Trabajo Final de Durabilidad de Estructuras, Luis Montoya

UNIVERSIDAD POLITECNICA DE CATALUÑA

ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS,

CANALES Y PUERTOS

MASTER EN INGENIERIA ESTRUCTURAL

Y DE LA CONSTRUCCION

ASIGNATURA

“DURABILIDAD DE ESTRUCTURAS”

DOCENTES

Prof. D. Enric Vazquez

Prof. D. Marilda Barra

TEMA

“Ataque por agua de mar, proceso de deterioro y reparación de estructuras atacadas,

precauciones en proyecto y ejecución.”

SUSTENTANTE

Ing. Luis Alberto Montoya Coronado

Barcelona, España

1ero

de Junio de 2012

INDICE

1. Introducción 1

1.1 El hormigón 1

1.2 Los Agregados 1

1.3 El aire 2

1.4 Los Cloruros 2

1.5 Los Sulfatos 2

1.6 La Lixiviación 3

1.7 El hormigón expuesto al agua de mar es susceptible a sus efectos corrosivos 3

2. Proceso de deterioro, Precauciones en proyecto y Ejecución 3

2.1 Corrosión en infraestructuras de hormigón 3

2.2 El concepto de durabilidad 4

2.3 Modelo de durabilidad 5

2.4 Determinación de los parámetros del modelo propuesto 6

2.5 Concentración crítica a la profundidad de la armadura, CCRIT 6

2.6 Concentración en la superficie CS 7

2.7 Coeficiente efectivo de difusión de cloruros en el hormigón DEF 7

2.8 Diseño por durabilidad empleando el método de factor de seguridad 9

2.9 Diseño de TVU para el ambiente marino empleando el modelo propuesto 9

2.9.1 Especificaciones del proyecto 10

2.9.2 Efectos ambientales 10

2.9.3 Mecanismo de degradación 10

2.9.4 Requerimientos mínimos 10

2.9.5 Predimensionamiento con base en el modelo de durabilidad 10

3 Reparación de estructuras atacadas 12

3.1 Según el ACI 318 201 2R 01 12

3.1.1 Método de sobre-capas y parches 12

3.1.2 Método de colocar hormigón pre-empacado 12

3.1.3 Método de remplazar el hormigón como mezcla seca 13

3.1.4 Método de colocar hormigón como mezcla seca 13

3.2 Productos para reparación de estructuras corroídas 13

5 Anexos 16

5 Bibliografía 17

MASTER EN INGENIERIA ESTRUCTURAL Y DE LA CONSTRUCCIÓN Durabilidad de Estructuras

1

1. INTRODUCCIÓN

1.1 El Hormigón

El Hormigón es el material de construcción más utilizado en las sociedades

industrializadas. Sus propiedades mecánicas y su poca necesidad de mantenimiento lo han

hecho el material más competitivo entre todos, sin embargo, en ambientes muy agresivos

la degradación del hormigón puede tener varias causas. El hormigón puede ser dañado

por el fuego, la expansión de los agregados, efectos del agua de mar, la corrosión

bacteriana, la lixiviación de calcio, los daños físicos y daños químicos (de carbonatación,

cloruros, sulfatos y el agua destilada), entre otros factores. Esta exponencia ha sido

estudiada en las bases de proyectos de las normativas de cada código según la región del

proyecto, en España según la EHE-08 en el capitulo 2, articulo 8 tabla 8.2.2 se encuentra

la tabla de ambientes a la que estará el hormigón.

La expansión de los productos que sufren corrosión (óxidos de hierro, por ejemplo,

Fe2O3) de acero al carbono (hierro) como las estructuras de refuerzo puede inducir el estrés

mecánico que puede causar la formación de grietas y desarticular la estructura de hormigón.

Si las barras han sido mal instaladas y se encuentran demasiado cerca de la superficie de

hormigón y en contacto con el aire, el desprendimiento puede ocurrir fácilmente: los

fragmentos de recubrimiento de hormigón se separan de la masa de hormigón por efecto de

la corrosión de armaduras y se pueden caer.

1.2 Los Agregados

Varios tipos de agregados experimentan reacciones químicas en el hormigón, dando

lugar a fenómenos de expansión perjudiciales. Los más comunes son aquellas que

contienen reactivos de sílice, que puede reaccionar (ante la presencia de agua) con los

álcalis en el hormigón (K2O y Na2O, provenientes principalmente de cemento). Entre los

componentes minerales más reactivo de algunos agregados son el ópalo, la calcedonia,

pedernal y tensas. A raíz de la reacción (la reacción álcali sílice o ASR), se forma un gel

expansivo, que crea amplias grietas y daños en los elementos estructurales. En la superficie

de los pavimentos de hormigón de la ASR puede causar pop-outs, es decir, la expulsión de

los conos pequeños (hasta 3 cm aproximadamente de diámetro) en la correspondencia de

las partículas de agregado. Cuando algunos agregados que contienen dolomita se utilizan,

una reacción de “dolomitization” se produce cuando el compuesto de carbonato de

magnesio reacciona con los iones hidroxilo y de hidróxido de magnesio y los iones de

carbonato. La expansión resultante puede causar la destrucción del material. Mucho menos

frecuentes son pop-outs causados por la presencia de pirita, un sulfuro de hierro que genera

la expansión de la formación de óxido de hierro y etringita. Otras reacciones y re-


2

cristalizaciones, por ejemplo, de hidratación de los minerales arcillosos en algunos

agregados, puede conducir a la expansión destructiva también.

