Avances en Especificaciones de Durabilidad de estructuras de Concreto

Transcripción

1 Avances en Especificaciones de Durabilidad de estructuras de Concreto Ing. Carlos Alberto Arcila López

2 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!

3 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.

4 El avance de la normativa de durabilidad Concretos por desempeño Prescripciones Recomendaciones técnicas

5 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

6 El avance de la normativa de durabilidad Diseño de concretos por desempeño Carbonatación acelerada

7 El avance de la normativa de durabilidad Diseño de concretos por desempeño Permeabilidad Rápída a Cloruros

8 El avance de la normativa de durabilidad Diseño de concretos por desempeño Humo de sílice Ataque de sulfatos

9 Problemas congénitos en las estructuras y sus causas Diseño 44% Materiales 18% Ejecución 28% Rara vez se lleva a cabo en obras de concreto Problemas congénitos Mantenimiento

10 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!

11 Proyecto Integral Diseño Arquitectónico Ingeniería de diseño estructural Ingeniería de materiales Normativa Internacional Normativa local Procedimientos de construcción

12 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).

13 EHE- Vida útil de PROYECTO! Tipo Clase Vida útil de proyecto (años) 1 Estructuras temporales Partes estructurales reemplazables 25 3 Estructuras marítimas 50 4 Edificaciones para Vivienda y Oficinas 50 5 Edificaciones para Salud y Educación Puentes con luz > 10 m y otras estructuras de repercusión económica importante 100 Especificaciones de Hormigón Estructural, España, Ministerio de Fomento

14 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

15 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

16 Ataques típicos para las estructuras de concreto reforzado Electroquímico Cloruros Carbonatación Sulfatos (Agua-Suelo) Químico Físico Acidez (Agua-Suelo) CO 2, Amonio, Magnesio Residuo seco (Agua) Álcali-Agregado Hielo - Deshielo Desgaste-Abrasión Humedad

17 Ataques típicos para las estructuras de concreto reforzado (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Electroquímico Cloruros Carbonatación C? Químico Físico Sulfatos (Agua- Suelo) Hielo - Deshielo S F Humedad P

18 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES Categoría Severidad Clase Condición No aplicable C0 Concreto seco o protegido de la humedad C Protección del Refuerzo contra la Corrosión Moderado Severo C1 C2 Concreto expuesto a la humedad pero no a fuentes externas de cloruros 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.

19 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES Categoría Severidad Clase Condición S Sulfatos Sulfato soluble e Sulfato (SO 4 ) soluble en agua presente en el suelo (% en peso) Sulfato (SO 4 ) disuelto en agua (ppm) No aplicable S0 SO 4 < 0,10 SO 4 < 150 Moderado S1 0,10< SO 4 < 0,20 150< SO 4 < 1500 Severo S2 0,20< SO 4 < 2, < SO 4 < Muy severo S3 SO 4 >2,00 SO 4 > Nota: el agua de mar Clase S1

20 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Categoría Severidad Clase Condición F Hielo y Deshielo Tabla CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES No aplicable F0 Concreto no expuesto a ciclos de hielo- Deshielo Moderado Severo Muy severo F1 F2 F3 Concreto expuesto a ciclos de Hielo-Deshielo y ocasionalmente expuesto a la humedad Concreto expuesto a ciclos de Hielo-Deshielo y en contacto continuo con la humedad Concreto expuesto a ciclos de Hielo-Deshielo, en contacto continuo con la humedad y expuesto a agentes químicos que evitan el congelamiento

21 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Categoría Severidad Clase Condición P Estructuras que requieren baja permeabilidad Tabla CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES No aplicable Moderado P0 P1 Concreto en contacto con agua y que no requiere baja permeabilidad Concreto en contacto con agua donde se requiere baja permeabilidad

22 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Carbonatación No aparece contemplado tampoco este ataque en el Capítulo C.4 de la nueva normativa del ACI 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

23 (ACI ) 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

24 Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Tanque agua potable en ambiente marino. Manaure.

