Diagnostico de Las Patologias en La Estructura Del Paraboloide Hiperbolico DAE-FIC-UNI y Propuesta de Solucion

UNIVERSIDAD NACIONAL UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIER A FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

Ponencia

AGNOSTICO TICO DE “DIAGNOS

LAS PATOLOGÍAS EN LA ESTRUCTURA DEL PARABOLOIDE PARABOLOID E HIPERBÓLICO H IPERBÓLICO DAE – FIC - UNI Y PROPUESTA DE SOLUCIÓN”

UNIVERSIDAD UNIVERSIDA D NACIONAL N ACIONAL DE INGENIERÍA

ÁREA DE CONSTRUCCIONES

JUAN RAÚL PACO AYUQUE [email protected]

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[email protected]

XIX CONEIC UNSAAC 2011 -1

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIER A FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

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ÍNDICE

INTRODUCCIÓN OBJETIVOS Objetivo principal Objetivos secundarios

HIPÓTESIS DEL PROBLEMA DESARROLLO DE LA PONENCIA Estructuras de paraboloides hiperbólicos Patologías en estructuras de concreto armado Tipos de ensayo Espacio o escenario Levantamiento de información

POSIBLE SOLUCIÓN DEL PROBLEMA Aplicación de aditivos CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFÍCAS


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INTRODUCCIÓN Las estructuras de concreto armado, dada la naturaleza de los materiales que lo conforman, tiende a deteriorarse con el paso del tiempo debido a factores externos e internos de diversa índole, como lo son la exposición a elementos patógenos o como lo son también los movimientos sísmicos. Razón que hace necesario -en caso se quiera aumentar la vida útil de dicha estructura o de repararla en caso de daño estructural-, que se tengan que tomar medidas adicionales sobre el concreto que se encuentra atacado por agentes patógenos o con daño estructural, para evitar su colapso inminente. En ésta investigación nos enfocaremos más en el daño causado por elementos patógenos (externos) sobre la estructura de concreto armado. Al estudio del sufrimiento o daño al que se ve expuesto una estructura del concreto armado durante un determinado plazo de tiempo por factores externos se le denomina patologías en el concreto armado. Las patologías en el concreto armado, como se ha mencionado, tienden a pronunciarse con el paso del tiempo y se clasifican en biológicas, físicas y mecánicas, y químicas. Dentro del grupo de patologías encontramos a la corrosión como uno de los agentes más dañinos, el efecto de la corrosión sobre las estructuras de concreto armado se da en la debilitación progresiva y paulatina del acero estructural. El acero estructural le otorga al concreto armado la propiedad de resistencia a la tracción que es necesaria para el sostenimiento de la estructura. El problema radica cuando las patologías del concreto armado empiezan a predominar lo que podría generar consecuencias graves a la estructura, como resultado de su disminución en el desempeño. En particular, la estructura de concreto armado investigada es un paraboloide hiperbólico, que tuvo su ejecución un poco más de 50 años en el pasado, y que es el local del actual departamento de estructuras de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería; en un inicio se creó con el fin de acoger al Instituto de estructuras UNI, es hoy en día un símbolo que forma parte del patrimonio de la FIC-UNI. Razón por lo cual debe ser rehabilitado y/o reforzado para evitar su posible colapso por el paso del tiempo. Colapso que sin disminuir lo lamentable que sería poner en peligro la vida de los ocupantes de la XIX CONEIC UNSAAC 2011 -3

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estructura, sería una lástima por lo que el paraboloide hiperbólico representa así mismo. OBJETIVOS Objetivo principal 

El objetivo de la presente ponencia es dar una metodología y diagnóstico de las patologías en la estructura del paraboloide hiperbólico DAE-FIC-UNI y dar así la propuesta de solución.

Objetivos secundarios 

Dar a conocer los factores determinantes que condujeron al estado actual de la estructura.

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Dar a conocer los tipos de ensayos que se aplicarían para determinar el grado de deterioro de la estructura.

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Probar la aplicación de aditivos como alternativa de solución y productos relacionados a los campos de aplicación. HIPÓTESIS DEL PROBLEMA

Las hipótesis del problema la plantearemos mediante las siguientes preguntas: 

Si bien es cierto, las estructuras se deterioran con el paso del tiempo, pero ¿Cuáles son las causas que debilitan o los daños más frecuentes encontrados en una estructura de concreto armado?

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En el caso particular de los agentes patógenos como agentes externos ¿Cómo es su actuar/ataque frente a la estructura de concreto armado? ¿Es posible recuperar o reparar una estructura de concreto armado dañada por los agentes patógenos? De ser así, ¿Cuáles son los elementos comúnmente usados en dicha reparación?

