Análisis estructural de muros de fábrica mediante ensayos no destructivos

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(1)UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS. A N Á L I S I S D E M E D I A N T E. E S T R U C T U R A L. M U R O S. D E. E N S A Y O S. F Á B R I C A. N O. D E S T R U C T I V O S. TRABAJO FIN DE MÁSTER MÁSTER OFICIAL DE ESTRUCTURAS, CIMENTACIONES Y MATERIALES. Autora:. Silvia M. Monteagudo Viera. Tutora:. Profª. M. Jesús Casati Calzada. Madrid, Septiembre 2010.

(2) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. Silvia M. Monteagudo Viera Madrid, Septiembre 2010 ISBN – 978 – 84 – 693 – 6276 – 1. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS.

(3) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Agradecimientos. A María Jesús Casati, profesora de la E.U.I.T. Aeronáutica y tutora de este trabajo, por su dedicación y supervisión, tanto del trabajo fin de Máster, como de los ensayos realizados durante la campaña experimental.. A Jaime C. Gálvez, catedrático de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos en el Departamento de Ingeniería Civil - Construcción, por haber hecho posible la realización de los ensayos, mediante su autorización y su asesoramiento.. A Ghaida Al-Assadi, Ing. Civil y Dra. por la Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, por su dedicación y apoyo en el desarrollo de los ensayos.. A Jan Kratochvil, estudiante de último curso de Ing. Civil en República Checa, becado por la Universidad para realizar una práctica de colaboración durante los meses de Junio y Julio, sin el cual, no hubiera sido posible realizar este trabajo.. Y por último y no por ello menos importante, a los técnicos de laboratorio Alfredo Casero y Miguel Ángel de Felipe, cuya ayuda ha sido esencial para la consecución de los mismos..

(4) Í N D I C E. 1. Introducción.……………………………………………………………………….…..… Pág. 3 1.1.. Justificación……………………………………………………………………...….. Pág. 3. 1.2.. Objetivos………………………………………..………………………………….… Pág. 4. 1.3.. Contenido……………………………………..……………………………..…….… Pág. 5. 2. Avance al estado actual del conocimiento…………………………….……. Pág. 6 2.1.. Introducción…………………………………………………………………….….... Pág. 6. 2.2.. Comportamiento mecánico de la obra de fábrica………………………….…. Pág. 6 2.2.1.. Generalidades…………………………………………………………….... Pág. 6. 2.2.2.. Caracterización de los materiales constituyentes………………...… Pág. 8 2.3.2.a) Características de los materiales cerámicos……………… Pág. 8 2.3.2.b) Características de los morteros…………………………...… Pág. 11. 2.2.3.. Caracterización de la fábrica como material compuesto…………... Pág. 11. 2.2.4.. Procedimiento general de evaluación estructural…………………... Pág. 12. 2.2.5.. Identificación de los modos de fallo en muros de fábrica…………. Pág. 13 2.3.5.a). Defectos de los materiales……..…………………………….. Pág. 14. a. Defectos producidos en el ladrillo………………………...… Pág. 14 b. Defectos producidos en el mortero……………………….… Pág. 15 2.3.5.b). Daños estructurales…………………………………………… Pág.16. a. Causas genéricas más habituales………………………...… Pág. 16 b. Circunstancias exteriores especiales…………………….… Pág. 17 2.3.5.c) 2.2.6.. Daños funcionales………………………………..…………… Pág. 19. Métodos de evaluación…………………………………………………… Pág. 21 2.3.6.a). END – Ensayos no destructivos…………………………..… Pág. 23. a. Rádar………………………………………………………...…… Pág. 25 b. Termografía……………………………………………………… Pág. 26 c. Ultrasonidos………………………………………..…………… Pág. 28 d. Ensayo sónico……………………………………..…………… Pág. 30 e. Impacto eco……………………………………………………… Pág. 31 f.. Tomografía.……………………………………………………… Pág. 32. g. Esclerometría…………………………………………………… Pág.33.

(5) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. 2.3.6.b). MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. ESD – Ensayos semi-destructivos…………..……………… Pág. 34. a. Extensómetría………………………………………………...… Pág. 34 b. Gato Plano……………………………………………………..… Pág. 35 c. Hole drilling……………………………………………………… Pág. 38 d. Técnicas dilatométricas………………….………………….… Pág.39 e. Endoscopía……………………………………………………… Pág. 40 2.2.7.. Normativa de aplicación………………………………………….…….... Pág. 42. 3. Campaña experimental……………………………………………………………… Pág. 44 3.1.. Introducción……………………………………………………………………….… Pág. 44. 3.2.. Materiales………………………………………………………………….……….… Pág. 44. 3.3.. Probetas……………………………………………………………………………… Pág. 45. 3.4.. Procedimiento experimental……………………………..…………….…………. Pág. 47 3.4.1.. Equipos de uso general………………………………………..………… Pág. 47. 3.4.2.. Descripción de los ensayos……………………………………………... Pág. 49. 4. Discusión de los resultados…………………………………………………...….. Pág. 52 4.1.. Caracterización de los materiales constituyentes……………………..…...… Pág. 52. 4.2.. Análisis en función del espesor de la junta……………………………….…… Pág. 55. 4.3.. Comparación con modelos de cálculo preexistentes…………………...…… Pág. 77. 4.4.. Análisis desde el punto de vista metodológico……………………….........… Pág. 85. 5. Conclusiones………………………………………………………………………...….. Pág. 86. 6. Bibliografía de consulta ………………………………………………………….… Pág. 88. ANEXO. Resultados obtenidos…………………………………………………………...…… Pág. 93 A.1.. Ensayos en pilares……………………………………………………………...….. Pág. 95. A.2.. Ensayos en muros………………………………………………………………...... Pág. 140. -2-.

(6) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. 1.. Introducción. 1.1.. Justificación. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. El mayor porcentaje del Patrimonio Cultural Europeo está constituido por edificios realizados con muros de fábrica de ladrillo o piedra, especialmente en España, donde la industria cerámica tiene una larga tradición. Debido a los efectos de la agresividad del medio ambiente (sismos, asentamientos, vibraciones producidas por el tráfico, polución del aire, microclima, etc…), y debido al hecho de que muchos edificios y centros históricos no son objeto de un continuo mantenimiento, en la actualidad, muchos de ellos están afectados por problemas estructurales que amenazan la seguridad de los edificios y de sus usuarios.. Todo esto hace que sea preciso llegar a alcanzar un máximo conocimiento del edificio, para evitar sorpresas indeseadas durante el uso del edificio o durante posibles obras de restauración.. En la actualidad el uso del ladrillo se extiende de forma generalizada al ámbito de la edificación, para la construcción de elementos de cierre y/o divisorios. El uso con carácter portante ha quedado reducido notablemente con la desvinculación entre la estructura y el cerramiento. Este cambio de uso conlleva una disminución en el número de estudios realizados sobre la rotura de la fábrica de ladrillo, bastante escasos si los comparamos con los estudios de otros materiales, como puedan ser el hormigón o el acero.. La recuperación de edificios históricos en los que la fábrica de ladrillo tiene responsabilidad estructural ha rescatado el interés por el estudio de sus modos de fallo. Cobra especial interés en España donde contamos con un amplio patrimonio cultural inmueble realizado con fábrica de ladrillo portante.. Por esta razón y después del asesoramiento de los profesores María Jesús Casati (profesora de la E.U.I.T. Aeronáutica de la U.P.M.) y Jaime C. Gálvez (catedrático del Departamento de Ingeniería Civil - Construcción de la E.T.S. de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos de la U.P.M.) decidí realizar el Trabajo Fin de Máster sobre las características de las fábricas de materiales cerámicos en relación a su durabilidad.. -3-.

