Avances en Especificaciones de Durabilidad de estructuras ......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

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

•Prescripciones

Concretos por

desempeño

•Recomendaciones técnicas

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).

Problemas de las prescripciones de mezcla para cumplir con durabilidad

RCPT:

Permeabilidad Rápida a Cloruros


•Carbonatación acelerada

•Diseño de concretos por desempeño


•Permeabilidad Rápída a Cloruros



•Ataque de sulfatos


Humo de sílice

Problemas congénitos en las estructuras y sus causas

Materiales

Diseño

Ejecución

MantenimientoProblemas congénitos

Rara vez se lleva a cabo en obras

de concreto44%

18%28%

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

Ingeniería de diseño estructural

Ingeniería de materiales

Procedimientos de construcción

NormativaInternacional

Diseño Arquitectónico

Normativalocal

Diseño moderno de estructuras de concreto reforzado

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).

Muchas estructuras se deterioran a diario no por errores en el diseño estructural… simplemente por falta de las recomendaciones apropiadas para hacerlas durables!

Conclusiones

EHE- Vida útil de PROYECTO !

Especificaciones de Hormigón Estructural, España, Ministerio de Fomento

Tipo Clase Vida útil de proyecto (años)

1 Estructuras temporales 0-32 Partes estructurales reemplazables 253 Estructuras marítimas 504 Edificaciones para Vivienda y Oficinas 505 Edificaciones para Salud y Educación 100

6Puentes con luz > 10 m y otras estructuras de repercusión económica importante

100

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

Químico

Físico

ElectroquímicoCarbonatación

Sulfatos (Agua-Suelo)

Desgaste-Abrasión

Hielo - Deshielo

Humedad

Acidez (Agua-Suelo)

CO2, Amonio, Magnesio

Álcali-Agregado

Residuo seco (Agua)

Ataques típicos para las estructuras de concreto reforzado

Cloruros

Químico

Físico

Electroquímico

Humedad

Carbonatación

Sulfatos (Agua-Suelo)

Hielo - Deshielo

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

C

S

FP

?

Categoría Severidad Clase CondiciónNo aplicable C0 Concreto seco o protegido de la humedad

Moderado C1 Concreto expuesto a la humedad pero no a fuentes externas de cloruros

Severo 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.

C Protección del

Refuerzo contra la Corrosión

Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES


Categoría Severidad Clase

Sulfato soluble e

Sulfato (SO4) soluble en agua presente en el

suelo (% en peso)

Sulfato (SO4) disuelto en agua (ppm)

No aplicable S0 SO4 < 0,10 SO4 < 150Moderado S1 0,10< SO4 < 0,20 150< SO4 < 1500

Severo S2 0,20< SO4 < 2,00 1500< SO4 < 10.000

Muy severo S3 SO4 >2,00 SO4 > 10.000

S Sulfatos

Condición


Nota: el agua de mar → Clase S1


Categoría Severidad Clase CondiciónNo 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

Muy severo F3Concreto 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




Categoría Severidad Clase Condición

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


P 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…


Mecánica de la Corrosión del acero de refuerzo

A. Una cuantía crítica de cloruros alcanza el acero de refuerzo

B. El frente de carbonatación alcanza las barras

1. El acero pierde su condición pasiva debido a una o las dos causas siguientes:

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!

Categoría Severidad Clase CondiciónNo aplicable C0 Concreto seco o protegido de la humedad

Moderado C1 Concreto expuesto a la humedad pero no a fuentes externas de cloruros

Severo 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.

C Protección del

Refuerzo contra la Corrosión



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!

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

Otros requisitos relacionados

Concreto Reforzado Concreto pretensado

C0 N/A 17.5 1 0.06 Ninguno

C1 N/A 17.5 0.3 0.06Ninguno

C2 0.40 38 0.15 0.06 7.7.6, 18.16#

Requisitos mínimos adicionales

Contenido máximo de ión cloruro soluble en agua en el

concreto (% Peso Cemento)


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



Clase de exposición Máx Relac a/cm Mínima Resistencia

Mpa

Contenido de aire Límites a los materiales cementantes

F0 N/A 17.5 N/A N/A

F1 0.45 31.5 Tabla 4.4.1 N/A

F2 0.45 31.5 Tabla 4.4.1 N/A

F3 0.45 31.5 Tabla 4.4.1 Tabla 4.4.2


Útil para especificar concretos en cavas y cuartos fríos


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/cmMínima

Resistencia Mpa

ASTM C 150ASTM C 595

ASTM C 1157

S0 N/A 17.5 Ninguna restricción

Ninguna restricción



S1 0.5 28 II†‡IP(MS), IS(<70)

(MS)MS Ninguna

restricción

S2 0.45 31.5 V‡IP(HS), IS(<70)

