Uso y calibración de deflectometros de Impacto

7/31/2019 Uso y calibracin de deflectometros de Impacto

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ISSN 0188-729

Certificacin ISO 9001:2000 Laboratorios acreditados por EMA

USO Y CALIBRACIN DEDEFLECTMETROS DE IMPACTO ENLA EVALUACIN ESTRUCTURAL DE

PAVIMENTOS

Alfonso Prez SalazarPaul Garnica Anguas

Jos Antonio Gmez LpezGuadalupe Evangelina Itandehui Martnez Pea

Publicacin Tcnica No 252Sanfandila, Qro, 2004
http://www.imt.mx/http://www.imt.mx/Espa%E1%AF%AC/Publicaciones/http://www.imt.mx/Espa%E1%AF%AC/Publicaciones/http://www.imt.mx/http://www.sct.gob.mx/


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SECRETARA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES

INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE

Publicacin Tcnica No 252Sanfandila, Qro, 2004

Uso y calibracin de deflectmetros

de impacto en la evaluacin

estructural de pavimentos


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Esta investigacin fue realizada en los Laboratorios de Infraestructura, de laCoordinacin de Infraestructura del Instituto Mexicano del Transporte (IMT), porlos investigadores: Ing Alfonso Prez Salazar; Dr Paul Garnica Anguas; Ing Jos

Antonio Gmez Lpez, y la Ing Guadalupe Evangelina Itandehui Martnez Pea.Se agradecen los comentarios del M en C Rodolfo Tllez Gutirrez, as como lacolaboracin de los tcnicos Miguel ngel Cervantes Nieto; Mario Antonio PrezGonzlez, y Luis Alberto Prez Corts por el apoyo en el manejo del equipo.


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I

ndice

ndice I

Resumen III

Abstract V

Resumen ejecutivo VII

Introduccin 1

CAPTULO 1. Antecedentes 3

1.1 Caractersticas de los deflectmetros de impacto 8

1.1.1 Sistema de instrumentacin 8

1.1.2 Dispositivo generador de impacto 8

1.1.3 Placa de carga 8

1.1.4 Transductor de deflexin 8

1.1.5 Celda carga 9

CAPTULO 2. Uso de los deflectmetros de impacto 11

2.1 Especificaciones de la seal del sistema de registro 11

2.2 Procedimiento para la determinacin de deflexiones en sitio 11

2.3 Localizacin y nmero de ensayos para diferentes niveles deproyecto

12

2.3.1 Localizacin del ensayo 12

2.3.2 Nmero de ensayos de acuerdo con el nivel de proyecto 13

2.3.2.1 Ensayos a nivel de red de carreteras 132.3.2.2 Ensayos a nivel de proyecto general 13

2.3.2.3 Ensayos a nivel de proyecto detallado 13

2.4 Factores que influyen en la determinacin de las deflexiones 14


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Uso y calibracin de Deflectmetros de Impacto en la evaluacin de pavimentos

II

2.4.1 Carga 14

2.4.2 Temperatura 14

2.4.3 Condiciones del pavimento 15

CAPTULO 3. Calibracin de deflectmetros de impacto 17

3.1 Antecedentes 17

3.2 Calibracin 18

3.2.1 Dispositivo generador de fuerza 18

3.2.2 Calibracin relativa de los transductores de deflexion 18

3.2.3 Calibracin de los transductores por temperatura ambiente 22

3.2.4 Calibracin de los transductores por temperatura en elpavimento 23

3.2.5 Calibracin del indicador de distancia 23

CAPTULO 4. Mtodos para la estimacin del mdulo elsticoa partir de mediciones con deflectmetro deimpacto

25

4.1 Antecedentes 25

4.2 Aproximacin analtica 274.3 Estimacin del mdulo de capa para pavimentos existentes 29

4.3.1 Ensayo de deflexin 29

4.3.2 Definicin de las secciones de pavimento 29

4.3.3 Capas delgadas de pavimento 33

4.3.4 Nmero de capas 34

4.3.5 Estimacin de una capa aparente rgida 35

4.3.6 Tolerancias en el ajuste de deflexiones 35

Conclusiones 39

Bibliografa 41


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III

Resumen

Se presentan y discuten los principales aspectos de la evaluacin estructural delos pavimentos de concreto asfltico con ensayes no destructivos; particularmente,el mtodo desarrollado a partir de los deflectmetros de impacto, FWD por sussiglas en ingls. As mismo, se describen metodologas para estimar los mduloselsticos de las capas de pavimento evaluadas con esta tcnica, y las ventajas ylimitaciones de tales herramientas; adems de los cuidados que se deben tener alutilizar los resultados de la evaluacin en el diseo de refuerzo de los pavimentos.Finalmente, se hacen recomendaciones para estudios futuros.


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Abstract

This work presents and discusses the main characteristics of the pavementstructural evaluation, particularly asphalt concrete pavements, carried out FallingWeight Deflectometer, FWD. It describes the elastic modules estimationmethodologies from this technical and discusses advantages and disadvantages init use. Furthermore, it is presented points of care in the use of these results in astrengthen pavement design. Ideas for posterior studies are presented.


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VI


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VII

Resumen ejecutivo

Se describen los principales equipos para medir deflexiones en pavimentos

existentes, enfatizando en los deflectometros de impacto por ser los de uso comnen campo.

As mismo, se presentan diferentes mtodos para estimar un mdulo elstico y lasconsideraciones que cada uno de ellos establece en sus metodologas; conespecial atencin en las destinadas a pavimentos asflticos y, en algunos casos,para pavimentos rgidos; sin embargo, el marco de trabajo es la teora elsticamulticapa como mtodo de anlisis. Debe destacarse de varios de los programasde computo disponibles utilizan diversas consideraciones, por lo que pueden tenerdiscrepancias considerables en sus resultados. Es posible utilizar otrosprocedimientos de anlisis, tal como el elemento finito; no obstante, resultanecesario realizar adecuaciones para su uso.

Como complemento, se describen los parmetros de un mtodo para estimar losmdulos elsticos de capa a partir de mediciones de deflexin, que puedenutilizarse en la evaluacin de pavimentos, o de diseo de sobrecarpetas. A fin decaracterizar los materiales en las capas de los pavimentos, el mdulo resilienteobtenido en laboratorio constituye un insumo para algunos procedimientos dediseo de sobrecarpetas.

El anlisis de deflexin proporciona una tcnica capaz de utilizar el mduloelstico equivalente de una estructura de pavimento en lugar de obtener el mduloresiliente en laboratorio de muestras pequeas, y en algunas ocasiones demuestras alteradas. Para muchos procedimientos de diseo de sobrecarpetas quese basan en la teora elstica multicapa, el mdulo resiliente se constituye por unoelstico de capa equivalente, debido a que el mdulo equivalente se determinacomo un promedio del total de las superposiciones en las condiciones de esfuerzoen campo de un pavimento actual.

Tambin se destacan algunos de los factores que afectan los resultados de losensayos no destructivos para la determinacin de deflexiones, los cuales debenanalizarse con el propsito de eliminar o de minimizar sus efectos, o tomarlos enconsideracin en la interpretacin de los resultados. Dichos factores son entreotros, la magnitud y duracin de la carga; las propiedades no lineales de losmateriales que conforman los pavimentos; la temperatura y la humedad; y lascondiciones en que se encuentra el pavimento.

Por ltimo, se describen algunas experiencias importantes que puedan llevarse acabo para entender mejor las metodologas de evaluacin de pavimentos endiferentes niveles de auscultacin, y los estudios que establecen relaciones entrelas temperaturas y las variaciones del contenido de agua en las capas de lospavimentos, en las diferentes pocas del ao.


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VIII


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Introduccin

Existen diferentes mtodos para evaluar la capacidad estructural de lospavimentos, lo anterior con la finalidad de definir su aptitud para resistir las cargasque circulan por diversos tramos carreteros.

La evaluacin de la capacidad estructural en pavimentos se realiza utilizandopredominantemente mtodos no destructivos, los cuales consisten en aplicar unacarga bajo condiciones dinmicas, estticas, por impacto, etc, cuyos resultadosayudan a determinar en cada estructura del pavimento, las deformaciones odeflexiones asociadas a la solicitacin inducida, y as poder definir su capacidadpara soportar las cargas vehiculares.

A nivel mundial se cuenta con una gran cantidad de equipos para determinardeflexiones en campo, sin embargo, los de mayor uso son los deflectmetros deimpacto. Estos equipos aplican una solicitacin al pavimento por impacto ydeterminan una cuenca de deformaciones a partir de datos de desplazamiento,obtenidos por un arreglo de sensores de desplazamiento. Dicho arreglo seestablece en funcin del tipo de pavimento que se intenta evaluar y del fin que sepersiga con la evaluacin.

Existen metodologas muy bien definidas para obtener las llamadas cuencas dedeformacin conforme cada necesidad de informacin; en el presente reporte sehar nfasis a los pavimentos de concreto asfltico, a la vez que se incluyenrecomendaciones para diferentes tipos de pavimento.

En la literatura se reportan tambin las caractersticas que deben cumplir losequipos que se emplean en los ensayos no destructivos, particularmente en lasaproximaciones y dispersiones de los instrumentos de medicin.