(7) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. 1.2.. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Objetivos. Los objetivos fundamentales planteados en este trabajo se resumen a continuación:. -. Ofrecer un avance para la redacción de mi futura Tesis Doctoral sobre técnicas no destructivas y semi- destructivas para la evaluación in situ del estado estructural de fábricas de ladrillo de edificios que por su valor de patrimonio histórico deban ser conservados.. -. Establecer un estudio preliminar que sirva de base para el desarrollo de un Estado del Arte en la situación actual, en lo relativo al comportamiento de la fábrica de ladrillo cerámico a compresión y a los ensayos con mínimo efecto destructivo.. -. Realizar una campaña experimental que aporte resultados sobre la rotura de la fábrica de ladrillo bajo solicitaciones de compresión uniaxial en probetas de pilares y muros de ladrillo cerámico macizo con tres espesores distintos de junta. Desarrollar ensayos de extensometría, esclerometría y ultrasonidos durante la carga de compresión uniaxial. Plantear una discusión sobre los resultados obtenidos y exponer las conclusiones de mayor interés.. -. El objetivo final es dar un primer paso en el análisis del comportamiento en servicio y agotamiento de estas estructuras que permita cuantificar la seguridad de las mismas con valores comparables a los de las estructuras proyectadas y construidas en la actualidad.. -. Por último, los objetivos específicos fijados para el conocimiento del comportamiento de las estructuras de fábrica son los siguientes: . Identificar los diferentes elementos estructurales que entran en juego y conocer su comportamiento bajo diferentes configuraciones de carga.. . Establecer las singularidades del comportamiento no lineal de la fábrica como un material compuesto.. . Identificar los modos de fallo y las patologías más habituales en fábricas de ladrillo cerámico.. . Describir los ensayos no destructivos y semi-destructivos que existen en la actualidad.. -4-.

(8) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. 1.3.. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Contenido. El Capítulo 2 de este trabajo se dedica a repasar de forma resumida la situación actual del estado del conocimiento en lo relativo al comportamiento frente a compresión de la fábrica de ladrillo cerámico, teniendo en cuenta tanto su capacidad resistente como su comportamiento mecánico. Se hace un breve resumen que abarca tanto los materiales que componen la fábrica, como el material compuesto en su conjunto. Es de igual interés el estudio de los modos de fallo y patología que se pueden presentar, así como el estudio de su comportamiento in situ, mediante el uso de ensayos no destructivos o semi-destructivos que también se describen, poniendo especial interés en aquellos que utilizaremos en la campaña experimental de este trabajo.. En el Capítulo 3 se describe la campaña experimental realizada junto con una descripción de los materiales, las probetas y los ensayos realizados.. El Capítulo 4 refleja los resultados obtenidos para cada una de las probetas.. El Capítulo 5 plantea una discusión sobre los resultados obtenidos en la campaña experimental, tanto en pilares como en muros, así como de los resultados de las distintas comparativas realizadas entre las distintas probetas.. El Capítulo 6 presenta las conclusiones finales obtenidas en el estudio.. El Capítulo 7 ofrece una recopilación de la bibliografía de consulta utilizada.. -5-.

(9) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. 2.. Avance al estado actual del conocimiento. 2.1.. Introducción. NO DESTRUCTIVOS. A continuación se presentan los aspectos más relevantes en lo que se refiere al estudio del comportamiento de la fábrica de ladrillo bajo esfuerzos de compresión uniaxial, que desempeñan una función estructural en edificios de valor histórico. Se realiza un análisis que contempla: las características de los materiales que componen la fábrica, el comportamiento en su conjunto bajo esfuerzos de compresión uniaxial, los fallos que pueden ocasionarse en la estructura y los ensayos no destructivos y semi-destructivos que pueden permitir evaluar el estado actual de la estructura.. 2.2.. Comportamiento mecánico de la obra de fábrica. 2.2.1. Generalidades El empleo de muros de fábrica con carácter portante se caracteriza por:. -. ser estructuras masivas de directriz sensiblemente vertical.. -. la estructura está formada por elementos conformados, tomados con algún tipo de conglomerante, por lo que son heterogéneos y anisótropos.. -. presentan una mayor aptitud para soportar esfuerzos a compresión.. -. así mismo, tienen dificultad para admitir las tracciones que conllevan las flexiones a que se ven sometidos por causa de acciones horizontales o excentricidad de cargas.. Se consideran normales o perpendiculares a la sección transversal las fuerzas que actúan a través del núcleo central de inercia de un muro o pilar en cualquiera de sus planos de dicha sección transversal, tal y como se muestra en la Figura 1.. Figura 1: núcleo central romboidal de la sección de la fábrica (Pellicer, 2009).. -6-.

(10) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Por el contrario, se consideran excéntricas a dicha sección las fuerzas que actúen fuera de ese núcleo. En la Figura 2 podemos ver dos ejemplos de excentricidad de las cargas.. Figura 2: Excentricidad de las cargas en la dirección del eje mayor y menor del muro (Pellicer, 2009).. Atendiendo a su construcción, P.I.E.T. 70 define la obra de fábrica como: aquellos elementos de obra obtenidos por disposición de ladrillos, bloques, piedras de cantería, unos junto a otros y sobre otros, ordenadamente y solapados de acuerdo con unas determinadas leyes de traba.. EC-6 define la fábrica como ''Conjunto trabado de piezas asentadas con mortero".. Atendiendo a su comportamiento, otra posible definición es la de: material compuesto por piezas tales como ladrillos, bloques, piedra de cantería que se encuentran, o bien unidas entre sí mediante un ligante, habitualmente mortero o, en ocasiones, yuxtapuestas con juntas a hueso, con un comportamiento marcadamente anisótropo, heterogéneo discontinuo.. -7-. y en determinadas. circunstancias.

(11) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. 2.2.2. Caracterización de los materiales constituyentes 2.2.2.a). Características de los materiales cerámicos. Las materias primas que intervienen en la formación de los materiales cerámicos son la ARCILLA, los DESGRASANTES y el AGUA.. (a) ARCILLA: principal materia prima en la fabricación de ladrillos. La formación química de los materiales arcillosos se basa en silicatos de aluminio hidratados que se diferencian unos de otros por la relación sílice/alúmina, por la cantidad de agua de constitución y por la estructura.. Aunque hay muchos minerales arcillosos, los tres más importantes en ladrillería son:. 1. la caolinita: son las más puras. Presentan un elevado tanto por ciento de alúmina que les confiere un elevado punto de fusión, y por tanto, propiedades refractarias notables tras su cocción. 2. la montmorillonita: son las menos empleadas en cerámica. 3. la ilita: son más utilizadas por ser las que cuentan con más profusión.. En general no se encuentran arcillas puras de cada tipo, sino mezcladas, aunque predomine un mineral determinado. Los materiales arcillosos están formados por partículas muy pequeñas, de carácter cristalino, como se ha demostrado por métodos físicos de investigación. Estos minerales tienen textura laminar.. Las redes elementales son grupos de átomos o iones colocados según una ordenación que varía de unos a otros. Esta disposición esquemática puede verse en la Figura 3 que se muestra a continuación.. -8-.

