Caracterización del pino radiata mediante análisis de la respuesta dieléctrica de la técnica no destructiva del georradar y del resistógrafo

1 CARLOS GALVE Y BEATRIZ SANZ TALLER 23: Aplicación de técnicas no destructivas para el estudio de materiales de construcción TUTORAS: Isabel Rodríguez Abad Rosa Martínez Sala CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO. 2 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO ÍNDICE 1. Introducción _________________________________________________________________________ 3 1.1. Empleo de la madera estructural en edificación ________________________________________ 3 1.2. Definición de objetivos ____________________________________________________________ 4 1.3. Resumen del contenido del proyecto ________________________________________________ 4 2. Propiedades de la madera _____________________________________________________________ 5 2.1. Propiedades físicas _______________________________________________________________ 5 2.2. La madera Pino Radiata ___________________________________________________________ 11 2.2.1. Ubicación Pino radiata, zonas de comercialización y producción ______________________ 13 3. Técnicas no destructivas de inspección y diagnóstico de la madera estructural ___________________ 15 3.1. Georradar ______________________________________________________________________ 15 3.1.1. Instrumentación y métodos de adquisición de registros del georradar _________________ 16 3.2. Resistógrafo ____________________________________________________________________ 20 3.2.1. Instrumentación y métodos de adquisición de registros del resistógrafo ________________ 20 4. Desarrollo experimental _______________________________________________________________ 21 4.1. Descripción de las probetas ensayadas _______________________________________________ 21 4.2. Descripción del equipo de georradar empleado. SIR 3000 ________________________________ 23 4.3. Descripción de la antena empleada. Palm 2 GHz _______________________________________ 25 4.4. Métodos y descripción de la tipología de adquisición de registros del georradar ______________ 26 4.4.1. Definición de tipos de medición ________________________________________________ 26 4.4.2. Descripción de las probetas ____________________________________________________ 28 4.5. Descripción del resistógrafo empleado _______________________________________________ 29 4.6. Métodos y descripción de adquisición de datos con el resistógrafo ________________________ 30 4.6.1. Descripción forma de realizar los ensayos ________________________________________ 30 4.6.2. Descripción de las probetas ____________________________________________________ 31 5. Obtención e interpretación de resultados _________________________________________________ 31 5.1. Datos del pino radiata con la utilización de georradar ___________________________________ 31 5.1.1. Comparación resultados caso 1 vs caso 2 _________________________________________ 42 5.1.2. Comparación resultados caso 3 vs caso 4 _________________________________________ 43 5.2. Datos del pino radiata con la utilización de resistógrafo _________________________________ 45 6. Conclusiones ________________________________________________________________________ 49 ANEXO 1 _______________________________________________________________________________ 51 ANEXO 2 _______________________________________________________________________________ 52 BIBLIOGRAFÍA ___________________________________________________________________________ 53 3 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO 1. Introducción. 1.1. Empleo de la madera estructural en la edificación. La madera se ha utilizado como material de construcción durante miles de años junto con el barro y la piedra. Más tarde, los arquitectos fueron olvidando el empleo de la madera a favor de la construcción con hormigón, acero y materiales sintéticos. La utilización de la madera estructural no se recuperó hasta la aplicación de las resinas sintéticas a las estructuras de la madera laminada hacia 1950. Con la entrada en vigor de la Ley de Ordenación de la Edificación (LOE: Ley 38/1999, de 5 de noviembre, de Ordenación de la Edificación) y el Código Técnico de la Edificación (CTE) en España se integra la madera como material estructural con una normativa de obligado cumplimiento (Normas UNE). Esta situación supone para la madera un gran avance que permite ofrecer unas garantías de calidad y seguridad estructural equiparables con otros materiales. En la actualidad cada vez resulta más necesario tener en cuenta las consecuencias ecológicas de nuestras acciones. En el mundo de la arquitectura y la construcción esto se traduce en la utilización responsable y sin derroches de los materiales naturales que se hallan a nuestra disposición. Estas consideraciones, junto con las innovaciones de la industria maderera, fueron las que condujeron al redescubrimiento de la construcción en madera, una tradición que ha sobrevivido sólo en áreas limitadas como zonas rurales o regiones del planeta no industrializadas. La madera posee cualidades únicas: como material de construcción es totalmente reciclable y las existencias se reponen de modo natural. La preocupación por el medio ambiente es una de las razones esenciales de la actual popularidad de la madera como material de construcción. A lo largo de su ciclo vital, la madera es uno de los materiales de construcción más respetuosos con el medio ambiente. La energía incluida en la madera, es decir, la energía necesaria para su producción, es menor que la del aluminio, ladrillos, cemento, plástico o acero. Al necesitarse más energía para hacerlos, todos estos materiales provocan el aumento de las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. (Naomi Stungo, 1999). Tras la importancia que está adquiriendo la madera se hace necesario el desarrollo de procedimientos para caracterizar la madera y técnicas no destructivas para estructuras existentes, como el georradar y el resistógrafo. 4 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO 1.2. Definición de objetivos El trabajo a desarrollar tiene como objetivo principal la caracterización del pino radiata mediante el análisis de la respuesta dieléctrica de la técnica no destructiva del georradar y del resistógrafo. Por una parte, se caracteriza la anisotropía dieléctrica de la madera Pino radiata mediante la utilización del georradar y, por otro, se caracteriza la anisotropía de la madera Pino radiata mediante la utilización del resistógrafo. Para poder cumplir este objetivo se debe:  Realizar un estudio general de la madera.  Hacer un estudio de la madera Pino radiata.  Aprender la técnica del georradar:  Adquirir destreza en la medición del georradar.  Aprender el uso del software Radan.  Interpretación de los parámetros propios de la técnica del georradar.  Aprender la técnica del resistógrafo:  Adquirir destreza en la medición del resistógrafo.  Aprender el uso del software B-Tools Pro.  Interpretación de los parámetros propios de la técnica del resistógrafo. 