Waterfront Depth Analysis in Hardened Concrete by Means of the Nondestructive Ground-Penetrating Radar Technique

© 2015 IEEE. Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works.Durability of concrete structures depends mainly on the ease whereby water and any aggressive chemical agents dissolved therein can penetrate. Therefore, measuring water penetrability in concrete structures is crucial mostly when structures are in service. In this context, nondestructive techniques play an important role. In particular, the electromagnetic waves emitted by ground-penetrating radar (GPR) are very sensitive to the water content of the medium through which they propagate. This fact provides an interesting opportunity to analyze if the GPR technique allows the assessment of water penetrability in concrete with enough accuracy. In line with this, this paper describes the laboratory experiments and relevant analysis carried out to study the capability of GPR to assess water penetrability in hardened concrete. For this purpose, concrete specimens were fabricated and dried in an oven after 90 days of curing. They were then dipped into water and GPR measurements were taken at different intervals, based on coupling a 2.0 GHz antenna. The results showed that the agreement between velocity increments and the waterfront advance was excellent. In addition, a specific processing of the data acquired was developed. This process included the isolation of the reflection due to the waterfront, produced just before the reflection of the bottom of the samples. As a result of this processing, the in-depth waterfront location at different times was determined with high reliability.This work was supported by the Universitat Politecnica de Valencia (Spain) under the PAID-06-12 research plan through a project entitled: "Analisis de la durabilidad del hormigon por medio de la tecnica no destructiva del georradar."Rodríguez-Abad, I.; Klysz, G.; Martínez-Sala, RM.; Balayssac, JP.; Mene-Aparicio, J. (2016). Waterfront Depth Analysis in Hardened Concrete by Means of the Nondestructive Ground-Penetrating Radar Technique. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 9(1):91-97. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2015.2449737S91979

Application of ground-penetrating radar technique to evaluate the waterfront location in hardened concrete

The long-term performance of concrete structures is directly tied to two factors: concrete durability and strength. When assessing the durability of concrete structures, the study of the water penetration is paramount, because almost all reactions like corrosion, alkali-silica, sulfate, etc., which produce their deterioration, require the presence of water. Ground-penetrating radar (GPR) has shown to be very sensitive to water variations. On this basis, the objective of this experimental study is, firstly, to analyze the correlation between the water penetration depth in concrete samples and the GPR wave parameters. To do this, the samples were immersed into water for different time intervals and the wave parameters were obtained from signals registered when the antenna was placed on the immersed surface of the samples. Secondly, a procedure has been developed to be able to determine, from those signals, the reliability in the detection and location of waterfront depths. The results have revealed that GPR may have an enormous potential in this field, because excellent agreements were found between the correlated variables. In addition, when comparing the water-front depths calculated from GPR measurements and those visually registered after breaking the samples, we observed that they totally agreed when the waterfront was more than 4 cm depth.The authors are grateful to COST - European Cooperation in Science and Technology (www.cost.eu) for funding the Action TU1208 "Civil engineering applications of Ground Penetrating Radar" (www.GPRadar.eu). The authors also thank the Laboratorio de Materiales de Construcion of the Escuela Tecnica Superior de Ingenieria de la Edificacion de la Universitat Politecnica de Valencia technical team for the valuable collaboration.Rodríguez Abad, I.; Klysz, G.; Martínez Sala, RM.; Balayssac, JP.; Mené Aparicio, J. (2016). Application of ground-penetrating radar technique to evaluate the waterfront location in hardened concrete. Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems. 5(2):567-574. doi:10.5194/gi-5-567-2016S56757452Klysz, G. and Balayssac, J. P.: Determination of volumetric water content of concrete using ground-penetrating radar, Cement Concrete Res., 37, 164–117, https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2007.04.010, 2007.Klysz, G., Balayssac, J. P., and Ferrières, X.: Evaluation of dielectric properties of concrete by a numerical FDTD model of a GPR coupled antenna-Parametric study, NDT&E Int., 41, 621–631, https://doi.org/10.1016/j.ndteint.2008.03.011, 2008.Lai, W. L., Kou, S. C., Tsang, W. F., and Poon, C. S.: Characterization of concrete properties from dielectric properties using ground penetrating radar, Cement Concrete Res., 39, 687–695, https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2009.05.004, 2009.Laurens, S., Balayssac, J. P., Rhazi, J., Klysz, G., and Arliguie, G.: Non-destructive evaluation of concrete moisture by GPR: experimental study and direct modelling, Mater. Struct., 38, 827–832, 2005.Martínez-Sala, R., Rodríguez-Abad, I., and Del Val, I.: Effect of penetration of water under pressure in hardened concrete on GPR signals, Proceedings of the International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar (IWAGPR 2013), Nantes, France, 237–242, 2013.Martínez-Sala, R., Rodríguez-Abad, I., Mené-Aparicio, J., and Fernández Castilla, A.: Study of the waterfront advance in hardened concrete by means of energy level increment analysis, Proceedings of the 8th International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar (IWAGPR), Firenze, Italy, https://doi.org/10.1109/IWAGPR.2015.7292695, 2015.Otieno, M. B., Alexander, M. G., and Beushausen, H. D.: Corrosion in cracked and uncracked concrete – influence of crack width, concrete quality and crack reopening, Mag. Concrete Res., 62, 393–404, 2010.Pérez Gracia, V.: Radar del subsuelo. Evaluación en arqueología y patrimonio histórico-artístico, PhD doctoral thesis, Universitat Politècnica de Catalunya, Spain, 2001.Rodríguez-Abad, I., Martínez-Sala, R., Mené, J., and Klysz, G.: Water penetrability in hardened concrete by GPR, Proceedings of the 15th International Conference on Ground Penetrating Radar, Brussels, Belgium, 862–867, 2014.Rodríguez-Abad, I., Klysz, G., Martínez-Sala, R., Blayssac, J. P., and Mené, J.: Waterfront depth analysis in hardened concrete by means of the nondestructive ground penetrating radar, IEEE J. Sel. Top. Appl., 9, 91–97, 2016a.Rodríguez-Abad, I., Klysz, G., Balayssac, J. P., and Pajewski, L.: Assessment of waterfront location in hardened concrete by GPR within COST Action TU1208, European Geosciences Union (EGU) General Assembly 2016, Vienna, Austria, EGU2016-18427, 2016b.Sbartaï, Z. M., Laurens, S., Balayssac, J. P., Ballivy, G., and Arliguie, G.: Effect of concrete moisture on radar signal amplitude, ACI Mater. J., 103, 419–426, 2006.Senin, S. F. and Hamis, R.: Ground penetrating radar wave attenuation models for estimation of moisture and chloride content in concrete slab, Constr. Build. Mater., 106, 659–669, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.156, 2015.Soutsos, M. N., Bungey, J. H., Miljard, S. G., Shaw, M. R., and Patterson, A.: Dielectric properties of concrete and their influence on radar testing, NDT&E Int., 34, 419–425, 2001.Tosti, F. and Slob, E.: Determination, by Using GPR, of the Volumetric Water Content in Structures, Substructures, Foundations and Soil, Civil Engineering Applications of Ground Penetrating Radar, 1, Benedetto, A., Pajewski, L., Springer International Publishing, Switzerland, 163–194, https://doi.org/10.1007/978-3-319-04813-0, 2015.UNE-EN 12390-2:2009/1M:2015, Testing hardened concrete. Part 2: Making and curing specimens for strength test, AEN/CTN83-Hormigón, AENOR, 2015

