La pista de pruebas del CEDEX: pruebas aceleradas de pavimentos

El Centro de Estudios del Transporte del CEDEX, en España, utiliza un sistema de adquisición de datos MGCplus, de HBM, para acondicionar, monitorizar y medir datos de más de 240 canales, distribuidos estratégicamente a lo largo de su pista de pruebas.

¿Qué son las pruebas aceleradas de pavimentos?

Las pruebas aceleradas de pavimentos pueden definirse como la “aplicación controlada de cargas producidas por ruedas sobre la estructura de un pavimento con la finalidad de simular en un tiempo comprimido los efectos del servicio a largo plazo en condiciones de carga”.

En Europa existen doce instalaciones a tamaño real capaces de realizar este tipo de pruebas. Existe un número similar de ellas en Estados Unidos, además de otras instalaciones en México, Brasil, Sudáfrica, Australia, Nueva Zelanda, China y Japón. Puede afirmarse que, actualmente, las pruebas aceleradas de pavimentos constituyen un pilar fundamental de la investigación en el campo de las carreteras. Existen dos tipos de instalaciones de prueba: circulares y lineales.

Figura 1 Figura 2

Acerca del CEDEX

El Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas, más comúnmente conocido por la abreviatura CEDEX, es un organismo que aplica ideas y tecnologías de vanguardia a la ingeniería civil, la construcción y el medio ambiente. Presta apoyo tecnológico a través de sus instalaciones y laboratorios, mediante convenios específicos. El CEDEX también tiene el objetivo de divulgar los conocimientos que adquiere y, en ese sentido, desempeña una importante labor de transferencia de tecnología.

Figura 1: Pista de pruebas circular (LCPC, Francia)
Figura 2: Pista de pruebas lineal (LINTRACK, Delft, Holanda

La pista de pruebas

Figura 3: Pista de pruebas del CEDEX
Figura 4: Vehículo para simulación de tráfico

La pista de pruebas del CEDEX se encuentra a medio camino entre ambas, con dos secciones rectas de 75 metros cada una, conectadas entre sí por dos secciones curvas adicionales de 25 metros de radio. Una viga-raíl ubicada en el perímetro interior de la pista sirve de guía para dos vehículos automáticos (ver Figura 3).

No obstante, puede clasificarse como un instalación lineal, puesto que las seis secciones de pavimento que se pueden someter a pruebas están instaladas en los segmentos rectos de la pista. La longitud total recorrida por la rueda que realiza la prueba de carga es de 304 metros por ciclo. Los segmentos en curva no se utilizan a efectos de las pruebas y se destinan a otros estudios; por ejemplo, de materiales de superficie, tratamientos superficiales, pinturas, rutas de desgaste, etc.

Las pruebas de las secciones de pavimento se realizan en los tramos rectos; de este modo, los resultados son comparables con los obtenidos en otras pistas de pruebas lineales. Es posible probar simultáneamente seis secciones de pavimento, cada una de ellas de 20 a 25 metros de longitud.

Los segmentos en curva se apoyan sobre el terreno. En cambio, los segmentos rectos están situados dentro de dos fosos de pruebas en forma de U, estancos al agua y hechos de hormigón armado. El foso de pruebas de hormigón, de 2,6 metros de profundidad y 8 metros de anchura, permite construir terraplenes de al menos 1,25 metros de altura, así como el uso de maquinaria convencional y los procedimientos habituales de construcción de carreteras. La finalidad del uso de estos fosos de pruebas de hormigón consiste en aislar el comportamiento del pavimento del correspondiente al terreno circundante, mediante un sustrato homogéneo en cada prueba y entre distintas pruebas, facilitando así la comparación de resultados. También permite inundar la capa de asiento, para realizar pruebas bajo distintas condiciones de agua freática.