25 Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Coliseo deportivo, Tunja

26 Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Estadio de Fútbol, Cúcuta

27 Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Columna cerramiento, Manizales

28 Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Edificio Avianca, Bogotá

29 Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Estructura en instalación petrolera, Barrancabermeja

30 Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Tanque aguas industriales, Duitama

31 Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Cementera Costa Caribe

32 Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio Bodega Fertilizantes Buenaventura

33 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Conclusión: La carbonatación existe! El ataque químico existe!

34 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Miremos, a la luz de la normativa del ACI 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!

35 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES Categoría Severidad Clase Condición No aplicable C0 Concreto seco o protegido de la humedad C Protección del Refuerzo contra la Corrosión Moderado Severo C1 C2 Concreto expuesto a la humedad pero no a fuentes externas de cloruros 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. 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!

36 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 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) Otros requisitos relacionados Concreto Reforzado Concreto pretensado C0 N/A Ninguno C1 N/A Ninguno C , 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?

37 La porosidad del concreto y su influencia en la durabilidad

38 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 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 de aire Límites a los materiales cementantes F0 N/A 17.5 N/A N/A F Tabla N/A F Tabla N/A F Tabla Tabla Útil para especificar concretos en cavas y cuartos fríos

39 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla REQUERIMIENTOS PARA EL CONCRETO DE ACUERDO CON LA CLASE DE EXPOSICION Clase de exposición Máx Relac a/cm Mínima Resistencia Mpa Requisitos mínimos adicionales Material cementante, Tipos ASTM C 150 ASTM C 595 ASTM C 1157 Aditivo con Cloruro de Calcio? S0 S1 S2 N/A 17.5 Ninguna restricción Ninguna restricción II IS(<70) IP(MS), (MS) V IS(<70) IP(HS), S V+ Puzolana o escoria (HS) IP(HS) + puzolana o escoria o IS(<70) (HS) + puzolana o escoria Ninguna restricción Ninguna restricción Nota: ya era hora de que el ACI proscribiera los aditivos con cloruros, Europa lo hizo hace más de 20 años! MS HS HS + Puzolana o escoria Ninguna restricción No se permite No se permite

40 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Clase de exposición Máx Relac a/cm Mínima Resistencia Mpa P0 N/A 17,5 Requisitos mínimos adicionales Ninguno P1 0,5 28 Ninguno

41 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad 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 Concreto reforzado que va a estar seco en servicio 0,1 0,08 0,08 0,2 0,15 0,15 Adaptado de la Tabla 3.1 del ACI 222 R

42 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla 4.4.1: Contenido de aire para concreto expuesto a Hielo - Deshielo Tamaño Máximo Nominal del Agregado, mm Contenido de Aire (%) Clase de exposición F1 Clases de exposición F2 y F , , Tolerancias?

43 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla REQUERIMIENTOS PARA CONCRETO SOMETIDO A LA CLASE DE EXPOSICION F3 Material cementante Ceniza volante u otro material que cumpla ASTM C618 Máximo % en peso del total de material cementante 25 Escoria que cumpla ASTM C Humo de sílice que cumpla ASTM C 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

44 (ACI ) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad Tabla Requerimientos para establecer la conveniencia de combinaciones de materiales cementantes expuestos a sulfato soluble en agua Clase de Máxima expansión al ensayar usando ASTM C 1012 exposición A los 6 meses A los 12 meses A los 18 meses S1 0,10% S2 0,05% 0,10%* S3 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

45 Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto

46 Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES Categoría Severidad Clase Condición 1 No aplicable 1 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

47 Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES Categoría Severidad Clase Condición K (2) Carbonatación Bajo 2.1 Humedad alta Moderado 2.2 Humedecimiento-secado Severo 2.3 Humedad media

48 Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Categoría Severidad Clase Condición Bajo 3.1 Sumergida C(3) Cloruros Moderado 3.2 Aérea Severo 3.3 Zona de cambio de mareas

49 Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES Categoría Severidad Clase Condición (4) Cloruros de origen distinto al marino Moderado 4.1 Humedad moderada Severo 4.2 Humedad alta Muy severo 4.3 Ciclos de humedecimiento-secado Categoría Severidad Clase Condición F3 (5) Hielo-Deshielo Severo 5.1 Concreto en contacto con agua y con probabilidad mayor al 50% de alcanzar una vez al año temperaturas por debajo de -5 o C