Es importante destacar que as como hay diversos equipos para medirdeflexiones, es aun mayor el nmero de procedimientos para el anlisis yprocesamiento de los datos provenientes de tales equipos. Dichos programascalculan los mdulos en cada una de las diferentes capas del pavimento evaluadomediante herramientas matemticas diversas, y consideraciones en sus modelosigualmente variados.

Debido a lo anterior es difcil hacer una eleccin adecuada entre las diferentesmetodologas de diseo; no obstante, en el presente trabajo se ha procuradoincluir algunas consideraciones bajo las cuales se desarrolla algunos de estosmtodos de anlisis. Es necesario conocer lo anterior para poder realizar unainterpretacin adecuada de los resultados que de dichos modelos resulte, ya quees sabido que la eleccin de los mdulos de capa, contiene en s misma una grancantidad de criterio ingenieril.


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Por otro lado, es necesario tomar en cuenta los factores que en mayor medidainfluencan a los resultados obtenidos y la manera en que se deben considerar; unejemplo lo constituye el clima, caracterizado como la temperatura y la humedad;en este caso, la magnitud de la carga, la posicin o distancia de la capa rgida, etc.

A continuacin se harn algunos comentarios al respecto.


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1 Antecedentes

La medicin de las deflexiones se utiliza ampliamente para conocer la capacidadestructural de los pavimentos en campo, y dentro de la tecnologa de pavimentos,particularmente en la evaluacin estructural de los mismos existen diversasmetodologas y equipos para tales propsitos.

La literatura especializada en pavimentos proporciona informacin acerca de lamedicin de deflexiones en pavimentos localizadas directamente en el punto deaplicacin de la carga o alejadas de l, a partir de una carga esttica conocida, deuna vibratoria o de una por impulso. Las deflexiones se miden con transductoresque determinan el movimiento vertical de la superficie de un pavimento ante unimpacto. Actualmente, existen diversos procedimientos para la medicin dedeflexiones en pavimentos de concreto asfltico, en concreto hidrulico, e inclusoen una combinacin de ellos. Los pavimentos rgidos pueden ser sin refuerzo, unacon juntas, con refuerzo en las juntas, o concretos reforzados de manera continua.

Los ensayos realizados mediante esta metodologa, son por su naturalezadenominados no destructivos NDT (Non Destructive Test).

Los ensayes no destructivos de deflexiones proporcionan informacin que seutiliza para la evaluacin estructural de los pavimentos. Adems, los resultados dedichas deflexiones pueden emplearse a su vez en las siguientes caractersticas delos pavimentos.

a) Mdulo de elasticidad de cada capab) Rigidez combinada de los sistemas de pavimentosc) Eficiencia en la transferencia de carga en las juntas de pavimentos de

concreto hidrulicod) Mdulos de reaccin de la subrasantee) Espesor efectivo, nmero estructural o valor de soporte del suelof) Capacidad de carga o capacidad de soporte del pavimento

Dichos parmetros pueden utilizarse en el anlisis y diseo de la rehabilitacin yreconstruccin de pavimentos rgidos y flexibles; valoracin de la capacidadestructural, incluyendo la eficiencia de las juntas en pavimentos de concretohidrulico; deteccin de oquedades en pavimentos de concreto hidrulico; y/o parafines de inventario estructural de la red.


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Los equipos ms comunes para determinar la capacidad estructural de lospavimentos son:

a) Equipo discontinuo de medicin (Figura 1.1). Opera con el principio debrazo de palanca simple (p ej, viga Benkelman)

b) Equipo esttico semicontinuo (Figuras 1.2 y 1.3). acta con el principio dedoble brazo de palanca (p ej, deflectgrafo Lacroix)c) Equipo dinmico de aplicacin de carga (Figuras 1.4 y 1.5). Utiliza un

generador de fuerza dinmica, el cual puede ser una masa giratoria o unmecanismo actuador servohidrulicamente controlado (p ej, Dynaflect,Road Rater)

d) Equipo de impacto (Figuras 1.6 y 1.7). Crea un impulso de carga sobre elpavimento, dejando caer una masa a partir de alturas variables sobre unsistema de resortes o caucho. Conocido generalmente como Fallig WeightDeflectmetro, FWD (p ej, Dynatest, Kuab, Jils)

En la presente investigacin se realizar principalmente un anlisis de los equiposde impacto por ser los de uso comn en el medio.

Figura 1.1.Equipo discontinuo para la determinacin de deflexiones (Viga Benkelman)


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1 Antecedentes

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Figura 1.2.

Esquema del equipo semicontinuo para la determinacin de deflexiones

(deflectmetro Lacroix)

Figura 1.3.

Equipo semicontinuo para la determinacin de deflexiones (deflectmetro

Lacroix)


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Figura 1.4.Equipo dinmico para la determinacin de deflexiones (Dynaflect)

Figura 1.5.

Equipo dinmico para la determinacin de deflexiones (Road Rater)


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1 Antecedentes

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Figura 1.6.

Deflectmetro de impacto para la determinacin de deflexiones (Dynatest)

Figura 1.7.

Deflectmetro de impacto para la determinacin de deflexiones (Kuab)


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1.1 Caractersticas de los deflectmetros deimpacto

El sistema de los equipos de impacto tiene que cumplir con los siguientesrequerimientos:

1.1.1 Sistema de instrumentacin

Durante su operacin debe soportar temperaturas de entre -10 y 50 C; tolerarhumedad relativamente alta, lluvia o niebla; y otras condiciones adversas talescomo polvo, golpes, o vibraciones que se pueden presentar normalmente encampo.

Los instrumentos no deben estar expuestos a los elementos (dentro del vehculo),y deben ser capaces de operar en un rango de temperaturas de entre 5 y 40 C.

1.1.2 Dispositivo generador de impactoEl dispositivo generador de impacto debe ser del tipo de masa en cada libre conun sistema de gua. El dispositivo generador de impacto tiene que ser capaz delevantar una o varias masas predeterminadas, y soltarlas en cada libre. La ondagenerada por el impacto de la masa, y transmitida al pavimento, deberreproducirse de acuerdo con los requerimientos descritos en el Capitulo 2. La ondadebe tener aproximadamente la forma haversine y aplicarse con una amplitud depico a pico de 50 kN. La duracin del impulso de fuerza habr de permanecerentre 20 y 60 ms, o un tiempo de incremento de la carga de 0 a 30 ms. Esimportante que el sistema de gua presente una friccin despreciable y diseadade tal manera que las masas caigan perpendiculares a la superficie del pavimento.

1.1.3 Placa de carga

La placa de carga debe ser capaz de distribuir uniformemente la carga sobre lasuperficie del pavimento. Los dimetros ms comunes de las placas son de 300 y450 mm de dimetro para realizar mediciones sobre autopistas y aeropistas,respectivamente. La placa ser capaz de permitir mediciones de deflexin en lospavimentos, al centro de la placa.

1.1.4 Transductor de deflexin

Debe ser capaz de medir el desplazamiento vertical mximo, y estar montado detal manera que minimice la rotacin angular con respecto a su plano de medicinen el movimiento mximo esperado. El nmero y espaciamiento de los sensoreses opcional, y depender de los propsitos de la prueba y de las caractersticas decada capa del pavimento. El espaciamiento adecuado entre sensores es de 300mm. Los sensores pueden ser de varios tipos: transductores de desplazamiento,de velocidad, o de aceleracin (acelermetros).


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1 Antecedentes

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1.1.5 Celda de carga

La celda tiene que ser colocada de tal manera que no restrinja la capacidad deobtener mediciones de deflexin, bajo el centro de la placa de carga. Adems,debe ser resistente al agua y a los impactos en carretera durante el desarrollo delensayo o transporte.


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2 Uso de los deflectmetros de impacto

Antes de utilizar el deflectmetro de impacto es necesario realizar la calibracin delos diferentes transductores que forman parte del equipo de medicin. Lacalibracin propiamente dicha de los transductores, consiste en una comparacinde sus mediciones contra patrones nacionales o internacionales de la mismamagnitud por definir.

Posteriormente, es importante verificar que la seal que emite el equipo y susistema de registro cumplan con las siguientes especificaciones.

2.1 Especificacionesde la seal, y del sistema deregistro

Las especificaciones de la seal, y del sistema de registro deben permitir unaresolucin tal que cumpla con requerimientos como:

El desplegado del medidor de carga y el almacenamiento deben tener unaresolucin de 200 N, o menos.

El desplegado de las mediciones de la deflexin y el almacenamiento habrn de

manejar una resolucin de 1 m, o menos.

Las mediciones de la carga y la deflexin requieren registrarse como se especifica

en los prrafos anteriores, dentro de un periodo de tiempo o ventana de medicincomo mnimo de 60 ms, para una precisin de un tiempo de carga mxima y

deflexin de 2 %, y la precisin de las deflexiones de 2 m.

2.2 Procedimiento para la determinacin dedeflexiones en sitio

a) Coloque el dispositivo de prueba y la placa de carga sobre el punto que sedesee probar. El lugar de prueba debe estar libre, en lo posible, de gravas,gravillas y escombros para asegurar que la placa quede apoyadacompletamente. Las superficies de grava o suelo tienen que estar lo ms

niveladas posible, y remover todo el material suelto para asegurar que laplaca de carga haga contacto perfecto con la superficie del pavimento quese pretende evaluar.

b) Mida la temperatura ambiente y la del pavimento. Si la prueba se desarrollapor un periodo largo de tiempo, tome temperaturas del pavimento cada horapara establecer una correlacin directa entre la temperatura ambiente y lade la superficie del pavimento.