TU1208 open database of radargrams. the dataset of the IFSTTAR geophysical test site

This paper aims to present a wide dataset of ground penetrating radar (GPR) profiles recorded on a full-size geophysical test site, in Nantes (France). The geophysical test site was conceived to reproduce objects and obstacles commonly met in the urban subsurface, in a completely controlled environment; since the design phase, the site was especially adapted to the context of radar-based techniques. After a detailed description of the test site and its building process, the GPR profiles included in the dataset are presented and commented on. Overall, 67 profiles were recorded along eleven parallel lines crossing the test site in the transverse direction; three pulsed radar systems were used to perform the measurements, manufactured by different producers and equipped with various antennas having central frequencies from 200 MHz to 900 MHz. An archive containing all profiles (raw data) is enclosed to this paper as supplementary material. This dataset is the core part of the Open Database of Radargrams initiative of COST (European Cooperation in Science and Technology) Action TU1208 “Civil engineering applications of Ground Penetrating Radar”. The idea beyond such initiative is to share with the scientific community a selection of interesting and reliable GPR responses, to enable an effective benchmark for direct and inverse electromagnetic approaches, imaging methods and signal processing algorithms. We hope that the dataset presented in this paper will be enriched by the contributions of further users in the future, who will visit the test site and acquire new data with their GPR systems. Moreover, we hope that the dataset will be made alive by researchers who will perform advanced analyses of the profiles, measure the electromagnetic characteristics of the host materials, contribute with synthetic radargrams obtained by modeling the site with electromagnetic simulators, and more in general share results achieved by applying their techniques on the available profiles

Research posters’ eBook: according to 1st WORKSHOP with “Focus on experimental testing of cement based materials”

COST Action TU 140

Modelización numérica de la propagación de las ondas electromagnéticas del georradar aplicada al estudio de la penetración del agua en el hormigón endurecido con gprMax