(12) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Figura 3: Esquema de la estructura molecular de los minerales arcillosos (Arredondo, 1991).. Una de las características principales de las arcillas es la plasticidad. Se entiende por tal la propiedad de un cuerpo que puede deformarse bajo la acción de un esfuerzo y que permanece deformado después de retirada la causa que ha producido dicho cambio. La plasticidad depende de:. 1. el contenido de agua: a mayor cantidad de agua mayor plasticidad. 2. el tamaño de las partículas: a menor granulometría mayor plasticidad. 3. la estructura laminar.. A medida que añadimos agua aumenta la plasticidad hasta un máximo, para un contenido determinado de agua, con el que se obtiene un líquido viscoso, pero desaparece toda idea de plasticidad. A este contenido de agua se le llama límite líquido.. Hay cierto contenido de agua mínimo por debajo del cual la arcilla deja de comportarse como una masa plástica y se convierte en un material friable. A este contenido de agua se le denomina límite plástico de la arcilla.. La diferencia entre el límite plástico y el límite líquido recibe el nombre de índice de plasticidad:. IP = LL - LP. -9-.

(13) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Puede conseguirse un aumento de la plasticidad mediante la adición de determinadas sustancias, en pequeña proporción, tales como: el carbonato sódico, tanino, sosa, silicato, oxalato o tartrato sódico, humos, etc. Por el contrario, puede disminuirse la plasticidad añadiendo sustancias no plásticas, tales como: arena, ceniza, ladrillo machacado, etc.. Podemos dividir las arcillas en dos grandes grupos:. 1. arcillas grasas: son las que tiene una gran plasticidad cuando están suficientemente mojadas, se moldean fácilmente y se adhieren a los objetos en contacto con ellas. Estas arcillas son ricas en minerales arcillosos y pobres en esqueleto arenoso. 2. arcillas magras: son poco plásticas al ser ricas en esqueleto arenoso.. Las primeras por su enorme adherencia, presentan una gran dificultad para el moldeo y su manejo subsiguiente. Además, su secado suele ser defectuoso, pues durante este proceso se forma un capa superficial seca que contrae mucho cerrando los poros y no permitiendo que se siga eliminando el agua.. Esto da lugar a deformaciones y roturas. Pero la solución no es complicada. Se puede adicionar materias no plásticas, que hagan perder plasticidad a la arcilla, que eviten que se adhiera a los objetos que están en contacto con ella, pero que permita el moldeo correcto de los productos.. (b) DESGRASANTES: Estas materias añadidas reciben el nombre de desgrasantes, y su efecto se hace sentir también en el secado, porque las contracciones son menores y la salida del agua del interior de los ladrillos a la superficie es más fácil.. Entre los desgrasantes normalmente usados figuran: . el ladrillo molido: procede de los ladrillos rotos que hay en toda fábrica. No es conveniente que el polvo de ladrillo sea extremadamente fino, ni todo del mismo tamaño.. . las cenizas de horno.. . la arena: puede ser de naturaleza silícea, (exenta de granos calizos) y muy fina. La arena cuarzosa debe usarse con precaución, puesto que el cuarzo presenta una dilatación uniforme hasta los 575ºC, punto en el cual experimenta una dilatación brusca que puede provocar la rotura de la pieza si no se pasa lentamente por dicha temperatura.. (c) AGUA: También el agua puede contarse como materia prima de la fabricación de ladrillos. Esta, para su uso en el amasado, debe estar exenta de sales solubles, ya que, si bien es verdad que el agua es eliminada, las sales quedarán en el ladrillo y, a menos que se descompongan a temperatura inferior a. - 10 -.

(14) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. la de cocción del ladrillo, podrán salir a la superficie de la obra terminada, en forma de eflorescencias, que afectan a la construcción produciendo a veces superficies descascarilladas.. 2.2.2.b). Características de los morteros. Componentes. Los morteros de cemento para fábricas se componen de las siguientes materias primas: CEMENTO, CAL AÉREA, ARENA, AGUA DE AMASADO, ADICIONES y ADITIVOS.. (a) CEMENTO: Es un conglomerante hidráulico que mezclado con áridos (arenas o gravas) y agua crea una mezcla uniforme, maleable y plástica que fragua y se endurece adquiriendo consistencia plástica. Entre los tipos de cemento más utilizados destacamos: el cemento Portland (Portland férrico o cemento blanco), los cementos de mezclas (puzolánico o siderúrgico), el cemento de fraguado rápido, el cemento aluminoso, etc.... (b) CAL AÉREA: En la actualidad es poco frecuente el uso de cal hidráulica para la confección de morteros. Su uso tiene más interés en obras de restauración. Cuando se trata de muros de fábrica se utiliza cal aérea o hidráulica, preferentemente la primera.. (c) ARENA: Puede tratarse de arena caliza o silícea de machaqueo, de río de mina y hoya. También es posible utilizar mezclada con la anterior una arena de miga, que es un tipo de arena mezclada con cierto contenido de arcilla, de esta forma, se aumenta la plasticidad de la mezcla.. (d) AGUA DE AMASADO: En la actualidad, suele ser agua potable por lo que no es necesario su análisis. De no ser así, es necesario comprobar que no posea sales disueltas o materias orgánicas.. (e) ADICIONES: Son todos aquellos productos que se añaden a la mezcla normal para sustituir parte de alguno de sus componentes. Entre las adiciones utilizadas destacan: las fibras, el filler, las cenizas volantes, las puzolanas naturales o los pigmentos colorantes.. (f) ADITIVOS: En general suelen consistir en plastificantes, ya sea del tipo reductores de agua o inclusores de aire. Además de mejorar la plasticidad tienen por objeto mejorar el comportamiento ante las heladas.. 2.2.3. Caracterización de la fábrica como material compuesto A la hora de estudiar el comportamiento a rotura de la fábrica es preciso tener en cuenta que el comportamiento no es lineal, por tratarse de un material compuesto. La subordinación de los. - 11 -.

(15) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. resultados obtenidos a diversos aspectos como puedan ser: los materiales constituyentes, la disposición de los mismos, la inclinación de los tendeles, etc… encarece la complejidad de los resultados obtenidos y por tanto su análisis.. Una vez estudiadas las propiedades de los materiales cerámicos y de los morteros, corresponde a este apartado el tratamiento del material compuesto, cuyas propiedades son claramente distintas a las de los integrantes.. El peso específico de la fábrica vendrá dado por el de los componentes ponderados por sus respectivas proporciones en volumen. En el caso de las fábricas de ladrillo, la proporción de mortero es relativamente mayor pero también es cierto que el peso específico de los ladrillos de arcilla es muy próximo al de los morteros por lo que el error cometido al identificar el peso específico de la fábrica con el del ladrillo es asumible.. Las estructuras de fábrica en general, bóvedas, pilas, torres, muros, etc., están sometidas a esfuerzos predominantemente de compresión. Por ello se debe prestar especial atención al mecanismo de rotura bajo este tipo de solicitación y, por tanto, al valor de la resistencia a compresión de la fábrica.. 2.2.4. Procedimiento general de evaluación estructural El proceso general de evaluación de la estructura existente debe comprender las siguientes fases (Martín-Caro, 2001):. a. Anámnesis. o recopilación de la información de la estructura existente: definición de la. geometría, descripción del material y caracterización de su naturaleza, de los daños existentes y de las reparaciones efectuadas en el pasado.. b. Diagnosis de las causas que provocan los daños o insuficiencias detectadas. El técnico deberá prestar atención, al hecho de que, con frecuencia, no hay una sola causa, sino un cúmulo de ellas, que deberán tenerse en cuenta para no incurrir en errores en el análisis estructural y en la interpretación de la auscultación. c.. Análisis: estudio de la obra de fábrica mediante modelos con el propósito de calibrar la bondad de un diagnóstico.. d. Terapia: ejecución de medidas terapéuticas como resultado de una diagnosis y análisis profundos.. - 12 -.