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c) Registre la siguiente informacin para cada pavimento evaluado: nombredel operador; fecha y hora; factores de calibracin; inicio y fin de la estacino localizacin fsica del tramo evaluado; localizacin de cortes o

terraplenes; ubicacin de alcantarillas, puentes y otras caractersticas decontrol vertical; lmites y extensin de los deterioros superficiales;condiciones ambientales, y descripcin del tipo de pavimento.

d) Inicie el programa de adquisicin de datos, e introduzca la informacin querequiera la configuracin del equipo de deflexin al momento del ensaye. Laconfiguracin del equipo se almacena en un archivo de salida, y constituyeun insumo para el programa de anlisis. Esta informacin, normalmenteincluye el dimetro de la placa de carga, nmero y posicin de lostransductores de deflexin y la orientacin de los transductores de deflexincon respecto a la placa de carga. Seleccione el formato de archivo de datosadecuado; existen diferentes formatos.

e) Baje la placa de carga y los transductores para asegurarse de que seencuentran en una superficie estable y firme.

f) Levante el dispositivo generador de impacto a la altura deseada, y deje caerel peso. Registre la deflexin mxima de la superficie y la carga mxima.

En caso de que ocurra una deformacin permanente bajo la placa de carga,mueva el aparato, y reduzca el impacto aplicado hasta que la deformacinpermanente no sea significativa para el primer ensayo en campo.

g) Ejecute como mnimo dos secuencias de carga (c), y compare losresultados. Si las diferencias son mayores del 3 % en cualquier transductor,registre la variabilidad en el reporte. Los ensayos adicionales se puedenhacer con la misma o diferente carga. Con la finalidad de determinar la nolinealidad de un sistema de pavimento es factible desarrollar ensayos paradiferentes niveles de carga. El analista puede utilizar cuencas promediadassi se presentan errores aleatorios de importancia.

2.3 Localizacin y nmero de ensayos paradiferentes niveles de proyecto

2.3.1 Localizacin del ensayo

La localizacin del ensayo puede variar de acuerdo con el uso que se le dar a losdatos obtenidos. En la mayora de los casos, la primera aproximacin se realizacon un ensayo sobre las roderas debido a que la respuesta del pavimento en esazona, de alguna manera refleja el efecto del dao que se ha acumulado. Ladeterminacin de deflexiones entre las roderas de un pavimento de concreto


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2 Uso de los Deflectmetros de Impacto

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asfltico, se puede desarrollar para comparar con los valores obtenidos en lasroderas e indicar las diferencias que se pudieran presentar.

2.3.2 Nmero de ensayos de acuerdo con el nivel deproyecto

2.3.2.1 Ensayos a nivel de red de carreteras

Este nivel de ensayo proporciona un panorama general de la capacidad estructuralde los pavimentos con ensayos limitados. Los ensayos de deflexin,tradicionalmente se llevan a cabo en intervalos de 100 a 500 m, dependiendo delas condiciones especficas de los pavimentos y la magnitud del rea por analizar.Se recomienda un mnimo de siete ensayos por seccin uniforme de pavimentopara asegurar una muestra estadsticamente significativa. Para un pavimento deconcreto asfltico o concreto con refuerzo continuo, la carga se debe colocar a lolargo de la rodera externa.

Para el anlisis de redes de carreteras, al menos el 10 % de las losas delpavimento de concreto hidrulico se deben ensayar en las juntas, tanto paradefinir la deflexin como para determinar la eficiencia en la transferencia de carga.

2.3.2.2 Ensayos a nivel proyecto general

Este nivel proporciona un anlisis ms detallado del pavimento, por ejemplo, parafines de diseo de sobrecarpetas o de rehabilitacin. Debe realizarse en intervalosde 50 a 200 m dependiendo de las condiciones especficas del pavimento, y de lamagnitud del rea por estudiar. Se recomienda un mnimo de 15 determinacionespor seccin de pavimento uniforme en este nivel de proyecto. De igual manera queen el tipo de proyecto anterior, las deflexiones en los pavimentos de concretoasfltico y concreto hidrulico con refuerzo continuo, el ensayo se realizar en larodera externa; para pavimentos de concreto hidrulico, como regla no se cubrirntodas las juntas asociadas con cada losa interior, sino que se aconseja cubrir unmnimo de 25 %. En aeropuertos de concreto hidrulico, es recomendable llevaracabo la evaluacin de la eficiencia de las juntas, tanto en juntas transversalescomo longitudinales.

2.3.2.3 Ensayos a nivel de proyecto detallado

Este nivel da lugar a un anlisis altamente detallado y especfico del pavimento

para fines de identificar zonas localizadas con deflexiones altas, o detectaroquedades en los pavimentos de concreto hidrulico, etc.

Para pavimentos de concreto asfltico y concreto hidrulico de refuerzo continuo,el ensaye se realiza en intervalos de 10 a 100 m. En carreteras, calles y autopistasel muestreo se realiza en ambas roderas.


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2.4 Factores que influyen en la determinacin delas deflexiones

Los factores que afectan en mayor medida a las deflexiones incluyen la carga, el

clima y las condiciones del pavimento. Estos hechos deben considerarsecuidadosamente cuando se realizan ensayos no destructivos.

2.4.1 Carga

La magnitud y duracin de la carga influye considerablemente en las deflexionesde los pavimentos. Es recomendable que el equipo que se utiliza en pruebas nodestructivas sea capaz de aplicar una carga al pavimento, similar a la carga actualde diseo (p ej, 40 kN). Desafortunadamente, no todos los equipos comercialesque efectan ensayos no destructivos pueden simular la carga de diseo, algunoslo hacen con la magnitud de la carga, pero no con su duracin o frecuencia.

Generalmente, se acepta al deflectmetro de impacto FWD (Fallig WeightDeflectometer) como el mejor equipo hasta ahora, para simular la magnitud yduracin de las cargas actuales que circulan por los caminos (Lyton, 1989).

Las propiedades no lineales o su sensibilidad al nivel de esfuerzos, de la mayorade los materiales que conforman las capas de los pavimentos hacen que lasdeflexiones medidas sean proporcionales a las cargas aplicadas. Los resultadosde prueba se tienen que extrapolar para cargas excesivas. Debido a que lasextrapolaciones frecuentemente inducen errores significativos, los especialistas seinclinan por el uso de los equipos para ensayos no destructivos, dado que generancargas similares a las que aplican los vehculos pesados.

En el campo de los pavimentos se han encontrado diferentes ecuaciones decorrelacin o regresin, relacionando deflexiones bajo cargas ms ligeras y lasobtenidas con equipos que aplican cargas ms pesadas. Es importante destacarque el uso de tales correlaciones debe hacerse con cuidado, pues los datos apartir de los cuales se desarrollaron tales correlaciones, normalmente muestranuna gran dispersin, lo que hace posible incurrir en errores significativos. Por otrolado, las correlaciones logradas a partir de un tipo de estructura de pavimento, nonecesariamente se cumplen para diferentes tipos de pavimentos. An en la mismaestructura de pavimento es factible encontrar variaciones considerables entrecorrelaciones encontradas por diferentes organismos, lo anterior suele asociarse adiferencias desde el proceso de construccin, condiciones ambientales,temperaturas, etc.

2.4.2 Temperatura

La temperatura y la humedad son dos condiciones climticas que afectan lamagnitud de las deflexiones. En los pavimentos asflticos, las altas temperaturasproducen el reblandecimiento de la carpeta asfltica e incrementan lasdeflexiones. En los de concreto hidrulico, la temperatura en forma de cambios


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2 Uso de los Deflectmetros de Impacto

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globales del gradiente trmico representa una influencia muy importante en lasdeflexiones medidas cerca de las juntas o grietas. Las temperaturas altasprovocan expansin en las losas, y por ende un acercamiento entre ellas; as, seincrementa la eficiencia de la transferencia de carga, y por consiguiente lasdeflexiones son menores.

El alabeo de las losas, debido a los gradientes de temperatura suele causarvariaciones importantes en las deflexiones medidas, especialmente si se evalanen la noche o en la maana, cuando la cara superior de la losa est ms fra quela inferior, ya que generarn deflexiones mayores en las esquinas y en las orillasque las que se realizan por la tarde, cuando la cara superior de la losa est muchoms caliente que la inferior.

La poca del ao ejerce una influencia muy significativa en las mediciones de lamagnitud de las deflexiones. En regiones fras se pueden diferenciar cuatroperiodos diferentes: El de congelamiento, que se presenta en invierno, provocaque el pavimento est ms rgido. El de primavera, o sea cuando se presenta eldeshielo y existe agua libre en la estructura del pavimento, lo cual incrementaconsiderablemente la magnitud de las deflexiones medidas. El periodo deincremento rpido de la rigidez es que se presenta a principios de verano, cuandoel exceso de agua libre disminuye en la estructura del pavimento y la deflexin seve disminuida de manera considerable. Por su parte, el de rigidizacin contina,aunque ms lentamente, a finales de verano y la poca de otoo cuando losniveles de las deflexiones se reducen en funcin del decremento del agua libre enel sistema de pavimento.En regiones que no experimentan congelamiento ni deshielo, las deflexionesgeneralmente presentan una curva senoidal, correspondiendo la mxima deflexinen la poca de lluvias, donde el contenido de agua libre es mayor en la estructuradel pavimento. En regiones secas, el periodo de deflexin mxima puede ser en elverano, cuando la superficie del asfalto se reblandece debido a la intensaradiacin solar.