La expansión de los productos que sufren corrosión (óxidos de hierro, por ejemplo,

Fe2O3) de acero al carbono (hierro) como las estructuras de refuerzo puede inducir el estrés

mecánico que puede causar la formación de grietas y desarticular la estructura de hormigón.

Si las barras han sido mal instaladas y se encuentran demasiado cerca de la superficie de

hormigón y en contacto con el aire, el desprendimiento puede ocurrir fácilmente: los

fragmentos de recubrimiento de hormigón se separan de la masa de hormigón por efecto de

la corrosión de armaduras y se pueden caer.

1.3 El aire

El aire puede reaccionar con el hidróxido de calcio en el hormigón para formar

carbonato de calcio. Este proceso se denomina carbonatación, que es básicamente la

reversión de los procesos químicos de calcinación de la cal que tienen lugar en un horno de

cemento. La carbonatación del hormigón es un proceso lento y de continuo avance de la

superficie exterior hacia el interior, pero disminuye la difusión con la profundidad. la

carbonatación es un proceso no deseado en la química del hormigón. La carbonatación se

puede comprobar con la aplicación de una solución de fenolftaleína, un indicador de pH,

sobre una superficie de fractura fresca, lo que indica no carbonatadas y las áreas alcalina,

con un color violeta.

1.4 Los Cloruros

Los Cloruros, especialmente cloruro de calcio, se han utilizado para acortar el tiempo

de fraguado del hormigón. Sin embargo, el cloruro de calcio y (en menor medida) que el

cloruro de sodio se ha demostrado que con la lixiviación del hidróxido de calcio puede

causar cambios químicos en el cemento Portland, que conducen a la pérdida de fuerza, y

atacan el refuerzo de acero en la mayoría de los hormigones.

1.5 Los sulfatos

Los sulfatos en solución en contacto con el hormigón pueden causar cambios químicos

en el cemento, que puede causar importantes efectos a nivel micro-estructural causando a

un debilitamiento de la carpeta de cemento


3

1.6 La Lixiviación

Lixiviación, Cuando el agua fluye a través de grietas presentes en el hormigón, el agua

puede disolver algunos minerales presentes en la pasta de cemento endurecido o en los

agregados, el agua se satura con respecto a determinados minerales, que además puede

precipitar, y hacer depósitos o eflorescencias en las grietas, o en la superficie exterior de

hormigón.

1.7 El hormigón expuesto al agua de mar es susceptible a sus efectos corrosivos

Los efectos son más pronunciados por encima de la zona de mareas que cuando el

hormigón está permanentemente sumergido. Por encima de la superficie del agua, el daño

mecánico puede producirse por la erosión de las olas o arena y grava que transportan, y por

la cristalización de las sales del agua de remojo en los poros del hormigón y que luego se

secan. Los cementos puzolánicos y los cementos con más del 60% de escoria utilizado

como agregados son más resistentes al agua de mar que el cemento Portland puro.

Las bacterias mismos no tienen efecto notable en el hormigón. Sin embargo, las

bacterias anaerobias (Thiobacillus) de aguas residuales no tratadas tienden a producir

sulfuro de hidrógeno, que es oxidado por las bacterias aeróbicas presentes en biofilm en la

superficie de hormigón que disuelve los carbonatos en el hormigón de curado y causa la

pérdida de fuerza. Los pisos de hormigón se extiende en un terreno que contiene pirita

también están en riesgo.

2. PROCESO DE DETERIORO, PRECAUCIONES EN PROYECTO Y

EJECUCIÓN

2.1 Corrosión en infraestructura de Hormigón

Las estructuras de hormigón son regularmente definidas como estructuras durables con

un bajo costo de mantenimiento. Sin embargo, en las últimas tres décadas se ha observado

un incremento de los agrietamientos y delaminaciones de elementos de concreto

relacionados con la corrosión de la armadura de acero, en el ámbito mundial.

La cooperación del hormigón con el acero de refuerzo (o pre-esfuerzo) se basa en que el

hormigón provee al refuerzo de una protección tanto química como física en contra de la

corrosión. La protección química se debe a la alcalinidad del hormigón, la cual produce

una capa de óxido (del orden de un par de nanómetros) en la superficie del acero,

impidiendo que éste continúe corroyéndose. A este fenómeno se le denomina pasividad.