[ES] El georradar es una técnica geofísica basada en la propagación de ondas electromagnéticas que al ser recibidas por la antena del equipo proporcionan información de las propiedades dieléctricas del medio por el que viajan. A partir del análisis de los parámetros de las ondas registradas se pueden detectar las anomalías existentes en el medio o bien estimar sus propiedades y sus variaciones. Algunas ventajas de la técnica de georradar, como son su carácter no destructivo, resolución y rapidez en la obtención y procesamiento de registros, han dado lugar a que se haya aplicado, y con éxito, en campos de estudio muy diversos. En los últimos años se ha venido utilizando en la inspección de estructuras de edificación y, más recientemente, en la caracterización de materiales de construcción, como es el hormigón. La durabilidad de las estructuras de hormigón armado depende fundamental¬mente de la estructura porosa, de la fisuración y del contenido de humedad del hormigón. En la actualidad uno de los procedimientos regulados por la Unión Europea para estimar la durabilidad del hormigón es comprobar el grado de penetración de agua bajo presión. Con este procedimiento, para medir la profundidad de penetración del frente de agua, es necesario extraer testigos o probetas de los elementos estructurales analizados. Por esta razón, en los últimos años se están realizando estudios con el fin de buscar metodologías alternativas que sean eminentemente no destructivas. El contenido de agua determina las propiedades dieléctricas de un medio y, a su vez, estas propiedades influyen de forma decisiva en la propagación de las ondas electromagnéticas por ese medio. Es por ello, que la técnica del georradar se presenta como una técnica con gran potencial para evaluar la profundidad de las zonas afectadas por humedad en el hormigón endurecido. No obstante, antes de realizar cualquier estudio experimental, es necesario conocer de forma previa la capacidad teórica de la técnica para una frecuencia de estudio dada. Con esto podremos comprender mejor cómo se propagan las ondas por el interior del hormigón y conocer cuál es su comportamiento en el caso de encontrar zonas con diferente contenido de humedad. En este trabajo se estudian qué variaciones se producen en la propagación de las ondas electromagnéticas al viajar por el interior del hormigón cuando existen zonas con diferentes contenidos de humedad. Para conseguir este objetivo la mejor opción es generar modelos numéricos que reproduzcan el comportamiento de las ondas electromagnéticas por el interior del hormigón en diferentes escenarios. Por todo ello, el objetivo principal de este trabajo es realizar una modelización numérica de señales electromagnéticas que se propagan en hormigón cuyo frente de avance del agua sea de diferentes dimensiones y con la antena de registro colocada en distintas posiciones respecto al avance del frente del agua (en el lado seco y en el lado húmedo). Esto permitirá una mejor compresión de la propagación, por el interior del hormigón, de las ondas electromagnéticas generadas con un equipo de georradar comercial y de las reflexiones que se produzcan como consecuencia del cambio de las propiedades dieléctricas del hormigón. Los modelos numéricos que se generan se basan en el método de las diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) y el software necesario para la generación de los modelos es el gprMax. La frecuencia de estudio elegida es la de 2 GHz de frecuencia central, ya que es la frecuencia de la antena comercial que la empresa GSSI, líder del sector, comercializa para usarla en los estudios del hormigón.[CA] El georradar és una tècnica geofísica basada en la propagació d’ones electromagnètiques que al ser rebudes per l’antena de l’equip proporcionen informació de les propietats dielèctriques del mitjà pel que viatgen. Partint de l’anàlisi dels paràmetres de les ones registrades es pot detectar les anomalies existents en el mitjà o be estimar les seves propietats i variacions. Alguns avantatges de la tècnica del georradar, com és el seu caràcter no destructiu, resolució i rapidesa en l’obtenció i processament de registres, han donat lloc al fet que s’haja aplicat, i amb èxit, en camps d’estudi molt diversos. En els últims anys s’ha fet servir en l’inspecció d’estructures d’edificació i, més recentment, en la caracterització de materials de construcció, com es el cas del formigó. La durabilitat de les estructures de formigó armat depèn fonamentalment de l’estructura porosa, de la fissuració i del contingut d’humitat de formigó. En l’actualitat un dels procediments regulats per la Unió Europea per estimar la durabilitats del formigó és comprovar el grau de penetració de l’aigua sota pressió. Amb aquest procediment, per a mesurar la profunditat de penetració del front de l’aigua, és necessari extraure provetes dels elements estructurals analitzats. Per aquesta raó, en els últims anys s’estan realitzant estudis amb la finalitat de cercar metodologies alternatives que siguen eminentment no destructives. El contingut d’aigua determina les propietats dielèctriques d’un mitjà i, al seu torn aquestes propietats influeixen de forma decisiva en la propagació de les ones electromagnètiques per aquest mitjà. Es per això, que la tècnica del georradar es presenta com una tècnica amb gran