Complementary techniques for the characterization of new construction materials: Analysis and review

IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture S E V I L L A IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture S E V I L L AS E V I L L A Antonio Tejedor Cabrera, Marta Molina Huelva (comp.) IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture Sevilla: Universidad de Sevilla, 2017. 1.408 pp. 21 x 29,7 cm ISBN: 38765987928376375 Legal Dep.: 236235768336 All right reserved. No part of this book may be reproduced stored in a retrieval system, or transmitted, in any form or any means without prior written permission from the Publisher. EDITOR Universidad de Sevilla COMPILERS Antonio Tejedor Cabrera Marta Molina Huelva DESIGN AND LAYOUT BY Pablo Blázquez Jesús María Carrascal Pérez Daniel Longa García Marina López Sánchez Francisco Javier Navarro de Pablos Gabriel Velasco Blanco ADMINISTRATION AND SERVICES STAFF Adoración Gavira Iglesias Seville, november 2017 © 2017. IDA: ADVANCED DOCTORAL RESEARCH IN ARCHITECTURE IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture ORGANIZED BY S E V I L L AS E V I L L A COLLABORATORS IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture All manuscripts have been submitted to blind peer review, all content in this publication has been strictly selected, the international scientific committee that participates in the selection of the works is of international character and of recognized prestige, an scrupulous method of content filtering has been followed in terms of its veracity, scientific definition and plot quality. IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture COMMITTEES CONFERENCE CHAIRPERSONS Antonio Tejedor Cabrera, Coordinator of the PhD Program in Architecture and Director of the University Institute of Architecture and Construction Sciences, Professor Department of Architectural Design, University of Seville Marta Molina Huelva, Secretary of the University Institute of Architecture and Construction Sciences, Professor of the Department of Building Structures and Geotechnical Engineering, University of Seville ORGANISING COMMITTEE María Carrascal Pérez, Department of History, Theory and Architectural Composition, University of Seville Mercedes Linares Gómez del Pulgar, Department of Architectural Graphic Expression, University of Seville Ángel Martínez García-Posada, Department of Architectural Design, University of Seville Pilar Mercader Moyano, Department of Architectural Constructions I, University of Seville Domingo Sánchez Fuentes, Department of Urban Planning and Spatial Planning, University of Seville Manuel Vázquez Boza, Department of Building Structures and Land Engineering, University of Seville CONFERENCE SECRETARY Pablo Blázquez Jesús, Ph.D. student, Department of Architectural Design, University of Seville Marina López Sánchez, Ph.D. student, Department of Architectural Design, University of Seville IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture Las mesas temáticas están dirigidas a los jóvenes doctores y a estudiantes de doctorado de las diferentes universidades participantes que exponen sus experiencias y métodos sobre las investigaciones en desarrollo o recientemente concluidas. La participación en las mesas temáticas se realiza por el procedimiento de selección con revisión por pares ciegos establecido en la call for papers y por medio de invitaciones expresas al debate. Las casi 70 comunicaciones se han estructurado en cuatro áreas temáticas representativas de los programas de doctorado en Arquitectura. El taller de puesta en común se realiza en dos sesiones con la participación de los coordinadores de cada uno de los programas colaboradores del Congreso y de profesores con amplia experiencia doctoral. Sus objetivos son múltiples: debatir sobre las experiencias desarrolladas en las distintas universidades, intercambiar ideas sobre los enfoques y los modelos aplicados, abordar los retos de internacionalización y de gestión, poner en marcha el nuevo Doctorado Industrial con empresas y agencias públicas, etc. Las sesiones plenarias son dos: una sesión