4

1. Ya que la capa de óxido evita la propagación de la corrosión del acero. Esta

alcalinidad del hormigón se debe, principalmente, al hidróxido de calcio (CH) que se forma

durante la hidratación de los silicatos (C2S, C3S, C3A, C4AF) del cemento y a los álcalis

(sodio y potasio) que pueden estar incorporados como sulfatos en el clinker.

2. Estas sustancias sitúan el pH de la fase acuosa contenida en los poros en valores entre

12,6 y 14,3 es decir, en el extremo más alcalino de la escala de pH. El hormigón también

funciona como una capa física protectora contra los agentes ambientales (oxígeno, agua,

cloruros, dióxido de carbono) que pudieran despasivar al acero e iniciar su corrosión.

Sin embargo, en un ambiente marino, los iones cloruro del agua de mar se acumulan en

la superficie del concreto y lentamente se transportan a través del recubrimiento de

concreto hasta llegar a la armadura. Cuando la concentración de los iones cloruro en la

superficie del acero de las armaduras alcanza valores que exceden un nivel crítico

(denominado CCRIT en este informe), la protección de la armadura corre el peligro de

desaparecer y la corrosión puede desencadenarse.

Cuando el acero embebido en hormigón se corroe, se consume una capa de la superficie

del acero y se forma una capa de productos de corrosión (óxido o hidróxido de fierro) en el

perímetro de la barra. El volumen ocupado por dicho óxido (o hidróxido) es mayor que el

que ocupaba el acero original, creando presiones contra el concreto que rodea al acero; esto

propiciará la formación de grietas y desprendimientos del concreto. Además de ser

antiestéticas, estas grietas y/o desprendimientos del recubrimiento de hormigón pueden

disminuir el anclaje del acero y, potencialmente, la resistencia del elemento estructural.

2.2 El concepto de durabilidad

En los últimos 20 años, el término "durabilidad" se ha estado escuchando con más

frecuencia en la rama de la ingeniería civil. Países industrializados como Estados Unidos,

algunos de Europa (España, Francia, Reino Unido) y Japón, han tomado la durabilidad

como un tema de gran importancia, invirtiendo sumas millonarias en estudio e

investigación en esta área.

En América Latina, un esfuerzo similar se realizó en el año 1997 al presentarse el

informe de la Red Temática DURAR en el cual se presentaron algunos conceptos básicos

sobre vida útil, evaluación, mantenimiento, reparación y/o rehabilitación de obras de

hormigón armado dañadas principalmente por corrosión de la armadura. DURAR definió la

vida útil de una estructura como "el periodo de tiempo durante el cual la estructura

conserva todas las características de funcionalidad, seguridad, resistencia y aspecto externo,

con un nivel de seguridad suficiente".


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2.3 Modelo de durabilidad

Se han propuesto varios modelos de durabilidad que relacionan la degradación por

corrosión del acero de refuerzo (o pre-esfuerzo) en concreto, en función del tiempo. Éstos

se evaluarán brevemente a continuación

El modelo de TUUTTI en el cual se basa la mayoría de los ya existentes, distingue dos

etapas: T1 y T2. Los modelos de BAZANT, BROWNE, y BEEBY son similares al

propuesto por TUUTTI, modelos que se dividen en dos etapas, T1 y T2. Los modelos de

BAZANT y BROWNE especifican que T2 finaliza al encontrarse daños visibles en la

estructura o elemento estructural. En cambio, el modelo de BEEBY especifica que T2

finaliza cuando se llega a un nivel inaceptable de corrosión. Esto quiere decir que el

elemento puede estar más allá de su periodo de vida útil y encontrarse en la etapa de su vida

residual.

El presente informe tomará como base el modelo de durabilidad considerado por

TUUTTI, TVU = T1 + T2

En donde T1 y T2 se denominan periodos de iniciación y de propagación. Se define T1

como el lapso de tiempo que tarda el ion cloruro en atravesar el recubrimiento, alcanzar la

armadura y provocar su despasivación. En tanto que T2 se refiere al periodo entre la

pérdida de protección de la película pasiva y la manifestación externa de los daños por

corrosión (manchas de óxido, agrietamientos o desprendimientos de la cobertura de

concreto). TVU se define como el periodo de vida útil de la estructura.

La etapa T2 finalizará al formarse pequeñas grietas (con anchos menores de 0.1 mm) o

manchas de óxido. Si en la estructura se observan otros tipos de degradaciones tales como

grietas más anchas de 0.1 mm, delaminaciones, barras de refuerzo expuestas con corrosión

visible, etc., dicha estructura se encontrará más allá de su vida útil, es decir, en el periodo

de su vida residual.