potencial per avaluar la profunditat de les zones afectades per humitat en el formigó endurit. No obstant açò, abans de realitzar qualsevol estudi experimental, és necessari conèixer de forma prèvia la capacitat teòrica de la tècnica per una freqüència d’estudi donada. Amb tot això, podrem comprendre millor com es propaguen les ones per l’interior del formigó i conèixer quin es el seu comportament en el cas de trobar-se zones amb diferent contingut d’humitat. En aquest treball s’estudien que variacions es produeixen en la propagació de les ones electromagnètiques al viatjar per l’interior del formigó quan existeixen zones amb diferents continguts d’humitat. Per aconseguir aquest objectiu la millor opció es generar models numèrics que reproduïsquen el comportament de les ones electromagnètiques per l’interior del formigó en diferents escenaris. Per tot açò, l’objectiu principal d’aquest treball es realitzar una modelització numèrica de senyals electromagnètiques que es propaguen en formigó, en el que el front d’avanç de l’aigua siga dediferents dimensions i amb l’antena de registre col·locada en diferents posicions respecte al mateix( en el costat sec i en l’humit). Això permet una millor comprensió de la propagació, per l’interior del formigó, de les ones electromagnètiques generades amb un equip de georradar comercial i de les reflexions que es produeixen com a conseqüència del canvi de les propietats dielèctriques del formigó. Els models numèrics que es generen es basen en el mètode de les diferències finites en el domini del temps (FDTD) i el software necessari per la generació dels models es el gprMax. La freqüència d’estudi escollida es de 2 GHz de freqüència central, ja que es la freqüència de l’antena comercial que la empresa GSSI, líder del sector, comercialitza per l’ús en estudis de formigó.[EN] Ground-penetrating radar is a geophysical technique based on propagation of electromagnetic waves that, when being received by the antenna of the equipment, provides information of the dielectric properties of the media by which travels. From the analysis of the parameters of the waves registered, it can be detected the existent anomalies in the medium or estimated its properties and their variations. Some advantages of the Ground-penetrating technique, as its nondestructive nature, resolution and quickness in obtaining and processing of the records, have given place to be applied successfully in very different fields of studio. In the last years, it has been applied to prospect building structures, and more recently, to characterize building materials, such as concrete. The durability of building reinforced structures depends mainly on the porous structure, the cracking and the water content. Currently, one of the procedures regulated by the European Union to estimate the concrete durability is by means of the evaluation of the penetration degree of water under pressure. With this procedure, to measure the penetration depth of the waterfront, it is necessary to extract samples of the analyzed structural elements. For this reason, in the last years some studies are conducted with the aim of looking for alternative methodologies whose nondestructive nature is to be critical. The water content is decisive in the dielectric properties of a medium and these are directly related to how the electromagnetic waves propagates through the medium. It is thus, that the Ground-penetrating technique presents great possibilities to evaluate the depth of the zones affected by humidity in hardened concrete. Nevertheless, previously to carry out any experimental program, it is necessary to be aware of the theoretical capacity of the technique, for given frequency of radiation. With this it will be possible to better understand how the waves propagate inward concrete and their behavior in case of existence of areas with different water content. In this work, variations produced in the propagation of the electromagnetic waves when travelling inward concrete and occurrence of areas with different water content are studied. To achieve this aim, the best option is to generate numerical models that reproduce the behavior of the electromagnetic waves propagating inward concrete inward different scenarios. For all this, the main objective of this work is to generate numerical models of electromagnetic waves propagating in concrete, in which a waterfront is of different dimensions and the recording antenna is located in different positions. This will lead to a better understanding of the waves propagation inside concrete generated with a commercial equipment and the reflections that might occur as a consequence of the change of the dielectric properties of concrete. The numerical models generated are based on the finite differences in time domain method (FDTD) and the necessary software for the generation of the models is the gprMax. The chosen frequency for the study is 2 GHz of central frequency, since this frequency is the one that the leader manufacturer of Ground-penetrating radar equipment (GSSI) commercializes to be used to prospect concrete.Sabater Belmar, LA. (2019). Modelización numérica de la propagación de las ondas electromagnéticas del georradar aplicada al estudio de la penetración del agua en el hormigón endurecido con gprMax. http://hdl.handle.net/10251/128254TFG

