Análisis CT de vigas de hormigón

Las propiedades del hormigón como material lo han convertido en una parte esencial de los métodos de construcción actuales. Sin embargo, además de sus muchas ventajas, este favorito universal tiene sus inconvenientes, el más destacado es que su naturaleza heterogénea dificulta el dimensionamiento de componentes y estructuras sobre la base de simulaciones. Las grietas inducidas por las pruebas de flexión han proporcionado información sobre el comportamiento de los componentes. Ahora, investigadores del Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales ITWM están desarrollando un software de análisis diseñado para tomografía computarizada, con el objetivo de hacer posible ver hasta los cambios estructurales más pequeños en los componentes de hormigón armado. En el futuro, el sistema podrá evaluar varios terabytes de datos de imágenes de TC, y aquí también puede entrar en juego la computación cuántica.

La tomografía computarizada nos permite vislumbrar mundos internos. Se ha convertido en una herramienta esencial en aplicaciones médicas, utilizada para realizar investigaciones de rutina en el cuerpo humano. Sin embargo, también se presta bien para la radiografía de materiales compuestos como el hormigón armado y proporciona un método no destructivo para examinarlos. Entonces, ¿qué sucede dentro de un componente de hormigón cuando se expone a tensión mecánica? ¿Dónde se producen las grietas? ¿Cómo se crean? ¿Y cómo crecen a medida que están expuestos a más y más tensión? Estas son las preguntas que los investigadores de Fraunhofer ITWM buscan responder. En el proyecto DAnoBi financiado por BMBF sobre la detección de anomalías en datos de imágenes espaciales a gran escala, están colaborando con grupos de trabajo de la Universidad Técnica de Kaiserslautern, la Universidad de Ulm y la Universidad de Magdeburg con el objetivo de utilizar métodos robustos y fáciles de automatizar de encontrar estructuras de grietas en el hormigón sobre la base de datos de tomografía computarizada, segmentar completamente estas estructuras y registrarlas. «Incluso en los datos de TC ruidosos tomados de pequeñas muestras de concreto, no solo hemos podido detectar grietas que miden meros micrómetros, sino también identificar los vóxeles (puntos de datos en una cuadrícula tridimensional) asociados con ellos. Las grietas no deben ser ninguna. más ancho que un vóxel, por lo que podemos encontrar grietas de 100 μm en un bloque de hormigón con una longitud de borde de 15 cm», dice la Dra. Katja Schladitz, científica de Fraunhofer ITWM. Para lograr esto, Schladitz y su equipo combinaron métodos de aprendizaje automático, modelado de estructuras e imágenes, además de métodos estadísticos para detectar grietas. «A partir del grosor y la forma de las grietas, podemos obtener más información sobre la relación entre el comportamiento posterior a la fisuración y las microestructuras. Sin embargo, hasta ahora solo hemos utilizado el propio equipo de TC del instituto para observar las cosas antes o después de aplicar tensión, no durante el proceso», dice Schladitz, quien se especializa en matemáticas.

El único sistema CT del mundo para la industria de la construcción

La investigación se enfrenta al problema de que la tecnología de micro-CT del tipo que se utiliza en Fraunhofer ITWM solo es capaz de obtener rayos X de muestras de hormigón que miden unos pocos centímetros de longitud y diámetro del borde. No hay forma de realizar ensayos de deformación mecánica en muestras de hormigón de varios metros de largo. En el futuro, sin embargo, esto se convertirá en una posibilidad gracias al Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad Técnica de Kaiserslautern. Actualmente se está construyendo allí un sistema de TC único en el mundo que estará operativo en el verano de 2023. Funciona con rayos X significativamente más fuertes, que miden unos nueve megaelectronvoltios, que el tipo emitido por los equipos médicos de rayos X, lo que hace que Es posible cribar componentes de hormigón armado con un diámetro de 30 centímetros y una longitud de seis metros. Una de las primeras y más importantes aplicaciones del extenso sistema, llamado Gulliver, es la generación de imágenes en 3D de la forma en que se desarrollan las grietas en grandes vigas de hormigón durante una prueba de flexión en cuatro puntos. Las imágenes tridimensionales de rayos X capturadas durante estos procesos revelarán nuevos conocimientos importantes que se pueden utilizar en la investigación y ayudarán a los científicos a comprender mejor el complejo material compuesto que es el hormigón. En el proceso, Gulliver generará entre 120 gigabytes y dos terabytes de datos de imagen por experimento. El objetivo de la investigación es realizar imágenes en 3D y analizar los cambios estructurales causados ​​por la deformación por flexión mientras se realiza una prueba de flexión.

Fraunhofer ITWM desarrolla software de análisis para Gulliver

«Estamos optimizando la gestión de almacenamiento y la evaluación de imágenes que se utilizan en nuestro extenso software de análisis y procesamiento de imágenes en 3D para que las grandes cantidades de datos producidos con esta tecnología puedan manejarse de manera eficiente. Los complejos algoritmos deben permitir tiempos de respuesta cortos durante el procesamiento de imágenes». explica la Dra. Katja Schladitz. La identificación de estructuras diminutas dentro de estas grandes cantidades de datos se perfila como un desafío, al que el software está respondiendo con métodos de análisis extensos para análisis localizados de porosidad, espesor y orientación, por ejemplo.

El plan es combinar la experiencia de los ingenieros estructurales con técnicas de análisis 3D para seleccionar los mejores algoritmos complejos posibles, establecer parámetros para ellos, producir evaluaciones precisas de resultados intermedios y corregir errores lo antes posible. Se está desarrollando un asistente de IA para ayudar a lograr esto: aprenderá el proceso de trabajo y el flujo de datos esperados, además de los resultados intermedios esperados y los patrones de error típicos, y se capacitará utilizando aspectos como los parámetros de medición de CT y las propiedades de la muestra, incluidas las dimensiones y el material. mezclas para evaluar la calidad de los datos de imagen. Esto brindará a los ingenieros estructurales una mejor base para realizar cálculos, relacionados con el comportamiento de carga del concreto, por ejemplo, lo que a su vez les permitirá reducir la cantidad de material utilizado y ajustar el contenido del acero de refuerzo requerido o fibras exactamente según sea necesario.

Aprovechar el potencial de la computación cuántica para el procesamiento de imágenes

En el futuro, se espera que la computación cuántica acelere el proceso de evaluación de datos de TC, en aplicaciones más allá de esta. Al hacer un uso inteligente de las propiedades especiales inherentes a los qubits, será posible representar datos de imágenes a una escala extremadamente grande (del tipo generado por el sistema Gulliver) con solo unos pocos qubits: por ejemplo, 1024 × 1024 píxeles con 21 qubits. Reemplazar los algoritmos de filtro y análisis que han sido el estándar hasta ahora con algoritmos de procesamiento de imágenes cuánticas permitiría procesar estas enormes cantidades de datos de manera más eficiente. En teoría, también puede ser posible reducir exponencialmente los requisitos de memoria y computación.

En términos prácticos, la codificación de imágenes y la ejecución de algoritmos implica una gran cantidad de operaciones cuánticas individuales, por lo que los resultados de los pasos simples de procesamiento de imágenes realizados en imágenes pequeñas hoy en día a menudo son ruidosos hasta el punto de ser irreconocibles. Debido a esto, Fraunhofer ITWM y otros institutos de Fraunhofer están investigando modelos de ruido y algoritmos que requieren la menor cantidad posible de operaciones básicas, ya que se encuentran en el campo de la computación cuántica en general.

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