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beroamérica posee una infraestructura que se está degradando a grandes pasos por efecto del medio ambiente, por diseño equivocado y detalles insuficientes, por problemas congénitos de supervisión ineficaz durante su construcción, por ausencia de mantenimiento y, principalmente, por la edad de las obras construidas hace años y que vienen sirviendo a nuestra sociedad a lo largo del tiempo. Este no es un problema aislado de Iberoamérica, sino que también representa una importante inversión en los países desarrollados en los últimos 15 a 20 años. Se trata de mantener el patrimonio construido, y además hacerlo de forma consciente, económica y durable. Las últimas estadísticas demuestran que en Estados Unidos más del 31% de la inversión total en construcción civil, es destinada a obras de rehabilitación y no debe de ser diferente de otros países aunque no se disponga, aún, de estadísticas confiables. Por otra parte, dentro de las diversas materias de la ingeniería tales como diseño, materiales, estabilidad, patología, la rehabilitación quizás sea una de las más retrasadas. No se conoce el material adecuado, ni los mejores procedimientos; tampoco hay documentos normativos en cantidad y calidad suficientes para ayudar a los responsables por las tareas de mantenimiento y rehabilitación. La rehabilitación de estructuras de hormigón armado y protendido es una actividad compleja que exige un conocimiento profundo del comportamiento de los materiales y de las técnicas ejecutivas. Realizar con suceso una reparación, una protección o un refuerzo estructural representa, en general, un nuevo desafío para los ingenieros y arquitectos. Siendo la ingeniería una disciplina milenaria, mucho de la práctica constructiva en obras civiles resulta de la acumulación de experiencias anteriores, en las cuales hubo un cierto suceso. Ocurre que esa experiencia anterior ha sido adquirida a través de la observación del comportamiento de obras nuevas, de obras en fase de construcción o de terminación. Esa experiencia acumulada, sin embargo, no sirve para unir hormigón viejo, endurecido o deteriorado a hormigones nuevos, para entender el proceso de protección de un inhibidor químico de corrosión de armaduras, para ayudar en la unión de epóxi a hormigones, para llenar vacíos sin retracción, para reforzar una viga a cortante, solo por citar algunas actividades típicas de rehabilitación de estructuras. Por otro lado, las actividades de operación y mantenimiento de estructuras de hormigón han sido relegadas a un segundo plano debido a una errónea presunción de que los hormigones son eternos. Los currículos de las escuelas de ingeniería aún son tímidos y la mayoría no incluyen los conceptos y las prácticas básicas de inspección, diagnóstico, estudio de alternativas y proyecto de intervención. Modelos de cuantificación y previsión de vida útil de estructuras vienen siendo introducidas en la normalización internacional a partir de la última década y aún dejan mucho que desear. Sin experiencia anterior acumulada y sin una formación académica sólida y actualizada el resultado ha sido decepcionante; la durabilidad y desempeño de obras antiguas y nuevas y de las propias intervenciones en obras precozmente deterioradas han sido efímeras con costos elevados e intervenciones repetitivas y frecuentes. Esta situación, que es mundial, ha causado aprehensión en los países desarrollados y con mayor número de obras en edad avanzada. La Comunidad Europea y los Estados Unidos han destinado montos significativos de los recursos disponibles para investigación en construcción civil al área de patología y rehabilitación de estructuras. En los Estados Unidos es conocido el programa SHRP Strategic Highway Research Program promovido por la National Science Foundation después del análisis del NMAB-437 en el “Report on Concrete Durability: A Multibillion-Dolar Opportunity” publicado en 1987. De este informe han derivado expresivas inversiones en un plazo de más de diez años, reuniendo Universidades y Centros de Investigación en la búsqueda de un correcto diagnóstico de los problemas de deterioro natural y precoz de las estructuras de hormigón para viabilizar soluciones seguras y durables. También en Europa, más recientemente, en el nuevo milenio, fue iniciada la European Thematic Network on Concrete Repair liderada por el BRE en Inglaterra, cuyo principal objetivo es introducir el concepto de desempeño y vida útil como instrumento de PROLOGO I Página 1 de 3PROLOGO 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... evaluación de las soluciones de intervención, reuniendo varios centros de investigación, el sector productivo y de consultoría de diferentes países europeos. La necesidad de unir esfuerzos, conocimientos y experiencias disponibles en centros de investigación, de profesionales y también del sector productivo (fue a determinante) determinó la formación de la Red Rehabilitar, que dio inicio a sus trabajos en abril del 2000 en la ciudad de Santiago, Chile. En dicha ocasión reunió delegados representantes de varios países Iberoamericanos que acordaron compartir sus conocimientos y experiencias para la elaboración de un Manual de Rehabilitación de Estructuras de Hormigón con prácticas, materiales y condiciones propias y comunes a esos países. Ese intercambio y reunión de forma organizada del conocimiento, ha sido sistemáticamente realizado en los últimos 4 años a través de encuentros anuales y plenarios de los delegados, reuniones parciales y mucho dialogo vía Internet. Uno de los productos de ese conocimiento y trabajo realizado es este Manual. Para la transferencia del conocimiento, la Red Rehabilitar también ha realizado la formación de profesionales y la divulgación de actividades a través de cursos, conferencias y la participación en eventos nacionales e internacionales. Actividades de esa naturaleza fueron realizadas en los doce países participantes involucrando alrededor de 521 participantes. Programas como el de la Red Rehabilitar, que apoya económica, logística, técnica y científicamente, hace posible acercamientos entre los diferentes países contribuyendo sobremanera a: Conocer mejor el problema en las comunidades de los países participantes La formación de recursos humanos capacitados para hacer frente al problema La vinculación con Asociaciones importantes, líderes en el tratamiento del problema para que, conjuntamente, lleguen sus resultados a los usuarios debidos Despertar interés y conciencia, con el peso y el prestigio de la Red y del CyTED, entre cuerpos colegiados, CONACYT, sector empresarial y sector gobierno. El trabajo presentado es resultado de la contribución voluntaria de los mayores expertos Iberoamericanos en rehabilitación de estructuras de hormigón. Reunidos bajo el auspicio del importante CYTED, Programa Ibero Americano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo, idealizado y gestionado por España desde fines de la década de 80, con apoyo de las CONACYTs de todos los países Iberoamericanos. Especialmente, en este caso la Red Rehabilitar “Rehabilitación de Estructuras de Hormigón – Reparación, Refuerzo y Protección”, tiene destacado aporte presupuestario del Consejo Superior de Investigación Científica CSIC de España y del Consejo Nacional de Desenvolvimiento Científico e Tecnológico CNPq de Brasil. La Red Rehabilitar es parte del SubPrograma XV Corrosión e Impacto Ambiental sobre los Materiales, y se compone de 12 delegados representantes de Argentina, Bolivia, Brasil, Chile, Colombia, Cuba, España, México, Perú, Portugal, Uruguay y Venezuela. Además de esos responsables directos por la redacción de este Manual, muchos otros expertos -más de 50-, han intervenido y aportado su experiencia y conocimiento a través de su participación en las llamadas Redes Rehabilitar nacionales,que reúnen los expertos de cada país con la intención de difundir ese trabajo y a la vez, construirlo mejor. Este Manual, producto final de este grupo, ha logrado alcanzar el objetivo principal de esta Red Rehabilitar que fue transformar el conocimiento existente y disperso sobre materiales y técnicas de intervención en estructuras de hormigón para corrección de problemas patológicos, en un Manual práctico y objetivo que pueda ser utilizado por el medio técnico de forma general e irrestricta. En este Manual, el profesional del área puede encontrar la mayoría de las respuestas a sus preguntas sobre qué acciones considerar en los trabajos de rehabilitación; cómo elaborar un primer diagnóstico de los problemas; que analizar para elegir la mejor solución; cuales son los materiales y sistemas de rehabilitación; como proceder para preparación y limpieza del substrato; cuales son los procedimientos correctos de reparación en general, de protección de armaduras y de refuerzo estructural; como presupuestar los trabajos; como implantar un sistema de control de calidad y criterios de recepción. Finaliza presentando un glosario de términos técnicos y una relación completa de publicaciones relacionadas al tema para facilitar la vida de aquellos que desean seguir profundizando sus conocimientos. Cada capítulo presentado aquí pasó por un proceso de arbitraje de fondo y de forma duro Página 2 de 3PROLOGO 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... durante estos últimos años, en cada una de las reuniones plenarias y también por