plenaria de introducción al congreso, con la intervención de coordinadores de programas de doctorado nacionales y extranjeros; y una sesión plenaria de clausura, con un debate abierto para la reelaboración de las conclusiones extraídas de las mesas temáticas y del workshop y la presentación de las conclusiones finales. Agradecemos a la Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad de Sevilla y a la Escuela Técnica Superior de Arquitectura de Sevilla el apoyo que han proporcionado para la realización de este encuentro que tanto contribuye a clarificar el futuro de los estudios doctorales en las universidades españolas ante el gran reto de la internacionalización y la continua mejora de la calidad de la investigación en Arquitectura. Damos los gracias también a los responsables de los Programas de Doctorado participantes, a la Biblioteca de Arquitectura de la US y a todos los participantes y asistentes. Antonio Tejedor Cabrera Marta Molina Huelva Directores Congreso IDA_Sevilla 2017 Instituto Universitario de Arquitectura y Ciencias de la Construcción IUACC IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture 1. Analyze the research lines of the various programs and build a map of doctoral research in Spain with the support of coordinators, tutors / thesis supervisors, doctoral students and young doctors in the disciplines related to Architecture and their related areas. 2. To know the status of doctoral theses in progress or defended in the last three years, selected by means of a call with blind peer evaluation of the doctoral programs participating in the congress. 3. Discuss the structure and university management of doctoral programs in relation to employment challenges, collaboration with the productive sector and national research programs. 4. Exchange experiences with other international doctoral research programs on international mobility management, theses with international mention, co-supervised theses, theses with industrial mentions, etc. 5. No less important, consolidate a national and international network of Doctoral Programs related to Architecture, Urban Planning, Heritage, Landscape, Technologies and related disciplines. OBJECTIVES IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture Thematic tables The thematic tables are places to present the methodologies and experiences of young doctors and doctoral students from different universities. They are managed by the doctorate students themselves, who generate conclusions to be debated and reworked in the final plenary session. The sessions are developed simultaneously with the presentation of the papers selected in the call, organized in four areas or thematic lines: 1. Architectural technologies 2. Housing, city and territory 3. Heritage and Rehabilitation 4. Analysis and advanced projects Workshop The workshop of the Congress is oriented towards the analysis of the problems and management needs of the Doctorate Programs, with the objective of arriving at conclusions that may be useful to the Universities involved. The coordinators of the Doctorate in Architecture programs and the doctoral students’ representatives will participate in the workshop. The following are topics for debate: lines of research, methodologies, organizational needs of the doctoral programs, the International Doctorate and the Industrial Doctorate, and the future of doctoral research. Plenary Sessions The plenary sessions are held at the beginning and end of the Congress. In the first session of welcome and introduction to the Congress, researchers from the national and international scene and the coordinators of the doctorate programs are invited to participate. In the second plenary session an open debate is proposed for the going over of the proposals drawn from the workshop and the thematic tables. It also serves as a closing ceremony with the presentation of the final conclusions of the 2017 IDA_Sevilla Congress. FORMAT Beams were tested in bending, according to UNE-EN 408 (2011) (Fig.6), and the effects of GFRP reinforcements in the MOE, ultimate strength (MOR) and improvement in the dispersion of