ENSAYO DE CARGA EN TRIBUNAS DE HORMIGÓN. ANÁLISIS DE METODOLOGÍAS APLICABLES Ing. Néstor Ulibarrie; Ing. María Fernanda Carrasco; Tec. Francisco Quiroz; Bach. Juan Pablo Andrek; Tec. Hernán Herrera; Tec. Maximiliano Segovia CECOVI Centro de Investigación y Desarrollo para la Construcción y la Vivienda Santa Fe Santa Fe El presente trabajo analiza la metodología de una evaluación estructural realizada en una tribuna correspondiente a un estadio futbolístico de la ciudad de Santa Fe, consistente en una estructura de graderías de hormigón armado construida en forma monolítica, a excepción de una junta estructural ubicada en el centro de su desarrollo en planta. La evaluación estructural incluyó, en primera instancia, relevamiento sistemático de defectos y patologías, determinación de resistencia efectiva del hormigón, evaluación de homogeneidad mediante determinación de velocidad de pulsos ultrasónicos y la detección magnética y por roturas localizadas de las armaduras. Partiendo del análisis de resultados de las determinaciones realizadas se diseñó un ensayo de carga directa de la estructura a fin de evaluar su real comportamiento en servicio, incluyendo controles de deformaciones por flexión de sectores de gradas y de la estabilidad global de los pórticos adyacentes a los tramos ensayados. Los datos generados en esta evaluación permiten analizar la adecuación de la metodología de ensayo propuesta, determinando los aspectos críticos a considerar en pruebas de carga con condicionamientos especiales de accesibilidad y configuración de la estructura. The present paper analyzes methodologic subjects of a structural assessment performed on a football stadium tribune in Santa Fe city. This tribune consists on series of steps made of reinforced concrete that were built as a monolithic structure with a single joint in the middle of its development. The structural assessment included, in a first instance, a systematic damage survey by means of visual inspection, determination of compressive strength, homogeneity evaluation through pulse velocity tests and reinforcement rebar detection by magnetic and destructive determinations. With these data, a load test was designed in order to evaluate service performance of the structure, including control of deformations due to flexural stress in series of steps and global stability in nearby columns and beams. Data generated in this load test permitted to analyze the selected methodology, and to establish critical factors that have to be taken into account when accessibility and structure configuration results specially complicated.
Objetivo Los ensayos de carga resultan de suma utilidad para la evaluación de estructuras. En general surge la necesidad de aplicarlos por tres motivaciones distintas. Por un lado, en un cierto tipo de estructuras (puentes, algunos tipos de edificios públicos, etc.) este tipo de ensayos forma parte de los requisitos de aceptación o recepción. Por otro lado cuando se verifica la presencia de un cuadro de patologías definido, la prueba de carga se constituye en una herramienta que aporta información sobre la capacidad resistente real de la estructura (comportamiento estructural bajo cargas preestablecidas), sustentadas en la incertidumbre generada por la presencia de las patologías propiamente dichas o por la verificación de eficiencia de las consecuentes intervenciones realizadas con miras a la rehabilitación de la estructura. Finalmente cuando las instancias sucesivas de control llevadas a cabo en el proceso constructivo (resultados de los ensayos de probetas moldeadas, testigos extraídos y/o ensayos no destructivos) arrojan conclusiones poco satisfactorias que introducen incertidumbre sobre las garantías desde el punto de vista de la seguridad, la ejecución de los ensayos de carga aparece como una alternativa adicional y eficiente de control directo. Aspectos generales Operativamente deben considerarse algunos aspectos básicos a la hora de diseñar la metodología a aplicar en el ensayo. Si se sintetiza el esquema de ejecución como un proceso de medición del comportamiento de una estructura sometida a un estado de cargas conocida, debe ponerse el acento en algunos aspectos esenciales que hacen a la calidad de la información a obtener. Primeramente la elección del sector a ensayar (bajo el condicionante de la representatividad hacia el resto de la estructura). Luego la materialización del estado de solicitación o de cargas; es decir tipo de carga, forma de medirla (por peso) y diseño del proceso de aplicación en forma conveniente sobre la estructura (traslado y disposición, tiempo insumido, etc.), magnitud de cargas estáticas o dinámicas (referencias a pautas reglamentarias, cargas equivalentes, etc.), proceso escalonado de aplicación (intervalos de carga constante, etc.). Por otro lado el método para medir y registrar el comportamiento de los elementos estructurales, deformación de elementos flexionados (flechas, descensos relativos), elección de los puntos donde se concentrarán las mediciones, adopción