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ene. 17 de 2014
Buenas prácticas
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Resumen:

En la actualidad existe una necesidad creciente de realizar evaluaciones de estructuras existentes de concreto armado deterioradas por la corrosión. Esto se debe, principalmente, a cambios en el uso previsto de la obra o a la ampliación de su periodo de servicio junto con la exigencia de garantizar la seguridad en estructuras de concreto armado de nueva construcción que admitan cierto grado de deterioro por corrosión, como suele ser el caso de las obras portuarias.

Por todas estas razones se hace necesario establecer modelos de resistencia que tengan en cuenta dicho deterioro en la verificación de la seguridad estructural y, además, disponer de criterios racionales tanto para el refuerzo como para la rehabilitación de estructuras existentes deterioradas por corrosión.


Demolición de un edifiicio industrial de 1940

Lugar de extracción de elementos de la nave.

La demolición de un edificio industrial de 1940 de concreto armado con armaduras lisas en la costa de Galicia (Noroeste de España), situado en un ambiente marino, ha supuesto una oportunidad única para la evaluación estructural, teórica y experimental, de elementos reales con deterioro natural y de grandes dimensiones. Para este estudio se seleccionaron ocho vigas que se cortaron in situ mediante disco e hilo diamantado para evitar daños adicionales. Posteriormente, se realizaron ensayos de flexión en cuatro y tres puntos en las vigas para determinar la capacidad resistente a flexión y cortante. La evaluación de la capacidad portante de dichas vigas se basa en el teorema estático de la plasticidad 1. En la primera fase de la evaluación, se establecen modelos de campos de tensiones determinando las tensiones internas en las secciones críticas a partir de modelos de resistencia simplificados que se encuentran en los códigos estructurales, Eurocódigo 2 2 y Model Code 2010 3,4 incorporando en dichos modelos los efectos del deterioro por corrosión junto con la información necesaria con respecto a la geometría (obtenida antes de realizar los ensayos) y a las propiedades de los materiales (obtenidas de elementos del mismo edificio). En una segunda fase, se evalúa la capacidad portante mediante los mismos modelos pero incorporando información adicional de la geometría de las secciones críticas y de las propiedades de los materiales de cada una de las vigas ensayadas. En este trabajo se describe parte del procedimiento experimental que se ha llevado a cabo tanto para la adquisición de los elementos estructurales como para la realización de los ensayos en las vigas. El trabajo aún se encuentra en desarrollo, por lo que se presenta un ejemplo de evaluación por fases de una de las vigas ensayadas incorporando en el proceso nueva información sobre la geometría y las propiedades de los materiales. El procedimiento que se describe se puede emplear en la evaluación de la seguridad de estructuras de concreto armado con elementos deteriorados por corrosión.

Los elementos estructurales deben cumplir con los requisitos relativos a su comportamiento en servicio y seguridad estructural con una fiabilidad determinada, no sólo en el momento de su dimensionado sino durante todo el período de servicio previsto de las estructuras. Las acciones físicas, químicas y biológicas, que pueden producir el deterioro de las estructuras, actúan de forma simultánea con las acciones mecánicas. Por ello, todas las acciones deben tratarse de forma conjunta, incluyendo también en la verificación de la seguridad estructural las acciones que afectan la durabilidad.

Para verificar la seguridad estructural de estos elementos, se deben establecer modelos de resistencia que tengan en cuenta el deterioro. En el caso de la corrosión de las estructuras de concreto armado, la resistencia depende de diversos factores, como, por ejemplo: la sección del acero corroído, el diagrama tensión-deformación del acero corroído, la adherencia concreto-acero corroído y la fisuración del concreto debida a la expansión de los productos de corrosión.

Diversos estudios experimentales se han realizado en los últimos años relacionados con modelos de resistencia que incorporan el deterioro, principalmente debido a la corrosión. Los resultados de dichos estudios se deben tomar con cautela debido a las siguientes consideraciones:

  • Los procesos de deterioro se realizaron fundamentalmente mediante técnicas de corrosión acelerada, por lo cual es posible que los procesos de deterioro por corrosión natural puedan tener un comportamiento ligeramente distinto.

  • Los elementos estructurales estudiados fueron fabricados en condiciones de laboratorio, de pequeñas dimensiones y fundamentalmente con armaduras corrugadas. Por esta razón es necesario verificar si estos modelos de resistencia son adecuados para elementos de grandes dimensiones.

