Los sensores de fibra óptica soldables miden la deformación de una estructura de hormigón y acero

Un grupo de investigadores de la Escuela Técnica Superior de Edificación de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), dirigido porJulián García Díaz, Nieves Navarro Cano y Edelmiro Rúa Álvarez, llevó a cabo ensayos destinados a detectar grietas en el hormigón y a medir la deformación del acero tras aplicar diferentes escalones de carga.
Como resultado, fue posible determinar el momento exacto en el que una viga comienza a fisurar.

Problema

A un grupo de investigadores de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) se planteó el reto de medir las deformaciones de una estructura desde su interior: no solo en el hormigón sino también en el acero. Para ello se requerían sensores de fibra óptica soldables y la tecnología de registro de datos más avanzada.

Solución

Este equipo universitario empleó una solución de medida compuesta por sensores de fibra óptica y temperatura, transductores de desplazamiento, un sistema de adquisición de datos (DAQ) QuantumX MX1615, interrogadores FS22 y el software catman Easy de HBK. Esta solución demostró ser precisa, fácil de conectar y de un tamaño ideal para trabajos de campo.

Resultado

Los ensayos realizados con la ayuda de los productos de HBK han demostrado la idoneidad de los sensores de fibra óptica para este proyecto, ya que se han podido deducir comportamientos de la estructura de hormigón mucho más realistas que los obtenidos con fórmulas de resistencia de materiales tradicionales.

Sensores de fibra óptica, la opción ideal para medir la deformación desde el interior

El equipo de la UPM utilizó sensores de fibra óptica soldables basados en tecnología FBG (red de Bragg en fibra) en lugar de métodos más tradicionales, como la termografía infrarroja, la emisión acústica, la correlación digital de imágenes (DIC), los sensores ultrasónicos, las fibras ópticas plásticas o los sensores de nanotubos de carbono.

“Como los sensores se pueden soldar al acero corrugado, ha sido posible medir las deformaciones de una estructura desde su interior. Y no solo en el hormigón, sino también en el propio acero", explica Julián García Díaz, doctorando en Innovación Tecnológica en Edificación.

La elección de los sensores de fibra óptica es consecuencia de sus características; en concreto, mayor duración que las galgas extensométricas eléctricas convencionales, estabilidad de la señal a largo plazo en condiciones desfavorables, posibilidad de instalar varios sensores en un mismo cable (multiplexación) e inmunidad a las interferencias (EMI/RFI). Además, la longitud del cable no afecta al proceso de medición. Todo ello se traduce en ventajas económicas y mejoras en el rendimiento y la precisión.

Aparte de los sensores de fibra óptica, García Díaz y su equipo se beneficiaron de las prestaciones del sistema de adquisición de datos QuantumX MX1615, los interrogadores FS22 y el software catman Easy a la hora de realizar los ensayos en dos vigas de hormigón (200 mm × 300 mm y 300 mm × 500 mm, con una longitud de 3000 mm) con acero de refuerzo.

Configuración del sistema de medida

El sistema de medida se componía de arrays de dos sensores de fibra óptica y un sensor de temperatura (para compensar la sensibilidad de los sensores de fibra óptica), células de carga conectadas al sistema de adquisición de datos QuantumX MX1615 de 16 canales y un transductor de desplazamiento de potenciómetro de 20 mm, con una precisión del 0,1% y compatible con el amplificador MX1615B. El sistema de adquisición de datos se conectó a un ordenador que tenía instalado el software catman Easy. Los interrogadores FS22 también se conectaron a este ordenador.

“Desde que comencé a investigar para la realización de mi tesis doctoral, he confiado en los productos de HBM, ahora HBK, por dos razones: la posibilidad de utilizar sensores soldables y el compromiso y la profesionalidad de su equipo humano. En esta investigación, han aportado un sistema preciso, fácil de conectar y con el tamaño ideal para trabajos de campo. Y, por si esto fuera poco, los resultados son inmediatos y se reciben en el ordenador a través del software catman Easy”.


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Las medidas con fibra óptica aportan información importante: detección de microfisuras

La fibra óptica pudo detectar algunas microfisuras no visibles a simple vista y, en consecuencia, hace posible analizar el comportamiento del hormigón y determinar la deformación del acero.
Las pruebas han demostrado que, por ejemplo, la deformación del acero es superior a la que se obtiene en los cálculos teóricos y se produce mucho antes de lo que indicaban las anteriores pruebas de laboratorio.
García Díaz añade que

“los resultados han cubierto mis expectativas, ya que a través de los ensayos hemos podido deducir comportamientos de las estructuras de hormigón mucho más realistas que los obtenidos con las fórmulas de resistencia de materiales tradicionales”.

Por todo ello, el grupo de investigación de la UPM tiene previsto seguir utilizando los productos de HBK en sus futuros proyectos de medida de deformaciones en estructuras.

El cliente: El Grupo de Ingeniería Estructural de la UPM

El Grupo de Ingeniería de Estructuras forma parte del Departamento de Mecánica de los Medios Continuos y Teoría de Estructuras de la ETS de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos (UPM).

Además de impartir asignaturas básicas y avanzadas pertenecientes al programa de ingeniería estructural de la ETS de Ingenieros de Caminos, este grupo también lleva a cabo proyectos de investigación en el campo de la ingeniería estructural. Igualmente, trabaja para promover la ingeniería estructural como una rama fundamental dentro de la ingeniería civil y proporciona servicios especializados a los sectores público y privado.

Además..

En colaboración con Julián García Díaz, los expertos en óptica de HBK han escrito un artículo técnico sobre la monitorización de la salud estructural mediante sensores de fibra óptica para la 10ª Conferencia Internacional sobre Monitorización de Salud Estructural de Infraestructuras Inteligentes (SHMII 10).

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