el origen del deflectómetro de impacto

El deflectómetro de impacto es uno de los equipos más conocidos y de mayor difusión en el mundo para la auscultación de la capacidad estructural de los pavimentos. No obstante, pese a que tanto su principio de medida como las posibilidades de análisis que existen para la interpretación de los datos que ofrece son bien conocidas por los técnicos del sector, su origen, al menos para mi, había pasado hasta ahora bastante desapercibido.

Sin embargo, durante una de mis habituales búsquedas en Internet por las páginas relacionadas con las carreteras, encontré casualmente un documento muy interesante al respecto del ingeniero danés Axel O. Bohn titulado "The history of the Falling Weight Deflectometer (FWD)" en el que relata los 25 primeros años de historia de estos equipos. Esta entrada no es más que resumen traducido y comentado en que trato de poner de relieve el contenido más interesante de dicho documento, que por otro lado puede descargarse en la página web de la compañía holandesa Grontmij Pavement Consultants (la división de ingeniería de la antigua A/S Phønix, que a su vez había sido previamente adquirida por la conocida Carl Bro) y cuya lectura completa recomiendo sin duda alguna.

los primeros deflectómetros

La historia de los deflectómetros de impacto (falling weight deflectometer en países de habla inglesa e incluso en algunos latinoamericanos) se remonta a los inicios de la década de los 60 del s.XX, cuando los ingenieros franceses del LCPC (Laboratoire Central des Ponts et Chaussées) comienzan a investigar sobre una forma alternativa a la viga Benkelman para medir la capacidad estructural de los pavimentos mediante ensayos de carga con placa, siendo conscientes de que éstos no podían ser, por las características de los pavimentos, de tipo estático; estas investigaciones dan lugar a la construcción del primer prototipo de esta clase de equipos para la medida de la deflexión, cuyo principio de medida era una masa que se dejaba caer sobre un sistema de muelles sin amortiguamiento.

Este sistema presentaba el problema de que, debido a la presencia del sistema de muelles sobre el que impactaba la masa, era difícil controlar la forma del ciclo de carga durante los ensayos. Para solventarlo, los ingenieros franceses idearon un nuevo sistema de dos muelles, con una masa entre ellos, consiguiendo de esta manera que el ciclo de carga fuese de tipo sinusoidal. No obstante, mediante este sistema, la duración de la carga era en todos los casos superior a 40-50 ms, demasiado para simular el paso de una rueda cargada circulando a una velocidad similar a la de un vehículo pesado.

Por ello, los investigadores franceses idearon el sistema que, con las evoluciones correspondientes, ha llegado hasta la actualidad: el deflectómetro con aplicación de carga amortiguada. De esta forma, la aplicación de la carga seguía siendo de tipo sinusoidal, y además la duración del impacto pasó a ser del orden de 28 ms, lo que sí permitía simular el paso de una rueda  cargada a velocidades normales de circulación. Sin embargo, y pese a estos avances, los franceses decidieron no continuar adelante con la investigación, centrándose en el desarrollo de una viga Benkelman móvil - el deflectógrafo Lacroix - y posteriormente apostando por el curviámetro.

Casi coincidiendo en el tiempo, en el Danish Road Laboratory (actualmente Danish Road Institute) comenzaban a interesarse por esta tecnología, llegando incluso a construir un prototipo como resultado de los trabajos de investigación de Finn Hansen ("Curvature measurement, dynamic plate loading") y de Per Ullidtz y Michael Cautier ("Dynamic plate loading tests - Valocity os sound measurements"), que, sin embargo y debido a la forma del ciclo de carga, se muestra inferior a la tecnología desarrollada en Francia.

Es por ello que los ingenieros daneses, tras las lecturas de los trabajos de sus colegas franceses, adoptan su tecnología (la del sistema de masa amortiguada), y de esta manera la Technical University of Denmark construye su primer deflectómetro, cuya forma de trabajo es similar a lo que conocemos hoy en día. 

En este equipo, una masa de 150 kg (sí, efectivamente, 150 kg), era elevada manualmente una altura de 40 cm, y se dejaba caer sobre un sistema de tres muelles amortiguadores en forma de 'S', que transmitían la carga a una base formada por tres columnas huecas equipadas con galgas extensiométricas, para la medida del pulso de carga. Dichas columnas de transmisión de carga estaban fijadas a una placa de goma de 30 cm de diámetro, en cuyo centro existía un hueco en el que se colocaba la punta de un sensor para la medida de la deflexión que debía sostenerse manualmente. La señal registrada por este sensor era amplificada y grabada mediante un alfiler sobre un papel encerado.

