LABORATORIO DE ENTRENAMIENTO MULTIDISCIPLINARIO PARA LA INVESTIGACION TECNOLOGICA

COMISION DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS PROVINCIA DE BUENOS AIRECOMISION DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS PROVINCIA DE BUENOS AIRESS

DISEDISEÑÑO POR CORROSIO POR CORROSIÓÓN N DE LAS DE LAS

ESTRUCTURAS DE HORMIGESTRUCTURAS DE HORMIGÓÓN ARMADON ARMADO

La Plata, 4 de Julio de 2008La Plata, 4 de Julio de 2008

Ing. Luis P. TraversaIng. Luis P. Traversa

• Según el Manual Americano de la Construcción, (Edición 1952), es la “capacidad del material para resistir hasta cierto punto los efectos de las condiciones de servicio a que está sujeto, tales como la meteorización, la acción química y el desgaste”.

• En el Proyecto de Reglamento Argentino de Estructuras de Hormigón (PRAEH, edición 1964), se menciona que “el hormigón debe resistir debidamente la acción destructora del medio ambiente a que la estructura estará expuesta”, para lo cual especifica razones agua/cemento máximas en peso a emplear según el tipo de estructura y la condición de exposición.

Durabilidad

• Igual concepto adopta el CIRSOC-201 (1982), en particular para los hormigones definidos como de características y propiedades especiales, incluyendo en este ítem a los hormigones impermeables, de elevada resistencia contra los efectos de las bajas temperaturas o los expuestos a la agresión química o fisicoquímica.

• El Reglamento CIRSOC-201-2005 hace referencia al concepto de vida útil en servicio de una estructura como aquel período durante el cual se deben mantener las condiciones de seguridad, funcionalidad y aspecto aceptables sin gastos de mantenimiento significativos. El citado anteproyecto considera expresamente que las especificaciones de durabilidad indicadas en el mismo, permiten obtener una vida útil de la estructura de 50 años.

Vida Vida úútiltil

El período a partir de la construcción, durante el cual deben mantenerse las condiciones de seguridad y funcionalidad (aptitud en servicio) con un aspecto aceptable, sin gastos de mantenimiento significativos.

Debe ser fijado por el propietario antes del inicio del diseño y depende del tipo de estructura. Cuando no se establezca expresamente, se asume por defecto que es igual a 50 años.

La vida útil especificada varía según el tipo de estructura, como por ejemplo:

Estructuras off-shore: 35 añosEstructuras diseñadas según CIRSOC-201/05, Eurocode 2, : 50 años

Túneles, puentes: 100 años

Tabla 2.1. Indica las clases generales de exposición que producendegradación de las estructuras por corrosión de lasarmaduras.

Tabla 2.2.Indica las clases específicas de exposición que

producen degradación por fenómenos distintos de lacorrosión de las armaduras.

CIRSOC 201CIRSOC 201--2005 2005 Ambientes naturales en los que puede estar emplazada la estructuAmbientes naturales en los que puede estar emplazada la estructurara

Los ambientes se clasifican en dos Tablas:

DESIGDESIG CLASECLASE SUBCLASESUBCLASETTÎÎPO DEPO DE

PROCESOPROCESODESCRIPCION DEL MEDIO AMBIENTEDESCRIPCION DEL MEDIO AMBIENTE

A1A1 No AgresivaNo Agresiva NingunoNinguno

--Interiores de edificios no sometidos a Interiores de edificios no sometidos a condensacionescondensaciones-- Elementos exteriores de edificios, revestidosElementos exteriores de edificios, revestidos-- HormigHormigóón masivo interiorn masivo interior-- Estructuras en ambientes rurales y climas Estructuras en ambientes rurales y climas desdeséérticos, con precipitacirticos, con precipitacióón media anual < 250 n media anual < 250 mmmm