Los dos vehículos de prueba aplican la carga por gravedad mediante un semieje pesado. Se puede fijar una carga comprendida entre 5,5 y 7,5 toneladas. En las pruebas se fija a 6,5 toneladas, que es el equivalente a la carga máxima permitida en España para un solo eje (13 toneladas). El sistema de suspensión es neumático. La rueda de prueba está equipada con dos ruedas gemelas o con una sola rueda con forma de globo con un presión de inflado de 8,5 kg/cm2. Tanto el sistema de suspensión como la rueda de pruebas de tracción son del tipo convencional empleado en el trasporte por carretera. La velocidad de circulación es de 40 km/h, con una velocidad máxima permitida de 60 km/h (ver Figura 4).

Gracias a un actuador hidráulico, la rueda de prueba puede posicionarse en siete vías transversales distintas, generando de esta forma una banda de rodadura de 1,0 a 1,3 metros de ancho. El control automático de esta posición permite reproducir una distribución estadística real de pasos de rueda, similar al tráfico real.

La instalación se gobierna totalmente desde un centro de control centralizado situado en el centro geométrico de la pista de pruebas. El programa de control ha sido especialmente desarrollado para esta aplicación. De esta forma, una vez programada la instalación puede funcionar sin supervisión. La frecuencia de las pruebas es superior a 1x106 ciclos al año.

Parámetros de medición

Figura 5: Ejemplo de instrumentación

Cuando una rueda se desplaza sobre una carretera, puede producir tensiones y deformaciones en cualquier punto de la estructura del pavimento, las cuales dependen del tipo, magnitud y dirección de la carga, la estructura del pavimento, el tipo de capa de asiento, la temperatura, la profundidad, etc.

El pavimento puede instrumentarse para medir las tensiones y deformaciones que aparecen en distintas partes del mismo cuando pasa una carga y, en especial, las cargas que se consideran críticas.

Para cada capa, los puntos críticos y las variables de la tensión y la deformación son distintas, cosa que debe tenerse en cuenta a la hora de elegir el tipo de sensor y su ubicación.

La deformación por tracción horizontal en el fondo de la capa bituminosa se considera la variable de respuesta más importante en los pavimentos flexibles. Por tanto, la instrumentación de las capas asfálticas se destina sobre todo a medir la tracción horizontal en el fondo de la capa bituminosa.

Las capas granulares y el terreno ceden principalmente por la acumulación de deformaciones verticales. Por tanto, la instrumentación del terreno tiene como finalidad principal medir las tensiones y deformaciones verticales.

También se instalan sensores de deflexión para medir la respuesta transitoria al paso de la rueda móvil. Estos tensores se colocan en la parte superior de la capa de asfalto y se anclan al fondo del pozo de pruebas.

Por último, se instala una serie de sensores para recopilar datos de variables medioambientales y relacionadas con la carga: temperatura, humedad y nivel freático, velocidad, posición transversal, etc. (ver la Figura 5).

Descripción del sistema de control de la instalación

Figura 6: Sistema de comunicaciones
Figura 7: Sección transversal y galería de instrumentación

El proceso de automatización se consideró principalmente durante la fase de diseño de la instalación, con la finalidad de poder realizar ciclos de pruebas en modo de funcionamiento continuo con el menor número posible de interrupciones. Conviene destacar que la instalación, y especialmente los vehículos y su sistema de control, son prototipos diseñados, construidos y puestos en funcionamiento específicamente para esta pista de pruebas española, y completamente desarrollados con tecnología europea (ver la Figura 6).

El sistema de control de la pista de pruebas del CEDEX está compuesto por dos elementos fundamentales: el sistema PLC y el sistema de adquisición de datos. Ambos están relacionados entre sí y ambos se gestionan desde un único ordenador de control conectado a ellos mediante una red Ethernet. El sistema PLC se encarga de gestionar los vehículos mediante el control de parámetros como la velocidad, la posición transversal, la presión neumática de los neumáticos de reserva, etc., y todas las variables necesarias para el mantenimiento del vehículo y la seguridad de la instalación, además de consumo eléctrico, detectores de posición, etc. Por su parte, el sistema de adquisición de datos se encarga del proceso de medición de los instrumentos integrados en el pavimento.

