón 31

32 Ventajas de la Deflectometría de Impacto Ampliamente usado en el mundo Mejor simulación de carga real Puede medir el cuenco de deflexión Rápida adquisición de datos. Requiere poca preparación del pavimento. No requiere de puntos de referencia fijos Ventajas de la Deflectometría de Impacto Característica Metodología de calicatas Metodología Deflectometría Lugar de ensaye Muestras tomadas en los Los ensayes se hacen sobre la bordes del camino plataforma del camino Frecuencia Normalmente 4 calicatas /km (sin considerar que se pueden agrupar muestras Mínimo 8 deflexiones/ km para realizar menos ensayes de CBR) Normalmente en una calicata Caracteriza al suelo por su se utiliza la capa con el peor comportamiento en conjunto ante Representativida CBR una carga normal de tránsito. d Comportamiento de laboratorio. Comportamiento de terreno. Rendimiento (Proy. de 20km) Costo (Proy. de 20km) Reconocimiento Correlación con MR 45 a 60 días Directamente MR 7 días (Mayor frecuencia prácticamente no aumenta el plazo de desarrollo del estudio) ± 360 UF ± 130 UF Muy conocido y fácil ejecución Lo recomienda la misma Guía AASHTO, señalando la metodología para su uso 32

33 Ejemplos 1600 RANURADO Lo Orozco - Quilpué Deflexión Máxima P1 TEXTURADO Dmax kilometraje Ejemplos Lo Orozco - Quilpué Módulo Resiliente P1 400 RANURADO TEXTURADO Mr kilometraje

34 Ejemplos RANURADO Lo Orozco - Quilpué Número Estructural P1 TEXTURADO N E kilometraje Ejemplos Lo Orozco - Quilpué Deflexiones máximas P RANURADO TEXTURADO Dmax kilometraje

35 Ejemplos Mr RANURADO Lo Orozco - Quilpué Módulo Resiliente P2 TEXTURADO Kilometraje Ejemplos Lo Orozco - Quilpué Número Estructural P2 12 RANURADO TEXTURADO 10 8 N E Kilometraje

36 Ejemplos Temuco - Río Bueno Número Estructural NE Kilometraje 2002 Ejemplos Temuco - Río Bueno Deflexiones Máximas Dmax kilometraje

37 Ejemplos Temuco - Río Bueno Módulo Resiliente Mr kilometraje 2002 CONSULTAS 37

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