Por tales razones, la demolición de parte de un edificio industrial de concreto armado con armaduras lisas situado en un ambiente marino ha supuesto una oportunidad excepcional para la evaluación estructural de elementos reales con deterioro natural y de grandes dimensiones.

Dicho edificio industrial, conocido como la Fábrica Cros, se encuentra en la localidad de Culleredo frente a la ría del Burgo, situada en las partes altas de Galicia, cerca de La Coruña, en el Noroeste de España. La fábrica consta de tres edificios (ver Figura 1) construidos en la década de 1940 y que fueron abandonados en los años 80 del siglo pasado. La fábrica estaba dedicaba al tostado de piritas para la producción de ácido sulfúrico. Debido a que dichos edificios se han convertido en un ejemplo de la arquitectura industrial de la época, en 2010 se decide recuperarlos y proceder a un cambio de uso para convertirlos en una instalación con múltiples usos como teatro-auditorio, biblioteca y centro de artesanía. En el proyecto de rehabilitación se contemplaba la demolición de parte de la estructura existente para poder habilitarlo para los distintos usos previstos.


El valor de la resistencia de un elemento estructural

Figura 1. Ubicación y estado previo de la Fábrica Cros.

En términos generales, el valor de la resistencia de un elemento estructural depende de las características geométricas, de las propiedades de los materiales y del modelo empleado en su determinación. Los modelos, por muy sofisticados que sean, sólo proporcionan una estimación de la realidad. En trabajos previos se han verificado y estimado las incertidumbres de modelos de resistencia para estructuras de concreto con armaduras corroídas basados en cálculos elasto-plásticos5. Estos modelos han sido obtenidos para vigas de pequeñas dimensiones, sometidas a procedimientos de corrosión acelerada y con armaduras corrugadas.

En ese contexto, se verificó la validez de dichos modelos en la evaluación estructural de elementos de grandes dimensiones sometidos a procesos de corrosión natural, junto con la valoración de la importancia de la adquisición de datos durante el proceso de evaluación para poder reducir las incertidumbres asociadas a las variables de las que depende la resistencia de un elemento estructural.

Programa experimental

Selección de elementos estructurales representativos 

Una vez conocidas las zonas que iban a ser demolidas del edificio existente, se procedió a la selección de diferentes elementos estructurales representativos que estuvieran afectados por la corrosión. En total se seleccionaron ocho vigas, cinco pilares y un pórtico. Una vez seleccionados los elementos, se decidió que para extraerlos de forma segura y evitar daños adicionales a los ocasionados por el deterioro por corrosión sería necesario el empleo de herramientas de corte diamantadas. En los elementos de difícil acceso y de gran espesor se utilizó el hilo de diamante, mientras que en los demás elementos, principalmente las vigas, se empleó la sierra mural con disco diamantado (ver figura 2).

Para la resistencia de las vigas se realizaron ensayos de flexión

Figura 2. Corte de los elementos mediante sierra mural e hilo de diamante.

Ensayos

Para la caracterización de la resistencia de las vigas se realizaron ensayos de flexión en cuatro puntos. En las siguientes figuras 3a y 3b se muestra tanto el dispositivo experimental como la configuración del mismo correspondiente a la viga 1.

Se puede observar los esfuerzos de la carga

Figura 3a. Esquema.

Se adquirieron datos correspondientes a la luz

Figura 3b. Configuración del ensayo de flexión en cuatro puntos de la viga 1.

Una vez realizado el ensayo de flexión en cuatro puntos en cada viga, se emplearon cada una de las partes de la viga situadas entre la carga y el apoyo en los casos en los que no se presentaban daños significativos procedentes del ensayo de flexión en cuatro puntos. Con cada una de estos elementos se realizaron ensayos de flexión en tres puntos, para así poder caracterizar mejor el comportamiento de las vigas frente a esfuerzos cortantes. En las figuras 4a y 4b se puede observar la configuración del ensayo de flexión en tres puntos de la zona 1 de la Viga 1.

Una vez realizados los ensayos de cada uno de los elementos

Figura 4a. Esquema.

Otra de las variables que depende la resistencia del elemento

Figura 4b. Configuración del ensayo de flexión en 3 puntos de la zona 1 de la viga 1.

