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Avances en Especificaciones de Durabilidad de estructuras de Concreto
Ing. Carlos Alberto Arcila López
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
El avance de la normativa de durabilidad
•Carbonatación acelerada
•Diseño de concretos por desempeño
El avance de la normativa de durabilidad
•Permeabilidad Rápída a Cloruros
•Diseño de concretos por desempeño
El avance de la normativa de durabilidad
•Ataque de sulfatos
•Diseño de concretos por desempeño
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
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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
Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES
Nota: el agua de mar → Clase S1
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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
Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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
Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES
P Estructuras que requieren baja permeabilidad
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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…
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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
Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio
Estadio de Fútbol,
Cúcuta
Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio
Columna cerramiento,
Manizales
Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio
Edificio Avianca, Bogotá
Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio
Estructura en instalación petrolera, Barrancabermeja
Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio
Tanque aguas industriales,
Duitama
Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio
Cementera
Costa Caribe
Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio
Bodega Fertilizantes Buenaventura
Casos de deterioro de estructuras de concreto reforzado en nuestro medio
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
Conclusión:
La carbonatación existe!
El ataque químico existe!
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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
Tabla 4.2.1- CATEGORIAS DE EXPOSICION Y CLASES
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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)
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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
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
Requisitos mínimos adicionales
Útil para especificar concretos en cavas y cuartos fríos
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
Nota: ya era hora de que el ACI proscribiera los aditivos con cloruros, Europa lo hizo hace más de 20 años!
?
Tabla 4.3.1- REQUERIMIENTOS PARA EL CONCRETO DE ACUERDO CON LA CLASE DE EXPOSICION
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
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
Requisitos mínimos adicionales
Material cementante, Tipos
Aditivo con Cloruro de
Calcio
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
Clase de exposición
Máx Relac a/cm
Mínima Resistencia
Mpa
P0 N/A 17,5
P1 0,5 28 Ninguno
Requisitos mínimos adicionales
Ninguno
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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?
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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
(ACI 318-08) Capítulo 4: Requerimientos de Durabilidad
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
Clase de exposición
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
Normativa actual para el diseño de estructuras durables
NTC 5551-07:
Durabilidad de Estructuras de Concreto
En cierta forma corresponde a todas las clases C0, F0, S0 y P0 del ACI 318-08
Categoría Severidad Clase Condición
1 No aplicable 1Ningún riesgo de corrosión o de ataque. Concreto en masa sin refuerzo
Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES
Normativa actual para el diseño de estructuras durables
Categoría Severidad Clase Condición
Bajo 2.1 Humedad alta
Moderado 2.2 Humedecimiento-secado
Severo 2.3 Humedad media
K (2) Carbonatación
Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES
NTC 5551-07:
Durabilidad de Estructuras de Concreto
Normativa actual para el diseño de estructuras durables
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:
Durabilidad de Estructuras de Concreto
Normativa actual para el diseño de estructuras durables
NTC 5551-07:
Durabilidad de Estructuras de Concreto
Categoría Severidad Clase Condición
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
Categoría Severidad Clase Condición
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
Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES
Normativa actual para el diseño de estructuras durables
NTC 5551-07:
Durabilidad de Estructuras de Concreto
Categoría Severidad Clase Condición
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
Tabla 1- CLASES GENERALES DE EXPOSICION Y SUBCLASES
(6) Ataque químico
La valoración del grado de ataque (Clase) se hace con la Tabla 2
Normativa actual para el diseño de estructuras durables
NTC 5551-07:
Durabilidad de Estructuras de Concreto
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
Clase de exposición
Máxima relación
a/mc
Mínima resistencia
(Mpa) Requisitos mínimos adicionales
2.1 0,60 24 Mínimo 300 kg/m3 de cementante
2.2 0,55 28 Mínimo 300 kg/m3 de cementante
2.3 0,50 28 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
Clase de exposición
Máxima relación
a/mc
Mínima resistencia
(Mpa) Requisitos mínimos adicionales
3.1 0,50 28 Mínimo 300 kg/m3 de cementante
3.2 0,45 35 Mínimo 325 kg/m3 de cementante
3.3 0,40 35 Mínimo 350 kg/m3 de cementante
Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto
Cloruros de origen marino
NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto
Requerimientos mínimos del concreto
Cloruros de otro origen
Hielo - Deshielo
NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto
Clase de exposición
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
Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto
Clase de exposición
Máxima relación a/mc
Mínima resistencia
(Mpa)Requisitos mínimos adicionales
5 0.45 31 Mínimo 300 kg/m3 de cementante
Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto
Requerimientos mínimos 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/m3 de cementante
6.2 0,50 / 0,45 35 Mínimo 300 kg/m3 de cementante
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.
Tabla 3.- Valores límite para composición y propiedades del concreto
Ataque químico
NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto
Requerimientos mínimos del concreto
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
NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto
Requerimientos mínimos del 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 0,06Concreto 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
NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto
Requerimientos mínimos del concreto
NTC 5551-07: Durabilidad de Estructuras de Concreto
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
Requerimientos mínimos del concreto
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!