results were measured and analyzed. The failure modes of each beam were also observed. Fig. 6 Duo beams test according to UNE EN-408. The results of these tests on reinforced Populus beams are shown in Figure 7, with a significant improvement with increments in the moduli of elasticity of 10% for GFRP reinforcements of 1200 gr / m2 and of around 15% for GFRP reinforcements of 2400 gr / m2. Fig. 7 Box and whiskers graph with the modulus of elasticity of poplar duo beams. At the present time only the previous data analyzes of the poplar duo beams are available, and the bending test of the Pinaster beams is scheduled for close dates. 3.3. Creep tests In order to study the long-term behavior of the reinforced duo beams, in relation to unreinforced ones, a long-term test has been set up, according to UNE-EN 380 (1998), with a total load of 10 kN, which represents approximately 50% of ultimate load of the beams. The ambient conditions of the laboratory remain nominally constant, 20 ± 2ºC; 65 ± 5% humidity in air, corresponding to a hygroscopic balance of 12% HR in the wood (Kollman 1959). The load is applied by means of the filling and filling of individual tanks (Figure 8), single wall polyethylene (PE), with a useful capacity of 1000 liters and dimensions of approximately 1650x720x1260 mm, with upper filling nozzles and lower emptying device, with locking key. The support of the tanks on the beams is made with an intermediate resistant platform, which allows to apply the load on the beams on two points, following the support distances proposed by UNE-EN 408 (2011). 7850 9240 9460 IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture 1. Analizar las líneas de investigación de los diversos programas y construir el mapa de la investigación doctoral en España con el apoyo de los coordinadores, los tutores/directores de tesis, los doctorandos y los jóvenes doctores en las disciplinas relacionadas con la Arquitectura y sus áreas afines. 2. Conocer el estado de las tesis doctorales en marcha o defendidas en los últimos tres años, seleccionadas por medio de una call con evaluadores por pares ciegos de los programas de doctorado participantes en el congreso. 3. Debatir sobre la estructura y la gestión universitaria de los programas de doctorado en relación con los retos de empleo, colaboración con el sector productivo y los programas nacionales de investigación. 4. Intercambiar experiencias con otros programas de investigación doctoral a escala internacional sobre gestión de la movilidad internacional, tesis con mención internacional, tesis en cotutela, tesis con mención industrial, etc. 5. No menos importante, consolidar una red nacional e internacional de Programas de Doctorado relacionados con la Arquitectura, la Urbanística, el Patrimonio, el Paisaje, las Tecnologías y sus disciplinas afines. OBJETIVOS IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture S E V I L L A IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture IDA: Advanced Doctoral Research in Architecture Architecture technologies / TECNOLOGíAS DE LA ARqUITECTURA p. 23-30: AnAlYsis oF inciDence oF license MAnAgeMent ActiVities in the Processes oF the internAtionAl stAnDArD une iso 21,500 / p. 31-39: ANÁLISIS DE INCIDENCIA DE LAS ACTIVIDADES DE GESTIÓN DE LICENCIAS EN LOS PROCESOS DE LA NORMA INTERNACIONAL UNE ISO 21.500 García Ruiz-Espiga, Adolfo; Soler Severino, Manuel p. 41-49: enVeloPe’s energY PerForMAnce oF uniVersities BuilDings locAteD in BAhiA – BrAZil / p.50-58: DESEMPEÑO ENERGÉTICO DE LA ENVOLVENTE TÉRMICA DE EDIFICACIONES UNIVERSITARIAS CONSTRUIDAS EN BAHIA - BRASIL Santana, Bruno; Coch, Helena p. 59-66: A stuDY oF the essentiAl chArActeristics oF A gloBAl DAnce Floor sYsteM / p. 67-74: ESTUDIO SOBRE LAS CARACTERíSTICAS ESENCIALES DE UN SISTEMA DE SUELO GLOBAL PARA LA DANZA Turiel, Claudia; García-Santos, Alfonso p. 75-83: the rooF therMAl BehAVior in A troPicAl-eQuAtoriAl cliMAte / p. 84-93: EL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE LA CUBIERTA EN EL CLIMA TROPICAL-ECUATORIAL Torres-Quezada, Jefferson; Coch-Roura, Helena; Isalgué, Antonio p. 95-103: FrP reinForceMent AnD