Para comparar e interpretar las mediciones de la deflexin deben considerarsetanto la hora del da como la poca del ao en que se realizan. Generalmente, lasdeflexiones se correlacionan con una temperatura estndar, por ejemplo, 21 Cpara un periodo de condiciones crticas, basado en procedimientos desarrolladoslocalmente.

2.4.3 Condiciones del pavimentoEs evidente que las condiciones en que se encuentre el pavimento influyen en lamagnitud de las deflexiones medidas. Para asflticos, las deflexiones obtenidas enreas con agrietamientos y roderas sern mayores que las que se consigan enreas libres de deterioros. En los de concreto hidrulico, las oquedades bajo laslosas de concreto provocarn incrementos en las deflexiones; a su vez, laausencia de deterioros de los dispositivos de transferencia de carga afectar a ladeflexin medida en ambos lados de las juntas. Las deflexiones obtenidas cerca


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de una alcantarilla suelen ser mucho mayores; y para secciones en corte y enbalcn se presentan diferencias considerables en las deflexiones. Es importanteconsiderar tales condiciones cuando se obtienen deflexiones en un tramocarretero, y ms an cuando se seleccionan las zonas de evaluacin.


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3 Calibracin de deflectmetros de impacto

3.1 AntecedentesEs ampliamente conocido que anualmente se requieren cantidades muyimportantes de recursos econmicos para rehabilitacin y renivelacin depavimentos. Con la finalidad de tomar las mejores decisiones en cuanto a laasignacin de recursos para los trabajos de rehabilitacin, los organismosadministradores de las diferentes redes de carreteras demandan siempre datosque reflejen las condiciones estructurales de los pavimentos.

Con la finalidad de determinar la capacidad estructural de los pavimentos, una delas tecnologas que se utiliza ms ampliamente en varios pases est basada enensayos no destructivos, NDT, (Non Destructive Test), y el equipo con mayoraceptacin es el Falling Weight Deflectometer (FWD), el cual al aplicar un golpe

registra la informacin de la respuesta de la estructura, y la configuracin delpavimento.

A pesar de la sofisticacin de sus componentes, el FWD requiere ser calibradoadecuadamente; de no ser as, los valores obtenidos pueden ser imprecisos yconducir a soluciones inadecuadas; las cuales resultaran ms costosas de lo quese calculara en realidad, o seran insuficientes para las condiciones estructuralesy de uso del pavimento de que se trate.

Es muy importante que las deflexiones medidas sean lo suficientemente precisaspara realizar estimaciones correctas de las caractersticas estructurales de los

pavimentos a partir de datos del FWD. Por tal razn, es indispensable lacalibracin de cualquier equipo FWD que intervenga en proyectos de rehabilitacinde carreteras.

A raz de esta problemtica, a finales de la dcada de 80s, el ProgramaComportamiento de Pavimentos a Largo Plazo, LTPP, (Long Term PavementPerformance) desarroll procedimientos de calibracin, los cuales fueronadoptados por la AASHTO (American Association of State Highway andTransportation Officials) como una norma provisional; dichos procedimientosfueron aceptados solamente en los Estados Unidos como una medida paraasegurar que la informacin que se obtiene del FWD es precisa.

A principios de los 90s se abrieron varios centros de calibracin en cooperacincon los departamentos de transporte de los estados de Minnesota, Nevada,Pennsylvania y Texas. Dichos departamentos administran los centros, y en tresestados el mismo personal supervisa las operaciones y calibraciones peridicas.El Instituto del Transporte de Texas opera al Centro de Calibracin en Texas atravs de un acuerdo con el Departamento de Transporte del Estado.


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Los estados proporcionan las instalaciones y los recursos humanos para loscentros de calibracin; mientras que la Administracin Federal de Carreteras,FHWA, (Federal Highway Administration) dona el equipo utilizado en losprocedimientos de calibracin. Por casi una dcada, los cuatro centros decalibracin han operado con tcnicos ampliamente capacitados.

Su impacto en los Estados Unidos ha sido cada vez mayor. Dentro de losbeneficios que se han observado se pueden mencionar:

a) Mejorar las decisiones acerca del sitio y tiempo de aplicacin de recursospara la rehabilitacin de carreteras

b) Mayor efectividad y certidumbre en los anlisis costo-beneficio de proyectosde rehabilitacin

c) Mejores decisiones en el diseo de pavimentos nuevos y sobrecarpetas

3.2 Calibracin

Existen dos niveles de calibracin para este tipo de equipos; el primer nivelcorresponde a la calibracin propiamente dicha por parte de organismoscertificados o acreditados, que realizan las comparaciones de los instrumentos demedicin de los deflectmetros de impacto contra patrones con trazabilidad apatrones primarios nacionales o internacionales; el segundo nivel, que sedescribir en los siguientes prrafos, corresponde a verificaciones intermedias, yque puede desarrollarlo el propietario del equipo como un seguimiento a la calidadde las mediciones de los transductores que utiliza el deflectmetro de impactoFWD.

3.2.1 Dispositivo generador de impacto

Antes de realizar la calibracin de los transductores de carga y deflexin, eldispositivo se preacondiciona dejando caer la carga al menos cinco veces, yverificando la diferencia relativa para cada carga. La carga no debe variar entreellas ms del 3 %. Si la variacin excede esta tolerancia, debe limpiarse el rielperfectamente con una franela y verificar las condiciones de uso de la carga. Laspartes inapropiadas deben ser reemplazadas o reparadas antes de la calibracinpara asegurar que las fuerzas horizontales se minimicen.

3.2.2 Calibracin relativa de los transductores dedeflexin

El procedimiento para realizar la calibracin relativa de los transductores dedeflexin asegura que las mediciones con este equipo se realizan de maneraprecisa y consistente. Es importante mencionar que esta calibracin puede llevarlaa cabo el propietario del equipo.

La calibracin de los transductores tiene que hacerse como mnimo una vez almes de acuerdo con las indicaciones del fabricante y con la frecuencia de uso.


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3 Calibracin de Deflectmetros de Impacto

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Se requiere un transductor de deflexin de referencia que sirva como patrn de losotros transductores. Es necesario tambin, contar con equipo especializado comoel utilizado en los centros de calibracin de los Estados Unidos.

El procedimiento de calibracin relativa, adems revela si algn transductor seencuentra fuera de rango; de aqu, la importancia de esta calibracin.

El procedimiento de calibracin de la deflexin relativa debe utilizarse para elajuste de las mediciones de la deflexin de cada transductor de deflexin para queen conjunto produzcan una misma medicin (de acuerdo con los lmites deprecisin especificados ms adelante). La calibracin del transductor de deflexinrelativa requiere de una barra de sujecin, que habr de proporcionar el fabricante.

La barra ser de una longitud adecuada para dar cabida a todos los transductoresdurante el ensayo, y colocar los transductores uno tras otro a lo largo de un ejevertical. Adems, contar con la suficiente rigidez para permitir que cadatransductor experimente la misma deflexin provocada por el dispositivogenerador de impacto.

La cantidad de transductores en la barra y su posicin debe ser lo ms cercaposible a la placa de carga. La barra se colocara mediante una pequea marca enel pavimento o por una arandela pegada en el pavimento, para proporcionar unpunto slido de contacto al soporte de la barra (Figura 3.1).


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Figura 3.1.

Barra de sujecin para transductores de deflexin; se observa la colocacin de los

transductores en la barra

La placa de carga necesita estar en contacto continuo con la superficie delpavimento mientras se renen los datos de la calibracin. Durante la calibracin,se deben cambiar de posicin a los transductores de manera lineal sobre la barra.Para cada posicin de la barra, registre cinco deflexiones en cada transductor, ycolocarla manualmente en posicin vertical a una velocidad moderada, mientrasse miden las deflexiones.

Las magnitudes aceptables de las deflexiones medidas son cercadas a 400 m.Durante la calibracin debe mantenerse el mismo sistema de carga: determine larelacin de cada transductor, dividiendo el promedio de todos los transductores

entre el promedio de ese transductor; si alguna relacin de transductor es mayorde 1,003 o menor de 0,997, todos los factores de calibracin de los transductoresdeben ser remplazados por el factor de calibracin existente, multiplicado por larelacin. Si alguno de los factores de calibracin excede los lmites establecidospor el fabricante, el dispositivo tendr que ser reparado y recalibrado, acorde conlas recomendaciones del fabricante.


