Resumen de Instrumentación de edificios para la evaluación del estado estructural en tiempo real
La idea inicial para la elaboración de la tesis surge de los años de experiencia del autor de esta tesis en el sector de la rehabilitación de edificios. Las múltiples patologías encontradas en edificios antiguos a lo largo de la dilatada experiencia del autor en este campo hicieron que se planteara la idea de crear un sistema de detección de deformaciones en las estructuras de los edificios que pudiera avisar con un margen de seguridad previamente determinado de la aparición de deformaciones excesivas causantes de patologías en las edificaciones.
La estética en las edificaciones es un punto que no se debía pasar por alto, ya que no se podría disponer de cableado a través de una vivienda para unir los sensores, por lo que el autor comenzó a investigar acerca de crear un sistema de sensores embebidos en los elementos estructurales de hormigón armado.
Después de consultar muchos trabajos relacionados con el tema, el autor determinó el procedimiento para la detección de deformaciones en las estructuras de hormigón armado, consistente en un sistema de sensores de fibra óptica basados en la Red de Bragg, pero con la característica diferenciadora del resto de estudios consultados de que estos sensores se van a soldar a las barras de acero corrugado.
Al ser un procedimiento novedoso, se debía comprobar que el sistema funcionaba, por lo que se planteó una fase previa en la que, mediante estructuras sencillas, se comprobara la idoneidad del método elegido, para posteriormente trasladarlo a estructuras más complejas.
El objetivo principal de este proyecto será el diseño y desarrollo de un sistema de monitorización y control del estado y evolución de la estructura de un edificio en tiempo real, a partir de la información proporcionada por una serie de sensores de fibra óptica basados en la Red de Bragg que irán embebidos estratégicamente en determinados puntos del elemento estructural de hormigón que conformará la estructura del edificio. Estos sensores deberán de ser capaces de medir las deformaciones producidas en la vida útil del mismo, por lo que otro de los objetivos principales del proyecto será desarrollar una metodología de despliegue de la instrumentación sobre las estructuras, de forma que no se vea afectada por las condiciones de ruido, vibraciones, temperatura, etc., típicas durante la ejecución de una obra de este tipo, ya que son elementos muy sensibles.
Este trabajo también tiene un objetivo y beneficio para la sociedad en cuanto a la seguridad y es la detección temprana de posibles daños en las estructuras de los edificios. Muchos de los accidentes por colapsos, hundimientos, rehabilitaciones y obras que ponen en peligro la salud estructural del edificio, etc., y que se están viendo en los últimos tiempos, podrían evitarse con este tipo de control a lo largo de la vida del edificio. Este control estructural también tiene un objetivo económico para los gestores o propietarios del edificio, pudiendo verse beneficiados de primas más reducidas en los seguros, obtener permisos para licencias de obra sin necesidad de peritajes técnicos sobre la estructura, etc.
Igualmente, una reducción de los problemas que podrían producirse en el caso de no detectar problemas estructurales durante la ejecución siempre conlleva igualmente una reducción de los costes en obra. Se ha creado un sistema de sensores de fibra óptica, embebidos en hormigón capaces de medir las deformaciones producidas, tanto por las cargas impuestas como por la temperatura ambiente, que se ha aplicado a un edificio de paneles prefabricados de hormigón.
Pero hasta llegar a este punto, se han realizado pruebas en elementos estructurales más sencillos, analizando flechas, deformaciones, y se ha podido concretar de una manera muy precisa el momento en que un elemento estructural fisura.
Así pues, se ha estudiado el comportamiento de dos vigas de hormigón de secciones y armados diferentes, y se ha comprobado la flecha instantánea, el momento de fisuración real, y la deformación del acero durante los sucesivos estados de carga. En segundo lugar, se ha analizado el comportamiento de un panel prefabricado sometido a flexocompresión, detectando el momento de fisuración real.
También se ha monitorizado una viga en un edificio en construcción, con el fin de poder trasladar esta tecnología a la realidad, y, por último, se ha construido un edificio de paneles prefabricados de hormigón en el que se han analizado las deformaciones provocadas por la temperatura ambiente, y por dos estados de carga diferentes. En paralelo y no por ello menos importante, se ha podido comprobar también el momento en que se produce la fisuración del hormigón, debido a la flexión de los paneles de cubierta.