de instrumental adecuado (grado de apreciación según la rigurosidad que se planee darle al ensayo), cronología de las mediciones (parciales, inmediatas a la aplicación, posteriores a un proceso de carga continua para evaluar comportamiento diferido o estabilización, medición en descarga, etc). Finalmente el diseño deberá adoptar previamente criterios relativos a otros factores presentes durante el proceso de ensayo con mayor o menor incidencia según el tiempo total de duración del mismo (evitar o contemplar la incidencia en los resultados las variaciones térmicas); en general se trata dentro de lo posible que el instrumental empleado para medir deformaciones sea insensible a los cambios de humedad y tenga un coeficiente de dilatación térmica tan bajo como sea posible. Sumado a todos estos considerandos no debe perderse de vista que el grado de complejidad de este tipo de ensayos hacen indispensable el empleo de personal especializado tanto en el diseño como en la ejecución, sobre todo en lo referente al registro de datos que requiere precisión y rigurosidad ya que eventuales errores u omisiones tendrán costos altos para el objetivo buscado sobre todo teniendo en
cuenta que las operaciones de campo implican un esfuerzo logístico considerable (movilizar cargas, equipo pesado y liviano, personal, etc.). Adicionalmente al proceso de interpretación de resultados, muchas veces adquiriendo gran importancia, se controlan visualmente la aparición de fisuras en la estructura o la modificación de su disposición durante el ensayo. Para ello se miden los anchos de abertura de las fisuras (preexistentes o no) empleando extensómetros mecánicos. Como particularidad puede decirse que en la mayoría de los casos las pruebas que se realizan son de carácter estático (empleando cargas equivalentes que contemplan efectos dinámicos de sobrecargas de uso) pero en determinados tipos de estructuras, en especial industriales, puentes, etc., interesa la realización de pruebas dinámicas. Ello supone el empleo de equipos más complejos y en general otro tipo de herramientas de registro continuo de deformaciones (informática, video). En todo caso a la hora de elaborar el diseño del ensayo deben tenerse en cuenta los aspectos reglamentarios presentes así como los criterios que en su momento haya empleado el calculista (hipótesis de cálculo, etc.). Característica de la estructura ensayada La prueba de carga que se detalla se desarrolló sobre un sector de la estructura de hormigón armado de una tribuna en un estadio de fútbol en la ciudad de Santa Fe. Se trata de una tribuna cabecera que cuenta con asientos fijos (plateas) sobre la cual surgió la necesidad de realizar una evaluación estructural a partir dudas generadas sobre su condición portante (factor de seguridad) a la luz de la presencia de un cuadro patológico definido, y por otro lado analizar la posibilidad de cambiar la función actual existente (transformarla en tribuna sin asientos fijos). La estructura de hormigón armado data de la década del 20, la misma esta organizada según el esquema de la figura 1 (con un desarrollo ligeramente curvo), con un diseño de pórticos transversales a las gradas (21 en total) que definen 19 tramos de graderías construidas en forma de losas quebradas siguiendo el diseño del escalón. Cada tramo tiene 17 escalones. En el desarrollo se ubica una junta estructural completa transversal entre los tramos noveno y décimo ubicándose a cada lado de la junta los pórticos 11 y 12 respectivamente. Cada pórtico consta de dos columnas, una de baja altura en la parte de las primeras gradas y la otra de mayor altura que porta a su vez el voladizo de la viga en la parte superior de la tribuna. Actualmente en el espacio definido bajo la tribuna se han dispuesto instalaciones de servicio propias del club dueño del estadio, que vinculan a un área de cancha auxiliar. El ensayo de carga formó parte de una de las instancias de evaluación estructural. En instancias anteriores se realizaron otras tareas específicas. Se realizó un relevamiento de patologías en la estructura a partir del cual se concluyó que la misma presentaba daños asociados con problemas de durabilidad (corrosión de armaduras, defectos constructivos como nidos de abeja) y daños relacionados
con el comportamiento estructural (fisuras en las columnas inferiores de los pórticos). Dichos defectos afectaban la seguridad de la estructura, que debía verificarse no solo ante el incremento de las cargas por un eventual cambio de destino sino también al continuar con el uso actual. Una segunda etapa evaluatoria era la destina a obtener toda la información posible de la estructura a fin de poder realizar una revisión del cálculo. Esta incluyó determinación de resistencia efectiva del hormigón, evaluación de homogeneidad mediante determinación de velocidad de pulsos ultrasónicos y la detección magnética y por roturas localizadas de las armaduras. La etapa final planteada para la evaluación estructural comprendió el ensayo de carga directa, para terminar de armar