El periodo de la vida residual finaliza cuando se llega a un límite inaceptable de

durabilidad, el cual se podría expresar en función de la capacidad de carga del elemento

estructural. Este tema está fuera del alcance de este informe, que compete a la

determinación de la vida útil (TVU = T1+T2).

En esta parte del informe se presenta, en particular, un modelo semi-empírico para

determinar la duración de T1 de un elemento estructural expuesto a un ambiente marino.


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2.4 Determinación de los parámetros del modelo propuesto

El modelo propuesto en este informe se presenta en la ecuación. Se ha estimado

experimentalmente y por inspección de estructuras en servicio que la duración de T2 es

únicamente entre 1 y 5 años, dependiendo principalmente de la velocidad de corrosión,

ICORR (que a su vez está ligada íntimamente al contenido de humedad y de oxígeno del

hormigón que rodea a la armadura). En cambio, el periodo T1 podría prolongarse, en el

mejor de los casos, entre 50 y 100 años, dependiendo de la calidad del concreto. Por esto,

las tendencias actuales para el diseño por durabilidad de estructuras de hormigón en

ambiente marino hacen hincapié en prolongar el periodo T1.

En este informe se hablará de la despasivación del acero por el ataque de cloruros

únicamente. Para mayor información de modelos de durabilidad que involucran otros

agentes externos (dióxido de carbono, sulfatos, reacciones álcali-silice y/o heladas-

deshielos) pueden consultarse otros informes.

Las fuentes más comunes de cloruros son el agua de mar y las sales de deshielo (las

sales adicionadas durante el mezclado del concreto no se incluyen en este informe). Como

consecuencia de la penetración de los cloruros en el hormigón, se forma un gradiente de

concentraciones en dirección de la barra de refuerzo. Este gradiente de concentraciones de

cloruros es comúnmente modelado usando la función error (erf), la cual cumple con las

condiciones de la segunda ley de Fick de difusión.

2.5 Concentración crítica a la profundidad de la armadura, CCRIT

En la actualidad existen varios estándares para definir el valor de CCRIT, el cual

depende del tipo de cemento que se vaya a utilizar, del contenido de cemento de la mezcla,

de si el concreto tiene o no aditivos, de la humedad del ambiente al que va a estar expuesta,

de si el elemento estructural es o no pretensado, etcétera.

En un estudio reciente, encontró que CCRIT puede variar desde 0.17 hasta 2.5% del

peso del cemento. Este rango tan amplio se debió principalmente a que la información

recabada incluye probetas en soluciones, pastas de cemento, morteros y hormigón, así

como la variabilidad en el tipo de exposición (laboratorio y aire libre).

En una investigación reciente en la que se utilizaron probetas de concreto expuestas a un

ambiente marino por un lapso de ocho años, Bamforth concluyó que una concentración de

cloruros del orden de 0.5% por peso del cemento en el nivel de la barra de acero no es

suficiente para activarla, y que potenciales del orden de -300 mV (vs CSE), típico de acero

activo, se alcanzaron hasta concentraciones de cloruros del orden de 1% del peso del

cemento. Este mismo autor presentó los niveles de CCRIT obtenidos por el informe final


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del programa "Concrete in the Ocean" en función del riesgo de que se presente corrosión en

la barra de refuerzo. Los resultados también estipulan que para valores de CCRIT entre 0.4

y 1%, la probabilidad de que la barra de refuerzo se corroa es muy probable.

Con lo presentado anteriormente, se puede concluir que existe una gran variabilidad en

el valor de CCRIT. Por ello, este informe tomará un valor conservador de CCRIT: 0.5% del

peso del cemento

2.6 Concentración en la superficie, (CS)

Se ha determinado con anterioridad que existen varios factores que afectan el valor de

CS. Estos factores están relacionados con el medio ambiente y también con las propiedades

del hormigón. Aunque es obvio esperar que CS varíe con el tiempo, por cuestiones de

diseño se puede considerar que, seis meses después de haber entrado la estructura en

servicio, el valor promedio de CS permanece constante.

El valor de CS es afectado por el tipo de concreto, principalmente por la cantidad de

cemento que posee la mezcla y por el uso o no en ésta de puzolana (ceniza volante, espuma

de sílice). Se ha observado también que el valor de CS es inversamente proporcional al

contenido de cemento, Esta relación alcanzaba una acotación para Cf 350 kg/m3, en donde

el valor de CS puede considerarse constante e igual a - 4.5% del peso del cemento.

Este mismo autor también observó que en la zona de alta-baja marea (o zona de

SPLASH), el valor medido de CS llega a valores tan altos como 0.8% del peso del cemento

(el doble que en el resto de la estructura con 0.4%). CS es también afectado por la distancia

de la estructura con respecto a la costa. Este informe incluirá únicamente estructuras cuya

ubicación sea dentro de la zona de mareas o muy cerca (< 50 m) de la costa.