1.3. Resumen del contenido del proyecto Para alcanzar estos objetivos, los trabajos estarán estructurados de la siguiente manera: Una primera parte en la que se define la madera empleada Pino radiata. Una segunda parte en la que se describen dos técnicas no destructivas de inspección y diagnóstico de la madera estructural: georradar y resistógrafo. Una tercera parte de desarrollo experimental en la que se definen los métodos de medición y descripción de la tipología de adquisición de registros de georradar y resistógrafo sobre la madera pino radiata. Y por último, una cuarta parte donde se interpretan y se obtienen una serie de resultados. 5 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO 2. Propiedades de la madera. 2.1. Propiedades físicas. Antes de pasar a describir las principales propiedades de la madera hay que decir que es un material heterogéneo, y por ello sus valores mecánicos y dieléctricos tienen una gran variación, incluso cuando la madera procede de una misma región. Anisotropía La madera es un material orgánico, producido por un organismo vivo, el árbol. Es una materia fibrosa y organizada. La orientación de las fibras que componen la madera da lugar a la anisotropía de su estructura. Las propiedades de la madera no son las mismas en todas las direcciones que pasan por un punto determinado. La madera presenta diferente comportamiento físico, mecánico y dieléctrico dependiendo del plano o dirección que se considere respecto las fibras, por lo que a la hora de definir sus propiedades mecánicas y dieléctricas, previamente debemos indicar qué plano o dirección consideramos respecto a las fibras. Se define el eje longitudinal (L) como el paralelo a la fibra; el eje radial (R) es la dirección normal al crecimiento de los anillos (perpendicular a la dirección de la fibra). Por último la dirección tangencial (T) es perpendicular a la dirección a la fibra pero tangente a los anillos de crecimiento (Figura 2.1). Figura 2.1.-Principales direcciones de estudio respecto a la fibra en la madera estructural: eje longitudinal (L), el eje radial (R) y el eje tangencial (T). Higroscopicidad y humedad de equilibrio higroscópico (HEH) Las propiedades de la madera varían en función de su contenido de humedad, de su tamaño y de la forma de realizar los ensayos, por este motivo los valores se dan referidos en torno a un 12 % de humedad, a un tamaño de probetas y a una metodología de ensayos que queda referenciada con la norma de ensayo utilizada. R T L 6 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO La higroscopicidad es la capacidad que posee la madera de absorber humedad de la atmósfera que los rodea y retenerla en forma de agua líquida. La HEH es prácticamente constante para todas las especies de modo que con el ábaco de Kollman (1959) que se muestra en la Figura 2.2 se obtienen las curvas de HEH de la madera en función de la temperatura (ºC) y la humedad relativa del aire. La Humedad de Equilibrio Higroscópico (HEH), es la humedad expresada en % para la cual la humedad de la madera se encuentra en equilibrio con la humedad del ambiente que la rodea. Figura 2.2.- Curvas de humedad de equilibrio higroscópico de la madera (Kollman, 1959) La madera de un árbol recién apeado, a lo largo del proceso de secado, tiene la pared celular completamente saturada y cierta cantidad de agua libre. Primero elimina el agua libre, esta pérdida se hace sin apenas variación de sus características. La máxima humedad que puede tener una madera sin que exista agua libre recibe el nombre de Punto de Saturación de la Fibras (PSF), que oscila dependiendo de la especie alrededor del 30% del contenido de humedad (tabla 2.1). Una vez bajada la humedad de este punto no podrá recuperar agua libre a no ser que sea por inmersión. Contenido de la humedad (%) Denominación >30 Madera saturada 30 – 23 Madera semi-seca 22-18 Madera comercialmente seca 17 – 13 Madera secada al aire < 13 Madera desecada 0 Madera anhidra Tabla 2.1.- Denominación de la madera en función del contenido de humedad. (Capuz R., 2005). La norma UNE-EN 13.183-1:2002 establece el procedimiento operativo para determinar el contenido de humedad por el método de desecación hasta el estado anhidro. 7 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO Densidad La densidad, es la relación entre la masa (M) y el volumen (V) de una madera a una humedad determinada (h) y viene dada por la ecuación siguiente: [Ecuación 2.1] La densidad de una madera varía según su grado de humedad. Por tanto, la densidad está directamente relacionada con el contenido de humedad. Una de las propiedades más ventajosas de la madera es su baja densidad. La densidad de la madera es muy variable con las especies, desde 300 hasta 1100 kg/m3, aunque las especies empleadas habitualmente en estructuras presentan densidades entre 450 y 600 kg/m3. El Pino radiata posee una densidad de 500 kg/m3 referida a un contenido de humedad del 12%. (Peraza F. et al., 2004). En España, para la determinación de la densidad se aplica la norma UNE 56531:1977 que regula cómo realizar el ensayo. Estudios recientes emplean las ondas microondas o las de radiofrecuencia para el análisis de la densidad y su variabilidad con el contenido de humedad. En concreto, Steele P. (2000) ha desarrollado un método para detectar diferencias de densidad en vigas analizadas por radiofrecuencia, aunque hasta la fecha sólo se han obtenido buenos resultados para la detección de nudos y huecos. Propiedades mecánicas. La madera sometida a cargas presenta un comportamiento visco-elástico. Por una parte es elástico, ya que la deformación que se produce por una carga cesa cuando cesa la carga. Pero por otra parte, se comporta como un material plástico cuando se incrementa la deformación por acción del tiempo de aplicación de la carga. La resistencia mecánica de una pieza de madera varía sensiblemente según el contenido de humedad (CH) y por ello, la resistencia a un esfuerzo dado no puede definirse con exactitud sino respecto a un CH determinado. La clasificación de la madera en la norma UNE-EN 338:2004 queda definida mediante clases resistentes designadas por la letra C (coníferas) seguidas de un número relativo al valor de la resistencia a la flexión. Para la asignación de clases resistentes a calidades visuales es suficiente el cálculo de tres propiedades: el módulo de elasticidad (E), el módulo de rotura (f) y la densidad (ρ). De ellas se puede obtener el resto de propiedades mecánicas mediante fórmulas definidas en la norma UNE-EN 384. Por esta razón se las denomina propiedades clasificadoras. 8 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO  Modulo de elasticidad es la relación entre la tensión y la correspondiente deformación unitaria en un material sometido a un esfuerzo que está por debajo del límite de elasticidad del material. Es más elevado en tracción que en compresión. Este valor varía con la especie, humedad, naturaleza de las solicitaciones, dirección del esfuerzo y con la duración de aplicación de las cargas.  