Como puede comprenderse, la operación de dicho equipo no era muy sencilla, así como su transporte. Como se indica, la masa era de nada más y nada menos 150 kg; por no decir que la persona que sostenía el sensor deflectométrico la veía caer a unos pocos centímetros de su cabeza.

No obstante, se produce un gran avance cuando, entre 1968 y 1969, la compañía A/S Phønix del ingeniero civil J.B. Villadsen, quien había conocido los estudios relacionados con los deflectómetros de impacto en la propia Technical University of Denmark, comienza a construir en serie unos deflectómetros de impacto mucho más manejables y seguros. Entre aquellos dos años se fabrican y comercializan por esta compañía 65 de estos equipos.

Posteriormente, en el año 1975, los muelles amortiguadores en forma de 'S' son sustituidos por topes de goma, debido a que aquellos se deterioraban rápidamente con el uso, tras probar en diversos ensayos que de este modo también se podía obtener el tipo y duración de carga deseados. Es entonces cuando se introducen sucesivamente las mejoras que hoy conocemos en el dispositivo: la elevación de la carga mediante bombas hidráulicas, el montaje del equipo en un remolque que puede ser fácilmente transportado, y la medida electrónica de las deflexiones mediante los primeros sensores LVDT (linear variable differential transformer o transformador diferencial de variación lineal), en los que el movimiento lineal de un núcleo ferromagnético en el interior de una bobina genera un voltaje proporcional a la deflexión.

A partir de entonces, el desarrollo se intensifica y se diversifica por el mundo, y en 1976, Dynatest, que hasta entonces colaboraba con la propia A/S Phønix, pone a la venta su primer deflectómetro propio; también en esa fecha la casa sueca KUAB introduce en el mercado su primer modelo y en el año 1987, la americana JILS es la que entra en el sector.

los deflectoescépticos

Al igual que los franceses, tampoco el RRL (Road Research Laboratory, actualmente Transport Research Laboratory) inglés se había interesado en un principio por el desarrollo de los deflectómetros de impacto, debido a que según la opinión de sus expertos, la carga aplicada podía simular razonablemente bien el paso de una rueda a velocidad de circulación en las capas superiores del pavimento, pero en las capas inferiores sería extremadamente baja y por tanto no se podría reproducir correctamente el comportamiento de las mismas.

Sin embargo, los estudios de Per Ullidtz en 1978, en los que trabajó sobre dos secciones full-depth convenientemente instrumentalizadas para registrar la deflexión en la superficie, así como la tensión vertical y la deformación horizontal en la fibra superior de la capa bajo la mezcla asfáltica, cuando eran sometidas a al paso de una rueda cargada, a la aplicación de la carga por un deflectómetro de impacto, y en un ensayo con viga Benkelman respectivamente, demostraron que la deflexión superficial era casi idéntica entre los resultados obtenidos para la rueda cargada y para el deflectómetro, pero que los obtenidos mediante la viga Benkelman eran notablemente superiores, acentuándose la desviación cuando la temperatura era más elevada. Los resultados respecto a la tensión vertical y la deformación horizontal en la capa inferior fueron en el mismo sentido: no existía diferencia entre la rueda cargada y el deflectómetro de impacto.

el cuenco de deflexión

En un principio, en los ensayos con deflectómetro de impacto únicamente se medía la deflexión bajo el punto de aplicación de la carga. Sin embargo, esta deflexión global del pavimento ofrece muy poca información del estado de todas las capas (en explanadas granulares, puede decirse que en torno al 75% del valor de la deflexión es debido al soporte del pavimento). De ahí, la necesidad de obtener datos de deflexión en algunos puntos alejados del punto de aplicación de la carga, con el objetivo de conocer la forma del denominado cuenco de deflexión.

