Avances en Especificaciones de Durabilidad de estructuras

Avances en Especificaciones de Durabilidad de estructuras de Concreto

Ing. Carlos Alberto Arcila López [email protected]

Problemática de las normativas de durabilidad en nuestros países Ingeniería estructural

?

Ingeniería de materiales

Esta división ha generado un atraso considerable en el tema de normativa de durabilidad!

Normativa de durabilidad en nuestros países

Cómo generar normativa de durabilidad local? • Devolviendo al pensum de las carreras afines con la construcción el estudio de los materiales • Llevando a cabo investigación de cierto nivel con los materiales locales y las condiciones locales • Favoreciendo la realización de seminarios dedicados al tema donde se expongan los resultados.

El avance de la normativa de durabilidad

Concretos por desempeño •Prescripciones •Recomendaciones técnicas

Problemas de las prescripciones de mezcla para cumplir con durabilidad

Cuatro mezclas con igual relación agua/cementante pueden mostrar diferente desempeño en pruebas de durabilidad, dependiendo de la composición del material cementante (cemento + adición puzolánica).

RCPT: Permeabilidad Rápida a Cloruros


•Diseño de concretos por desempeño

•Carbonatación acelerada


•Diseño de concretos por desempeño

•Permeabilidad Rápída a Cloruros

El avance de la normativa de durabilidad •Diseño de concretos por desempeño

Humo de sílice

•Ataque de sulfatos

Problemas congénitos en las estructuras y sus causas

Diseño Materiales

44% 18%

Ejecución

Rara vez se lleva a cabo en obras de concreto

28%

Problemas congénitos

Mantenimiento

Diseño moderno de estructuras de concreto reforzado

Cargas estáticas

Cargas dinámicas

Condiciones de exposición

Cuando se olvida analizar el ataque del medio ambiente y generar especificaciones para contrarrestarlo, sobreviene el deterioro!

Proyecto Integral Diseño Arquitectónico

Ingeniería de diseño estructural Normativa Internacional

Ingeniería de materiales Normativa local

Procedimientos de construcción

Diseño moderno de estructuras de concreto reforzado

Conclusiones Muchas estructuras se deterioran a diario no por errores en el diseño estructural… simplemente por falta de las recomendaciones apropiadas para hacerlas durables! Para poder hacer recomendaciones apropiadas : Debe existir una normativa local amplia y que cobije los principales ataques del medio donde se aplica. Debe ser clara y entendible por “no iniciados”. Debe ser factible llevar a la práctica sus exigencias (técnico y económico).

EHE- Vida útil de PROYECTO !

Tipo

Clase

1

Estructuras temporales

2

Partes estructurales reemplazables

3

Estructuras marítimas

4

Edificaciones para Vivienda y Oficinas

5

Edificaciones para Salud y Educación Puentes con luz > 10 m y otras estructuras de repercusión económica importante

6

Vida útil de proyecto (años) 0-3 25 50 50 100 100

Especificaciones de Hormigón Estructural, España, Ministerio de Fomento

Requerimientos para la construcción de estructuras durables • De la propiedad • Normas provenientes de institutos (ICONTEC, INVIAS, IDU, Empresas Públicas, etc) • Norma Sismorresistente NSR-10 • ACI-318 • Manual of Concrete Practice • Normativa sectorial (Tanques, Tuberías, Puentes, Prefabricados, etc) • Especificaciones de los diseñadores

ACI 318 y su impacto en la durabilidad

•

Importante documento en lo que se refiere al diseño estructural

•

Sus recomendaciones para construir estructuras durables parecen cobijar los principales ataques en Norteamérica, pero no satisfacen las condiciones del trópico y no tienen por qué hacerlo!

•

El error es de los países que adoptan un código extranjero sin “adaptarlo” donde sea necesario!

