VIGA BENKELMAN INTRODUCCIÓN. Estos son los ensayos que se realizan en el sitio para determinar los parámetros más significativos en el diseño de pavimentos. En la evaluación estructural de los pavimentos, se consideran como parámetros más significativos las deflexiones y deformaciones obtenidas como respuesta de un firme flexible ante la aplicación de una carga sobre la superficie del pavimento. Aunque existen otras medidas que pueden dar una idea del estado estructural del pavimento, la deflexión en superficie es, sin duda, la que ofrece las posibilidades de análisis más amplias. La viga Benkelman es un equipo que fue desarrollado durante el ensayo de la “Western Association of State Highway Organizations” (WASHO) en 1952. Se trata de un dispositivo bastante bastante simple, que funciona aplicando la conocida “regla de la palanca” (Nazzal, 2003). Este método se puede considerar simple y económico y su principio de aplicación es ampliamente conocido y consiste en medir el desplazamiento vertical del pavimento ante la aplicación de una carga estática o de lenta aplicación (Goel & Das, 2008). Este equipo se usa junto con un camión cargado; el ensayo se realiza colocando el extremo de la viga entre las dos ruedas gemelas del camión, midiendo la recuperación vertical de la superficie del pavimento cuando el camión avanza y se retira. (Crespo del Rio & Bardasano, 2004).
OBJETIVO
Detallar el procedimiento para determinar simultáneamente con una viga Benkelman la Deflexión Recuperable y el Radio de Curvatura de un pavimento flexible, producidos por una carga estática. A tal fin se utiliza un camión donde la carga, tamaño de llantas, espaciamiento entre ruedas duales y presión de inflado están normalizadas.
Los valores se deben expresar en unidades SI.
Esta norma no considera los problemas de seguridad asociados con su uso. Es responsabilidad de quien la emplee, establecer prácticas apropiadas de seguridad y salubridad determinar la aplicación de limitaciones regulatorias antes de su empleo.
Determinar la deflexión vertical y puntual de una superficie del pavimento bajo la acción de una carga normalizada, transmitida por medio de ruedas gemelas de un eje simple tipo.
VIGA BENKELMAN La viga Benkelman es un equipo que fue desarrollado durante el ensayo de la “Western Association of State Highway Organizations” (WASHO) en 1.952. Se trata de un dispositivo bastante simple, que funciona aplicando la conocida “regla de la palanca”. Este equipo se usa junto con un camión cargado (en el caso de España con una carga por eje simple de 128 kN, ruedas gemelas, y una presión de inflado de 900 kPa); el ensayo se realiza colocando el extremo de la viga entre las dos ruedas gemelas del camión, midiendo la recuperación vertical de la superficie del pavimento cuando el camión avanza y se retira. Las principal ventaja de este equipo es que se trata de un ensayo bastante económico; no obstante, es muy laborioso, y no permite obtener el cuenco de deflexiones, sino únicamente la deflexión bajo carga, en el centro de las ruedas gemelas. Cuando se utiliza una viga Benkelman doble, con dos brazos de medida de longitud diferente, se pueden encontrar dos puntos del cuenco de deflexiones, para el mismo punto de aplicación de la carga, y unos puntos de medida fijos. Es necesario tener en cuenta, para determinar el tiempo de aplicación de la carga, la velocidad del camión que se emplea con el equipo. Se ha considerado una velocidad de aproximadamente 1 km/h.
EQUIPO Según se esquematiza, la viga Benkelman consta esencialmente de dos partes:
Un cuerpo de sostén que se sitúa directamente sobre el terreno mediante tres apoyos (dos delanteros fijos "A" y uno trasero regulable "B")
Un brazo móvil acoplado al cuerpo fijo mediante una articulación de giro o pivote "C", uno de cuyos extremos se apoya sobre el terreno (punto "D") y el otro se encuentra en contacto sensible con el vástago de un extensómetro de movimiento vertical (punto "E").
Esquema de viga Benkelman
Fuente: Estudios de evaluación estructural de pavimentos basados en la interpretación de curvas de deflexiones (Ensayos no destructivos); Hoffman Mario & Del Aguila Pablo; 1985.