Internet. Aunque bajo un formato general en la escritura de los capítulos, los autores han tenido la libertad de modificar su trabajo, de tal manera, que pudieran representar, de la mejor forma, su contribución. La organización final del Manual ha sido trabajo y responsabilidad de este Coordinador y de la Arquitecta Fernanda Pereira que desde el principio de la Red Rehabilitar ha formateado las directrices de cómo deberían ser presentados los textos, las figuras, las fotos, los gráficos, las tablas, aún que no siempre respetadas por la mayoría de los autores. Cada capítulo es responsabilidad de sus autores en lo que respecta al contenido. La forma es de responsabilidad de los editores. Lo escrito en esos capítulos tampoco representa necesariamente los puntos de vista de las Instituciones a que pertenecen los autores ni del CYTED y CMPC. Debido al carácter de difusión que tiene esta obra, los autores quedan en la libertad de publicar sus resultados usando otro formato (y) ya sea parcial o completo, siempre y cuando aparezcan los créditos correspondientes a esta fuente. De la misma forma, el uso correcto e inteligente de este Manual es un privilegio de los profesionales que lo utilicen, mientras su uso inadecuado y las consecuencias desastrosas de eso no son de responsabilidad de los autores ni de los editores. Agradecemos las contribuciones en críticas constructivas que puedan mejorar este trabajo y, en nombre de todos los miembros de la Red Rehabilitar, deseamos proficuas y duraderas rehabilitaciones. São Paulo, Septiembre de 2003 Paulo Helene Fernanda Pereira Editores Página 3 de 3PROLOGO 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... Introducción Autores Paulo Helene Enio Pazini Figueiredo l hormigón de cemento Portland ha probado ser el material de construcción mas adecuado para las estructuras, superando con grandes ventajas otras alternativas viables, coma madera, acero o albañilería. Desde los inicios del empleo del hormigón armado, en mediados del siglo XIX, los edificios, las obras de arte, las carreteras, los canales, las presas y tantas otras construcciones civiles en hormigón simple, armado o pretensado han resistido las más variadas sobrecargas y acciones del medio ambiente. No obstante el hormigón pudiera ser considerado un material prácticamente eterno - siempre que reciba un mantenimiento sistemático y programado - hay construcciones que presentan manifestaciones patológicas de significativa intensidad e incidencia, acompañadas de elevados costos para su rehabilitación. Siempre hay comprometimiento de los aspectos estéticos y en la mayoría de los casos, reducción de la capacidad resistente, pudiéndose llegar en ciertas situaciones, al colapso parcial o total de la estructura. Ante estas manifestaciones patológicas se observa en general una actitud inconsecuente, que conduce en unos casos a simples reparaciones superficiales, y en otros a demoliciones y refuerzos injustificados. Ninguno de los dos extremos es recomendable, principalmente con la existencia hoy en dia de conocimiento tecnológico y gran cantidad de técnicas y productos desarrollados específicamente para solucionar problemas patológicos, conforme algunos ejemplos presentados en las fotos 1, 2, 3 y 4. Considerando el grado actual de conocimiento de los procesos y mecanismos destructivos que actúan sobre las estructuras y considerando la gran evolución tecnológica experimentada en estos últimos años - con el desarrollo de equipos y técnicas de observación de las estructuras - es posible diagnosticar con éxito la mayoría de los problemas patológicos. Este Manual de Reparación, Refuerzo y Protección de las estructuras de hormigón, fue elaborado voluntariamente, por los mayores expertos del tema en Ibero America, para servir de guía técnica que proporcione la solución a la mayoría de los problemas que enfrentan los arquitectos e ingenieros en su trabajo de diseñar, construir, diagnosticar, supervisar y conservar las obras civiles, en definitiva, mantener el patrimonio construido en nuestros países. No obstante, no pretende despreciar la importancia del especialista en patología, que es quien formula el diagnóstico correcto del problema - clave del éxito de la rehabilitación - ni desea prescindir de los controles de calidad durante la ejecución propiamente dicha, que deben ser efectuados por equipos multidisciplinarios de laboratorios de ensayos y controles. Eso significa decir que este Manual debe ser utilizado y consultado por profesionales responsables que conozcan del tema o se asesoren de expertos para efectivamente tener el mejor resultado en sus intervenciones en estructuras de hormigón que necesiten mantenimiento, correcciones, refuerzos o protecciones al principio o a lo largo de su vida útil. E Página 1 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... Foto 1. Ruptura de columna de puente vial por corte debido a empuje ocasionado por deslizamiento de tierra (Curitiba, Paraná, Brasil) Para acertar un lenguaje merece la pena recordar que la Patología puede ser definida como la parte de la Ingeniería que estudia los síntomas, los mecanismos, las causas y los orígenes de los defectos de las obras civiles, o sea, es el estudio de las partes que componen el diagnóstico del problema. A la Terapia le corresponde el estudio de la corrección y la solución de estos problemas patológicos o incluso los debidos al envejecimiento natural. Para obtener éxito en las medidas terapéuticas, de corrección, reparación, refuerzo o protección es necesario que no solo el estudio precedente, es decir el diagnóstico de la cuestión, haya sido bien definido mas principalmente que se conozca muy bien las ventajas y las desventajas de materiales, sistemas y cada uno de los procedimientos de rehabilitación de estructuras de hormigón, pues a cada situación particular hay una alternativa mejor de intervención. Foto 2. Corrosión de armaduras por cloruros en apoyo de puente rodoviario de hormigón en zona marítima (Recife, Pernambuco, Brasil) Página 2 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT...Foto 3. Intervención inadecuada, en la cara inferior de losa, agravando aun más el problema inicial Colector de Aguas Servidas y Pluviales (Montevideo, Uruguay) Foto 4. Corrosión de cables galvanizados postensado en vigas longitudinales de la superestructura de puente vial (Maldonado, Uruguay) Un diagnóstico adecuado y completo será aquel que esclarezca todos los aspectos del problema, o sea: Síntomas Los problemas patológicos, salvo raras excepciones, presentan manifestaciones externas características, a partir de las cuales se puede deducir cual es la naturaleza, el origen y los mecanismos de los fenómenos involucrados, así como estimar sus probables consecuencias. Estos síntomas, también denominados lesiones, daños, defectos o manifestaciones patológicas, pueden ser descritos y clasificados, orientando un primer diagnóstico, a partir de detalladas y experimentadas observaciones visuales. El Capítulo 2 de este manual, que presenta una guía para el diagnóstico y corrección de los problemas, indica la correspondiente manifestación típica y especula sobre los posibles diagnósticos. Los síntomas más comunes, de mayor incidencia en el hormigón son las fisuras, las eflorescencias, las flechas excesivas, las manchas en el hormigón arquitectónico, la corrosión de las armaduras, las oquedades superficiales o cucarachas del vertido, o sea segregación de los materiales constituyentes del hormigón. Conforme se presenta en la Figura 1, ciertas manifestaciones tienen elevada incidencia Página 3 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... - como las manchas superficiales - sin embargo, desde el punto de vista de las consecuencias con relación al comprometimiento estructural y al costo de corrección del problema, una fisura de flexión o la de corrosión de las armaduras pueden ser más significativas y más graves que otras. Mecanismo Todo problema patológico, llamado en lenguaje jurídico de vicio oculto o vicio de construcción o daño oculto, ocurre a través de un proceso, de un mecanismo. Por ejemplo: la corrosión de las armaduras en el hormigón armado es un fenómeno de naturaleza electroquímica, que puede ser Figura 1. Distribución relativa de la incidencia de las manifestaciones patológicas en estructuras de hormigón arquitectónico. acelerado por la presencia de agentes agresivos externos, del ambiente, o internos, incorporados al hormigón. Por ejemplo, para que la corrosión se manifieste es necesario que haya oxígeno (aire), humedad (agua), y el establecimiento de una célula de corrosión electroquímica (heterogeneidad de la estructura), que solamente ocurre después de la despasivación de la armadura conforme se presenta en la Figura 2. Figura 2. Célula de corrosión electroquímica en el hormigón armado Conocer el mecanismo del problema es fundamental para una terapia adecuada. Es imprescindible saber por ejemplo, si es necesario limitar las sobrecargas o cimbrar la estructura antes o mismo durante él refuerzo de vigas cuando las fisuras son consecuencias, por ejemplo, del momento flector. En este caso no basta con la inyección de las fisuras, pues estas podrían aparecer nuevamente en posiciones muy próximas a las iniciales. Origen 7% 10% 20% 20% 21% 22% 1 2 3 4 5 6 - Degradación química - Flechas - Oquedades - Corrosión de armaduras - Fisuras activas o pasivas - Manchas