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Evaluación, Reparación y Rehabilitación de Estructuras de Concreto
Gustavo Tumialan
Simpson Gumpertz & Heger, Inc.
Boston, Massachusetts
www.sgh.com
INTRODUCCION
§ Reparación de Concreto: – Ciencia (análisis) + arte (creatividad)
– La combinación de los dos resulta en una estrategia de rehabilitación exitosa
§ El costo anual de reparación de edificios y parqueos en los Estados Unidos es estimado en $2.5 a $3 billones– Fuente: “Vision 2020: A Vision for the Concrete Repair,
Protection, and Strengthening Industry”
§ Métodos de evaluación, rehabilitación y reparación varían ampliamente – Comité 562 del ACI – “Evaluation, Repair, and Rehabilitation of
Concrete Buildings” (2006)
– Norma que defina los estándares
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§ Objetivo: desarrollar una norma para la evaluación, reparación y rehabilitación de edificaciones de concreto– Definir los estándares de la industria
– Elevar el nivel de la performance de las reparaciones estructurales: procedimientos para la evaluación y diseño, selección de materiales, inspecciones
§ “Building Code Requirements for Repair of Existing Structural
Concrete”
– Ingenieros, contratistas, fabricantes, investigadores
– Listo para el 2012
Trabajo del Comité ACI 562
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§ Proyectos de Reparación y Rehabilitación: no se intenta crear una nueva edificación– Lograr que la estructura sea segura, equivalente al de un sistema
estructural nuevo
– Extender la vida útil de la estructura
§ Norma prescriptiva no es practica– Difícil que una estructura existente cumpla con normas actuales
– Muchas permutaciones entre materiales nuevos y existentes
§ Norma ACI 562: basada en performance– Dar flexibilidad pero asegurando la seguridad de la estructura
– Reconocer la posibilidad de muchas soluciones para un problema
– No limitar la creatividad en el diseño e implementación de las reparaciones
– La norma enfatizara seguridad mientras que los comentarios citaran otros documentos del ACI, ICRI y otras organizaciones para dar guías y detalles
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Trabajo del Comité ACI 562
§ Modificación estructural
– Reforzamiento para nuevas cargas muertas o vivas
– Reconfiguración estructural: adiciones, escaleras, ascensores
§ Deterioro estructural
– Refuerzo: corrosión
– Concreto: reacción alkali-silice (ASR), ciclos de congelamiento-
descongelamiento
§ Daño estructural
– Físico: impacto vehicular
– Incendios
§ Deficiencia estructural
– Errores de construcción
– Errores de diseño
Cuando se requiere rehabilitación o reparación?
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1. Observar y analizar la estructura– Determinar la condición existente
• Trabajo de campo• Ensayos de campo y laboratorio
– Análisis estructural
2. Diagnosticar problemas en la estructura– Encontrar la causa
3. Establecer el tipo y grado de intervención estructural– Flexión, corte, punzonamiento, etc.– Rehabilitación local o global
4. Implementar las acciones para rehabilitar/reparar– Tratar la causa, no solo los síntomas
5. Establecer un programa de mantenimiento– Dependiente del tipo de estructura– Evitar problemas en el futuro
Reparación y Rehabilitación Estructural
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Estructura = “Paciente” de concreto, acero, albañilería o madera
INVESTIGACION ESTRUCTURAL
§ Investigación inicial
§ Evaluación de las condiciones existentes
§ Revisión estructural
§ Diagnostico del problema
§ Estrategia para la rehabilitación
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Investigación Inicial
§ Revisar información disponible – Planos y especificaciones de la construcción original
– Fotografías
– Reportes pasados
– Proyectos pasados: reparaciones, adiciones
– Historia de mantenimiento
§ Entrevistar personas que conozcan la estructura– Dueños
– Arquitectos o Ingenieros que la diseñaron
– Personal de mantenimiento
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Evaluación de las Condiciones Existentes
§ Observaciones visuales– Que esta tratando de decir la estructura
– Signos de deterioro estructural: grietas, delaminación, desconchamientos, deflexiones o deformaciones excesivas
– Verificar información incluida en planos originales
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Asentamiento
Deficiencia
Temperatura
Grietas
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Deflexión
Delaminación
Desconchamiento
Evaluación de las Condiciones Existentes
§ Observaciones visuales– Que esta tratando de decir la estructura
– Signos de deterioro estructural: grietas, delaminación, desconchamientos, deflexiones o deformaciones excesivas
– Verificar información incluida en planos originales
§ Exploración– Determinar condiciones no ocultas o no visibles
– Obtención de muestras
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Losa Postensada
Losa de Acabado
Extracción de Muestras
Evaluación de las Condiciones Existentes
§ Observaciones visuales– Que nos esta tratando de decir la estructura
– Signos de deterioro estructural: grietas, delaminación, desconchamientos, deflexiones o deformaciones excesivas
– Verificar información incluida en planos originales
§ Exploración– Determinar condiciones no ocultas o no visibles
– Obtención de muestras
§ Ensayos en el campo– No destructivos
– Pruebas de carga
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Ensayos no destructivos
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Complejidad Ensayo Respuesta buscada
Simple Visual Cual es la apariencia?