Estudio del efecto de las propiedades dieléctricas del hormigón en los parámetros de las ondas electromagnéticas del georradar. Modelización numérica del comportamiento del hormigón con gprMax

[ES] El georradar es una técnica de ensayo de materiales que cada vez está más presente en diferentes campos de estudio debido a su carácter no destructivo. De hecho, es una técnica que en edificación se emplea cada vez más para inspeccionar y diagnosticar patologías, como fisuras o humedades. El funcionamiento del georradar se basa en la emisión y recepción de ondas electromagnéticas en el espectro de las microondas. Dentro de la multitud de aplicaciones de la técnica del georradar se encuentra la caracterización de materiales. En el ámbito de la construcción, estos materiales pueden ser el hormigón, la piedra o la madera. En este trabajo se analiza por medio de una simulación numérica cuál es el comportamiento del hormigón frente a la propagación de ondas electromagnéticas. Para ello se ha utilizado el software gprMax, el cual todavía se encuentra en fase de desarrollo, siendo sus creadores líderes en Europa en la investigación de la aplicación del georradar en ingeniería. Este software ha permitido estudiar, mediante la modelización numérica, el comportamiento de las ondas a través del hormigón en diferentes casos. Por una parte se ha estudiado cómo influye en dicho comportamiento la antena que se emplea, en cuanto a la separación entre emisor y receptor de la misma, así como en lo que respecta a la distancia de separación de la antena con la superficie del hormigón. Por otro lado, se ha analizado también el comportamiento en función de las características del material que más influyen en la propagación electromagnética. Para ello, en primer lugar se ha variado la permitividad dieléctrica, la cual depende del grado de humedad del hormigón, y posteriormente su conductividad eléctrica. Con todo esto, se podrán comparar los valores de los parámetros de onda obtenidos mediante la simulación numérica con los valores reales que se extrajeron en trabajos experimentales desarrollados anteriormente sobre probetas de hormigón. Estas comparaciones servirán para obtener resultados en dos sentidos. Por un lado se podrá comprobar la bondad del modelo de simulación elegido y por otro, se podrá comprender y analizar con mayor detalle las señales reales. Finalmente, este conocimiento de la señal real nos permitirá poder aplicar con mayor fiabilidad el georradar a la caracterización no destructiva del hormigón. Por último, comentar que el presente Trabajo Final de Máster se enmarca en el proyecto aprobado el 30 de noviembre, por la Dirección General de Universidad, Investigación y Ciencia y que concede la subvención para la realización de proyectos de I+D+i desarrollados por grupos de investigación emergentes (GV/2017) de duración de 2 años y que lleva por título: “Caracterización de materiales de construcción por medio de las técnicas no destructivas del georradar y la termografía de infrarrojos”, perteneciente al Programa para la promoción de la investigación científica, el desarrollo tecnológico y la innovación en la Comunitat Valenciana, publicado el 25 de enero de 2017. Asimismo, parte de los resultados obtenidos en este Trabajo Final de Máster ha sido aceptado para su presentación en el Congreso Internacional “Near Surface Geoscience Conferences and Exhibition”, organizado por European Association of Geoscientists and Engineers, que se celebrará del 9 al 13 de septiembre de 2018 en Oporto (Portugal). La investigación realizada lleva por título “Parametric study of GPR signals numerical model to analyze hardened concrete response at different antenna positions” y se incluye al final del presente documento.[CA] El georradar és una tècnica d'assaig de materials que cada vegada està més present en diferents camps d'estudi degut al seu caràcter no destructiu. De fet, és una tècnica que en edificació s'empra cada vegada més per a inspeccionar i diagnosticar patologies, com a fissures o humitats. El funcionament del georradar es basa en l'emissió i recepció d'ones electromagnètiques en l'espectre de les microones. Dins de la multitud d'aplicacions de la tècnica del georradar es troba la caracterització de materials. En l'àmbit de la construcció, estos materials poden ser el formigó, la pedra o la fusta. En aquest treball s'analitza per mitjà d'una simulació numèrica quin és el comportament del formigó enfront de la propagació d'ones electromagnètiques. Per a això s'ha utilitzat el programari gprMax, el qual encara es troba en fase de desenrotllament, sent els seus creadors líders a Europa en la investigació de l'aplicació del georradar en enginyeria. Este programari ha permés estudiar, per mitjà de la modelització numèrica, el comportament de les ones a través del formigó en diferents casos. D'una banda s'ha estudiat com influïx en el dit comportament l'antena que s'empra, quant a la separació entre emissor i receptor de la mateixa, així com pel que fa a la distància de separació de l'antena amb la superfície del formigó. D'altra banda, s'ha analitzat també el comportament en funció de les característiques del material que més influïxen en la propagació electromagnètica. Per a això, en primer lloc s'ha variat la permitivitat dielèctrica, la qual depén del grau d'humitat del formigó, i posteriorment la seua conductivitat elèctrica. Amb tot açò, es podran