Modelización y contraste experimental de la propagación de ondas ultrasónicas en elementos estructurales de madera laminada mediante ensayos indirectos.

Abstract

Este Trabajo Fin de Máster desarrolla un estudio numérico combinado con un contraste experimental sobre la propagación de ondas ultrasónicas en elementos estructurales de madera laminada encolada, con el objetivo de profundizar en la evaluación del estado del material y la detección de defectos internos. Para ello, se realizaron ensayos ultrasónicos indirectos en probetas de madera de abeto, sometidas a diferentes configuraciones y condiciones, incluyendo la presencia de defectos simulados como fisuras de distinta profundidad y posición, presencia de nudos, procesos de delaminación y cavidades representativas de un ataque biótico por insectos xilófagos. Las mediciones se realizaron empleando el equipo Fakopp Ultrasonic Timer con transductores de 45 kHz y dos métodos de ensayo. Paralelamente, se desarrollaron modelos computacionales bidimensionales y tridimensionales en COMSOL Multiphysics que reproducen la geometría de las probetas, las propiedades ortótropas de la madera y la interacción onda-defecto, incorporando técnicas como condiciones de contorno absorbentes y parametrización completa de la geometría. La comparación detallada de resultados experimentales y simulados mostró una correlación muy elevada (R²≈1) para probetas sanas y un comportamiento coherente frente a defectos, permitiendo cuantificar la sensibilidad del sistema ante variaciones de tamaño, posición y tipo de discontinuidad. Las fisuras profundas demostraron el mayor impacto en la transmisión de energía, mientras que los nudos y ataques bióticos presentaron efectos moderados. Además, el modelo permitió analizar escenarios complejos, como variaciones geométricas y patrones de defectos múltiples, lo que mostró ser una vía prometedora por su capacidad predictiva. Este trabajo confirma que la combinación de ensayos ultrasónicos indirectos y modelización numérica es una herramienta robusta y con gran potencial para el diagnóstico estructural y el mantenimiento predictivo de elementos de madera laminada, fomentando su aplicación en construcción sostenible y extendiendo la vida útil de este material.

This Master's Thesis develops a numerical study combined with an experimental comparison on the propagation of ultrasonic waves in glued laminated timber structural elements, with the aim of further evaluating the condition of the material and detecting internal defects. To this end, indirect ultrasonic tests were carried out on spruce wood test specimens, subjected to different configurations and conditions, including the presence of simulated defects such as cracks of varying depth and position, knots, delamination processes, and cavities representative of biotic attack by xylophagous insects. The measurements were performed using Fakopp Ultrasonic Timer equipment with 45 kHz transducers and two test methods. At the same time, two-dimensional and three-dimensional computational models were developed in COMSOL Multiphysics that reproduce the geometry of the test specimens, the orthotropic properties of wood, and wave-defect interaction, incorporating techniques such as absorbing boundary conditions and complete parameterization of the geometry. The detailed comparison of experimental and simulated results showed a very high correlation (R²≈1) for healthy specimens and consistent behavior in the presence of defects, allowing the sensitivity of the system to variations in size, position, and type of discontinuity to be quantified. Deep cracks had the greatest impact on energy transmission, while knots and biotic attacks had moderate effects. In addition, the model allowed for the analysis of complex scenarios, such as geometric variations and multiple defect patterns, which proved to be a promising avenue due to its predictive capacity. This work confirms that the combination of indirect ultrasonic testing and numerical modeling is a robust tool with great potential for structural diagnosis and predictive maintenance of laminated wood elements, promoting its application in sustainable construction and extending the useful life of this material.