En el estudio de las vigas se ha determinado la aparición de las primeras fisuras. Estas aparecen mucho antes de lo que dice el cálculo. La aparición de las primeras fisuras es un tema fundamental para poder entender el comportamiento real de las estructuras. Mediante los sensores de fibra óptica, se ha observado cómo se produce un cambio brusco en la deformación del acero. Es evidente que este cambio brusco se traduce en una mayor deformación del acero, como consecuencia de la fisuración del hormigón.
Así pues, a la vista de los resultados obtenidos, podemos concluir que embeber sensores de fibra óptica en el hormigón, soldados a las barras de acero corrugado, es un método fiable para la detección del momento preciso en el que se produce la primera fisura en una estructura de hormigón armado.
En el caso del panel prefabricado se han aplicado diferentes escalones de carga en cabeza y se ha observado, por un lado, que, en las cargas iniciales, las dos armaduras, de tracción y compresión, se han comprimido por acción de las cargas. Esto se demuestra por un lado por la medida de las deformaciones de los sensores de fibra óptica y por otro, a nivel teórico, mediante la utilización del programa de estudio de secciones FAGUS, que nos ofrece la posición de la Fibra Neutra por debajo de las armaduras de tracción, lo que indica que el paquete comprimido absorbe tanto las armaduras traccionadas como las comprimidas.
Cuando las cargas aumentan, llega un momento en que la Fibra Neutra sube, y se producen compresiones y tracciones en el panel, llegándose a la fisuración del hormigón detectada, al igual que en el caso de las vigas, por un salto significativo en la deformación del acero.
Respecto al análisis de lo que ocurre en la superficie del hormigón, las galgas extensométricas nos indican que, si bien el acero en los primeros ciclos de carga se comprime en tracción y compresión, el hormigón si tracciona y comprime por acción de las cargas. Esto es lógico, ya que la Fibra Neutra, aun cuando está situada bajo la armadura de tracción, está en el interior de la sección del panel, creando una zona traccionada y otra comprimida.
En el momento en que el panel fisura, y el acero comienza a absorber tracciones, se produce un salto en la deformación teórica del hormigón, que no ha ido acompañada del dato obtenido mediante la galga extensométrica, dado que esta estaba colocada entre dos fisuras.
Así pues, se demuestra que la utilización de sensores en estos paneles prefabricados de hormigón, nos ofrecen datos precisos de su comportamiento, detectando el momento en que se produce la fisura, la deformación que sufre el acero por las cargas aplicadas, y del mismo modo el hormigón.
Respecto al edificio prototipo se han aplicado dos estados de carga en la cubierta. Los objetivos a alcanzar con este trabajo han sido por un lado comprobar cómo deforma el hormigón a temperatura ambiente, y comprobar que esta deformación está acorde con lo que marca la Instrucción EHE-08, y, por otro lado, comprobar como los sensores de fibra óptica son capaces de determinar el momento preciso en el que una estructura comienza a fisurar.
En el primer estado de carga, se ha comprobado que los paneles de fachada no sufren deformaciones significativas, debido al buen comportamiento del hormigón a compresión. Los paneles de cubierta si han sufrido deformaciones apreciables debido a la aplicación de la carga, algo evidente ya que estos elementos estructurales trabajan a flexión.
Se ha observado durante un periodo de tiempo de nueve días la evolución de la deformación del edificio debido a la temperatura ambiente, comprobando que sufre dilataciones y contracciones, y se ha demostrado que estas corresponden con lo que indica el apartado 39.10 de la EHE-08.
En el segundo estado de carga, se ha vuelto a observar que los paneles de fachada apenas sufren deformaciones debidas a la aplicación de las cargas, y se ha demostrado como los sensores de fibra óptica son capaces de determinar el momento preciso en el que una estructura de hormigón fisura, mediante un salto evidente en la deformación de estos.
Así pues, queda probado que los sensores de fibra óptica basados en la Red de Bragg (FBG), son un método fiable para la medida de deformaciones debidas a la temperatura ambiente, y son capaces de detectar el instante preciso en el que se produce una fisura en el elemento estructural.
Con la investigación realizada en el trabajo presentado, se demuestra que embeber sensores de fibra óptica en el hormigón, nos da información precisa del comportamiento real de las estructuras.
