Dispositivo y método para la medida de cuantía y orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado.

El dispositivo comprende una disposición de bobinas con al menos una bobina (B1) cuyo arrollamiento define un cuerpo tubular con un volumen interior libre (V), y prevista para generar un campo magnético detectable por un sistema de detección (Sd) previsto para detectar cambios en dicho campo magnético provocados al insertar una muestra (M) de hormigón con fibras metálicas (F) en dicho volumen (V), o al aproximarlo a una porción de hormigón.El arrollamiento de como mínimo una bobina de la disposición de bobinas es más denso en una o en ambas de sus zonas extremas (Ze1, Ze2).El método comprende utilizar el dispositivo para medir la cuantía y orientación de fibras de una muestra de hormigón reforzado o para medidas superficiales de cuantía de fibras en una estructura de hormigón reforzado

Dispositivo y método para la medida de cuantía y orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado.

Sector de la técnica

La presente invención concierne en general, en un primer aspecto, a un dispositivo para la medida de cuantía y orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado, mediante la detección de las variaciones en un campo magnético provocadas por la presencia o proximidad de dichas fibras, y en particular a un dispositivo que comprende una disposición de bobinas con como mínimo una bobina constituida por un arrollamiento de espiras, el cual no es uniforme a lo largo de toda la longitud de la bobina.

Un segundo aspecto de la invención concierne a un método que comprende utilizar el dispositivo propuesto por el primer aspecto para medir la cuantía y orientación de fibras metálicas integradas en una muestra de hormigón reforzado.

Un tercer aspecto de la invención concierne a un método que comprende utilizar el dispositivo propuesto por el primer aspecto de la invención para realizar una medida superficial de cuantía de fibras metálicas en una estructura o elemento de hormigón reforzado.

Estado de la técnica anterior

Son conocidas diversas propuestas relativas a métodos y aparatos cuyo fin es el de aplicar un método inductivo para realizar una medida de la cuantía, y en algunos casos también de la orientación, de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado, ya sea en una muestra o directamente en la superficie de una estructura fija sin la necesidad de romperla.

Dichos métodos inductivos, también conocidos como ensayos por inducción electromagnética (según la norma UNE 83512-1 del año 2005), son una aplicación de la ley de Faraday de electromagnetismo: Las probetas o muestras de hormigón reforzado deben situarse dentro de un contenedor a tal efecto y de geometría determinada. Circundando ese contenedor, se sitúan, en general, dos devanados o bobinas de hilo de cobre o aluminio. Contenedor más bobinas conforman el elemento sensor del sistema. Por una de las bobinas (la primaria), circula una corriente eléctrica que genera un campo magnético y por ende un flujo magnético que pasa por el centro de la bobina. Si este flujo es variable, se induce una corriente en la otra bobina (la secundaria). Existe reciprocidad entre flujo generado por una bobina y corriente inducida en la otra, y su relación se llama coeficiente de inducción mutua que es una medida de la influencia magnética entre las dos bobinas. Puede demostrarse que este coeficiente de inducción sólo depende de la forma y la distancia entre las bobinas así como de la naturaleza (ferromagnética) de los materiales cercanos a las bobinas. Por lo tanto, si el material de las probetas o la propia muestra cambia, el coeficiente de inducción también cambia.

En la patente RU2170429 se propone uno de tales métodos inductivos, para determinar el coeficiente de orientación de fibras de acero en hormigón, midiendo la inductancia de una bobina electromagnética con una muestra dispuesta en su interior, y comparándola con diferentes valores de inductancia de diferentes muestras con coeficientes conocidos.

La patente JP10054824 hace referencia a un aparato y método de detección superficial de fibras metálicas en estructuras de hormigón, utilizando dos bobinas, una emisora y una receptora, que detecta el cambio en el flujo magnético generado por la bobina emisora, provocado por las fibras metálicas contenidas en una estructura de hormigón reforzado en la superficie de la cual se ha dispuesto dicho aparato para aplicarle dicho flujo magnético.

