Rumbos tecnológicos
Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Avellaneda - Secretaría de Ciencia, Tecnología y Posgrado

Utilización de tecnología infrarroja para la detección de cambios ocultos en estructuras edilicias

53 Visitas

Tecnología infrarroja

Utilización de tecnología infrarroja para la detección de cambios ocultos en estructuras edilicias
Rumbos Tecnológicos 10 • Octubre 2018 – Septiembre 2019

Juan Carlos Pitman1*, Leonardo Melo1, Federico Borucki1, Fabricio Ezequiel Leguizamón1, Juan Pablo Madsen1
1 Universidad Tecnológica Nacional, Regional Avellaneda, Av. Ramón Franco 5050, 1874, Villa Domínico, provincia de Buenos Aires.

*Autor a quien se debe dirigir la correspondencia: jcpitman@yahoo.com

Descargar pdf

Resumen

Cuando es necesario realizar la determinación de cambios ocultos en estructuras edilicias (aquellos que no son detectables por inspección visual) se pueden utilizar dos tipos de ensayos, los destructivos o invasivos y los nos destructivos o no invasivos. Si bien ambos métodos pueden ser complementarios, en algunas ocasiones,  cuando por algún motivo particular no se puede intervenir en la estructura, la única forma de detección y análisis de la estructura es a través de los ya mencionados métodos no invasivos. Este trabajo describe la investigación llevada a cabo para la elaboración de un método de determinación de alteraciones edilicias mediante la utilización de tecnología infrarroja como método no destructivo. Adicionalmente se muestra el trabajo realizado con la técnica mencionada en el Espacio Municipal de la Memoria, Promoción y Defensa de los Derechos Humanos “El Infierno” (Ex CCDTyE) en la localidad de Avellaneda.
Palabras claves: Tecnología Infrarroja – Ensayo no destructivo – Estructura edilicia – Cambios ocultos.

Abstract

When it’s necessary to determine hidden modifications in buildings (those who aren’t detectable by visual inspection) there are two types of testing: destructive testing and nondestructive testing. Even though both methods can be complementary, sometimes, when the structure can’t be intervened because of any reason, the only way to detect and analyze it is through nondestructive methods. This work describes the research done on the elaboration of a method for determining structural building modifications using IR technology as a nondestructive method. Besides, it shows the application of this technique in Espacio Municipal de la Memoria, Promoción y Defensa de los Derechos Humanos “El Infierno” (Ex CCDTyE), located in Avellaneda.
Keywords: IR Technology – Nondestructive testing – Structure building – Hidden modifications.

Introducción

Para la inspección y análisis de búsqueda de patologías1 en estructuras edilicias se pueden utilizar tres tipos de ensayos o verificaciones:
• Inspección Visual;
• Ensayos destructivos;
• Ensayos no destructivos
Los ensayos destructivos son aquellos donde se interviene directamente en la estructura y se genera de alguna manera una alteración en ella. Como ejemplo se pueden citar alguno de ellos: extracción de probetas testigo, toma de muestras de armaduras, medición de profundidad de carbonatación. Por el contrario, en el caso de los ensayos no destructivos, son aquellos en donde la información se obtiene sin alterar o intervenir directamente en la estructura de la edificación. Ejemplo de ellos son: medición por termografía infrarroja, estimación de dureza superficial por esclerometría,
determinación de velocidad por pulso ultrasónico, entre otros (Porto Quintián, 2005).
Entre los ensayos no destructivos, la termografía infrarroja es muy utilizada para el análisis de estructuras, no solo para la determinación de patologías, como antes se mencionó, sino que, también, es empleada en temas de eficiencia energética en edificaciones. A continuación, se ofrece un listado más pormenorizado de los usos de la tecnología infrarroja:
• Visualización de pérdidas de energía;
• Detección de aislación faltante o defectuosa;
• Detección de fuentes de fugas de aire;
• Detección de humedad en la aislación, en techos y paredes, tanto en la estructura interna como externa;
• Detección de áreas con moho;
• Visualización de puentes térmicos;
• Detección de filtración de agua en techos planos;
• Detección de incumplimiento de aislación en las tuberías de agua caliente;
• Detección de fallas de construcción;
Una cámara termográfica puede medir la distribución de temperatura de la superficie de un objeto sin que haya contacto físico entre dicho equipo de medición y la superficie investigada. El principio de detección se basa en la radiación infrarroja emitida por un cuerpo al tener una cierta gama de temperaturas. Es decir, el método se basa en el hecho de que cualquier material emite continuamente energía (radiación electromagnética) proporcional a la temperatura de su superficie. Esta energía depende de las propiedades espectrales (emisividad, reflexión), propiedades térmicas (conductividad, la capacidad del propio material para transmitir calor, calor específico, difusividad térmica) y otras propiedades físicas del material (porosidad, densidad, contenido de agua) (Binda, Cantini, & Cucchi, 2011).
Debe tenerse en cuenta que existen varios factores que pueden conducir a errores o incertezas cuando se trabaja en termografía. Estos son (Flores Larsen & Hongn, 2012):
• Se debe conocer la emisividad e de la superficie del objeto en el rango de medida de la cámara
• Se debe conocer la radiación térmica proveniente de los alrededores del objeto (este
factor se ajusta normalmente con la temperatura reflejada).
• La radiación térmica puede ser parcialmente absorbida o emitida por el aire.
• El objeto medido debe abarcar todo el campo de visión de la cámara
• El objeto debe estar ubicado en un ángulo correcto en relación con la cámara, de preferencia frente a ésta.