Mirémoslo en detalle…

Ataques típicos para las estructuras de concreto reforzado

Cloruros

Electroquímico

Carbonatación Sulfatos (Agua-Suelo)

Químico

Acidez (Agua-Suelo) CO2, Amonio, Magnesio Residuo seco (Agua) Álcali-Agregado Hielo - Deshielo

Físico

Desgaste-Abrasión

Humedad

Ataques típicos para las estructuras de concreto reforzado

(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Cloruros

C

Carbonatación

?

Electroquímico Químico Físico

Sulfatos (AguaSuelo) Hielo - Deshielo

S F

Humedad

P

(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad

Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES Categoría

C Protección del Refuerzo contra la Corrosión

Severidad

Clase

No aplicable

C0

Concreto seco o protegido de la humedad

Moderado

C1

Concreto expuesto a la humedad pero no a fuentes externas de cloruros

C2

Concreto expuesto a la humedad y a fuentes externas de cloruros provenientes de químicos anticongelantes, sales, agua salobre, agua de mar o aerosol proveniente de estas fuentes.

Severo

Condición



S Sulfatos

Severidad

Condición

Clase

Sulfato soluble e

Sulfato (SO4) soluble en agua presente en el suelo (% en peso)

Sulfato (SO4) disuelto en agua (ppm)

No aplicable Moderado

S0 S1

SO4 < 0,10 0,10< SO4 < 0,20

SO4 < 150 150< SO4 < 1500

Severo

S2

0,20< SO4 < 2,00

1500< SO4 < 10.000

Muy severo

S3

SO4 >2,00

SO4 > 10.000

Nota: el agua de mar → Clase S1



Severidad

Clase

No aplicable

F0

Concreto no expuesto a ciclos de hielo- Deshielo

Moderado

F1

Concreto expuesto a ciclos de Hielo-Deshielo y ocasionalmente expuesto a la humedad

Severo

F2

Concreto expuesto a ciclos de Hielo-Deshielo y en contacto continuo con la humedad

F3

Concreto expuesto a ciclos de Hielo-Deshielo, en contacto continuo con la humedad y expuesto a agentes químicos que evitan el congelamiento

F Hielo y Deshielo

Muy severo

Condición



Severidad

Clase

Condición

P

No aplicable

P0

Concreto en contacto con agua y que no requiere baja permeabilidad

Moderado

P1

Concreto en contacto con agua donde se requiere baja permeabilidad

Estructuras que requieren baja permeabilidad


Carbonatación • No aparece contemplado tampoco este ataque en el Capítulo C.4 de la nueva normativa del ACI-308-08 • No existe este tipo de ataque en Norteamérica? • El uso de cementos adicionados no ha sido generalizado en los E.E.U.U y esto puede haber paliado el efecto • Estiman que con las cuatro categorías contempladas es suficiente para abarcar los ataques más comunes en USA? • Los cloruros provenientes de las sales de deshielo causan más corrosión que la carbonatación, y este problema se da también en el interior.

Lo raro es que, en el mundo, prácticamente no hay norma de durabilidad del concreto que no lo contemple…

(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Mecánica de la Corrosión del acero de refuerzo 1. El acero pierde su condición pasiva debido a una o las dos causas siguientes: A. Una cuantía crítica de cloruros alcanza el acero de refuerzo B. El frente de carbonatación alcanza las barras 2. Existe suficiente cantidad de humedad disponible 3. Hay disponibilidad de oxígeno

Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio

Tanque agua potable en ambiente marino. Manaure.


Coliseo deportivo, Tunja


Estadio de Fútbol, Cúcuta


Columna cerramiento, Manizales


Edificio Avianca, Bogotá


Estructura en instalación petrolera, Barrancabermeja


Tanque aguas industriales, Duitama


Cementera Costa Caribe


Bodega Fertilizantes Buenaventura


Conclusión:

La carbonatación existe! El ataque químico existe!