Superficiales Página 4 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... El proceso de construcción y uso puede ser dividido en cinco grandes etapas: planeamiento, proyecto, fabricación de materiales y elementos fuera de la obra, ejecución propiamente dicha a pie de obra, y uso; esta última etapa más larga en el tiempo, involucra la operación y mantenimiento de las obras civiles conforme se presenta en la Figura 3. Si por un lado las cuatro primeras etapas representan un período de tiempo relativamente corto - en general menos de dos años - por otro lado, las construcciones deben ser utilizadas durante períodos largos - en general más de cincuenta años para edificaciones y más de doscientos para presas y obras de arte de importancia social. Figura 3. Etapas de producción y uso de las obras civiles Los problemas patológicos sólo se manifiestan durante la construcción o después de la ejecución propiamente dicha, última etapa de la fase de producción. Normalmente ocurren con mayor incidencia en la etapa de uso. Ciertos problemas como por ejemplo los resultantes de las reacciones álcali-árido, sólo aparecen con intensidad después de más de seis años. Hay casos de corrosión de armaduras en losas de entrepisos de apartamentos que se manifestaron intensamente inclusive con el colapso parcial, solamente después de trece años de uso del edificio. Un diagnóstico adecuado del problema debe indicar en que etapa del proceso constructivo tuvo origen el fenómeno. Por ejemplo, una fisura de momento flector en vigas, tanto pudo ser por un diseño inadecuado, como por la calidad inferior del acero usado; tanto por la mala ejecución con un hormigón de resistencia inadecuada, como por la mala utilización que se hace del elemento, con la colocación sobre la viga, de cargas mayores a las previstas inicialmente. Para cada origen del problema existe la terapia más adecuada, aunque el fenómeno y los síntomas puedan ser los mismos. Cabe resaltar que la identificación del origen del problema permite también identificar, para fines judiciales, quién cometió la falla. Así, si el problema tuvo origen en la fase de proyecto, el proyectista falló; cuando el origen está en la calidad del material, fue el fabricante quien falló; si en la etapa de ejecución, se trata de falla de la mano de obra y la fiscalización o la constructora fueron omisas; si en la etapa de uso, la falla es de operación y manutención. Un elevado porcentaje de las manifestaciones patológicas tiene origen en las etapas de planeamiento y proyecto, como se muestra en la Figura 4. Las fallas de planeamiento y proyecto son en general más graves que las fallas de calidad de los materiales o de mala ejecución. Es siempre preferible invertir más tiempo en el detallamiento del diseño de la estructura, que por falta de previsión, tomar decisiones apresuradas y adaptadas durante la ejecución. Materiales Fabricante de Materiales o Componentes Industrializadas Promotor Planos Uso Propietario Constructor Ejecución Proyectista Diseño Ejecutivo SATISFACER AL USUARIO P r o d u c c i ó n ++++ ++++ ≅≅≅≅ 50 años ≅≅≅≅ 2 años U s o Página 5 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... Figura 4. Origen de los problemas patológicos con relación a las etapas de producción y uso de las obras civiles Causas Los agentes causantes de los problemas patológicos pueden ser varios: cargas, variaciones de humedad, variaciones térmicas intrínsecas y extrínsecas al hormigón, agentes biológicos, incompatibilidad de materiales, agentes atmosféricos y otros. En el caso de una fisura en viga por la acción de momentos flectores, el agente causante es la carga - si no hubiera carga, no habría fisura - cualquiera que fuera el origen del problema. En el caso de fisuras verticales en vigas pueden ser los agentes causantes tanto las variaciones de humedad - retracción hidráulica por falta de curado - como gradientes térmicos resultantes del calor de hidratación del cemento, o movimientos térmicos resultantes de variaciones diarias y anuales de la temperatura ambiente. Evidentemente, a cada causa corresponderá una terapia más adecuada y más duradera. Consecuencias y oportunidad de la intervenciónUn buen diagnóstico se completa con algunas consideraciones sobre las consecuencias del problema en el comportamiento general de la estructura, o sea, un pronóstico de la cuestión. De forma general acostumbrase a separar las consideraciones en dos tipos: las que afectan las condiciones de seguridad de la estructura (asociadas al estado límite último) y las que componen las condiciones de higiene, estética, etc., o sea, las denominadas condiciones de servicio y funcionamiento de la edificación (asociadas a los estados límites de utilización. Foto 5. Rehabilitación de estructura de hormigón dañada por corrosión de armadura debido a la carbonatación (São Paulo, Brasil) 4% 10% 18% 28% 40% Planeación Uso Materiales Ejecución Proyecto Página 6 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... En general los problemas patológicos son evolutivos y tienden a agravarse al transcurrir el tiempo, además de arrastrar otros problemas asociados al problema inicial. Por ejemplo: una fisura de momento flector puede dar origen a la corrosión de las armaduras; flechas excesivas en vigas y losas pueden conducir a fisuras en paredes y deformaciones en pisos rígidos apoyados sobre elementos flexionados (vide fotos 5 y 6) Se puede afirmar que las correcciones serán más durables, más efectivas, más fáciles de ejecutar y mucho más económicas, cuanto antes fuera ejecutado la intervención. La demostración más expresiva de esta afirmación es la llamada “ley de Sitter” que prevé los costos crecientes según una progresión geométrica. Foto 6. Corrosión de armaduras por acción de cloruros en puente viario (Mongagua, Brasil) Dividiendo las etapas constructivas y de uso en cuatro períodos, correspondientes al de diseño, al de ejecución propiamente dicha, al del mantenimiento preventivo efectuado antes de los cinco primeros años, y al del mantenimiento correctivo efectuado posterior al surgimiento de los problemas, a cada uno corresponderá un costo que sigue una progresión geométrica de razón cinco, conforme presentado en la Figura 5. Figura 5. Ley de evolución de los costos, ley de Sitter (Sitter, 1984 CEB RILEM) Una interpretación adecuada de cada uno de estos períodos o etapas de obra puede ser la que sigue: Proyecto: toda medida tomada en el ámbito de diseño con el objetivo de aumentar la protección y durabilidad de la estructura, por ejemplo, aumentar el espesor del recubrimiento de la armadura, reducir la relación agua / cemento del hormigón, especificar tratamientos protectores superficiales, escoger detalles constructivos adecuados, especificar cementos, aditivos y adiciones con características especiales y otras, implica un costo que podemos asociar al número 1 (uno). Ejecución: toda medida fuera del proyecto, tomada durante la ejecución propiamente dicha, incluyendo en ese período la obra recién construida, implica un costo 5 (cinco) veces superior al costo que se hubiese ocasionado si esta medida hubiera sido tomada Página 7 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... en el ámbito de diseño, para lograr el mismo “grado” de protección y durabilidad de la estructura. Un ejemplo típico sería la decisión en obra de reducir la relación agua / cemento para aumentar la durabilidad del hormigón y la protección de las armaduras. La misma medida tomada durante el proyecto permitiría el redimensionamiento automático de la estructura, considerando un hormigón de resistencia a compresión más elevada, de menor módulo de deformación, de menor deformación lenta y de mayores resistencias a bajas edades. Estas nuevas características del hormigón traerían la reducción de las dimensiones de los elementos estructurales, ahorros en encofrados, reducción de cuantía de acero, reducción de volúmenes y peso propio, etc. Esta medida tomada en obra, a pesar de ser eficaz y oportuna desde el punto de vista de la durabilidad, ya no propicia alteraciones que mejoren los elementos estructurales que fueron antes definidos en el diseño estructural y por lo tanto puede representar un costo 5 veces mayor. Mantenimiento preventivo: toda medida tomada con antelación y previsión, durante el periodo de uso y mantenimiento de la estructura, puede ser asociada a un costo 5 (cinco) veces menor que aquel necesario para la corrección de los problemas generados a partir de una intervención no prevista tomada ante una manifestación explícita e irreversible de patología. Al mismo tiempo estará asociada a un costo 25 (veinticinco) veces superior a aquel que habría ocasionado una decisión de proyecto para la obtención del mismo “grado” de protección y durabilidad de la estructura. Como ejemplo puede ser citado la eliminación del moho ácido y la limpieza de la fachada, estucamiento y reestucamiento de las superficies a vista, pinturas con barnices hidrofugantes, renovación y construcción de “brise soleil”, goteras, pretiles y otras medidas de protección. Mantenimiento correctivo: corresponde a los trabajos de diagnóstico, pronóstico, reparación y protección de las estructuras que ya presentan manifestaciones patológicas, o sea, corrección de problemas evidentes. A estas actividades se les puede asociar un costo 125 (ciento y veinticinco) veces superior al costo de las medidas que podrían