Ensayos destructivos, semidestructivos y no destructivos en la evaluación de estructuras

Cuando durante una construcción o durante su vida útil se tienen dudas razonables de la integridad de una estructura o se detecta la presencia de patologías estructurales, corresponde efectuar una evaluación estructural para determinar la actual competencia de la estructura y tomar las medidas correctivas que correspondan. Estas pueden ser la reparación o rehabilitación de la estructura o, en casos más críticos, la demolición total «controlada» antes de que se produzca un colapso «no controlado» con consecuencias no deseables.

La evaluación de una estructura existente pasa por elaborar un modelo matemático tridimensional de la estructura con el fin de estudiar el comportamiento de la misma empleando parámetros reales obtenidos a través de ensayos de campo y laboratorio, con los cuales se obtienen las características mecánicas reales de dichos elementos estructurales.

En una estructura de concreto armado se deben determinar características mecánicas del concreto y del acero tales como:

• Levantamiento geométrico de la estructura lo cual implica determinar las dimensiones de los elementos estructurales: secciones y cuantía de los aceros de refuerzo.
• Caracterización de la ubicación, forma, ancho y profundidad de fisuras y/o rajaduras en los elementos estructurales
• Resistencia real del concreto, f’c
• Resistencia real del acero de refuerzo, fy
• Determinación del grado de oxidación en los aceros
• Determinación de carbonatación del concreto

La determinación de todas estas características se hacen en algunos casos mediante medición y en la mayoría de casos mediante empleando mecánicas existen métodos y ensayos que se clasifican como destructivos, semidestructivos y no destructivos. Los ensayos más conocidos y aplicados en Perú para determinar el f’c del concreto son los ensayos con esclerómetros y las pruebas Diamantinas.

Ensayos destructivos y semidestructivos,

Los Ensayos destructivos y semidestructivos, tales como la obtención y ensayo de corazones diamantinos de concreto, sirven para determinar características físico-mecánicos, químicos y microscópicos del concreto con los cuales se determina la resistencia al concreto, el frente de carbonatación del concreto o el tipo de agregados utilizados. En Perú el método para la obtención y ensayo de estas muestras se regulan por el NTP 339.059:2001

Dentro de este mismo tipo de ensayos se encuentra las pruebas “Pull Out” para estimar la resistencia a compresión del concreto correlacionándola con la fuerza necesaria para extraer un núcleo cónico de concreto empleando un equipo normalizado llamado “Capo Test” normado por el ASTM C 900.

Otro caso es cuando se debe usar fibras de carbono para reforzar una estructura. En estos casos se necesita tener una Resistencia a la Tensión del sustrato del orden de 14 kg/cm2 (y un concreto con resistencia a la compresión f’c= 140 kg/cm2). Para estos casos se emplea la prueba “Pull Off” normado por el ASTM C 1583.

Se utilizan métodos electroquímicos cuando se quiere determinar el nivel de corrosión en los aceros o el frente de carbonatación del concreto. En el caso de la corrosión se usa la técnica del pulso Galvanostático mediante el cual se impone al acero de refuerzo una corriente de intensidad “i” desde un electrodo colocado sobre el concreto y se registra el cambio de potencial electroquímico de corrosión.

Para la determinación cualitativa del grado de carbonatación del concreto se utiliza la fenolftaleína. Si la muestra toma un color rosáceo es que el concreto no está carbonatado. Si la zona no cambia de color el concreto tiene un grado de carbonatación.

Ensayos No destructivos

Las pruebas esclerométricas:

Las pruebas esclerométricas miden un índice de rebote con el cual se correlaciona a la resistencia a la compresión del concreto evaluado. Esta normado por el ASTM C 805.

Como ventajas se tiene que es un ensayo no destructivo, muy económico por lo que es posible realizar un gran número de pruebas sin afectar la resistencia, estética y funcionalidad de la estructura. Desventajas: Solo es aplicable en una superficie perfectamente lisa, no es útil en elementos no encofrados; requiere calibración antes de ejecutar el ensayo; los resultados pueden variar con el punto de aplicación, si se aplica a un agregado grueso el valor del agregado; solo mide la resistencia en los primeros 2 o 3 centímetros superficiales del elemento.

Las Pruebas ferromagnéticas: sirven para determinar la distribución general del acero, los recubrimientos, separaciones entre aceros, los diámetros de las varillas. Su aplicación se orienta a todo tipo de estructuras. Es como tomar una radiografía a la estructura para determinar el acero en su interior.

