El diseño y la construcción de un prototipo con el cual es posible medir cargas vehiculares en un pavimento flexible, a partir de las vibraciones que dichos vehículos generan cuando se movilizan sobre esta estructura vial, es presentado en este artículo.
El principio físico es simple: cuando un vehículo circula sobre la superficie de un pavimento, éste genera vibraciones que pueden ser percatadas en zonas adyacentes a la vía en estudio, y las amplitudes de dichas deformaciones pueden dar información sobre la magnitud de la carga rodante.
Adicionalmente, se reportan los resultados de un estudio de campo ejecutado con el fin de calibrar una ecuación matemática que simula las señales de vibración obtenidas con el prototipo. De manera general se concluye que el prototipo es capaz de predecir la carga que circula sobre el pavimento a partir de las vibraciones que éstos inducen cuando transitan sobre la capa de rodadura.
Introducción
Una de las principales variables del diseño de estructuras de pavimentos es el tránsito. Esta variable se calcula realizando el conteo y pesaje de vehículos y ejes de carga que circulan por una vía durante un período determinado de tiempo (generalmente una semana), para luego ser proyectados al período de diseño con el fin de estimar el número de ejes de carga que circulará por la vía durante la vida útil de la estructura de pavimento.
Cada eje de carga puede presentar peso, configuraciones y presiones de inflado de llanta diferentes los cuales aportan a la estructura un grado de agresividad y deterioro (medido principalmente en términos de fatiga, ahuellamiento y erosión) distinto.
Por lo anterior, por lo general, para el cálculo de la variable tránsito, este grado de agresividad de cada eje de carga se convierte al que en teoría producirá un eje estándar equivalente de 8,2 t. Una nueva metodología para evaluar el grado de desempeño de los pavimentos es utilizar como variable tránsito espectros de carga.
De acuerdo con Castellanos y Rojas (2005), los espectros de carga son la representación gráfica de la carga por eje que hace uso de la vía en un período determinado de tiempo, y se representan por medio de histogramas que son desagregados por cada tipo de vehículo que circula por la vía.
Esta variable está siendo utilizada por metodologías recientes para el diseño de pavimentos como por ejemplo la MEPDG (2004) y podría en un futuro desplazar la forma tradicional de cálculo en ejes equivalentes de 8,2 t. Con los espectros de carga se tiene en cuenta que sobre un pavimento las cargas que circulan tienen diferentes magnitudes y configuraciones.
En Colombia, el pesaje de vehículos de carga para el cálculo de la variable tránsito se realiza por medio de básculas. El anterior procedimiento tiene como principales desventajas:
- Se necesitan estaciones especiales de pesaje (por lo general fuera de las ciudades en los peajes).
- Es difícil el pesaje de los diferentes vehículos en puntos específicos sobre vías urbanas.
- El pesaje se realiza de manera estática y se observa la distribución por eje, más no el impacto dinámico del conjunto de ejes de carga.
- Procedimiento lento, costoso y peligroso en carreteras de alto flujo vehicular.
- En algunas ocasiones, vehículos circulando con exceso en su peso máximo permitido de carga no pueden ser identificados, debido a que los operadores de dichos vehículos conocen el sitio exacto en donde se realiza la medición de la carga y desarrollan estrategias para no ser identificados.
Lo anterior genera un incremento en el riesgo de accidentes de tránsito y mayor daño a las estructuras viales. Para poder solventar las anteriores deficiencias se propuso diseñar y construir un prototipo que pueda medir la magnitud y el número de cargas que circulan sobre un pavimento, por medio de la vibración que generan dichas cargas cuando se mueven sobre la superficie de rodadura.
El mismo principio ha sido utilizado en algunos estudios en Bogotá D.C. para evaluar el grado de deformabilidad de puentes por medio de la utilización de acelerómetros, y en Buenos Aires (Kantor & Pérsico, 2005) para evaluar el efecto que produce la vibración proveniente de cargas vehiculares sobre el comportamiento estructural de edificaciones.
