PATOLOGIAS DEL CONCRETO ARMADO PATOLOGIAS DEL CONCRETO ARMADO, Apuntes de Diseño

¡Descarga PATOLOGIAS DEL CONCRETO ARMADO PATOLOGIAS DEL CONCRETO ARMADO y más Apuntes en PDF de Diseño solo en Docsity! DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 1 CAPITULO I INTRODUCCIÓN 1.1 ANTECEDENTES Toda construcción estructural esta compuesto de materiales de diversos orígenes y clases naturales, artificiales, orgánicos, minerales, etc., que se combinan para conformar el conjunto que constituye el edificio destinado a cumplir una función determinada de utilidad a la sociedad. Imag. 1.1 Vista preliminar de las estructuras Como es lógico estos materiales son susceptibles a sufrir una serie de patologías por acciones de diversas causas naturales, como la acción del tiempo el intemperismo, agentes físicos, agentes mecánicos y agentes químicos, etc. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 2 Históricamente el hormigón estructural esta expuesta a múltiples y variadas influencias, al realizar el proyecto constituye para el ingeniero una cuestión de suma responsabilidad. En labores de mantenimiento y sobre todo en reparaciones y reforzamientos, se requiere de un dominio amplio de las materias, para poder definir que se debe hacer, como ejecutar lo proyectado de manera efectiva, rápida, económica y segura para evitar accidentes fatales. Se da gran importancia a la interna relación que debe existir entre la ciencia y la practica. El propósito del ingeniero civil estructurita es ver las causas y dar soluciones. Una estructura es el conjunto de elementos que conforman un sistema capas de resistir la acción de diferentes fuerzas. 1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO 1.2.1 Objetivo general  Establecer los aspectos teóricos sobre la patología de edificios en hormigon armado identificando su presencia y origen, además de las acciones necesarias para su corrección. 1.2.2 Objetivos específicos  Metodología de identificación de la patología  Análisis y estudio de la patología 1. Diagnostico 2. Valoración de los estados limites, dependiendo de la patología si es progresiva o es un defecto DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 5 CAPITULO II METODOLOGÍA DE IDENTIFICACIÓN DE LA PATOLOGÍA 2.1 INTRODUCCIÓN Problemas de la patología en estructuras de hormigón armado no son nuevos ya que comienzan a presentarse con el propio material. Es a partir de los años sesenta cuando, se puede decir que, el estudio de la patología del hormigón armado empieza a adquirir importancia y su desarrollo ha ido creciendo de una forma notable hasta nuestros días. Hoy, la patología del hormigón ha llegado a convertirse como un tema de interés de preocupación en la ingeniería estructural. Gracias al avance de estudio de la patología hoy se sabe mucho más sobre durabilidad de las estructuras. 2.2 IMPORTANCIA DE LA METODOLOGÍA PATOLÓGICA La palabra metodología significa el estudio de los métodos, es decir la metodología representa el proceso de investigación, de controlar los resultados y de representar posibles soluciones de un problema que conlleva a la toma de decisiones. La metodología es parte del análisis y critica de los métodos de investigación, por tanto debe definirse como a la descripción, al análisis y valoración critica de los métodos de investigación. Ahora bien por una parte la metodología es el alcance entre el sujeto y el objeto de la investigación sin ella no se logra el camino lógico para llegar al conocimiento. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 6 Cabe agregar que la metodología es el requisito básico para manejar y comprender los procedimientos teóricos y empíricos de la ciencia patológica. + = 2.2.1 Metodologías Sujeto a la investigación Metodología (método) Objeto de investigación SUJETO A LA INVESTIGACIÓN METODOLOGÍA (Método) OBJETO DE INVESTIGACIÓN PASOS DEL MÉTODO 2.- Descripción 7.- Clasificación 1.- Observación VooBSERVACIÓ N 6.- Ordenamiento 8.- Selección 3.- Examen critico 4.- Descripción del fenómeno 5.- Enumeración de las partes 9.- Manifestación DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 7 2.3 QUE ES PATOLOGÍA Aparentemente definir la patología representa una intromisión en otras áreas de conocimiento, pero para una mejor comprensión conceptual, mas adelante haremos una similitud con las ciencia medica. No es apartir de las personas sanas que se hace de dolencia y practica medica sino a quien parece una dolencia por lo que evaluando su cuadro clínico se hace un diagnostico. Similar ocurre con las edificaciones de hormigón armado cuando a partir de los daños que se manifiestan se formulan procesos de intervención. 2.3.1 Cuadro de similitud No apartir de las personas sanas que se hace de dolencia y practica medica Ciencia medica humana Sino a quien parece una dolencia por lo evaluando su cuadro clínico se hace un diagnostico Ciencia de patologías de hormigón estructural Apartir del daño que se manifiesta Se formulan procesos de investigación Se crean metodologías para evitar tales hechos SIMILITUD DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 10 2.4.1 Escala para medir ancho de fisuras Para medir ancho de fisuras resulta muy cómodo el empleo de escalas preparadas al efecto (fisurametro), tales como la indicada en la figura 2.2 la escala desliza de izquierda a derecha contra la fisura, hasta hacer coincidir la anchura. En laboratorio se emplean lupas o pequeños microscopios preparados al afecto. Fig. 2. 2 Escala para medir anchos de fisuras Una vez adaptada la medida de corrección, puede ya autorizarse la reparación de fisuras. Esta reparación no debe hacerse con un simple mortero de cemento porque son susceptibles a figurarse a su vez y despegarse del soporte. Sino la solución debe realizarse con morteros de resina epoxi u otros productos adecuados. 2.5 PROCESOS EVOLUTIVOS Son aquellas lesiones no estables que afectan a la integridad de la estructura cuya reparación se debe realizarse con análisis estructural.  Fisuras  Grietas  Fallas 0.005 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 mm DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 11 2.6 PROCESOS NO EVOLUTIVOS Son aquellas lesiones estables que no afectan a la integridad mecánica de la estructura cuya reparación puede realizarse sin entrar en un análisis estructural, estos casos suelen producirse con algún tipo de fisuras estabilizadas provocadas por:  Retracción de secado  Existencia de coqueras  Zonas de mala penetración del hormigon en la pieza  Oquedades  Disgregaciones  Rajaduras  Desportillamientos, etc. 2.7 CAUSAS A LA PATOLOGÍA Las principales causas son: Defectos en el proyecto Defectos constructivos Defectos en la vida útil 2.7.1 Defectos en el proyecto  Proyectos incorrectos deficientes por los datos  Por los cálculos o por las equivocaciones No se consideran todas las cargas en proyecto Agentes en el proyecto Insuficiencia de cargas en el proyecto Error en el modelamiento del proyecto DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 12 2.7.1.1 Coordinación entre ingenieros Un factor de contribución de muchas fallas del hormigon estructural se debe a una falta de una efectiva comunicación entre partes vinculados al proyecto estructural. 2.7.1.2 La coordinación del proyecto estructural La amplia gama de conocimiento propio del desarrollo cultural y científica que hoy poseen todas las profesiones, ha producido en cada una de ellas, un nivel de especialización de manera que para el caso particular de edificaciones, el dominio del diseñador y la labor de coordinación son escasas. 