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Para asegurar que las deflexiones pequeas (tal como las que se encuentrancercanas a la posicin exterior de la cuenca de deflexiones) se registran con laaproximacin adecuada, repita el procedimiento descrito a una distancia de 1 a 1,5m de la placa de carga. Se consideran aceptables las deflexiones de entre 50 y

100 m. Asegrese de que la diferencia entre los promedios de dos transductores

es igual o menor a 2 m; los factores de calibracin de los transductores no debeser alterado. Si cualquier diferencia entre promedios es mayor a 2 m eldispositivo debe repararse y recalibrarse, acorde con las recomendaciones delfabricante.

En resumen, la calibracin se realiza de la siguiente manera:

a) Se colocan los transductores en una barra rgida proporcionada por elfabricante del equipo

b) Se coloca el extremo inferior de la barra en la parte trasera del equipo(cerca de la placa de aplicacin de la carga)

c) Se realiza la aplicacin de cinco golpes (cadas de masa) deacondicionamientod) Se aplican cinco golpes, (propiamente la medicin) y se determinan los

desplazamientos de cada uno de los transductorese) Se cambian los transductores de posicin, y se repiten los pasos a) a d)f) Lo descrito en e) se realiza para cada transductor, de tal manera que cada

uno ocupe todas las posiciones posibles en la barrag) Se obtienen las relaciones de deflexiones para cada serie de aplicaciones

de carga

Existen mtodos desarrollados por agencias ajenas al fabricante para calibrar eldeflectmetro de impacto mediante celdas de carga y transductores de deflexinindependientes. Uno de ellos es el procedimiento de referencia de calibracin,desarrollado por Strategic Highway Research Program (SHRP), supervisada por ladireccin del Programa Comportamiento de Pavimentos a Largo Plazo, LTPP,(Long Term Pavement Performance), de la Oficina Federal de Administracin dePavimentos, FHWA, (Office of Federal Highway Administration).

Se emplea en la calibracin del deflectmetro de impacto usado en los estudiosdel LTPP; con lo que se han establecido cuatro centros de calibracin; uno encada unidad regional de la LTPP. Estos centros se ubican en Pennsylvania,

Minnesota, Texas, y Nevada, y son dirigidos por su respectivo Departamento deTransporte del Estado (State Departments of Transportation.

Otro mtodo esta basado en un sistema de calibracin porttil desarrollado por laUniversidad de Texas, El Paso (UTEP), para Texas DOT. Este sistema tambinusa celda de carga y transductores de deflexin independientes para medir lacarga, y la deflexin provocada por el deflectmetro de impacto.


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Ambos mtodos (SHRP y UTEP) pueden recurrir al mismo punto en la superficiedel pavimento para la calibracin, moviendo el transductor de ensayo de la barrasujetadora y colocando una barra de referencia; el mtodo UTEP tambin puedeemplear la barra de transductores proporcionada por el fabricante, con lostransductores de verificacin colocados lo ms cerca posible del transductor de

ensayo.

Ambos mtodos con transductores independientes, son ms completos que losintercambiables, ya que el estacionario se utiliza en el ajuste de las ganancias delos transductores iguales o menores al 2 %; y el mtodo porttil UTEP para laverificacin de transductores de deflexin y la combinacin del sujetador detransductores para campo, bajo condiciones actuales de trabajo.

3.2.3 Calibracin de los transductores por temperaturaambiente

Se realiza mediante la lnea de mejor ajuste una regresin lineal de una serie denueve mediciones de temperatura a partir del procedimiento de calibracin dereferencia con un bloque seco, certificado de alta precisin y trazable a patronesinternacionales. Las temperaturas de referencia son de 5 a 45 C en incrementosde 5 C. El transductor se aprobar, slo si cumple con las especificaciones delinealidad.

El programa del deflectmetro de impacto requiere dos parmetros de calibracin(V1 y V2, es decir, dos salidas de voltaje del transductor a 0 y a 100 C),calculados a partir de la ecuacin obtenida como se describe en el prrafoanterior. Es importante mencionar que con este procedimiento se asegura laprecisin dentro del rango ms probable de uso del termmetro 0 a 50 C.

La verificacin peridica se realiza a partir de la determinacin de dos lecturas detemperatura, lo cual es adecuado en la mayora de los casos debido a que lalinealidad del transductor ya ha sido verificada en la calibracin del equipo, ynormalmente no cambia de manera significativa con el tiempo; y stas sonsuficientes para definir la lnea de la ecuacin de regresin.

Para mayor precisin es necesario hacer la calibracin a partir de nueve lecturas,usando el mismo procedimiento descrito en prrafos anteriores. Para laverificacin de la temperatura a dos puntos, se requieren de uno o dos lquidos enel bao. Se recomienda un termmetro digital con rango de 0 a 50 C conprecisin de 0,4 C, o mejor con una resolucin de al menos 0,1 C.

La temperatura del bao debe ajustarse a temperaturas baja y alta; para la bajaconviene un rango entre 0 y 10 C; y para la alta un rango entre 40 y 50 C.

Los puntos en los cuales se determina la temperatura con el termmetro delequipo y con el patrn, deben estar lo ms cerca posible. Cuando finalice laverificacin es necesario introducir los nuevos valores de voltajes V1 y V2.


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3.2.4 Calibracin de los transductores por temperatura enla superficie del pavimento

Se efecta de manera semejante al procedimiento descrito para los transductorespara determinar la temperatura del aire, solamente que en este caso no es

recomendable que el usuario realice esta operacin a menos que sea realmentenecesario. El transductor de temperatura de superficie y el bao con el transductorpatrn tienen que estar encerrados de tal manera que la evaporacin del agua nodisminuya su temperatura en la superficie y se evite la humedad de condensacinen el lente del transductor de temperatura de superficie, el cual debe colocarseverticalmente, de preferencia a una distancia de 300 mm entre la lente deltransductor y la superficie del agua, teniendo cuidado de que dicho espaciopermanezca libre de obstculos.

3.2.5 Calibracin del indicador de distancia

Para la calibracin del indicador de distancia es necesario contar con una vialidad

recta y plana con una longitud de al menos 1 km, y conocer su longitud de maneraprecisa con una cinta calibrada por comparacin con patrones trazables apatrones internacionales. Se deben marcar claramente los puntos de inicio y findel tramo.

Una vez realizado lo anterior, se hace circular el equipo sobre el tramo deverificacin de distancia y se marcan en el programa los puntos de inicio y fin: esimportante verificar las diferencias entre los factores de calibracin de distanciaanteriores y actuales con el fin de llevar un seguimiento de la calidad de medicindel equipo, e identificar y controlar las variaciones que ste pudiera presentar.


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4 Mtodos para la estimacin del mduloelstico a partir de mediciones condeflectmetro de impacto (FWD)

4.1 AntecedentesUna vez obtenidos los datos de la calibracin, stos se procesan por medio de unatcnica analtica conocida como retroclculo para definir el mdulo elsticoequivalente de capas de pavimento que corresponde a una carga aplicada, y aunas deflexiones inducidas. El anlisis se puede desarrollar a partir de mtodositerativos, bsqueda en bases de datos, ecuaciones simultneas, etc; en esteapartado se escudriar, principalmente el anlisis por mtodos iterativos.

Este procedimiento de anlisis involucra la suposicin de los valores de mduloelstico para una estructura de pavimento por capas, mediante el clculo de ladeflexin en la superficie a diferentes distancias radiales del punto de aplicacinde la carga. Una vez obtenidas las deflexiones calculadas, se comparan con lasdeflexiones medidas; as, el proceso se repite cambiando el mdulo elstico de lascapas en cada iteracin, hasta que la diferencia entre las deflexiones medidas ylas calculadas se encuentren dentro de las tolerancias especificadas, o cuando sehaya alcanzado el mximo nmero de iteraciones. Alternativamente, elprocedimiento de anlisis puede involucrar investigaciones a bases de datos decuencas de deflexin precalculadas a partir de mdulos de capa y espesoresconocidos, hasta que la cuenca se aproxime lo suficiente a la de deflexiones

medidas.

Cuando se analiza el comportamiento de un pavimento, se calculan lasdeflexiones en la superficie y otras respuestas a partir de programas de anlisisque utilizan el mdulo elstico como insumo. En el retroclculo se selecciona yajusta el mdulo elstico, de acuerdo con la ltima deflexin de superficiecalculada que mejor se ajust a las deflexiones conocidas de una superficie.

En este captulo se presentan diferentes criterios para la estimacin del mduloelstico, y las consideraciones que en cada uno de ellos se establecen dentro desus metodologas. En mayor medida se discutirn procesos para pavimentosasflticos y en algunos casos para rgidos; sin embargo, el marco de trabajo es lateora elstica multicapa como mtodo de anlisis. Debe destacarse que algunosde los programas de cmputo disponibles utilizan diferentes consideraciones yalgoritmos, por lo que los resultados suelen tener discrepancias considerables. Esposible utilizar otros procedimientos de anlisis tal como el elemento finito, sinembargo, es necesario realizar adecuaciones para su uso.


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Cuando se realiza un diseo de rehabilitacin o de refuerzo de pavimentos consobrecarpetas de concreto hidrulico, es necesario definir el valor estructuralefectivo o de sitio del pavimento existente.