comparar els valors dels paràmetres d'onda obtinguts per mitjà de la simulació numèrica amb els valors reals que es van extraure en treballs experimentals desenrotllats anteriorment sobre provetes de formigó. Estes comparacions serviran per a obtindre resultats en dos sentits. Per un costat es podrà comprovar la bondat del model de simulació triat i d'un altre, es podrà comprendre i analitzar amb major detall els senyals reals. Finalment, este coneixement del senyal real ens permetrà poder aplicar amb major fiabilitat el georradar a la caracterització no destructiva del formigó. Finalment, comentar que el present Treball Final de Màster s'emmarca en el projecte aprovat el 30 de novembre, per la Direcció General d'Universitat, Investigació i Ciència i que concedix la subvenció per a la realització de projectes d'I+D+i desenrotllats per grups d'investigació emergents (GV/2017) de duració de 2 anys i que porta per títol: “Caracterización de materials de construcció per mitjà de les tècniques no destructives del georradar i la termografia d'infrarrojos”, pertanyent al Programa per a la promoció de la investigació científica, el desenrotllament tecnològic i la innovació en la Comunitat Valenciana, publicat el 25 de gener de 2017. Així mateix, part dels resultats obtinguts en aquest Treball Final de Màster ha sigut acceptat per a la seua presentació en el Congrés Internacional “Near Surface Geoscience Conferences and Exhibition”, organitzat per European Association of Geoscientists and Engineers, que es celebrarà del 9 al 13 de setembre de 2018 en Porto (Portugal). La investigació realitzada porta per títol “Parametric study of GPR signals numerical model to analyze hardened concrete response at different antenna positions” i s'inclou al final del present document.[EN] Ground penetrating radar (GPR) is a material testing technique that is increasingly present in different fields of study due to its non-destructive nature. In fact, it is a technique that is increasingly used in buildings to inspect and diagnose pathologies, such as fissures or moisture. The operation of the georadar is based on the emission and reception of electromagnetic waves in the microwave spectrum. The characterization of materials is among the multitude of applications of the GPR technique. In the field of construction, these materials can be concrete, stone or wood. In this work, the behavior of concrete against the propagation of electromagnetic waves is analyzed by means of a numerical simulation. For this, the gprMax software has been used, which is still in the development phase, being its leading creators in Europe in the research of the application of georadar in engineering. This software has allowed us to study, through numerical modeling, the behavior of waves through concrete in different cases. On the one hand, it has been studied how the antenna that is used influences in said behavior, in terms of the separation between emitter and receiver thereof, as well as with respect to the separation distance of the antenna with the surface of the concrete. On the other hand, we have also analyzed the behavior according to the characteristics of the material that most influence electromagnetic propagation. To do this, the dielectric permittivity has been varied in the first place, which depends on the moisture level of the concrete, and subsequently on its electrical conductivity. With all this, it will be possible to compare the values of the wave parameters obtained by means of the numerical simulation with the real values that were extracted in experimental works previously developed on concrete specimens. These comparisons will serve to obtain results in two senses. On the one hand, the goodness of the chosen simulation model can be verified and, on the other hand, real signals can be understood and analyzed in greater detail. Finally, this knowledge of the real signal will allow us to apply with greater reliability the georadar to the non-destructive characterization of concrete. Finally, it is important to comment that this Final Master's Project is part of the project approved on November 30, by the Dirección General de Universidad, Investigación y Ciencia and provides budget for the realization of R&D&I projects developed by emerging research groups (GV / 2017), lasting 2 years and entitled: "Characterization of building materials by means of non-destructive Ground-penetrating and infrared thermography techniques", belonging to the Program for the promotion of scientific research, technological development and innovation in the Comunitat Valenciana, published on January 25, 2017. Also, part of the results obtained in this Master's Final Project has been accepted for presentation at the International Congress "Near Surface Geoscience Conferences and Exhibition", organized by the European Association of Geoscientists and Engineers, to be held from 9 to 13 September of 2018 in Porto (Portugal). The research carried out is entitled "Parametric study of GPR signals numerical model to analyze hardened concrete response at different antenna positions" and it is included at the end of this document.Botella Campello, YF. (2018). Estudio del efecto de las propiedades dieléctricas del hormigón en los parámetros de las ondas electromagnéticas del georradar. Modelización numérica del comportamiento del hormigón con gprMax. http://hdl.handle.net/10251/107681TFG