El modulo de rotura: es el esfuerzo máximo en la fibra cuando se produce el fallo.  El procedimiento para la obtención de las propiedades elasto-mecánicas de la madera se debe realizar a acorde con la norma UNE-EN 408, la cual define la disposición de la viga y las cargas. El sistema de clases resistentes definido en la norma UNE-EN 338:2003 reagrupa a la vez las calidades y las especies que tengan niveles de resistencia similares haciéndolas de esta forma intercambiables. Esto permite al calculista prescribir una clase resistente determinada y utilizar los valores característicos de dicha clase para el diseño y el cálculo. Dicha norma define la madera de pino radiata junto con otras tres especies que aparecen en la tabla 2.2. Especies Clase de Calidad ME-1 ME-2 Pino insignis (Pino radiata) C24 C18 Pino pinaster C24 C18 Pino silvestre C27 C18 Pino Laricio C30 C18 Tabla 2.2Asignación de las combinaciones especie-calidad a clases resistentes a partir de la norma UNE 56544. Actualmente, la mayor parte de las líneas de investigación se basan en el estudio de técnicas no destructivas para mejorar la predicción de las propiedades mecánicas o detectar discontinuidades en el material. Propiedades eléctricas. El estudio de las propiedades eléctricas es importante por varios motivos. En primer lugar, la propagación de una onda electromagnética en un medio depende estrechamente de la permitividad dieléctrica relativa del mismo. En segundo lugar, porque su relación con la densidad y el contenido de humedad de la madera convierten el georradar en una técnica potencialmente aplicable para determinar estos dos valores. Las propiedades eléctricas más importantes de un medio como la madera son la conductividad, la constante dieléctrica y el factor de pérdida. Estas propiedades varían dependiendo de una serie de 9 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO factores, siendo los principales: la frecuencia del campo, la temperatura, el contenido de humedad, la densidad y la desviación de fibra de la madera. o Conductividad eléctrica. La madera seca es un excelente aislante pero esta propiedad disminuye al aumentar la humedad que contiene. Algunos autores (Vignote S. y Martínez I., 2006) proponen unos valores aproximados de resistividad, que es la inversa de la conductividad, similares (tabla 2.3), matizando que varía mucho dependiendo de la especie, dirección de la fibra y temperatura. Humedad (%) 0 9 13 18 23 26 30 50 Resistividad (Ωm) 106 104 1000 100 10 1 0,1 0,01 Tabla 2.3.- Valores de humedad y resistividad aproximados de la madera. Conforme aumenta el contenido de humedad desde el PSF hasta llegar a la saturación completa de la estructura de la madera, el aumento de la conductividad es más pequeño y errático, generalmente sin llegar a la centésima. En el caso de que la madera contenga exceso de sales solubles u otras sustancias electrolíticas, o esté en contacto prolongado con el agua del mar, la conductividad puede aumentar significativamente. o Constante dieléctrica. La permitividad dieléctrica efectiva o constante dieléctrica de la madera secada en el horno hasta su estado anhidro, varía entre 2 y 5 a temperatura ambiente y disminuye lentamente conforme aumenta la frecuencia del campo eléctrico aplicado. Con el aumento del contenido de humedad, la cantidad de agua en la matriz de la madera aumenta y como la constante dieléctrica del agua es mucho mayor que la de la madera, se espera una tendencia de aumento de la constante. Jiménez F. (1999) afirma que la constante dieléctrica es mayor para la polarización paralela a la fibra que perpendicular a ella, siendo corroborado por Sahin H. y Nürgul A. (2004). La diferencia en las propiedades dieléctricas entre las distintas direcciones de incidencia del haz se atribuye a la diferencia en la disposición de las paredes celulares y a la anisotropía de las sustancias de éstas paredes. 16 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO  Estudios ambientales:  Cubicaje de vertederos  Localización antiguos vertederos clausurados  Investigaciones mineras:  Estado de las galerías de las minas.  Cubicaje de materiales en cantera  Estratigrafía en canteras.  Actualmente se está aplicando en el estudio del Patrimonio Histórico Artístico gracias a la celeridad, la alta resolución, la direccionalidad, el rango de profundidades de penetración, el carácter no destructivo y la sencillez de los procedimientos de campo. Sirve para:  Prospección arqueológica  Búsqueda de lesiones en monumentos completando estudios patológicos.  Control de calidad en restauraciones.  Determinación niveles culturales.  Detección de humedades en el subsuelo.  Determinación de profundidades y espesores de zapatas de cimentación.  Encontrar estructuras o cavidades enterradas del subsuelo. Recientemente se está empleando para el estudio y caracterización de materiales de construcción, así como la inspección, diagnosis y estudio de las manifestaciones patológicas de los mismos. Como por ejemplo los trabajos de Álvarez L. et al. (2005) y Rodríguez-Abad I. et al. (2009). 3.1.1. Instrumentación y métodos de adquisición de registros Primeramente, se enumeran y describen los distintos componentes del equipo de georradar y, posteriormente, se procede a especificar los procedimientos que seguimos para obtener los registros. o Componentes del equipo de georradar  Unidad central Es donde se realiza la coordinación y control de las antenas, de los diversos accesorios que se pueden añadir al equipo básico y de la señal emitida. También coordina el almacenamiento de la señal en algún tipo de soporte y, en algunos casos, permite realizar el tratamiento básico de las señales durante la adquisición de datos. Esta unidad lleva implementado un programa informático que realiza el procesado básico de la señal e incorpora utilidades que permiten actuar sobre la señal emitida y sobre los registros que se adquieren. La unidad de control suele ir conectada a un monitor para visualizar la señal que se está 17 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO adquiriendo. Se puede seleccionar la forma de visualización del registro en campo, optando por un registro de trazas de amplitud o bien por una serie de escalas de colores o de distintos tonos de grises, donde cada tono engloba un intervalo de amplitudes de la onda registrada. La fuente de alimentación de la unidad central es de corriente continua.  Antenas. Son los elementos encargados tanto de emitir el pulso electromagnético al medio como de recibir la energía que regresa a la superficie tras haber sufrido una reflexión. Las antenas pueden ser:  Isotrópicas si radian la energía en todas direcciones del espacio por igual y no tienen direcciones privilegiadas.  