Miremos, a la luz de la normativa del ACI-308-08 la situación de una estructura situada en el interior del país o alejada del ambiente marino más de 500 m: Por ejemplo: un edificio, un puente, un silo, una chimenea, etc Categoría

Descripción

Clase

Severidad

C

Corrosión

C0,C1

No aplicable, Moderado

S

Sulfatos

S0

No aplicable

F

Hielo-Deshielo

F0

No aplicable

P

Permeabilidad

P0

No aplicable

Concluiría uno, de acuerdo al ACI, que no se requiere de especificaciones por durabilidad para el interior del país!

(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES Categoría

C Protección del Refuerzo contra la Corrosión

Severidad

Clase

No aplicable

C0

Concreto seco o protegido de la humedad

Moderado

C1

Concreto expuesto a la humedad pero no a fuentes externas de cloruros

C2

Concreto expuesto a la humedad y a fuentes externas de cloruros provenientes de químicos anticongelantes, sales, agua salobre, agua de mar o aerosol proveniente de estas fuentes.

Severo

Condición

Nota: se podría pensar que en la Categoría C1 está cobijada la carbonatación… pero: •Lo que se aplica al control de cloruros no siempre es apropiado para enfrentar carbonatación! •Incluso una estructura no expuesta a la humedad se carbonata!

(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.3.1- REQUERIMIENTOS PARA EL CONCRETO DE ACUERDO CON LA CLASE DE EXPOSICION Clase de exposición

Máx Relac a/cm

Mínima Resistencia Mpa

Requisitos mínimos adicionales

Contenido máximo de ión cloruro soluble en agua en el concreto (% Peso Cemento) Concreto Reforzado

Concreto pretensado

C0

N/A

17.5

1

0.06

C1

N/A

17.5

0.3

0.06

C2

0.40

38

0.15

0.06

Otros requisitos relacionados

Ninguno Ninguno 7.7.6, 18.16#

Definitivamente la categoría C, está prevista para ataque de cloruros! Las especificaciones mínimas para C0 y C1 las cumple un mortero de mampostería! Y la especificación para estructuras expuestas al ataque de cloruros (C2) no contempla grados de exposición, obligará entonces a a construirlas todas con 38 Mpa y a/cm de 0,40?

La porosidad del concreto y su influencia en la durabilidad


Tabla 4.3.1- REQUERIMIENTOS PARA EL CONCRETO DE ACUERDO CON LA CLASE DE EXPOSICION Clase de exposición

F0 F1 F2 F3

Máx Relac a/cm



Contenido de aire

Límites a los materiales cementantes

N/A

17.5

N/A

N/A

0.45

31.5

Tabla 4.4.1

N/A

0.45

31.5

Tabla 4.4.1

N/A

0.45

31.5

Tabla 4.4.1

Tabla 4.4.2

Útil para especificar concretos en cavas y cuartos fríos

(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.3.1- REQUERIMIENTOS PARA EL CONCRETO DE ACUERDO CON LA CLASE DE EXPOSICION Clase de exposición

Máx Relac a/cm



Material cementante, Tipos

ASTM C 150

N/A

17.5

S1

0.5

28

S2

0.45

31.5

S3

0.45

31.5

S0

Ninguna restricción

ASTM C 595

ASTM C 1157

Ninguna Ninguna restricción restricción

Aditivo con Cloruro de Calcio Ninguna restricción

IP(MS), Ninguna MS IS(<70) restricción (MS) IP(HS), HS No se permite IS(<70) V‡ (HS) IP(HS) + puzolana o escoria§ o HS + V+ Puzolana o IS(<70) Puzolana o No se permite escoria escoria§ (HS) + puzolana o escoria§ II†‡

Nota: ya era hora de que el ACI proscribiera los aditivos con cloruros, Europa lo hizo hace más de 20 años!

?