Las Pruebas de ultrasonido

Las pruebas de ultrasonido tienen diferentes aplicaciones. Su principio de funcionamiento es que mediante un transductor electroacústico se genera un impulso de vibración longitudinal y un segundo transductor recibe la señal, y mediante un circuito electrónico se mide el tiempo de tránsito.   Como ventajas se tiene que se puede usar sobre cualquier forma del elemento, sobre cualquier espesor y en elementos con una sola cara accesible; provee información sobre la calidad del concreto, las mediciones experimentales se obtienen rápidamente, el precio del instrumental es relativamente bajo; se pueden localizar defectos en un elemento o en una estructura. Como desventajas es que los resultados se ven afectados por la humedad del concreto y con los niveles de armado.

Según la velocidad de la onda se permite determinar la calidad del concreto. Según Leslie y Chessman, para velocidades de onda mayores a 4570 m/seg el concreto es excelente, entre 3650 y 4570 m/seg el concreto es buena, de 3050 a 3650 m/seg la calidad del concreto es regular o dudoso, de 2130 a 3050 m/seg el concreto es pobre, y para velocidades menores a 2130 m/seg el concreto es muy pobre.

Se puede determinar la profundidad de las grietas:

Se puede determinar si existen capas superficiales con menor calidad de concreto producto de un mal proceso constructivo, carbonatación del concreto, acción del fuego, heladas o ataque de sulfatos. Para ese efecto se miden los tiempos en distancias conocidas y se grafica la curva. Si no hay daño la velocidad será constante y la pendiente de la recta será una sola. Si hay cambio de pendiente en la recta graficada entonces se determina el daño. Ver el ejemplo siguiente:

Se puede determinar el módulo de elasticidad dinámico del concreto (Ed), para lo cual se emplea la teoría de ondas en base a la velocidad de propagación de la onda longitudinal (Vu), el módulo de poisson (μ), y la densidad del material (ρ).

El módulo de elasticidad dinámico y el módulo de elasticidad estático se pueden correlacionar con el siguiente cuadro.

Las pruebas de Eco impacto

El Eco impacto se basa en el uso de ondas de impacto de compresión que viajan a través del elemento estructural y se reflejan por defectos internos y de superficies externas. Estas pruebas permiten medir el espesor de pavimentos, revestimientos de asfalto; detectar la presencia y profundidad de cangrejera o “paneles de abeja”, evaluar la calidad de la inyección de lechadas de concreto en ductos de postensado, integridad del pavimento rígido por debajo de una capa de asfalto, evaluar calidad de reparaciones, medir la profundidad de grietas de superficie.

El modo de operación es a través de un impulso de esfuerzos de corta duración el cual genera tres tipos de onda que se propagan a través del punto impactado: Ondas R, Ondas P y Ondas S. Las ondas P se utilizan para obtener información acerca del material. Cuando la onda P alcanza el lado opuesto del elemento se refleja y se mueve otra vez hacia la superficie donde se generó el impacto.

La forma de la onda de desplazamiento se transforma al dominio de frecuencia mediante la transformada de Fourier y se muestran las frecuencias predominantes. El espesor (T) del elemento está relacionado con la frecuencia (f) y la velocidad de onda (Cp), y puede determinarse con la fórmula: T = Cp / 2 f

Tomografía ultrasónica

La tomografía ultrasónica con ondas transversales, conocida como MIRA, es un sistema multifuncional de baja frecuencia diseñado para explorar y evaluar el interior de elementos de concreto. Utiliza un arreglo patentado de transductores de contacto en seco para generar imágenes en 2D y tomografías en 3D de las estructuras de concreto. Su uso permite obtener resultados “in-situ”, en tiempo real y en pocos segundos. Es equivalente a la exploración ultrasónica utilizada en las ciencias médicas.

Su modo de operación se basa en el método eco-ultrasónico a través de transductores de emisión y recepción, midiendo el tiempo transcurrido desde el inicio del pulso hasta la llegada del eco. Conociendo la velocidad de la onda (c) se conoce la profundidad de la interfaz reflejante.

El equipo utiliza 48 transductores ultrasónicos de baja frecuencia a contacto en seco, dispuestos en 12 columnas de 4 transductores cada uno. El modus operandis es el siguiente: La primera columna de transductores dispara y las siguientes once columnas reciben el tiempo de llegada. Después la segunda columnas dispara y las siguientes diez columnas reciben, asi sucesivamente hasta la onceava columna la cual es recibida por la columna doceava.

En un ejemplo de aplicación mostrado a continuación, una viga postensada de un puente con sospechas de un deficiente grouteado en los cables postensionados. El examen descubrió las deficiencias y la localización de las mismas.