2.7.1.3 La relación de ingenieros estructuritas Se deben considerarse antes de la formulación del proyecto estructural entre partes debido al grado de complejidad de la obra. 2.7.2 Defectos constructivos  Desacuerdo entre el proyecto y la construcción  Materiales inapropiados o defectuosos  Alteración de los materiales  Durante el almacenaje o la manipulación.  Ejecución incorrecta o deficiente. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 15 2.7.2.8 Hormigonado en tiempo frío Esta perfectamente demostrado que el hormigon no adquiere la resistencia necesaria cuando su fraguado y primer endurecimiento tienen lugar en tiempo de heladas, debido a la acción expansiva del agua intersticial, que impide la evolución normal de estos procesos. Por esta causa debe suponerse el hormigonado en cualquiera de los casos siguientes:  Cuando se prevea que dentro de las 48 horas siguientes. Puede descender la temperatura ambiente por debajo de los 0°C.  Cuando la temperatura de la masa de hormigon sea inferior a 5 °C en elementos normales, o a 10°C en elementos de pequeño espesor.  Cuando la temperatura de los moldes o encofrados sea inferior a 3°C Por otra parte, para hormigonar en tiempo frío es necesario mejorar la dosificación del hormigon adoptando relaciones A/C lo mas bajo posible, empleando mayor cantidad de cemento o cemento de mayor resistencia e incluso utilizando un aditivo. Todo ello con objeto de aumentar la velocidad de endurecimiento del hormigon y el calor de fraguado de la masa. Las precauciones que se puedan adoptarse al, continuar el hormigonado son las siguientes: 1. Añadir un aditivo adecuado al agua de amasado 2. Calentar el agua de amasado a unos 40°C o excepcionalmente mas cuidando de que no se formen grumos en la hormigonera. Para ello conviene verter una parte de los áridos antes que el cemento. 3. Calentar los áridos 4. Proteger las superficies hormigonadas, mediante sacos, hojas de plástico, etc. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 16 5. Crear un ambiente artificial adecuando alrededor de la obra (moldes radiantes calentados eléctricamente, circulación de aire o agua caliente, etc.), para que el proceso de fraguado y endurecimiento pueda desarrollarse normalmente. 6. Prolongar el curado durante el mayor tiempo posible. 7. Retrasar el encofrado de las piezas incluidos costeros. Cuando el encofrado actué como aislante. El peligro de que se hiele el hormigon fresco es tanto mayor cuanto mas agua lleve este, por ello se recomienda emplear en estos casos hormigones tan frescos como sea posible además el uso de aire antes es siempre aconsejable. Si no puede garantizarse, con las medidas adoptadas, se consiguen evitar los perjuicios de la helada deberán efectuarse ensayos de información para conocer la resistencia realmente alcanzada por el hormigon y adoptar en su caso las medidas oportunas. Con independencia de todo lo dicho hay que recordar que el fraguado y el endurecimiento del hormigon se retrasan en periodos de baja temperatura lo que debe tenerse encuenta tanto para el desencofrado y retirado de puntales como para la eventual realización de pruebas en la estructura. 2.7.2.9 Hormigon en tiempo caluroso Cuando el hormigonado se efectué en tiempo caluroso, deben adoptarse medidas para impedir la evaporación del agua de amasado, especialmente durante el transporte del hormigon, y para reducir en su caso la temperatura, de la masa, no hay que olvidar que el calor, la sequedad y el viento provocan una evaporación rápida de agua, también la del hormigon ya compactado lo que trae consigo perdidas de resistencia, fisuras por afogado y aumento de la retracción en las primeras edades. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 17 Para reducir la temperatura de la masa se debe emplear agua fría, con escamas o trozos de hielo en su masa. Los áridos deben almacenarse protegidos del soleamiento. Una vez colocado el hormigon, se protegerá del sol y del viento mediante algún procedimiento que lo conserve su humedad propia o le aporte nueva humedad, (curado del hormigon) a tal efecto pueden emplearse:  Tejadillos móviles indicados en obras de trazado lineal, se pondrán al riesgo de que el viento se introduzca bajo su superficie.  Hojas de plástico que pueden colocarse directamente sobre el hormigon. aunque pueden marcarse los pliegues en su superficie.  Esteras de paja cuyo superficie debe regarse continuamente.  Capas de arena húmedas  Bolsas de agua directamente aplicadas sobre el hormigon o regado continuo de su superficie. Como norma general y a pesar de las protecciones no deben hormigonarse por encima de los 35°C , si se trata de elementos de mucha superficie, en las proximidades de estas temperaturas conviene regar continuamente al menos durante 10 días, los encofrados y las superficies expuestas de hormigon. 2.7.2.10 Curado del hormigón De las operaciones necesarias para la ejecución de elementos de hormigon posiblemente sea el curado la mas importante por la influencia decisiva que tiene en la resistencia y además cualidades del elemento final. Durante el proceso de fraguado y primeros días de endurecimiento se producen perdidas de agua por evaporación creando una serie de huecos o capilares en el hormigon que disminuyen su resistencia para compensar estas perdidas y permitir que se desarrollen DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 20 CAPITULO III ANÁLISIS Y ESTUDIO DE LA PATOLOGÍA 3.1 ETAPA DE DIAGNOSTICO Una de las misiones del ingeniero es proyectar y construir estructuras para que cumplan una determinada misión, durante un tiempo y con el menor costo posible. Se puede decir que estas estructuras nacieron enfermas siendo muy incomoda y gravosa la atención que hay que aplicarles. Al igual que ocurre con los seres vivos, en los que cualquier enfermedad o lesión se manifiesta mediante una serie de síntomas, en las estructuras los fallos se ponen de manifiesto, en general, con la aparición de una serie de señales o de cambios de aspecto, que se engloban dentro de la sintomatología. Ante estos síntomas el técnico especialista, o patólogo, debe establecer un diagnóstico de la enfermedad que sufren las columnas y vigas estructurales. Esta es una parte complicada del análisis, dado que: Aplicar una terapia sin un conocimiento amplio del diagnostico puede ser arriesgado cuando no ineficaz. Las causas que pueden provocar lesiones en una estructura de hormigón armado pueden ser muchas y muy variadas que pueden estar relacionadas con el propio proyecto, con los materiales, con la ejecución y con el uso o explotación de la estructura. Analizando las causas se puede ver que distribuye en un 42% de fallos debidos a deficiencias en proyecto, un 22% a deficiencias en ejecución, un 15% a materiales, un 10% a fallos en explotación y un 5% a causas varias diferentes de las anteriores. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 21 Durante la construcción puede decirse que aparecen el 45% de todos los fallos; durante el plazo de garantía el porcentaje se reduce al 17%; entre los 7 y 10 años aparece el 37% de los fallos y después de los 20 años se puede decir que los fallos se minimizan no pasando del 1%. Los orígenes de los fallos o lesiones, pueden proceder de acciones de tipo: Físico, mecánico, químico, etc. Por supuesto que las lesiones producidas a edades cortas suelen tener su origen en acciones de tipo mecánico y físico. Las de origen químico precisan del paso del tiempo para que sus efectos se manifiesten, aunque también es cierto que una vez que han aparecido éstos, es mucho más difícil encontrar soluciones de reparación. El proceso de diagnóstico, va permitir conocer la enfermedad, determinar el estado en que se encuentra el elemento, es decir, evaluar sus reservas o su capacidad resistente. 