El sistema PLC está compuesto por un PLC maestro ubicado en el centro de control y dos PLC esclavos situados a bordo de cada vehículo. El PLC maestro gobierna los PLC esclavos de los vehículos mediante una conexión a través de una red Ethernet inalámbrica.  

Un sistema de adquisición de datos MGCplus de HBM, de eficacia contrastada, se encarga de acondicionar, monitorizar y medir los datos de más de 240 canales, entre galgas extensométricas, sondas LVDT y sondas Pt100, estratégicamente distribuidas por la pista. Este sistema de adquisición de datos, que actualmente se emplea en numerosos programas de pruebas estructurales de todo el mundo, así como en la monitorado de ingeniería civil, está diseñado para proporcionar datos de medición de alta calidad. Al mismo tiempo, reduce de forma significativa el coste y las necesidades de cableado.

En los tramos rectos de la pista de pruebas, junto a las secciones de prueba, existe una galería donde se encuentran los dispositivos de adquisición de datos y el suministro eléctrico, así como los jacks de conexión de los dispositivos MGCplus. Esta galería se diseñó de modo que la distancia entre los sensores y el dispositivo de acondicionamiento fuera la mínima posible, con el fin de evitar distorsiones de la señal de salida y convertir las señales analógicas en señales digitales (ver la Figura 7).

Tareas de gestión de la instrumentación

El sistema de adquisición de datos de los sensores, que está completamente automatizado, ha sido diseñado y desarrollado por el CEDEX y realiza mediciones en tiempo real, almacenándolas en una base de datos con capacidad para un máximo de 240 sensores en cada prueba de medición.

         Las tareas de gestión se dividen en tres procesos:

  • Proceso de administración de sensores.
  • Proceso de medición.
  • Análisis y almacenamiento de datos.

Proceso de gestión de sensores

Una vez que se ha diseñado el plan de instrumentación para cada prueba y todos los sensores disponen de alimentación, el siguiente paso consiste en registrarlos en la base de datos del ordenador de control. A continuación se incluyen todos los datos que definen el sensor, su ubicación, el sensor de inicio de la medición óptica, las fechas y horas relevantes y el estado de actividad.

Una vez que el sensor ha sido registrado en la base de datos, se configuran los módulos MGCplus para realizar la curva de calibración de cada sensor, incluyendo toda la cadena de medición (cableado y dispositivo). De este modo se establece la correspondencia entre la medición física y la señal eléctrica. Posteriormente, se configuran los parámetros de grabación (frecuencias de muestreo, tiempos, sensores activados y disparos) con el gestor de tarjetas de PC del sistema MGCplus. Como resultado de esta operación se genera y almacena un archivo .MPR. Suelen programarse dos frecuencias de muestreo diferenciadas. Una de ellas graba las variables estáticas y la otra las variables dinámicas  (ver la Figura 8).

El sistema realiza también tareas adicionales que simplifican el trabajo de mantenimiento de la instrumentación y proporcionan funcionalidad de monitorado gráfico y numérico de las lecturas en tiempo real.

Figura 8: Ejemplo de monitorado gráfico de sensores

Proceso de medición

El sistema de adquisición de datos distingue entre dos tipos de pruebas:

  • Pruebas dinámicas.
  • Pruebas especiales.

En una prueba dinámica la instrumentación realiza mediciones sistemáticas con el vehículo en movimiento. Cuando se realizan este tipo de pruebas, es preciso definir previamente los sensores que intervienen en la medición, hasta un máximo de 240 por prueba. Además, se genera un archivo ASCII de resultados, que incluye todas las variables necesarias para el análisis de las curvas, como la temperatura del pavimento, la temperatura ambiente, el número de ciclos, la posición transversal, la velocidad del vehículo, la fecha y la hora.

