Patología de Estructuras de Concreto

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2 Las informaciones y conceptos expresados en esta conferencia se hacen con el propósito de divulgar e informar de manera general sobre los temas relacionados con el concreto. ASOCRETO no es ni pretende ser asesor de proyectos específicos. Cualquier duda en relación con obras específicas debe ser consultada por el interesado con los diseñadores e interventores de la respectiva obra. El uso que se haga de las informaciones y conceptos aquí expresados no conllevan responsabilidad alguna para ASOCRETO ni para los conferencistas, ya que debe ser utilizada por personas idóneas bajo su responsabilidad y criterio. Esta información no sustituye las funciones y obligaciones de las personas contractualmente responsables de la concepción, ejecución y vigilancia de los respectivos proyectos. Los conceptos expresados no son asesoría para una obra en particular.

3 Patología de Estructuras de Concreto DIAGNÓSTICO ESTRUCTURAL MEDIANTE ENSAYOS DE CARGA IN-SITU Gustavo Tumialan Simpson Gumpertz & Heger Conferencia Patrocinada por:

4 Introducción AGENDA Que son, cuando usarlas, beneficios Métodos de Pruebas de Cargas Prueba de Carga Monotónica Prueba de Carga Cíclica (Norma ACI 562) Building Code Requirements for Repair of Existing Concrete Structures Estudios de Casos (Proyectos) Parqueaderos, Estadio, Puente Futuro en las pruebas de carga

5 INTRODUCCION Breve Historia Herramienta usada en el diagnostico estructural por muchas décadas (sino siglos) Evidencia de pruebas de carga realizadas en los Estados Unidos en los años 1890 Pruebas de control de calidad Sistemas de concreto reforzado de marca registrada Ej. Turner System of Concrete Steel Construction 1909 Objetivos de las Pruebas de Carga: Asegurarse que la construcción fuese realizada adecuadamente Asegurarse que la estructura pueda resistir las cargas de diseño Inicialmente no existían normas para pruebas de carga Primeras recomendaciones del ACI en 1916

6 Pruebas de Carga Turner System

7 INTRODUCCION Qué es una prueba de carga? Cuando se puede requerir una prueba de carga? En que etapa de los proyectos de evaluación, reparación y rehabilitación se puede usar una prueba de carga? Cuándo no o si se debería hacer una prueba de carga?

8 INTRODUCCION Qué es una prueba de carga? Herramienta de ayuda para el diagnostico estructural Prueba de laboratorio in-situ Evaluación de la respuesta de una estructura a cargas aplicadas para llegar a un diagnostico respecto a su desempeño Magnitud de las cargas aplicadas son cercanas a las cargas de diseño (cargas factoradas) Cargas son aplicadas por medio de pesos muertos o gatos hidráulicos

9 INTRODUCCION Cuando se puede requerir una prueba de carga? Incertidumbre acerca del comportamiento de una estructura Análisis estructurales no son concluyentes No remplaza al análisis estructural complementa Gran mayoría de las evaluaciones estructurales no requieren pruebas de carga

10 INTRODUCCION Qué se puede lograr con una prueba de carga? Evaluar la suficiencia de elementos estructurales sospechosos Deterioro, errores de diseño o construcción Establecer si un elemento estructural requiere reforzamiento Cambio de uso de la estructura Aumento de carga viva Verificar la efectividad del reforzamiento estructural Teoría vs. Realidad Obtener información acerca del comportamiento estructural Calibración de modelos estructurales Condiciones de borde, distribución de cargas

11 INTRODUCCION En que etapa de los proyectos de evaluación, reparación y rehabilitación se puede usar una prueba de carga? Cuáles son la etapas/fases de un proyectos de evaluación, reparación y rehabilitación estructural? Fase I: Investigación / Patología Estructural Corta duración Responsable: Ingeniero Fase II: Intervención / Remediación Estructural Depende de resultados de Fase II Responsable: Contratista e Ingeniero Fase III: Mantenimiento de la estructura reparada Continua Responsable: Dueño