Es importante sealar que por muchos aos, solamente se consider para este

anlisis a la deflexin mxima como indicador de la capacidad estructural de todoel sistema de pavimento para resistir las cargas del trnsito que lo circula. Elestudio de los valores de la deflexin individual mxima y de la forma de ladeflexin o cuenca de deformaciones, representa una tcnica que puede utilizarsepara determinar estimaciones separadas de las propiedades efectivas de la capaque describen colectivamente, la capacidad estructural del sistema de pavimento.

Una cuenca de deflexiones en un pavimento se puede inducir a partir de cargasestticas o dinmicas. Algunos materiales en pavimentos son viscoelsticos, y sucomportamiento se torna elstico debido a las velocidades de aplicacin de cargarpida, mientras que presentan flujo plstico en mayor medida, para velocidadesbajas de aplicacin de la carga; es por ello que la teora elstica es apropiada paracargas dinmicas; sin embargo, es muy difcil verificar si dichas magnitudes dedeflexin igualan a las que se determinan a partir de cargas estticas.

Cuando se aplican cargas dinmicas, los desplazamientos resultantes registradospor cada transductor de deflexin son tambin dinmicos, no obstante, estasamplitudes mximas no ocurren todas al mismo tiempo. En un anlisis esttico, talcomo lo es la teora elstica, dichas deflexiones mximas se analizan como sifueran equivalentes en magnitud a las deflexiones que se presentaran para unacarga igual en magnitud, pero en condiciones estticas.

La teora de elasticidad multicapa es uno de los mtodos de anlisis ms comunesutilizados en el diseo de pavimentos flexibles, y en menor grado de los rgidos.

Varios de los programas de cmputo que utilizan algn tipo de procedimientoiterativo de ajuste de deflexiones o alguna tcnica de bsqueda en base de datos,se han desarrollado para estimar el mdulo elstico del material del pavimento;algunos de los programas de cmputo para estimar mdulos elsticos de unsistema de pavimento son, entre otros, MODULUS, ELMODE, ISSEM4,MODCOMP, FPEDDI, EVERCALC, WESDEF, BOUSDEF, etc.

En la actualidad, existen dos mtodos de anlisis que se pueden aplicar a lospavimentos flexibles: cuasiesttico y dinmico.

El cuasiesttico aqu presentado, incluye mtodos de seccin transformadaBoussinesq-Odemark y subrutinas de integracin numrica por capas, y losmtodos de elemento finito. Como principio general, la seleccin del procedimientode anlisis de datos provenientes de un ensayo no destructivo NDT, con el fin dedefinir mdulos elsticos de capa, debe ser compatible con el de anlisis que seutilizar para disear la rehabilitacin del pavimento flexible; esto es, si se utilizaun programa de cmputo para definir mdulos de capa, en particular para analizar


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4 Mtodos para la estimacin del Mdulo Elstico a partir de mediciones con el Deflectmetro de

Impacto (FWD)

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pavimentos con fines de rehabilitacin, el mismo programa de cmputo (o suequivalente) se deber tomar como base para determinar las propiedades delmaterial a partir de ensayos no destructivos en pavimentos.

De manera similar, si se recurre a un programa de elemento finito como base parael diseo, tambin deber utilizarse para analizar los datos de los ensayos nodestructivos. Es importante aplicar consistentemente el mismo mtodo de anlisistanto en el retroclculo como en las aplicaciones de diseo.

La aproximacin fundamental empleada en la mayora de los mtodos de anlisispor retroclculo para estimar los mdulos de capa en el lugar, es aqul cuyasolucin inicia en la deflexin del transductor externo para definir el mdulo de lacapa inferior de subrasante por encima de la aparente capa rgida, y a la quenormalmente se le ha asignado un mdulo. La secuencia del clculo progresahacia el centro de la cuenca mediante el mdulo conocido de la capa inferior, y ladeflexin para distancias menores. Se repite esta secuencia en un ciclo iterativo,

hasta que se obtiene la solucin que se aproxime ms a las deflexiones medidas ycalculadas.

Cuando se utilizan investigaciones en bases de datos, o mtodos de seccintransformada Boussinesq-Odemark la secuencia puede no ser la misma. En todoslos enfoques se deben conocer o suponer los espesores de capa y las relacionesde Poisson. Aun cuando los principios de tales enfoques se aplican a todos lostipos de pavimentos, algunos mtodos de anlisis son ms apropiados para untipo especfico de pavimento, y un dispositivo de prueba no destructiva enparticular. Asimismo, algunos modelos de anlisis de pavimentos se restringen aestructuras de carpetas en donde la rigidez de las capas decrecen con la

profundidad (por ejemplo, las bases estabilizadas con cemento no podranmodelarse bajo una base granular).

4.2 Aproximacin analticaLa finalidad del presente captulo es presentar los elementos de un criterio paraestimar los mdulos de capa a partir de mediciones de deflexin, que puedenutilizarse en la evaluacin de pavimentos o diseo de sobrecarpetas.

Con la finalidad de caracterizar los materiales en las capas de los pavimentos, elmdulo resiliente medido en laboratorio constituye un insumo para varios

procedimientos de diseo de sobrecarpetas.

El anlisis de la deflexin proporciona una tcnica que puede utilizarse paraestimar el mdulo elstico equivalente de una estructura de pavimento, quesustituye al mdulo resiliente obtenido en laboratorio de muestras pequeas y enalgunas ocasiones de muestras alteradas.


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Para muchos procedimientos de diseo de sobrecarpetas que se basan en lateora elstica multicapa, el mdulo resiliente se aproxima por medio de estemdulo elstico de capa equivalente, debido a que el mdulo equivalente sedetermina como un promedio del total de las capas en las condiciones de esfuerzoen campo, de un pavimento actual.

Es importante destacar que el mdulo de capa calculado con este procedimientoes una condicin especfica de carga y para las condiciones ambientales en elmomento de hacer las mediciones. Para que ese mdulo se pueda utilizar enevaluacin de pavimentos y diseo de sobrecarpetas, es necesario hacer ajustespor temperatura, poca del ao, y carga de diseo.

Las consideraciones implcitas utilizadas en la solucin se basan en la existenciade un arreglo representativo de mdulos de capa para las condiciones particularesde carga (magnitud y rea) y de temperatura. De tal manera que la cuenca dedeflexiones calculada (mediante la teora elstica multicapa cuasiesttica, ysuponiendo caractersticas estticas en el equipo de pruebas no destructivas) seaproxima en gran medida a la cuenca de deflexiones medida. En realidad, loanterior depende de la tolerancia que se permita en el procedimiento. Y en larelacin entre el nmero de capas evaluadas y el nmero de transductores dedeflexin; varias combinaciones de mdulo pueden causar que las dos cuencas seajusten (o estn dentro de tolerancia) en forma razonable.

Es necesario aplicar juicios ingenieriles para evaluar estas alternativas desolucin, y seleccionar la combinacin ms aplicable o eliminar solucionesirracionales, o ambas.

Existen estudios que comparan los resultados de varios tipos de equipamiento ymtodos de anlisis, desafortunadamente se han observado variaciones muyimportantes. A la fecha no se ha obtenido la estimacin de la precisin a partir deseries de pruebas diseadas estadsticamente para diferentes materiales yespesores de capas conocidos.

El retroclculo presenta variaciones muy importantes en las diferentesconsideraciones utilizadas en el anlisis para evaluar la condicin actual, as comocon las tcnicas para inducir y medir las deflexiones. Dado que las metodologaspara el clculo utilizan procesos analticos por computadora, la repetibilidad esmuy buena si la entrada de datos y los parmetros empleados permanecenconstantes.

La dispersin de dichos procedimientos no se ha determinado a la fecha. Laidentificacin del mdulo verdadero en el sitio, basado en ensayos de mdulo deresiliencia, o en algunas otras pruebas de laboratorio requieren estandarizarseantes de que sea posible establecer la dispersin para estos mtodos.


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Impacto (FWD)

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Existen varias tcnicas matemticas basadas en la teora elstica multicapa paraanalizar las mediciones de la deflexin, y determinar el mdulo elstico multicapaefectivo en una estructura de pavimento.

Se debe tener cuidado al emplear el mdulo que se estima a partir de un modelode anlisis diferente al modelo que se usar para el diseo o rehabilitacin, debidoa las diferencias inherentes entre los modelos. Como regla general, el mismomodelo utilizado en el diseo o rehabilitacin del pavimento requiere utilizarse enel estudio de retroclculo del mdulo de capas.

Es posible aplicar las ecuaciones de regresin o algoritmos simplificados,desarrollados a partir de modelos computacionales elsticos multicapa; dichosmodelos producen el mdulo elstico de capa equivalente que se usa pararecalcular en el modelo elstico multicapa, las deflexiones para cada puntoutilizado con la cuenca de deflexiones medida. El porcentaje de error (entre lascuencas de deflexiones calculada y medida) suelen cumplir con los requerimientos

establecidos ms adelante.

4.3 Estimacin del mdulo de capa parapavimentos existentes

En el siguiente apartado se establece una gua para estimar el mdulo de capaestructural en pavimentos.

4.3.1 Ensayo de deflexin

El ensayo se realizar de acuerdo con lo descrito en captulos anteriores, y

pueden utilizarse para dicho ensayo equipos de deflexin de pavimentos queemplean carga dinmica cclica o por impacto.