A2A2 Ambiente Ambiente NormalNormal

Temperatura Temperatura moderada y moderada y frfríía, sin a, sin congelacicongelacióón. n. Humedad alta y Humedad alta y media o con media o con ciclos de ciclos de mojado y mojado y secadosecado

-- Interiores de edificios expuestos al aire con Interiores de edificios expuestos al aire con HRHR≥≥65% o a condensaciones65% o a condensaciones--Exteriores expuestos a lluvias con precipitaciExteriores expuestos a lluvias con precipitacióón n media anual <1.000mm.media anual <1.000mm.--Elementos enterrados en suelos hElementos enterrados en suelos húúmedos o medos o sumergidos.sumergidos.

A3A3 Climas Tropical y SubtropicalClimas Tropical y Subtropical

--Exteriores expuestos a lluvias con precipitaciExteriores expuestos a lluvias con precipitacióón n media anual media anual ≥≥1000 mm.1000 mm.--Temperatura media mensual durante mTemperatura media mensual durante máás de 6 s de 6 meses al ameses al añño o ≥≥ 2525ººCC

CorrosiCorrosióón por n por carbonatacicarbonatacióónn

CIRSOC 201CIRSOC 201--2005 2005 -- Clases de exposiciClases de exposicióón generales que producen n generales que producen corrosicorrosióón de armadurasn de armaduras

DesigDesig ClaseClase SubclaseSubclase Tipo de Tipo de ProcesoProceso DescripciDescripcióón del medio ambienten del medio ambiente

M 1M 1

HHúúmedo o sumergido medo o sumergido con cloruros de origen con cloruros de origen diferente del medio diferente del medio marinomarino

--Superficies de hormigSuperficies de hormigóón expuestas al rociado o la n expuestas al rociado o la fluctuacifluctuacióón del nivel de agua con clorurosn del nivel de agua con cloruros-- HormigHormigóón expuesto a aguas naturales contaminadas por n expuesto a aguas naturales contaminadas por desagdesagüües industrialeses industriales

A 3A 3Al aireAl aire

-- A mA máás de 1 Km. de la ls de 1 Km. de la líínea de marea alta y contacto nea de marea alta y contacto eventual con aire saturado de saleseventual con aire saturado de sales

Al aireAl aire -- A menos de 1 Km. de la lA menos de 1 Km. de la líínea de marea alta y contacto nea de marea alta y contacto permanente o frecuente con aire saturado con salespermanente o frecuente con aire saturado con sales

SumergidosSumergidos . Sumergidos en agua de mar, por debajo del nivel m. Sumergidos en agua de mar, por debajo del nivel míínimo nimo de mareasde mareas

M 2M 2 SumergidosSumergidos -- En la zona de fluctuaciEn la zona de fluctuacióón de mareas o expuesto a n de mareas o expuesto a salpicaduras del marsalpicaduras del mar

M 1M 1MarinoMarino

CorrosiCorrosióón por n por ClorurosCloruros

CIRSOC 201CIRSOC 201--2005 2005 -- Clases de exposiciClases de exposicióón generales que producen n generales que producen corrosicorrosióón de armaduras n de armaduras (continuaci(continuacióón)n)

DesigDesig.. ClaseClase SubclaseSubclase DescripciDescripcióón del medio ambienten del medio ambiente

C 1C 1

Congelación

Sin salesdescongelantes

Elementos en contacto frecuente con agua o humedadrelativa ambiente media en invierno superior al 75 %,con una probabilidad mayor que el 50 % de alcanzar almenos una vez temperaturas por debajo de - 5 ºC.

C 2C 2 y deshielo Con salesdescongelantes

Estructuras para tránsito de vehículos o peatones enzonas con más de 5 nevadas anuales o contemperatura mínima media en los meses de inviernoinferior a 0 ºC.