Las pruebas dinámicas se activan automáticamente. Pueden activarse mediante tres eventos distintos que se seleccionan cuando se programa la prueba. Estos tres eventos son los siguientes:

  • Número de ciclos. La prueba comienza cuando los vehículos cubren un número de ciclos preestablecido.
  • Fecha/hora. La medición comienza en una fecha y hora concretas.
  • Temperatura. Comienza cuando la temperatura del pavimento (definida por el usuario) alcanza un determinado valor.

Estas pruebas se realizan 24 horas al día y 7 días a la semana, y no requieren la presencia de personal en las instalaciones.

Cuando se produce el evento que inicia una prueba, el ordenador de control indica al PLC maestro que posicione los vehículos en las condiciones especificadas para la prueba (velocidad y posición transversal). Una vez que los vehículos están situados en la posición correcta para la prueba programada, el ordenador de control envía una serie de comandos de bajo nivel a cada MGCplus conectado a la red Ethernet. Estos comandos transfieren a los módulos MGCplus los archivos .MRP con los parámetros de grabación y los activa para que se preparen para el proceso de adquisición. Para disparar la medición se emplea un sensor óptico conectado a cada MGCplus. Cuando el vehículo seleccionado pasa por el sensor óptico, se activa el inicio de la recogida de datos. Después de un periodo de tiempo definido en el archivo de la grabación, la grabación de datos se interrumpe  (ver la Figura 9).

Figura 9: Datos registrados en una prueba dinámica

Cuando los vehículos completan un ciclo desde el comienzo de la recogida de datos, el ordenador de control se conecta a los módulos MGCplus. El archivo de datos recopilados que ha generado el sistema de adquisición de datos se transfiere al ordenador de control y se convierte a formato ASCII mediante el control ActiveX de Catman. Estas operaciones están programadas en un script de Visual Basic que también realiza un primer procesamiento de las señales, en el cual los tiempos se transforman en distancias y se recortan y remuestrean señales, con el fin de almacenar un número de muestras interesante a efectos de análisis.

Después de esto, el ordenador de control combina todos los datos en el archivo ASCII de resultados, incorporando los datos del sistema PLC relativos a los vehículos (velocidad y posición transversal) y los datos del sistema de adquisición de datos relativos al proceso de medición del sensor.

Una vez que se almacenan todos los datos, la prueba finaliza y el sistema PLC encargado de dirigir los vehículos retoma el control. Esta prueba puede programarse de forma cíclica en función del número de ciclos, después de un periodo de tiempo predeterminado o cuando se alcancen los valores de temperatura deseados.

En las pruebas especiales se llevan a cabo a otro tipo de mediciones, que se realizan con la instrumentación pero sin la totalidad del sistema de control, directamente con los dispositivos MGCplus.

Se pueden destacar tres tipos de pruebas especiales:

  • Monitorización de temperatura. En estas pruebas se utilizan dos módulos Siemens ET 200, que forman parte del sistema PLC y a los que se conectan las salidas analógicas del MGCplus. El objetivo consiste en obtener un registro continuo de la temperatura del pavimento y la temperatura ambiente. Estas pruebas se utilizan para analizar la instrumentación y el deterioro del pavimento.
  • Arranque manual. Estas pruebas pueden realizarse con los vehículos en movimiento o con los vehículos detenidos. La prueba comienza cuando se envía una señal de disparo. Este tipo de prueba se utiliza para estudiar en detalle algunas variables específicas durante el paso del vehículo, que no pueden evaluarse en las pruebas dinámicas. Se realizan con una frecuencia de muestreo de hasta 3000 muestras por segundo. Esta prueba también se utiliza para medir la respuesta de uno o varios sensores a equipos distintos a los vehículos de prueba; por ejemplo, dispositivos con tracción delantera.
  • Inicio por sensor óptico. Tiene las mismas características que la prueba de arranque manual, pero en este caso uno de los sensores ópticos situados en la pista de pruebas activa la medición.