Aunque ya con anterioridad y referido a los ensayos con la viga Benkelman se había puesto de manifiesto la oportunidad de registrar simultáneamente en radio de curvatura, es en 1970 cuando C.P. Walkering, de Shell, sugiere la medida de la deflexión en el punto de aplicación de la carga y a una distancia de dos veces el radio de la placa de aplicación de la carga, gracias a las cuales se podría determinar el módulo elástico de las capas en un sistema bicapa de espesores conocidos. Profundizando en dicha idea, posteriormente, en 1974 Ullidtz propone la medida de la deflexión también a una distancia de cinco veces el radio de la placa. Como se sabe, actualmente los deflectómetros de impacto incluyen al menos 6 y hasta 9 geófonos capaces de registrar la deflexión en tantos puntos distanciados secuencialmente del punto de aplicación de la carga.

el deflectómetro de impacto en la actualidad

Esta es la historia que probablemente, como yo hasta hace poco, no conocías. El resto se puede deducir de la práctica habitual: el deflectómetro de impacto es el equipo de referencia para la auscultación del estado estructural de los pavimentos para las más modernas y competentes administraciones de carreteras. La información que ofrece es esencial en diversos métodos de dimensionamiento de pavimentos rehabilitados, como el conocidísimo AASHTO Guide for Design of Pavement Structures o el más reciente Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, pasando por la Guide to Pavement Technology de Austroads. Las avanzadas técnicas de cálculo inverso permiten obtener, a partir del cuenco de deflexión proporcionado por un deflectómetro moderno y junto con los datos de espesores de las capas del pavimento, el estado estructural de cada una de ellas. Y no sólo eso, sino que existen métodos, en los que partiendo del análisis de los cuencos de deflexión en un pavimento flexible, es posible evaluar su condición estructural y determinar el espesor de recrecimiento necesario para satisfacer la demanda de tráfico futura sin necesidad de conocer el espesor de las capas (método YonaPave desarrollado por el Dr. Mario Hoffman).

8 comentarios:

  1. Me ha gustado bastante ya que no conocia (no se porque) la historia de los FWD ( que a pesar de nuestra devocion sigue siendo un lejano remedo de la realidad de las cargas sobre el firme). No comentas las diferencias entre FWD y sobre eso habra que profundizar y realizar ensyos comparativos entre al menos Dynatest (geocosa creo) y KUAB (EXAEPO). Imagino (y deseo) que tu proposito es agitar un poco las (en algunos casos) fetidas aguas de la ingenieria de firmes. Ciero que en España hay poca ocasion y menos interes en agilizar y modernizar este mundillo pero tu tienes una etrnidad (o casi) por delante y ten presente siempre (si quieres claro) que el conocimiento siempre esta un poco mas alla de lo que uno cree y necesita
    Busca mas informacion sobre los KUAB. Fernando y Dan pueden aportar cosas

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    1. Gracias, Ramón, me alegro de que te haya gustado y acepto la propuesta para una próxima entrada.

      Sé que en alguno de nuestros trabajos tuvimos que buscar una correlación para comparar equipos (Dynatest vs. Kuab), pero ahora no recuerdo en cuál fue, pero efectivamente la literatura técnica dice que las deflexiones obtenidas son diferentes debido a las distintas formas de aplicación de la carga.

      Por otro lado, no sé si recuerdas, durante los trabajos de redacción de la Norma de secciones de firme de la Comunitat Valenciana se realizaron algunas comparativas, en este caso, para explanadas (es decir, suelos granulares y estabilizados) y en algunas capas de zahorra. En esas circunstancias, y como se recoge en el Anejo B de dicha norma, no existen diferencias significativas entre dichos equipos.

      Por cierto, no sé si alguien aparte de los que participamos activamente en aquella norma se habrá leído con atención dicho anejo, y se habrá dado cuenta de la cantidad de valiosa información que contiene...

      Por otro lado, entiende que en estas entradas debo ser necesariamente breve, pues si no corro el riesgo de espantar a los posibles lectores y curiosos con mis interminables párrafos repletos de subordinaciones. No puedo contar todo en una entrada, me aburriría hasta yo mismo :-)

      ¡Un abrazo!

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  2. Ricardo,

    Enhorabuena y animo con el blog, me parece genial.

    Hace un par de semanas, me encontre buscando en google la historia del deflectometro. Te incluyo la web que encontre de Grontmij y un documento en su web sobre la historia de los FWD. Su vision claro.

    http://www.pavement-consultants.com/about-us/fwd-history.aspx

    Aunque sospecho que ya lo has consultado.

    Un abrazo

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    1. Buenos días, Pedro.