Ejemplo de evaluación:

Caracterización geométrica inicial

Antes de realizar los ensayos se adquirieron los datos correspondientes a la luz, ancho y canto de las vigas junto con una caracterización aproximada de tres secciones transversales de cada uno de los elementos mediante pachómetro y calibre en las zonas accesibles. En dichas secciones transversales se han determinado tanto el número como el diámetro de las armaduras superior, inferior y transversal, más los recubrimientos. Además de la caracterización geométrica también se realizó una caracterización de los daños de cada uno de los elementos en cuanto a fisuración, delaminación, rotura de armaduras, etc.

Sección de rotura junto con la extracción

Figura. 5. Caracterización inicial de la geometría de la viga 1.

Caracterización geométrica de las secciones transversales críticas

Una vez realizados los ensayos de cada uno de los elementos, se procedió a caracterizar tanto la forma de rotura del elemento como de las secciones transversales críticas, en las que se produjo la rotura. Se han determinado el número y el diámetro remanente de todas las armaduras. Para realizar la caracterización de la sección transversal de la forma más precisa posible, en las zonas de rotura, se realizaron los cortes de la sección mediante sierra con disco diamantado (ver figuras 6a y 6b). Mediante la caracterización exacta de las secciones transversales en la zona de rotura podemos minimizar las incertidumbres asociadas a la geometría del elemento.

Proceso para la extracción de armaduras

Figura 6a. Rotura viga 1.

Ensayo de tracción de barra corroída

Figura 6b. Geometría de las secciones críticas de la viga 1.

Materiales:

Información previa

Otra de las variables de las que depende la resistencia de un elemento estructural son las propiedades de los materiales. En 2001 se realizó un informe sobre el estado de la estructura de la Fábrica Cros6. Para la elaboración de dicho informe se habían tomado muestras para caracterizar el concreto y el acero de algunas de las partes del edificio que, aunque no coincidían con la zona de la que se extrajeron los elementos estructurales para este estudio, suponían una información muy valiosa para comenzarlo.

Información post-ensayo

Debido a que uno de los objetivos de este estudio es conocer y minimizar las incertidumbres asociadas a las variables que intervienen en la resistencia de un elemento estructural afectado por la corrosión, se ha procedido a determinar tanto la resistencia del concreto como del acero de cada uno de los elementos ensayados. En el caso del concreto era necesario caracterizar las bielas de compresión (ver Figura 7). En el acero se obtienen testigos de cada uno de los diámetros que se extraen después de realizados los ensayos en los elementos de las zonas no plastificadas. Para evitar los efectos de la corrosión en la caracterización de las propiedades mecánicas del acero, las armaduras extraídas se mecanizan a un diámetro menor, tal y como se realizó en algunos trabajos previos con estructuras deterioradas7. Las propiedades que se han determinado son, entre otras, el límite elástico, la tensión de rotura y la deformación bajo carga máxima.

Valores de la resistencia a compresión del concreto del informe

Figura 7. Sección de rotura junto con la extracción de un testigo concreto de la zona 2 de la viga 1.

No existe fragilización ni efectos en concentración

Figura 8. Proceso para la extracción de armaduras de acero procedentes de la viga 1.

Proceso para la extracción de armaduras

Figura 9. Ensayo de tracción de barra corroída mecanizada procedente de la viga 1.

En las siguientes tablas se muestran las propiedades de los materiales del informe previo, junto con información hasta la fecha procedente de los materiales de la viga 1.

Propiedades mecánicas del concreto

Tabla 1. Propiedades mecánicas del concreto.

Ambientes marinos: Evaluación estructural de vigas deterioradas por corrosión

Tabla 2. Propiedades mecánicas del acero de armar.

Los valores de la resistencia a compresión del concreto del informe previo presentan una elevada dispersion si los comparamos con los procedentes de la viga 1. Debido a que el trabajo todavía se encuentra en desarrollo, sólo se dispone de información de uno de los ensayos del acero procedentes de la viga 1.

Modelos de resistencia 

El modelo empleado para determinar la resistencia teórica de las vigas se basa en el teorema estático de la teoría de la plasticidad1. Primero se establecen modelos de campos de tensiones determinando las tensiones internas en las secciones críticas a partir de modelos de resistencia simplificados que se encuentran en los códigos estructurales; para la resistencia a flexión se emplea el Eurocódigo 22 y para la evaluación frente a esfuerzos cortantes se emplea el Model Code 20103,4 nivel II, que no tiene en cuenta la contribución del concreto. En dichos modelos se incorporan las propiedades mecánicas y geométricas del acero de armar y del concretoafectado por la corrosión. Es importante destacar que para que se puedan aplicar las consideraciones anteriores es necesario que la adherencia entre el concreto y el acero corroído esté garantizada, por lo cual se realiza una comprobación a posteriori para verificar que es posible desarrollar la fuerza requerida en la armadura.