Direccionales si tienen una dirección privilegiada de radiación y la emisión que produce no es homogénea para todas las direcciones. A la hora de clasificar las antenas también debemos tener en cuenta la frecuencia central de su emisión. La longitud de onda () del pulso emitido (ecuación 3.1) depende de esta frecuencia (f) y de la velocidad de la onda en el medio (v):  Así que debemos escoger cada tipo de antena de acuerdo con las necesidades de su utilización. El georradar utiliza bandas de frecuencia situadas entre 3 GHz y los 10 MHz aproximadamente, es decir, que trabajan con las bandas de radiofrecuencias y de microondas. De esta forma la frecuencia central de una emisión es uno de los parámetros de las antenas más importantes, ya que, como se ha dicho, determina la penetración de la señal emitida en el medio material a estudiar. La frecuencia central de la emisión depende del dipolo de la antena. Este parámetro limita tanto el alcance del método (rango) como su resolución. Las emisiones a bajas frecuencias se atenúan en menor medida que las altas frecuencias, pudiendo alcanzar mayores profundidades, pero debido a que tienen una longitud de onda mayor que las emisiones a más alta frecuencia, la resolución obtenida es menor. Otra manera de clasificar las antenas es por el número de dipolos implementados:  Las antenas monoestáticas son a la vez emisoras y receptoras de la energía. Permitiendo realizar con facilidad perfiles, siendo utilizadas en trabajos que requieren mayor rapidez, un número elevado de perfiles o una estructura de malla para poder analizar el medio, es decir, agrupaciones de perfiles paralelos y cruzados. 18 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO  Las antenas biestáticas se componen de dos módulos separados. Por un lado se tiene la antena emisora y por otro la antena receptora. La independencia entre emisora y receptora permite variar la distancia entre ambas.  Accesorios y equipos complementarios Se pueden añadir algunos accesorios para facilitar las tareas de adquisición de datos. Pueden ser complementos para la visualización y almacenamiento de los registros (impresoras, las pantallas de visualización, los programas informáticos y las unidades de registro de datos en soporte magnético u óptico) y los accesorios para situar los perfiles:  Marcadores, que permiten introducir una marca en el registro cada vez que se presiona un pulsador, permitiendo introducir marcas para indicar el inicio y el final del perfil y para advertir sobre algún elemento especial dentro del perfil.  Odómetros. En ocasiones están implementados en un soporte con ruedas sobre el que se sitúa la antena. Este sistema permite determinar la posición de los distintos puntos del perfil con mayor precisión que en el caso de los marcadores. Los equipos de georradar de última generación llevan integrados sistemas GPS para la determinación de las coordenadas de los perfiles. o Métodos de adquisición de registros, tratamiento de datos e interpretación de registros y parámetros de un registro. Las adquisiciones de datos sobre superficie pueden ser mediante perfiles o puntuales. Cada método se ha de seleccionar en función del problema que se debe estudiar y los resultados que se desean. Para realizar un perfil se desplaza la antena a lo largo de una línea. Durante el desplazamiento se emite un elevado número de pulsos por segundo. Esto permite que la adquisición de datos se pueda considerar continua por la cantidad de trazas que se tienen en todo el perfil, dependiendo siempre de la velocidad de desplazamiento de la antena. Este desplazamiento debe realizarse a una velocidad lo más constante posible. La antena puede estar situada tocando la superficie del medio que se desea estudiar, aunque no es imprescindible. La adquisición de datos de forma puntual se realiza situando la antena en un punto dado del área de estudio. En dicho punto se realiza la emisión de energía y la adquisición de datos. De esta forma se dispone de información del interior del medio situado en la vertical del punto donde se ubica la antena. En el caso de trabajar con dos antenas biestáticas separadas entre sí una cierta distancia la información es la correspondiente a la zona central entre ambas en la que se produce la reflexión. Esta forma de adquisición de datos se suele realizar cuando el medio impide otro tipo de prospección que 19 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO implique desplazamiento de las antenas. El registro que proporciona el georradar se denomina radargrama, obtenidos mediante el empleo del programa Radan. Es posible dar una interpretación directa de los radargramas, pero antes de llegar a una conclusión final, hay ocasiones, que se requiere un largo proceso de interpretación. Por ello, es necesario conocer los principales parámetros de un registro y calcular los parámetros que son necesarios para efectuar una correcta interpretación de los registros. En la figura 3.1 se observa un ejemplo de un radargrama y una traza de onda del mismo. Figura 3.1.- Radargrama y traza de una probeta. Los parámetros que definen al radargrama se recogen en la cabecera del archivo de registro (Figura 3.2). Todos los registros contienen una cabecera de texto con información sobre cómo se realiza la adquisición. Esta información incluye entre otras informaciones el nombre del fichero, la fecha de registro y las fechas de posteriores modificaciones, el rango, la posición del inicio, el número de pulsos emitidos por segundo durante la adquisición de datos, el factor de superposición de trazas, la función de ganancia y los filtros que se han aplicado sobre el radargrama durante la adquisición o en posteriores tratamientos. Figura 3.2.- Cabecera de un registro obtenido con el georradar SIR 3000 (GSSI), en el que se detallan los principales parámetros del registro: modelo de la antena (1.5), frecuencia central de emisión según GSSI (1.6 GHz), rango del registro (Range R=6 ns), posición de inicio de la señal (Position P=0 ns), puntos por traza (samp/scan 512), función de ganancia (Range gain (5 dB), etc. AMPLITUD RELATIVA ONDA DIRECTA TIEMPO DOBLE DE PROPAGACIÓN (ns) ONDA REFLEJADA 20 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO Para un desarrollo más exhaustivo de los parámetros de un registro se puede consultar: Rodríguez-Abad I. (2010). 3.2. Resistógrafo. El resistógrafo consiste en un taladro mecánico que realiza una perforación de 3 mm de diámetro perpendicularmente a las caras de las piezas estudiadas y evalúa la resistencia que ofrece a la perforación. La resistencia a la penetración se mide mediante el consumo de potencia. Aplicación del resistógrafo:  En la detección de daños internos en árboles con la finalidad de ayudar en la toma de decisiones para su conservación o eliminación por razones de seguridad.  En la inspección de piezas de madera de estructuras antiguas.  En la inspección de pilas de puentes de madera en los Estados Unidos como lecturas complementarias a las mediciones por ultrasonidos.  En la inspección de edificios históricos como técnica complementaria a otros procedimientos. - En nuestro país se están realizando estudios orientados al desarrollo de una metodología específica para la localización y evaluación de daños en elementos estructurales, con el objetivo de desarrollar una sistemática normalizada en la inspección y análisis de piezas estructurales degradadas susceptibles de ser aplicadas in situ; así como en el análisis de la calidad resistente tal como exponen Capuz R. (2003), Álvarez L. (2005), Morales E. (2008) y Rodríguez-Abad I. (2010). 