Los resultados reportados en el presente artículo son los concernientes a la primera fase de una investigación que busca diseñar y construir una herramienta (prototipo) que permita estimar las cargas que circulan sobre un pavimento de tipo flexible sin tener que detener el tránsito vehicular.
Para tal fin, las amplitudes de carga que los vehículos generan sobre las vías son calculadas utilizando las amplitudes de vibración que los mismos producen cuando circulan sobre la superficie del pavimento. Con el diseño y construcción del prototipo se busca desarrollar una nueva tecnología y metodología para la estimación de la carga vehicular que circula sobre estructuras de pavimento flexible en Colombia.
Adicionalmente el prototipo servirá para:
- Detectar la circulación ilegal de camiones que sobrepasen las cargas máximas permitidas por el Ministerio de Transporte en Colombia.
- Reunir información que pueda ser utilizada por las instituciones que planean y administran la malla vial en Colombia.
Inicialmente el artículo presenta de manera resumida los equipos más utilizados en el mundo para estimar cargas en pavimentos, para luego describir brevemente el prototipo desarrollado y los resultados obtenidos de utilizarlo en campo sobre una estructura de pavimento flexible (este tipo de estructura fue escogida debido a que es la más construida en Colombia).
Por último se presenta una ecuación matemática con la cual es posible predecir la masa o carga que circula sobre el pavimento con base en las vibraciones que los vehículos generan cuando se movilizan.
Sistemas de Medición en el Mundo
Diversos sistemas han sido implementados en el mundo con el fin de estimar las cargas que circulan sobre pavimentos. Los más utilizados son aquellos en los cuales se puede estimar la cantidad y magnitud de carga vehicular sin tener que parar el tránsito. A este tipo de tecnología se les denomina "peso en movimiento" (WIM por sus siglas en inglés).
El estado actual del conocimiento en esta área es que a pesar que la tecnología WIM ha sido estudiada desde la década de los 50’s, aún no se ha podido determinar una configuración definitiva de un equipo que pueda predecir con exactitud la magnitud y distribución de las cargas rodantes sobre una vía.
A pesar de sus amplias ventajas técnicas para la determinación de cargas vehiculares en movimiento sobre estructuras viales, presentan como principales desventajas, que las técnicas actuales son costosas de instalar y mantener, y experimentan baja precisión. Adicionalmente, en algunas ocasiones, esta tecnología subestima las cargas impuestas por el parque automotor lo que genera una sobrestimación de la vida útil de las estructuras viales.
Existen diversos tipos de sensores WIM. Los más utilizados en estudios viales son: placas en flexión, celdas de carga, sensores piezoeléctricos, de capacitancia y fibras ópticas.
Placas en Flexión
Una placa en flexión es una placa de acero con galgas de deformación colocados en la zona inferior de la misma. Cuando un vehículo pasa sobre la superficie de la vía, la deformación inducida por la carga vehicular puede ser medida y convertida a carga dinámica.
Este tipo de sensor puede ser utilizado sobre vías con vehículos circulando a baja y alta velocidad. La precisión de las mediciones en campo utilizando este tipo de sensor es alta.
Desventajas: dificultad para realizar su instalación y mantenimiento, y es un mecanismo costoso. Adicionalmente cuando se quieren realizar medidas sobre pavimentos flexibles es necesario construir una cimentación en concreto para soportar la placa en flexión.
Celdas de Carga
De acuerdo con Liu et al. (2006), dentro de los sensores WIM, las celdas de carga son las más sensibles y exactas para medir cargas dinámicas. Este tipo de sensores se montan centralmente bajo un marco con cámara acorazada de acero que se encuentra dispuesta en la rasante de la vía.
Estas celdas son colocadas de tal forma que las llantas de los neumáticos de los vehículos circulen sobre ellas. Es un mecanismo costoso y difícil de instalar.
Sensores Piezoeléctricos
El sensor piezoeléctrico se utiliza por lo general, para medir cargas a altas velocidades. A bajas velocidades o bajo cargas estáticas, las mediciones de este tipo de sensor son bastante deficientes.