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¿Son los aditivos utilizados como elementos que disminuyen y/o retrasan la pérdida en el desempeño de una estructura? ¿Existen productos usados como elementos para reparar elementos de concreto armado dañados? XIX CONEIC UNSAAC 2011 -4

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Respecto al método utilizado ¿Existe alguna metodología en particular para el desarrollo de una investigación en el diagnóstico y reparación de estructuras de concreto armado dañadas por agentes patógenos?

DESARROLLO DE LA PONENCIA 

Estructuras de paraboloides hiperbólicos La distribución triangular de tensiones en el espesor de una sección de

concreto armado es siempre antieconómica, puesto que solamente las fibras extremas están solicitadas a su máximo. Pero lo es aún más en materiales birresistentes, en los que la resistencia a tracción es solamente una pequeña fracción de la de compresión, y la capacidad de carga de la sección se agota tan pronto como tales valores mínimos se alcanzan en las fibras extremas. En las estructuras laminares, la aparición de flexiones y, en general, su comportamiento resistente, depende esencialmente de la forma. Aunque las láminas puedan adoptar una forma cualquiera, son sin duda las láminas de doble curvatura las que mayores ventajas presentan, pues se puede conseguir evitar la aparición de momentos flectores en ellas. Además, estas superficies disponen de una forma que es prácticamente inmutable si los esfuerzos a los que están sometidas son razonablemente pequeños, y estará siempre en equilibrio, sin flexiones, independientemente de la forma y distribución de las cargas. Teniendo en cuenta estos factores, las láminas de hormigón de doble curvatura pueden ser tan delgadas como sea práctica y económicamente posible construirlas.

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Patologías en estructuras de concreto armado Las patologías son las responsables de cualquier cambio adverso de los

mecanismos normales, de las propiedades físicas o químicas o ambas en la superficie o en el interior del elemento generalmente a través de la separación de sus componentes. Dentro de los que encontramos:


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Contaminación por Polución: Contaminación intensa y dañina por parte del aire, constituida por residuos de procesos industriales o biológicos en las superficies del concreto.

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Cultivos Biológicos: Proliferación de microorganismos en la superficie del concreto.

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Meteorización: Alteración física, mecánica o química sufrida por el concreto bajo la acción de la intemperie.

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Eflorescencias: Depósito de sales usualmente blancas que se forman algunas veces en la superficie del concreto.

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Exudación: Líquido o material como gel viscoso que brota de los poros, fisuras o aberturas en la superficie.

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Decoloración y manchado: Acción y efecto de quitar o amortiguar el color de una superficie de concreto.

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Humedad: Presencia permanente de agua en la superficie o dentro del concreto, lo que ataca el concreto por acciones físicas y/o químicas.

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Fisuras: Es la separación incompleta entre dos o más partes con o sin espacio entre ellas. Tipos: Tipo

Dimensiones

Fina

0.00 mm a 1.00 mm

Mediana

1.00 mm a 2.00 mm

Ancha

2.00 mm a 3.00 mm Tabla Nº1: Tipos y dimensi ones de fis uras

Grietas: Es la separación incompleta entre dos o más partes, con un espacio mayor a 3 mm.

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Deflexiones: Es el resultado de la deformación (flecha) causada por los esfuerzos de flexión debida a las cargas impuestas.

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Desplomes: Pérdida del alineamiento vertical de elementos estructurales, 0.002 veces su altura cuyo rango no sobrepase 7 mm o 0.002.

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Fracturas y aplastamiento: Rotura del concreto debido a acciones que lo afectan.

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Distorsión: Cualquier deformación anormal de su forma original. Desgaste: Es el desgaste de la superficie de pisos de concreto debido a la acción sobre ellos.


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Carbonatación: Reacción del dióxido de carbono atmosférico con el hidróxido de calcio (cal) que libera el clinker del cemento en su proceso de hidratación.

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Incrustaciones: Costra o película generalmente dura que se forma en la superficie de concreto o de la mampostería.

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Picaduras: Desarrollo de cavidades relativamente pequeñas en la superficie debido a fenómenos tales como la corrosión o cavitación o desintegración localizada.

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Cráteres: Salida explosiva de pequeñas porciones de la superficie de concreto debido a presiones internas en el concreto que permite en la superficie la formación típicamente cónica.

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Escamas: Presencia de escamas cerca de la superficie del concreto o mortero.

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Estalactita: Formación hacia debajo de materiales provenientes del interior del concreto.

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Estalagmita: Formación hacia arriba de materiales provenientes del interior del concreto.

