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La ingeniería mexicana de pavimentos se integra al grupo de países que pueden realizar pruebas aceleradas en pavimentos a escala real gracias a que la Secretaría de Comunicaciones y Transportes acaba de adquirir el Simulador de Vehículos Pesados, HVS, ‘Heavy Vehicle Simulator’ por sus siglas en inglés, modelo Mark VI, el más reciente y moderno, el cual ya se encuentra en la División de Laboratorios de la Coordinación de Infraestructura del Instituto Mexicano del Transporte. Este equipo de tecnología Sudafricana y de patente Danesa de la marca Dynatest permite realizar aplicaciones continuas de carga controlada sobre un pavimento, simulando aquellas aplicadas por el autotransporte o por una aeronave, a escala real. El alcance de investigación con este nuevo equipo es enorme, y coloca a México a la vanguardia.
Definición:
Se define como ensayo acelerado de pavimentos aquel estudio donde se aplica una carga controlada en una rueda tipo - sobre un sistema de pavimento multicapas - con el objetivo de determinar la respuesta y su comportamiento bajo una acumulación de daño acelerado y controlado en un periodo corto de tiempo.
Los ensayes acelerados en pavimentos a escala real, han demostrado ser una herramienta valiosa que llena el espacio que hay entre los modelos de comportamiento, pruebas de laboratorio y las pruebas de largo plazo en pavimentos en servicio (Fig. 1). Se utilizan para comprender mejor el comportamiento de los pavimentos, tratamiento de materiales alternativos, evaluación de nuevos materiales y aditivos, nuevas técnicas de construcción y nuevos tipos de estructuras. Además, permite una rápida comparación entre las actuales y nuevas prácticas y la capacidad de validar y calibrar modelos con datos de calidad, con mínimo riesgo y relativamente a bajo costo. El Heavy Vehicle Simulator o HVS, es un equipo para realizar ensayes acelerados de pavimentos y México cuenta con uno de ellos, el modelo Mark VI.
Fig. 1 Relación Tiempo + costo vs. Confiabilidad en ensayos en pavimentos.
¿Por qué hacer ensayes acelerados en pavimentos con el HVS?
El alcance en el área de investigación y desarrollo que puede realizarse con el equipo HVS es muy amplio, los estudios se rigen con el enfoque de entender el comportamiento de los pavimentos de cualquier tipo y para diferentes modos de transporte, bajo diferentes condiciones de carga y ambientales, en periodos de tiempo relativamente cortos con un alto grado de confiabilidad.
Desde la perfectiva de la estructura del pavimento, estos estudios pueden clasificarse en: · Determinación de capas débiles en una sección de pavimento y su modo de falla. · Evaluación de la influencia ambiental en el desempeño, (temperatura o humedad). · Pruebas comparativas modificando una sola variable en dos secciones de pruebas idénticas. · Identificar y resaltar las deficiencias en prácticas constructivas actuales. · Evaluar nuevos materiales de construcción, aditivos y mejoradores de desempeño en materiales de pavimentación. · Revisar especificaciones y normas de construcción antes de una implementación a gran escala. · Calibrar y validar modelos de deterioro para el diseño estructural. · Comparar procedimientos constructivos · Vincular pruebas de laboratorio con los resultados observados en campo · Evaluar el impacto de nuevas ruedas, límites de carga, presiones de inflado, etc. · Evaluación de vida remanente en pavimentos en operación.
Desde el punto de vista económico se pueden realizar estudios como:
· Optimización de diseño de pavimentos, con el fin de prevenir sobre dimensionamiento o sub-diseños que resultarían en fallas prematuras costosas. · Reducción de costos de operación (interacción neumático-pavimento) · Optimización y eficacia de acciones de conservación.
También se pueden hacer otros estudios, que dependerán de la preparación adecuada in situ, en aquellas condiciones donde se involucren la aplicación acelerada de cargas, como pueden ser: · Pavimentos aeroportuarios · Losas y trabes de puentes · Dispositivos adheridos a la superficie de un pavimento susceptibles al número de pasadas de ejes · Pavimentos en instalaciones portuarias.
En resumen, la gran ventaja que ofrece este equipo, es que pueden acortarse los ensayos de alguna idea innovadora implementándolo a escala real, reduciéndose los costos comparados con tramos sometidos al tránsito real. Así mismo, el riesgo se reduce ya que también se controlan y reducen los factores de improvisación.
Características operativas:
El HVS puede operarse en una pista de ensayos construida exprofeso bajo un diseño experimental apropiado, donde se controlen las características constructivas del pavimento, aplicando cierto número de ciclos bajo una carga determinada y registrando el comportamiento del pavimento mediante un adecuado sistema de instrumentación.
El modelo Mark VI - con una longitud total de 32 m y un peso de 48 ton - permite aplicar un rango de cargas que van desde media tonelada hasta 11 toneladas, en dos ruedas (medio eje dual) para camiones pesados y hasta 20 toneladas en una rueda de aeronave. Así mismo el equipo Mark VI puede ser operado en dos versiones, una corta con una viga central de 12 metros y una larga con una extensión hasta de 18 metros; esto permitirá aumentar la sección de prueba de 9 a 15 metros y también la velocidad, de una máxima de 12 km/h en la versión corta hasta 20 km/h en la versión larga. La viga de extensión también permitirá evaluar más de una sección al mismo tiempo, dada su longitud. La aplicación de cargas puede ser unidireccional (ida o vuelta) o bidireccional (ida y vuelta), dependiendo del experimento y la velocidad de deterioro deseada. Por otro lado, para simular el “wandering” o vagueo del tránsito pesado en una carretera, también permite realizar un movimiento lateral de la aplicación de carga en una franja de 80 cm.