Es importante destacar que la calibracin, propiamente dicha de los transductoresde deflexin, es esencial para las mediciones precisas de deflexin de lospavimentos, especialmente para aquellos puntos alejados del de aplicacin de lacarga. La localizacin y espaciamiento de las mediciones se comentaron en elcaptulo 2 de la presente publicacin.

4.3.2 Definicin de las secciones de pavimento

La esquematizacin de los parmetros de deflexin en funcin de la distancia oestacin, puede ser muy til para definir subsecciones de pavimento concaractersticas similares. Las grficas de los perfiles longitudinales tanto de ladeflexin mxima como de las mediciones de deflexin ms alejadas del punto deaplicacin de carga, deben realizarse para el pavimento que se est evaluando.

Si la carga que se aplica para inducir dichas deflexiones vara ms all del 5 %, lasde tipo individual (particularmente las que representan la deflexin mxima) deben


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normalizarse con respecto a la magnitud de referencia para disminuir la dispersinen los datos. Lo anterior se realiza al multiplicar la deflexin medida por la relacinde cargas de referencia, respecto a la carga aplicada.

Se pueden graficar otros parmetros, por ejemplo el AREA como indicador de la

variacin de la capacidad de distribucin de la carga del pavimento. Sin embargo,el anterior proceso de normalizacin no es necesario o apropiado para el clculode AREA. La frmula general para ello se define para ms de un transductor dedeflexin (existen otras definiciones para un nmero especfico de transductores).Los resultados a partir de diferentes ecuaciones, pueden no ser comparables.

( ) ( ) ( ) ( )[ ]max

1

2

max122/2/2/ ddDistdDistDistdDistAREA

nn

n

i

ii+

++=

=+

En donde:

n = nmero de transductores utilizados para medir la cuencade deformaciones

di = deflexin medida con el transductor iDist2 = distancia entre el transductor 2 y el 1Distn = distancia entre el transductor n y el n-1Disti = distancia entre el transductor i y el i-1Disti+1 = distancia entre el transductor i y el i+1, ydmx = deflexin mxima al centro de la carga, medida con el

transductor 1

Con la evaluacin de stos y otros perfiles longitudinales, los segmentos depavimentos con caractersticas de respuesta significativamente diferentes, sepueden visualizar o disear estadsticamente, o ambos, como subseccionesindividuales.

Para algunos procedimientos de diseo de sobrecarpetas, los resultados a partirde las deflexiones medidas se utilizan inicialmente para designar secciones dediseo, y ayudar en la evaluacin de las diferencias en las propiedades delmaterial. Los datos de deflexin se grafican en forma de perfil, localizndolos entoda la longitud de la seccin del pavimento; y entonces se separan ensubsecciones con caractersticas similares de cuencas de deflexin.

En otros procedimientos, inicialmente se calcula el mdulo de capa para cadacuenca de deflexiones medida; entonces ese mdulo, o el comportamientoesperado del pavimento (basado en dicho mdulo) se utiliza para definirsubsecciones homogneas.

Las subsecciones con deflexiones similares, caractersticas de la cuenca dedeflexiones, mdulo, comportamiento esperado, o cualquier combinacin de ellos,


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Es necesario introducir los datos sealados por el modelo de anlisis elegido paracada deflexin individual, o para la cuenca de deflexiones medida que se pretendeanalizar.

Se incluyen en el conjunto de datos de entrada las caractersticas del dispositivo

de ensayo no destructivo, la relacin de Poisson, el espesor de todas las capasindividuales definidas, los valores de deflexin y su ubicacin, y posiblemente,estimaciones iniciales de los mdulos elsticos por capa.

La relacin de Poisson de la subrasante tendr que seleccionarsecuidadosamente, ya que simplemente pequeas variaciones en su valor, puedencausar diferencias considerables en la estimacin del mdulo de las capassuperiores. Los rangos tpicos de la relacin de Poisson que se pueden utilizar sino se dispone de otros datos, son los siguientes:

Material Relacin de PoissonConcreto asfltico 0,30 a 0,40

Concreto hidrulico 0,10 a 0,20

Bases granulares 0,20 a 0,40

Suelos cohesivos 0,25 a 0,45

Suelos estabilizados con cemento 0,10 a 0,30

Suelos estabilizados con cal 0,10 a 0,30

Es importante destacar que los valores de la relacin de Poisson para basesgranulares y suelos cohesivos, dependen del nivel de esfuerzo-deformacin y elgrado de saturacin.

En los programas en los que se requiere el mdulo, su seleccin puede afectar elnmero de iteraciones necesario, el tiempo requerido para alcanzar una solucinaceptable, y posiblemente el valor final del mdulo que se acepte. En unaseleccin extremadamente pobre del mdulo el anlisis puede fallar, al intentarencontrar la solucin dentro de las tolerancias especificadas entre las deflexionesmedidas y las calculadas. En este caso es factible aceptar un arreglo alterno de

mdulos que puede proporcionar una solucin aceptable antes de alcanzar elnmero mximo de iteraciones.

A menudo, cuando la tolerancia es muy cerrada el mdulo final que se calcula nose ve afectado por los valores elegidos para la combinacin inicial del mdulo. Sepueden utilizar los siguientes valores de mdulo si no se dispone de otros datos:


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MaterialMdulo elstico

MPa

Concreto asfltico 3 500

Concreto hidrulico 35 000Bases tratadas con cemento 4 100

Suelos estabilizados con cemento 350

Bases granulares 200

Suelo estabilizado con cal 140

Sub bases granulares 100

Suelos cohesivos 50

Por otro lado, muchos programas requieren un rango de valores de mduloaceptable en cada capa, para proporcionar velocidad de operacin y limitar elmdulo a sus valores prcticos aproximados.

4.3.3 Capas delgadas de pavimento

Cuando las capas superiores son delgadas; esto es, menores de un cuarto deldimetro del rea cargada (por ejemplo, 75 mm o menos para una placa de 300mm de dimetro), o capas ms delgadas que la capa inmediatamente superior, elmdulo elstico a menudo no puede determinarse con precisin por la mayora delos mtodos de retroclculo. Estas capas delgadas, si es posible debern

combinarse al asignar el espesor con un tipo de material similar por arriba o porabajo de dicha capa delgada. O bien, el mdulo de capas delgadas puedeestimarse y asignarse como valor conocido.

Para capas delgadas de concreto asfltico (con pocas grietas) sobre basesgranulares, el mdulo elstico se llega a medir en laboratorio por el mtodo ASTMD 4123, o estimarlo matemticamente utilizando ecuaciones de regresindisponibles o nomogramas. La temperatura para la cual se determina o estima elmdulo, corresponder a la que existe en campo al momento de haber medido lasdeflexiones.

Para pavimentos flexibles, con tratamiento superficial simple o doble (uno o dosriegos), la capa superficial se combina normalmente con el material de base en elprocedimiento de retroclculo.

4.3.4 Nmero de capas

Con base en recomendaciones prcticas, el nmero de capas desconocidas(incluyen la subrasante, pero excluyen cualquier capa aparentemente rgida) para


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que se haga su retroclculo, no debe ser mayor de cinco y preferentementemenor. Con el fin de obtener la solucin para un nmero de capas desconocidas(por ejemplo, cuatro mdulos de capa), como mnimo que el mismo nmero omas, si estn disponibles de conocidas (por ejemplo, cinco deflexiones) se debenproporcionar para definir de mejor manera la cuenca, y reducir el nmero de

combinaciones factibles de mdulo que podran conllevar a un arreglo de lacuenca de deflexiones.

A pesar de que se pueden derivar artificialmente ms puntos de deflexin porinterpolacin entre puntos medidos, no es recomendable debido a que resulta fcilintroducir errores adicionales por no interpretar los cambios correctos en laspendientes entre puntos. Por tanto, si se utilizan cuatro transductores, entonces esnecesario contar con cuatro capas conocidas (tres capas de pavimento y lasubrasante) en la evaluacin estructural.

En un pavimento en donde se construyeron de tres a cinco capas, el espesor delas capas de materiales similares (mismo tipo de carpeta) se puede combinar enuna capa estructural efectiva para fines de retroclculo. Estas tcnicas de anlisis,en general progresan iterativamente hacia el centro de la cuenca de deflexiones apartir de la orilla de la cuenca, determinando dichos mdulos de capa. Por ejemplosi es factible calcular la distancia mnima a partir del centro de la aplicacin de lacarga para la cual la deflexin medida en la superficie del pavimento, sto se debeprincipalmente a la deformacin o deflexin de la subrasante (Figura 4.1)relativamente independiente de las capas superiores.

Figura 4.1. Representacin de un ensayo no destructivo, en donde se aprecia la

distribucin de las deformaciones en las diferentes capas de un pavimento

Por tanto, una deflexin obtenida ms all de esta distancia se puede utilizar paraobtener el mdulo efectivo de la subrasante directamente para este nivel deesfuerzos. En materiales cuya rigidez depende del nivel de esfuerzos, es de

Inicio de la deflexin

Aplicacin de la carga

Distribucin de la deformacin vertical

Superficie

Base

Sub base

Subrasante


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suponer que el primer transductor ms all de esta distancia se utiliza paracalcular el mdulo de la subrasante.