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Evidencias de ataques químicos: Presencia de un agente externo por periodo de tiempo prolongado que sea perjudicial al concreto.

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Descascaronamiento: Desprendimiento superficial de forma laminar del concreto.

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Ablandamiento de Masa: Pérdida de rigidez de la estructura de concreto. Pérdida de Resistencia: Pérdida de resistencia a los esfuerzos que está sometida la estructura (flexión, compresión, etc.)

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Despasivación de Acero: El recubrimiento del concreto que se hace sobre el acero de refuerzo de una estructura de concreto es conocida como la capa protectora o pasivadora. Cuando esta capa pasivadora pi erde su capacidad de protección, se dice que se ha despasivado.

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Hinchamiento: Expansión de la masa del concreto Corrosión de Acero de refuerzo: Proceso de reacción entre el acero de refuerzo y alguna sustancia del medio ambiente que lo rodea y el resultad o es una oxidación destructiva del metal en cuestión.

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Goteras: Humedad causada por las aguas de lluvia bajo la cubierta. XIX CONEIC UNSAAC 2011 -7

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Tipos de ensayos Dependiendo de las condiciones de la edificación y sus manifestaciones de daño,

deben formularse el tipo de ensayos, su número y localización de manera que esta labor signifique una representación de las condiciones de toda la edificación. Algunos de los ensayos que usualmente se realizan en los estudios de patología estructural son los siguientes:


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Tipo de ensayo Localización de acero

Medición del recubrimiento

Prueba de carbonatación Materia orgánica Prueba de humead relativa Prueba de contenido de cloruros Extracción de núcleos

Pistola de W indsor Ultrasonido Esclerómetro Schmidt

Prueba de adherencia

Nivelación de superficies Plomo de muros o columnas Instalación de medidores de fisuras Evaluación petrográfica Medidas de potencial Porosidad Velocidad de corrosión Pruebas de carga

Prop sito

Determinar su existencia. Facilitar la extracción de muestras de concreto. Confirmar el diseño. Determinar capacidad de resistencia. Determinar posición de estribos y refuerzo Posibilidad de corrosión. Comparar con frentes de daño. Determinar la profundidad del frente de disminución del pH. Determina el contenido de materia orgánica. Evaluar la humedad en el 1 cm en los poros del concreto. Determinar la cantidad de cloruros solubles en el concreto. Determinar el parámetro f´c. Determinar el módulo de elasticidad. Profundidad de fisuras. Comparar con los frentes de daño. Medición de pH. Determinar la resistencia asociada a la dureza. Determinar la resistencia asociada a la velocidad de propagación de una onda de sonido. Determinar la resistencia asociada al golpe de un martillo. Determinar la capacidad de resistencia para la adherencia con un nuevo concreto. Resistencia a la tensión de la su perficie. Determinar eventuales asentamientos . Determinar eventuales asentamientos. Verificar la actividad de las fisuras y grietas. Evaluación de la microestructura del concreto desde el punto de vista de la durabilidad. Elaborar un mapa de potenciales electroquímicos para determinar riesgos de corrosión. Medida de la compacidad de la masa de concreto. Determinar la velocidad de pérdida de sección de acero. Determinar la capacidad resistente de una estructura.

Tabla Nº2: E ns ayos en los es tudios de patologí a estru ctural.


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Espacio o escenario La investigación planteada se realizara en la estructura del paraboloide

hiperbólico ubicada en el campus de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería, haciendo un análisis preliminar de la estructura podremos ver cuáles son los factores probables que han influenciado para el estado actual de la estructura, así pasaremos a determinar mediante análisis más profundos los factores tantos internos y externos que predominan en el tiempo, luego complementaremos estos resultados obtenidos para poder formular conclusiones del estado actual de la estructura y posibles soluciones.

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Levantamiento de información El esquema seguido para el diagnóstico de nuestra estructura pasa por una

inspección de la misma y así verificar su seguridad. Los motivos que nos llevan a realizar esta inspección son distintos es por ello que debemos considerarlos para la planificación del trabajo. Al trabajo planteado se le ha seguido un orden determinado que nos permita ir avanzando en la investigación, es por ello que se ha estado planteando el siguiente esquema:

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Aspectos generales de la estructura

Inspección preliminar

Aspectos del medio ambiente

Revisión del proyecto original Inspección visual detallada

Inspección detallada

Levantamiento gr áfico de daños

Recuento fotogr áfico Planeamiento y definición de ensayos

E s quema N°1: Metodolog ía planteada para el diag nós tico.