haber sido tomadas en el ámbito de proyecto y que redundarían en un mismo “grado” de protección y durabilidad que se estime de la obra a partir de la corrección. Según SITTER, colaborador del fib (CEB-FIP), autor de esta ley de costos tan ampliamente citada en bibliografías específicas del área, aplazar una intervención significa aumentar los costos directos en progresión geométrica de razón 5 (cinco), lo que torna aún más actual el conocido refrán popular “no dejes para mañana lo que puedes hacer hoy”, por cinco a ciento y veinte cinco veces menos. Terapia Las medidas terapéuticas de corrección de los problemas pueden tanto incluir pequeñas reparaciones localizadas, como una recuperación generalizada de la estructura, o refuerzos de los cimientos, columnas, vigas o losas. Es siempre recomendable, que después de cualquiera de las intervenciones citadas, sean tomadas medidas de protección de la estructura, con la implantación de un programa de mantenimiento periódico. Este programa de mantenimiento debe tener en cuenta la vida útil prevista, la agresividad de las condiciones ambientales de exposición y la naturaleza de los materiales, y medidas protectoras adoptadas. Procedimiento La selección de los materiales y la técnica de corrección a ser empleada depende del diagnóstico del problema, de las características de la zona a ser corregida y de las exigencias de funcionamiento del elemento que va a ser objeto de la corrección. Por ejemplo: en los casos de los elementos estructurales que necesitan ser colocados en carga después de algunas horas de la corrección puede ser necesario y conveniente, utilizar sistemas de base epoxi o poliéster. En los casos de plazos algo más prolongados (días), pudiera ser conveniente utilizar morteros y grauting de base mineral, y en condiciones normales de solicitación (después de veintiocho días) los materiales podrían ser morteros y hormigones correctamente dosificados (vide foto 7 y 8) Página 8 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... PROYECTO O DISEÑO DETALLADO DE LA INTERVENCIÓN Se considera que el proyecto o el diseño detallado de una intervención es la principal clave de suceso de una rehabilitación de estructuras de hormigón. A título de ejemplo, un correcto diseño o proyecto detallado de intervención debería considerar las siguientes etapas: 1 INTRODUCCIÓN2 SERVICIOS 2.1 Reparaciones localizadas ! Localización y definición de las áreas para muestreo ! Retiro de las armaduras de piel ! Escarificación del hormigón y delimitación con disco de corte ! Limpieza de las armaduras ! Reconstitución de la sección de la estructura 2.2 Reparación superficial ! Preparación del substrato ! Acabado de la reparación ! Curado 2.3 Reparación profunda ! Encofrado ! Saturación del substrato ! Reconstitución de la sección ! Desmolde, retirada del encofrado y terminación de la reparación ! Curado 3 MATERIALES DE REPARACIÓN Y SISTEMAS DE PROTECCIÓN 3.1 Mortero de Reparación ! Especificaciones técnicas ! Control de recepción ! Acopio ! Cuidados en el manejo, mezcla y preparación 3.2 Graute ! Especificaciones técnicas ! Control de recepción ! Acopio ! Cuidados en el manejo, mezcla y preparación 4 EQUIPAMIENTOS 4.1 Disco de corte para hormigón 4.2 Demoledor mecánico Foto 7. Reparación localizada en viga de fachada dañada por corrosión de armadura debida a la carbonatación (Mérida, México) Foto 8. Reparación localizada en base de pilar dañado por corrosión de armadura debida a cloruros(La Habana, Cuba) Página 9 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... 4.3 Chorro de agua 4.4 Chorro de agua con arena 4.5 Chorro de aire 4.6 Pulverizador de agua 4.7 Mezclador de mortero 4.8 Mezclador de graute 4.9 Pulverizador para hidrofugante 5 MANO DE OBRA 5.1 Distribución de las etapas del servicio 5.2 Responsabilidades, cargo y calificación de los profesionales ! Ingeniero ! Encargado General ! Encargado de los servicios ! Encargado de la escarificación y preparación del substrato ! Encargado de la terminación de la reparación ! Encargado del tratamiento superficial ! Encargado de la aplicación del sistema de protección ! Encargado de los procedimientos especiales ! Técnico ! Demás profesionales 6 LICITACIÓN 6.1 Planilla de cuantitativos de los servicios 6.2 Elementos para licitación Servicios En esta sección se presentan los tipos y las especificaciones para la realización de los servicios de reparación localizada, tratamiento de fisuras, regularización de juntas y protección del hormigón. Considerando el diagnóstico y el pronóstico de las manifestaciones patológicas y las recomendaciones dadas en la primera fase de los trabajos, se define que: ! las reparaciones debido a las armaduras corroídas, a los nidos de hormigonado y desniveles, serán hechos localizadamente; ! las juntas de hormigonado serán desbastadas y reparadas, en caso necesario; ! el tratamiento y protección de toda la superficie aparente del hormigón, será especificado con el objetivo de impedir el acceso de dióxido de carbono, oxigeno y agua, frenando el avance del frente de carbonatación y demás factores responsables por el inicio y propagación de la corrosión de la armadura y por la lixiviación de la superficie; ! el tratamiento superficial y la protección del hormigón aparente no debe alterar el aspecto visual de la edificación Materiales de reparación y sistema de protección En esta sección son presentadas las características y propiedades básicas de los materiales que deben ser empleados en los servicios de reparación y protección. Podrá ser empleado cualquier material dentro de aquellos disponibles en el mercado, a pesar que las características especificadas en este proyecto correspondan a productos ya consagrados por el medio técnico y con eficacia comprobada en condiciones semejantes de aplicación y exposición. La calidad de los materiales y sistemas es de responsabilidad de los fabricantes y proveedores que deben garantirla formalmente. Para cada material y sistema son abordados los siguientes tópicos principales: ! Especificaciones técnicas: Se hace una descripción sucinta del material, presentando-se la composición básica y estableciéndose requisitos mínimos de caracterización y desempeño. ! Control de recepción: Se definen los parámetros y ensayos para control de recepción de los materiales, estableciéndose los criterios de aceptación/devolución, tamaño de los lotes y formas de muestreo Página 10 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... ! Acopio: Se indican los cuidados que deben ser tomados en el acopio de los materiales. ! Cuidados en el manejo, mezcla y preparación: Son descriptos los procedimientos que deben ser tomados durante el manejo, mezcla y preparación de los materiales, visando la obtención de sus mejores características por la obediencia de los aspectos funcionales y de seguridad equipamientos En este apartado se presentan los equipamientos básicos necesarios para la ejecución de los servicios de reparación y protección de hormigón armado. Se indica el uso y las principales características técnicas requeridas para el adecuado empleo de los equipamientos. mano de obra En esta sección se presenta una “orientación” para distribución de los equipos e calificación de la mano de obra para la ejecución de los servicios de reparación y protección de las estructuras de concreto armado, teniendo como principales objetivos los de facilitar el control de ejecución y garantizar la mayor calidad de los servicios. Así como las responsabilidades del personal incluyendo la Fiscalización. licitación En esta sección se presentan subsidios básicos para la elaboración del Edital de Licitación por el Interesado, siendo detalladas las planillas con las estimativas de los cuantitativos de los servicios de rehabilitación de la estructura. CONTENIDO DE ESTE MANUAL En el Capitulo 1 se presentan, de forma amplía incluyendo los conceptos de durabilidad y vida útil, el conjunto de las acciones que actúan sobre las estructuras de hormigón durante su existencia, considerando cargas y acciones ambientales. El Capitulo 2 fue organizado de forma tal que ayude en la elaboración del diagnóstico ante las manifestaciones patológicas usuales, indicando también las alternativas mas adecuadas para la corrección de los problemas. Por tratarse de una orientación general, evidentemente no fue posible analizar aspectos específicos de un determinado problema u obra, que deberán ser tratados en sus particularidades por el experto responsable. El tema del Capítulo 3 es la orientación para la selección de la intervención que provee las pautas más importantes que deben de ser llevadas en cuenta durante la elección de una solución. En el Capitulo 4 se presenta una descripción general de la naturaleza de los principales materiales y sistemas utilizados en reparaciones, refuerzos y protección de estructuras de hormigón. Al final se resumen los productos existentes, describiéndose sus características principales y usos recomendados, con el objetivo de auxiliar a los profesionales en la selección del producto o sistema mas adecuado para una determinada situación. Cabe siempre recordar, que para un mismo problema patológico puede haber más de una solución. Los procedimientos para la reparación y limpieza del sustrato se presentan en el Capitulo 5. Se considera conveniente destacar la importancia de estos procedimientos, no-solo porque influyen en el proceso