3.2 TIPOS DE DIAGNOSTICO 3.2.1 Diagnostico sobre la anormalidad Decide si hay o no patología en la estructura o parte del mismo. 3.2.2 Diagnostico calificatorio Afirma que si existe patología y reconoce la causa que lo origina, como ejemplo manchas por humedad y agrietamientos diferenciados. 3.2.3 Diagnostico individualizado Analiza un problema especifico, reconoce su causa y determina como influye sobre la estructura o parte de el, como ejemplo manchas de humedad por impermeabilización, por corrosión de refuerzo, desprendimiento y posible colapso de hormigón. 3.3 MÉTODOS DE DIAGNOSTICO DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 22 Diagnosticar implica determinar, con mayor o menor profundidad, detalle e importancia morfológica, funcional de rendimiento o de comportamiento previsible. Corresponde a un proceso metodológico de estudio y análisis de daño, y puede corresponder a diferentes formas que pueden clasificarse en:  Directo  Diferencial  Inductivo  Hipotético 3.3.1 Directo Corresponde al que descubre de inmediato la anomalía. Requiere poseer gran experiencia, facilidad de discernimiento entre lo esencial y lo accesorio, y capacidad de asociación entre los síntomas observados y los que generalmente son atribuibles a la patología evidenciada, se considera insuficiente ya que comporta una simple visión de la patología y no su compresión. 3.3.2 Diferencial Destaca el síntoma mas llamativo, rememora las situaciones anormales a las que corresponda este síntoma y trata de justificar en ellas los demás síntomas colaterales observados. 3.3.3 Inductivo Puede llegarse a dicho método utilizando una vía teórica, analizado los síntomas observados y de ellos reducir la anormalidad, atendiendo los fenómenos y los mecanismos que pueden sobrevenir. 3.3.4 Hipotético DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 25 Se pronostica el comportamiento de una especie de simpatía intelectual, sin llegar a la comprensión regional exhaustiva del fenómeno, puede ser: a) Intuición sensible Solo interviene la sensación sin que intervengan los conceptos intelectuales. b) Intuición adivinadora o presentimiento Conocimiento sensorial muy agudo con intervención de la inteligencia. c) Intuición de evidencia Razonamiento abreviado también denominado intuición racional. d) Simulación Proceso en el que se estudia modo de conducirse y la evolución de los fenómenos, por reproducción artificial. 3.7.2 Simulación o extrapolación Método por el que se deducen conclusiones a partir de datos fragmentarios, generalizando a partir de un numero limitado de resultados procedentes de la experiencia, pretendiendo prolongar la validez de un comportamiento mas allá de los limites para lo que fue estudiado . 3.8 LOS ESTADOS LÍMITES DE SERVICIO Todas las estructura y en particular de hormigón armado, además de presentar la seguridad necesaria frente a los estados límites últimos, deben comportarse adecuadamente en las condiciones de servicio. Se influyen bajo la denominación de estados límites de servicio. 3.9 MÉTODO DE LOS ESTADOS LÍMITES DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 26 3.9.1 Definición del estado limite Toda la estructura debe reunir todas las condiciones adecuadas de seguridad, funcionalidad y durabilidad, con objeto de que pueda rendir el servicio. Se denominan estados límites aquellas situaciones tales que al ser rebasadas, colocan a la estructura fuera de servicio, los estados límites pueden clasificarse en: 3.9.1.1 Estados limites últimos Son las que corresponden a la máxima capacidad resistente de la estructura, los estados últimos se relacionan con la seguridad de la estructura y son independientes de la función, las más importantes no dependen del material que lo constituye sino de: 3.2.1.1.1 Equilibrio. Caracterizado por la perdida de estabilidad estática (vuelco, deslizamiento, supresión, etc.). Se estudia a nivel de estructura o elemento estructural completo. 3.9.1.1.2 Agotamiento. Caracterizado por el agotamiento resistente de una o varias secciones criticas, sea por rotura o por deformación plástica excesiva. Se estudia a nivel de sección estructural. 3.9.1.1.3 Pandeo. Sea de una parte o del conjunto de la estructura. Se estudia a nivel de elemento estructural o de toda la estructura. 3.9.1.1.4 Fatiga. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 27 Caracterizado por la rotura de uno o varios materiales de la estructura. Por efecto de la fatiga bajo la acción de cargas repetidas. Se estudia a nivel de sección. Además. En estructuras de hormigón armado, deben considerarse el estado límite último de: 3.9.1.1.5 Adherencia. Caracterizado por la rotura de la adherencia entre las armaduras de acero y el hormigón que las rodea. Se estudia a nivel de sección. 3.9.1.1.6 Anclaje. Caracterizado por el sedimento de un anclaje. Se estudia en forma local en las zonas de anclaje. 3.9.1.2 Estados limites de utilización o de servicio También llamados estados limites de servicio que corresponde a la máxima capacidad de servicio de la estructura, los estados limites de utilización se relacionan con la funcionalidad de la estructura y dependen de la función que esta cumpla, en estructuras de hormigón armado los mas importantes son los de: 3.9.1.2.1 Deformación excesiva. Caracterizado por alcance de un determinado movimiento (flechas, giros) en un elemento de la estructura. Se estudia a nivel de estructura o elemento estructural. 3.9.1.2.2 Fisurasión excesiva. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 30 Apartir de las acciones de calculo se determinan las solicitaciones de calculo (solicitaciones actuantes), y a partir de las resistencias de calculo se determinan las solicitaciones ultimas (solicitaciones resistentes o solicitaciones limite), que son las máximas que pueden soportar las estructuras sin sobrepasar el estado limite considerado. La finalidad es que para cada estado límite posible, las solicitaciones de cálculo son inferiores o iguales a las solicitaciones últimas. 3.10 ESTUDIO TEÓRICO DE AGRIETAMIENTOS Antes de expresar los procedimientos prácticos que pueden seguirse para comprobar el estado límite de fisuración haremos unas condiciones generales teórico, útiles para la buena comprobación del fenómeno.Las fisuras muy finas incluso las perceptibles a simple vista no perjudican generalmente a la durabilidad de las obras, su aparición es a menudo inevitable y no supone inconveniente para la normal utilización de las estructuras, siempre que se limite su abertura máxima. Como la anchura de grietas, el ambiente que lo rodea a la estructura son los factores determinantes en las consecuencias del fenómeno de fisuración. El planteamiento del cálculo ha sido abordado por los investigadores en las dos etapas siguientes: a) Establecimiento de los valores máximos admisibles para la anchura de las fisuras en función del tipo del ambiente. b) Establecimiento de una formula que proporcione la anchura previsible de fisuras, en función de las características. 3.10.1 Condision del inicio de fisurasión del concreto Para momentos actuantes no mayores que Mcr, la sección de viga no esta fisurada, se considera que el comportamiento corresponde al estado elástico, se tiene. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 31 yo =h/2 yt =h/2 b C.G b h d As A's t gr cr y If M I Mc  [3.1] Donde: Mcr = Momento de fisuramiento Ig = Momento de inercia de la sección no fisurada y t = Distancia del centroide de la sección de la fibra externa en tracción cr ff  2 Kg. /cm. 2 Determinación de Ig 1. Sección Bruta Donde: 12 3bh I g  2. Curvatura de agrietamiento tc r t t cr yE f y    [3.2] Donde: DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 32 3.10.2 Evaluación y valores limite del ancho de las fisuras Las fisuras se presentan en el concreto en forma inevitable cuando se excede su resistencia a la tensión, por lo tanto lo que se busca es tan solo limitar el ancho de estas. Para evaluar el ancho de las fisuras se puede usar la expresión propuesta por Vergel- Lutz que a continuación lo presentamos. 