Long-term management and condition assessment of concrete culvert

Infrastructure is the backbone of national security, economic growth, public safety and other aspects of the society. Nationwide, the condition of America’s infrastructure was graded as “D+” by the American Society of Civil Engineers (ASCE) in 2013. Owners and responsible agencies have employed various cost-effective maintenance and repair methods as well as analytical tools to repair and extend the service life of the infrastructure. However, without a long-term plan, maintenance work can be delayed by lack of funds. Maintenance delay may cause significant reduction in condition state leading to premature failure of the infrastructure. Consequently, a long-term rehabilitation plan is needed to find the best time and the amount of investment needed to avoid catastrophic failures. In this research, three methods are proposed to compute the long-term annual investments for a culvert network. They are modified worst first method, network optimization approach and estimation by the maximum deterioration rate. The performance of a 15-culvert system was evaluated using the above methods. The method based on maximum deterioration rate is very simplistic and can only be used to estimate the lower bound value of the investment. In the modified worst first method, a fixed yearly budget is allocated and the project level corrective actions are suggested for each culvert for each year. Then the budget allocation is changed and the analysis is repeated. One could imagine this procedure as current practice of fixed budget allocation projected into the future. To do the network optimization approach, the computer program LINGO was used for the budget optimization. Developed constraints and one objective function were used based on financial requirements. Based on the simulation results, the modified worst first method is computationally intensive but provides the optimum budget. The method using maximum deterioration rate provides the lower bound value and should be used as the absolute lowest value that should be allocated. The optimization method uses computer programming and provides an upper bound value for small networks. It is anticipated that for large culvert networks the network optimization approach can be used to provide reasonable long-term annual budgets. A long-term maintenance plan for culvert networks can be accomplished only if correct condition states of all culverts are known by inspection. However, the culvert material influences the inspection method. Concrete, metal and plastic are the most common culvert materials. In the USA, 78% of culverts are made of concrete because concrete culverts are strong, durable, and economically preferable. In the research, several common concrete inspection methods were reviewed. By comparing all these methods, ultrasound was found to be the most reliable, fastest, and most widely used NDT method. Ultrasound wave velocity is related to the elastic properties of the material. Thus, a finite element analysis was used to simulate concrete with voids. Concrete blocks with different void sizes and distributions under dry and fully saturated conditions were simulated. Using back-calculated Young’s modulus values, ultrasound wave velocity was computed and compared with experimental results from the literature. A good comparison provided a theoretical basis for the relationship between ultrasound velocity and material porosity. Ultrasound velocity and ultrasound diffusion method to characterize concrete were reviewed in this research. However, these methods are unable to account for the influence of the fluid in voids. Therefore, a new hypothesis of shock wave transmission in voids was studied. When high frequency and high energy ultrasound are applied to concrete, a shock wave will be generated at the edge of the voids and propagate through the voids. An ideal 1-D model was used to simulate shock wave velocity propagation. The high sound pressure of the solid will move like a piston to generate shock wave in voids. First, shock speed was studied by solving the Riemann Problem. After the piston stops, rarefaction will be generated and its speed is much faster than the shock. The interaction of rarefaction waves with shock waves was studied. The results show that when the rarefaction hits the shock, the shock wave velocity is reduced. Furthermore, the energy lost was also studied during the rarefaction interaction with the shock. The total energy is the same but due to the reaction the energy is spread during the propagation. Consequently, bigger voids will allow more of the rarefaction to interact with the shock and the velocity of the shock will decrease. In addition, the energy will spread to a longer volume and the total energy density will decrease, causing a reduction of wave amplitude

Investigation of Steel-Stringer Bridges: Superstructures and Substructures, Volume II

Problems with unknown bridge foundations in Iowa are often associated with timber substructures. Timber piles are subject to biological and physical deterioration, which makes quantifying in-service pile capacity difficult. Currently there are no reliable means to estimate the residual carrying capacity of an in-service deteriorated pile; and thus, the overall safety of the bridge cannot be determined. The lack of reliable evaluation methods can lead to conservative and costly maintenance practices. This research study was undertaken to investigate procedures for assessing bridge substructures, and evaluating procedures for rehabilitating/strengthening/replacing inadequate substructure components. The report includes an extensive literature review, a field reconnaissance study of 49 bridges, a survey of substructure problems from the perspective of County Engineers, a laboratory study aiming to correlate nondestructive tests to residual pile strength and stiffness values, nondestructive and destructive load tests for 6 bridges with poor substructures, and finally a laboratory study evaluating selected repair methods

Inspección no destructiva de estructuras mediante georradar : análisis de daños por corrosión y por otras patologías