el paquete de información necesaria a entregar posteriormente al estructuralista encargado de llevar adelante las verificaciones desde el punto de vista del cálculo y tomar las decisiones en consecuencia. DESCRIPCIÓN DE LA PRUEBA DE CARGA El ensayo de carga se circunscribió a un sector definido considerado representativo del resto de la estructura. En concreto se eligió para cargar el tramo comprendido entre los pórticos 14 y 15 y la mitad del tramo entre pórticos 15 y 16. De esta manera se evaluaron bajo carga completa las gradas de un tramo por un lado y las vigas y columnas del pórtico 15 por otro (exigido a carga máxima). El diseño del ensayo estuvo fuertemente condicionado por aspectos operativos que vale la pena mencionar: a) Grado de dificultad por las condiciones de accesibilidad La disponibilidad de espacio físico (poco espacio entre la tribuna y el campo de juego), la presencia de las otras tribunas del resto del estadio, impidió operar con equipo pesado desde el frente de las graderías. Por otra parte la presencia de las butacas en todo el desarrollo obligó a su retiro (en el tramo ensayado) y posterior restitución. Del mismo modo las mediciones de deformación realizadas en los planos inferiores de los elementos estructurales cargados obligaron a elegir un sector que posibilitara materializar el sistema de medición de flechas bajo la tribuna. La presencia de tabiquerías en algunos tramos y otras instalaciones en determinados sectores redujeron notablemente las posibilidades de elección. b) Magnitud de la carga Los valores adoptados como carga de ensayo representan una magnitud importante en peso a trasladar, no solo en la aplicación de los distintos escalones crecientes de carga, sino también en la instancia de descarga (vuelta a la configuración de carga de uso nula para evaluar remisión y deformaciones remanentes). Esto obligó descartar en el empleo materiales de pesos específicos bajos.
Figura 1 Esquema de la estructura Identificación de sectores y elementos estructurales INTERIOR Campo de juego principal relleno Junta de construcción Gradas Tramo en voladizo del pórtico Baranda NORTE Area sometida a ensayo de carga 675 [kgf/m2] Medición de descensos (flechas) EXTERIOR Area de servicios / cancha auxiliar 5/11
c) Oportunidad del ensayo Las actividades habituales que implican el uso de las instalaciones incluida la tribuna bajo evaluación limitaron los plazos de trabajo en obra, por lo que la prueba de carga propiamente dicha (excluyendo todas las tareas de preparación y acondicionamiento) se programaron para desarrollarse en una sola jornada. El valor de carga empleado para la realización del ensayo se adoptó a partir de especificaciones reglamentarias. En ese sentido, el Reglamento CIRSOC 101 sugiere un valor de 500 [kgf/m2] para tribunas con asientos fijos y 750 [kgf/m2] para tribuna sin asientos fijos. Para este ensayo se adoptó una carga estática distribuida en forma uniforme en la superficie (medida en proyección horizontal) de 675 [kgf/m2], elección debida en gran medida al grado de dificultad en materializarla. La carga se aplicó en tres escalones sucesivos y una vez alcanzado el total se dejó actuando durante un lapso de 1 hora, para luego proceder a la descarga total. En las distintas etapas de la prueba se midieron (ver referencia en la figura 1): las deformaciones (flechas en el centro de la luz) en tres gradas del tramo entre los pórticos P14 y P15, en el plano inferior de las gradas las deformaciones (flechas en el centro de la luz) en los tramos centrales (entre columnas) de las vigas de los pórticos P14 y P15 descensos de los apoyos de las gradas sobre las vigas y de las vigas sobre las columnas deformaciones (flechas en los extremos) de los voladizos superiores de los mismos pórticos. Se controló visualmente la aparición de fisuras en la estructura y se midieron durante el desarrollo de la prueba los anchos de abertura de fisuras preexistentes. Mediante un termohigrómetro digital se registró la temperatura ambiente bajo la estructura. Asimismo, se registraron las temperaturas superficiales del hormigón, empleando un termómetro digital de funcionamiento basado en la emisividad de la superficie, tanto en la superficie superior como en la inferior. La materialización de las cargas se llevó a cabo empleando bolsas de polietileno llenas de arena. La elección se fundamentó en la necesidad de aplicar valores de carga elevados, que solo podrían alcanzarse por sumatoria y acumulación de unidades menores, facilitando a su vez el traslado al sector de carga, su distribución uniforme en las gradas y su posterior retiro al materializar la instancia de descarga y medición de deformaciones remanentes. Se empleó una cantidad aproximada de 1000 bolsas. El valor de peso unitario se determinó promediando mediante un control de peso los resultados obtenidos al pesar el 10% de la totalidad de las bolsas preparadas previamente. El peso promedio obtenido por unidad fue de 42 [kgf]. La Foto 1 ilustra el proceso de obtención de la unidad de carga.