34max 10*1086.0 Adfw cs  [3.3] Donde: maxw Ancho máximo de las fisuras B = Valor promedio del factor de profundidad puede tomarse igual a 1.2 fs = Esfuerzo máximo en el acero a nivel de carga de servicio puede usarse 0.6 yf si no se dispone de los resultados del análisis cd Espesor del recubrimiento medio hasta el centro de la primera línea de refuerzo A = bc bt  Ares de concreto en tensión entre el numero de barras donde el b = ancho de la lección t = Profundidad del concreto en tensión se determina bc = Se define como el número de barras en el lado de tensión ε t y t cr  DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 35 Por todo ello los cálculos en fisurasión no son nuca precisos. 3.10.3.1 Formación sistemática de fisuras Sea la cabeza inferior de una viga compuesta por una barra se acero de sección As, envuelta por una área Ac, de hormigón adherido el esforzó que desarrolla el acero es As fs, siendo σs la tensión en la armadura. Si sucede: ccss fAfA  [3.5] Donde: cf = Es la resistencia en tracción del hormigón. Donde aparecerá una primera fisura, trasversal a la pieza, en la sección de menor resistencia. Donde la cuantía geométrica es: c s A A  La condision de fisurasión sistemática es: s c f f  3.10.3.2 Aparición sucesiva de grietas En cuanto aparece la primera fisura las tracciones que antes se repartían entre el acero y el hormigón, se transmiten ahora únicamente por el acero que cose la fisura, con ello las barras experimentan un aumento brusco de tensión y el alargamiento consistente, al que se opone la adherencia entre ambos materiales. Por este mecanismo la tensión en el hormigón, que es nula junto a la fisura, va aumentando a medida que nos alejamos de ella en tanto que la del acero disminuye ver fig3.1 DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 36 A B 1° fisura 2° fisura σ s σ s - σc Tensión en el acero Tensión en el hormigón s min. 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 Fig. 3.1 Aparición sucesiva de grietas A una cierta distancia s min. La tensión en el hormigón alcanzara, al crear la carga el valor de su resistencia a tracción fct, con lo que surgía ahí una segunda fisura. Pero si de cualquier razón, hubiese existido antes una fisura separada de la primera 2smin , la fisura en B no se habría formado ya que se abría llegado a ese punto partiendo de ambas fisuras con tensión menor de fct por lo que la separación esta comprendida entre estas, en la practica la distancia media entre fisuras viene a ser 1.8 beses la distancia mínima. Una vez alcanzado el esquema estable de fisurasión, las fisuras progresan en anchura a medida que aumenta la carga: )( cmsmmm sw   [3.6] Donde: sm = Distancia media entre fisuras εsm = Alargamiento medio del acero εcm = Alargamiento medio del hormigón DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 37 3.10.3.3 Control de ancho de grietas El código ACI menciona que el control de grietas estará de acuerdo a una adecuada distribución del esfuerzo; para lo cual indica que el acero de refuerzo en tensión, cercano a una superficie no debe exceder a: c f s s 5.2 96000  [3.7] Y no mayor a:        sf s 2520 30 [3.8] Donde: c = es el recubrimiento en cm. jdA M f s s As = Área del acero en tracción M = Es el momento bajo carga de servicio jd = d-c/3 Es el brazo de momento interno Las formulas anteriores han sido evaluados para un ancho de grieta 0.041 cm. por lo que se puede modificar estas formulas dadas por el ACI para otras anchos permisibles de grietas w. 041.0 5.2 9600 w c f s s        [3.9] y no mayor a: DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 40 Fig. 3.3 Factores influyentes en la estructura Geometría Materiales Ejecución Ambiente Humedad Temperatura Agresividad Naturaleza y distribución de los poros, red capilar Espesor del recubrimiento Mecanismos de transporte de aguay agentes agresivos Deterioro del hormigón Deterioro de las armaduras Físico Químico Biológico Corrosión Resistencia Seguridad Condiciones superficiales Aspecto Vida útil de la estructura DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 41 3.11 AGRESIVOS AL HORMIGÓN Los agentes que pueden atentar contra la durabilidad del hormigón son muchos y no es fácil intentar su clasificación en forma simplificada pueden agruparse en: 1. Acciones físicas Variaciones de temperatura y humedad, temperaturas externas, haladas, radiaciones, fuego, etc. 2. Acciones mecánicas Cargas, sobrecargas, impactos, vibraciones, producidos por causas naturales (Aire, viento, sismos, etc.). 3. Acciones químicas En atmósfera natural o contaminada de gases, aguas agresivas (de curado natural y superficiales industriales negras y otros líquidos como los aceites grasas, etc.). DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 42 CAPITULO IV PRUEBAS ENSAYOS E INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN 4.1 GENERALIDADES los modernos aparatos dinámicos, y los ensayos no destructivos permiten detectar el daño. 4.2 PRUEBAS DE CARGA El objetivo de una prueba de carga es, generalmente, el de saber si la estructura se comporta correctamente, ante una patología y dentro del régimen elástico bajo la carga de servicio. En tal caso en ellas no debe sobrepasarse los valores característicos de las cargas supuestas ya que de otro modo se corre el riesgo de introducir lesiones permanentes en las estructuras, (fisurasión o deformaciones no recuperables). Este tipo de pruebas resultan convenientes cuando se desea obtener alguna información complementaria en el caso de haberse producido cambios o problemas durante la construcción. Se efectúa la prueba de carga para conocer el margen de seguridad de una estructura, se comprende por lo dicho que en general resulta arriesgado acudir a una prueba de carga, en el caso de que se desea saber, si una estructura antigua de características desconocidas, es capas de admitir una carga de utilización superior a la de uso que viene recibiendo y ello debido a desconocimiento del grado de fragilidad de las piezas (distancia entre la aparición de los signos apreciables y la rotura). DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 45 Procedimiento Forma de trabajo Característica que se determina Análisis químico Determinación de contenido de cal Contenido de cemento Extracción de probeta de testigo Sonda rotatoria Resistencia, porosidad Explotación esclerometrica Estimación de dureza superficial Resistencia Exploración con ultrasonido Medida de la velocidad de propagación de onda Presencia de fisuras Detección magnética de armaduras Medición de variaciones en campos magnéticos Posición de las armaduras y espesor de recubrimiento Rayos x Inspección radiográfica Posición de las armaduras Isótropos radiactivos Medición de la absorción o difusión Porosidad, coqueras contenido de agua Examen del microscopio Sobre el propio elemento Porcentaje de fisuras Análisis petrográfica Sobre muestras extraídas Posibles alteraciones (precipitación, carbonatacion, etc.) Recuento microscópico Método de las líneas transversales Aire ocluido Pruebas de carga Medición de deformaciones y fisuras Comprobación del comportamiento elástico Tabla 4.1 Estimación de la calidad de hormigón en una estructura 4.3.1 Clasificación Según la naturaleza, los métodos de ensayo normalmente empleados para determinar la resistencia del hormigón puede clasificarse en destructivas y no destructivas. 