(16) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. e. Prognosis o comprobación del resultado: estudio monitorizado mediante auscultación ad hoc, con el fin de comprobar la eficacia y perdurabilidad de las medidas propuestas, entendiendo auscultación como el conjunto de técnicas teóricas y experimentales que permiten obtener información sobre la naturaleza y estado de los materiales que constituyen una obra de fábrica, así como el comportamiento resistente de la misma. La geometría de la estructura, los resultados obtenidos del estudio de los defectos existentes y de la auscultación mediante métodos poco destructivos y no destructivos, deben ser utilizados para elegir el modelo analítico apropiado para la detección de la seguridad de la estructura y su capacidad de carga.. Las fases de análisis de una estructura existente se resumen en el siguiente cuadro ( Figura 4).. análisis de la capacidad de carga de un edificio de fábrica existente inspección geométrica insvestigación histórica. características mecánicas - relación entre tensión y deformación sistemas estructurales caracterización del suelo análisis elástico preliminar. no. no. dúctil, convexo, material estandar?. existe la posibilidad de evaluar (experimentalmente) el estado tensional debido a asentamientos o cambios de geometría?. si. elementos lineales. análisis elástico. si. elementos no lineales. monitorización del patrón de rotura análisis de estados límite. análisis experimental de modelos físicos. análisis elástico paso a paso (roturas). análisis del límite plástico. materiales sin tensión. FASES Y ALTERNATIVAS DE ANÁLISIS NUMÉRICO EN UNA Figura 4: ESTRUCTURA EXISTENTE. Fases y alternativas de análisis numérico en una estructura existente (Maierhofer, 1994).. 2.2.5. Identificación de los modos de fallo en muros de fábrica Podemos estudiar las patologías que podemos encontrar en muros desde distintos puntos de vista. En este trabajo, hemos hecho un análisis de las mismas en función de si el fallo se ha debido a criterios de:. - 13 -.

(17) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. -. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Defectos de los materiales: problemas de naturaleza química de los materiales por degradación o alteración de los mismos.. -. Daños estructurales: problemas mecánicos que ocasionan fallos estructurales bien por asientos en la cimentación o bien por esfuerzos nuevos en la estructura.. -. Daños funcionales: problemas físicos y/o biológicos que impiden que el muro desarrolle correctamente la función para la que fue diseñado.. 2.2.5.a). Defectos de los materiales. Vamos a tratar los cambios de naturaleza química en función del material que se vea afectado:. a. Defectos producidos en el ladrillo. En el caso de los ladrillos, los daños más frecuentes se deben a una excesiva porosidad, que aumenta su capacidad de succión y los vuelve heladizos. También pueden aparecer caliches: nódulo indeseado de cal viva que se ha producido durante la cocción del ladrillo, y que al absorber el agua se transforma en hidróxido cálcico, hinchándose en esta transformación. En la Figura 5 y en la Figura 6 podemos ver dos ejemplos.. Figura 5: Ladrillo heladizo. Puede apreciarse la. Figura 6: Caliche en el ladrillo: aún queda el. característica rotura por desprendimiento de. nicho que lo contuvo: al hincharse rompió la. lascas, a medida que el agua va penetrando. pieza; más tarde acabó por desaparecer. (Guigou, 2001).. (Guigou, 2001).. Otros motivos de daño del material son la falta de resistencia a compresión de las piezas, el exceso de expansión por humedad o los defectos dimensionales. En la Figura 7 y en la Figura 8 vemos dos ejemplos de falta de compresión y exceso de humedad.. - 14 -.

(18) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Figura 7: Los muros de la estructura anterior. Figura 8: Colapso por expansión de humedad:. cedieron, los primeros por aplastamiento de la. el ladrillo con junta delgada y mortero muy. fábrica, y los demás, por giro. fuerte expandió colapsando por pandeo. (Guigou, 2001).. (Guigou, 2001).. b. Defectos producidos en el mortero. En cuanto a los morteros, la patología suele derivarse del estado de limpieza del árido empleado o de la irregularidad del proceso de endurecimientos del propio mortero. En ambos casos puede manifestarse el daño en forma de eflorescencias ocasionadas por diversos motivos:. -. Por la salida al exterior de las substancias contaminantes del árido que sean solubles.. -. Por la salida al exterior del carbonato cálcico que se haya formado a causa de un mal fraguado del mortero.. En la Figura 9 y en la Figura 10 se muestran dos casos de patología por eflorescencias.. Figura 9: Eflorescencias de carbonato cálcico. Figura 10: Eflorescencias debidas a la porosidad del. pro filtración del canalón oculto tras la fábrica. mortero en un paño desfavorablemente orientado. (Guigou, 2001).. (Guigou, 2001).. El empleo de morteros industrializados ha reducido notablemente la patología tradicionalmente relacionada con el material por lo que concierne a su dosificación.. - 15 -.

(19) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Otro motivo de fallo en el mortero se debe al uso de áridos locales. Su irregularidad de forma, debida al machaqueo, y la abundante presencia de finos arcillosos, conlleva alguna dificultades de trabajabilidad que suelen solventarse a menudo mediante una sobre dosis de agua, compensada por otra de cemento. Esto da lugar a un mortero excesivamente rico que puede favorecer la aparición de lesiones en las fábricas.. 2.2.5.b). Daños estructurales. Los daños de naturaleza mecánica se suelen manifestar en la fábrica a modo de fisuras, grietas o deformaciones. Los motivos de estas malformaciones suele estar condicionados por acciones exteriores a la propia fábrica, deficiencias en el diseño o por la conjunción de ambas causas a la vez.. A efectos prácticos diremos que existe una grieta cuando la anchura de su apertura puede afectar a la resistencia y por tanto a la durabilidad del muro. Hablaremos en cambio de fisura, cuando ninguna de las dos características se vea afectada.. Es importante tener muy en cuenta la actividad tanto de grietas como de fisuras para poder valorar su peligrosidad. Por esta razón es preciso observar de forma continuada su progresión, para conocer el modo y grado de progresión.. Este dato nos permitirá determinar la causa y pronosticar el nivel de intervención necesario. Pueden presentarse dos situaciones:. 1. Fenómeno vivo o activo: es preciso corregir la causa. 2. Fisura o grieta muerta o estabilizada: basta con intervenir directamente sobre la grieta.. Con carácter general y para hacer una clasificación de las causas distinguiremos entre causas genéricas o habituales y circunstancias exteriores especiales.. a. Causas genéricas más habituales:. I.. Deficiencias de diseño: suele deberse a la falta de consideración de la influencia de los huecos de la fábrica en la geometría del conjunto o en el reparto de las cargas. La posición de los huecos en franjas verticales ordenadas suele ser una opción correcta en lo que se refiere a la transmisión de cargas al terreno.. II.. Excentricidad de cargas: como ya hemos comentado anteriormente, la forma idónea de trabajo de una fábrica es la de compresión. Cuando se produce algún grado de flexión, se origina en uno de los lados de la fábrica una progresiva descarga. - 16 -.