Otra de dichos aparatos es el equipo BSM-100, desarrollado por la empresa HERTZ Systemtechnik GmbH. Éste está formado por dos bobinas arrolladas sobre un soporte tubular en el interior del cual disponer unas muestras o probetas cúbicas de 15x15x15 cm. La bobina primaria del equipo de HERTZ genera un campo magnético en el centro de la bobina de dirección perpendicular a la de las espiras de la bobina. Con ello, se inducen diferencias de corriente en la bobina secundaria en función de la diferente cuantía de fibras contenidas en las probetas que se miden. El sistema realiza una curva de calibración a partir de la medida de un determinado número de probetas patrón con diferentes dosificaciones de fibra, y posteriormente calcula el contenido de fibras de las probetas medidas a partir de un ajuste a la curva obtenida. El protocolo de medida requiere introducir la probeta según sus tres ejes, para determinar la fracción de fibras que se encuentran orientadas en cada dirección (una fibra a lo largo del flujo magnético modifica el coeficiente de inducción mientras que una que lo atraviesa prácticamente no lo modifica). Como resultado, el equipo ofrece una estimación de la cuantía de fibras y el reparto de éstas en cada una de las direcciones medidas. El mismo equipo también puede utilizarse en hormigón fresco gracias a unas cubetas disponibles para tal efecto.

Se ha evaluado el equipo de HERTZ, y realizado una serie de medidas sobre una serie de muestras o probetas usadas como patrón, que han aportado como resultado una curva de calibración globalmente lineal. El ajuste de las demás probetas a esta curva aporta valores de contenido de fibra cercanos al nominal (diferencias inferiores al 10%) y distribuciones generalmente uniformes en la orientación.

Sin embargo, la geometría de la bobina (primaria) de HERTZ sugiere que el campo magnético no es uniforme en todo el espacio central donde se ubican las probetas. Es decir, una fibra situada en una zona con una intensidad de campo mayor, modifica más el coeficiente de inducción que la misma fibra situada en una zona de intensidad de campo menor.

Para comprobar dicho efecto, se realizaron dos experimentos sobre el equipo de Hertz: Para el primero, se construyó una bobina secundaria de tamaño muy inferior (Øhilo=1,5 mm y Øbobina=90 mm, N=4 espiras) al de la primaria, y con un valor medido de 4 μH, a fin de medir los campos inducidos en cada una de las zonas del espacio.

Para medir la amplitud de señal captada, se conectó la bobina secundaria a un osciloscopio convencional (ancho de banda 300 MHz). Se midió frecuencia y amplitud en distintos lugares del interior y exterior de la bobina primaria. Se comprobó que el equipo trabaja a una frecuencia única de 60 Hz (valor adecuado según las referencias consultadas de experiencias similares, que recomiendan un margen de 50 a 200 Hz). Se midió una amplitud máxima en el centro de la bobina primaria de 25 mVpp y un valor en los extremos superior e inferior de la misma de 15 mVpp, lo que supone una caída de señal de 4 dB. Por contra, no se aprecian diferencias significativas entre puntos de un mismo plano horizontal en el interior de la bobina primaria.

Para el segundo experimento, se dispuso una cantidad significativa de fibras de acero en el lecho de un cubo de metacrilato de las dimensiones de las probetas cúbicas de 15x15x15 cm y se introdujo en el interior del soporte tubular que contiene las bobinas. Las fibras se situaron en la base del cubo con un grosor inferior a 0,5 cm. Se comprobó que medía diferente cantidad de fibra cuando la misma cantidad y disposición de fibras en el interior del cubo de metacrilato se situaba en la base del soporte tubular o a media altura (7,5 cm). La medida indicó una presencia superior en más del 20% cuando las fibras se situaban a media altura.

Así, se comprueba lo que sugería la geometría de la bobina primaria, que dentro de la muestra cúbica aquellas fibras ubicadas en la zona central de la misma tendrán un mayor peso que aquellas ubicadas en los extremos. De forma que si las fibras se encuentran distribuidas de forma uniforme, la medida final será adecuada, pero si por contra existen distribuciones especiales o acumulaciones de fibras (erizos) en determinadas zonas del espacio, tendrán un efecto distinto en la lectura final en función de si éstas se encuentran en la zona central o en las zonas superior e inferior de la probeta bajo prueba. Como el protocolo de medida requiere realizar una medida global de la muestra introduciéndola en el interior del equipo según sus tres ejes, en la medida final el resultado ponderará de forma mayor el punto central y la ponderación decaerá de forma uniforme según cada uno de los tres ejes.

Los inconvenientes hallados en el equipo BSM-100, provocados por la utilización de un bobinado uniforme que conduce a ciertas diferencias por efectos de borde, son comunes a la mayoría de propuestas conocidas.