4.4 ENSAYOS DEL HORMIGÓN FRESCO Estudiaremos en este caso los métodos de ensayo mas comunes que se realizan con el hormigón, De ello estos se refieren a hormigón fresco y tienen la finalidad de conocer las características del mismo. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 46 4.4.1 Ensayos de consistencia El método universal comúnmente utilizado es el de Cono de Abrams, con las siguientes dimensiones, diámetro de la base superior 10 cm., diámetro de la base inferior 20 cm., altura 30 cm. Imag. 4.1 Ensayo de consistencia 4.4.2 Determinación de la densidad Se utiliza el molde estático y rígido de la densidad del hormigón fresco se describe en los auto compactadores. Imag. 4.2 Determinación de la densidad DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 47 4.4.3 Contenido de aire ocluido El ensayo consiste esencialmente en determinar la deformación elástica que experimente el hormigón fresco bajo una presión dada en condiciones definidas, para ello se utiliza un aparato que consta de una cuba con tapa hermética. Imag. 4.3 Contenido de aire ocluido 4.5 ENSAYOS MECÁNICOS Los ensayos principales sobre el hormigón endurecido son los correspondientes a su resistencia mecánica. 4.5.1 Método de ensayo a compresión Que consiste en el centrado de la probeta sobre el plato inferior y luego se comprime con el plato superior, do modo que la carga sea uniforme. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 50 4.7.1 Medición de la dureza de hormigón (Esclerómetro) Imag. 4.7 Medidor de dureza de hormigón En 1950 se diseñó el primer esclerómetro para la medición no destructiva del hormigón. Patentado con el nombre schmidt, su valor de rebote "R" permite medir la dureza de este material. se ha convertido en el procedimiento más utilizado, a nivel mundial, para el control no destructivo en hormigón. PROCEQ ofrece una amplia gama de modelos, con características específicas para cada aplicación. Los modelos P, PT y PM son esclerómetros pendulares, que se utilizan para medir durezas de materiales de construcción de baja resistencia. Estos modelos se diferencian en el tamaño y en la forma de su punta de impacto 4.7.2 Detector de armaduras de hormigón armado Imag. 4.8 Detector de armaduras en el hormigón DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 51 Mediante un sistema de inducción de pulsos, este aparato localiza barras en armaduras, determina el recubrimiento de hormigón, almacena en memoria hasta 100.000 valores de medición y determina el diámetro de barras con una sola sonda universal. El profometer 5 Modelo S es la unidad básica que realiza las funciones de localización de barras en una estructura; mide la cobertura de hormigón en dos niveles de medida -hasta 180 mm de profundidad-, registra datos de cobertura individuales y su valoración estadística y determina el diámetro de las barras con una precisión de ± 1-8 mm (dependiendo del diámetro). La última generación del detector de armaduras, cuenta además con un captador de desplazamientos integrado en un carrito sonda para escaneo de superficies. A través de su función Cyberscan, este modelo posibilita representar gráficamente la red de armaduras en su display. El modelo más avanzado del detector también ofrece la función de "medida con trama" que representa los recubrimientos de hormigón en escala de grises o en milímetros y permite transferir datos a una hoja Excel y gráficas a un PC mediante el software Provista. 4.7.3 Analizador de corrosión en las armaduras de hormigón Imag. 4.9 Analizadorde corrosión en armaduras de hormigón DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 52 Detecta de manera no destructiva la corrosión en las armaduras de hormigón de los elementos de construcción. El método del corrosivímetro detecta el óxido en las armaduras antes de que aparezcan daños visibles de peligrosas consecuencias. Funciona mediante la medida del campo potencial: la corrosión del acero en el hormigón es un proceso electro-químico, por lo que el aparato presenta un elemento galvánico similar al de una batería, que produce una corriente eléctrica. Detecta los factores de influencia en la corrosión, tales como el contenido de cloratos, la carbonatación, el contenido de oxígeno y el pH. Las medidas de potencial se pueden realizar con un solo electrodo aplicado a un punto o con un sistema multielectrodo para medir potenciales de campo. En su memoria puede almacenar datos de superficies de hasta 4.000 metros cuadrados. 4.7.4 Aparato de ultrasonidos detector de uniformidad del hormigón Imag. 4.10 Detector de uniformidad de hormigón La velocidad de propagación de un material depende de sus propiedades de densidad y elasticidad, que al mismo tiempo están relacionadas con la calidad y la resistencia del material. Por ello, mediante ultrasonidos es posible obtener información acerca de la uniformidad del hormigón, los huecos, fisuras, o defectos producidos por el fuego y el hielo, el módulo de elasticidad y la resistencia del hormigón. Realiza ensayos no destructivos "in situ" a través de un equipo base que comprende DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 55 4.7.7 Control de permeabilidad Imag. 4.13 Controlador de permeabilidad La permeabilidad superficial del hormigón ha sido reconocida como un factor importante para determinar la durabilidad del material. es un equipo rápido y fiable para medir de manera no destructiva la permeabilidad al aire en estructuras de hormigón. La unidad trabaja con una bomba de vacío comercial. Aspectos característicos del método son la celda con doble cámara y el regulado que equilibra la presión en la cámara de medición central y en el anillo de guarda exterior. De esta manera se genera un flujo unidireccional de aire hacia la cámara central, eliminando todo flujo espúmeo transversal. Los datos se almacenan en un microprocesador que indica el valor del coeficiente de permeabilidad al término del ensayo, que dura entre 2 y 12 minutos. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 56 4.7.8 Control de porosidad Imag. 4.14 Control de porosidad de hormigón El principio de medida de son los tubos de Karsten, desarrollados para la medida de penetración de agua en la superficie de hormigón en las fachadas por la lluvia batiente. La presión inicial de 100 mm de la columna de agua del tubo corresponde a la ejercida, por las gotas de agua proyectadas contra la pared o superficie por un viento de 140 Km. /h. POROSITESTER presenta, frente a otros sistemas de control de porosidad, ventajas propias que suponen que la fijación de los tubos se efectúa limpiamente sin dejar señal en la fachada. Además, la junta de goma del tubo proporciona una superficie de contacto definida y las juntas flexibles en la placa de adherencia y los tubos permiten una fijación segura, incluso en superficies irregulares. Se alimenta con una batería de coche o moto, cargador de batería o fuente de alimentación recargable. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 57 4.7.9 Medición precisa de forma digital la fuerza de tracción en el acero (Tensiómetro) Imag. 4.15 Medidor de fuerza de tracción de acero Los tensiómetros permiten la medida precisa, de forma digital, de la fuerza de tracción en cables o lizas de acero. se utiliza para controlar la tensión en bancadas de depósitos reforzados con cables, tubos y elementos pretensazos sencillos. El tensiómetro se utiliza frecuentemente para controlar la tensión en cables de transporte y en los que se emplean en líneas de conducción aérea. Su manejo resulta extremadamente simple: se preselecciona el diámetro del pretensado, se aplica el aparato al cable habiéndolo puesto previamente a cero, y se mide la fuerza tensil. se fabrica en dos modelos: el SM 55, con una longitud de 320 mm. , y el SM 150, de 850 mm. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 60 CAPITULO V ANÁLISIS DE CAUSAS POR ACCIONES FÍSICAS 5.1 INTRODUCCIÓN Bajo la denominación de medidas de protección física de las estructuras, se comprenden aquellas medidas necesarias para controlar importantes procesos físicos en la estructuración. 5.2 PRESCRIPCIONES En los últimos años se elaboraron numerosas normas que progresivamente han imposibilitado las discrepancias de las conocidas reglas de la física estructural entre otras y sus ventajas. Esas normas son muy minuciosas y que constituyen la base de las medidas físicas a tener encuenta para la protección de diversas causas presentes en eta acción física de los elementos estructurales. 5.2.1 Motivos más frecuentes La falta de la metodología en el trabajo, debido a las causas son: - Exigencia del control climático. - Utilización de nuevos métodos de construcción que crean problemas importantes sin una experiencia técnica suficiente. - Utilización de nuevos materiales sin ninguna experiencia sufriente de sus propiedades y el uso de los mismos junto con otros materiales de construcción de características completamente distintas. - Se quiere enseñar leyes y normas constructivas y practicas para facilitar la labor. - La transmisión de calor y leyes físicas conocidas. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 61 - Los procesos de permeabilidad de agua son de difícil cálculo en el caso de que lo hagan en forma de vapor e imposible en el de líquido, pero por el contrario tienen la ventaja de que pueden ser localizados de inmediato las manchas de humedad. - El calor y la humedad tienen la propiedad característica de buscar una posición de equilibrio. 5.3 INFLUENCIA DE LA HUMEDAD DEL AIRE La humedad del aire con valor considerado normal esta en, 35 a 75 %, ver la tabla 5.1 continuación. Humedad Observaciones <35 % 35 a 75 % >75 % Molestias en el hormigón Considerado como normal Influencia directa en la evaporación de la transpiración del hormigón Tabla 5.1 Consideraciones de la humedad del aire Cuanto más húmedo es el aire mas facilidad se tiene para transpirar. Donde: te = Temperatura exterior ti = Temperatura interior φi = Humedad relativa del aire Tabla 5.2 Temperatura interior y exterior en verano y valores máximos de la humedad relativa te (°C) ti (°C) φi (%) 20 22 24 20 21 22 80 75 72 Exterio r Interior DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 62 5.4 MOVIMIENTO DEL AIRE EN EL HORMIGÓN El movimiento del aire, es otro factor que interviene a las condiciones a las que esta expuesta el elemento del hormigón estructural. 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Temperatura del aire (°C) Fig 5.1 Velocidad tolerable del aire al adoptar a la estructura del hormigón cara (criterio al aire libre) Velocidad del aire tolerable T = 20 °C V= 0.15 (m/s) T = 22 °C V = 0.25 (m/s) Donde: T= Temperatura V = Velocidad del aire 5.5 RESUMEN El conocimiento de los datos anteriores es útil porque en el futuro se deberá trabajar en estrecha relación entre técnicos e ingenieros. Vel. de aire (m/s) DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 65 5.6.4 Capilaridad en el hormigón Conductos capilares con canales de diámetro finísimo, se serpentean a través del material como una red en conexión con el aire y entre si, por fenómenos de capilaridad los líquidos empapan estos materiales y avanzan a través de ello incluso subiendo, venciendo la fuerza de gravedad. 1 mm diámetro sube 15 mm 0.01 mm diámetro sube 1500 mm 0.0001 mm diámetro sube 150000 mm Fig. 5.5 Corte del elemento del hormigón donde se ven los conductos capilares 5.6.5 Estructura celular del hormigón El porcentaje de poros abiertos o serrados dentro de un material puede ser muy distinto dentro de un mismo material, un material puede tener una estructura: - Celular abierta - Celular cerrada - Celular mixta Un material lleno de burbujas es de celular serrada, por ejemplo “espuma de vidrio “ tanto en células cerradas como las células abiertas, una espuma plástica porosa u hormigón poroso no tiene solo burbujas sino también conductos capilares y son por tanto de estructura celular mixta, cuando capas de material de poros finos están en estrecho contacto con otros de poros mayores la humedad siempre avanza de poros gruesos a los finos nunca DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 66 al revés, materiales de poros abiertos pueden tener canales verticales que actúan como conductos capilares y absorben agua, la humedad sin embargo proviene no solo de los materiales vecinos sino también del aire, los materiales tienden a equilibrar su presión higroscópica con la humedad del aire de acuerdo con su temperatura y humedad. 5.6.6 Propiedades críticas del hormigón Hay ciertas propiedades de los materiales que interesan porque afectan las propiedades físicas del hormigón estructural, estas propiedades muy a menudo se omiten en tratados de construcción, entre ellas las más importantes son: - Propiedades aislantes de conductividad o de inercia térmica - Velocidad de absorción de la humedad - Capacidad para la rápida disipación de la humedad y de secado - Capacidad hidroscópica de los materiales - Inalterabilidad del material estructural ante la humedad - Inalterabilidad de forma y volumen ante los cambios de temperatura y humedad - Comportamiento del material ante temperaturas externas, cambios rápidos de temperatura y ante la exposición de los rayos solares - Conservación o variación de las propiedades ante influencias de humedad o temperatura - Facilidad a la corrección o perdida de las propiedades El comportamiento del hormigón debido a estas circunstancias no solo depende del material sino también de su estructura. 5.6.7 Tipos de desgaste físico Las condiciones mas importantes que deben cumplir los materiales del hormigón son: - Desprendimiento de la humedad - Resistencia a las inclemencias atmosféricas, lluvia, viento, sol, etc. - Resistencia a las perdidas de calor en épocas de invierno DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 67 - Resistencia a las ganancias de calor en épocas de verano - Resistencia física a la humedad interior (vapor y liquido) - Aislamiento acústico Estas exigencias son en su mayor parte cambios de temperatura y humedad. 5.6.8 Transmisión de temperatura y humedad 5.6.8.1 Transmisión de temperatura El calor cuya unidad de medida es en kilocalorías siempre sigue la ley de caída de temperatura, esto quiere decir que la temperatura siempre pasa de un ambiente mas caliente a otro mas fría nunca al revés, así en invierno transmiten calor de dentro afuera, en verano estos procesos son inversos hay que tener encuenta que bajo la influencia del sol los muros exteriores y sobre todo las terrazas que reciben la radiación solar están mas calientes que el aire que los rodea. 5.6.8.2 Transmisión de humedad en estado de vapor La humedad en forma de vapor se mide por gramos de agua por m 3 de aire (Kg./m 3 ) o por la medida de la presión de vapor de agua en el aire el vapor de agua siempre pasa del ambiente donde hay mas presión de vapor a la inferior, estos movimientos que se producen sin ayuda de otros medios e inclusive venciendo la gravedad, se conoce por difusión la dirección de la difusión se determina por el contenido absoluto de vapor de agua, se dirige a donde su contenido absoluto es menor. 