de la rehabilitación, sino también porque muchas veces no son del conocimiento de los profesionales. En este capítulo son descritos los proce- dimientos para la eliminación de grasas, descontaminación del sustrato, limpieza de placas metálicas o quema controlada de la superficie del hormigón. En el Capitulo 6 se presentan los procedimientosusuales para reparar estructuras de hormigón. Por razones didácticas las correcciones fueron presentadas considerándose apenas un problema patológico. En la práctica, la recuperación de una estructura dete- riorada puede abarcar un número elevado de problemas y alternativas de soluciones, y por lo tanto, para encontrar la solución adecuada será necesario consultar varios puntos, conciliando de manera planificada e inteligente cada uno de los procedimientos indicados. En el Capítulo 7 se presentan las alternativas posibles de intervención en estructuras Página 11 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... dañadas por corrosión de armaduras, discutiéndose las ventajas y desventajas de cada una de ellas. El Capítulo 8 esta totalmente dedicado a presentar soluciones de refuerzo de estructuras de hormigón, discutiendo en separado los refuerzos más comunes a columnas, losas, vigas y paredes de hormigón. El Capitulo 9 describe los mecanismos de degradación de la superficie del hormigón, la naturaleza y característica de los principales productos que se utilizan para la protección de estas superficies, así coma las técnicas de aplicación y los parámetros para el mantenimiento preventivo y correctivo de las fachadas, pisos y demás superficies expuestas de hormigón, el llamado hormigón arquitectónico. Se presenta también una discusión teórico-practica de como puede ser planificada una corrección de los problemas patológicos derivados de la corrosión de las armaduras, que a su vez es actualmente, la manifestación de mayor incidencia en las obras y sin duda, una de las más costosas intervenciones en obras terminadas. En el Capítulo 10 el especialista podrá consultar la lista mas completa de composición de precios unitarios de los 80 principales procedimientos de rehabilitación de estructuras. Con esta contribución la Red Rehabilitar espera estar contribuyendo para valorar y uniformizar los trabajos de rehabilitación de estructuras a la vez que ayuda a todos a obtener una idea buena del presupuesto de una obra de rehabilitación de estructuras de hormigón. En el Capítulo 11 se presentan los conceptos y la práctica con ejemplos de cómo implantar un sistema confiable de control de calidad en un servicio de rehabilitación de estructuras de hormigón. Considerando la deficiente cantidad y calidad de documentos normativos a respecto, se presentan también los criterios adecuados para recepción de materiales, sistemas, servicios y trabajos de rehabilitación de estructuras. El Capítulo 12 presenta un primer esfuerzo de construcción de un glosario en el área de diagnóstico y rehabilitación de estructuras de hormigón. El Manual concluye, reafirmando la importancia de que en todas las intervenciones haya un proyecto o un diseño detallado de la solución y presentando la bibliografía básica recomendable para estudios de rehabilitación de estructuras de hormigón. Página 12 de 12Introducción 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... Acciones sobre las Estructuras de Hormignón Autores Raúl Husni Alejandra Benítez Aníbal Manzelli Claudio Macchi Geraldine Charreau Jorge Risetto Luis Fernandez Luco Néstor Guitelman Walter Morris Introducción as acciones que actúan sobre las estructuras son parámetros fundamentales a considerar en su diseño ya que inciden directamente en la Durabilidad, el Servicio, la Estabilidad y/o la Resistencia. Por esta razón cuando nos encontramos frente a una deficiencia es esencial determinar la causa que la origina, muchas veces asociada a mas de una acción. Las acciones que actúan sobre una estructura pueden ser de origen Externo (E) o Interno (I) a ella, las que, generaran fenómenos o procesos de tipo Físico (F), Químico (Q), Mecánico (M) o Biológico (B) las que pueden afectar o limitar una o mas de las condiciones del comportamiento establecidas en el proyecto. Las Acciones Externas pueden dividirse en: a) Funcionales b) Ambientales Las Acciones Internas pueden dividirse en: c) Intrínsecas d) Inducidas o Impuestas a) Acciones Externas - Funcionales Son consecuencia de la existencia o del uso de la construcción y su manifestación genérica son las cargas equivalentes que consideramos actuando sobre las estructuras. De acuerdo a su variación en el tiempo las dividimos en Estáticas o Dinámicas, en el primer caso consideramos que su variación es suficientemente lenta como para no afectar el comportamiento de la estructura, en el segundo no y consecuentemente hay que tener en cuenta el efecto que produce su variación. Las cargas estáticas a su vez pueden ser: ! CAPÍTULO 01 L Página 1 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... ! Ejemplos típicos: Las cargas constantes o permanentes son aquellas que actúan generando fuerzas de aproximadamente igual magnitud durante toda la vida de la estructura, tales como el peso propio de la estructura y los elementos fijos adosados a ella, contrapisos, paredes, solados, cielorrasos. Como contrapartida las cargas variables son aquellas que pueden estar presentes o dejar de hacerlo pero siempre actuando aproximadamente en la misma posición, tal el caso de las sobrecargas o cargas útiles de los edificios de vivienda, depósitos, oficinas, empuje de terrenos, presión hidrostática. Las cargas móviles también pueden o no actuar sobre las estructuras, pero cuando lo hacen ocupan distintas posiciones en las estructuras como el caso los puente grúa o los trenes de cargas ferroviarios. A su vez las cargas dinámicas pueden ser: ! ! Instantáneas Las cargas dinámicas periódicas son aquellas que repiten, en intervalos regulares de tiempo, la intensidad y el sentido de la fuerza que generan, por ejemplo las máquinas rotativas. Las no periódicas precisamente se caracterizan por lo contrario y las cargas dinámicas instantáneas son aquellas que se aplican en forma repentina como puede ser el impacto de un vehículo o el golpe de un martinete. Los fenómenos relevantes producidos por las aciones denominadas funcionales son en general de tipo mecánico, generando en la estructura solicitaciones, tensiones y deformaciones de distinto tipo, aunque además pueden estar asociados a otros fenómenos de carácter, Físico, Químico o Biológico. Casos típicos de los fenómenos mecánicos son los que originan las cargas, las que en todas las variantes descriptas anteriormente actúan sobre las estructuras. La combinación con otro tipo de fenómenos de podría ser: ! Físico, el desgaste sobre la superficie que ocasiona la circulación de personas, acción clasificada como cargas estáticas variables, o de los vehículos, clasificada como carga estática móvil. ! Químico, la degradación que se produce en el hormigón como consecuencia de la presencia de líquidos almacenados (cargas) que contengan ácidos. ! Biológico, el ataque que sufre el hormigón de una estructura destinada a transportar efluentes o contener abonos o materia orgánica en general. b) Acciones Externas - Ambientales Las acciones ambientales sobre las estructuras de hormigón están básicamente relacionadas con el entorno donde se encuentra implantada la construcción, sólido, líquido o gaseoso y de su interacción con el medio circundante. Página 2 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... En algunos casos su acción es equivalente a una carga estática tal el caso del empuje del suelo, del agua en reposo, de la nieve o de las rocas, en otros a una carga dinámica generada por movimiento del aire, en particularlas ráfagas de viento, o por el suelo, tal el caso de los sismos o del agua en movimiento como el caso de las olas. En estos casos la acción depende no solo del fenómeno que se presenta, sino también de las características de la estructura. De una u otra forma, cuando su acción se interpreta desde el punto de vista de las cargas, los fenómenos que se producen son del tipo mecánico, pero las acciones ambientales tienen además una importancia singular por que originan otros fenómenos que afectan el comportamiento, la apariencia, la durabilidad y muchas veces hasta la capacidad portante de las estructuras. Veremos los siguientes ejemplos: ! Físicos: Variación de temperatura, de humedad, Ciclos de congelamiento y deshielo, etc. ! Químicos: Carbonatación, lluvia ácida, ciclos de humedecimiento y secado, corrosión, ataque de ácidos, aguas blandas, residuos industriales, fuego, etc. ! Biológico: Microorganismos, algas, suelos y/o aguas contaminados, etc. Todas las acciones mencionadas deberían estar asociadas de acuerdo a su probabilidad de ocurrencia a las situaciones previstas en el diseño. En ambos casos, Aciones Funcionales o Ambientales, pueden ocurrir hechos no previstos o contemplados (Excepcionales o Accidentales) que en caso de actuar alterarían bruscamente el comportamiento de la estructura, tal el caso de explosiones, impacto de aviones, tornados, etc. Una situación singular la constituyen las acciones que pueden generarse en la etapa constructiva de una estructura, las que muchas veces no son contempladas o especificadas adecuadamente en el proyecto. Casos típicos son, para las estructuras que