De acuerdo con los materiales que conforman la estructura del pavimento, podrnemplearse parmetros no lineales de respuesta en el proceso. Cada punto dedeflexin sucesiva es factible atribuirse a deformaciones que surgen en respuestaa la carga en ms capas sucesivas y sta por tanto, proporciona informacinadicional conocida acerca de capas superiores. El mdulo efectivo de talescapas superiores se estima entonces, utilizando las deflexiones ms cercanas (ala carga) y el mdulo de capa calculado con anterioridad para la capa inferior.

4.3.5 Estimacin de una capa aparente rgida

Muchos procedimientos de clculo incluyen una capa rgida aparente (Mr = 700 a7000 MPa) para algn espesor en la subrasante. Lo anterior intenta simular ya seaa la capa dura o el espesor, para el cual la deflexin es despreciable. Las

investigaciones han mostrado que los resultados del anlisis llegan a calificarsecomo bastante imprecisos por no incluir tal capa, o por no localizar esta capargida cerca de la profundidad en el sitio; particularmente si dicha profundidad esmenor a seis metros.

La magnitud de este error tambin se ve afectado por el modelo de la subrasante,por ejemplo, un material cuya rigidez varia por el nivel de esfuerzos(reblandecimiento) podra tambin clasificarse como una subrasante ms rgidacon el espesor, o disminucin de esfuerzo, si se incluye en el total de las capas.

4.3.6 Tolerancias en el ajuste de las deflexiones

La precisin en el mdulo final en el retroclculo se ve afectado por la toleranciapermitida en el procedimiento para determinar la concordancia entre lasdeflexiones medidas y las calculadas. Se emplean dos diferentes aproximacionespara evaluar dicha concordancia: la suma aritmtica absoluta del porcentaje deerror (AASE por sus siglas en ingls) y la raz cuadrada media del porcentaje deerror (RMSE, por sus siglas en ingls). En ambos, el ingeniero deber tener enmente que el significado del error aleatorio del transductor puede ser mucho msgrande para los transductores localizados en los extremos en donde lasdeflexiones medidas son muy pequeas; por tanto, pueden considerarsediferentes factores de peso.

Se puede utilizar una suma aritmtica absoluta del porcentaje del error paraevaluar la concordancia entre las cuencas de deflexin medida y la calculada, y sedefine como:

( )=

=N

I

iiidmeddcalcdmedAASE

1

/100


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En donde:

N = nmero de transductores para definir la cuenca dedeflexiones

dmedi = deflexin medida en el punto i

dcalci = deflexin calculada en el punto i

La magnitud de la tolerancia vara con el nmero de los transductores de deflexinutilizados para definir la cuenca de deflexiones. Se sugiere que la suma delporcentaje de error no sea mayor que los siguientes valores para la seccin delpavimento que se quiere caracterizar:

9 a 18 % para nueve transductores de deflexin7 a 14 % para siete transductores de deflexin5 a 10 % para cinco transductores de deflexin

No se deben utilizar menos de cinco transductores de deflexin para definir lacuenca de deflexiones.

Como ya se mencion, se puede utilizar tambin una raz cuadrada media delporcentaje de error para evaluar la concordancia entre las cuencas de deflexinmedida y calculada. Esta medicin aunque depende menos del nmero detransductores utilizados para caracterizar la cuenca de deflexiones, debe cumplircon el mnimo de cinco transductores como se haba indicado en el caso anterior;este parmetro se define como:

( )[ ]5.0

1

2//1100

= =

n

i

iiidmeddmeddcalcnRMSE

En donde los parmetros tienen el mismo significado que el indicadoanteriormente. En este caso se recomienda una tolerancia lmite de 1 a 2 % delparmetro.

En el caso de que no se cumplan los requerimientos del porcentaje de errorsealados, entonces se pueden establecer condiciones para adaptar lasconsideraciones que se hacen en la teora de elasticidad multicapa; o bien lacomposicin actual de capas o espesores propender a diferir significativamente de

aquellos utilizados en el modelo. Se soluciona el problema mediante msmuestreos de materiales en la zona; pero de no ser as, entonces se harnecesario utilizar modelos ms complejos que puedan simular cargas dinmicas,sin homogeneidades en el material o discontinuidades fsicas en el pavimento.

Existen algunos factores que pueden afectar la precisin y aplicabilidad delretroclculo del mdulo de capas. Cualquier mtodo de anlisis que utiliza unprocedimiento iterativo o de bsqueda para ajustar cuencas de deflexiones


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Impacto (FWD)

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calculadas con medidas, contendr algn tipo de error. La magnitud de stedepende de diferentes factores; algunos de los cuales incluyen: la combinacin dediferentes capas en una capa estructural; nmero de puntos de deflexin ylimitaciones en el nmero de capas utilizadas para el anlisis; ruido oimprecisiones encontradas en los transductores de medicin por s mismos;pequeas deflexiones que estn muy cerca de la magnitud de los erroresaleatorios para dichos transductores; discontinuidades tales como grietas en elpavimento, particularmente si se localizan entre la carga y el transductor;consideraciones imprecisas de la existencia y profundidad de la capa firme;profundidades menores de 1,5 m de dicha capa, que suelen requerir anlisisdinmico; diferencias entre los espesores reales de capa y los espesoressupuestos.

Debido a la imprecisin o no disposicin de mediciones o variabilidad de punto apunto; saturacin de arcillas inmediatamente por debajo de los materiales de base;suelos extremadamente blandos por debajo de la base, y sobreyaciedo a suelos

mucho ms rgidos; distribucin de presin debida a la carga de manera nouniforme en el rea de contacto con el pavimento; materiales no lineales, nohomogneos o anisotrpicos en la estructura del pavimento (especialmente en lasubrasante) y para capas sucesivas; relaciones de rigidez (Mrcapa_superior/Mrcapa_inferior) menores que 0,5.


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Conclusiones

La medicin de las deflexiones se utiliza ampliamente para evaluar la capacidadestructural de los pavimentos en campo y dentro de la tecnologa en pavimentos;particularmente en el anlisis estructural de los mismos existen diversasmetodologas y equipos para tales propsitos.

Por su naturaleza, los ensayes realizados mediante este procedimiento sedenominan no destructivos NDT (Non Destructive Test).

Los ensayes no destructivos de deflexiones proporcionan informacin acerca de laevaluacin estructural de los pavimentos. Adems, los resultados de dichasdeflexiones tambin son aplicables para determinar caractersticas de pavimentostales como el mdulo de elasticidad de cada capa; rigidez combinada de lossistemas de pavimentos; eficiencia en la transferencia de carga en las juntas depavimentos de concreto hidrulico; mdulos de reaccin de la subrasante; espesorefectivo; nmero estructural, o valor de soporte del suelo; capacidad de carga, ocapacidad de soporte del pavimento, entre otros.

Como se ha comentado en incisos anteriores, las mediciones realizadas con eldeflectmetro de impacto se pueden utilizar en la comparacin del estado de lascapas del pavimento, basndose exclusivamente en las deflexiones medidas y/oen la forma que presenta la cuenca de deformaciones. Lo anterior toma particularimportancia si se considera que las tensiones y deformaciones de las capas delpavimento, constituyen los elementos fundamentales en el proyecto.

Cuando se comparan, simplemente los niveles de deflexin es importante tomaren cuenta que una comparacin de pavimentos con diversas caractersticas, quese basa exclusivamente en la medida de la deflexin debe tenerse precaucin, yaque la relacin entre las deflexiones, y las tensiones y deformaciones varan enestructuras de pavimentos diferentes. Para una cuenca de deflexiones nica, esfactible definir valores de tensin y de deformacin distintos dependiendo de laestructura.

Se destacan varios de los factores que afectan los resultados de las pruebas nodestructivas en la determinacin de deflexiones, las cuales deben tomarse encuenta para eliminar o minimizar su efecto, o bien considerarlos en lainterpretacin de los resultados. Dichos factores son entre otros, la magnitud yduracin de la carga; las propiedades no lineales de los materiales que conformanlos pavimentos; la temperatura y humedad; condicin en la que se encuentre elpavimento.

Uno de los factores que afectan en gran medida, la magnitud de las deflexionesmedidas es la temperatura, por lo que es necesario realizar investigacin tendiente


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a entender mejor este fenmeno; existen varios intentos en ese sentido, sinembargo, no ha sido posible a la fecha llegar a un consenso.

Por otro lado, es indispensable considerar los cambios estacionales en elcomportamiento de los pavimentos, particularmente en su cambio de rigidez; lo

anterior enfatizando las variaciones de humedad en las capas del pavimento,sobre todo en las subrasantes con materiales finos.

Se han desarrollado intentos orientados a estudiar la profundidad de la capargida, en la cual se ha determinado que existe una importante influencia en losvalores de los mdulos calculados, especialmente si se encuentra paraprofundidades someras; es necesario estudiar su respuesta en dichos valores a finde considerar su influencia en el momento de interpretar los resultados a partir deensayos no destructivos en campo.


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Certificacin ISO 9001:2000 segn documento No 03-007-MX, vigente hastael 24 de octubre de 2006 (www.imt.mx)

Laboratorios acreditados por EMA para los ensayos descritos en losdocumentos MM-054-010/03 y C-045-003/03, vigentes hasta el 9 de abril de

2007 (www.imt.mx)

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Uso y calibración de deflectometros de Impacto

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