(HS)HS No se permite

S3 0.45 31.5 V+ Puzolana o escoria

IP(HS) + puzolana o escoria§ o

IS(<70) (HS) +

puzolana o escoria§

HS + Puzolana o

escoria§No se permite


Material cementante, Tipos

Aditivo con Cloruro de

Calcio



Máx Relac a/cm

Mínima Resistencia

Mpa

P0 N/A 17,5

P1 0,5 28 Ninguno


Ninguno


Tabla R43.1- Límites de cloruros para construcciones nuevas

Soluble en ácidoASTM 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

Límite de cloruros, % en masaMétodo de ensayo

Soluble en aguaTipo de construcción y condición


Clase de exposición F1

Clases de exposición F2 y F3

9.5 6 7.512.5 5.5 719 5 6

25.4 4.5 637.5 4.5 5.550,8† 4 576,4† 3.5 4.5

Tabla 4.4.1: Contenido de aire para concreto expuesto a Hielo - Deshielo

Tamaño Máximo Nominal del

Agregado, mm

Contenido de Aire (%)

Tolerancias?


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†

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

†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


A los 6 meses A los 12 meses A los 18 mesesS1 0,10%

S2 0,05% 0,10%*

S3 0,10*

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


Máxima expansión al ensayar usando ASTM C 1012

*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


NTC 5551-07:


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


1 No aplicable 1Ningún riesgo de corrosión o de ataque. Concreto en masa sin refuerzo

Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES



Bajo 2.1 Humedad alta

Moderado 2.2 Humedecimiento-secado

Severo 2.3 Humedad media

K (2) Carbonatación


NTC 5551-07:



Categoría Severidad Clase CondiciónBajo 3.1 Sumergida

Moderado 3.2 Aérea

Severo 3.3 Zona de cambio de mareas

C(3) Cloruros

NTC 5551-07:



NTC 5551-07:



F3 (5) Hielo-Deshielo

Severo 5.1Concreto en contacto con agua y con probabilidad mayor al 50% de alcanzar una vez al año temperaturas por debajo de -5oC


Moderado 4.1 Humedad moderada

Severo 4.2 Humedad alta

Muy severo 4.3 Ciclos de humedecimiento-secado

(4) Cloruros de

origen distinto al marino



NTC 5551-07:



Débil 6.1 Concreto expuestos a químicos con velocidad de ataque lenta

Medio 6.1 Concreto expuestos a químicos con velocidad de ataque media

Fuerte 6.1 Elementos expuestos a fuertes alteraciones del concreto


(6) Ataque químico

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


NTC 5551-07:


6.1 6.2 6.3Ataque débil Ataque medio Ataque fuerte

AGUA Valor del pH 6,5 - 5,5 5,5 - 4,5 <4,5AGUA CO2 Disuelto (mg/l) 15-40 40-100 >100AGUA Ión Amonio, NH4+ (mg/l) 15-30 30-60 >60AGUA Ión Magnesio, Mg2+ (mg/l) 300-1000 1000-3000 >3000AGUA Ión Sulfato, SO42- (mg/l) 200-600 600-3000 >3000AGUA Residuo Seco (mg/l) 75-150 50-75 >50

SUELO Grado de acidez Baumann-Gully >20

SUELO Ión Sulfato, SO42- (mg/kg de suelo seco) 2000-3000 3000-12000 >12000

Tipo de medio ParámetrosSUBCLASE

Tabla 2- CLASIFICACION DE LA AGRESIVIDAD QUIMICA

Requerimientos mínimos del concreto


Máxima relación

a/mc

Mínima resistencia

(Mpa) Requisitos mínimos adicionales

2.1 0,60 24 Mínimo 300 kg/m3 de cementante



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

Carbonatación

NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto


Máxima relación

a/mc

Mínima resistencia






Cloruros de origen marino



Cloruros de otro origen

Hielo - Deshielo



Máxima relación

a/mc

Mínima resistencia

(MPa) Requisitos mínimos adicionales

4.1 0,55 / 0,50 28 Mínimo 300 kg/m3 de cementante

4.2 0,55 /0,45 28 Mínimo 320 kg/m3 de cementante

4.3 0,45 /0,45 35 Mínimo 340 kg/m3 de cementante



Máxima relación a/mc

Mínima resistencia

(Mpa)Requisitos mínimos adicionales

5 0.45 31 Mínimo 300 kg/m3 de cementante




Máxima relación a/mc

Mínima resistencia




6.3 0,45 / 0,45 35 Mínimo 340 kg/m3 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.


Ataque químico



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 6.1Tolerancias

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%

Tabla 4. Requisitos de contenido de aire total para concretos con aire incorporado



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 0,06Concreto reforzado expuesto al cloruro en servicio 0,15Concreto reforzado que estará seco o protegido de la humedad en servicio 1,00Otros tipos de construcción en concreto reforzado 0,30




Tipo de Ambiente 1 2.1 2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 4.1 4.2 4.3 5.1 6.1 6.2 6.3 7

Abertura máx. de fisuras (mm) 0.4 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.2 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.4

Ancho máximo de fisura en estructuras de concreto reforzado


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 actualCapítulo C.4 de la NSR-98 acorde con las necesidades del país.

Gracias por su atención!

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Avances en Especificaciones de Durabilidad de estructuras ......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