Métodos vibro-acústicos aplicados a evaluación de daño en materiales de construcción e ingeniería civil

Laburpena

Actualmente el desarrollo de métodos para la evaluación continua de estructuras (Structural Health Monitoring, SHM) y la creación de estructuras inteligentes (Smart Structures) en el ámbito de la construcción y la ingeniería civil es un reto constante. En este contexto, los métodos de ensayos no destructivos (END) y en particular los métodos vibro-acústicos juegan un papel preponderante. Esta Tesis Doctoral se centra en la aplicación experimental de dos métodos vibro-acústicos, vibraciones y emisión acústica, a la evaluación de daño en tres escenarios diferentes en el ámbito de la construcción y de la ingeniería civil. En primer lugar (Parte A) se aborda la aplicación del método de vibraciones para la evaluación de daño en disipadores de energía histeréticos WPD usados como elementos de protección sísmica de edificios. Se pretende con ello disponer de indicadores fiables de daño para decidir el momento en que su capacidad de disipación se ha agotado y, por tanto, deben ser remplazados por unos nuevos. En particular, se proponen dos nuevos índices de daño basados en la descomposición wavelet (WER, Wavelet Energy Ratio; RWEE, Relative Wavelet Energy Entropy) y la optimización de un índice previamente desarrollado por el grupo de investigación (ADI, Area Damage Index), con objeto de minimizar los recursos electrónicos y computacionales para su implementación práctica en campo. Se ha comprobado que los tres índices de daño proporcionan un alto grado de fiabilidad en escenarios cuasi reales, simulados sobre prototipos de estructuras de hormigón armado con disipadores sometidos a cargas dinámicas con la mesa sísmica de la Universidad. Asimismo, se ha implementado un clasificador que permite decidir automáticamente el nivel de daño del disipador, mediante el uso de una base de datos existente de valores de los tres índices de daño. En segundo lugar (Parte B) se aborda la evaluación de daño en materiales compuestos de fibra de carbono (CFRP), de uso creciente en la construcción como elementos de refuerzo de estructuras de hormigón armado y de madera, para rehabilitación y obras de nueva planta. En particular, se ha usado el método de emisión acústica, proponiéndose un procedimiento de adquisición y análisis de señales en tiempo real que permite distinguir entre las delaminaciones, las roturas de fibra y las roturas de matriz del CFRP. Igualmente, en esta parte de la tesis, se ha iniciado el estudio de la influencia en términos de generación de daño de fibra óptica insertada en el laminado de CFRP, usada cada día más para el desarrollo de estructuras inteligentes. El estudio se ha realizado a través de ensayos de tracción comparando las ondas elásticas emitidas (emisión acústica) y la distribución y evolución espacio-temporal del campo de deformaciones del elemento medido mediante el método de correlación digital de imágenes (DIC). En la última parte de la tesis (Parte C) se ha abordado el estudio de la adherencia hormigón-refuerzo de acero, fenómeno clave en los mecanismos resistentes de las estructuras de hormigón armado. En este caso se ha utilizado el método de emisión acústica como base física para auscultar el proceso. En particular, mediante ensayos de arrancamiento (pull-out) se ha comparado la adherencia de dos tipos de acero, acero galvanizado, el cual mejora la durabilidad de las estructuras de hormigón armado en ambientes corrosivos, y acero desnudo convencional. Los resultados corroboran que la adherencia y la rigidez inicial de la curva tensión tangencial-deslizamiento de la barra dentro del hormigón son un 20% y 50% mayores respectivamente cuando se usa acero desnudo respecto de cuando se usa acero galvanizado. Sin embargo, el deslizamiento en el momento de la adherencia máxima es un 20% mayor en el caso del acero galvanizado. Igualmente ha sido posible identificar la transición entre las cuatro etapas que caracterizan la interacción hormigón-acero mediante cambios en la actividad de emisión acústica.