Sondeo Es el concreto delaminado? (superficialmente)
Esclerómetro Cual es la calidad y resistencia del concreto?
(idea general)
Moderado Pacómetro Donde están la varillas?
De que tamaño son?
Potencial de media celda Esta el refuerzo corroyéndose? Donde?
Complejo Velocidad de Pulso
Ultrasónico
Cual es la resistencia del concreto?
Hay cangrejeras? Hay Grietas internas?
Indice de Corrosión Que tan rápido se esta corroyendo el refuerzo?
Prueba de Impacto-Eco
Prueba de Impulso a la Onda
Cual es el espesor?
Son buenos los apoyos?
Radar de Penetración
Terrestre (GPR)
Donde están las varillas?
Que hay dentro del concreto?
Ensayos no destructivos
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Impacto-Eco Impulso a la Onda
Indice de Corrosión
Postensado
Parte InferiorLosa
Parte Superior
Losa
Radar
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Pruebas de Carga
0
4
8
12
16
20
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Deflection [in]
Lo
ad
[k
ip]
1.0 DW+1.6 L
1.2 D+1.6 L
1.15 D+1.5 L
ACI 318
ACI 437
Evaluación de las Condiciones Existentes
§ Observaciones visuales– Que esta tratando de decir la estructura
– Signos de deterioro estructural: grietas, delaminación, desconchamientos, deflexiones o deformaciones excesivas
– Verificar información incluida en planos originales
§ Exploración– Determinar condiciones ocultas o no visibles
– Obtención de muestras
§ Ensayos en el campo– No destructivos
– Pruebas de carga
§ Ensayos en el laboratorio– Contenido de Cloruro
– Profundidad de Carbonatación
– Petrografía
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Ensayos de Laboratorio
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1.25 lb/yd3
Carb
on
ata
ció
nCloruro dentro del concreto destruye la capa “pasiva” de protección del refuerzo
Carbonatación reduce el ambiente alcalino alrededor del refuerzo
Petrografía
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Agrietamiento
Efecto de Retemplado
Revision Estructural
§ Objetivo: identificar problemas estructurales
§ Análisis estructurales considerando:– Como la estructura fue en realidad construida
– Condición actual
– Propiedades reales de los materiales
§ Pruebas de carga– Complementar análisis estructural
– Validar modelos estructurales
– Verificar la efectividad del reforzamiento
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Diagnostico del Problema y Estrategia de Rehabilitación
§ Evaluación de Alternativas– Ventajas y Desventajas
– Costos iniciales vs. costos a largo plazo
§ Preparación de Documentos – Reportes
– Planos y Especificaciones
§ Calendario para la implementación de las reparaciones– Fondos disponibles, tamaño de la estructura
– Fases: una, varias
§ Programa de mantenimiento– Inspecciones periódicas
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Métodos de Reforzamiento Estructural
§ Flexión
– Ensanchamiento de sección
– Post-tensado externo
– Reducción de la luz
– Apoyos suplementarios
– Sistemas FRP: laminados o varillas
§ Corte
– Ensanchamiento de sección
– Refuerzo externo (acero, FRP)
§ Punzonamiento
– Capiteles nuevos de concreto o acero
§ Carga Axial
– Encamisamiento de columnas con concreto, planchas de acero o FRP
§ Cargas Laterales
– Reforzamiento de placas existentes
– Construcción de placas nuevas
– Arriostramiento de pórticos
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Flexión
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Vigas Suplementarias
Apoyos Intermedios
Flexión
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Planchas de Acero
FRP
Ensanchamiento
Post-tensado Externo
Corte
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FRPEnsanchamiento
Estribos Externos
Columnas
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Ensanchamiento
FRP
Punzonamiento
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Acero
Concreto
Protección contra la corrosión
Reducir o detener deterioro y extender la vida útil de la estructura reparada
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Photo Credits: Vector Corrosion Technologies
§ Protección Interna– Capas de antioxidante en
el refuerzo
– Inhibidores de corrosión
– Protección catódica
– Protección galvánica
– Extracción de cloruros
– Re-alcalinización
Protección contra la corrosión
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§ Protección Externa– Selladores
– Membranas impermeabilizantes
– Recubrimientos de anti-carbonatación
Photo Credit: Portland Cement Association
Muestras de la Reparación
§ Reparaciones estructurales tienen riesgos debido a complejidad y desconocimiento
§ Muestras de la reparación son cruciales para evaluar cuestiones especiales relacionadas a la rehabilitación/ reparación– Capacidad del contratista
– Constructabilidad
– Aspecto
– Costo
– Interrupciones
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ESTUDIO DE CASOS
§ Edificio de Parqueo
§ Estadio de Futbol
§ Muro de Contención
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EDIFICIO DE PARQUEO – KANSAS CITY