12 INVESTIGACION, REPARACION Y REHABILITACION ESTRUCTURAL Estructura = Paciente de concreto, acero, mampostería o madera I 1. Observar y analizar la estructura Determinar la condición existente: levantamientos, ensayos, análisis estructurales 2. Diagnosticar el problema(s) Encontrar la causa 3. Establecer el tipo y grado de intervención estructural Tipo de reforzamiento Rehabilitación local o global Pruebas de Carga Pruebas de Carga II III 4. Implementar las acciones para rehabilitar la estructura Tratar la causa, no solo los síntomas 5. Establecer un programa de mantenimiento para la estructura Evitar problemas en el futuro

13 INTRODUCCION Cuándo no o si se debería hacer una prueba de carga? Estructura con deterioro severo

14 INTRODUCCION Cuándo no o si se debería hacer una prueba de carga? Concreto con resistencia a la compresión (f c) menor a la especificada? Vigas: Probablemente Falla al corte puede controlar (falla frágil) Resistencia al corte se reduce significativamente debido a un bajo f c

15 INTRODUCCION Cuándo no o si se debería hacer una prueba de carga? Concreto con resistencia a la compresión (f c) menor a la especificada? Losas reforzadas en un sentido: Probablemente Losas Muros Falla a la flexión controla (falla dúctil) Resistencia a la flexión no cambia significativamente debido al bajo f c Pero deflexiones aumentan

16 METODOS DE PRUEBAS DE CARGA Prueba de Carga Monotonica Carga aplicada progresivamente y sostenida por 24 horas Carga aplicada con pesos muertos o gatos hidráulicos Cargar y esperar Prueba de Carga Cíclica Carga aplicada en ciclos de carga y descarga Carga no necesita ser sostenida por 24 horas Carga aplicada con gatos hidráulicos Cargar-y analizar

17 PRUEBA DE CARGA MONOTONICA Normas: ACI 318 (Capitulo 20) En Colombia: NSR-10 (Capitulo C.20) Combinaciones de carga (carga aplicada) 1.15D + 1.5L + 0.4(Lr o S o R) 1.15D + 0.9L + 1.5(Lr o S o R) 1.3D Criterios de Aceptación: Deflexión máxima max l 2 t 20,000h Deflexión residual máxima r max 4 max

18 Cargas Muertas Bolsas con arena Cilindros con agua

19 PRUEBA DE CARGA CÍCLICA Recomendaciones (no Norma): ACI 437.1R-07 Load Tests of Concrete Structures: Methods, Magnitude, Protocols, and Acceptance Criteria Combinaciones de carga: 1.3(DW + DS) 1.0 DW DS L + 0.5(Lr or S or R) 1.0 DW DS (Lr or S or R) L Criterios de Aceptación: Repetibilidad Permanencia Desviación de la Linealidad Gatos hidráulicos

20 PRUEBA MODIFICADA DE CARGA CÍCLICA Hibrido entre métodos de cargas cíclica y monotonica 1. Ciclos de carga y descarga 2. Carga sostenida por 24 horas Norma: ACI 437: Code Requirements for Load Testing of Concrete Members of Existing Buildings Fecha de Publicación: 2013 Referido por ACI 562 Nueva norma para reparación de estructuras de concreto

21 NORMA ACI 562 El concreto es durable pero no eterno Resistencia incrementa con el tiempo Deterioro incrementa con el tiempo El costo anual de reparación de edificios y parqueaderos en los Estados Unidos es estimado en $2.5 a $3 billones Reparación de Concreto: Arte (creatividad) + Ciencia (análisis) = Reparación exitosa Métodos de evaluación, rehabilitación y reparación varían ampliamente No existen normas que definan los estándares Comité 562 del ACI Evaluation, Repair, and Rehabilitation of Concrete Buildings (2006)

22 Comité ACI 562 Misión: desarrollar una norma para la evaluación, reparación y rehabilitación de edificaciones de concreto Definir los estándares de la industria Elevar el nivel de las reparaciones estructurales: procedimientos para la evaluación, análisis y diseño, selección de materiales, inspecciones Building Code Requirements for Repair of Concrete Structures Miembros: ingenieros, contratistas, fabricantes, profesores ACI 318 para Reparación del Concreto

