Inspección no destructiva de estructuras mediante georradar : análisis de daños por corrosión y por otras patologías

Abstract

This thesis aims to studythe capacities and limitations of Ground Penetrating Radar (GPR) to support inspection, assessment, maintenance and rehabilitation tasks, helping to earlydetection and evaluation ofpathologies in unreinforced masonryconstructions, as well as in reinforcing concrete structures. One ofthe most common pathologies in existing reinforced concrete structures is corrosion damage. In fact, this is a pathologythat, in more advanced stages, may comprom ise the integrity of sorne structural elements, or e\en of the whole structural system. Corros ion dam age reduces the effecti\e cross section of steel reinforcing bars , dim inishing the bond between reinforcement and concrete, and affecting, dueto physical and chemical processes, the concrete that inwl\es the corroded steel reinforcing bars. In reinforced concrete structures, the corrosion ofsteel reinforcing bars is, in general, hidden. Accordingly , remotely or at distance assessment techniques are desirable , which aims to assess the integrity of steel elements, generally inaccessible through direct contact. The implementation of non-destructi\e tests (NDT) is a com mon practice when analysing pathologies in historical buildings, where inter'A:lntions should be as minimal invasi\e as possible . Sorne ofthe mostcommon methods to assess corrosion, such as the potential of corrosion, the petrographic analysis and the resistivimeter, present sorne disadvantages in comparison to the GPR. In fact, the uses of such methods require a considerable time, they are slightty invasi\e, and its application is localized, which means thattheir application only co\ers a reduced area of analysi s. In orderto assess the GPR capacity for detecting corros ion dam age, different laboratory tests were respecti\ely de\eloped, being the obtained results extremely satisfactory. Accordingly, it is possible to identify the following achie\ements: (i) a fast data acquisition planning methodologywas well established; (ii) the key elements and parameters for corrosion detection, within a qualitati\e analysis, were respecti\elyidentified; (iii) the contoureffects, related to a change on geometry, were identified and duly controlled; and (iv) a numerical approximation method, based on energy attenuation of GPR, for assessing the presence and degree ofcorrosion in damaged samples, was proposed with success. Obtained results are themsel\es a strong contribution of de\eloped research studies for the state of art. Four in-field tests, implemented on existing structures were respecti\ely developed, aim ing to apply and validate the methodologies, results and conclusions, obtained from laboratory tests. Toree case studies are related to historical constructions, belonging to the cultural heritage of the city of Barcelona, in Spain. The obtained results from GPR, combined, in sorne cases, with boreholes and seism ic tomography, allowed to identify pathologies dueto hum idity, corrosion and differential setttements. A fourth case study, de\eloped on a contemporary structure, in reinforcing concrete, and only using GPR, allowed to identifyand localize pathologies dueto corrosion damage. The laboratorytests and the case studies, using GPR, combined or not with other techniques, showed a strong capacityto detect and assess early stage pathologies, especially dueto corrosion damage, through fast, non-invasi\e and non­ destructi\e prospections. This strategy has econom ical and social advan tages . lndeed, a fast detection of pathologies , allow the rehabilitation of existing structures with a minimum amount of budget, when comparing with the needed resources to face damage in a more se\ere stage. The assessment ofpathologies in earlystages with GPR, especiallywhen combined with other techniques, allow then to ensure more resilient structures, by increasing their reliability, safety, and availability, and by decreasing their operational costs.

En este trabajo de tesis se propone estudiar las capacidades y limitaciones de la tecnología de georradar para dar soporte a tareas de inspección, evaluación, mantenimiento y reparación mediante la detección temprana yla evaluación de patologías en construcciones de mampostería no reforzada yen estructuras de hormigón armado. Una de las patologías más comunes en estructuras es la que ocasiona la oxidación en elementos metálicos. Se trata de una patología que, en fases avanzadas, puede comprometer la integridad de los elementos o del conjunto estructural. La corrosión reduce la sección efectiva de los elementos metálicos o del armado, disminuye la adherencia entre acero y hormigón y afecta, por interacción química y física, el hormigón que rodea las armaduras corroídas. En estructuras de hormigón armado, la corrosión en las armaduras queda, en general, oculta. En este sentido, son deseables técnicas de prospección remotas o a distancia, con el propósito de evaluar elementos metálicos inaccesibles por contacto. El empleo de ensayos no destructi1.0s (NDT) y no invasi1.0s, es habitual en el análisis de patologías en edificios históricos, donde las inteMnciones deben ser mínimamente invasivas. Métodos comunes para evaluar la corrosión como el potencial de corrosión, análisis petrográfico y resistivímetro, tienen deswntajas frente al georradar. La utilización de estos métodos requiere un tiempo considerable, son lewmente invasi1.0s ysu aplicación es puntual de modo que las prospecciones suelen cubrir áreas relativamente reducidas constituidas por unos pocos elementos (armaduras). Para determinar la capacidad de la tecnología de georradar para detectar el fenómeno de la corrosión, se han diseñado diferentes experimentos en laboratorio. Los resultados obtenidos son razonablemente satisfactorios. Se ha definido una metodología para la planificación de prospecciones rápidas; Se han identificado los elementos y parámetros claw para interpretar, en análisis cualitati1.0s, la presencia de corrosión; Se han identificado y controlado los efectos de contorno relacionados con cambios en la geometría; Se ha propuesto una aproximación numérica, basada en la atenuación de la energía en la señal de georradar, para evaluar la presencia yel grado de corrosión en muestras afectadas . Este resultado constituye una contribución original y significativa del trabajo de tesis. Se han realizado cuatro campañas de prospección sobre construcciones y estructuras reales con objeto de aplicar las metodologías, resultados y conclusiones obtenidos en los ensayos de laboratorio. Tres casos de estudio se corresponden con construcciones históricas pertenecientes al patrimonio arquitectónico y cultural de Barcelona. Los resultados, obtenidos con prospecciones georradar combinadas, en algún caso, con sondeos y tomografía sísmica, han permitido identificar patologías causadas por la humedad, la corrosión y asentamientos diferenciales del terreno. Un cuarto caso de estudio, realizado sobre una estructura contemporánea en hormigón armado y utilizando únicamente tecnología de georradar, ha permitido identificar y localizar patologías ocasionadas por la corrosión. En los ensayos de laboratorio yen los casos de estudio descritos, la tecnología de georradar, combinada con otras técnicas, ha demostrado una buena capacidad para detectar y evaluar patologías en fases tempranas, especialmente por corrosión, mediante prospecciones rápidas, no invasivas y no destructivas. Esta estrategia tiene wntajas económicas y sociales. Una pronta detección de patologías, permite recuperar las construcciones con inwrsiones mínimas si se comparan con los importantes recursos que deben utilizarse frente a una elñdencia del daño en etapas sewras. La evaluación de patologías en etapas tempranas y con tecnología de georradar combinada con otras técnicas, nos orienta hacia construcciones más seguras y resilientes, y disminuyendo sus costos operativos.