En el caso particular, cuando se realizan capturas termográficas de una pared, mientras más diferencia de temperatura haya entre ambos lados de la misma, se logrará un mayor contraste, y con ello una mayor definición que conllevará un mejor análisis de las características distintivas de los diferentes materiales constitutivos de dicha estructura. Eso se debe al proceso de transmisión de calor que ocurre en ella por conducción del calor.
Cabe destacar que muchas veces sorprende la forma en que, por ejemplo, la exploración de las pérdidas eléctricas de un tablero por efecto del calentamiento realizado a través de tecnología infrarroja (ver (Borucki, Melo, Pitman, Leguizamón, & Madsen, 2016)), deriva en la necesidad de aplicar esos conceptos en otra investigación, cuyo objetivo de aplicación es diametralmente diferente. Es, por caso, lo sucedido en el presente trabajo que muestra la investigación realizada por el grupo de Investigación GECoR (Grupo de Energías Convencionales y Renovables) en coordinación con la Secretaría de Ciencia, Tecnología y Posgrado de la UTN FRA, en el campo de la tecnología infrarroja para aplicarlo en el recabado de información relacionada con las instalaciones edilicias y su estado del Espacio Municipal de la Memoria, Promoción y Defensa de los Derechos Humanos “El Infierno” (Ex CCDTyE) en la localidad de Avellaneda.
Los objetivos del proyecto realizado son por un lado brindar aporte científico desde la perspectiva de la valoración y conservación histórica de una edificación, y por el otro contribuir con un soporte probatorio que ponga en evidencia la contrastación de los alegatos de las partes del proceso judicial en el que se encuentra el sitio analizado, en cuanto a las alteraciones de su conformación topográfica a través del tiempo. Este último hecho hizo que los ensayos de constatación fueran del tipo no destructivos debido a que este lugar se encuentra interdicto por su relación con las actividades allí realizadas en la época de la última dictadura cívico-militar.