(20) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. que puede llegar a transformarse en una tracción. Esto afecta al elemento más débil, el conglomerado, que llega a despegarse fisurándose, pero el efecto más importante es la consiguiente reducción de la sección de la fábrica que trabaja a compresión. Este defecto puede procurar compensarse con cargas adicionales que compensen las acciones horizontales.. En la Figura 11 vemos tres esquemas que reflejan este comportamiento.. Figura 11: Flexión del muro con aparición de tracciones, deformación mayorada por pandeo y compensación de cargas (Pellicer, 2009).. III.. Falta de arriostramiento: como hemos visto en los anteriores esquemas, uno de los motivos que pueden ocasionar la flexión en el muro son las acciones horizontales, como puede ser la acción del viento o de posibles sismos.. Por este motivo se hace imprescindible arriostrar la estructura con paños transversales, pilastras o contrafuertes, que ayuden a contrarrestar estos esfuerzos indeseados.. b. Circunstancias exteriores especiales:. I.. Acciones sísmicas: una grieta causada por un movimiento sísmico se produce en diagonal y en forma de aspa. En el esquema de la Figura 12 se muestra un pórtico sometido a los empujes a derecha e izquierda que generan este tipo de grieta.. - 17 -.

(21) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Figura 12: Grietas producidas por movimiento sísmico (Muñoz, 1994).. II.. Asientos de cimentación: pueden ir desde los asientos uniformes a los asientos diferenciales. Afortunadamente, las zapatas corridas bajo muros de carga suele presentar deformaciones más bien regulares. Las causas de estos asientos pueden ser muy variadas.. En la Figura 13 se presenta un esquema con seis ejemplos de asientos producidos en la cimentación por distintas causas.. Figura 13: Movimientos de las fábricas debidos a cambios de humedad bajo la cimentación (Muñoz, 1994).. - 18 -.

(22) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Las fisuras que se reflejan en la fábrica debido al asiento de la cimentación se deben a la tracción que ejerce sobre el muro la diferencia de asientos en la estructura. De ahí que la dirección de las grietas, venga condicionada por el lugar donde más ha asentado la cimentación, tal y como reflejan los siguientes esquemas de la Figura 14.. Figura 14: Grietas producidas por asentamiento de la cimentación (Muñoz, 1994).. Por otra parte, si el muro tiene ventanas, la grieta busca el lugar más débil para producirse y se refleja en los huecos tal y como se muestra en la Figura 15 y la Figura 16. Figura 15: Fábrica con una ventana agrietada por asientos diferenciales (Muñoz, 1994).. Figura 16: Fachada con grietas en diversas ventanas. producidas. por. asientos. diferenciales (Muñoz, 1994).. 2.2.5.c). Daños funcionales. Por daños funcionales entendemos aquellos que, siendo de naturaleza física y/o biológica, han sido producidos por la acción del agua en contacto con el muro. De los componentes de la fábrica, el ladrillo no se ve tan afectado como el conglomerado que se haya empleado en las juntas, dado que suele ser mucho más permeable que los ladrillos cerámicos. Por esta razón, la primera manifestación de humedad se produce primero en las juntas.. - 19 -.

(23) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Dentro de los daños funcionales encontramos:. a. Eflorescencia: las manifestaciones de la presencia de agua en las fábricas consisten en un primer momento en un cambio de tonalidad y en manchas causadas por la eflorescencia.. b. Lixivación: más adelante, esta humedad puede llegar a transformarse en pérdidas del material por lixivación.. c. Heladicidad: con más frecuencia, el agua puede romper el ladrillo con su cambio de volumen al pasar de su estado líquido a hielo.. d. Ascensión capilar: en los arranques de las fábricas el agua puede ascender por capilaridad en el material cerámico. La succión del agua es la cantidad de agua de imbibición captada por inmersión parcial en agua en un corto período de tiempo. Uno de los defectos de la succión capilar es el ahuecamiento progresivo de las piezas.. Tal deterioro puede desembocar en la ruina de la fábrica. Por esta razón es aconsejable impermeabilizar el zócalo, para proteger el elemento estructural de la humedad.. e. Presencia de seres vivos: no debe descartarse tampoco la patología producida por la aparición de seres vivos y por sus residuos, como son los microorganismos (líquenes, hongos) e incluso las plantas y los animales, que con la ayuda de la humedad provocan cambios a veces importantes para la integridad de las piezas. En la Figura 17 y en la Figura 18 vemos dos ejemplos de muros de fábrica que se han roto por la presión que ejercen las raíces de las plantas.. Figura 17: Grietas producidas por la. Figura 18: Grietas producidas. expansividad de las raíces de las plantas. por la raíz de un árbol cercano. (Muñoz, 1994).. (Muñoz, 1994).. - 20 -.

(24) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. f.. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Dilatación potencial o expansión por humedad: se refiere a una expansión potencial del ladrillo cerámico por la presencia de humedad, que puede llegar a producir la ruptura de éste. Las grietas producidas por esta causa, suelen darse en paramento no resistentes y se presentan en forma de hendiduras limpias, verticales y que atraviesan todo el canto del ladrillo. Suelen producirse en la proximidad de las aristas del muro.. 2.2.6. Métodos de evaluación El método de análisis a seguir dependerá de la información que busquemos. Las técnicas de auscultación pueden clasificarse en función del tipo de ensayo:. -. FASE PREVIA DE INSPECCIÓN: Técnicas de auscultación visual.. -. MÉTODOS INSTRUMENTALES: Ensayos no destructivos, semi-destructivos y destructivos.. El análisis visual in situ de la estructura tiene un carácter macroscópico. Nos permite hacernos una idea de los principales componentes de la fábrica. Las observaciones previas pueden ser simples mediante el uso de cintas métricas, un martillo, una regla, una plomada o de aparatos topográficos convencionales.. Entre otros aspectos podemos estudiar:. -. Geometría de las juntas: lo que nos permitirá obtener las masas, pesos y secciones resistentes.. -. El tipo de mortero: . Árido: aspectos, tamaño y forma.. . Textura y estructura: tipo de aglomerante, cantidad de arcilla, presencia de piedra triturada…. . Presencia de inclusiones de mayor tamaño: gravas, conchas, escorias de horno…. . Color del conjunto. . Cohesión de la muestra.. -. Espesor de la junta. -. Adherencia al sustrato.. Para profundizar más será necesario recurrir a métodos instrumentales más sofisticados entre los que estudiaremos con más detalle aquellos que no produzcan daños en la estructura.. El término de ensayo no destructivo (END) es una denominación general que se adjudica a una serie de técnicas destinadas a inspeccionar o probar un material sin perjudicar su empleo en el futuro. Se incluye aquí todos los métodos de carácter físico que la ciencia ha desarrollado hasta el presente, quedando excluido automáticamente el ensayo químico.. - 21 -.