Q 1 Ambientescon

Moderado Suelos, aguas o ambientes que contienenelementos químicos capaces de provocar

lentalenta

Q 2 agresividadquímica

Fuerte la alteración del hormigón con velocidadVer Tablas 2.3. y 2.4. del Reglamento

mediamedia

Q 3 Muy fuerte rráápidapida

CIRSOC 201CIRSOC 201--20052005Clases de exposiciClases de exposicióón que pueden producir degradacin que pueden producir degradacióón distinta n distinta

de la corroside la corrosióón de armadurasn de armaduras

Limites para la cantidad de cloruros que puede contener el hormigón después de construida la estructura.

Limites para la razón a/c máxima y la resistencia mínima.

Espesor mínimo de recubrimiento.

Se establecen para la corrosiSe establecen para la corrosióón:n:

Limites para el ancho máximo de fisuras.

Hormigón Condición de exposiciónen servicio

Contenido máximo enión cloruro (Cl-) en elhormigón endurecido

------ ------ % en masa del cemento

Sin armar Cualquier condición 1,20

Medio ambiente concloruros 0,15Armado, con curado

normal Medio ambiente sincloruros 0,30

Armado, con curado avapor Cualquier condición 0,10

Pretensado Cualquier condición 0,06

CIRSOC 201CIRSOC 201--20052005Contenido mContenido mááximo de iximo de ióón cloruro (Cl n cloruro (Cl --))

Tipos de exposición de las estructurasRequisitos Hormigón

Simple

ArmadoRazón a/c,máxima (1)

Pretensado

Simple

Armadof ´c mín(MPa)

Pretensado

A 1 A 2 A 3 M 1 M 2 C 1(2)

C 2(2) Q 1 Q 2 Q 3

(3)------ ------ ------ 0,45 0,45 0,45 0,40 0,50 0,45 ,40

0,60 0,50 0,50 0,45 0,40 0,45 0,40 0,50 0,45 0,40

0,60 0,50 0,50 0,45 0,40 0,45 0,40 0,50 0,45 ,40

------ ------ ------ 30 35 30 35 30 35 40

20 25 30 35 40 30 35 30 35 40

25 30 35 40 45 0 35 35 40 45

(1) - Sí se usa cemento más una adición mineral activa, se debe reemplazar a/c por[a/(c+x)].

(2) - Debe incorporarse intencionalmente aire, en la cantidad requerida por esteReglamento.

(3) - Se debe proteger adicionalmente la estructura con una membrana, capaz deresistir la agresión.

CIRSOC 201-2005. Requisitos de durabilidad en función del tipo de exposición

CIRSOC 201. Recubrimiento mCIRSOC 201. Recubrimiento míínimo para exposiciones A1 y A2nimo para exposiciones A1 y A2

Condición Recubrimiento Mínimo (mm)

- Hormigón colocado en la base de las fundaciones, en contacto con la capa de hormigón de limpieza (El recubrimiento indicado NO incluye el espesor de la capa de limpieza

50

-Hormigón en contacto con el suelo o expuesto al aire libreo para barras con db > 16mmo para barras y alambres con db ≤ 16mm

3530

Hormigón no expuesto al aire libre ni en contacto con el suelo:

Losas, tabiques, nervaduras:o para barras con db > 32 mmo para barras y alambres con db ≤ 32 mm

3020

pero ≥ db

Vigas, columnas:o para armadura principal

o para estribos y estribos cerradoso para zunchos

db

pero ≥ 20 y ≤ 402040

Cáscaras y placas plegadas:o para barras con db > 16mmo para barras y alambres con db ≤ 16 mm

2015

Para las clases de exposición A3, Q1 y C1 el recubrimiento se incrementa un 30%.

Para las clases de C2, M1 y M2 el recubrimiento se incrementa en un 50%.

Reglamentos CIRSOC 201Reglamentos CIRSOC 201--2005 y 2012005 y 201--MM

El CIRSOC 201-M, limitan el ancho máximo de fisuras teniendo en cuenta la agresividad del medio.