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POSIBLE SOLUCIÓN DEL PROBLEMA La inspección en estructuras de hormigón está especialmente dirigida a comprobar su seguridad respecto a la capacidad de carga y a la determinación de las expectativas de durabilidad en servicio. La seguridad de una estructura respecto a las acciones a las que está sometida sólo se puede garantizar si existe un coeficiente de seguridad aceptable, mientras que la durabilidad frente a las acciones ambientales será aceptable si la protección física y química de la que dispone es suficiente para la vida útil restante prevista. Aplicación de Aditivos Los Aditivos son sustancias o ingredientes diferentes al agua, agregados y Cemento, que son añadidos a la mezcla de concreto antes o durante el mezclado para modificar o cambiar una o varias de sus propiedades, contrarrestar posibles deficiencias, desarrollar propiedades especiales o lograr una mayor economía. Los Aditivos son usados: 1. Por cuestiones técnicas: Hacen que las estructuras sean más durables. 2. Por cuestiones económicas: Facilitan enormemente la ejecución de las obras obteniendo así un menor costo. Algunas aplicaciones: 

Protección y reparación del concreto

Reparación de Concreto Morteros Pre dosificados Los morteros predosificados, son a base de cemento hidráulico, áridos de granulometría y composición determinada según el producto. La preparación del mortero predosificado en el sitio de la construcción se limita a la adición de agua (ej. Sika Grout 212), y/o la mezcla de la parte líquida con la parte en polvo de los morteros de reparación (SikaTop 122). Las ventajas de utilizar un mortero predosificado, está en el hecho de que el mortero está diseñado con todos sus ingredientes incorporados para satisfacer la necesidad particular que se requiera. Los morteros con propiedades expansivas se utilizan siempre en espacios confinados, como son: anclaje, rellenos, inyecciones y reparaciones de grietas. XIX CONEIC UNSAAC 2011 - 12

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Las grietas o fisuras se abren previamente hasta un ancho de 4-5cm. Por ser productos que contienen cemento en su composición, se deberá tener en cuenta un proceso de curado.

G ráfico Nº1: V is ta de la es tructura sos tenimiento del paraboloide hiperbólico (patologí as en ella). G ráfico Nº2: V is ta g eneral de las g ri etas en la es tructura del paraboloide hiperbólico.

Productos a usar: Sikagrout 212 - SikaTop 122 

Reforzamiento Estructural

Productos para Refuerzo Estructural Los productos para reforzamiento estructural comprenden láminas y mantas de fibra de carbono, los cuales son adheridos con resinas epóxicas de propiedades especiales. Estos refuerzos que son adheridos externamente a las estructuras de concreto, madera o metal, han demostrado largamente su eficacia, debido a su extremada resistencia a la tracción. Las láminas de fibra de Carbono se utilizan especialmente para aumentar la resistencia a flexión, mientras que las mantas se utilizan con bastante éxito para aumentar la resistencia a cortante. Son muy fáciles de colocar, no requiriendo personal especializado para dicho trabajo. El desarrollo de proyectos de reforzamiento estructural con fibras de carbono, obedece a la investigación en el campo de las estructuras desde los años ochenta. El beneficio obtenido principalmente es el de contar con un material liviano, que no se oxida y que es extremadamente resistente a la tracción. Para la colocación de los materiales de fibra de carbono, es necesario en la mayoría de los casos, someter previamente, a la estructura de concreto a una prueba de adherencia, la cual de ser positiva , garantiza la correcta adherencia del refuerzo a la estructura; caso contrario, se deberá optar por un sistema de reforzamiento distinto.


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G ráfico Nº3: Vi s ta exterior paraboloide hiperbólico – (V is ta de elementos conformantes) Gráfico Nº4: E s tructura soporte del paraboloide hip erbólico – P atolog ías en estructuras sopor te.

Productos a usar: Sika CarboDur

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Impermeabilización

Impermeabilización en el Proyecto En el proyecto de la obra, el sistema de impermeabilización deberá considerarse como un elemento integrado del resto de la construcción. La impermeabilización, en algunos casos, puede condicionar aspectos del proyecto y, a su vez, el proyecto, condicionar el sistema de impermeabilización. Se tienen que tener en cuenta, que los distintos tipos de estructuras tienen diversas necesidades de impermeabilización y, a su vez un sinnúmero de elementos de una construcción (losas, muros, cimentaciones, estanques) requiere de un sistema o material generalmente distinto, por cuanto un impermeabilizante rígido puede ser apto para un muro o depósito de agua; sin embargo, en losas u otros elementos sometidos a movimientos o deformaciones, el indicado es un material flexible. Si bien son variados los aspectos en el que el proyectista debe considerar para el sistema de impermeabilización, destacaremos los más elementales: 

Grado de exposición de la obra a fuentes de humedad: Presión de agua, intensidad de lluvia, viento, nieve, aguas subterráneas, exposición permanente, periódica o eventual.