Viga Benkelman – Es un deflectómetro mecánico simple. Una palanca, suspendida en un bastidor, transmite la deflexión vertical del punto de medida a un comparador o dial medidor. Las dimensiones son las que se indican en la Figura 1 y comprende los siguientes elementos:
Bastidor – Viga (1) con tres pies de apoyos sobre el suelo (4), que sirve de sustentación a la palanca de medida y de soporte al comprador o dial medidor. Palanca de medida (2) De 3.6 m de longitud, que se puede desmontar en tres partes durante el transporte. Se suspende al bastidor con un eje (3) que la divide en dos partes con relación 2:1. Suspensión (3) Un eje, punto de apoyo de la palanca, suspendido en dos rodamientos a bolas, estancos al polvo y solidarios al bastidor. Puntos de apoyo (4) Son tres pies solidarios al bastidor, con regulación de su altura mediante tornillo; los dos anteriores están situados simétricamente con respecto al eje longitudinal de la viga a 170 mm del mismo y separados del posterior, situado en el extremo del batidor, 1208 mm. Pasador (5) Sujeto al bastidor por una cadenilla, sirve para bloquear la palanca, dejándola fija al bastidor. Nivel (6) Para nivelar transversalmente la viga y, por tanto, poner horizontal el eje de rotación de la palanca, por medio de los tornillos de los apoyos anteriores. Deformímetro (7) Aparato con limbo dividido en 0.01 mm y con un recorrido igual o superior a 10 mm. Se fija al bastidor con un soporte solidario de éste, de modo que su vástago prolongado apoya en el extremo de la palanca de medida. El deformímetro puede ser sustituido por un captador electrónico con presentación de lectura digita. (Si está ubicado como en el esquema la relación de la viga simple es 1:2 o sea que la deflexión en el punto de medida es la lectura en el deformímetro multiplicada por 2) Palpador (8) Pieza metálica de la forma y dimensiones indicadas en la Figura 1, que reposa sobre el suelo en el punto de medida. Nudos (9) Para unir los tramos en que se puede dividir la palanca de medida.
Viga Benkelman de doble brazo (Opcional) Viga con doble brazo de medida, con sus correspondientes diales registradores (al 0.01 mm y recorrido 10 mm) y las siguientes dimensiones fundamentales:
Longitud del primer brazo de ensayo, desde el pivote al punto de prueba de 2440 mm.
Longitud del primer brazo de ensayo, desde el pivote al punto de apoyo del vástago del deformímetro registrador de 610 mm. (Relación 1:4).
Longitud del segundo brazo de ensayo, desde el pivote a la punta de prueba de 2190 mm.
Longitud del segundo brazo de ensayo, desde el pivote al punto de apoyo del vástago del deformímetro registrador de 548 mm. (Relación 1:4).
Nota 1.- Se permite el empleo de vigas con dimensiones diferentes siempre y cuando no sean tan reducidas que el radio de acción de la carga no afecte permanentemente la posición de sus patas.
Vehículo de carga – El vehículo usado para transportar el dispositivo de deflexión estática y cargar el pavimento deberá ser un camión que lleve una carga de prueba de 80 kN (18000/lbf) en eje simple trasero. La configuración de la carga incluyendo cargas por eje, el tamaño de las llantas y la presión de inflado se pueden obtener a partir de las especificaciones del fabricante; sin embargo, esta información se debe indicar claramente en el informe de ingeniería. Medidor de pre sión de inflado. Termómetro – De 0º a 100º C con divisiones cada grado. Barreno – Para ejecutar orificios en el pavimento de 40 mm de profundidad y 10 mm de diámetro.