Ambientes 1 2 3, 4 y 5

Normal Pequeño Muy pequeño

0,30 0,25 0,20

Ancho de fisura que puede esperarse (W 95%), en mm

Ambientes: 1: Seco; 2: Húmedos; 3: Húmedos expuestos a congelación y donde se usan sales descongelantes; 4: Marino; 5: Químico agresivo

El ACI 318 no incluye límites explícitos de fisuración para evitar litigios contractuales, pero supone que el cumplimiento de todas sus exigencias de diseño debe conducir a una fisuración acotada. El CIRSOC 201-2005 adopto el criterio del ACI.

DiseDiseñño de Hormigo de Hormigóón Armado segn Armado segúún CIRSOCn CIRSOC

Ubicación La Plata Mar del Plata

Ambiente A2 M1

cl (%) 0.30 0.15a/c 0.60 0.45

f’c (MPa) 20 35

Fundaciones 50 75

Losas 20 30

Columnas y vigas db 1.5 db (≥20)

Estribos 20 30

d

Para db≤ 32 mm

La metodología de cálculo para el diseño por durabilidad se basa fundamentalmente en:

a.- Determinación del período de vida útil, que debe definirse mediante el deterioro admisible que a su vez estarárelacionado con las características de la obra, tipo de agresión, etc.

b.- Definición de la solicitación actuante (sustancia agresiva, carbonatación, etc.)

c.- Determinación de la propiedad del hormigón que controla el proceso de degradación.

d.- Definición de los parámetros de diseño de la mezcla y de la estructura, en el caso particular de la corrosión del espesor mínimo y otros métodos de protección complementarios (membranas, revestimientos, etc.).

Diseño por vida útil

CriticalidadCriticalidad de los elementos estructurales de los elementos estructurales o de la estructurao de la estructura

En el diseño de vida útil en servicio debe considerarse un nuevo concepto, definido como la “criticalidad” de los elementos estructurales o de la estructura, el cual esta vinculado con la seriedad que la falla por durabilidad puede tener sobre la estructura o sobre el propio elemento.

La criticalidad del elemento se refleja en:

su importancia para soportar cargas;la dificultad en la reparación o reemplazo.

La falla causa la cesación de la función del elemento oestructura y/o graves inconvenientes durante la reparación.

La funcionalidad de las estructuras se reduce, pero los trabajosde reemplazos o reparación pueden ser realizados sin mayoresinconvenientes con precauciones mínimas y durante las horasen las cuales se desarrollan actividades en la estructura.

La falla de estos elementos o estructuras no revisten importancia, ya que no resultan críticos para el funcionamiento estructural. El trabajo de mantenimiento o reparación puede ser realizado sin inconveniente, no presentando dificultades tecnológicas.

Las estructuras o elementos pueden ser categorizados como de baja, media y alta criticalidad según las siguientes definiciones:

Alta Criticalidad:

Media Criticalidad:

Baja Criticalidad:

Los modelos determinísticos pueden ser considerados como la primera generación de diseños prestacionales.

Describen el mecanismo de deterioro apoyados en conocimientos científicos o tecnológicos.

Sus formulaciones sirven para los modelos probabilísticos.

DiseDiseñños os PrestacionalesPrestacionales

Los Diseños Prestacionales pueden ser determinísticos o probabilísticos

LLíímite aceptable de deterioro en el caso de la corrosimite aceptable de deterioro en el caso de la corrosióónn

Deben adoptarse algunos de los siguientes criterios que dependen fuertemente del tipo de estructura:

Momento en el cual se inicia la corrosión (fin del Pi)

Primera aparición de fisuras visibles con magnificación

Fisuras visibles a simple vista

Primer desprendimiento del hormigón de recubrimiento

Pérdida de sección en las barras principales del 10%

Flexión de vigas

Colapso bajo carga de servicio

1 - C (x,t) / Cs = erf [x /2 (Dap. t) 0.5]

donde:

C(x,t): concentración de cloruro a la distancia x, en el tiempo t (se adopta 0.1 % en peso del hormigón).