En cuanto al acero, se establece lo siguiente: no existen ni fragilización ni efectos de concentración de tensiones debidos a la corrosión no uniforme. Esto quiere decir que las propiedades mecánicas del acero sano no se ven afectadas por la corrosión, por lo que para la evaluación únicamente se tienen en cuenta la sección remanente de la armadura y las propiedades mecánicas determinadas en los ensayos. El diagrama de cálculo que se emplea es un diagrama tensión-deformación bilineal con rama horizontal. 

En cuanto al concreto fisurado por la expansión de los productos de corrosión, se deduce un modelo para establecer un límite superior de la resistencia, el cual no tiene en cuenta la posible reducción parcial de la resistencia del concreto en el campo de tensiones de compresión debida a la fisuración del mismo por la expansión de los productos de corrosión. También se deduce un modelo para el límite inferior de la resistencia que prescinde de la contribución parcial del concreto del recubrimiento en la zona comprimida y que se basa en la hipótesis de que el concreto zunchado no se ve afectado por la expansión de los productos de corrosión. Para calcular las tensiones en el concreto se emplea el bloque de tensiones de compresión rectangular uniparamétrico.

En [1] se comprobó que para la resistencia a flexión el modelo de límite superior es el que mejor se ajusta a la realidad, a excepción de los casos en los que se haya producido una delaminación efectiva del recubrimiento. Por otra parte, para la resistencia a cortante se ha comprobado mediante los ensayos procedentes de [8] que presentaban fallos por cortante, que el modelo de límite inferior presenta un mejor ajuste. En la evaluación de la resistencia teórica de las vigas no se emplearon coeficientes parciales ya que no se busca verificar la seguridad estructural sino determinar las incertidumbres de los modelos.

Resultado experimental y evaluación teórica de la viga 1 

El fallo de la viga 1 en el ensayo de flexión en cuatro puntos se produce por mecanismo mixto de flexión y cortante. El fallo comienza en la zona 2 de la viga cerca del punto de aplicación de la carga y finalmente la rotura se produce en la zona 1 de la misma (ver figuras 6a y 6b). La carga de rotura, 2P, es de 101,49 kN.

En la figura 10 se puede observar el comportamiento de la viga 1 durante el ensayo de flexión en cuatro puntos frente a la deformación vertical en uno de los puntos de aplicación de la carga. Se observa un comportamiento bastante dúctil de la estructura a pesar de los daños por corrosión.

Propiedades mecánicas del concreto

Figura 10. Carga frente a la deformación vertical, LVDT-2, en un punto de aplicación de la carga (viga 1).

En el caso de la viga 1, al no apreciarse delaminación del recubrimiento, para evaluar la resistencia a flexión se empleará el modelo de límite superior y para evaluar la resistencia a cortante el modelo del límite inferior.

En la figura 11 se muestra la comparación de la carga de rotura experimental con los valores teóricos obtenidos para las cuatro combinaciones de información sobre la geometría y los materiales: caracterización geométrica inicial e información previa de los materiales; caracterización geométrica inicial e información de los materiales procedente de la viga 1; caracterización geométrica de las secciones críticas e información previa sobre los materiales y, por último, caracterización geométrica de las secciones críticas e información sobre los materiales procedente de la viga 1.


El modelo empleado para determinar la resistencia teórica

Figura 11. Carga de rotura experimental de la viga 1 y de los modelos del límite superior para la resistencia a flexión y del límite inferior para la resistencia a cortante.

La carga mínima obtenida mediante los modelos determina el modo de fallo y la zona de rotura. En tres de los cuatro casos de combinaciones de información el modelo predice de forma adecuada el mecanismo de fallo experimental de la viga 1, que es la rotura en la zona 1. En la evaluación con información de la geometría de las secciones críticas y la información de los materiales procedente del mismo edificio6, el modelo predice la rotura por flexión aunque prácticamente con el mismo valor se estima la rotura en la zona 1. En el caso de la viga 1 se confirma la validez de los modelos obtenidos para vigas de pequeñas dimensiones y sometidas a procedimientos de corrosión acelerada y con armaduras corrugadas. Tanto la representatividad como el rango de validez de dichos modelos se determinarán una vez se finalice la evaluación de todos los elementos del estudio.