Clase de exposición

Máx Relac a/cm



P0 P1

N/A

17,5

Ninguno

0,5

28

Ninguno


Tabla R43.1- Límites de cloruros para construcciones nuevas Tipo de construcción y condición

Límite de cloruros, % en masa Método de ensayo Soluble en ácido Soluble en agua ASTM C 1152 ASTM C 1218 Soxhlet*

Concreto pretensado

0,08

0,06

0,06

Concreto reforzado que va a estar húmedo en servicio

0,1

0,08

0,08

Concreto reforzado que va a estar seco en servicio

0,2

0,15

0,15

Adaptado de la Tabla 3.1 del ACI 222 R


Tabla 4.4.1: Contenido de aire para concreto expuesto a Hielo - Deshielo Contenido de Aire (%) Tamaño Máximo Clase de Nominal del exposición F1 Agregado, mm

9.5 12.5 19 25.4 37.5 50,8† 76,4†

6 5.5 5 4.5 4.5 4 3.5

Clases de exposición F2 y F3

7.5 7 6 6 5.5 5 4.5

Tolerancias?


Tabla 4.4.2 - REQUERIMIENTOS PARA CONCRETO SOMETIDO A LA CLASE DE EXPOSICION F3 Material cementante

Máximo % en peso del total de material cementante

Ceniza volante u otro material que cumpla ASTM C618

25

Escoria que cumpla ASTM C989

50

Humo de sílice que cumpla ASTM C1240

10

Total de ceniza volante u otras puzolanas, escoria y humo de sílice

50†

Total de ceniza volante u otras puzolanas y humo de sílice

35†

†La ceniza volante u otras puzolanas y la microsílica no deben constituir más del 25% y 10% respectivamente del peso total de los materiales cementantes


Tabla 4.5.1- Requerimientos para establecer la conveniencia de combinaciones de materiales cementantes expuestos a sulfato soluble en agua Clase de exposición

Máxima expansión al ensayar usando ASTM C 1012 A los 6 meses

S1

0,10%

S2

0,05%

S3

A los 12 meses

A los 18 meses

0,10%* 0,10*

*El límite de expansión a 12 meses aplica sólo cuando se ha excedido la expansión a 6 meses

Ej: Caso en que se controle el ataque de sulfatos mediante la adición de humo de sílice

Normativa actual para el diseño de estructuras durables

NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto

Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto

Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES Categoría

1

Severidad No aplicable

Clase 1

Condición Ningún riesgo de corrosión o de ataque. Concreto en masa sin refuerzo

En cierta forma corresponde a todas las clases C0, F0, S0 y P0 del ACI 318-08



K (2) Carbonatación

Severidad

Clase

Condición

Bajo

2.1

Humedad alta

Moderado

2.2

Humedecimiento-secado

Severo

2.3

Humedad media


Categoría

C(3) Cloruros

Severidad

Clase

Condición

Bajo

3.1

Sumergida

Moderado

3.2

Aérea

Severo

3.3

Zona de cambio de mareas

Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES Categoría (4) Cloruros de origen distinto al marino

Categoría

F3 (5) Hielo-Deshielo

Severidad

Clase

Condición

Moderado

4.1

Humedad moderada

Severo

4.2

Humedad alta

Muy severo

4.3

Ciclos de humedecimiento-secado

Severidad

Clase

Condición

Severo

5.1

Concreto en contacto con agua y con probabilidad mayor al 50% de alcanzar una vez al año temperaturas por debajo de -5oC



(6) Ataque químico

Severidad

Clase

Débil

6.1

Medio

6.1

Fuerte

6.1

Condición Concreto expuestos a químicos con velocidad de ataque lenta Concreto expuestos a químicos con velocidad de ataque media Elementos expuestos a fuertes alteraciones del concreto

La valoración del grado de ataque (Clase) se hace con la Tabla 2

Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 2- CLASIFICACION DE LA AGRESIVIDAD QUIMICA Tipo de medio

Parámetros

AGUA AGUA AGUA AGUA AGUA AGUA

Valor del pH CO2 Disuelto (mg/l) Ión Amonio, NH4+ (mg/l) Ión Magnesio, Mg2+ (mg/l) Ión Sulfato, SO42- (mg/l) Residuo Seco (mg/l) Grado de acidez BaumannGully Ión Sulfato, SO42- (mg/kg de suelo seco)