Foto 1 Control de pesos unitarios (bolsa) Foto 2 Traslado de bolsas en contenedor Para salvar la dificultad de acceso directo de la carga al sector de ensayo, se empleó una grúa hidráulica para trasladar un contenedor, repetidas veces, desde la playa de acopio (en el sector posterior de la tribuna sobre el área de servicios y cancha auxiliar) hasta las graderías de ensayo (ver Foto 2). Cada operación de traslado implicó cargar en acopio a mano unas 40 bolsas y descargarlas luego, también a mano en las graderías siguiendo un patrón de distribución definido para materializar cada escalón de carga (primeramente las bolsas fueron ubicándose en escalones alternados ocupándose la totalidad en dos capas conforme el valor se fue acercando al máximo previsto) (Fotos 3 y 4). Medición de deformaciones en gradas, vigas y columnas Se midieron deformaciones en tres gradas diferentes en el tramo entre los pórticos 14 y 15, sobre el plano inferior de las mismas, controlando las deformaciones en tres puntos para cada una (uno en el centro de la luz entre vigas y uno en cada apoyo sobre la viga adyacente). Las flechas se midieron en forma relativa a los extremos de apoyo de las losas sobre las vigas, cuyo descenso se controló. Foto 3 Empleo de la grúa Foto 4 Escalones parciales de carga. Bolsas sobre la tribuna.
Foto 5 Vista general del sector cargado Foto 6 Densidad de bolsas sobre las gradas carga completa. Foto 7 Escala graduada sobre la parte inferior del una regla adherida al plano inferior del elemento estructural. Foto 8 Nivel óptico con dispositivo acoplado (tornillo micrométrico) para apreciar a 0,1 mm. Las deformaciones de las vigas se midieron en dos de ellas (pórticos P14 y P15) controlando las deformaciones en el tramo central entre columnas y en el extremo del voladizo superior. Las flechas se midieron en forma relativa a los puntos de apoyo de las vigas sobre las columnas, cuyo descenso se controló. Para la medición de las deformaciones en gradas y en tramos centrales de vigas se empleó un nivel de precisión equipado con tornillo micrométrico que asegura una apreciación de 0.1 mm. Las lecturas se obtuvieron sobre escalas graduadas adheridas directamente a la estructura o a reglas metálicas fijadas previamente a la estructura, a fin de poder determinar lecturas ubicadas en el mismo plano virtual del nivel (Fotos 7 y 8). Las flechas se evaluaron como diferencias de altura entre los puntos extremos de apoyo y el punto central del tramo considerado. En forma análoga, para la medición de las deformaciones en los extremos de voladizos superiores de las vigas se emplearon sendos teodolitos para los cuales se mantuvo fijo el ángulo de elevación durante toda la prueba y escalas
graduadas adheridas al tabique superior de las gradas. La utilización de este método tiene como particularidad la necesidad de tener precaución con los errores inducidos por los giros que puedan trasmitirse sobre las miras. La apreciación en este caso fue de 1 [mm]. El mismo nivel empleado para el monitoreo de las gradas y columnas se empleó para el control de descensos en las columnas de los tres pórticos involucrados en la prueba (P14, P15 y P16). Como un control adicional ante eventuales movimientos de los equipos empleados se realizaron lecturas periódicas sobre puntos fijos de referencia. Control de fisuración En la parte inferior de la estructura se controló visualmente la eventual aparición de fisuras y cualquier otro daño en la superficie del hormigón. Para la evaluación de las fisuras detectadas, se dispuso de un fisurómetro óptico de 60x para la medición de la abertura de las mismas. Asimismo, se midieron durante el desarrollo de la prueba los anchos de abertura de algunas fisuras preexistentes seleccionadas en función de su importancia (fisuras en las columnas inferiores de los pórticos P14 y P15, y de las posibilidades de acceso (fisuras en gradas verticales y horizontales). En la superficie superior la observación de fisuras no se juzgó de utilidad debido a que las gradas poseen una capa de recubrimiento (revoque) con una profusa red de fisuras de diverso tipo que no corresponden al hormigón de la estructura. ANALISIS DE LOS RESULTADOS Los criterios de evaluación habitualmente empleados en este tipo de pruebas contemplan: 1. el control de las flechas máximas registradas, imponiendo límites como: 1.1. un valor absoluto de deformación (por ejemplo: x milímetros) 1.2. un valor de deformación especificado como fracción de la luz del elemento flexado 1.3. un valor de deformación que sea compatible con la funcionalidad de la estructura. 2. el control de las deformaciones remanentes (luego de la descarga) generalmente especificadas como una fracción de las máximas deformaciones bajo carga. 3. el control de fisuras, grietas, desprendimientos de material, etc, no compatibles con la seguridad y durabilidad de la estructura. Las flechas máximas evaluadas pueden compararse con las previstas en los cálculos y las máximas tolerables consideradas en los reglamentos. De acuerdo a los valores registrados, se considera que la estructura se comportó en forma correcta durante la prueba de carga. En las figuras 2 y 3 se muestran los resultados de las mediciones de flechas tanto en vigas como en gradas.