se construyen en el lugar, la remoción prematura de los puntales, y en las estructuras prefabricadas las solicitaciones que se generan durante el transporte y/o montaje. En ambos casos suelen aparecer deficiencias o fallas que no responden a la respuesta de la estructura ya terminada bajo la acción de las acciones funcionales o ambientales. Una situación equivalente se presenta cuando, aún habiendo proyectado y especificado correctamente la estructura para la vida útil prefijada, se cometen luego errores durante la ejecución que malogran el objetivo prefijado. Esto es particularmente frecuente y por esa razón analizaremos mas adelante alguno de los errores constructivos más comunes y sus consecuencias. c) Acciones Internas - Intrínsecas Son cambios volumétricos que se manifiestan y que tienen características propias según el tipo de hormigón utilizado, contenido y tipo de cemento, cantidad de aire incorporado, cuantías y tipo de armaduras, etc. y/o del proceso de su formación, curado, protección del viento, etc. los que de acuerdo a las restricciones internas o externas se traducen en esfuerzos o tensiones que pueden afectar la durabilidad y aún a llegar a modificar el comportamiento de la estructura. Las manifestaciones típicas son: ! Asentamiento plástico ! Contracción plástica ! Contracción térmica inicial Página 3 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... ! Contracción por secado ! Reacción álcali – sílice d) Acciones Internas - Inducidas Son deformaciones impuestas, algunas con el objetivo de mejorar el comportamiento estructural, ya sea en relación a su capacidad portante, la durabilidad o su condición de servicio, por ejemplo cuando se emplean las técnicas del pretensado o del postesado, en todas sus variantes externo, interno con o sin adherencia, otras se producen como consecuencia de movimientos en las fundaciones, fenómeno comúnmente conocido como asentamiento del vínculo. En algunos casos las deformaciones aparecen como consecuencia del comportamiento reológico del hormigón que aumenta su deformación en el tiempo bajo carga constante, fenómeno genéricamente conocido como fluencia del material y que en el caso de las estructuras armadas adquiere especial significación, por su comportamiento como conjunto estructural y como material compuesto. Consideraciones Generales Este es el esquema clasificación de las acciones que pueden actuar en una estructura de hormigón. De acuerdo a su probabilidad de ocurrencia y de la confiabilidad que se establece para la estructura se deberá establecer un modelo de cargas equivalentes con sus correspondientes combinaciones y considerarse en el diseño. Las acciones, que por su baja probabilidad de ocurrencia no se tiene en cuenta en las verificaciones de los estados últimos las agrupamos bajo la denominación de accidentales o extraordinarias, las que de acuerdo a su magnitud pueden ocasionar graves daños a la estructura e incluso el colapso. Las acciones accidentales en general obedecen a causas naturales, por lo que podrían considerarse dentro de las acciones ambientales, casos típicos son los huracanes, las aludes, las inundaciones y los sismos de carácter extraordinario, fenómenos que en algunos casos se pueden predecir pero que en general son difíciles de modelar y cuantificar. Por su naturaleza, las acciones extraordinarias en cambio son prácticamente impredecibles en el momento en que pueden actuar sobre una estructura, si es que alguna vez lo hacen en el lapso de su vida útil, y difíciles de establecer su acción equivalente. Ejemplos típico son los impactos de aeronaves, las acciones de guerra, un ataque terrorista o las explosiones de distinto origen como ser por escape de gas, explosión de calderas etc. Queda claro que si bien puede establecerse una clasificación primaria de las acciones, una misma acción puede responder a mas de un criterio de clasificación y estar o no, comprendidas dentro de las acciones que tomamos en cuenta en el diseño. De hecho, por múltiples razones interesan particularmente analizar los fenómenos asociados a las acciones de mayor probabilidad de ocurrencia, que son los que en general se tienen en cuenta en el diseño. Muchas de las acciones son sencillas de evaluar, tal el caso de las cargas permanentes, otras están en general normalizadas con valores en general diferentes según los distintos países, como las sobrecargas de uso, la acción equivalente del viento, de la nieve o del sismo. Asi mismo por razones obvias las acciones ambientales están en relación directa con el lugar de implantación, y aún mas, del microclima particular que se puede generar Página 4 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... en circunstancias específicas. Más allá de los valores en sí y de la gran cantidad de acciones posibles de actuar en una estructura, son varias las acciones de distinto origen que pueden originar deficiencias, fallas o degradaciones similares. Por ejemplo la que genera la contracción por secado, considerada una acción Interna - Intrínseca, y una variación térmica, considerada como acción Externa – Ambiental. Foto 1. Muestra el colapso parcial de una construcción como consecuencia de un atentado terrorista. Habrá que analizar detalles o singularidades que se presentan para individualizar a que fenómeno en particular corresponde a fin de conocer su origen y aplicar la medida correctiva adecuada. Por esta razón y a los efectos de facilitar la comprensión del problema patológico y consecuentemente adoptar la solución apropiada, agruparemos los fenómenos típicos de acuerdo al origen de la acción o según la similitud de la respuesta de la estructura. Fenómenos o problemas típicos: 1.1 Corrosión de armaduras 1.2 Acción de las cargas exteriores. Procesos mecánicos 1.3 Acción de los cambios de humedad y temperatura 1.4 Acciones que generan desintegración del concreto 1.5 Acciones inducidas 1.6 Fallas típicas del proceso constructivo 1.7 Acción SísmicaPágina 5 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... Foto 2. Muestra el colapso de un depósito como consecuencia de las sobrecargas excesivas. 1.1 Corrosión de Armaduras La corrosión de armaduras es un proceso electroquímico que provoca la degradación (oxidación) del acero en el hormigón. Los factores que afectan a este fenómeno están asociados fundamentalmente a las características del hormigón, al medio ambiente y a la disposición de las armaduras en los componentes estructurales afectados. Los daños causados por corrosión de armaduras generalmente se manifiestan a través de fisuras en el hormigón paralelas a la dirección de los refuerzos, delaminación y/o desprendimientos del recubrimiento. En componentes estructurales que presentan un elevado contenido de humedad, los primeros síntomas de corrosión se evidencian por medio de manchas de óxido en la superficie del hormigón. En la Foto 1.1.1 se presentan distintos casos de estructurales afectados por corrosión de armaduras. Los daños por corrosión pueden afectar la capacidad portante de los componentes estructurales afectados, debidos fundamentalmente a la disminución de sección transversal de las armaduras, la pérdida de adherencia entre el acero y el hormigón y a la fisuración de éste. Así mismo, el progresivo deterioro de las estructuras por corrosión provoca desprendimientos de material que pueden comprometer la seguridad de personas. En la Figura 1.1.1 se muestran en forma esquemática las fallas típicas observadas en vigas afectadas por distintos niveles de deterioro por corrosión de armaduras. En la figura se presentan valores estimativas de disminución de sección transversal de armaduras (∆∅) para los cuales sería factible observar este nivel de deterioro asumiendo un hormigón de calidad estándar. Página 6 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... a) b) c) Foto 1.1.1 Daños en estructuras de hormigón armado causados por corrosión. a) Corrosión por cloruros en fachada de edificio, b) Corrosión por carbonatación en estructura de hormigón armado, c) Corrosión por cloruros en pilote pretensado 1.1.1 El proceso de corrosión La corrosión es un proceso que ocurre en fase acuosa, en el caso del hormigón armado, el fenómeno tiene lugar en la solución existente en los poros interiores. El fenómeno se observa con frecuencia en hormigones de baja calidad, elaborados con altas relaciones agua – cemento y por consiguiente que presentan elevada porosidad, así como en componentes estructurales afectados por humedad o ciclos de mojado. Figura 1.1.1. Representación esquemática de las patologías típicamente observadas en vigas de hormigón armado afectadas por corrosión La elevada alcalinidad que presenta la solución de los poros del hormigón (pH > 12/5) le provee al acero de un medio protector en el cual su velocidad de corrosión (VC) es prácticamente nula. Esta condición se denomina pasividad siendo que los valores de VC de las armaduras son inferiores a 1 µm/año. El estado pasivo de las armaduras puede perderse debido fundamentalmente a la acción de dos mecanismos; ataque por cloruros y pérdida de la alcalinidad en el hormigón. 