Con esta información, Bamforth presentó los valores (muy conservadores) de la tabla 2

con los rangos de los valores de CS para el diseño por durabilidad de estructuras en

ambiente marino para concretos con o sin puzolanas

2.7 Coeficiente efectivo de difusión de cloruros en el hormigón, DEF

Se ha definido anteriormente que los valores de DEF fluctúan entre 10-7-10-8 cm2/s, y

dependen mucho de la calidad del hormigón. Como regla general, se puede decir que, si se

incrementa la calidad del concreto (disminuyendo la relación agua/cemento, a/c,

aumentando la cantidad del material cementante, aumentando el tiempo de curado,

adicionando puzolanas, etc.) el valor de DEF disminuye.


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Predecir el valor de CS es un tanto complicado, debido al número de factores que entran

en juego. Predecir el valor de DEF es aún más complicado. En los últimos 20 años, la

literatura se ha plagado de publicaciones que han tratado el tema de difusión de cloruros y

la estimación experimental de DEF usando probetas de laboratorio o por evaluación de

elementos de concreto expuestos directamente a un ambiente marino. A continuación se

explicarán brevemente los factores que hacen variar el valor de DEF.

Para la determinación de DEF (así como de CS) de un hormigón en particular, es

necesario realizar un diagnóstico de la estructura en servicio. A grandes rasgos, el

procedimiento sería el siguiente: (1) se extraen corazones en varios elementos de la misma

estructura, en zonas de alto riesgo de corrosión (principalmente en zona de mareas o en

contacto directo con el agua de mar); (2) se cortan los corazones en rodajas; (3) se pulveriza

cada una de las rodajas; (4) se obtiene la concentración de cloruros totales mediante algún

método químico conocido; (5) se obtienen los valores de CS, DEF mediante tratamiento

matemático; (6) se obtiene el valor de C empleando un pacómetro en caso de que al extraer

los corazones no se alcance a determinar visualmente. Este diagnóstico serviría para la

determinación de T1.

Por otro lado, para el diseño por durabilidad de estructuras que van a ser construidas, se

tendría que estimar un valor aproximado de DEF. A continuación, este informe presenta un

análisis por regresión estadística para determinar DEF en función de las propiedades físicas

del hormigón, tomado de los valores de investigaciones existentes en la literatura.

El Departamento de Transporte del Estado de la Florida (FDOT), conjuntamente con la

Universidad del Sur de la Florida (USF), realizó un diagnóstico de la resistencia a la

penetración de cloruros de las mezclas de hormigón usadas en subestructuras de varios

puentes del estado de la Florida. En dichos trabajos se estimaron ambas cantidades, CS y

DEF, usando el método descrito anteriormente. Se pudieron obtener valores de CS y DEF

en la zona de mareas (altura no mayor de 50 cm sobre la línea de marea alta) de la

subestructura del orden de 3 a 8.5% por peso de cemento, y 8 = ~ 10-10- 7= ~ 10-8 cm2/s,

respectivamente. Los valores de CS y DEF disminuían conforme la altura (con relación a la

línea de alta marea) del corazón extraído se incrementaba.

Los valores de CS fueron mucho mayores que los rangos reportados lo cual nos hace

pensar que la temperatura del ambiente podría ser otro factor importante, ya que las

probetas utilizadas para obtener los rangos fueron expuestas al ambiente del norte de

Europa, en comparación con el informe de SAGÜÉS y KRANC, con corazones extraídos

de puentes ubicados en zona tropical (Golfo de México).

De los resultados de SAGÜÉS y KRANC se puede inferir que el concreto usado en el

estado de la Florida es de muy buena calidad, ya que hubo valores de DEF inclusive


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menores que el rango estipulado en otros informes. A la fecha, el autor desconoce si en

América Latina (y en especial en México) exista un diagnóstico similar (estructuras en

servicio de dimensiones apreciables) al efectuado por el FDOT que pueda determinar el

tipo de concreto y su durabilidad en contra de la penetración de cloruros. Por esto, los

valores experimentales de SAGÜÉS y KRANC, al igual que los de BAMFORTH,

JAEGERMAN, GJORV, MUSTAFA y YUSOF, servirán como base para determinar una

ecuación empírica (mediante un análisis estadístico por regresión múltiple) de DEF en

función de las siguientes características físicas del concreto: la cantidad de material

cementante, Cf (en kg/m3), la relación a/c (en fracción de peso), la cantidad de ceniza

volante, fa (en fracción de peso) en el caso de cementos puzolánicos, y el tiempo, t (en

años), en que la estructura ha estado en servicio.

2.8 Diseño por durabilidad empleando el método de factor de seguridad

La teoría del diseño por durabilidad está basada en la teoría de seguridad

tradicionalmente usada en diseño estructural (diseño por confiabilidad estructural). En este

contexto, el término seguridad de una estructura se define como la capacidad de ésta de

resistir, con un grado de certidumbre aceptable, la posibilidad de falla debida a la

degradación gradual del material producida por agentes agresivos del medio ambiente.