ProDuction oF Duo tiMBer BeAMs / p. 104-112: FABRICACIÓN Y REFUERZO DE VIGAS LAMINADAS DÚO CON FRP Balmori, Jose Antonio; Basterra, Luis-Alfonso p. 113-121: MethoDologY oF coMPleMentArY AssessMent to A liFe cYcle AnAlYsis oF the sustAinABilitY oF use gADuA BAMBoo in constructiVe solutions / p. 122-130: METODOLOGíA DE VALORACIÓN COMPLEMENTARIA A UN ANÁLISIS DE CICLO DE VIDA DE LA SOSTENIBILIDAD DEL USO DEL BAMBÚ GUADUA EN SOLUCIONES CONSTRUCTIVAS Torres Rojas, José Eduardo; Neila Gonzalez, Francisco Javier p. 131-141: therMoDYnAMics oF MeDiterrAneAn courtYArDs: QuAntiFicAtion AnD APPlicAtions in eco-eFFicient ArchitecturAl Design / p. 142-152: TERMODINÁMICA DEL PATIO MEDITERRÁNEO: CUANTIFICACIÓN Y APLICACIÓN AL DISEÑO DE ARqUITECTURAS ECO-EFICIENTES Rojas Fernández, Juan Manuel; Galán Marín, Carmen; Fernández Nieto, Enrique p. 153-160: coMPleMentArY techniQues For the chArActeriZAtion oF neW construction MAteriAls: AnAlYsis AnD reVieW / p. 161-169: TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE NUEVOS MATERIALES CONSTRUCTIVOS: ANÁLISIS Y REVISIÓN Pedreño-Rojas, M. Alejandro; Morales-Conde, M. Jesús; Rodríguez-Liñán, Carmen; Pérez-Gálvez, Filomena; Rubio-de-Hita, Paloma p. 171-181: current AnD Future DeMAnD-siDe MAnAgeMent PotentiAl relAteD to the therMAl MAss oF resiDentiAl BuilDings in euroPe BAcKgrounD AnD MethoDologicAl APProAch / p. 182-192: POTENCIAL ACTUAL Y FUTURO DE GESTIÓN DE LA DEMANDA ENERGÉTICA ASOCIADA A LA MASA TÉRMICA DE EDIFICIOS RESIDENCIALES EN EUROPA ANTEDECENDES Y PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO de-Borja-Torrejón, Manuel; León-Rodríguez, Ángel-Luis; Auer, Thomas p. 193-203: stuDY AnD AssessMent oF the seisMic VulnerABilitY oF PriMArY school BuilDings locAteD At the AlgArVe AnD huelVA: stAte oF the Art / p. 204-214: ESTUDIO Y VALORACIÓN DE LA VULNERABILIDAD SíSMICA DE EDIFICIOS DE EDUCACIÓN PRIMARIA EN EL ALGARVE Y HUELVA: ESTADO DEL ARTE Requena-García-de-la-Cruz, María-Victoria; Fazendeiro-Sá, Luis; Morales-Esteban, Antonio; Estêvão, João M.C.; Ferreira, Mónica A.; Durand-Neyra, Percy; Oliveira, Carlos Soussa p. 215-222: reseArch on eco-eFFicient structurAl MortArs / p. 223-231: INVESTIGACIÓN SOBRE MORTEROS ESTRUCTURALES ECO-EFICIENTES González-Kunz, Rocío N.; Pineda, Paloma; Morillas, Leandro; Brás, Ana p. 233-242: toWArD A conteMPorArY PlAnning MethoD: technologiAl AnD citiZenshiP coMMitMent / p. 243-253: HACIA UN MÉTODO DE PLANIFICACIÓN CONTEMPORÁNEO: COMPROMISO TECNOLÓGICO Y CIUDADANO Luque Martín, Irene TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA LA CARACTERIZACIÓN DE NUEVOS MATERIALES CONSTRUCTIVOS: ANÁLISIS Y REVISIÓN Pedreño-Rojas, M. Alejandro (1)(*); Morales-Conde, M. Jesús (1); Rodríguez-Liñán, Carmen (1); Pérez-Gálvez, Filomena(1) y Rubio-de-Hita, Paloma(1) (1)(*) Dpto. de Construcciones Arquitectónicas I. Escuela Técnica Superior de Arquitectura. Universidad de Sevilla, 41012, Seville, Spain; Tel: (+34) 954556594; E- mail: mpedre[email protected]. Resumen: El avance en el desarrollo de nuevos materiales constructivos ha originado la necesidad de emplear nuevas técnicas de ensayos que, hasta ese momento, habían sido utilizadas por otras ramas del conocimiento. Este trabajo pretende hacer un recorrido por diferentes investigaciones que han empleado alguna de estas técnicas para completar la caracterización de los nuevos materiales estudiados, observando en cada caso el alcance y la utilidad del empleo de estos métodos en el campo de la construcción. Se realiza un estudio pormenorizado de algunas de estas técnicas mediante el análisis de investigaciones en las que son empleadas, observando la finalidad de su uso y los resultados conseguidos con el método en cuestión. Para este congreso se realiza una selección de cinco de estas técnicas complementarias (elegidas por su mayor influencia y utilización), que son la Tomografía Computarizada de Rayos-X, Ultrasonidos, Termografía Infrarroja, Difracción por Rayos-X y Microscopía Electrónica de Barrido. Palabras Clave: Tomografía Computarizada de Rayos-X (XCT), Ultrasonidos (UT), Termografía Infrarroja (TIR), Difracción por Rayos-X (DRX), Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). 