23 Comité ACI 562 Proyectos de Reparación y Rehabilitación Premisa: no se intenta crear una estructura nueva Lograr que la estructura sea segura Extender la vida útil de la estructura Norma ACI 562 diseño por desempeño Reconoce que hay varias soluciones para un problema Existen muchas permutaciones entre materiales nuevos y existentes No limitar la creatividad en el diseño e implementación de las reparaciones Dar flexibilidad al ingeniero pero asegurándose que la estructura sea segura después de las reparaciones Referencias: documentos del ACI, ICRI y otras organizaciones ACI 437 Code Requirements for Load Testing of Concrete Members of Existing Buildings

24 Fecha de publicación: 2013 CONTENIDO Chapter 1 General Requirements Chapter 2 Notation and Definitions Chapter 3 Referenced Standards Chapter 4 Basis for Compliance Chapter 5 Loads, Load Combinations, and Strength-Reduction Factors Chapter 6 Evaluation and Analysis Chapter 7 Design of Structural Repairs Chapter 8 Durability Chapter 9 Construction Chapter 10 Quality Assurance Chapter 11 Commentary References

25 ESTUDIOS DE CASOS 1. Parqueadero en Kansas City 2. Parqueadero en Boston 3. Graderías de un estadio 4. Estructura de un estadio carga lateral 5. Calzadas de un puente

26 CASO 1: Parqueadero de Losas de Concreto Post-Tensado LA ESTRUCTURA Parqueadero de un complejo de apartamentos en Kansas City, Missouri Estructura de cuatro niveles construida en 1999 Losas de Concreto Post-tensado

27 EL PROBLEMA Problema estructural Resistencia a la flexión y al corte por punzonamiento insuficiente Las losas requerían ser reforzadas Fisuras Fisuras Deformaciones

28 Problema causado por errores de construcción en la colocación de los cables 3 cm. especificado vs. 8 cm. colocado en una losa de 15 cm. de espesor!! Parte superior de la losa Parte inferior de la losa Cables de post-tensado Pruebas con el GPR

29 LA SOLUCION Reforzamiento estructural Alternativa 1 Capiteles de Concreto Alternativa 2 CFRP Efectividad comprobada Mas cara Tiempo de construcción se incrementa Mas económica (50% de Alternativa 1) Tiempo de construcción se reduce Efectividad no comprobada Prueba de carga para demostrar efectividad

30 OBJETIVOS DE LAS PRUEBAS DE CARGA 1. Verificar que el reforzamiento funciona Capiteles vs. CFRP 2. Validar el método de diseño ACI 440 (Reforzamiento con FRP) no contempla reforzamiento de losas post-tensadas 3. Reajustar el presupuesto del proyecto FRP mas económico = ahorros para el proyecto

31 Muestras para las Pruebas Alternativa 1 Capitel de concreto (Simulación) Alternativa 2 Laminas de CFRP

32 Montaje para las Pruebas de Carga Cíclica Montaje Push Down Niveles de Reacción Losa Ensayada Gatos Hidráulicos Instrumentación

33 Montaje para las Pruebas de Carga Nivel 3 Reacción Nivel 2 Losa de Prueba Nivel 4 Reacción

34 Nivel 1 Instrumentación Instrumentación

35 RESULTADOS Y CONCLUSIONES Alternativa 1 Capiteles de Concreto Alternativa 2 CFRP CFRP es efectivo para reforzar las losas por flexión y para prevenir fallas debido al corte por punzonamiento Reforzar muchas áreas que requerían capiteles con CFRP Beneficios para el dueño Ahorros: 300,000 dólares Costo del proyecto: 2 millones de dólares

36 CASO 2: Parqueadero de Losas de Concreto Reforzado LA ESTRUCTURA Parqueadero de dos niveles en Boston, Massachusetts Estructura construida en 1983