(25) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. A continuación se muestra una posible clasificación de los ensayos no destructivos en función del tipo de energía empleada para la medición (Tabla 1). Tabla 1: Clasificación de ensayos no destructivos s/ tipo de energía empleada (Tobío, 1967). TIPO DE ENERGÍA. CLASE DE ENSAYO. Sónico a resonancia Ondas elásticas. Acciones mecánicas. Eléctrica y electromagnética. Ondas acústicas. Ultrasónico. Determinación de E, σ y tg δ. Vibraciones. Resistencia y uniformidad. Esclerométrico. Dureza superficial - Resistencia. Extensométrico. Deformación puntual. Transformaciones. Deformaciones, alargamientos en bases. diferenciales. grandes, radios de curvatura. Cuerdas vibrantes. Penetrantes. Deformaciones, alargamientos en bases grandes, radios de curvatura Pequeños desplazamientos o deformaciones dinámicas superficiales Determinación de fisuras – tintas magnéticas, fluorescentes o radiactivas. Resistencia óhmnica. Humedad. Dieléctrico. Proceso de fraguado. Corrientes parásitas. Estudio de metales. Reductancia. Localización de defectos en alambres de acero para pretensado Localización de armaduras en el hormigón. Resonancia magnética. Humedad en pasta de cemento. Nivel sonoro. Microestructura del hormigón. Observación visual. Estado superficial de los materiales. Barnices Luminosa. E, σ y tg δ Determinación de E, σ y tg δ. Industivo Magnética. Calidad y resistencia - Determinación de. Ondas de choque. Pequeños desplazamientos. Fuerzas capilares. APLICACIONES. Fisuración y tensiones – barnices craquelantes. Fotoelasticidad y. Tensiones y deformaciones en. fotoelasticimetría. materiales no fotoelásticos. Ultravioleta. Actividad hidráulica de escorias. Absorción de rayos γ. Densidad de materiales y suelos. Radiaciones. Neutrones. Humedad de materiales. nucleares. Gammagrafía. Calidad del material. Neutrones lentos. Radiografía con neutrones. - 22 -.

(26) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Los métodos que se estudian en este trabajo se resumen a continuación:. -. Ensayos no Destructivos (END):. a. Radar b. Termografía. Técnicas electromagnéticas. c. Ultrasonidos d. Ensayo sónico. Técnicas acústicas. e. Impacto Eco f.. Tomografía. g. Esclerometría. -. Ensayos semi-destructivos (ESD):. a. Endoscopía b. Extensómetría c. Gato Plano d. Hole drilling e. Técnicas dilatométricas. 2.2.6.a). END – Ensayos no destructivos. La metodología propuesta para la evaluación de muros de fábrica en construcciones del patrimonio cultural se sirve de tres aspectos esenciales que se exponen a continuación: . La combinación de los ensayos no destructivos, los ensayos poco destructivos y los ensayos destructivos, para llevar a cavo investigaciones en estructuras históricas.. . El uso de paquetes de software para un análisis rápido y automatizado de los datos.. . La interpretación final de los resultados por medio de un equipo multidisciplinar de trabajo.. En el cuadro siguiente se hace un resumen de la metodología a seguir con ensayos no destructivos en edificios históricos de fábrica (Figura 19).. - 23 -.

(27) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. METODOLOGÍA. Radar Impulso Eco. Tomografía. Medida de la humedad con microondas. Evaluación de la humedad mediante testigos análisis por elementos. Impacto Eco. Ensayo sónico y tomografía. Endoscopia en pozos para calibrar la profundidad. Tomografía de ultrasonidos. Gato plano. Testigos para evaluar la resistencia. nodestructivos. adquisición de datos combinados. semidestructivos destructivos. ? Salida de datos Reconstrucción de los datos (radar, ultrasonidos, impacto-eco, ensayo sónico). Equipo Técnico. Evaluación de los datos. modelo estructural. ISTEMA DE EVALUACIÓN ESTRUCTURAL PARA ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS EN EDIFICIOS HISTÓRICOS DE FÁBRICA. Figura 19: Sistema de evaluación estructural para ensayos no destructivos en edificios históricos de fábrica (Maierhofer, 1994).. - 24 -.

(28) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. a. Radar El ensayo del radar (Georadar o GPR - Ground Penetrating Radar en terminología anglosajona), es un método basado en impulsos de ondas electromagnéticas.. Son impulsos con frecuencias de entre 100 MHz - 1 GHz, emitidos a través de un sólido por medio de una antena bipolar, que posteriormente se reciben en otra. Con estos transductores vamos barriendo el muro objeto de medición. Las ondas reflejadas y el tiempo que tardan en volver indican la presencia y la distancia a la que se encuentra la superficie que las refleja. Como resultado obtenemos un mapa (ragar-grama) que refleja las posibles discontinuidades internas de la estructura (Figura 20).. Figura 20: Radar gramma (Lombillo, 2007).. Al igual que las ondas acústicas en sólidos, la longitud de onda electromagnética es inversamente proporcional a la frecuencia (a mayor frecuencia, menor longitud de onda y mayor poder resolutivo). A su vez las ondas de frecuencias más altas presentan gran atenuación de energía y por tanto limitan la profundidad de la inspección. En las técnicas radar rige el “principio de dielectricidad electromagnética”, según el cual la amplitud de energía electromagnética reflejada en una interfase existente entre dos materiales está directamente relacionada con la diferencia de las constantes dieléctricas relativas de los mismos.. Las ondas electromagnéticas son sensibles a interfaces con agua, mientras que las ondas acústicas lo son a interfaces con aire, por ello se muestran como dos métodos de inspección complementarios. En algunos casos, donde no es posible aplicar el método de radar (presencia de agua o metales), los métodos acústicos pueden ser la única solución, y viceversa, cuando la metodología acústica falla (gran presencia de huecos o grandes heterogeneidades) el radar puede detectar los elementos principales del objeto de estudio.. - 25 -.

(29) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. La aplicación más habitual en fábricas es descubrir la morfología de la sección de muros de múltiples hojas de piedra y/o ladrillo. En 2001, esta técnica fue empleada por Maierhofer para localizar los defectos estructurales internos de una estructura de fábrica de ladrillo (Maierhofer, 2001).. b. Es. Termografía. un ensayo. electromagnético. que. utiliza. la radiación. infrarroja. (región del espectro. electromagnético entre la luz visible y las microondas, con un rango de longitudes de onda comprendido entre 0.75 y 10 μm), para detectar anomalías y diagnosticar acciones correctoras. A continuación se muestra un esquema del espectro electromagnético (Figura 21).. Figura 21: Esquema del espectro electromagnético (Clark, 2003).. Analiza temperaturas e imágenes mediante visión térmica, ya que a temperatura ambiente, la radiación térmica está situada en la banda del infrarrojo. El principio de la termografía se basa en que todo cuerpo a temperatura superior al cero absoluto (-273.15 ºC) emite radiación en forma de calor. Para el ensayo de termografía infrarroja es necesario la existencia de un gradiente térmico (generalmente diario y/o estacional) para inducir la respuesta térmica de las superficies. Se considera que una diferencia de 20 ºC es satisfactoria, así, las medidas se tomarán sobre edificios que estén calientes a temperaturas ambiente frías. Podemos ver un esquema del funcionamiento de una cámara termográfica en la Figura 22.. Figura 22: Cámara termográfica - esquema de funcionamiento (Binda, 2000). - 26 -.