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§ Dos parqueos para complejos de departamentos
§ Parqueo en 4 niveles, construido en 1999
§ Losas post-tensadas en dos direcciones (15 cm)
Evaluación de las Condiciones Existentes
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§ Inspección de todos los elementos estructurales– Losas (partes superiores e inferiores)
– Columnas
§ Determinar la ubicación real del refuerzo y el espesor real de las losas usando ground penetrating radar –
GPR
§ Medir las deflexiones en las losas
§ Extracción de cilindros de concreto para ensayos de laboratorio
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Delaminación
GrietasGrietas
Grietas
Revisión Estructural
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§ Análisis estructural considerando las condiciones existentes:
§ Ubicación del refuerzo
§ Espesor de losa
Resultados de la Investigación y Diagnostico
§ Profundidad de los tendones mayor que la especificada en las áreas de momento negativo – 3 cm (especificado) vs 8 cm (construido)
§ Capacidad a la flexión significativamente reducida en muchas áreas de momento negativo y algunas de momento positivo– 70% de las áreas de momento negativo requerían reforzamiento
para satisfacer las demandas de carga
§ Resistencia al corte por punzonamiento reducida en muchas áreas– Areas en columnas interiores e exteriores
§ Petrografía: agrietamiento hasta 8 cm de profundidad
§ Contenido de cloruro: aceptable
§ Problema Estructural
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Estrategia de Reparación y Rehabilitación
§ Reforzamiento por flexión de áreas de momento negativo– Sistemas FRP
– Capiteles de concreto
§ Reforzamiento al corte por punzonamiento– Capiteles de concreto
– Sistemas FRP (solo hasta deficiencias de 30%)
– Nuevas vigas para las rampas
§ Pruebas de carga para verificar que el reforzamiento funciona– Capiteles vs. FRP (efectividad, costo)
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Pruebas de Carga
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4to. Nivel
3er. Nivel
2do. Nivel
1er. Nivel
Instrumentación
Losa Ensayada
Nivel usado como contrapeso
Nivel usado como contrapeso
Método del ACI 437
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0
4
8
12
16
20
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Deflection [in]
Lo
ad
[k
ip]
1.0 DW+1.6 L
1.2 D+1.6 L
1.15 D+1.5 L
0
4
8
12
16
20
0 0.007 0.014 0.021 0.028 0.035
Crack Opening [in]
Lo
ad
[k
ip]
Crack Opened
1.0 DW+1.6 L
1.15 D+1.5 L
1.2 D+1.6 L
1.0 D+1.0 L
Crack Opening
Carga-Deflexión
Carga-Espesor de Grieta
Pruebas de Carga
Reparación y Rehabilitación
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Varillas de FRP
Reparación y Rehabilitación
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Capiteles de Concreto
Reparación y Rehabilitación
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Vigas de Concreto
Laminados de FRP
Reparación y Rehabilitación
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Reparación de la Losa
Laminados de FRP
ESTADIO DE FUTBOL – UNIVERSITY OF NOTRE DAME
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§ Estructura de concreto reforzado construida entre 1929 y 1930 (Capacidad: 59,075)
§ Estructura aporticada soportando las graderías con rellenos de albañilería en el exterior.
§ Estadio ampliado en 1995 con estructura de concreto precolado. (Capacidad: 21,150)
Condiciones Existentes
1. Deterioro del concreto:
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Ciclos de congelamiento y descongelamiento
Condiciones Existentes
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2. Posible debilitamiento del sistema resistente a fuerzas laterales del estadio por renovaciones de 1995
– Estudio anterior: reforzamiento debido a cargas laterales causadas por
el movimiento del público: 24 lb/ft (36 kg/m) – IBC 2003
– Ensanchamiento de elementos estructurales, construcción de arriostres – $$$
Section 9 Section 8
Alteración de Muros
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Ensanchamiento de Vigas y Columnas
Instalación de Arriostres
Antecedentes de la Carga Lateral (Sway Load = 24 lb/ft)
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Basado en la fuerza desarrollada por nueve o tres personas “a las que les
pidieron desarrollar su máximo esfuerzo al unísono para crear la máxima fuerza horizontal posible”
Evaluación de las Condiciones Existentes
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§ Inspección de todos los elementos estructurales– Graderías (partes superiores e inferiores)
– Vigas, columnas y muros de albañilería
§ Determinar el deterioro interno en las graderías de concreto usando Impulse Response
§ Revisión Estructural– Análisis Estructural
– Pruebas de carga:
• Carga Vertical: relacionar el deterioro a la seguridad de la estructura
• Carga Lateral: evaluar la resistencia a cargas laterales
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Resultados de la Investigación y Diagnostico
§ Los ensayos no destructivos mostraron un grado de deterioro variable.