37 EL PROBLEMA Problema estructural Resistencia a la flexión insuficiente Deflexiones notorias Problema causado por errores de construcción en la colocación del refuerzo 2 cm. especificado vs. 10 cm. colocado en una losa de 20 cm. de espesor!! Fisuras Deflexiones

38 LA SOLUCION Reforzamiento estructural Reforzamiento con Varillas de CFRP Alternativa practica Tiempo de construcción reducido Prueba de carga para demostrar efectividad del reforzamiento

39 OBJETIVOS DE LAS PRUEBAS DE CARGA 1. Verificar que el reforzamiento es eficiente para aumentar la resistencia a la flexión de las losas 2. Validar el método de diseño ACI 440 (Reforzamiento con FRP) no contemplaba el reforzamiento con varillas

40 Montaje para las Pruebas de Carga Cíclica Montaje Pull Down Losa Ensayada Gatos Hidráulicos Instrumentación Mini-pilotes

41 Montaje para las Pruebas de Carga Gatos Hidráulicos Nivel 2 Losa de Prueba

42 Montaje para las Pruebas de Carga Vigas de acero conectadas a mini-pilotes Nivel 1 Reacción

43 RESULTADOS Y CONCLUSIONES Reforzamiento con varillas de CFRP fue efectivo para reforzar las losas Eficientes en coser las grietas existentes Alternativa económica Dirección Este-Oeste Dirección Norte-Sur 0.85(1.4DL+1.7LL) 0.85(1.4DL+1.7LL) 1.2DL+0.85LL 1.2DL+0.85LL

44 CASO 3: Estadio de Futbol Graderías de Concreto LA ESTRUCTURA Estructura de concreto armado construida en 1930 Estadio renovado en 1996 Construcción de una estructura de concreto prefabricado (Bandeja superior)

45 LA ESTRUCTURA Junta de Expansión Graderia Junta de Expansión Viga Viga Viga

46 EL PROBLEMA Deterioro del concreto Delaminaciones debido a ciclos de hielo y deshielo

47 EL PROBLEMA Ensayos No Destructivos Respuesta Impulso Resultado: Grados variables de deterioro del concreto

48 EL PROBLEMA Incertidumbre respecto a la suficiencia estructural de las graderías para soportar cargas vivas (publico)

49 LA SOLUCION Reparar las graderías Solución obvia Toma tiempo mientras tanto? No usar algunas tribunas? Improbable Pruebas de carga para determinar si las graderías eran seguras OBJETIVO DE LAS PRUEBAS DE CARGA 1. Determinar si las graderías eran seguras para resistir las cargas vivas (publico) 2. Relacionar la respuesta estructural al deterioro de concreto

50 Montaje para las Pruebas de Carga Monotonica

51 RESULTADOS Y CONCLUSIONES Las graderías eran seguras para resistir las cargas vivas (publico) Recomendaciones: Permitir el uso de las tribunas durante la temporada de futbol Empezar reparaciones cuando la temporada acabe Deflexiones

52 CASO 4: Estadio de Futbol Sistema Lateral LA ESTRUCTURA Renovaciones de 1996 Construcción de una estructura de concreto prefabricado (Bandeja superior) Alteraciones de los muros de mampostería

53 EL PROBLEMA El sistema estructural resistente a cargas laterales fue aparentemente debilitado por las renovaciones de investigación por otros Alteraciones a los muros de mampostería La estructura no era adecuada para resistir la carga lateral ocasionada por el movimiento del publico (carga de balanceo = 36 kg/m por grada) Norma ASCE 7 Requería reforzamiento del sistema resistente a fuerzas laterales Costo: 2 millones de dólares aproximadamente

54 Reparaciones Recomendadas por Otros Ensanchamiento de Vigas y Columnas Instalación de Estructura Metálica

55 LA SOLUCION Refinar el análisis estructural Justificar que el reforzamiento no era necesario Pruebas de carga lateral para complementar el análisis estructural OBJETIVO DE LAS PRUEBAS DE CARGA 1. Determinar que la estructura es adecuada para resistir las cargas laterales Usar los resultados de las pruebas de carga para calibrar los modelos estructurales