SUELO SUELO

6.1 Ataque débil 6,5 - 5,5 15-40 15-30 300-1000 200-600 75-150

SUBCLASE 6.2 Ataque medio 5,5 - 4,5 40-100 30-60 1000-3000 600-3000 50-75

6.3 Ataque fuerte <4,5 >100 >60 >3000 >3000 >50

3000-12000

>12000

>20 2000-3000

Requerimientos mínimos del concreto NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto

Carbonatación Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto


Máxima relación a/mc

Mínima resistencia (Mpa)


2.1

0,60

24

Mínimo 300 kg/m de cementante

2.2

0,55

28

Mínimo 300 kg/m3 de cementante

2.3

0,50

28


3


Cloruros de origen marino Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto





3.1

0,50

28

3 Mínimo 300 kg/m de cementante

3.2

0,45

35


3.3

0,40

35


3


Cloruros de otro origen Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto



Mínima resistencia (MPa)


4.1

0,55 / 0,50

28


4.2

0,55 /0,45

28


4.3

0,45 /0,45

35


Hielo - Deshielo Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición




5

0.45

31



Ataque químico Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto




6.1

0,50 / 0,45

31


6.2

0,50 / 0,45

35


6.3


3

3

Mínimo 340 kg/m de cementante 0,45 / 0,45 35 * Para ataque de sulfatos usar Cemento Tipo II, V , cementos adicionados con puzolanas o una adecuada dosis de humo de sílice. ** Contenido de aire según Tabla 4.


Tabla 4. Requisitos de contenido de aire total para concretos con aire incorporado Contenido de aire Contenido de aire Tamaño Máx Nominal para ambientes: 5.2, para ambientes 4.1 5.3, 4.2, 4.3, 5, 6.2 y del Agregado y 6.1 6.3 9,5 7,5% 6,0% 12,7 7,0% 5,5% 19,1 6,0% 5,0% 25,4 38,1 50,8 76,2

6,0% 5,5% 5,0% 4,5%

4,5% 4,5% 4,0% 3,5%

Tolerancias ±1,5% ±1,5% ±1,5% ±1,5% ±1,5% ±1,5% ±1,5%


Tabla 6. Máximo contenido de ión cloruro para protección contra la corrosión Tipo de elemento

Contenido máximo de ión cloruro soluble en agua (% del Peso del cemento)

Concreto preesforzado

0,06

Concreto reforzado expuesto al cloruro en servicio

0,15

Concreto reforzado que estará seco o protegido de la humedad en servicio

1,00

Otros tipos de construcción en concreto reforzado

0,30


Ancho máximo de fisura en estructuras de concreto reforzado Tipo de 1 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 Ambiente Abertura máx. 0.4 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.2 0.3 0.3 0.2 de fisuras (mm)

5.1

6.1 6.2 6.3

7

0.2

0.2 0.2 0.2 0.4

Conclusiones 1.

La práctica actual del diseño y construcción de estructuras durables exige que se definan claramente parámetros de diseño acordes con la realidad nacional.

2.

La Normativa del ACI 318-08 cobija los problemas de un extenso país que sufre estaciones climáticas marcadas, lo cual no es el caso de Colombia.

3.

La Norma NTC 5551-07 recoge las recomendaciones que se hacen a nivel mundial en el tema de durabilidad. Contempla los ataques más frecuentes en nuestro medio y consigna razonables requerimientos para extender la vida útil de las estructuras de concreto.

4.

Haciendo un comparativo entre categorías de ataque y requerimientos de las dos normas citadas, se ve que resultaría muy fácil armonizarlas y complementarlas para llevar a cabo, así, una modificación del actual Capítulo C.4 de la NSR-98 acorde con las necesidades del país.

Gracias por su atención! [email protected]

Avances en Especificaciones de Durabilidad de estructuras

Recommend Documents