Tradicionalmente, la metodología del diseño por seguridad estructural se ha aplicado

con exclusividad a la mecánica estructural. Un nuevo giro que se ha dado a la teoría por

seguridad estructural es la incorporación del factor tiempo dentro del diseño, permitiendo

así la posibilidad de incluir la degradación del material como una parte esencial en el

diseño de la estructura. La seguridad en contra de la falla será considerada una función del

tiempo, al diseñar la estructura por serviciabilidad, incluyendo el requerimiento de vida útil

que deberá cumplirse.

2.9 Diseño de tvu para ambiente marino empleando el modelo propuesto

Hasta el momento, se han presentado las ayudas necesarias para diseñar un elemento

estructural por durabilidad considerando las "cargas" ambientales. A continuación se

presentará el proceso, paso a paso, para el diseño por durabilidad de una viga isostática de

concreto reforzado usando el método de diseño de durabilidad por factor de seguridad

separada. La presente sección explicará con detalle los pasos seguidos durante la creación

de la memoria.


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2.9.1 Especificaciones del proyecto

Ubicación: El proyecto consiste en la construcción de una terraza cubierta ubicada en la

playa, en la costa, a unos 20 m de la orilla del mar. Sistema constructivo: En la

techumbre se utilizará el sistema constructivo más usado en esta región: techo de

vigueta-bovedilla. Ésta consta principalmente de viguetas pre-esforzadas de sección en

"t" invertida, las cuales soportarán unos bloques prefabricados de concreto vibro-

comprimido que servirán como pequeños moldes para formar arcos de concreto entre

viguetas. Dimensiones del proyecto: Esta techumbre será soportada por vigas de

concreto reforzado coladas en el sitio y separadas 4 m entre ejes. Estas vigas tendrán una

porción en voladizo (de 1.5 m). Especificaciones del cliente: El futuro dueño de la

construcción solicitó que la estructura sea durable por lo menos 50 años (TVU = 50

años).

2.9.2 Efectos ambientales

Con la ubicación de la obra se determinó que la estructura se encontrará en una zona de

alto riesgo de corrosión por cloruros, ya que estará expuesta al ambiente marino, frente a

la costa, con posibilidad de ciclos de secado y mojado (en la intemperie), radiación solar

casi todo el año y temperaturas tropicales promedio del orden de 25-30

2.9.3 Mecanismo de degradación

Conocidos los agentes agresivos, que en este caso serian los cloruros, se usaría el

modelo por durabilidad en ambiente marino T = T1 + T2

2.9.4 Requerimientos mínimos

Con base en las especificaciones del ACI 318-30 sección 7.7.1, se determinó una

cobertura mínima de 5 cm para elementos estructurales que estén en contacto con

agentes climáticos extremos. Este valor podría cambiar inclusive a 3.8 cm, ya que la

viga estará parcialmente cubierta por la techumbre. En este ejemplo en particular, se

usará C = 5 cm. Otros requerimientos mínimos serían la relación a/c máxima y la

cantidad mínima de material cementante, los cuales se pueden obtener de la tabla 3. Para

esta estructura, se escogió utilizar como primera instancia una relación a/c de 0.55 y la

cantidad mínima de material cementante de 350 kg/m3. No se usará cemento puzolana.

2.9.5 Predimensionamiento con base en el modelo de durabilidad


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Con el valor TVU = 50 años, definido por el propietario del inmueble (en función del

costo final de la estructura), se llevó a cabo el cálculo de TD. Para ello se estimó 8t =

2.86 en la tabla 4, considerando el diseño al límite último, una consecuencia de falla no

muy seria [Pf (TVU) = 9.7 =~ 10-4] y un coeficiente de variación de 8t, teniendo el

valor de TD y T2, T1 sería igual a: T1 = 143 - (5)A(2.86) = 129 años. Con el valor

estimado de T1 se podría despejar DEF de la ecuación (4). Primero, se necesitan estimar

los valores de CS y CCRIT. Para este diseño en particular se escogió un valor de CS =

3% del peso del cemento (tabla 2, extremo, CS > 0.75%), y considerando los valores

experimentales obtenidos en la Florida, 23,24 ambiente similar al de la península

yucateca. El valor CCRIT se escogió igual a 1% del peso del cemento.

Sustituyendo estos valores en la ecuación (4) con C = 5 cm, se estimó un valor requerido

de DEF = 0.0904 cm2/año (2.87=~10-9 cm2/s. Al revisar si las características de la

mezcla de diseño cumplen con este valor de DEF, se usó la ecuación empírica (6) con

una relación a/c de 0.50 (< 0.55), con un revenimiento de 80-100 mm se estimó que Cf =

430 kg/m3 > 350 kg/m3, con base en el método de diseño de mezclas de concreto del

ACI.2 Este concreto tendría una resistencia a la compresión estimada de 32 MPa.2 El

estimado de DEF con la ecuación (5) es: DEF = 3.15 ==~10-9 cm2/s, el cual es mayor

que el requerido.