Cs: concentración superficial de cloruros o carga ambientalx : espesor de recubrimientoDap: coeficiente aparente de difusiónt: vida útil (se adopta 50 años u otro valor)erf: función error

Espesores de recubrimiento en funciEspesores de recubrimiento en funcióón de los n de los procesos de difusiprocesos de difusióón de cloruros n de cloruros

(a partir de la soluci(a partir de la solucióón de la segunda Ley de n de la segunda Ley de FickFick ))

El Dap disminuye con el tiempo debido a los procesos de hidratación del material cementante empleado (cemento pórtland y adiciones minerales activas) que modifican la porosidad de la pasta.

Dt = Do (to/t)n

donde:

Dt: coeficiente aparente al tiempo tDo: coeficiente aparente al tiempo ton: coeficiente de envejecimiento

DisminuciDisminucióón de n de DapDap con el tiempocon el tiempo

VariaciVariacióón de n de DapDap con la temperatura ambientecon la temperatura ambiente

MMéétodos de ctodos de cáálculolculo

Se diseña a partir de valores medios de las variables.Determinísticos

Se diseña considerando a los parámetros como variables estadísticas con distribución gaussiana.

Probabilísticos

Espesores de recubrimiento calculados por el Espesores de recubrimiento calculados por el mméétodo todo determindeterminíísticostico

Ubicación Ambiente Marino (M1). Vida útil de 50 años

Mezclas que emplean como ligante cemento pórtland compuesto (CPC) y dos razones agua/cemento.

Los valores de Dap y Cs fueron obtenidos de experiencias de campo a la edad de 600 días

Coeficiente de envejecimiento: 0.50/0.60/0.70

Límite de vida útil: existencia de un porcentaje de cloruros del 0.05% y de 0.10% en peso del hormigón en la superficie de la barra (despasivación).

a/cCt

(%)Dap.10-12

(mm2/s)Cs

(Kg/m3)n

Recubrimiento(mm)

0.5 33

0.6 28

0.7 23

0.5 15

0.6 12

0.7 10

0.5 63

0.6 53

0.7 44

0.5 28

0.6 237.8

0.7 20

0.60 0.1 3.52

0.60 0.05 7.8 3.52

0.40 0.1 2.17 3.52

2.17 3.520.40 0.05

ResultadosResultados

Consideraciones finalesConsideraciones finales

• En todo proceso de degradación del hormigón armado es conveniente disminuir el tiempo inicial y el tiempo de propagación mediante tecnologías que no eleven excesivamente el costo de diseño, ejecución y/o mantenimiento de las estructuras, ya que el bajo costo es una de las características principales del hormigón armado.

• En la casi totalidad de los Reglamentos se emplean métodos prescriptivos para la mayoría de las patologías, definiendo razones agua/cemento, contenidos mínimos de cemento, etc. según los ambientes de exposición. En algunos pocos casos se incorporan exigencias prestacionales del material.

• En el caso de la corrosión de las armaduras existen métodos más avanzados de cálculos del recubrimiento para asegurar una determinada vida útil de la estructura, fundamentalmente en ambientes muy agresivos.

Criterios generales para evitar deterioros Criterios generales para evitar deterioros prematuros en las prematuros en las

Estructuras de HormigEstructuras de Hormigóón Armadon Armado

1. Evitar formas arquitectónicas y/o estructurales inadecuadas

2. Ejecutar drenajes eficientes3. Garantizar la calidad del hormigón, particularmente el

superficial4. Garantizar recubrimientos adecuados de las armaduras5. Control de fisuras6. Ejecutar espesores de sacrificios o revestimientos

protectores en ambientes muy agresivos7. Definir un Plan de Inspección y Mantenimiento