La versatilidad del equipo hace posible llevarlo ya sea a un tramo en construcción o incluso a un tramo que ya se encuentre operando ya que cuenta con un sistema de generación de energía autónomo, mediante un motor diésel-eléctrico, teniendo el mismo rendimiento que en condiciones controladas, operándolo con corriente de 440 voltios.
Para realizar un ensayo acelerado de pavimento, por un lado tenemos el dispositivo principal que es el HVS para la aplicación de cargas y, por otro, la pista de ensayos la cual puede ser acondicionada con cámaras de temperatura controlada, usadas para evaluar mezclas asfálticas o concreto hidráulico o con sistemas de control de humedad, principalmente para susceptibilidad a la humedad en suelos. Todo dependerá del tipo de experimento a realizar, nivel de detalle y duración de la prueba.
El HVS además viene equipado con dos perfilómetros laser para conocer la evolución de la deformación de la superficie cada determinado número de ciclos (Fig. 2)
Fig. 2 Gráfico en 3D de una sección de prueba con el perfilómetro laser.
Instrumentación
El monitoreo del deterioro de los pavimentos juega un rol muy importante en el entendimiento del comportamiento del mismo. La calibración del diseño de modelos de comportamiento dependerá sustancialmente de datos válidos de pruebas de campo recolectados mediante la instrumentación. El equipo también cuenta con un vasto sistema de instrumentación que incluye galgas extensométricas, celdas de presión, medidores de deflexión en juntas, termopares, y una tecnología desarrollada también por la CSIR (Council of Scientific and Industrial Research), llamados MDD (Multi-depth deflectometer) o deflectómetros multiprofundidad.
Estos MDD se usan para medir las deformaciones elásticas o permanentes en las diferentes capas de las secciones de ensaye. El sistema de MDD, es una serie de transformadores diferenciales de variación lineal, mejor conocidos como LVDT, que se colocan dentro de una barra de 4 cm de diámetro en la sección de ensayo, pudiendo colocarse hasta seis módulos en cada perforación a cualquier profundidad, con la finalidad de conocer la deformación que sufre cada capa del pavimento con la acumulación de aplicaciones de carga.
Estos módulos se anclan al suelo presionando con fuerza unos pequeños balines de acero a las paredes de la perforación - la barra de referencia que indica la posición de cada LVDT - se ancla a la subrasante aproximadamente a tres metros debajo de la superficie del pavimento, donde la influencia de la deformación permanente de cada capa es prácticamente nula.
Fig. 3 Sección de ensaye con el HVS (a), Esquema de un MDD (b)
Red HVSIA (HVS International Alliance)
Con el fin de intercambiar experiencias y hacer más eficientes los estudios relacionados con el HVS, con esta adquisición el IMT representando a México, forma parte de la red de 18 usuarios a nivel mundial, llamada HVSIA (Alianza Internacional de usuarios de Simuladores de Vehículos Pesados). Entre los países miembros se encuentran: Estados Unidos de América (FAA, US Army Corp of Engineers, DOT Florida, DOT California, Universidades de Texas y West Virginia), Sudáfrica, Finlandia, Suecia, Arabia Saudita, Korea del Sur, India, China, Costa Rica y México (Fig.4).
Esta alianza se originó formalmente en 2003, y tienen reuniones periódicas con el fin de promover y compartir todo el conocimiento relacionado con la tecnología HVS, intercambiar experiencias, resultados y metodologías de análisis, colaborar en el desarrollo de software, optimizar el uso de recursos a través de la coordinación de investigaciones paralelas, discutir y documentar prácticas relacionadas a la investigación y la implementación de resultados, identificar nuevas tecnologías y mejoras deseadas por el grupo, entre otros factores.
Fig. 4 Red HVSIA
Conclusiones:
El HVS es la herramienta ideal para entender mejor el comportamiento del pavimento dentro de un periodo corto de tiempo, además es un equipo muy efectivo en predecir el desempeño de cualquier combinación de capas de un pavimento, bajo las condiciones de tránsito que recibiría en su vida de diseño, con un alto grado de confiabilidad.
Con la utilización del HVS, se acorta sustancialmente el tiempo para implementar cualquier idea relacionada con nuevas tecnologías, materiales, especificaciones, diseño, calibración de modelos, o cualquier idea innovadora en tecnología de pavimentos, tanto para las infraestructuras carreteras como aeroportuarias y marítimas.
Si bien los costos de operación de este equipo no son baratos, el impacto que puede aportar al mejoramiento de la infraestructura vial del país es enorme. Se deberá sensibilizar en la relación beneficio – costo para sacar el mayor provecho de esta tecnología en México.
GARNICA Paul HERNÁNDEZ Roberto TELLÉZ Rodolfo |