1. Introducción Muchos investigadores estudian la creación de nuevos materiales constructivos o la mejora de las propiedades de otros ya existentes en el mercado. En este sentido, uno de los mayores retos a los que se enfrentan es la obtención de una caracterización exhaustiva y veraz de los mismos, empleando para ello las técnicas necesarias. En los últimos años la innovación y el desarrollo de técnicas para la caracterización de materiales ha experimentado un gran avance incorporando tecnologías que, hasta el momento, eran empleadas en otras ramas de la ciencia y el conocimiento. El objetivo fundamental es complementar el proceso caracterización de materiales aportando y/o complementando la información obtenida mediante los procesos de ensayos experimentales. Dentro de estas nuevas técnicas de inspección, destacan las técnicas de Evaluación No Destructiva (END). Son técnicas que, sin alterar los atributos originales o dañar el objeto ensayado, evalúan e inspeccionan los diferentes compuestos y materiales para su caracterización o para localizar en ellos defectos inapreciables con otro tipo de técnicas. En cuanto a la detección de fallos, tanto superficiales como internos, la tomografía computarizada de rayos X es una técnica no destructiva que permite conocer con precisión la organización estructural interior de los materiales, aportando información sobre su porosidad, entre otros (Wang y Dai, 2017). Por otro lado, el análisis mediante ultrasonidos es una técnica no destructiva que aporta información mediante la cual es posible estimar algunos parámetros resistentes, como son el módulo de elasticidad dinámico y estático (Haach et al., 2015), así como localizar algún tipo de defectos en el material analizado (Huete-Fuertes et al., 1993). Por último, una de las técnicas de inspección no destructiva más utilizada en los últimos años es la termografía, la cual proporciona imágenes en las que es posible detectar la presencia de defectos en los materiales estudiados (Rodríguez-Liñán et al., 2012). Además de los métodos de END, existen otros ensayos que en la actualidad están siendo de gran utilidad en el proceso de caracterización de nuevos materiales. Destacan la técnica de difracción por rayos X que permite conocer la composición y las fases que se generan en los materiales (Jiménez et al., 2013) y la microscopía electrónica de barrido (SEM) que permite conocer su microestructura, sus fases cristalinas, sus impurezas, la detección e identificación de sales y su microfisuración, entre otras (Ge et al., 2015). Dada la necesidad de conocer el alcance y la viabilidad del uso de estas nuevas técnicas para la caracterización de nuevos materiales desarrollados, este estudio profundiza en su aplicabilidad, analizando y acotando la utilidad de los datos aportados por su uso en cada caso. 2. Objetivos y Metodología El trabajo que se presenta analiza parte de la bibliografía existente con el objetivo de estudiar algunas de las técnicas de caracterización aplicadas al campo de la construcción y, en particular, al análisis de nuevos materiales. El trabajo concluye relacionando las propiedades y/o características de los materiales con la técnica más adecuada para análisis y/o cuantificación. Se analizan trabajos científicos publicados en revistas y/o congresos examinando las limitaciones del uso de la técnica en cuestión, el objetivo de los autores para su uso, la consecución o no de esos objetivos y los resultados obtenidos. La selección de trabajos se realiza analizando las investigaciones incluidas en la base de datos WoS (Web of Science, 2017), considerada la principal plataforma de información en ciencias naturales, ciencias sociales, arte y humanidades. Para la búsqueda se utilizaron palabras clave para cada técnica, filtrando los resultados en las siguientes categorías: materials science multidisciplinary, materials science ceramics, materials science composites, materials science biomaterials, engineering mechanical, engineering environmental, materials science characterization testing y construction building technology. La Tabla 1 