1.1.2 Ataque por cloruros La presencia de una concentración crítica (Cc) de iones cloruro en contacto con la superficie de la armadura provoca la despasivación del acero y la corrosión localizada de éste. El valor de Cc depende de diversos factores tales como: el pH, el contenido de aluminato tricálcico (C3A) en el cemento y en casos del contenido de humedad en el hormigón. Página 7 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... El valor de contenido crítico de cloruros (expresado como cloruros totales o solubles en ácido) generalmente adoptado en la práctica es Cc = 0.4 % en peso respecto del contenido de cemento en el hormigón. El ingreso de los iones cloruros al interior del hormigón puede deberse a la interacción con el medio ambiente, al empleo de sales para el deshielo o a la utilización de aditivos y/o agregado conteniendo este tipo de iones durante la elaboración del hormigón. 1.1.3 Pérdida de alcalinidad en el hormigón La disminución del pH en el hormigón (pH ≤ 9), provoca la pérdida de la pasividad del acero. Este proceso puede ocurrir como resultado de la lixiviación de las sustancias alcalinas existentes en los poros del hormigón o bien debido al proceso de carbonatación. La carbonatación ocurre como resultado de la reacción química entre el hidróxido de calcio Ca(OH)2 y otros álcalis (Sodio y Potasio) presentes en la solución de los poros con el dióxido de carbono (CO2) atmosférico. Como resultado de esta reacción se forma carbonato de calcio (CaCO3) y se acidifica el hormigón. Este fenómeno avanza hacia el interior del hormigón a una velocidad que es generalmente proporcional a t1/2, siendo t el tiempo. El proceso de carbonatación ocurre con mayor rapidez en hormigones de baja calidad y en ambientes cuya humedad relativa varía entre 50 y 70 %. Sin dudas, uno de los procesos de corrosión más difíciles de identificar y predecir en la práctica es el que ocurre ocasionalmente en el acero de alta resistencia utilizado en las estructuras de hormigón post y pretensadas. Este fenómeno se denomina Corrosión Bajo Tensión –CBT y se caracteriza por ser de tipo localizado y no presentar pérdida de masa significativa. En consecuencia, la CBT puede provocar la falla de elementos estructurales sin que se observen signos visibles de corrosión en la estructura. El fenómeno esta asociado a la aparición de fisuras que se propagan con relativa rapidez, provocando una rotura de tipo frágil del material. La susceptibilidad a la CBT depende en gran medida de la alcalinidad del hormigón y del contenido de iones cloruro. Este fenómeno puede ocurrir en hormigones que presentan valores de pH < 12.8 y concentraciones de cloruros aún menores a los niveles establecidos como límite para el inicio de la corrosión del acero en el hormigón armado. En consecuencia, los componentes estructurales construidos con hormigones de baja calidad, elaborados con aditivos que disminuyen su alcalinidad o expuestos a ambientes con cloruros serán más propensos a presentar problemas de CBT. 1.1.4 Proceso de corrosión Todo proceso de corrosión electroquímica requiere de la presencia de al menos cuatro elementos, a) un ánodo, donde ocurre la oxidación del acero, b) un cátodo, donde ocurre la reacción de reducción, c) un conductor eléctrico por donde circulan los electrones liberados en el ánodo y consumidas en el cátodo y d) un electrolito, donde ocurren dichas reacciones. En la Figura 1.1.2 se representa esquemáticamente el proceso de corrosión de armaduras en el hormigón. Los productos de corrosión del acero ocupan un volumen que es varias veces Página 8 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... superior al del metal de origen. La acumulación de estos productos en la interface entre el acero y el hormigón genera tensiones de tracción en este último que provocan la fisuración y el posterior desprendimiento del recubrimiento. Figura 1.1.2. Representación esquemática del proceso electroquímico de corrosión de las armaduras en el hormigón El tiempo de aparición de fisuras depende fundamentalmente de la calidad y el espesor del recubrimiento de hormigón, así como del diámetro y la ubicación de la armadura y del tipo de producto de corrosión generado. A modo de ejemplo, una barra# 4 con un espesor de recubrimiento de aproximadamente 4 cm provocará fisuras en el hormigón luego de producirse una disminución del 1 % en su sección transversal. 1.2 Acción de las Cargas Exteriores. Procesos Mecánicos La acción de las cargas exteriores, como las definidas anteriormente, generan en el hormigón armado un estado tensional complejo. Si analizamos un elemento cualquiera de una estructura de hormigón armado, comprobamos que cada una de sus secciones está sometida a una solicitación simple o, a una compuesta por varios tipos de solicitaciones simples. Las solicitaciones simples son las denominadas de tracción, de compresión, de flexión, de corte y de torsión. De existir alguna deficiencia en una estructura de hormigón armado, ésta se manifestará en la mayoría de los casos a través de una configuración de fisuras que dependerá del tipo de solicitación actuando en ese sector. Por lo tanto, la interpretación de las fisuras observadas en una estructura de hormigón armado nos puede guiar, con cierta certeza, a encontrar las causas del problema (ver Figura 1.1.1 y Figura 1.2.2 ). En base a la experiencia adquirida, podemos afirmar que en general en pocas ocasiones es una única causa el origen de un determinado problema estructural; en la mayoría de los casos, son varias las causas que lo generan. Entre las causas más comunes y en general asociadas a un mayor compromiso estructural, están aquellas ligadas a las cargas exteriores. La deficiencia puede tener su origen en la etapa del proyecto, la construcción o la utilización, según veremos a continuación: Errores de proyecto: Página 9 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... " Omisión de algún estado de carga. " Subvaluación de las acciones de las cargas. " Deficiencia en la combinación de los estados de carga. " Modelación errónea de la estructura resistente, tanto para cargas estáticas como dinámicas. Errores de ejecución: " Cargas prematuras sobre la estructura. " Cargas no previstas en el proyecto. " Deficiencias en el transporte y/o montaje de elementos premoldeados. Errores de utilización: " Cargas no previstas o superiores a las de diseño " Cambios de uso que implican sobrecargas mayores. " Maquinarias o instalaciones que generan cargas dinámicas no previstas En los puntos siguientes se analizan las configuraciones de fisuras generadas en estructuras de hormigón armado por distintas solicitaciones, ya sean simples o compuestas, que surgen como consecuencia de las acciones externas, funcionales o ambientales, que se traducen en cargas (estáticas o dinámicas) que generan procesos mecánicos. Figura 1.2.1 Representación esquemática de las patologías típicamente observadas en vigas de hormigón armado afectadas por corrosión Página 10 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... Figura 1.2.2 1.2.1 Tracción axial Este tipo de solicitación es poco frecuente en elementos de hormigón armado y puede originar, si no se han realizado las verificaciones correspondientes a los estados últimos de utilización, a numerosas e importantes fisuras, de configuración perpendicular a las barras de acero principales (ver Figura 1.2.3 ). Estas fisuras se forman prácticamente en forma simultánea, atraviesan generalmente toda la sección del elemento estructural y suelen ubicarse en coincidencia con la posición de la armadura transversal, como pueden ser los estribos y la armadura de repartición. El hormigón posee un buen comportamiento mecánico cuando está solicitado a la compresión pero no ocurre lo mismo si se lo solicita a la tracción. Las tensiones que puede resistir un hormigón traccionado están en el orden del 10 % de las de compresión. Por esta razón y por la dificultad en contar con un hormigón sin fisuras, se desprecia, en los cálculos de secciones de hormigón armado, la pequeña resistencia a la tracción. Sin embargo esta pequeña resistencia del hormigón a la tracción debe ser tenida en cuenta en las verificaciones de fisuración y deformación, que forman parte de lo que denominamos estados límites de utilización o servicio. Existen pocos casos en que un elemento de hormigón armado se proyecte con una solicitación simple a la tracción. Podemos mencionar entre ellos a los tensores verticales en los entrepisos, tensores horizontales en fundaciones y sectores de tanques de sección circular alejados de las zonas con perturbaciones de borde, como son la base y la tapa. Página 11 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... 