50 Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Categoría Severidad Clase Condición (6) Ataque químico Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES Débil 6.1 Medio 6.1 Fuerte 6.1 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

51 Normativa actual para el diseño de estructuras durables NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 2- CLASIFICACION DE LA AGRESIVIDAD QUIMICA SUBCLASE Tipo de medio Parámetros Ataque débil Ataque medio Ataque fuerte AGUA Valor del ph 6,5-5,5 5,5-4,5 <4,5 AGUA CO2 Disuelto (mg/l) >100 AGUA Ión Amonio, NH4 + (mg/l) >60 AGUA Ión Magnesio, Mg 2+ (mg/l) >3000 AGUA Ión Sulfato, SO4 2- (mg/l) >3000 AGUA Residuo Seco (mg/l) >50 SUELO Grado de acidez Baumann- Gully >20 SUELO Ión Sulfato, SO4 2- (mg/kg de suelo seco) >12000

52 Requerimientos mínimos del concreto NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Carbonatación Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición Máxima relación a/mc Mínima resistencia (Mpa) Requisitos mínimos adicionales 2.1 0,60 24 Mínimo 300 kg/m 3 de cementante 2.2 0,55 28 Mínimo 300 kg/m 3 de cementante 2.3 0,50 28 Mínimo 300 kg/m 3 de cementante

53 Requerimientos mínimos del concreto NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Cloruros de origen marino Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición Máxima relación a/mc Mínima resistencia (Mpa) Requisitos mínimos adicionales 3.1 0,50 28 Mínimo 300 kg/m 3 de cementante 3.2 0,45 35 Mínimo 325 kg/m 3 de cementante 3.3 0,40 35 Mínimo 350 kg/m 3 de cementante

54 Requerimientos mínimos del concreto NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Cloruros de otro origen Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición Máxima relación a/mc Mínima resistencia (MPa) Requisitos mínimos adicionales 4.1 0,55 / 0,50 28 Mínimo 300 kg/m 3 de cementante 4.2 0,55 /0,45 28 Mínimo 320 kg/m 3 de cementante 4.3 0,45 /0,45 35 Mínimo 340 kg/m 3 de cementante Hielo - Deshielo Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición Máxima relación a/mc Mínima resistencia (Mpa) Requisitos mínimos adicionales Mínimo 300 kg/m 3 de cementante

55 Requerimientos mínimos del concreto NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Ataque químico Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto Clase de exposición Máxima relación a/mc Mínima resistencia (Mpa) Requisitos mínimos adicionales 6.1 0,50 / 0,45 31 Mínimo 275 kg/m 3 de cementante 6.2 0,50 / 0,45 35 Mínimo 300 kg/m 3 de cementante 6.3 0,45 / 0,45 35 Mínimo 340 kg/m 3 de cementante * 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.

56 Requerimientos mínimos del concreto NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Tabla 4. Requisitos de contenido de aire total para concretos con aire incorporado Tamaño Máx Nominal del Agregado Contenido de aire para ambientes: 5.2, 5.3, 4.2, 4.3, 5, 6.2 y 6.3 Contenido de aire para ambientes 4.1 y 6.1 Tolerancias 9,5 7,5% 6,0% ±1,5% 12,7 7,0% 5,5% ±1,5% 19,1 6,0% 5,0% ±1,5% 25,4 6,0% 4,5% ±1,5% 38,1 5,5% 4,5% ±1,5% 50,8 5,0% 4,0% ±1,5% 76,2 4,5% 3,5% ±1,5%

57 Requerimientos mínimos del concreto NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto 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

58 Requerimientos mínimos del concreto NTC : Durabilidad de Estructuras de Concreto Ancho máximo de fisura en estructuras de concreto reforzado Tipo de Ambiente Abertura máx. de fisuras (mm)

59 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 cobija los problemas de un extenso país que sufre estaciones climáticas marcadas, lo cual no es el caso de Colombia. 3. La Norma NTC 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.

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61 Gracias por su atención!