3.2.1. Instrumentación y métodos de adquisición de registros Primeramente, se enumeran y describen los distintos componentes del equipo de resistógrafo y, posteriormente, se procede a especificar los procedimientos que seguimos para obtener los registros. o Componentes del equipo de resistógrafo El resistógrafo consta de dos partes diferenciadas: instrumento de perforación y unidad electrónica.  El instrumento de perforación consta de un mango a partir del cual se controla el proceso de perforación.  Los registros se almacenan en la memoria de la unidad electrónica y al mismo tiempo una pequeña impresora puede reproducir el valor en tanto por ciento de la resistencia a la penetración. 21 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO o Métodos de adquisición de registros, tratamiento de datos e interpretación de registros y parámetros de un registro. La representación de los registros se le denomina resistograma, donde en el eje de abscisas se representa la longitud de la perforación y en el de las ordenadas la resistencia a la perforación en % ofrecida por la pieza (AR). Para el procesado de datos se empleara el programa B-Tools Pro. La resistencia que ofrece a su avance se relaciona con la densidad y es capaz de detectar los anillos de crecimiento al encontrar diferencias de densidad entre la madera de verano-otoño y la de primavera. Cuando la madera se encuentra debilitada, la resistencia a la penetración disminuye puntualmente a medida que la aguja del resistógrafo atraviesa la madera. Las perforaciones son de carácter local, por lo que para analizar el grado de deterioro de una pieza es necesario perforar en distintos puntos de la pieza. Existen diversos estudios publicados, por ejemplo el de Basterra A. (2005), donde se avala el empleo del resistógrafo como herramienta válida para la obtención de valores de resistencia y densidad de la madera. A continuación se muestra un resistograma (figura 3.3) en el que se puede observar una zona, remarcada con un cuadro rojo, donde se aprecia una disminución de la resistencia que debe coincidir con un defecto de la madera. Figura 3.3.- Resistograma con posible defecto en la probeta analizada. 4. Desarrollo experimental: En este apartado se da información sobre el tipo de probetas que se utilizaron, se describe el equipo de georradar, la antena, los métodos de adquisición de registros y el equipo del resistógrafo empleados para el estudio de la anisotropía del Pino radiata. 4.1. Descripción de las probetas ensayadas Para el cálculo del contenido de humedad de una pieza aserrada se puede utilizar el método de secado en estufa o el método de la resistencia eléctrica. En este caso se opta por utilizar en el laboratorio el método de secado en estufa. Cálculo del contenido de humedad del pino radiata o insignis, de nuestro lote, según la norma UNE 13.183-1:2002. [Ecuación 4.1] 22 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO m1 la masa de la muestra antes de secar (g). m0 la masa de la muestra anhidra (g). ω contenido de humedad en tanto por ciento. 18/04/2010 Dimensiones(cm )Figura 1.3 18/04/2010 20/04/2011 ω Tipo Probeta a0 b0 c0 Masa0 (g) Masaf (g) % Insignis 1 6 7,3 24,5 657,57 583,05 12,8 Insignis 2 6 7,3 24,5 659,77 584,20 12,9 Insignis 3 6 7,3 24,5 667,99 592,50 12,7 Tabla 4.1.- Tabla para obtención de contenido de humedad y densidad de nuestro lote de madera pino radiata. Figura 4.1 Dimensiones de las probetas para el cálculo de la densidad. El contenido de humedad esta expresado con aproximación del 0,1%. La media del los porcentajes del contenido de humedad sale (tabla 4.1): 12,8% Para un contenido de humedad de 12,8%, se procede al cálculo de la densidad de madera del pino radiata o insignis, de nuestro lote, según la norma UNE 56.531:1977: Realizamos el cálculo de la densidad de las probetas para un contenido de humedad de 12,8% con la ecuación 2.1 y las dimensiones de la figura 4.1 obteniendo los valores de la tabla 4.2. Tipo Probeta D(kg/m3) Radiata 1 612,77 Radiata 2 614,82 Radiata 3 622,48 Densidad media 616,69 Tabla 4.2.- Densidad de las probetas extraídas del lote de madera pino radiata. 23 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO 4.2. Descripción del equipo empleado: SIR 3000. A continuación se define la unidad central del georradar en la figura 4.2. En ella podemos observar el radargrama de la medición, la traza de la onda y parámetros elegidos. Figura 4.2 Fotografía de la unidad central empleada. Según los datos obtenidos en la página web de GSSI obtenemos las características, especificaciones y demás datos relevantes sobre el georradar utilizado. Características:  Compatible con todas las antenas GSSI  Ligero y portátil.  Baterías recargables extraíbles.  Interfaz de usuario de Windows.  GPS de integración.  Alta resolución de pantalla a color.  Robusto y resistente a la intemperie. Entrega de resultados:  Extraíble para tarjetas de memoria Compact Flash.  Almacenamiento interno de grandes cantidades de datos. Aplicaciones:  Inspección de hormigón.  Investigación geológica.  Arqueología.  Forense.  Minería  Ingeniería civil PARÁMETROS ELEGIDOS RADARGRAMA DE LA MEDICIÓN TRAZA DE LA ONDA 24 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO Especificaciones: SISTEMA ANTENAS Compatible con todas las antenas GSSI. NUMERO DE CANALES 1 ALMACENAMIENTO DE DATOS Memoria interna: 2GB Flash memory card. Puerto Compact Flash: Acepta memoria CF de 2 GB PANTALLA TFT, resolución 800x600, 64K colores MODOS DE PANTALLA Linescan, O-scope, 3D ADQUISICION DE DATOS FORMATO DE DATOS RADAN (.dzt) SCAN RATE EXAMPLES 220 scans/sec at 256 samples/scan, 16 bit 120 scans/sec at 512 samples INTERVALO DE EXPLORACION Seleccionable por el usuario NUMERO DE MUESTRAS POR EXPLORACION 256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192 MODOS DE FUNCIONAMIENTO Free run, survey wheel, point mode INTERVALOS DE TIEMPO 0-8,000 nanoseconds full scale, user-selectable Gain: Manual or automatic, 1-5 gain points (-20 to +80 dB) FILTROS Vertical: Low Pass and High Pass IIR and FIR Horizontal: Stacking, Background Removal IDIOMAS Inglés, español, alemán, francés, italiano, japonés y chino FUNCIONAMIENTO TEMPERATURA DE FUNCIONAMIENTO -10°C to 40°C ambient REQUISITOS DE CARGADOR DE ENERGIA 15 V DC, 4 amps BATERIA RANGO DE TRANSMISION 10.8 V DC, internal Up to 100 KHz ENTRADA/SALIDA PUERTOS DISPONIBLES Antenna input DC power input Serial RS232 (GPS port) Compact Flash memory USB master slave MECÁNICA DIMENSIONES 12.4 (l) x 8.7 (w) x 4.1 (h) in (31.5 x 22 x 10.5 cm) PESO 9 lbs (4.1 kg) including battery MEDIO AMBIENTE Resistente al agua 25 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO El sistema incluye:  Unidad de control SIR 3000.  2 baterías.  Cargador de baterías.  Adaptador de CA (también funciona como cargador).  Manual de usuario.  Quitasol. 