This thesis aims to studythe capacities and limitations of Ground Penetrating Radar (GPR) to support inspection, assessment, maintenance and rehabilitation tasks, helping to earlydetection and evaluation ofpathologies in unreinforced masonryconstructions, as well as in reinforcing concrete structures. One ofthe most common pathologies in existing reinforced concrete structures is corrosion damage. In fact, this is a pathologythat, in more advanced stages, may comprom ise the integrity of sorne structural elements, or e\en of the whole structural system. Corros ion dam age reduces the effecti\e cross section of steel reinforcing bars , dim inishing the bond between reinforcement and concrete, and affecting, dueto physical and chemical processes, the concrete that inwl\es the corroded steel reinforcing bars. In reinforced concrete structures, the corrosion ofsteel reinforcing bars is, in general, hidden. Accordingly , remotely or at distance assessment techniques are desirable , which aims to assess the integrity of steel elements, generally inaccessible through direct contact. The implementation of non-destructi\e tests (NDT) is a com mon practice when analysing pathologies in historical buildings, where inter'A:lntions should be as minimal invasi\e as possible . Sorne ofthe mostcommon methods to assess corrosion, such as the potential of corrosion, the petrographic analysis and the resistivimeter, present sorne disadvantages in comparison to the GPR. In fact, the uses of such methods require a considerable time, they are slightty invasi\e, and its application is localized, which means thattheir application only co\ers a reduced area of analysi s. In orderto assess the GPR capacity for detecting corros ion dam age, different laboratory tests were respecti\ely de\eloped, being the obtained results extremely satisfactory. Accordingly, it is possible to identify the following achie\ements: (i) a fast data acquisition planning methodologywas well established; (ii) the key elements and parameters for corrosion detection, within a qualitati\e analysis, were respecti\elyidentified; (iii) the contoureffects, related to a change on geometry, were identified and duly controlled; and (iv) a numerical approximation method, based on energy attenuation of GPR, for assessing the presence and degree ofcorrosion in damaged samples, was proposed with success. Obtained results are themsel\es a strong contribution of de\eloped research studies for the state of art. Four in-field tests, implemented on existing structures were respecti\ely developed, aim ing to apply and validate the methodologies, results and conclusions, obtained from laboratory tests. Toree case studies are related to historical constructions, belonging to the cultural heritage of the city of Barcelona, in Spain. The obtained results from GPR, combined, in sorne cases, with boreholes and seism ic tomography, allowed to identify pathologies dueto hum idity, corrosion and differential setttements. A fourth case study, de\eloped on a contemporary structure, in reinforcing concrete, and only using GPR, allowed to identifyand localize pathologies dueto corrosion damage. The laboratorytests and the case studies, using GPR, combined or not with other techniques, showed a strong capacityto detect and assess early stage pathologies, especially dueto corrosion damage, through fast, non-invasi\e and non­ destructi\e prospections. This strategy has econom ical and social advan tages . lndeed, a fast detection of pathologies , allow the rehabilitation of existing structures with a minimum amount of budget, when comparing with the needed resources to face damage in a more se\ere stage. The assessment ofpathologies in earlystages with GPR, especiallywhen combined with other techniques, allow then to ensure more resilient structures, by increasing their reliability, safety, and availability, and by decreasing their operational costs.En este trabajo de tesis se propone estudiar las capacidades y limitaciones de la tecnología de georradar para dar soporte a tareas de inspección, evaluación, mantenimiento y reparación mediante la detección temprana yla evaluación de patologías en construcciones de mampostería no reforzada yen estructuras de hormigón armado. Una de las patologías más comunes en estructuras es la que ocasiona la oxidación en elementos metálicos. Se trata de una patología que, en fases avanzadas, puede comprometer la integridad de los elementos o del conjunto estructural. La corrosión reduce la sección efectiva de los elementos metálicos o del armado, disminuye la adherencia entre acero y hormigón y afecta, por interacción química y física, el hormigón que rodea las armaduras corroídas. En estructuras de hormigón armado, la corrosión en las armaduras queda, en general, oculta. En este sentido, son deseables técnicas de prospección remotas o a distancia, con el propósito de evaluar elementos metálicos inaccesibles por contacto. El empleo de ensayos no destructi1.0s (NDT) y no invasi1.0s, es habitual en el análisis de patologías en edificios históricos, donde las inteMnciones deben ser mínimamente invasivas. Métodos comunes para evaluar la corrosión como el potencial de corrosión, análisis petrográfico y resistivímetro, tienen deswntajas frente al georradar. La utilización de estos métodos requiere un tiempo considerable, son lewmente invasi1.0s ysu aplicación es puntual de modo que las prospecciones suelen cubrir áreas relativamente reducidas constituidas por unos pocos elementos (armaduras). Para determinar la capacidad de la tecnología de georradar para detectar el fenómeno de la corrosión, se han diseñado diferentes experimentos en laboratorio. Los resultados obtenidos son razonablemente satisfactorios. Se ha definido una metodología para la planificación de prospecciones rápidas; Se han identificado los elementos y parámetros claw para interpretar, en análisis cualitati1.0s, la presencia de corrosión; Se han identificado y controlado los efectos de contorno relacionados con cambios en la geometría; Se ha propuesto una aproximación numérica, basada en la atenuación de la energía en la señal de georradar, para evaluar la presencia yel grado de corrosión en muestras afectadas . Este resultado constituye una contribución original y significativa del trabajo de tesis. Se han realizado cuatro campañas de prospección sobre construcciones y estructuras reales con objeto de aplicar las metodologías, resultados y conclusiones obtenidos en los ensayos de laboratorio. Tres casos de estudio se corresponden con construcciones históricas pertenecientes al patrimonio arquitectónico y cultural de Barcelona. Los resultados, obtenidos con prospecciones georradar combinadas, en algún caso, con sondeos y tomografía sísmica, han permitido identificar patologías causadas por la humedad, la corrosión y asentamientos diferenciales del terreno. Un cuarto caso de estudio, realizado sobre una estructura contemporánea en hormigón armado y utilizando únicamente tecnología de georradar, ha permitido identificar y localizar patologías ocasionadas por la corrosión. En los ensayos de laboratorio yen los casos de estudio descritos, la tecnología de georradar, combinada con otras técnicas, ha demostrado una buena capacidad para detectar y evaluar patologías en fases tempranas, especialmente por corrosión, mediante prospecciones rápidas, no invasivas y no destructivas. Esta estrategia tiene wntajas económicas y sociales. Una pronta detección de patologías, permite recuperar las construcciones con inwrsiones mínimas si se comparan con los importantes recursos que deben utilizarse frente a una elñdencia del daño en etapas sewras. La evaluación de patologías en etapas tempranas y con tecnología de georradar combinada con otras técnicas, nos orienta hacia construcciones más seguras y resilientes, y disminuyendo sus costos operativos.Postprint (published version