Evaluación no destructiva de estructuras de obra civil mediante métodos electromagnéticos

Abstract

Los métodos de evaluación no destructiva en el campo de la ingeniería civil suponen una alternativa a los métodos de control tradicionales. Disponer de técnicas que permitan obtener información relevante acerca de las características físicas de una estructura (o de la evolución de ésta) sin modificar la muestra supone a la vez un ahorro económico y una mayor fiabilidad desde el punto de vista constructivo. La presente tesis desarrolla un método para medir estructuras de hormigón mediante sensores planos, los cuales permiten caracterizar las propiedades electromagnéticas del material poniendo el sensor en contacto con una única cara de la estructura o probeta, lo cual permite medir en múltiples contextos reales como presas o túneles, en los que únicamente se tiene acceso a una cara del material. El principio de funcionamiento de los sensores desarrollados se basa en la transmisión de una onda electromagnética de banda ancha a lo largo de una línea de transmisión plana. La medida del tiempo de propagación y la atenuación que sufre la onda permiten determinar la permitividad, permeabilidad y conductividad del material, que actúa como dieléctrico del sistema. Así, dichas magnitudes actúan como indicadores de las características estructurales del hormigón: en la presente tesis se aplican por un lado a monitorizar el nivel de humedad presente en una muestra de hormigón, y por otro lado, la dosificación de fibras en hormigón reforzado con fibras de acero (HRFA). Desde un punto de vista electromagnético, tanto la presencia de agua como la adición de fibras de acero se modelan de forma análoga, dado que ambos fenómenos implican un incremento de la conductividad resultante, y de la permitividad efectiva, lo cual se justifica mediante los diferentes modelos teóricos de materiales heterogéneos que se han estudiado. De igual forma, los modelos teóricos de las líneas planas permiten extraer las propiedades electromagnéticas a partir de la medida, en el dominio temporal o frecuencial, de la propagación de una onda electromagnética. El desarrollo del método conlleva establecer la geometría adecuada de los sensores empleados en función de cada aplicación, para lo que se ha recurrido al estudio de baluns de banda ancha. Posteriormente, una vez establecida la configuración de medida, la instrumentación empleada, y el procesado de las señales medidas, se ha desarrollado un método de calibración (TYS), adecuado para sensores planos, para los que otros métodos presentan ciertas dificultades. Finalmente, se presenta la aplicación del método propuesto, en primer lugar a la monitorización del fraguado de una losa de mortero durante 28 días, como muestra de la disminución de agua en el hormigón, y en segundo lugar a la medida de la dosificación de fibras de acero en probetas de hormigón, mostrando resultados prometedores de cara a la aplicación de dicha técnica en medidas de campo.

Non-destructive testing and evaluation methods in the field of civil engineering provide an alternative to traditional control methods. The availability of techniques to obtain relevant information about the physical characteristics of a structure (or its evolution) without modifying the sample results in both financial savings and greater reliability from the construction point of view. This thesis develops a method for measuring concrete structures using planar sensors, which can characterise the electromagnetic properties of the material by placing the sensor in contact with only one side of the structure or sample, which allows to measure in many real situations as dams or tunnels, in which only one side of the material can be accessed. The operating principle of the sensors developed is based on the transmission of a broadband electromagnetic wave along a planar transmission line. The measurement of the propagation time as well as the attenuation of the wave, determines the permittivity, permeability and conductivity of the material, which acts as the dielectric of the system. Thus, these variables are indicators of the structural characteristics of concrete: in this thesis they are applied to monitor the humidity level in a sample of concrete, as well as the dosage of fibres in steel fibre reinforced concrete (SFRC). From an electromagnetic point of view, both the presence of water and the addition of steel fibres are modelled similarly, since both phenomena involve an increase in the conductivity and effective permittivity, which is justified by the different theoretical models of composite materials that have been studied. Similarly, the electromagnetic properties of the measurement of the electromagnetic wave propagation can be obtained by means of the theoretical models of planar lines, both in the time or frequency domain. The development of the method involves establishing the appropriate geometry of the sensors used on each application, which entails the study of broadband baluns. Later on, once the measurement configuration and the instrumentation used are established, as well as the processing of the measured signals, a calibration method (TYS) suitable for planar sensors has been developed, for which other methods showed some difficulties. Finally, the application of the proposed method is reported. Firstly, the setting of a mortar slab was monitored for 28 days, showing the decrease of water in the sample, and secondly the dosage of steel fibres in concrete specimens was measured, showing promising results in order to the apply this technique in field measurements.