Desarrollo

Para poder entender el efecto que se visualiza a través de la cámara termográfica es necesario comprender los fenómenos físicos que intervienen. Este caso involucra principalmente a dos efectos de transmisión de la energía: la conducción térmica y la radiación.
La radiación térmica tiene su incumbencia al momento de tener que percibir la temperatura de la superficie bajo análisis a través de la cámara termográfica, que a grandes rasgos se basa en la percepción de la temperatura mediante la transmisión del calor por ondas electromagnéticas. No obstante, este artículo no detallará el efecto de radiación, sino que se ocupará de trabajar la conducción, ya que este es el fenómeno que requiere un estudio más profundo para comprender lo
que se observa con la cámara.
La conducción térmica es el proceso de transferencia de energía que se produce desde las partículas más energéticas hacia aquellas adyacentes que poseen menor energía térmica, producto de la interacción que hay entre esas partículas.
Este estudio tiene 3 interventores principales en la conducción térmica: El aire caliente que se encuentra en el interior del ambiente a analizar; la pared propiamente dicha que se encuentra bajo análisis; y finalmente el aire exterior colindante a la pared mencionada.
La transferencia de calor se produce desde la fuente caliente (aquella de mayor temperatura) a la fuente fría. En el caso actual, el ambiente interior funcionará como la fuente caliente, y el aire colindante a la pared bajo análisis será la fuente fría.
Al atravesar la pared, el calor ocasiona un gradiente de temperaturas (Figura 1), que estará directamente ligado con la resistencia térmica que posea la misma. Si la pared está compuesta por diferentes materiales en diferentes tramos, la resistencia térmica no se mantendrá constante en toda su superficie, y por consiguiente la temperatura en la pared tampoco permanecerá invariante (homogénea).

Figura 1. Variación de la temperatura a lo largo de la pared.

Figura 1. Variación de la temperatura a lo largo de la pared.

En la figura anterior, T∞1 y T∞2 son las temperaturas ambientes interior y exterior mientras que T1 y T2 son las temperaturas en las superficies de la pared, a causa de la transmisión por convección.
Tal como lo expresa (Çengel & Ghajar, 2011), la caída de temperatura a través de la pared es directamente proporcional a su resistencia térmica (Figura 2). El flujo de calor de conducción puede
ser definido como:

ecuacion

con

ecuacion

Donde:
Q = Calor producido por conducción.
T = Temperatura.
Rmat = Resistencia térmica del material.
L = Espesor del material en la dirección del flujo calórico.
k = Coeficiente de conducción térmica, dependiente de las propiedades del material.
A = Área del material transversal al flujo calórico
Además de los factores geométricos que tienen influencia en el calor conducido y en los gradientes de temperatura que surgen, aparece también un factor muy importante: el coeficiente de conducción térmica. Este coeficiente varía de material en material, y se encuentra afectado también por efectos como la humedad y la propia temperatura.
Para un cuerpo compuesto, por ejemplo, con dos materiales paralelos, podrá considerarse una resistencia térmica equivalente.

Figura 2. Resistencias térmicas equivalentes en una pared con diferentes materiales.

Figura 2. Resistencias térmicas equivalentes en una pared con diferentes materiales.

Es por esto que ante iguales condiciones geométricas y un mismo flujo de calor por conducción, la diferencias de temperatura vista en una imagen térmica se debe a resistencias térmicas que no son iguales, y por lo tanto tienen distintos coeficientes de conducción térmica en diferentes puntos de la superficie. Es decir, que aquellas áreas compuestas por materiales con distintas propiedades tendrán diversos gradientes de temperatura.
La percepción de este efecto con una cámara termográfica nos permite efectuar un análisis cualitativo y cuantitativo de los diferentes componentes que puedan llegar a existir en una estructura edilicia, haciendo que la variedad constructiva de un establecimiento pueda manifestarse de una forma relativamente sencilla.
Esto conduce también a que, indefectiblemente, cualquier cambio edilicio que se produzca se podrá visualizar aprovechando este concepto. Inclusive aquellas modificaciones que se realicen disponiendo de los mismos materiales que originalmente se encontraban en la estructura, debido a que los distintos factores que actuaron sobre la edificación existente (humedad, cambios de temperatura, etc.) fueron modificando sus propiedades. Es por esto que al incorporar materiales nuevos que no se sometieron a todas estas condiciones tendrán características térmicas diferentes y podrán ser vistos a través de la termografía.
No obstante, para poder tener una definición clara a la hora de diferenciar los distintos materiales, es necesario tener una conveniente diferencia de temperatura entre la fuente caliente y la fuente fría. Cuanto mayor sea esta diferencia, mejor definición se tendrá al momento de analizar la imagen termográfica.
Este artículo plantea aumentar el gradiente térmico mediante la utilización de una fuente que emita calor desde el ambiente desde el cual se desea tomar la medición. Esto ocasionará, por un lado, que la temperatura general de uno de los ambientes se incremente y, por otra parte, generar un flujo de calor constante hacia las paredes. En consecuencia, se pondrá en evidencia el mapa térmico al momento de capturar las imágenes infrarrojas y se facilitará la interpretación de los datos.
El caso de aplicación práctico de esta técnica se llevó a cabo en el Espacio Municipal de la Memoria, Promoción y Defensa de los Derechos Humanos “El Infierno” (Ex CCDTyE) en la localidad de Avellaneda. En este caso, debido a la gran amplitud de los ambientes fue requerida la utilización de un calefactor para exterior como el observado en la Figura 3. Pasado un tiempo prudente, se tomaron las mediciones de la temperatura y humedad del ambiente que se encontraba bajo análisis y de la distancia y altura de captura de cada una de las fotos, además obviamente de la imagen termográfica.