Cambiando la relación a/c a 0.45, Cf = 478 kg/m3, y sustituyendo en (5), se obtuvo un

valor de DEF = 2.17 =~ 10-9 cm2/s, el cual es menor que el requerido. El valor del f'C a

28 días sería ~ 40 MPa.2 Este valor correspondería a un concreto de muy alta calidad en

nuestros estándares, ya que normalmente los valores de f'ck en casa-habitación fluctúan

entre 15 y 20 MPa. Estos valores (f'C = 40 MPa y recubrimiento C = 5 cm) podrían ser

incluidos por el diseñador en el diseño mecánico por cargas (el cual no se incluye en este

informe) para así determinar las dimensiones de concreto y la cantidad de acero de

refuerzo final de la viga en cuestión.

Mucho falta para llegar al nivel de conocimiento que permita incluir la durabilidad en

alguno de los reglamentos de diseño estructural como el americano ACI o el europeo

CEB. A pesar de ello, el conocimiento aportado por la sociedad científica de nuestro

tiempo ha contribuido en gran medida para la generación de ayudas de diseño que, en

un futuro no muy lejano, servirán para la creación de dicho código de diseño integral

por durabilidad y cargas.


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3. REPARACIÓN DE ESTRUCTURAS ATACADAS

3.1 Según el ACI 318 201 2R 01 – Guía para la Durabilidad del Hormigón

3.1.1 Método de Sobre-capas y parches – “No es inusual que las superficies de los

pavimentos de hormigón en los cuales se aplican sales anticongelantes se

escamen, especialmente si el hormigón no tiene incorporación de aire adecuada.

Estas áreas se pueden reparar satisfactoriamente aplicando una delgada sobre-

capa de hormigón, siempre que la superficie del hormigón viejo esté sana,

durable y limpia (Felt, 1960). Para lograr resultados satisfactorios es necesario

utilizar una sobre-capa de un espesor mínimo de 1-1/2 in. (38 mm) (ACI

325.9R). La temperatura de la losa de base y la del hormigón nuevo deberían ser

tan similares como sea posible. Junto a las juntas o fisuras del pavimento

pueden ocurrir descantilladuras. Las descantilladuras generalmente tienen varias

pulgadas de profundidad, y para retirar todo el hormigón que ha sufrido algún

grado de deterioro es posible que sea necesario excavar hasta profundidades aún

mayores. Las descantilladuras se reparan utilizando métodos similares a los

utilizados para reparar áreas escamadas.”

“Hay numerosos materiales de fraguado rápido disponibles que se pueden

aplicar en forma de parches, algunos de ellos patentados o propietarios. Una

publicación de la Federal Highway Administration (1975c) proporciona

información sobre el comportamiento en obra de estos materiales.”

3.1.2 Método de Colocar hormigón pre-empacado – “Para ciertas reparaciones se

puede utilizar hormigón pre-empacado. Este tipo de hormigón tiene buena

adherencia y baja contracción por secado. También se adapta bien para las

reparaciones bajo agua. Este es un procedimiento especializado que se describe

en la norma ACI 304R.”

3.1.3 Método de Remplazar el hormigón – “Remplazar el hormigón consiste en

reemplazar el hormigón defectuoso por hormigón de dosificación y consistencia

adecuadas de modo que pase a formar una unidad integral con el hormigón de

base. Reemplazar el hormigón es aconsejable si en la construcción existente hay

nidos de abeja o deterioros que atraviesan todo el muro o van más allá de las

armaduras, o si la extensión de los daños es importante. En las obras nuevas las

reparaciones se deberían realizar inmediatamente después del desencofrado

(Tuthill, 1960; USAR, 1975). Este tipo de reparación implica retirar un

volumen considerable de hormigón. Se debería continuar excavando las áreas

afectadas hasta llegar a hormigón no afectado. Algunas veces también es


13

necesario utilizar cinceles para poder implementar el método de reparación

seleccionado y dar forma adecuada a las cavidades. El hormigón utilizado para

las reparaciones debería ser similar al hormigón existente en cuanto al tamaño

máximo nominal de los agregados y la relación w/c, siempre y cuando esto no

comprometa su durabilidad. En algunos hormigones expuestos el color también

es un factor importante. Generalmente para realizar grandes reparaciones en

superficies verticales será necesario utilizar encofrados.”