4.3. Descripción y calibración de la antena empleada. Palm 2 GHz La antena empleada es la PALM 2 GHz. Como podemos observar en la Figura 4.3 la antena pose una rueda para poder realizar perfiles. Figura 4.3 Fotografía de la antena empleada. Características:  Diseño compacto.  Ideal para espacios reducidos.  Todo en uno: antena GPR y cable  Alta durabilidad  Caja de plástico y placa de deslizamiento sustituibles. Especificaciones:  Frecuencia: 2000 MHz  Rango de profundidad: 10-12 inches (25-35 cm)  Peso de la antena: 1.1 pounds (.49 kg)  Peso del cable: 2.1 pounds (.95 kg)  Número del modelo: 62000. RUEDA PARA TOMA DE DATOS DE UN PERFIL. DIMENSIONES: 105 x 92 x 155 mm 105 mm 92 mm 155 mm 32 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO Estos tiempos y amplitudes están indicados en las tablas 5.1 y 5.2.  Caso 1: Para la visualización de las ondas utilizamos dos figuras, una con reflector y otra sin reflector, sin ganancia. Como no se pueden apreciar correctamente las ondas colocamos otra figura en la que se aplica ganancia en la probeta con reflector (Figuras 5.1 (a) (b) (c)).  Caso 2: Para la visualización de las ondas en este caso se realiza de forma semejante al caso anterior (Figuras 5.2 (a) (b) (c)). Figura 5.1 (A): Radargramas caso 1 con reflector. (B): Radargramas caso 1 sin reflector. (C) Radargramas caso 1 con reflector y ganancia. D R1 (A) (B) (C) 33 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO Figura 5.2 (A): Radargramas caso 2 con reflector. (B): Radargramas caso 2 sin reflector. (C) Radargramas caso 2 con reflector y ganancia. Casos 3 y 4. En estos casos se toman: Tiempo onda directa (DT1) y amplitud onda directa (ADT1): en el primer máximo apreciado en el radargrama. Tiempo onda reflejada (RT1) y amplitud onda reflejada (ART1): donde se puede apreciar un D R1 (A) (B) (C) 34 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO cambio de tendencia. Tiempo onda reflejada (RT2) y amplitud onda reflejada (ART2): en el primer máximo apreciado de la onda reflejada. Estos tiempos y amplitudes están indicados en las tablas 5.1 y 5.2.  Caso 3: Para la visualización de las ondas vamos a utilizar dos figuras, una con reflector y otra sin reflector, sin ganancia. Como no se pueden apreciar correctamente las ondas colocamos otra figura en la que se aplica ganancia en la probeta con reflector (Figuras 5.3 (a) (b) (c)).  Caso 4: Para la visualización de las ondas en este caso se realiza de forma semejante al caso anterior (Figuras 5.4 (a) (b) (c)). Figura 5.3 (A): Radargramas caso 3 con reflector. (B): Radargramas caso 3 sin reflector. (C) Radargramas caso 3 con reflector y ganancia. D R1 R2 (A) (B) (C) 35 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO Figura 5.4 (A): Radargramas caso 3 con reflector. (B): Radargramas caso 3 sin reflector. (C) Radargramas caso 3 con reflector y ganancia. En la tabla 5.1 se registran los datos de los tiempos expresados en nano segundos, de las ondas directas y reflejadas en cada caso. D R1 R2 (A) (B) (C) 36 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO MADERA PINO RADIATA CASO CASO 1: Cara // CASO 2: Cara ⊥ CASO 3: Testa CASO 4: Canto PROBETA DT1 RT1 DT1 RT1 DT1 RT1 RT2 DT1 RT1 RT2 1 1,97 2,79 1,97 2,69 1,95 4,45 4,91 1,95 4,43 4,88 2 1,98 2,80 1,98 2,71 1,95 4,47 4,91 1,97 4,44 4,85 3 1,98 2,81 1,98 2,72 1,96 4,49 4,96 1,96 4,43 4,91 4 1,98 2,82 1,97 2,73 1,95 4,56 5,00 1,96 4,45 4,87 5 1,98 2,77 1,97 2,68 1,95 4,32 4,75 1,97 4,37 4,79 6 1,98 2,77 1,98 2,68 1,95 4,35 4,82 1,95 4,36 4,76 7 1,98 2,77 1,98 2,68 1,95 4,34 4,80 1,96 4,35 4,77 8 1,98 2,77 1,98 2,68 1,95 4,36 4,88 1,95 4,37 4,77 9 1,98 2,78 1,97 2,70 1,95 4,34 4,82 1,96 4,38 4,79 10 1,98 2,78 1,98 2,72 1,95 4,33 4,85 1,96 4,34 4,82 11 1,97 2,77 1,96 2,66 1,94 4,31 4,86 1,94 4,31 4,80 12 1,97 2,76 1,95 2,66 1,95 4,43 4,95 1,95 4,28 4,75 13 1,97 2,78 1,96 2,69 1,95 4,34 4,87 1,96 4,36 4,82 14 1,97 2,77 1,96 2,67 1,95 4,36 4,91 1,96 4,32 4,78 15 1,97 2,76 1,96 2,65 1,95 4,35 4,87 1,95 4,38 4,80 16 1,99 2,76 1,95 2,67 1,95 4,47 4,99 1,95 4,38 4,80 17 1,97 2,78 1,94 2,68 1,94 4,40 4,96 1,95 4,41 4,90 18 1,97 2,79 1,94 2,69 1,96 4,47 4,90 1,96 4,39 4,84 19 1,97 2,78 1,95 2,68 1,95 4,44 4,93 1,95 4,43 4,85 20 1,97 2,78 1,96 2,68 1,96 4,42 4,93 1,96 4,42 4,83 PROMEDIO 0,08 0,13 0,12 0,14 0,07 0,26 0,25 0,09 0,22 0,22 DESVIACION TIPICA 0,01 0,02 0,01 0,02 0,01 0,07 0,06 0,01 0,05 0,05 Tabla 5.1 Listado de tiempos en ns. En la tabla 5.2 anotamos el valor de las amplitudes según el tiempo y el caso que nos encontremos. En esta tabla registramos los datos sin unidades. MADERA PINO RADIATA CASO CASO 1: Cara // CASO 2: Cara ⊥ CASO 3: Testa CASO 4: Canto PROBETA ADT1 A RT1 ADT1 A RT1 ADT1 A RT1 A RT2 ADT1 A RT1 A RT2 1 1678,00 -809,00 1871,00 -560,00 1899,00 -1,00 157,00 1844,00 -1,00 438,00 2 1678,00 -933,00 1927,00 -809,00 1927,00 -1,00 186,00 1927,00 -1,00 310,00 3 1802,00 -933,00 1927,00 -933,00 1678,00 -63,00 310,00 2051,00 -63,00 434,00 4 1678,00 -933,00 1927,00 -933,00 1927,00 -63,00 186,00 1927,00 -187,00 434,00 5 1927,00 -933,00 2175,00 -200,00 1927,00 -63,00 434,00 1927,00 -187,00 683,00 6 1802,00 -933,00 2175,00 -311,00 1927,00 -63,00 186,00 1927,00 -187,00 434,00 7 1678,00 -809,00 2175,00 -436,00 1927,00 -63,00 186,00 1927,00 -63,00 310,00 8 1802,00 -809,00 2175,00 -311,00 2051,00 -63,00 186,00 2051,00 -63,00 310,00 9 1802,00 -1058,00 1927,00 -809,00 2051,00 -63,00 434,00 2051,00 -63,00 434,00 10 1802,00 -1058,00 1797,00 -809,00 2051,00 -63,00 310,00 2175,00 -63,00 559,00 11 1802,00 -809,00 2300,00 -560,00 2051,00 -63,00 559,00 2051,00 -63,00 559,00 12 1802,00 -809,00 2300,00 -187,00 2051,00 -63,00 310,00 2051,00 -63,00 559,00 37 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO 13 1553,00 -809,00 2051,00 -809,00 1927,00 -63,00 559,00 1797,00 -187,00 559,00 14 1553,00 -809,00 2051,00 -560,00 2051,00 -63,00 559,00 2051,00 -63,00 559,00 15 1802,00 -933,00 2175,00 -311,00 2051,00 -63,00 559,00 2040,00 -108,00 536,00 16 1802,00 -809,00 2300,00 -311,00 1802,00 -63,00 310,00 2051,00 -63,00 559,00 17 1553,00 -809,00 2051,00 -809,00 2051,00 -63,00 310,00 1927,00 -63,00 559,00 18 1802,00 -809,00 2051,00 -850,00 2051,00 -63,00 310,00 2051,00 -187,00 559,00 19 1802,00 -809,00 2051,00 -809,00 2051,00 -63,00 310,00 2051,00 -63,00 559,00 20 1802,00 -809,00 2051,00 -809,00 2051,00 -63,00 310,00 2051,00 -187,00 559,00 PROMEDIO 1746,10 -871,10 2066,90 -497,85 1975,10 -56,80 333,55 2059,10 -96,25 495,65 DESVIACION TIPICA 102,76 85,57 160,73 461,18 102,92 19,08 139,16 245,94 64,83 102,29 Tabla 5.2 Listado de amplitudes. Cálculo de velocidades y constante dieléctrica. Según el esquema que se muestra en la figura 5.5, procedemos al calculo de la velocidad y constante dieléctrica según las ecuaciones 5.1 y 5.2 Figura 5.5 Esquema de los tiempos de la medición.  t1 tiempo onda directa.  t2 tiempo onda reflejada. Representados en la figura 5.5.  h altura de la probeta [Ecuación 5.1] [Ecuación 5.2]  C velocidad de la luz.  Εr constante dieléctrica. 