56 De donde sale este requerimiento de la Norma? Sway Load = 24 lb/ft (36 kg/m) La carga está basada en la fuerza creada por nueve personas a las que les pidieron desarrollar su máximo esfuerzo al unísono para crear la máxima fuerza horizontal posible Abril de 1932

57 Pareciese una carga apropiada para estructuras metálicas Pero!! Hinchada de Boca Juniors

58 Montaje para las Pruebas de Carga Lateral Cargas Uniformes Secciones para las pruebas de carga Cargas para Prueba de Carga

59 Montaje para las Pruebas de Carga Lateral Cíclica

60 Montaje para las Pruebas de Carga Lateral Cíclica 8 9

61 Monitoreo durante partidos Frecuencias indicaban que el desplazamiento lateral era menor que al desplazamiento de las pruebas de carga La estructura muy probablemente no ve la carga lateral de 24 lb/ft (36 kg/m) Equipo para monitorear la vibración

62 Displacement (in) Lateral Load (lbs) RESULTADOS Análisis Estructurales Section 9 Section Displacement (in) Sin muros de mampostería Load Test Results Analytical (With Wall) Analytical (Without Wall) Con muros de mampostería D E F G Column Line

63 RESULTADOS Y CONCLUSIONES Análisis estructurales demostraron que la estructura podía resistir la carga lateral Análisis complementado por la prueba de carga lateral No se requería reforzamiento lateral Ahorros de 2 millones de dólares

64 CASO 5: Calzadas del Puente Longfellow LA ESTRUCTURA Estructura en Boston construida en los años 1910

65 LA ESTRUCTURA Arcos de acero soportados por pilares de mampostería Puente para vehículos, tren urbano y personas

66 EL PROBLEMA Elementos estructurales severamente deteriorados debido a corrosión

67 EL PROBLEMA Incertidumbre respecto a la estructura de las calzadas para soportar cargas vivas (personas) 500 kg/m 2

68 EL PROBLEMA Riesgo de falla o colapso durante las celebraciones del 4 de Julio

69 EL PROBLEMA Evaluación de Cargas Vivas 300 kg/m kg/m kg/m 2 Publico en un 4 de Julio 250 kg/m kg/m 2

70 LA SOLUCION Reparar la estructura Solución obvia Toma tiempo mientras tanto? Prueba de carga para determinar si las calzadas eran seguras OBJETIVOS DE LAS PRUEBAS DE CARGA 1. Determinar si las calzadas eran seguras para resistir las cargas vivas (publico) 2. Verificar modelos analíticos

71 Calzada Ensayada Montaje para las Pruebas de Carga Cíclica Montaje Pull Down Gatos Hidráulicos Instrumentación Cables Contrapesos

72 Montaje para las Pruebas de Carga Cíclica

73 RESULTADOS Y CONCLUSIONES

74 RESULTADOS Y CONCLUSIONES Resultados no fueron concluyentes respecto a la suficiencia de las calzadas Recomendación: no permitir el uso de las calzadas durante las celebraciones del 4 de Julio Seguridad del publico es prioritaria

75 Cual es el futuro en las pruebas de carga?

76 EMISION ACUSTICA Emisión acústica captura ondas de esfuerzos causadas por la liberación de energía debido a un estimulo externo Liberación de energía = Formación de fisuras Estimulo externo = Carga aplicada Emisión acústica = escuchar a la estructura

77 EMISION ACUSTICA Criterios de Aceptación Hoy: basados en deformaciones Futuro: basados en criterios de falla A = No Damage B > Depassivation small cracks < C < heavy cracks D > Heavily cracked

78 RESUMEN Las pruebas de carga son herramientas útiles en el diagnostico estructural No todas las evaluaciones estructurales requieren pruebas de carga Utiles cuando los recursos analíticos se han agotado Ayudan a resolver problemas no evidentes del análisis

79 PREGUNTAS?

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