– Algunas secciones con areas extensas de deterioro
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Resultados de la Investigación y Diagnostico
§ Pruebas de carga vertical demostraron que las graderías podían soportar la carga de diseño.
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Pruebas de Carga Lateral
98
Gatos
Hidráulicos
8 9
§ Pruebas de carga lateral demostraron que las graderías podían resistir la carga lateral de diseño.
0.000
0.010
0.020
0.030
0.040
0.050
0.060
0.070
D E F G
Column Line
Dis
pla
ce
me
nt
(in
)
Load Test Results
Analytical (With Wall)
Analytical (Without Wall)
Estrategia de Reparación y Rehabilitación
§ Graderías de concreto– Reparación de espesor parcial y total
– Protección:
• Membrana impermeabilizante en la parte superior
• Capa de anti-carbonatación en la parte inferior
§ Muestras de Reparación (Mockups)– Investigar procedimientos para demolición del concreto, métodos
de reparación
– Afinar los costos y programa de construcción
§ Desarrollar una estrategia de reparación y mantenimiento por 65 años– Estimar cantidades a reparar y costos para los siguientes 65 años
– Desarrollar varios tipos de reparación
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Reparación y Rehabilitación
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Reparación – espesor total
Hydrodemolition
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Reparación – espesor parcial
Ensayos de Adherencia
Reparación y Rehabilitación
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Impermeabilización
Reparación y Rehabilitación
MURO DE CONTENCION – WORLD TRADE CENTER, NEW YORK
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§ Muro original parte del nuevo complejo
§ Museo a la Memoria mostrara una sección del muro
Construcción Original
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§ Muro pantalla construido aproximadamente en 1970 – Slurry Wall
Method
§ Contención de suelo y agua para la construcción de las Torres Gemelas
§ Soportado lateralmente por las losas de los parqueos.
Condiciones Existentes
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§ Muro en malas condiciones después del 11 de Setiembre del 2001
– Incendios
– Fuerzas equivalentes a un sismo de magnitud 2.3
§ Soporte lateral de las losas del parqueo desapareció por el colapso
§ Expuesto a la intemperie desde el 2001
§ Instalación de anclajes temporales (tiebacks) en 2003
– Anclajes sin protección contra la corrosión
Evaluación de las Condiciones Existentes
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§ Inspección del muro– Deterioro
– Indicación de movimiento lateral
– Ensayos de la adherencia entre el refuerzo
§ Ensayos no destructivos– Ensayos de corrosión del refuerzo y el concreto
§ Pruebas de laboratorio– Contenido de cloruro
§ Petrografía– Daños debido al fuego y la intemperie
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Resultados de la Investigación y Diagnostico
§ Muro estable pero con bastante deterioración
§ Muro no era adecuado para resistir las cargas laterales
– Vida de servicio del museo = 100 años
Estrategia de Estabilización
§ Sección no expuesta a la vista: (60 m.)– Construccion de un muro delante
(1.20 m de espesor), anclado al terreno (roca) con tiebacks y
– Muro soportado verticalmente con pozos de cimentación (caissons)
§ Sección expuesta a la vista: (20 m.)– Construcción de muro detras
– Excavación para instalar pilastras de concreto anclados a la roca.
– Construcción de muros entre las pilastras
– El muro es soportado verticalmente con caissons
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Vista en Planta
Sección no expuesta
Sección expuesta
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Estrategia de Estabilización
Sección no expuesta
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Sección expuesta
Vista en Planta
Estrategia de Estabilización
Construcción – Sección Expuesta a la Vista
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Instalación de columnas de acero
Colocación del concreto en alzadas
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Construcción – Sección Expuesta a la Vista
Instalación de anclajes
Muro acabado
Liner Wall
Third lift underway
26 June 2008
Construcción – Sección No Expuesta a la Vista
Excavación para las pilastras (20 m. aprox.)
Encofrado
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Third lift underway
26 June 2008
Construcción – Sección No Expuesta a la Vista
Concreto colocado
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