(30) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. En función del tipo de edificio las inspecciones se deben realizar en diferentes momentos del día: . En edificios con muros de carga ha de aplicarse preferentemente después de anochecer, ya que como tienen espesor considerable aumenta el volumen que puede almacenar calor, es por esto que al anochecer es cuando los muros de carga emiten más radiación térmica, dado que por la falta de radiación solar se produce un descenso de las temperaturas más acusado del resto de elementos.. . En edificios con estructuras internas ha de llevarse a cabo al amanecer, ya que el interior del edificio normalmente, al amanecer, está a mayor temperatura que el exterior, además el muro de fachada permanece todavía a baja temperatura lo que resulta en un mayor contraste de temperaturas.. En el sector de la rehabilitación, las aplicaciones más habituales son la localización de humedades, la identificación de estructuras, la localización de huecos cegados, la identificación de grietas, el reconocimiento de zonas de acumulación de calor y de pérdidas del mismo, la localización de diferentes materiales, el análisis del estado de pinturas murales y del estado de conservación de materiales.. A continuación se muestra un ejemplo de una fotografía termográfica ( Figura 23). La iluminación en las ventanas, refleja la excesiva pérdida de calor a través de este cerramiento. Las superficies más frías se muestran en tonos oscuros. También se puede realizar una representación tridimensional de una imagen termográfica como se muestra en la Figura 24.. Figura 23:. Figura 24:. Termografía de una vivienda (Clark, 2003).. Termografía en 3D (Meola, 2005).. - 27 -.

(31) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. c. Ultrasonidos El ensayo ultrasónico forma parte de los ensayos acústicos junto con el ensayo sónico y el impacto eco. Los tres tienen en común la generación de impulsos acústicos en un punto de la estructura, que son posteriormente recibidos por un receptor.. Cuando una alteración (de tensión o de desplazamiento) es aplicada de repente en un punto de la superficie de un sólido, por ejemplo mediante un impacto, dicha alteración se propaga a través del sólido mediante tres tipos de ondas mecánicas diferentes: una onda-P, una onda-S, y una onda-R. Las ondas P, “ondas primarias”, son las que presentan mayor velocidad de propagación. Las ondas S, “ondas secundarias” se reciben más tarde que las longitudinales. Las ondas R, “ondas de Rayleigh o de superficie”, son las más lentas y no penetran en el material más allá de su longitud de onda. Este es el principio por el que se rigen los ensayos acústicos. El esquema de la Figura 25 reproduce de manera esquemática este planteamiento.. Figura 25: Propagación de ondas a través de un sólido en un ensayo acústico.. Las ondas ultrasónicas son ondas elásticas de alta frecuencia (con frecuencias superiores a 20 kHz). El método se basa en ver la velocidad a la que se propagan estas ondas a través de la fábrica. La medida de la velocidad se efectúa mediante dos transductores que miden el tiempo que pasa entre la emisión y la recepción de una señal entre dos puntos situados a una cierta distancia. Figura 26: Equipo de ultrasonidos.. La Figura 26 muestra el equipo utilizado para los ensayos en el momento de su calibración. Al igual que con el radar, se hace un barrido horizontal y vertical para identificar los posibles tipos de alteraciones.. En la aplicación de ensayos acústicos a sólidos elásticos isótropos, como el hormigón, se cumple la relación de Krauthrämer y Krauthrämer:. - 28 -.

(32) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. donde,. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Cp: velocidad de las ondas primarias (aquellas que presentan mayor velocidad de propagación). E: módulo de elasticidad. ρ: densidad. ν: coeficiente de Poisson.. En el. caso de la fábrica, hay que tener en cuenta que su anisotropía, heterogeneidad y. discontinuidad, va a generar un comportamiento distinto ante la propagación del impulso: absorción y dispersión.. El tiempo de propagación del impulso ultrasónico depende fundamentalmente de: . La densidad del material: I.. Composición mineralógica de sus componentes.. II.. Conexiones intercristalinas.. III.. Volumen de poros.. . La presencia de huecos.. . La presencia de fisuras, grietas o espacios llenos de aire.. . Humedad.. . Acciones a las que está sometido el material.. Se pueden hacer básicamente tres tipos de medidas según la posición de los transductores (emisor y receptor). En la Figura 27 aparece un esquema de los tres tipos.. LECTURA DIRECTA. LECTURA SEMI-DIRECTA. LECTURA INDIRECTA. Figura 27: Tipos de lectura de ultrasonidos en función de la posición de los transductores.. - 29 -.

(33) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Las tres lecturas se basan en que las ondas acústicas que atraviesan un medio sólido, puede propagarse por su interior según indica el siguiente esquema (Figura 28):. TRANSMISIÓN DIRECTA. TRANSMISIÓN SEMI-DIRECTA. TRANSMISIÓN INDIRECTA. Figura 28: Modos de transmisión de la onda en ensayos acústicos (McCann, 2001).. Sin la extracción de muestras se pueden definir tipos de porosidad, las calidades de los ladrillos que constituyen la fábrica, el estado de deterioro, así como obtener el módulo elástico del material.. La aplicación de este ensayo en fábricas se realizó por primera vez en los años sesenta. En 1981, Mamillan estableció una relación entre la velocidad de US y la porosidad de los ladrillos macizos. En 1986, Hobbs, tras una amplia campaña experimental observó que las medidas indirectas siempre daban velocidades menores que las directas. En 1990, Fluvio Zezza estudió con ultrasonidos el deterioro de los leones de la Alhambra. El mismo año, Suárez y Montoto utilizaron este método para evaluar el estado de alteración de los sillares de granito del Escorial. En 2008, Vasconselos estudió la variaicón de la velocidad de la onda en función de la geometría de probetas de granito (Vasconcelos, 2008).. d. Ensayo sónico Es un ensayo acústico que se basa en la generación de ondas mecánicas de baja frecuencia (frecuencias sónicas entre 0,5kHz y 10kHz) mediante un martillo instrumentado.. Los martillos suministran una masa cayendo de una determinada distancia, por lo que la masa y la dureza de la cabeza del mismo definen la energía y la frecuencia de la onda inicial. La onda mecánica es recogida por un receptor, normalmente un acelerómetro que puede situarse en varias posiciones, el cuál motiva a un osciloscopio adjunto o un registrador digital que comienza a compilar los datos a medida que son percibidos por el receptor. El equipamiento del ensayo se muestra en la Figura 29.. - 30 -.

(34) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Figura 29: Esquema del equipamiento del ensayo sónico (Binda, 2000).. La elaboración de los datos consiste en medir el tiempo que toma el impulso para cubrir la distancia entre el transmisor y el receptor (tiempo de viaje), mediante dicha magnitud puede calcularse la velocidad de la onda que se propaga por el medio:. Debido a la heterogeneidad de las fábricas, los ensayos de pulso sónico son más apropiados. Sin embargo en el caso de unidades de baja porosidad, los ensayos ultrasónicos pueden ser empleados satisfactoriamente.. e. Impacto Eco Es un ensayo acústico que emplea un análisis basado en la frecuencia de los ecos de las ondas que se propagan dentro de la fábrica para localizar discontinuidades internas. Lo atractivo de este ensayo es que solo se requiere tener acceso por una cara.. En la Figura 30 podemos ver un ejemplo de aplicación del ensayo y un esquema del funcionamiento del mismo.. - 31 -.