En cuanto a la importancia de la adquisición de información para la evaluación estructural, se puede observar que la carga de rotura estimada con la caracterización geométrica inicial y la información de los materiales procedente del mismo edificio es un 33% inferior a la carga de rotura experimental. Si realizamos la evaluación con la geometría inicial y la información de los materiales procedente de la viga1, la carga de rotura estimada es un 23% inferior a la carga de rotura experimental. Si la evaluación se realiza con la geometría de las secciones críticas, la carga de rotura estimada es un 11% inferior a la experimental. Por último, la estimación de la carga de rotura con la geometría de la zona de rotura y la información de los materiales procedente de la viga 1 es un 8% superior a la carga de rotura experimental. Se puede observar un incremento del 63% en la carga de rotura estimada entre el primero y el último paso de la evaluación únicamente mediante una caracterización más exhaustiva tanto de la geometría como de las propiedades de los materiales.

Si se compara la influencia de la incorporación de información actualizada sobre los materiales o sobre la geometría en la carga de rotura estimada, se puede observar que, en el caso de la viga evaluada, si se incorpora información más detallada sobre los materiales se produce un aumento de un 20% en la carga de rotura estimada, mientras que si se incorpora información más detallada sobre la geometría, se produce un aumento del 35% en la carga de rotura estimada.

Referencias

1        MUTTONI A., SHWARTZ, J. & THÜRLIMANN, B., “Design of Concrete Structures with Stress Fields”, Birkhäuser Verlag, Berlin, 1997, 152 pp.

2        AENOR, “UNE EN 1992-1-1. Eurocódigo 2. Proyecto de estructuras de concreto. Parte 1-1. Reglas generales y reglas para edificación”, AENOR, 2013, 241 pp.

FIB, “Fib Bulletin nº 65: Model Code 2010 – Final draft, Volume 1”, Fib, Lausanne, 2012, 350 pp.

FIB, “Fib Bulletin nº 66: Model Code 2010 – Final draft, Volume 2”, Fib, Lausanne, 2012, 370 pp.

3     PRIETO, M. y TANNER, P. “Incertidumbres del modelo de resistencia a flexión para vigas con armaduras corroídas”. En: Asociación Científico Técnica del Concreto Estructural (ed.), Comunicaciones del IV Congreso de ACHE en Valencia 24-27 noviembre, Madrid, 2008.

    GESTIÓN, ORGANIZACIÓN Y CONTROL G.O.C. “Informe de inspección del estado de la estructura de la fábrica Cros en Culleredo (A Coruña). Informe final”, 2001, 67 pp.

5     INSTITUTO DE CIENCIAS DE LA CONSTRUCCIÓN EDUARDO TORROJA “Informe nº 19261-II: Análisis del estado actual de los procesos de deterioro de la cúpula principal de la Catedral de La Laguna”, 2008, 235 pp.

6     RODRIGUEZ J. et al., “The Residual Service Life of Reinforced Concrete Structures. Brite Euram Project BREU-CT-0591,1995.

 

Créditos:

Miguel Prieto, Miguel Allona, Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja.

Peter Tanner, Pablo Anaya,

Fotos y esquemas: Cortesía Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja.

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"En términos generales, el valor de la resistencia de un elemento estructural depende de las características geométricas, de las propiedades de los materiales y del modelo empleado en su determinación".

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Conclusión

A través de la evaluación de una de las vigas ensayadas en este estudio se ha verificado la validez de los modelos obtenidos para evaluar vigas de pequeñas dimensiones, con armaduras corrugadas y sometidas a procesos de corrosión acelerada, para evaluar vigas de grandes dimensiones sometidas a procesos de corrosión natural. Es necesario determinar tanto la representatividad como la validez de dichos modelos mediante la evaluación de todos los elementos de este estudio.

También se ha observado la importancia de la adquisición de información en el contexto de una evaluación estructural. La incorporación de información actualizada sobre las variables que influyen en la resistencia de un elemento incrementa notablemente la estimación de la carga de rotura. La evaluación de todas las vigas de este estudio permitirá cuantificar la influencia de cada una de estas variables. Es decir, es necesario realizar una evaluación más detallada para que las intervenciones, cuando sean necesarias, resulten menos costosas. Una vez se concluya este trabajo, el procedimiento descrito se podrá emplear en la evaluación de la seguridad estructural de estructuras de concreto armado con elementos deteriorados por corrosión.

 

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