38 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO Una vez aplicadas las ecuaciones 5.1 y 5.2, se procede a registrar los datos obtenidos en la tabla 5.3. MADERA PINO RADIATA (25*25*7,5 cm) CASO CASO 1: Cara // CASO 2: Cara ⊥ CASO 3: Testa CASO 4: Canto PROBETA V1 ε1 V2 ε 2 V3RT1 V3RT2 ε 3RT1 ε 3RT2 V4RT1 V4RT2 ε 4RT1 ε 4RT2 1 18,29 2,69 20,83 2,07 20,00 16,89 2,25 3,15 20,16 17,06 2,21 3,09 2 18,29 2,69 20,55 2,13 19,84 16,89 2,29 3,15 20,24 17,36 2,20 2,99 3 18,07 2,76 20,27 2,19 19,76 16,67 2,30 3,24 20,24 16,95 2,20 3,13 4 17,86 2,82 19,74 2,31 19,16 16,39 2,45 3,35 20,08 17,18 2,23 3,05 5 18,99 2,50 21,13 2,02 21,10 17,86 2,02 2,82 20,83 17,73 2,07 2,86 6 18,99 2,50 21,43 1,96 20,83 17,42 2,07 2,97 20,75 17,79 2,09 2,84 7 18,99 2,50 21,43 1,96 20,92 17,54 2,06 2,92 20,92 17,79 2,06 2,84 8 18,99 2,50 21,43 1,96 20,75 17,06 2,09 3,09 20,66 17,73 2,11 2,86 9 18,75 2,56 20,55 2,13 20,92 17,42 2,06 2,97 20,66 17,67 2,11 2,88 10 18,75 2,56 20,27 2,19 21,01 17,24 2,04 3,03 21,01 17,48 2,04 2,94 11 18,75 2,56 21,43 1,96 21,10 17,12 2,02 3,07 21,10 17,48 2,02 2,94 12 18,99 2,50 21,13 2,02 20,16 16,67 2,21 3,24 21,46 17,86 1,95 2,82 13 18,52 2,62 20,55 2,13 20,92 17,12 2,06 3,07 20,83 17,48 2,07 2,94 14 18,75 2,56 21,13 2,02 20,75 16,89 2,09 3,15 21,19 17,73 2,01 2,86 15 18,99 2,50 21,74 1,90 20,83 17,12 2,07 3,07 20,58 17,54 2,13 2,92 16 19,48 2,37 20,83 2,07 19,84 16,45 2,29 3,33 20,58 17,54 2,13 2,92 17 18,52 2,62 20,27 2,19 20,33 16,56 2,18 3,28 20,33 16,95 2,18 3,13 18 18,29 2,69 20,00 2,25 19,92 17,01 2,27 3,11 20,58 17,36 2,13 2,99 19 18,52 2,62 20,55 2,13 20,08 16,78 2,23 3,20 20,16 17,24 2,21 3,03 20 18,52 2,62 20,83 2,07 20,33 16,84 2,18 3,18 20,33 17,42 2,18 2,97 PRO. 18,66 2,59 20,80 2,08 20,43 17,00 2,16 3,12 20,63 17,47 2,12 2,95 DES. T. 0,39 0,10 0,55 0,11 0,56 0,38 0,12 0,14 0,38 0,28 0,08 0,09 Tabla 5.3 cálculo de velocidades cm/ns y constantes dieléctricas Normalización de las amplitudes: La amplitud es un parámetro adimensional que no se puede comparar por sí misma. Una forma de conseguir que las amplitudes sean comparables unas con otras es relacionarlas con la amplitud de la onda del primer máximo positivo del aire. En la figura 5.6 se muestra el radargrama y una traza de onda del aire y en la tabla 5.4 se muestra la amplitud obtenida con el software del programa Radan. Los datos obtenidos de dividir las amplitudes en los tiempos tomados para las ondas directas y reflejadas de las probetas entre la amplitud en el tiempo tomado de la onda directa del aire se registran en la tabla 5.5. Tabla 5.4 Amplitud del aire. AIRE 1 PROBETA TD AD 1 1,98 2797,00 39 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO Figura 5.6 Radargrama y traza de la onda del aire. Tabla 5.5 Listado de amplitudes normalizadas. MADERA PINO RADIATA AMPLITUDES NORMALIZADAS CASO CASO 1: Cara // CASO 2: Cara ⊥ CASO 3: Testa CASO 4: Canto PROBETA ADT1 A RT1 ADT1 A RT1 ADT1 A RT1 A RT2 ADT1 A RT1 A RT2 1 0,60 0,29 0,67 0,20 0,68 0,00 0,06 0,66 0,00 0,16 2 0,60 0,33 0,69 0,29 0,69 0,00 0,07 0,69 0,00 0,11 3 0,64 0,33 0,69 0,33 0,60 0,02 0,11 0,73 0,02 0,16 4 0,60 0,33 0,69 0,33 0,69 0,02 0,07 0,69 0,07 0,16 5 0,69 0,33 0,78 0,07 0,69 0,02 0,16 0,69 0,07 0,24 6 0,64 0,33 0,78 0,11 0,69 0,02 0,07 0,69 0,07 0,16 7 0,60 0,29 0,78 0,16 0,69 0,02 0,07 0,69 0,02 0,11 8 0,64 0,29 0,78 0,11 0,73 0,02 0,07 0,73 0,02 0,11 9 0,64 0,38 0,69 0,29 0,73 0,02 0,16 0,73 0,02 0,16 10 0,64 0,38 0,64 0,29 0,73 0,02 0,11 0,78 0,02 0,20 11 0,64 0,29 0,82 0,20 0,73 0,02 0,20 0,73 0,02 0,20 12 0,64 0,29 0,82 0,07 0,73 0,02 0,11 0,73 0,02 0,20 13 0,56 0,29 0,73 0,29 0,69 0,02 0,20 0.64 0,07 0,20 14 0,56 0,29 0,73 0,20 0,73 0,02 0,20 0,73 0,02 0,20 15 0,64 0,33 0,78 0,11 0,73 0,02 0,20 0,73 0,04 0,19 16 0,64 0,29 0,82 0,11 0,64 0,02 0,11 0,73 0,02 0,20 17 0,56 0,29 0,73 0,29 0,73 0,02 0,11 0,69 0,02 0,20 18 0,64 0,29 0,73 0,30 0,73 0,02 0,11 0,73 0,07 0,20 19 0,64 0,29 0,73 0,29 0,73 0,02 0,11 0,73 0,02 0,20 20 0,64 0,29 0,73 0,29 0,73 0,02 0,11 0,73 0,07 0,20 PROMEDIO 0,62 0,31 0,74 0,22 0,71 0,02 0,12 0,74 0,03 0,18 DESVIACION TIPICA 0,04 0,03 0,06 0,10 0,04 0,01 0,05 0,09 0,02 0,04 TIEMPO DOBLE DE PROPAGACIÓN (ns) AMPLITUD RELATIVA ONDA DIRECTA T1=1,98 40 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO Para una mayor comprensión de las constantes dieléctricas y que puedan ser comparadas con otros trabajos se procede a sacar la relación entre las constantes dieléctricas de los casos comparados 12 y 3-4, realizando las anotaciones en la tabla 5.6. RELACIÓN CONSTANTES DIELÉCTRICAS CASO CARA TESTA / CANTO (Rt1) PROBETA ε 1 (//) / ε 2(⊥) ε 3 (RADIAL) / ε 4 (RADIAL) 1 1,30 1,02 2 1,26 1,04 3 1,26 1,05 4 1,22 1,10 5 1,24 0,98 6 1,27 0,99 7 1,27 1,00 8 1,27 0,99 9 1,20 0,98 10 1,17 1,00 11 1,31 1,00 12 1,24 1,13 13 1,23 0,99 14 1,27 1,04 15 1,31 0,98 16 1,14 1,08 17 1,20 1,00 18 1,20 1,07 19 1,23 1,01 20 1,27 1,00 MEDIA 1,24 1,02 DESVIACIÓN TÍPICA 0,05 0,04 Tabla 5.6 Relación constantes dieléctricas. La relación entre las constantes dieléctricas ε1 (//) / ε2 (⊥) da un valor promedio ε = 1.24, con una desviación típica de σ = 0.05 (tabla 5.6). Estos resultados son similares a los obtenidos por otros estudios. La relación entre las constantes dieléctricas ε3 (//) / ε4 (⊥) del tiempo 1 de la onda reflejada da un valor promedio ε = 1.02, con una desviación típica de σ = 0.04 (tabla 5.6). Al igual que con las constantes dieléctricas, para una mayor comprensión de las amplitudes y que puedan ser comparadas con otros trabajos se procede a sacar la relación entre amplitudes de los casos comparados 1-2 y 3-4, realizando las anotaciones en la tabla 5.7. 41 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO RELACION AMPLITUDES NORMALIZADAS CASO CARA DT1 CARA RT1 TESTA / CANTO (DT1) TESTA / CANTO (RT1) PROBETA A1 (//) / A2 (⊥) A3 (RADIAL) / A4 (RADIAL) 1 0,90 1,44 1,03 1,00 2 0,87 1,15 1,00 1,00 3 0,94 1,00 0,82 1,00 4 0,87 1,00 1,00 0,34 5 0,89 4,67 1,00 0,34 6 0,83 3,00 1,00 0,34 7 0,77 1,86 1,00 1,00 8 0,83 2,60 1,00 1,00 9 0,94 1,31 1,00 1,00 10 1,07 1,31 0,94 1,00 11 0,78 1,44 1,00 1,00 12 0,78 4,33 1,00 1,00 13 0,76 1,00 1,07 0,34 14 0,76 1,44 1,00 1,00 15 0,83 3,00 1,01 0,58 16 0,78 2,60 0,88 1,00 17 0,76 1,00 1,06 1,00 18 0,88 0,95 1,00 0,34 19 0,88 1,00 1,00 1,00 20 0,88 1,00 1,00 0,34 MEDIA 0,85 1.86 0,99 0,78 DESVIACIÓN TÍPICA 0,08 1.12 0,06 0,31 Tabla 5.7 Relación amplitudes. La relación entre las amplitudes de la onda directa A1 (//) / A2 (⊥) da un valor promedio A = 0.85, con una desviación típica de σ = 0.08 (tabla 5.7). Estos resultados son similares a los obtenidos por otros estudios. La relación entre las amplitudes de la onda reflejada A1 (//) / A2 (⊥) da un valor promedio A = 1.86, con una desviación típica de σ = 1.12 (tabla 5.7). La relación entre las amplitudes de la onda directa A3 (radial) / A4 (radial) da un valor promedio A = 0.99, con una desviación típica de σ = 0.06 (tabla 5.7). Estos resultados son similares a los obtenidos por otros estudios. La relación entre las amplitudes de la onda reflejadaT1 A3 (radial) / A4 (radial) da un valor promedio A = 0.78, con una desviación típica de σ = 0.31 (tabla 5.7). Estos resultados son similares a los obtenidos por otros estudios. 