(35) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. Figura 30: Ensayo de Impulso Eco - aplicación y esquema de funcionamiento (Lombillo, 2007).. Cuando una onda incide y encuentra un segundo material, se refleja parcialmente. El principio de la impedancia acústica (producto de la velocidad de la onda en un material y la densidad del mismo), establece que la energía reflejada en una interfase será tanto mayor cuanto mayor sea la diferencia entre las impedancias de los dos medios que forman la interfase. A su vez la amplitud de la reflexión es una función del ángulo de incidencia y es máxima cuando dicha incidencia es perpendicular a la interfase (ángulo de incidencia 90º, incidencia normal).. En base al principio anterior, en un material heterogéneo, como la fábrica, se producirá una difracción de la onda de llegada siempre que haya una discontinuidad del material, produciéndose una pérdida de velocidad respecto a la que se obtendría en un material homogéneo. De la misma forma cuando la onda encuentra una interfase con el aire, prácticamente la reflexión en la interfase es total. Esta es la causa por la que los métodos no destructivos basados en la propagación de una onda de tensión han demostrado ser satisfactorios para localizar defectos dentro de sólidos.. Su uso en fábricas persigue los siguientes fines: localización de tizones, identificación de células macizadas en fábricas armadas, determinación del espesor de secciones transversales y localización de vacíos en construcciones de varias hojas.. f.. Tomografía. La imagen tomográfica es una técnica computacional que utiliza los datos de los ensayos ultrasónicos, sónicos o de radar para proporcionar una representación, bidimensional o tridimensional, de las propiedades internas de una determinada sección de un elemento. Tiene la finalidad de reproducir la estructura interna de un objeto a partir de medidas recogidas desde su superficie externa.. La precisión del ensayo depende del número de transductores empleados, por lo que deberían utilizarse ocho sensores como mínimo. Todos se conectan entre sí y la unidad central recoge los ecos. - 32 -.

(36) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. recibidos por cada palpador al golpear sucesivamente cada una de las cabezas instaladas en cada sensor. Terminada la serie completa de golpes la unidad central procesa la información y asigna a cada punto de la sección del elemento de ensayo un color en función de la velocidad de transmisión de la onda que atraviese por ese punto.. Los procedimientos desarrollados para exploraciones geofísicas han sido adaptados para el empleo en fábricas, el enfoque ha mostrado una razonable aproximación del tamaño y extensión de las anomalías internas. Defectos internos como vacíos, grietas y deterioro pueden ser localizados y tallados mediante la imagen tomográfica (Figura 31). Otro ejemplo de una imagen tomográfica de una columna del Arsenale de Venice, se muestra a continuación (Figura 32).. Figura 31: Imagen tomográfica de la sección del muro representado (Schuller, 1997).. ANÁLISIS VERTICAL. ANÁLISIS HORIZONTAL. Figura 32: Imagen tomográfica de una columna (Valuzzi, 2002).. g. Esclerometría Dentro de los métodos de ensayo basados en la dureza superficial tenemos el método del esclerómetro Schmidt. Consiste en una masa metálica conocida, activada con una energía de percusión de 0,225 m.Kp, que choca contra el material a medir sobre una superficie de contacto dada. La cantidad de energía recuperada en el rebote de la masa es un índice de la dureza de la superficie ensayada (índice de rebote). La energía se proporciona a la masa mediante un muelle. Aunque no es un ensayo excesivamente preciso, nos permite tener un orden de magnitud de la. - 33 -.

(37) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. dureza superficial del material. Por esta razón debe considerarse en relación a otros materiales y/o probetas.. La Figura 33 el esclerómetro modelo N, utilizado durante los ensayos de la campaña experimental descrita en este trabajo.. Figura 33: Esclerómetro o martillo Schmidt.. El instrumento está ideado para actuar en posición horizontal, es decir, para examinar superficies verticales. En caso de su utilización para superficies inclinadas y horizontales, deberá efectuarse una corrección en la medida, en función del ángulo α de inclinación. En nuestro caso no fue necesario el uso de esta corrección puesto que todas las medidas se tomaron en horizontal.. 2.2.6.b). ESD – Ensayos semi-destructivos. a. Extensómetría Aunque el uso de extensómetros ya implica una deformación de la estructura, y puede llegar a ser un ensayo destructivo en un ensayo de carga hasta rotura, hemos considerado este método un ensayo semi- destructivo, por tratarse de la medida de las deformaciones en estructuras históricas que pueden presentar grietas sobre las que debemos realizar un seguimiento. En este sentido, y si no intervenimos en aumentar la carga de la estructura, podría considerarse también un ensayo no destructivo, ya que simplemente realizamos una toma de datos.. Entre los extensómetros que podemos utilizar están los siguientes:. -. Extensómetros de cuerda vibrante (acústicos): consisten en un alambre delgado sometido a tracción, unidos sus extremos a dos partes rígidas de la estructura, que son estirados magnéticamente con la consecuente vibración. Permite obtener una información precisa del alargamiento de la estructura, aunque hay que tener en cuenta la influencia de la temperatura.. -. Extensómetros mecánicos: se basan en la medida de la variación de la longitud de una base de la medida “l”. Como “l” suele ser muy pequeña, incorporan unos dispositivos de. - 34 -.

(38) ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE. MUROS. DE FÁBRICA. MEDIANTE. ENSAYOS. NO DESTRUCTIVOS. amplificación de la variación. Se suelen dejar embebidos y se van tomando medidas a lo largo del tiempo. También deben tenerse en cuenta el efecto de dilatación o contracción térmica. -. Bandas extensométricas: Se denomina así a toda una serie de transductores de deformación basados en la variación de la resistencia eléctrica de un hilo conductor al ser sometido a una deformación. Hay dos tipos básicamente: de hilo o lámina metálica y semiconductores. Deben pegarse muy bien a la superficie. En caso de que la superficie esté agrietada, sea irregular o tenga humedad, se adhieren a listones o tiras metálicas encapsuladas y éstas a su vez se adhieren rígidamente a la estructura.. b. Gato Plano El ensayo de gato plano (Flat Jack en terminología anglosajona), es una técnica utilizada para medir la tensión de una estructura de fábrica en una zona cercana a la superficie. Un gato plano, en general, consiste en dos planchas de acero inoxidable soldadas a lo largo de las esquinas con uno o dos puertos de entrada y salida, que conectados a un circuito hidráulico con bomba son capaces de suscitarle una presión interna. En la Figura 34 podemos ver diferentes configuraciones de gato plano.. Figura 34: Diferentes configuraciones de gato plano (Gregorczyk, 2000).. El objetivo de la técnica del gato plano consiste en obtener información estimativa y fiable sobre los siguientes parámetros:. (a) Estimación del estado tensional de compresión en una zona muy local de la estructura. (b) Estimación de las características de deformabilidad (módulo de deformación y coeficiente de Poisson) de los materiales que la forman.. - 35 -.