recoge las palabras claves utilizadas para cada técnica así como los resultados obtenidos por años. Tabla 1. Palabras claves y número de resultados por año (Web of Science, 2017). Técnica Utilizada Palabras Clave 2017 2016 2015 2014 2013 2012 2011 2010 2009 2008 Tomografía computarizada por rayos-X XCT X-ray Computed Tomography 264 348 273 227 205 167 115 125 73 75 Ultrasonidos UT Ultrasounds 596 943 853 806 793 759 621 584 465 461 Termografía Infrarroja IRT Infrared Thermography 188 267 233 216 190 193 144 158 110 114 Microscopía Electrónica de Barrido SEM Analysis 2403 3330 3009 3051 3063 2935 2818 2243 2101 1885 Difracción por Rayos-X XRD X-Ray Diffraction 9526 13239 13328 13715 13021 12141 11568 10016 9602 8849 3. Resultados y Discusión Para el análisis y descripción de las técnicas estudiadas, se clasifica previamente como Técnicas No Destructivas y Técnicas Destructivas. Se realiza una descripción de cada método (Gholizadeh, 2016) para posteriormente reseñar publicaciones en las que son utilizados. 3.1. Técnicas No Destructivas Las Técnicas No Destructivas (END) se caracterizan porque permiten la evaluación de las características de los materiales y la localización de defectos sin provocar daños en los elementos estudiados. Se engloban como Técnicas No Destructivas la Tomografía computarizada por rayos-X (XCT), los Ultrasonidos (UT) y la Termografía Infrarroja (TIR). 3.1.1. Tomografía computarizada por rayos-X (XCT) La Tomografía computarizada por rayos-X (XCT) es uno de los ensayos no destructivos más usados para conocer la estructura interna de los materiales. Con este ensayo es posible evaluar defectos originados durante las fases de fabricación y/o servicio. Al definir la estructura superficial e interna de los compuestos analizados, esta técnica permite también realizar estudios metrológicos y de ingeniería inversa. Mediante el auxilio de un equipo informático de gran capacidad de cálculo que favorezca la correcta generación y reconstrucción de la información obtenida del ensayo, la técnica del XCT se basa en irradiar el objeto estudiado con un haz cónico de rayos X, a la vez que un detector acumula la radiación que pasa a través la pieza. En todo este proceso se hace un barrido completo de la pieza mediante una rotación controlada de la misma tomando imágenes en diferentes posiciones angulares. Rodríguez-Liñán C, Morales-Conde MJ, Rubio-de Hita P, Pérez-Gálvez F. (2012). Análisis sobre la influencia de la densidad en la termografía de infrarrojos y el alcance de esta técnica en la detección de defectos internos en la madera. Materiales de construcción, 62(305), 99-113. Rosell JR, Cantalapiedra IR (2011). Método simple para determinar el módulo de Young dinámico a partir de una excitación por impacto aplicado a morteros de cal y cemento. Materiales de Construcción, 61(301), 39-48. Rubio-de-Hita P (1997) Evaluación del Estado de la Madera, en Obras de Rehabilitación, Mediante Técnicas de Ultrasonidos. Dissertation, Universidad de Sevilla. San-Antonio-Gonzalez A, Del Río-Merino M, Viñas-Arrebola C, Villoria-Saez P (2015). Lightweight material made with gypsum and extruded polystyrene waste with enhanced thermal behaviour. Construction and Building Materials, 93, 57- 63. Sena-Rodrigues GS, Pazini-Figueiredo E (2003). Módulo de elasticidad estático del hormigón determinado por medio de pruebas de ultrasonido. Materiales de Construcción, 53(271-272), 47-58. Sharma NK, Kumar P, Kumar S, Thomas BS, Gupta RC (2017). Properties of concrete containing polished granite waste as partial substitution of coarse aggregate. Construction and Building Materials, 151, 158-163. Wang YS, Dai JG (2017). X-ray computed tomography for pore-related characterization and simulation of cement mortar matrix. NDT & E International, 86, 28-35. Web of Science (2004) Thomson Reuters https://apps.webofknowledge.com/ Accessed 21 Jun 2017 Agradecimientos: Pedreño-Rojas, MA (autor) agradece el apoyo económico del programa FPU del Ministerio de Educación de España (FPU15/02939). Morales-Conde, MJ (autor) agradece el apoyo económico del V Plan Propio de Investigación de la Universidad de Sevilla.