5.6.8.3 Transmisión de humedad en estado liquido La mayoría de los elementos constructivos contienen agua, que se mueve según la estructura capilar del material, sin embargo en hormigón el movimiento de agua es continuo. La humedad liquida siempre se traslada hacia el lugar mas seco a trabes de la red DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 70 Fig. 5.6 Pared exterior de muro de hormigón ligero en época de verano con flujo térmico hacia adentro, débil difusión de vapor también hacia a dentro y débil transporte capilar de agua, hacia afuera En las terrazas tenemos condiciones físicas similares aquí si embargo el movimiento capilar del agua esta impedido, las terrazas de hormigón dejan pasar el agua capilar en pequeñas cantidades y de forma muy lenta, el efecto de estos procesos físicos no depende solamente de las condiciones climáticas sino también de la naturaleza de los materiales. Frió a) Caliente Caliente Exceso de temperatura b) Frió Fig. 5.7 Desplazamiento de calor y vapor a través de la terraza a) En invierno b) En verano Exceso de temperatura por insolación ti =20° C Yi = 75% pi = 13,1 torr te = 30° C Ye = 50% pe = 15,9 torr Dentro Fuera DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 71 5.6.8.7 Transmisión térmica y difusión En la cantidad se trabaja casi exclusivamente con materiales que en oposición de los que sucedía con los tradicionales, regulan de distintas maneras la transmisión térmica y la difusión de vapor de agua y que por tanto trabajan con un modo no armónico esto aplica varios fenómenos que no ocurrían con las formas tradicionales de construcción. 5.6.8.8 Cambios volumétricos de origen térmico Al tratar sobre las propiedades térmicas de los agregados se menciono que las características de estos son el principal factor que determina el comportamiento térmico del Concreto, en relación con los cambios de volumen del concreto por efectos térmicos, la propiedad que requiere considerarse es el coeficiente de expansión térmica lineal, que es el valor de cambio de longitud que se produce por la variación de un grado centígrado en la temperatura del concreto, el cual normalmente se expresa en 10 -6 /°C, si la temperatura se disminuye, es decir su coeficiente de expansión térmica es positivo. La magnitud del coeficiente de expansión térmica del concreto depende de los correspondientes coeficientes de los agregados y de la pasta de cemento. El coeficiente de expansión térmica de los agregados es influenciado primordialmente por la composición mineralógica de las rocas que lo componen en la Tabla 5.3. Tipo de roca lineal Cea, 10 -6 /°C, Coeficiente de expansión térmica Calcedonia o pedernal Cuarcita Cuarzo Arenisca Mármol Caliza silicea Granito Dolerita Basalto Caliza 11.8 10.3 11.1 9.3 8.3 8.3 6.8 6.8 6.4 5.5 Tabla 5.3 Valor medio del coeficiente de expansión térmica lineal de agregados según el Tipo de roca DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 72 Para estimar el coeficiente de expansión térmica del concreto, si se conoce el tipo de roca que constituyen los agregados y el estado de humedad en que se allá el concreto de la estructura, el comité ACI recomienda la siguiente expresión: Cec = Kh + 3.1 + 0.72 Cea [a] Donde: Cec = Coeficiente de expansión térmica lineal del concreto en 10 -6 /°C, Kh = Es un valor correctivo de acuerdo con el estado de humedad del concreto Cea = Es el coeficiente de expansión térmica de los agregados. 5.6.8.9 Materiales no armónicos La figura reproduce esquemáticamente el comportamiento de una pared de columna de hormigón no tiene mucha resistencia del paso del calor sin embargo su resistencia a la difusión es elevada y por lo tanto frena el paso del vapor de agua, veamos que consecuencias tiene esto cuando esta pared se expone a un salto térmico y a una diferencia de presión de vapor de agua. Fig. 5.8 Materiales que trabajan inarmónicamente a) Hormigón denso b) Aislante poroso c) Berrera para el vapor Caliente Frío a) b) c) DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 75 5.6.11 Cámaras de aire cerradas Las cámaras y poros con aire solo pueden ser cerrados cuando son herméticos y no contienen humedad y no existe la posibilidad de que entre, las cámaras de aire en paredes del hormigón, contienen siempre humedad. 5.6.12 Factores de riesgo Las reacciones químicas de efectos perjudiciales que se producen en el interior del hormigón, con la participación de las partículas de rocas que constituyen los agregados por una parte, y la solución alcalina de poro de la pasta de cemento hidratada, , aunque existen tres tipos identificados de reacciones de esta índole, que se distinguen por naturaleza de los agregados que se involucran, los efectos de todas ellas coinciden en manifestarse por un aumento de volumen consecuente de la reacción que se traducen en tensiones internas capaces de agrietar el hormigón con el paso del tiempo , deteriorar significativamente. Para que se produzcan estas reacciones, es necesario que se cumplan simultáneamente tres condiciones en el hormigón. 1. Los hormigones deben contener rocas y minerales reactivos con los álcalis, en las cantidades que sean más desfavorables de acuerdo con su naturaleza. 2. La solución de los poros del hormigón debe contener suficiente proporción de alcalisis para generar una reacción con esos agregados. 3. La estructura debe prestar servicio en condiciones tales que representan un alto contenido de humedad en el concreto, ya sea en forma permanente o alterada con periodos de secado. 5.6.12.1 Reactividad de los agregados Como se observa en la Figura 5.10, el único caso en que pueda desecharse totalmente el riesgo de que ocurra una reacción álcali- agregado, resulta indispensable DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 76 emplear los agregados de los que solamente se sabe que son potencialmente reactivos con los álcalis, lo procedente es utilizarlos conjuntamente con las medidas de prevención adecuadas en función del riesgo y cuya implantación frecuentemente se traduce en un aumento del costo del concreto. 5.6.12.2Ractividad de la solución de poros Es una pasta de cemento hidratado en estado húmedo, con fluido que normalmente ocupa los poros (PH > 12) cuyo carácter se lo confiere la gran proporción de hidróxidos destacan por su importancia las de sodio y potasio que corresponden al grupo de los llamados metales alcalinos. 5.6.12.3 Evaporación Fig 5.10 Tabla de evaporación DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 77 Según el gráfico la tasa de evaporación se puede estimar siguiendo los siguientes pasos:  Ingrese con la temperatura del aire, medida a pocos centímetros de la superficie de hormigón.  En línea recta avance hasta la humedad relativa del aire.  Avance a la derecha hasta ubicarse sobre la temperatura del hormigón (durante la colocación).  Luego baje hasta posicionarse sobre la velocidad del viento.  Finalmente, determine a su izquierda la tasa o rapidez de evaporación superficial del agua. - La velocidad de evaporación del hormigón armado es 15 % V - Capilaridad de disipación del hormigón armado es de 50 % 5.6.13 Poros en el hormigón pesado En la prefabricación de hormigón se trata muy a menudo con elementos de hormigón pesado cuya dosificación es de 300 Kg. /m 3 y con un peso de 2500 Kg. /m 3 , este se reduce a 2000 o 2200 Kg. /m 3 en caso de que no tenga armadura. El hormigón pesado suficientemente vibrado tiene un porcentaje muy pequeño de poros, por tanto su capacidad de absorber la humead es muy baja, incluso en hormigones sumergidos en agua siempre queda una pequeña parte de poros con aire, el porcentaje de poros respecto al volumen total tiene los siguientes valores referidos a la densidad del hormigón. ρHorm(Kg./m3) VHorm(m3) % Poros 2100 2200 2300 V V V 19 V 15 V 11.5 V Tabla 5.4 Relación de porcentaje de poros del volumen del hormigón DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 80 8°C al sur 9°C al norte  Las temperaturas medias anuales pueden tener importancia para el cálculo de la difusión.  