Evaluación de daño en estructuras de hormigón armado sometidas a cargas sísmicas mediante el método de emisión acústica

Résumé

Summary Reinforced concrete (RC) structures located in earthquake-prone areas are susceptible to suffer damage caused by the cyclic loading induced by ground acceleration during seismic events. In a RC structure, damage is not generated only during severe earthquakes that stress the reinforcing steel beyond its elastic limit, but also moderate tremors that may occur several times during its lifetime also produce damage of the concrete. According to current seismic codes (NCSE-02 in Spain, Eurocode 8 in Europe), reinforced concrete moment resisting frames are designed so that beams and columns develop a strong column-weak beam plastic mechanism under the design earthquake, and brittle failure is prevented at the locations where plastic hinges will develop, by applying capacity design criteria. Therefore, structural damage is expected to occur basically in the plastic hinges at beam-columns junctions of the first story. The degradation of a structure is associated with concrete cracking and the yielding of the steel caused by the acceleration of a sudden earthquake or due to a hundreds of cycles of deformation, in turn leading to a state in which repair becomes necessary. The most important factors of serious damage in RC elements are the slip between the reinforcing steel bars with the surrounding concrete and the yielding of the steel, which are considered as the main failure mechanisms of a structure. The RC structure is commonly covered up by non-structural elements such as brick veneers, casings, cement plasters, stuccos, etc., making simple visual inspection is very complicated. Even so, visual inspection provides only qualitative information regarding the apparent damage suffered in the concrete as expressed by cracks. There are several relevant damage mechanisms in concrete. One of them is the opening of cracks or the extension of existing cracks that occurs when the tensile stress exceeds the tensile strength of the concrete. The second mechanism is the concrete cracking under compressive loads. It is here where Non-Destructive Testing can play an important role. Among them, the measurement, recording and analysis of acoustic emission (AE) signals generated the loading process proves to be a very effective method to evaluate remote or inaccessible parts of a structure, even in real time in the context of what is known as Structural Health Monitoring (SHM). In this context, the present Doctoral Thesis investigates the applicability of the AE method to assess the damage of separate RC elements (columns, beams) subjected to low-cycle fatigue tests and real structures (RC slab and RC frames) subjected to seismic-loading (dynamic tests). Likewise, the Thesis provides different procedures for processing of AE signals to discriminate between relevant and irrelevant records. In this way, the emission will be able to be correlated with mechanisms of damage and assess the level of damage of a structure. Based on this idea, the damage quantified in terms of AE energy and in terms of plastic strain energy dissipated by the concrete could verify that are strongly correlated until the yielding point of the reinforcing bars. Also the Gutenberg Richter index has been applied for the first time in dynamic tests and checked the influence of attenuation on it. A new damage index based on Continuous Wavelet Transform has been also proposed and validated with mechanical indices previously well established in the literature. Resumen Las estructuras de hormigón armado situadas en zonas propensas a los terremotos son susceptibles de sufrir daños causados por la carga cíclica inducida por la aceleración del suelo durante eventos sísmicos. En una estructura de hormigón armado, no se generan sólo daños durante los terremotos severos que deforman el acero de refuerzo más allá de su límite elástico, sino que también los temblores moderados, que pueden ocurrir varias veces durante la vida de una estructura producen daño en el hormigón. Según las normas sísmicas actuales (NCSE-02 en España, Eurocódigo 8 en Europa), los pórticos de hormigón armado se proyectan para que las vigas y columnas desarrollen un mecanismo del tipo columna fuerte-viga débil y evitando a toda costa roturas frágiles en los lugares donde se pueden desarrollar las rótulas plásticas, aplicando para todo ello criterios de proyecto por capacidad. Por lo tanto, básicamente se espera que el daño estructural se concentre en las rótulas plásticas situadas en los extremos de las vigas de todas las plantas y en los arranques de los pilares únicamente de planta baja. La degradación y el daño de una estructura se asocia con el agrietamiento del hormigón y la fluencia del acero causada por las fuerzas de inercia que se generan cuando la estructura se acelera como consecuencia de un terremoto (fatiga de bajo ciclaje), o