48 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO Para comprobar a qué se podría deber el aumento de resistencia, se examina la probeta en cara. Y como refleja la figura 5.20 puede ser debido a la existencia de un nudo. Figura 5.20 Fotografía de la cara de la probeta 10. Figura 5.19 Resistograma del canto de la probeta 17. Al igual que para el aumento de resistencia, se examina la probeta en cara. Y como refleja la figura 5.21, la disminución de resistencia también puede ser debida a la existencia de un nudo suelto. Figura 5.22 Fotografía de la cara de la probeta 17. Tras lo observado, para el cálculo de la media total de los promedios obtenidos en la tabla 4.8 y 4.9, se descarta las probetas 10 y 17. La media total de los promedios obtenidos de la cara es 9.91 y desviación típica de 1.34. La media total de los promedios obtenidos del canto es 10.99 y desviación típica de 1.24. DIRECCIÓN DE PERFORACIÓN NUDO DONDE SE APRECIA UN AUMENTO DE RESISTENCIA DIRECCIÓN DE PERFORACIÓN NUDO DONDE SE APRECIA UNA DISMINUCIÓN DE RESISTENCIA 49 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO 6. Conclusiones. Uno de los objetivos principales consistía en la caracterización de pino radiata mediante el análisis de la respuesta dieléctrica de la técnica del georradar y el resistógrafo. Por lo que en este apartado vamos a recopilar las conclusiones más importantes de dicha respuesta dieléctrica. Otra parte importante consistía en tratar de conocer el funcionamiento de las técnicas del georradar y resistógrafo, y del software necesario para la interpretación de los resultados. Por lo que también tratamos de enunciar las conclusiones obtenidas durante este proceso de aprendizaje. Conclusiones obtenidas con la utilización del georradar (a) Conclusiones obtenidas durante el proceso de aprendizaje: Tras el empleo del georradar en el laboratorio se puede concluir que es una técnica rápida y cómoda de aplicar. Pero para poder realizar los ensayos la antena debía estar bien posicionada, esto hace que la técnica no sea tan cómoda de aplicar en zonas con difícil acceso. También cabe destacar que el número de personas idóneo para realizar el ensayo es de tres, ya que uno debe estar pendiente de la antena, otro de la unidad central y otro de la toma de datos. (b) Análisis de la respuesta dieléctrica para la cara de las probetas (caso 1 vs caso 2): De los resultados obtenidos para el pino radiata con una antena de 2 GHz de frecuencia se puede concluir que los tres parámetros de la onda analizados (velocidad de propagación, constante dieléctrica y amplitud de las ondas reflejada y directa) difieren dependiendo de la dirección en que oscila el campo eléctrico con respecto a la dirección de las fibras, ya sea paralelo, en perpendicular o radial. La velocidad de propagación de las ondas es siempre mayor cuando el campo eléctrico es perpendicular a las fibras de la madera, por lo que ε es siempre menor (ε (//) / ε (⊥) =1.24). Estos resultados están de acuerdo con los estudios realizados por otros autores con una frecuencia similar. La amplitud de las ondas directas son más grandes cuando el campo eléctrico es perpendicular a la fibra que cuando es paralelo y la amplitud de las ondas reflejadas son más grandes cuando el campo eléctrico es paralelo a las fibras que cuando es perpendicular (AD1 (//) / AD2 (⊥) = 0.85 y AR1 (//) / AR2 (⊥)=1.86). (c) Análisis de la respuesta dieléctrica para el canto y testa de las probetas (caso 3 vs caso 4). La velocidad de propagación de las ondas es igual o similar en estos casos, debido a que las direcciones de las fibras en testa son muy semejantes, produciendo que el campo eléctrico oscile radialmente a las fibras en los dos casos. Por lo que ε 3(radial) / ε 4(radial) debe ser muy próximo a 1. En nuestro caso obtenemos para T1 ε3 (radial) / ε 4(radial)= 1.02, por lo que efectivamente se cumple que 50 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO la dirección de las ondas son perpendiculares en los dos casos. Cabe destacar que los resultados obtenidos para las velocidades en el caso 3 y 4 deberían ser similares al del caso 2, ya que las ondas siguen una dirección perpendicular a las fibras. En nuestros datos las velocidades obtenidas en el tiempo1 de onda reflejada si se parecen a los del caso 2. Los resultados obtenidos en este trabajo son esenciales para el desarrollo de la técnica de georradar y estudio de las principales propiedades dieléctricas de la madera, diferentes en cada dirección. Como conclusión final, se puede decir que el georradar demuestra ser un instrumento muy útil e importante para el estudio de la madera. Conclusiones obtenidas con la utilización del resistógrafo. (a) Conclusiones obtenidas durante el proceso de aprendizaje El resistógrafo es una técnica muy sencilla de aplicar, el problema radica en que para poder realizar el ensayo el mecanismo de aplicación debe estar en perpendicular a la probeta ensayada, por lo que, creemos que la técnica sería complicada de aplicar en lugares de difícil acceso. Para esta técnica solo sería necesaria la presencia de dos personas, una para realizar el ensayo y otra para la toma de datos. (b) Análisis de las propiedades físicas de la madera con resistógrafo: El resistógrafo nos da datos que reflejan fielmente las resistencias de las capas de la madera. Por lo que podemos definir los posibles defectos internos que encuentra la aguja a su paso. Tras analizar los datos obtenidos, nos sale una media de la resistencia un punto superior en canto que en cara, pero podemos decir que tiene resistencias muy parejas. Este hecho es debido a que la aguja perfora perpendicularmente a la dirección de las fibras en los dos casos. Este aparato puede ser muy útil, como complemento del estudio con georradar. La utilización del resistógrafo en el ámbito de la restauración permite conocer qué zonas de la estructura se encuentran atacadas y qué zonas de la estructura se conservan en buen estado y no necesitan ser sustituidas o reforzadas. 51 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO ANEXO 1: A continuación, se presenta la ficha de toma de datos del Pino Radiata que se empleó durante la realización de las medidas con el georradar (Figura a1). Figura a1 Ficha de toma de datos. Georradar. 52 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO ANEXO 2: A continuación, se presenta las fichas de toma de datos del Pino Radiata que se empleó durante la realización de las medidas con el resistógrafo (Figura a2). Figura a2 Fichas de toma de datos. Resistógrafo. 53 CARACTERIZACIÓN DEL PINO RADIATA MEDIANTE EL ANÁLISIS DE LA RESPUESTA DIELÉCTRICA DE LA TÉCNICA NO DESTRUCTIVA DEL GEORRADAR Y DEL RESISTÓGRAFO BIBLIOGRAFÍA: [1] Álvarez L., Basterra A., Casado M. y Acuña L. (2005) "Aplicación del resistógrafo al diagnóstico de elementos singulares en estructura de madera". Actas del I Jornadas de Investigación en Construcción, Madrid, España. [2] Anuario (2008). Anuario de estadística forestal 2008 España. [3] Basterra A., Ramón G., Barranco I., López G., Acuña L. y Casado M. 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