1. Dispositivo para la medida de cuantía y orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado, del tipo que comprende:

- una disposición de bobinas, que incluye al menos una bobina (B1) constituida por un arrollamiento de espiras que define un cuerpo tubular con un volumen interior libre (V), estando dicha bobina (B1) prevista para, al hacer circular una corriente eléctrica variable entre sus bornes, al menos generar un campo magnético sobre al menos dicho volumen interior libre (V), preparado para recibir por inserción, o al que aproximar con una orientación determinada, una muestra (M) o porción de hormigón reforzado con fibras metálicas (F),

siendo dicho campo magnético detectable por un sistema de detección (Sd) asociado a dicha disposición de bobinas, y previsto para detectar los cambios en dicho campo magnético provocados por la inserción de dicha muestra (M) en dicho volumen interior libre (V), o la aproximación del mismo a dicha porción de hormigón, y

estando dicho dispositivo caracterizado porque el arrollamiento de al menos una bobina de dicha disposición de bobinas no es uniforme a lo largo de toda su longitud, siendo más denso en al menos una zona extrema (Ze1, Ze2).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho arrollamiento no uniforme de al menos dicha bobina de dicha disposición de bobinas es más denso en sus dos zonas extremas (Ze1, Ze2).

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dicha disposición de bobinas comprende únicamente a dicha bobina (B1), de arrollamiento no uniforme, prevista para generar dicho campo magnético y actuando la misma como primaria y como secundaria, estando dicho sistema de detección (Sd) previsto para detectar las variaciones en la inductancia de dicha bobina (B1) al resultar afectado su coeficiente de autoinducción por la citada muestra (M) o porción de hormigón.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque comprende un generador de señal (G) en conexión con dicha bobina (B1), para suministrarle una señal eléctrica de corriente alterna con al menos una frecuencia determinada, y porque comprende a dicho sistema de detección (Sd), el cual comprende al menos un elemento capaz de detectar variaciones de inductancia.

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque dicho sistema de detección (Sd) incluye a dicho generador de señal (G).

6. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dicha disposición de bobinas es una disposición de dos bobinas que incluye a dicha bobina (B1), la cual es una primera bobina (B1) en funciones de bobina primaria, y una segunda bobina (B2) en funciones de bobina secundaria asociada a dicho sistema de detección (Sd), y porque dicho volumen interior libre (V) está delimitado por uno u otro de los arrollamientos de dichas bobinas primaria (B1) y secundaria (B2), o por ambos.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque dicha bobina de arrollamiento no uniforme es dicha bobina primaria (B1) o dicha bobina secundaria (B2).

8. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque el arrollamiento de ambas bobinas, la primaria (B1) y la secundaria (B2), no son uniformes a lo largo de toda su longitud, siendo más denso en una o ambas de sus zonas extremas (Ze1, Ze2).

9. Dispositivo según la reivindicación 6, 7 u 8, caracterizado porque comprende un generador de señal (G) en conexión con dicha bobina primaria (B1), para suministrarle una señal eléctrica de corriente alterna con al menos una frecuencia determinada, y porque comprende a dicho sistema de detección (Sd), el cual se encuentra conectado a dicha bobina secundaria (B2) y está previsto para al menos medir la amplitud de la señal eléctrica inducida en sus bor- nes.

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un cuerpo de soporte tubular (C) alrededor del cual se encuentran arrolladas dicha o dichas bobinas (B1, B2), estando definido dicho volumen interior libre (V) por dicho cuerpo de soporte tubular (C).

11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque dicho cuerpo de soporte tubular (C) y el arrollamiento o arrollamientos de dicha o dichas bobinas (B1, B2), tienen forma prismática.

12. Dispositivo según la reivindicación 4 ó 9, caracterizado porque dicho generador de señal (G) y dicha bobina (B1) en funciones de bobina primaria están previstos para generar dicho campo magnético en dicho volumen interior libre (V), con una dirección perpendicular a la de las espiras de dicha o dichas bobinas (B1, B2).

13. Método aplicado a la medida de cuantía y orientación de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado, que comprende utilizar un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, e insertar en dicho volumen interior libre (V) a dicha muestra (M) de hormigón al menos tres veces, cada una de ellas con una posición diferente, según al menos tres ejes coordenados, y realizar la medida de la cuantía y orientación de fibras metálicas para al menos cada una de dichas posiciones.

14. Método según la reivindicación 13, caracterizado porque comprende operar, de manera directa o ponderada, los resultados obtenidos para cada una de dichas posiciones de la muestra (M), para obtener una medida final de cuantía y orientación de fibras metálicas.

15. Método aplicado a la medida de cuantía de fibras metálicas integradas en hormigón reforzado, que comprende utilizar un dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque comprende realizar una medida superficial de cuantía de fibras metálicas en una estructura o elemento de hormigón reforzado, mediante la aproximación del dispositivo a la superficie de al menos una porción de dicha estructura o elemento de hormigón reforzado.