debido a cientos de ciclos de deformación en el tiempo bajo cargas de uso (fatiga de largo ciclaje). Como resultado de la degradación es necesario llevar a cabo una reparación. Entre los tipos de daño que pueden experimentar elementos de hormigón armado cabe destacar la rotura a cortante, el deslizamiento de las barras de acero con el hormigón circundante y la plastificación del acero. La estructura está comúnmente recubierta por elementos no estructurales, como cerramientos exteriores de fábrica de ladrillo, revestimientos, enlucidos de cemento, estucos, etc., que hacen que una simple inspección visual sea muy complicada. Aun así, la inspección visual solo proporciona información cualitativa respecto del daño aparente sufrido en el hormigón. El primer tipo de daño en el hormigón consiste en la apertura de grietas cuando la tensión de tracción excede la resistencia a tracción del hormigón, y continúa con el avance de la grieta y el crecimiento de su ancho. El segundo tipo de daño en el hormigón se debe al aplastamiento bajo tensiones de compresión. Las técnicas de Ensayos No Destructivos (END) pueden jugar un papel importante en la detección y cuantificación de ambos tipos de daño. Entre ellas, la medición, registro y análisis de las señales de emisión acústica (EA) generadas durante el proceso de carga ha demostrado ser un método muy eficaz para evaluar zonas remotas o inaccesibles de una estructura, incluso en tiempo real en el contexto de lo que se conoce como Structural Health Monitoring (SHM). En este contexto, la presente Tesis Doctoral investiga la aplicabilidad del método de EA para evaluar los daños en elementos estructurales de hormigón armado (columnas, vigas) sometidos a cargas cíclicas de origen sísmico. La investigación se basa en ensayos dinámicos de modelos a escala que representan prototipos de estructuras reales del tipo losa sobre pilares aislados, y pórticos de hormigón armado, sometidas a cargas sísmicas. Igualmente, la Tesis propone diferentes procedimientos para el procesado de señales de EA que permiten discriminar entre los registros relevantes y no relevantes, para poder así correlacionar la emisión con los mecanismos de daño asociados y evaluar el nivel de daño de la estructura. En esta Tesis, el daño cuantificado en términos de energía de EA se compara con la energía de deformación plástica disipada por el hormigón, concluyéndose que están fuertemente correlacionados. Esta correlación permite relacionar índices de daño basados en EA con índices de daño mecánicos propuestos en la literatura y basados en la energía disipada mediante deformaciones plásticas. Además, en esta Tesis se aplica por primera vez el índice de Gutenberg-Richter a ensayos dinámicos y se comprueba la influencia de la atenuación sobre éste. También se propone un nuevo índice de daño energético basado en la Transformada Wavelet Continua que se ha validado con índices mecánicos previamente bien establecidos en la bibliografía. Estructura de la Tesis Doctoral En el Capítulo 1 se exponen la motivación, los objetivos generales y específicos que se pretenden alcanzar, el marco de investigación y la terminología del método de EA. El Capítulo 2 está dedicado a generalidades del método de EA como método de diagnóstico en tiempo real, SHM, desde su introducción histórica hasta su aplicación en diferentes elementos (hormigón armado, detección de la corrosión, inspección en cables y puentes). Además, se explican los efectos Kaiser y Felicity. En el Capítulo 3 se presenta la metodología usada en esta Tesis durante el análisis de señales de EA, que comprende: el estudio de fuentes de EA, la energía de las señales de EA, la Transformada Wavelet Continua y el índice de Gutenberg-Richter. El Capítulo 4 expone los ensayos cuasi-estáticos realizados en vigas de HA con y sin muesca, y los ensayos dinámicos con mesa sísmica de una losa de HA sobre pilares de acero y de un pórtico de HA. Más concretamente, se explican los diferentes modelos ensayados, sus características y detalles, los equipos de medida usados y la configuración, así como los parámetros de adquisición de las señales y la historia de carga. En el Capítulo 5 se presentan los resultados obtenidos en todos los ensayos y para todos los modelos. Este capítulo se divide en dos partes principales: Comparación entre la energía de deformación plástica y la de EA. Índice de Gutenberg-Richter. En esta segunda parte, se analiza este índice variando diferentes parámetros que afectan a la atenuación de señales y se propone un nuevo índice de daño energético basado en la Transformada Wavelet Continua. En el Capítulo 6 se resumen las principales conclusiones obtenidas durante el desarrollo del trabajo de investigación que ha tenido lugar con esta Tesis Doctoral. Finalmente, se presenta un Anexo donde se describen las características del hormigón y los diferentes resultados de los ensayos que se han llevado a cabo en la construcción del pórtico.