      Efectivamente, en esa web es donde encontré el documento base (lo indico en la introducción del artículo). Es interesante, a mi me ha llamado sobre todo la atención la relación de los franceses con el deflectómetro: inician su desarrollo, lo abandonan para avanzar con el Lacroix, insisten con el Curviámetro... pero curiosamente, en las últimas versiones de su Alizé incluyen módulos para realizar cálculo inverso, que evidentemente requiere el empleo del deflectómetro. ¿Rectificar es de sabios?.

      Un abrazo y gracias por tus comentarios ;-)

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  3. Otro comentario. El metodo Yonapave, se esta usando bastante en sudamerica. Busca documentos que refieran al metodo de Hogg y aparecen distintas variantes. En algun caso incluso cuentan la historia del metodo mencionan a Mario Hoffman y se pueden encontrar ejemplo de uso. Interesante para profundizar.

    Si te animas, da para otra entrada o mas.

    Otro abrazo.

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    1. ¡Gracias de nuevo por la sugerencia, Pedro, tomo nota!

      En el VII Congreso Nacional de Firmes celebrado en Ávila en 2006 (por cierto, ¿alguien sabe qué fue de los congresos nacionales de firmes?), presentamos un trabajo titulado "Evaluación estructural de firmes a nivel de Red. Método Práctico" en el que se tocaba el tema.

      Tengo en mente su revisión y actualización para dedicarle una entrada, pero como anticipo, dejo la introducción de aquel texto:

      Entre los métodos para el dimensionamiento de una rehabilitación estructural de un firme flexible, se comenta, por su simplicidad y su aplicabilidad a nivel de red, el conocido como YonaPave, desarrollado por el Dr. Mario S. Hoffman. La solución proporcionada por el método YonaPave se obtiene a partir de unas sencillas ecuaciones, que pueden resolverse con una calculadora de bolsillo, por lo que el método parece adecuado para obtener una estimación del número estructural efectivo y del módulo resiliente de la explanada en el propio lugar del ensayo. La simplicidad del método, junto con su independencia del espesor del firme, hace que sea útil para tratar con una colección de datos obtenidos en campañas de auscultación sistemática a nivel de red, de modo que se puede determinar la evolución del estado estructural del firme con el tiempo.

      Sería muy interesante para aplicarlo aquí, al menos en redes pequeñas. Pero para eso, claro, habría que utilizar el deflectómetro, y por lo que parece, en España sigue habiendo deflectoescépticos a quienes les sigue produciendo urticaria.

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    2. Interesante el artículo y los comentarios.
      Disinguido Ricardo, mucho gusto, mi nombre es Wilfredo Tejerina de Bolivia y a fines de sep-2015, estuvimos en las oficinas de ACCIONA INGENIERIA en Madrid, conocimos a Pedro y a tu hermano Carlos, que -habrá que elogiar y hacer propicia la ocasión para agradecer- nos facilitó entradas como socios para el partido Atletico de Madrid - Getafe.

      Volviendo al tema, visitando la página mencionada por Pedro, comentar que en Bolivia desde el 2002 aprox se trabaja con el PRIMAX 1500, inclusive existe una foto en dicho artículo del equipo con vehículo Nissan de color guindo como unidad tractora y el Cerro del Illimani de fondo, ícono turístico de la ciudad de La Paz - Bolivia.

      Despues de la visita a Madrid, y al estar próximos a trabajar con el deflectómetro KUAB 2m 50, nos gustaria conocer tu percepción y comentarios sobre las ventajas y desventajas de dicho equipo en comparación de los que produce Dynatest hoy Grontmij, independientemente de citar aspectos relacionados en la Norma de Firmes Valenciana.
      Pedro gentilemente nos dió su parecer en cuanto a KUAB, empero nos es necesario conocer criterios de personas que han trabajado y conocen los detalles de ambos equipos, a fin de ampliar el abanico de juicios y opiniones.

      Gusto conocer tus trabajos, habrá la oportunidad de conocernos en persona. Pedro podrá darte refernias de mi persona.

      Saludos, Wilfredo Tejerina
      ACCIONA INGENIERIA, Sucursal Bolivia

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    3. Buenos días, Wilfredo.

      Si es posible, te rogaría que contactases conmigo a través del correo electrónico que puedes encontrar en mi CV o en mis datos de contacto, o que me dejes aquí una dirección a través de la cual pueda contactar contigo en privado.

      ¡Muchas gracias y un saludo!

      Ricardo

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