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Tipo de Construcción.

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Condiciones bajo las cuales se aplicará los materiales: Condiciones climáticas, preparación de superficie, obra de mano, puesta de servicio, complementación con otras faenas de la obra e inspección.

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Detalles de terminación: Sellado de uniones, longitud de traslapes.


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Características del material a colocar: Durabilidad, resistencias mecánicas y químicas, compatibilidad de materiales, ensayos.

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Cubierta protectora de la impermeabilización: Protección contra daños mecánicos, tránsito liviano o pesado, exposición a agentes corrosivos.

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Costo Inicial y Eventual: Costo de reposición o mantención.

Impermeabilización de Techos Impermeabilización de techos es un campo en el que Sika trabaja desde mucho tiempo atrás, para brindar soluciones es necesario tener una idea cabal de lo que se desea en el proyecto, el grado de impermeabilización y el presupuesto necesario para llevarlo a cabo. Así pues, se tiene una gama muy amplia de productos para atender diferentes necesidades: 

Revestimientos Bituminosos.

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Revestimientos Pictóricos.

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Aditivos impermeabilizantes. Mantas de PVC

G ráfico Nº5: V is ta interior estructur a laminar paraboloide hiperbólico (techo) – Patolog ía de la estructura. G ráfico Nº6: V is ta exterior estru ctura laminar paraboloide hiperbólic o (techo) – Patolog ía de la estructura. G ráfico Nº7: V is ta exterior paraboloide hiperbólico (c ontacto área cir cundante) – P atolog ía de la estructura.

Productos a usar: Sika Techo E 

Protección de Acero El deterioro de las estructuras de concreto reforzado es uno de los problemas

más graves, ya que acarrea serios problemas, bien sea por la parálisis o interrupción de las actividades debido a la necesidad de reparación, por la parada obligatoria de las actividades productivas en la industria ocasionada por l os trabajos de reparación de daños graves de su estructura o por las costosas reparaciones de edificios cuya estructura resultó afectada y ya no brinda un ambiente seguro para sus ocupantes. XIX CONEIC UNSAAC 2011 - 15

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Corrosión del acero de refuerzo Hay cierta ignorancia respecto al fenómeno de la corrosión del acero de refuerzo; la corrosión del acero de refuerzo en el concreto reforzado depende de muchos factores; así pues en el esquema del concreto armado las condiciones necesarias para que se corroa son: 

Que el contenido de cloruros sea alto

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Que el valor de pH del agua de poros del concreto sea crítico en la cercanía del refuerzo.

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Que exista suficiente presencia de oxígeno en la superfi cie del refuerzo.

G ráfico Nº8: Vi s ta exterior paraboloide hiperbólico – P atologí a de la estructura. G ráfico Nº9: Vi s ta exterior paraboloide hiperbólico – C ontacto estruc tura de soporte y área circundante.

Productos a usar: Sika Ferrogard - 903


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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 

Debido a que la estructura de concreto armado (paraboloide hiperbólico de

la FIC-UNI) se encuentra en un área cuyos alrededores tiene alta presencia de elementos biológicos por la presencia de áreas verdes circundantes, y que por consecuencia requiere la presencia de agua para su irrigación (que son aguas tratadas de la planta de tratamiento de aguas de la UNI – UNITRAR), se deduce que éstos elementos patógenos han sido los principales causante de los daños superficiales. 

Una estructura de concreto armado, sometida a agentes patógenos

severos es posible de ser recuperada mediante métodos diversos, como lo es el uso de aditivos. En el caso particular de los aditivos, dado que son una de las aplicaciones más prácticas, de gran variedad de soluciones para las patologías que se presenten y de menor costo respecto al uso de elementos estructurales adicionales, su uso se hace extensivo y predominante sobre otras metodologías de reforzamiento y/o recuperación. 

La metodología planteada para el diagnóstico, aunque no es la única

existente, ha sido utilizada dado que optimiza el proceso de investigación en todos sus subprocesos hasta obtener el diagnóstico apropiado que conlleva a una solución determinada. 

Se recomienda hacer diagnósticos periódicos apropiados durante la vida

útil de una estructura de concreto armado, para de esta manera evitar y anticiparse a posibles daños severos que podrían ocasionar los agentes externos presentes de no llevarse un control adecuado.


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BIBLIOGRAFÍA 

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Diagnostico de Las Patologias en La Estructura Del Paraboloide Hiperbolico DAE-FIC-UNI y Propuesta de Solucion

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