Figura 3. Esquema de aplicación del calefactor exterior como fuente de calor.

Figura 3. Esquema de aplicación del calefactor exterior como fuente de calor.

De acuerdo con (Borucki, Melo, Pitman, Leguizamón, & Madsen, 2016), la distancia y altura de captura de las imágenes, puede ser obtenida de acuerdo con las siguientes ecuaciones (ver Figura 4):

Figura 4. Tamaños de la imagen capturada por la cámara.

Figura 4. Tamaños de la imagen capturada por la cámara.

Donde:
d = distancia de enfoque
H = longitud horizontal
V = longitud vertical.
sen(32º) = ángulo de apertura horizontal definido por el fabricante de la cámara
sen(22,5º) = ángulo de apertura vertical definido por el fabricante de la cámara
La cámara tiene también la capacidad de cuantificar en una matriz de píxeles las temperaturas tomadas, donde se le asigna un valor a cada píxel. La resolución de la matriz diferirá con los distintos modelos de cámaras termográficas.
Analizando todos los datos mencionados, se pueden sacar diferentes conjeturas de acuerdo al tipo de resultado que se vaya visualizando.

Resultados

De las muestras realizadas mediante el uso de las imágenes termográficas, luego de haberle entregado la energía térmica suficiente a los ambientes analizados, se podía observar claramente en el instante en el cual se realizan las mediciones, los ladrillos en las paredes, esto gracias a su diferente resistencia térmica. Eran de fácil distinción, aquellos lugares donde antiguamente había aberturas, ya sean puertas o ventanas, y habían sido tapadas usando otro tipo de ladrillo, diferente con el cual había sido construido el edificio. Dicho resultado se puede visualizar rápidamente al momento de captar la imagen infrarroja de las paredes bajo ensayo.
A continuación, a modo de ejemplo, se muestran los resultados obtenidos de una serie de capturas termográficas realizadas.
Sector A:

Figura 5. Plano topográfico del sector A

Figura 5. Plano topográfico del sector A

Subsector A-1:

Figura 6. Imagen fotográfica 1

Figura 6. Imagen fotográfica 1

Figura 7. Imagen termográfica 1

Figura 7. Imagen termográfica 1

cuadro

Los resultados presentados en la tabla corresponden a la pared A-1. El ambiente se calentó por 6 horas. Cabe mencionar que a través de ella hay un conducto de instalaciones sanitarias.

Sector B:

Figura 8. Plano topográfico del sector B

Figura 8. Plano topográfico del sector B

Subsector B-2:

Figura 9. Imagen fotográfica 2

Figura 9. Imagen fotográfica 2

Figura 10. Imagen termográfica 2

Figura 10. Imagen termográfica 2

cuadro

La Figura 9 muestra la fotografía tomada pared B-2. La Figura 10 muestra el descubrimiento de una abertura oculta y sus dimensiones.
La Figura 11 muestra la información de la Imagen termográfica 2 procesada en una planilla de cálculo (cada celda contiene la temperatura registrada por cada pixel de información).

Figura 11. Temperaturas de cada pixel pasadas a Excel.

Figura 11. Temperaturas de cada pixel pasadas a Excel.