3.1.4 Métodos de Colocar hormigón como mezcla seca – “La colocación de

hormigón como mezcla seca consiste en colocar una mezcla de muy bajo

asentamiento en forma de capas de poco espesor y apisonarlas. Este método es

adecuado para rellenar orificios y ranuras o para reparar cualquier cavidad que

tenga una relación profundidad- área elevada. En las mezclas muy rígidas no

habrá prácticamente ninguna contracción, y estas mezclas desarrollan

resistencias que igualan o superan a las del hormigón de base. El método no

requiere ningún equipo especial, pero para que los resultados sean satisfactorios

las personas que realizan el acabado deben estar capacitadas en este tipo de

reparaciones (USAR, 1975

3.2 Productos para reparación de estructuras corroídas

Central Termoeléctrica Tarapacá /

Endesa / IngendesaIquique - Chile /

2003-2006.

Un mayor desafío técnico fue

presentado a CORROTEK el año

2003 en la Central Eléctrica

Taparacá. La mayoría de sus

estructuras de hormigón armado

comenzaron a presentar un grave deterioro producto de la corrosión interna de sus

armaduras. La extrema situación existente requirió de una solución efectiva diseñada e

implementada por CORROTEK nunca antes aplicada en Chile y/o en el mundo en este tipo

de infraestructura y condiciones, convirtiéndose por ello en un ejemplo y caso de estudio a

nivel mundial. El logro de CORROTEK, en este proyecto en particular, lo llevó a ser

galardonado internacionalmente por el American Concrete Institute (E.E.U.U.) con el Gran

Premio 2008 en el área de restauración y rehabilitación de hormigones.


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Municipalidad de la Serena /

Estadio La Portada La Serena -

Chile / 2005

Evaluación de infraestructura de

hormigón armado, mediante el uso de

instrumentación, para posterior

análisis. Se considero la

contaminación por cloruro y

carbonatación, mediante mediciones in situ, con un laboratorio de terreno, no destructivo.

Finalmente se realizó una ingeniería conceptual de mejoras, mediante un sistema de

protección catódica. Además se incluyo una estimación económica y especificaciones.

Puerto San José de Escuintla /

Empresa Portuaria Quetzal San José

– Guatemala / 2000-2002

El sistema de protección anticorrosivo

original de la gran superficie del

tablestacado del Puerto (protección

catódica) se encontró en el fin de su

vida útil, encomendándose por lo

tanto a CORROTEK el reemplazo total de este complejo sistema, que incluyó tanto la

instalación del material anódico, el reemplazo de las fuentes de poder, como también el

recableado total de la canalización existente. Este fue el primer proyecto que desarrolló en

forma integral nuestra empresa en Centro América.

Puerto de Balboa / Panama Ports

Company Ciudad de Panamá –

Panamá 2007

El año 2007, luego de una licitación

internacional, CORROTEK fue

adjudicado con el contrato anual de

mantención del sistema de protección

catódica del Muelle 16 perteneciente

al Puerto de Balboa, ubicado al interior del famoso Canal de Panamá. Este sistema es el

único de su tipo en Centro América, el cual fue implementado el año 2003 como una


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solución para detener los procesos de corrosión en las armaduras de los pilotes de hormigón

de este Muelle. El sistema cuenta con tecnología de punta en el ámbito de la protección

catódica, siendo capaz de controlar y monitorear los más de 50 circuitos existentes de

forma remota e independiente.

Muelle Internacional de Carbón San

Cristóbal / ITABO San Cristóbal -

República Dominicana / 2005

La construcción del Muelle

Internacional de Carbón ITABO,

ubicado en República Dominicana,

presentó el gran desafío de

implementar un sistema integral contra

la corrosión para la protección de sus pilotes de acero. El proteger las áreas más afectas a

esta degradación, como son la zona sumergida e intermareal de estas estructuras, fue la

tarea que desarrolló en forma integral CORROTEK, incorporando para ello su vasta

experiencia en este tipo de proyectos portuarios.


16

4. ANEXOS

Tabla 8.2.2 EHE-08

Clases generales de exposición relativas a la corrosión de las armadura.


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5. BIBLIOGRAFÍA

1. ACI Committee 318, "Building Code Requirement for Structural Concrete (ACI 318-95)

and Commentary (ACI 318R-95)", Farmington Hills, Michigan, 1996

2. Fontana, M. G., Corrosion engineering, 3ra ed., Mc GrawHill, Nueva York, 1986, p. 556

3. ACI-201, "Proposed revision of guide to durable concrete", ACI Materials Journal, 88, 5,

1991, p.544

4. CEB, "Durable concrete structures, design guide, eurointernational committee for

concrete", Thomas Thelford Services Ltd., Londres, 1992

5. CEN (European Committee for Standarization), "ENV 1991 1. Eurocode 1: Basis of

design and actions on structures. Part 1: Basis of design," Bruselas, 1994

6. CORROTEK.CL

Trabajo Final de Durabilidad de Estructuras, Luis Montoya

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