1.2.2 Compresión axial Un elemento de hormigón sometido a esfuerzos de compresión axial puede manifestar distintas formas de fisuración que dependen de su esbeltez y del grado de coacción transversal existente en sus extremos. Estos efectos se pueden observar en los ensayos de laboratorio realizados con probetas sencillas de hormigón simple. Si se pudiera eliminar totalmente el rozamiento entre las caras de la probeta y los platos de la prensa utilizados para introducir los esfuerzos, la compresión pura que se obtendría sobre dicha probeta provocaría una rotura con fisuras paralelas a la dirección del esfuerzo, formando bielas o columnas en esa misma dirección (ver Figura 1.2.5 a). Si existe rozamiento, como generalmente ocurre, las fisuras adoptan una forma distinta al estar coartada la deformación transversal en los extremos; cuya configuración se indica en la Figura 1.2.5 b. En elementos estructurales más esbeltos se obtienen otras configuraciones de fisuración (Figura 1.2.5 a, b y c) debido a otros factores como ser la posible heterogeneidad del hormigón a lo largo del elemento, distribución no uniforme de las tensiones de compresión debido a excentricidades de las cargas, etc. Resulta importante indicar que las figuras muestran posibles estados de fisuración en el momento de la rotura y no en condiciones de servicio. Una configuración como la indicada en la Figura 1.2.5 d, formada por fisuras finas (anchos de aproximadamente 0.1 mm) ubicadas juntas en una de las caras de una columna esbelta, estaría indicando una situación peligrosa debido al pandeo del elemento estructural. La forma habitual de colapso de columnas de hormigón armado es la indicada en la Figura 1.2.5 e y consiste en un estado de fisuración muy fina (fisuras del orden de 0.05 a 0.15 mm), paralela a la directriz del elemento y no coincidente, en general, con la ubicación de las armaduras. Estas fisuras aparecen en un estado previo a la rotura cuando las cargas tienen un valor del orden del 85 al 90 % de la capacidad resistente de la columna. Para cargas cercanas a la de rotura en columnas con zunchos en espiral, primero se desprende el recubrimiento pero el elemento puede aún seguir resistiendo más pero a costa de grandes deformaciones. En la práctica, los anchos de fisuras que pueden aparecer en las columnas en situaciones previas a la rotura, pueden ser mayores si se aumenta la armadura, en especial la transversal. Es decir, al aumentar el ancho de las fisuras previas al colapso estamos aumentando su ductilidad y por ende la capacidad de aviso del estado de agotamiento de la columna. Este es un aspecto muy importante a tener en cuenta ya que las columnas de hormigón armado, por su naturaleza, tienen Figura 1.2.3 Figura 1.2.4 Página 12 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... escasa capacidad de aviso ya que presentan una rotura de tipo frágil. Por su función en el conjuntoestructural, el colapso de columnas solicitadas a compresión simple, o con pequeñas excentricidades, es la principal causa de derrumbes generalizados de estructuras. Las cargas de compresión concentradas, como por ejemplo la introducción de la carga de una columna en una base, la introducción de una fuerza de pretensado, etc., pueden generar fisuras de tracción de dirección paralela a los esfuerzos de compresión. El efecto es similar al fenómeno de hendimiento que provoca la rotura de las probetas cilíndricas en el ensayo denominado brasileño (ver Figura 1.2.6 ). Figura 1.2.5 Figura 1.2.6 Página 13 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... 1.2.3 Flexión y corte Las fisuras generadas por flexión son las más frecuentes y, por lo tanto, las más conocidas. Pueden aparecer a partir de una solicitación de flexión pura o por una combinación de flexión y corte. Según la importancia relativa de ambos esfuerzos será la posición e inclinación de las fisuras (ver Figura 1.1.1 y Figura 1.2.2 ). En los casos de preponderancia de las solicitaciones de flexión, se obtienen las configuraciones de fisuración indicadas progresivamente en la Figura 1.2.7 a, b y c. En estas configuraciones, la fisuración por flexión se inicia en la armadura, progresa en vertical hacia la fibra neutra y, en ciertos casos, al final se orienta buscando el punto de aplicación de la carga deteniéndose al alcanzar la zona de compresión. En general y cuando la armadura ha sido correctamente adoptada, los elementos solicitados a flexión dominante tienen una gran capacidad de aviso a través de un cuadro pronunciado de fisuración lo que le confiere características de ductilidad. En los casos de preponderancia de las solicitaciones de corte, se obtienen las configuraciones de fisuración indicadas progresivamente en las figuras 1.2.8.a, b y c. En estos casos, la fisuración por corte puede comenzar en el alma de la pieza o en el cordón traccionado, avanzar por sus dos extremos o por el superior, respectivamente, y llegar a afectar toda la altura de la pieza, dividiéndola en dos partes. Este proceso puede ser muy rápido dependiendo de la cuantía de armadura existente, especialmente la transversal. De allí la necesidad de adoptar la armadura correcta con el fin de aumentar su ductilidad permitiendo que se desarrolle íntegramente la capacidad a flexión. Las características principales de las fisuras generadas por flexión para diferenciarlas de las generadas por corte son las siguientes: ! No afectan a toda la altura de la pieza, sino que llegan aproximadamente hasta el eje neutro. ! Aparecen en cierta cantidad y bastante cerca entre ellas, especialmente si el acero utilizado es de alta adherencia. ! Las fisuras tienden a desaparecer cuando se retiran las cargas que las generan. ! Son perpendiculares al eje del elemento y se inclinan en función del valor del esfuerzo de corte. Otro tema de interés es el denominado punzonamiento, esfuerzo con cierta similitud con el de corte propio de los elementos lineales. A diferencia de la solicitación por corte, el punzonamiento se genera en una estructura superficial, en general plana, por introducción de una carga concentrada perpendicular a su plano medio. Los ejemplos típicos donde se presenta solicitación por punzonamiento son las plateas de fundación, las bases aisladas y los entrepisos sin vigas. Las deficiencias en la consideración de esta solicitación se manifiestan en configuraciones de fisuración como las indicadas en la Figura 1.2.9 . Página 14 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... 1.2.4 Flexión compuesta Dentro de los casos de solicitaciones de flexión compuesta, es decir piezas sometidas simultáneamente a un esfuerzo axial y un momento flexor, consideramos dos comportamientos según la importancia relativa de ambas solicitaciones. Cuando se tienen piezas sometidas a momentos flexores significativos junto con esfuerzos axiales reducidos, es decir piezas solicitadas a flexión dominante o gran excentricidad relativa, el comportamiento es parecido al que se presenta en flexión simple, tratado anteriormente. En cambio, cuando las piezas están sometidas a un esfuerzo axial de compresión importante y a un momento flexor reducido, es decir piezas solicitadas a compresión dominante o pequeña excentricidad relativa, el comportamiento es similar al de compresión centrada. En este caso, como ya se ha indicado, se producen fisuras finas y paralelas entre sí y a la directriz de la pieza. El ancho de las fisuras no supera en general 0.1 mm, y por lo tanto los pilares con excentricidades de este tipo cuentan con poca capacidad de aviso de su estado cercano a la rotura. Para el caso de piezas sometidas a un esfuerzo axial de tracción importante y a un momento flexor reducido, es decir piezas con tracción dominante, el comportamiento tiene similitud al de tracción axial, ya descripto. Si bien no es un caso muy común, puede presentarse en aquellos tensores horizontales con Figura 1.2.7 Figura 1.2.8 Figura 1.2.9 Página 15 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... grandes esfuerzos axiales que también actúan como vigas que soportan pequeñas cargas que le generan flexión. 1.2.5 Torsión En las estructuras de hormigón armado cuando la resistencia a torsión de la pieza no es necesaria para su equilibrio o la de otros elementos ligados a ella, generalmente no se la tiene en cuenta, solo se contempla una armadura mínima, y por tal razón se la considera una solicitación secundaria Es decir, la torsión se considera como secundaria cuando la estructura puede resistir con aceptable seguridad aún en el supuesto de que la rigidez a la torsión de uno o más elementos de dicha estructura sea prácticamente nula. Si esto no ocurre, la torsión pasa a ser una solicitación principal. La torsión se presenta casi siempre acompañada por solicitaciones de flexión y corte, generando tensiones tangenciales en la pieza, en forma similar a las originadas por los esfuerzos de corte. De esto se desprende que la identificación de los problemas de solicitaciones de torsión reviste aún mayores dificultades que los planteados para las solicitaciones de corte. Es importante mencionar que en la mayoría de los casos, las secciones con mayor solicitación a la torsión coinciden con la de mayor solicitación al corte; de lo que se desprende que en estos casos, la verificación se hace contemplando la superposición de las tensiones generadas por los dos tipos de solicitaciones simultáneamente. La torsión en sí, genera en las piezas de hormigón armado fisuras a 45° en cada una de las caras con una configuración de tipo helicoidal como la indicada en la Figura 1.2.10 . Este tipo de fisuras suele observarse cuando no se han tenido en cuenta los efectos de la torsión como solicitación secundaria o se ha tratado en forma incorrecta la torsión como solicitación principal. En el primer caso no se afectaría mayormente la seguridad de la estructura; en el segundo caso, torsión como solicitación primaria, estaríamos ante la posibilidad de falla de la pieza. 1.2.6 Impacto El impacto de un cuerpo sobre una estructura puede tener distintas consecuencias según sean las respectivas masas, las deformabilidades y la velocidad del elemento que impacta. Figura 1.2.10 Página 16 de 64Acciones sobre las Estructuras de Hormignón 23/03/05file://C:\Manual%20de%20Rehabilitacion%20de%20Estructuras%20de%20Hormigon\HT... Foto 1.2.1 Cuando el objeto
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