Adicionalmente, debe evaluarse que la estructura presente una adecuada recuperación elastoplástica, acorde a los límites establecidos en los reglamentos. Por último, debe verificarse que las fisuras que se producen durante el ensayo no comprometan la seguridad y/o durabilidad de la estructura, que los valores medidos correspondan a las previsiones del proyecto. No obstante, cabe señalar que las flechas que pueden producirse bajo la acción de cargas dinámicas (como las que efectivamente actuarían con la tribuna en uso) son ciertamente mayores, lo que se pudo apreciar en oportunidad de la prueba con la simple colocación de cada bolsa al arrojarla desde corta distancia. Figura 2. Deformaciones en las gradas para los distintos escalones de carga Flechas localizadas (mm) 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 Centro tramo grada 1 Centro tramo grada 3 Centro tramo grada 6 0 33a 66a 100a 100b 100c 0a 0b 0c Etapa de carga (% del total) Figura 3. Deformaciones en las vigas para los distintos escalones de carga (centros de tramos entre columnas) Flechas localizadas (mm) 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00-0,10-0,20 Centro luz viga V14 Centro luz viga V15 0 33a 66a 100a 100b 100c 0a 0b 0c Etapa de carga (% del total)
Las deformaciones residuales de los elementos flexados estuvieron dentro del orden de magnitud de la apreciación de los instrumentos de medición empleados (0.1 mm para gradas y tramos centrales de vigas y 1 mm para extremos de voladizos). Por lo tanto, puede considerarse que los elementos recuperaron su posición original sin presentar flechas residuales significativas. Un comentario particular merece el comportamiento de las columnas de los pórticos, en particular la columna alta del pórtico P15 que resulta por su ubicación la más cargada durante la prueba, tomando una porción importante de la carga total. Esta columna registró un descenso de 1.0 mm bajo carga máxima y una recuperación parcial que implicó una deformación remanente de 0.45 mm. Este comportamiento podría adjudicarse a un asentamiento elastoplástico del terreno de fundación, recuperable sólo parcialmente. Conclusiones finales A partir de la evaluación de las determinaciones realizas, puede concluirse que la prueba de carga llevada a cabo permitió obtener información relevante para analizar el comportamiento de la estructura. Como consecuencia, se consideró que los márgenes de seguridad no resultaban adecuados para asumir un cambio de función de la estructura, manteniéndose las condiciones actuales de carga (graderías con asientos fijos). Finalmente debe indicarse que, si bien la evaluación del conjunto de datos obtenidos, corresponde al estructuralista (verificación desde el punto de vista del cálculo), el cuadro de patologías presentado requirió atención específica y la implementación de medidas correctivas acorde a la condición de servicio. Referencias J. Calavera, Patología de Estructuras de hormigón armado y pretensado, Tomo I, INTEMAC, España, 1996, pp.227-230. Manual de Inspección, evaluación y diagnóstico de Corrosión en Estructuras de Hormigón Armado, Red DURAR (Durabilidad de la armadura), CYTED, ISBN 980-296-541-3, 1997. L.P. Traversa, Corrosión de armaduras en atmósferas rurales, urbanas, marinas e industriales en Durabilidad del Hormigón Estructural, Ed. E.F. Irassar, Asociación Argentina de Tecnología del Hormigón, Olavarría, Argentina, 2001, pp. 217-257. Reglamento CIRSOC 101, Cargas y Sobrecargas Gravitatorias para el Cálculo de las Estructuras de Edificios, Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles, Argentina, 1982. Reglamento CIRSOC 201, Proyecto, cálculo y ejecución de estructuras de hormigón armado y pretensado, Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles, Argentina, 1982. Prueba de Carga Directa de las Estructuras, Centro de Investigación de los Reglamentos Nacionales de Seguridad para las Obras Civiles, Argentina, 1990.