La Figura 12 muestra el campo escalar de temperaturas con los datos de las celdas en un grafico de superficie, análogo a una imagen termográfica. En este gráfico se puede ver que si bien la diferencia de temperatura entre la máxima y la mínima es de 2C° la sensibilidad del método es muy buena.

Figura 12. Campo escalar de temperatura

Figura 12. Campo escalar de temperatura

Sector D:

Figura 13. Plano topográfico del sector D

Figura 13. Plano topográfico del sector D

Subsector D-1:

Figura 14. Imagen fotográfica 3

Figura 14. Imagen fotográfica 3

Figura 15. Imagen termográfica 3

Figura 15. Imagen termográfica 3

cuadro

La Figura 14 muestra la fotografía de la parte superior de la pared D-1 (Figura 13) a 3,19 m de distancia. La Figura 15 muestra las dimensiones de la ventana oculta y los ladrillos con los que taparon dicha abertura.

Conclusión

En este trabajo se ha mostrado una metodología alternativa para realizar inspecciones con tecnología infrarroja en estructuras edilicias como método no destructivo. Las imágenes obtenidas permitieron
efectuar un diagnóstico de las alteraciones constructivas y del estado estructural del sitio.
Se ha podido ver que aún con poca diferencia de temperatura entre ambas caras de la pared, el perfil de temperaturas superficial adquiere una buena definición.
Se ha mostrado también, que el método permite definir geométricamente el tamaño del hallazgo a fin de establecer cuantitativamente aquellos datos que puedan tener relevancia en las descripciones expresadas en los alegatos del proceso judicial en curso.
Se ha mostrado que a través de un software dedicado y una planilla de cálculo es posible extraer los valores de temperatura de las imágenes adquiridas, brindando así información adicional al experto en el estudio de la estructura que analice los datos. En este punto cabe mencionar que, con muy poca diferencia de temperaturas en la imagen, la resolución de los hallazgos es muy evidente.
Cabe mencionar que los resultados completos mostrados parcialmente en este trabajo forman parte de un informe técnico presentado a la Municipalidad de Avellaneda.
Finalmente vale reflexionar que tanto los ensayos destructivos como no destructivos son ensayos complementarios. En el caso en que se puedan utilizar ambos, brindarán más datos para un estudio pormenorizado de la estructura analizada.

Referencias

AGUILAR SÁNCHEZ, B. (2016). Estudio-diagnóstico de fachadas de edificios catalogados de Alicante mediante termografía (Tesis de Grado en Arquitectura Técnica). Alicante: Universidad de Alicante. España.
BINDA, L., CANTINI, L., & CUCCHI, M. (2011). Thermovision: Applications in Conservation Field to Detect Hidden Characteristics of Building Structures. 11th North Amer. Masonry Conference (págs. 1-12). Minneapolis: Masonry Society.
BORUCKI, F., MELO, L., PITMAN, J., LEGUIZAMÓN, E., & MADSEN, J. (2016). Desarrollo de modelo matemático para la estimación de las pérdidas eléctricas a través del uso de termografía infrarroja. Rumbos tecnológicos, 195-206.
ÇENGEL, Y., & GHAJAR, A. (2011). Transferencia de calor y masa. Distrito Federal de México: McGraw-Hill.
FLORENTÍN SALDAÑA, M. M., & GRANADA ROJAS, R. D. (2009). Patologías constructivas en los edificios. Prevenciones y soluciones. Asunción: Facultad de Arquitectura, Diseño y Arte. Universidad Nacional de Asunción.
FLORES LARSEN, S., & HONGN, M. (2012). Termografía infrarroja en la edificación: aplicaciones cualitativas. Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente, 8.25-8.32.
PORTO QUINTIÁN, J. (2005). Manual de patologías en las estructuras de hormigón armado (Proxecto fin de carreira -UDC.EUAT-). La Coruña: Universidade da Coruña. Escola Universitaria de Arquitectura Técnica, España.

1 La palabra proviene del griego “pathos”: enfermedad, y “logos”: estudio; y en la construcción, enfoca el conjunto de enfermedades, de origen químico, físico, mecánico o electroquímico, y sus soluciones (Florentín Saldaña & Granada Rojas, 2009).

Comments are closed.