Las principales ventajas de este sensor son sus bajos costos de operación en comparación con los otros tipos, y su facilidad de uso e instalación. La principal desventaja de utilizar sensores piezoeléctricos es que normalmente las mediciones no son tan exactas.
Estos sensores son fabricados con un material que genera una carga eléctrica cuándo es mecánicamente deformado. Su nombre proviene del griego piezo que significa yo aplico presión. Este tipo de sensor puede ser instalado dentro del pavimento para uso permanente o colocado en la vía dentro de un mecanismo portable.
Normalmente, materiales piezoeléctricos son compuestos de cadenas moleculares de polímeros como fluoruro de polivinilideno, cerámicas o cristales como el cuarzo. Los sensores piezoeléctricos son comúnmente coaxiales con una base de metal y un material piezoeléctrico recubierto por una capa externa de metal.
Sensores de Capacitancia
Un sensor de capacitancia presenta dos o más placas metálicas colocadas de manera paralela, entre las cuales se colocan conductores eléctricos con cargas diferentes. Cuando un vehículo se mueve sobre este tipo de sensor, la distancia entre las placas decrece y la capacitancia incrementa.
Con esta información de distancia y capacitancia es que se obtiene la estimación de la carga del eje que circula sobre la vía. Generalmente los materiales usados para fabricar estos mecanismos son acero inoxidable, aluminio, poliuretano y caucho.
Sensores de Fibra Óptica
Los sensores de fibra óptica tienen como principal ventaja que pueden ser utilizados en lugares donde otros sensores WIM pueden ser afectados o no utilizados (p.e., puentes, cerca de ferrovías o en centrales eléctricas). Adicionalmente, la fibra óptica presenta mejores resultados y exactitud en la estimación de cargas rodantes en comparación con equipos piezoeléctricos.
Descripción del Prototipo
En el diagrama de bloques de la Figura 6, se pueden distinguir las etapas que se llevaron a cabo para realizar el prototipo. En esta figura se pueden distinguir cinco etapas principales: el sensor, acondicionamiento de la señal, conversor análogo a digital, el procesador PSOC el cual realiza la adquisición, adecuación, procesamiento de la señal del sensor utilizado para medir el espectro de carga, y el PC.
El sensor utilizado es un acelerometro tipo mems MMA7260QT de freescale semiconductor de tres ejes, el cual entrega una señal analoga, con una sensitividad de 66mv por gravedad, este sensor es capaz de medir aceleraciones desde 0.1g hasta 6g y opera en un rango de voltaje de 2.4v a 3.6v.
El diseño del acelerómetro posibilita obtener una señal eléctrica proporcional a la aceleración de la superficie donde haya sido fijado éste.Los sistemas programables en un chip, también conocidos como PSoC (Programmable System-on-Chip), constituyen un arreglo configurable de ‘señal mezclada’ (parte analógica y digital) con controlador en una tarjeta. Estos dispositivos conjugan las ventajas de los SoC, con la flexibilidad de los sistemas programables.
Estos microcontroladores han sido diseñados para substituir a los múltiples y tradicionales MCU por un único dispositivo programable de bajo coste. Los PSoC incluyen bloques configurables tanto analógicos como digitales, configurables mediante software. Esta arquitectura permite al usuario crear configuraciones de periféricos optimizados para los requerimientos de cada "Embedded Systems". Adicionalmente, una CPU rápida, una memoria flash programable, una memoria de datos SRAM y puertos E/S configurables están incluidos.
Para el desarrollo del protoripo fue necesario parametrizar la señal que se obtiene por medio del acelerómetro de las vibraciones producidas sobre el pavimento cuando circulan los vehículos sobre la capa de rodadura. Se realizaron mediciones de la señal de salida del acelerómetro obteniendo señales como las que se ilustran en la Figura 7.
La amplitud de la señal obtenida por el acelerómetro es transmitida inalámbricamente hacia un PC para luego ser visualizada en un software de adquisición de datos utilizan...
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