PREPARACIÓN DEL ENSAYO 1. El vehículo se carga con paralelepípedos, preferiblemente de metal, de concreto o de piedra y se pesan en una báscula contrastada hasta tener la car ga de 80 kN (18000 lbf) en el eje simple trasero. Se comprueba la carga al comienzo del ensayo y para series de ensayos al comienzo y al final de la jornada de trabajo. Se pesa el eje trasero y las ruedas gemelas, bajo las cuales se realizara la medida, la masa en estas últimas será de 40 kN (9000 lbf). Si los materiales utilizados para cargar el vehículo son susceptibles a las variaciones de humedad, se deberá proteger con una lona. 2. Se imprime sobre un papel la huella de las ruedas gemelas cargadas correctamente, con la presión de inflado recomendada por el fabricante de los
neumáticos para esa carga. Para ello se levantan las ruedas con un gato sobre una superficie lo más plana posible, se coloca el papel debajo y se descienden las ruedas reposando libremente toda la carga sobre el papel. Se anota la presión de inflado con la que se ha obtenido la huella. La presión de inflado se debe comprobar cada dos horas. 3. Se monta la viga Benkelman o similar, comenzando por los tres tramos de la palanca de medida. Luego se coloca el nivel y finalmente el deformímetro. Se comprueba el correcto funcionamiento de todo el conjunto.
Procedimiento La carga aplicada al pavimento para la realización de ensayos de deflexiones ha sido estandarizada en 9000 libras (4090 kg), y es proporcionada por una de las llantas dobles del eje trasero de un camión. Previamente a la realización de los ensayos deberá verificarse que se cumpla esta condición, así como que la presión de las llantas sea la requerida. Una vez localizado el lugar donde se realizará el ensayo (usualmente los puntos de medición se localizan en la mitad exterior de un carril), se coloca la llanta a usarse sobre el punto de manera tal que éste coincida aproximadamente con el eje vertical del centro de gravedad del conjunto. Para esta operación es aceptable una tolerancia en el rango de 3 p ulgadas alrededor del punto. Estacionados los neumáticos se inserta entre ellos el extremo del brazo móvil de la viga colocándolo nuevamente sobre el punto de ensayo seleccionado. Dado que esto último se dificulta por la inaccesibilidad tanto visual como manual, se realizará previamente la siguiente operación: Se coloca la Viga en la posición como si estuviera entre las llantas pero en la parte exterior de las mismas, haciendo coincidir, empleando una plomada, el extremo del brazo móvil con el eje vertical del centro de gravedad. Tomando como punto de referencia una varilla vertical adosada a la parte trasera del camión, se efectúa una marca en la viga de manera tal que, en adelante, basta con hacerlas coincidir (la marca con la varilla vertical) para asegurarse que el extremo de la viga coincide con el centro de las llantas, en el momento de iniciar las mediciones.
Configuración geométrica del sistema de carga
De igual forma se puede efectuar, a partir de la primera, sucesivas marcas a distancias elegidas a las cuales se desee medir deflexiones adicionales (puede ser a 30, 40 y 50 cm). Para la metodología de análisis se requiere de por lo menos tres lecturas, pero se pueden obtener más con fines de verificación, lo cual es recomendable, o si es que se desea tener una idea gráfica del tipo de curvas de deflexiones que se producen. Como norma se realiza la primera marca adicional a una distancia tal que la deflexión que se obtenga en ese punto sea la mitad de la deflexión máxima (obtenida en la marca inicial). La segunda marca adicional se realiza al doble de la distancia de la primera marca adicional. Estas dos distancias se determinarán específicamente para cada proyecto de evaluación que se emprenda. Esto deberá hacerse por medio de tanteos previos, antes de comenzar la recolección masiva de datos. Es común que se observen
variaciones durante la realización de los ensayos, pero no deberá hacerse modificaciones mientras que las deflexiones tomadas en la primera marca adicional estén en el rango entre 35% y 65% de la deflexión máxima.
Esquema del proceso de medición
Una vez instalada la viga en el punto de medición haciendo coincidir con la cadena vertical y la marca inicial (ver figura a), se verificará que ésta se encuentre alineada longitudinalmente con la dirección del movimiento del camión. Se pondrá el dial del extensómetro en cero, se activará el vibrador y mientras el camión se desplaza muy lentamente se procederá a tomar lecturas conforme la varilla vertical vaya coincidiendo con la primera y segunda marcas adicionales (figuras b c) y una lectura final cuando el camión se haya alejado lo suficiente del punto de ensayo que el indicador del dial ya no tenga movimiento (aproximadamente 5.00 m.), registro que corresponde al punto de referencia con deflexión cero.