Temperaturas medias estacionales y valores medios anuales para las distintas capitales o ciudades. 5.8.1.1 Calculo de las cargas de calor G = Z (tim = tem) [grado dia/año] [5.1] Donde Z = Valor medio de días que es necesario un calentamiento tim = Valor medio de las temperaturas Interiores (Invierno) tem = Valor medio de las temperaturas exteriores (Invierno) 5.8.1.2 Variación anual para un determinado lugar 25 20 15 10 Tem del aire (°C) 5 0 -5 En Fe Ma Ab Ma Ju Jul Ag Sep Oct Nov Dic a) Fig. 5.11 Marcha de las temperaturas del aire exterior a) Temperaturas medias mensuales en dos diferentes espacios 1 2 DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 81 32 28 24 Tem del aire (°C) 20 16 1 0 4 8 12 16 20 24 Hora del dia (h) b) Fig. 5.12 Marcha de las temperaturas del aire exterior b) Marcha diurna de temperatura del aire exterior en dos espacios distintos en el mes de julio La temperatura disminuye con la altura: Cada 100 m disminuye en 0.5 °C Esta diferencia puede llegar a ser de 2 a 4 al medio dia 5.8.1.3 Humedad del aire La fundad del aire nos determina los cálculos de difusión Días frías presión de vapor de agua muy baja Época % de humedad del aire Invierno Verano 75 % 90 % Tabla 5.7 Valores medios de la humedad relativa del aire 1 2 DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 82 Ejemplo. t % de humedad Presión de vapor de agua -20°C 100 % 0.5 torr > Aire caliente < Valor relativo de la humedad - La presión de vapor de agua puede llegar a ser de 17 torr 5.8.1.4 Radiación solar Con el aporte de calor por radiación hay un cambio de energía de vibración electromagnética, son muy importantes en lo estructural.  Calor que radia el sol  Calor que radian los fuentes de calor y otros elementos estructurales Contenido de energía que llega Superficie afectada (m 2 ) 1164 Kcal. /h 1 m 2 Donde: La cantidad de energía no llega a (2cal/min.) en la superficie exterior de la atmósfera de la tierra. 5.8.1.5 Naturaleza y propagación de la luz solar 5.8.1.5.1 Cantidad de movimiento de onda 103xVluz  8 (m/sg) uoCo C 1  )(2 )( reflexion c u P absorcio c u P   DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 85 5.8.1.5.7 Reflexión total interna Si n1 > n2 Se presenta cierto Angulo de incidencia Өc llamado Angulo critico. Para el cual el Angulo de refracción es de 90°. Si Ө1 > Өc ya no es posible la refracción Si Ө2 = 90° n = 1 Өc = sen -1 n1/n2 n = Índice de refracción 5.8.1.5.8 Radiación de calor infrarrojo 1.8 - 3.40 μm n = Índice de refracción n agua = 1.33 5.8.1.5.9 Luz visible 0.4 - 0.8 μm n aire = 1.00 n hormigón = 1.00 5.8.1.5.10 Radiación ultravioleta 0.4 μm 5.8.1.5.11 Datos climáticos Temperatura (°C) Humedad relativa % Presión de vapor de agua (torr) Seco Norm Hum Muy h Sec Nor Hum Muy h 50% 50 60% 60 75% >75% 8 10 10 12.5 >12.5 Tabla 5.8 Datos climáticos mas representativas I. APLICACIÓN EN COLUMNA DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 86 Fig. 5.14 Pared exterior de hormigón en verano con flujo térmico hacia adentro a) b) Fig. 5.15 Comparación entre un pared exterior de una sola capa, con otra de capas múltiples a) Pared de una sola capa b) Pared de capas múltiples con aislamiento interior A) TRAZADO DE UN ESQUEMA DE (TEMPERATURA – RESIT TERMICA) Exceso de temperatura por insolación ti =20° C Yi = 75% pi = 13,1 torr te = 30° C Ye = 50% pe = 15,9 torr Dentro Fuera B H L R = 0.60 ti =20°C vi 14.4°C Dentro te =-10°C ve -8°C Fuera R =0.4 vi 14.4°C vi -10°C Fuera DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 87 Enlucido Capa aislante Hormigón Enlucido exterior Ri R1 R2 R3 R4 Re Ro Fig. 5.16 Trazado de temperaturas y resistencia térmica en columnas 5.9 CALCULO DEL MÍNIMO AISLANTE TÉRMICO La resistencia térmica a la penetración Ro necesaria para elementos expuestos a temperatura se calcula:  Según el criterio de la condensación por la formula:  kcalgradhm tsti teti RiRo /2    [5.2]  Según el criterio de las estructuras y las exigencias mínimas se calculara por la formula  kcalgradhm iti teti RiRo /2    [5.3] 1 2 3 4 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 °C DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 90 e une us us us us us is ev x            33 23 12 12 11 1 9.0 [5.5] Donde: xe Función exponencial en función con el valor x de la figura x Suma de los valores de inercia térmica dividida u Acumulación de calor de la superficie de la capa 1(interior) 2, 3, etc. El valor de u en verano se calcula como sigue: Si 11D 11 su  [5.6] Si 11D 111 111 1      R xsR u [5.7] Si 12 D 22 su  [5.6a] Si 12D 221 122 2 uR uxsR u    [5.8] Valor X= ΣD/√2 De 1.5 Hasta 3.1 5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 3 3,1 DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 91 4,8 20 4,6 19 4,4 18 4,2 17 4 16 3,8 15 3,6 14 3,4 13 3,2 1 12 3 10 xe 2,8 9 xe 2,6 8 4,4 7 2,2 2 6 2 5 1,8 4 1,6 3 1,4 2 1,2 1 1 0 0 0,2 0,4 0,5 0,8 1 1,2 1,6 Valor X= ΣD/√2 De 0 Hasta 1.5 Fig. 5.17 Diagrama para determinación de la función exponencial La línea 1 toma el valor de x = 1.5 – 3.0 y l línea 2 toma valor de x = 0 – 1.6 5.10.2 Calculo de desfase Cuando un cambio de temperatura afecta a la pared exterior: - Esto no solo amortigua los efectos en el interior sino que también retarda profundamente un desfase que tiene un valor que en la mayor parte de los casos se puede apreciar en cualquier diagrama. - Sienbargo en las losas el efecto de temperatura es a las 16 horas. - En el aire alcaza su máxima temperatura alrededor de las 15 horas - En una estructura pesada alcanza con un retraso de varias horas abecés de las 22 horas. Elemento estructural Valores mínimos recomendados de desfase (  ) DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 92 Tabla 5.9 Calculo de desfase a) Con simple capa aislante           2 1 arctan 2 1 arctan5.40 15 1 es g si gxD      [5.9] b) Para varias capas de aislante           2 arctan 2 1 arctan5.40 15 1 eue ue g uii gDx    [5.10] Donde: D = La inercia térmica del elemento estructural. D = R S En caso de varias capas Los valores de la tangente se pueden sacar de la tabla del apéndice - En los elementos de una sola capa los valores de arco tang son prácticamente nulos. - Cuando el calor acumulado del elemento esta entre 6 y 10 Se calcula con bastante exactitud el desfase con el simple calculo de: xD5.40 15 1   D7.2 [5.11] - Entonces el calculo de desfase se simplifica así mucho y aunque no es exacto. - Pero se obtienen valores suficientemente aproximados. Vigas Columnas Muros Losas 4 – 6 6 – 8 8 – 10 10 - 12 DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 95  grdhmkcal y x Kecon 2/ [5.14]  kcalgrdhm y xKecon / 11 2 [5.15]  kcalgrdhm Kecon con Kecon /2.0 1 Re 1 2 [5.16] decon = Recon λw [m] [5.17] b) En pared de columna de varias capas Se toma: Kecon y 1/Kecon Tenemos: 20.0 1 Re 1  R Kecon con Aecon [5.16a] Donde: K = Coeficiente de transmisión térmica R' = Es el valor aislante de todas las capas d D econ = Recon λD [5.17a] Así resulta el espesor optimo de la capa de aislante con esto se optimiza en su aplicación de elementos estructurales. Con la ayuda de los factores x, y también se optimiza ósea s asen mínimos los costes. DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 96 Así obtenemos las siguientes igualdades. c) En pared de columna de una capa sin ventilación Σkmin = xRecon (Precio/m 2 año) [5.18a] d) En pared de columna de varias capas sin ventilación Σkmin = x RD + Z'B J'B + yKecon [5.18b] Donde: RD = Recon Z'B = Coste de aislante (% año) J'B = Precio de inhalación de capas aislante (Precio/ m 2 ) e) Para pared de columna de una sopla capa con ventilación yKmJF ZFf conx w K  100100 Re 100 min [5.18c] f) Para pared de columna de varias capas con ventilación yKmJF ZFf BJ Z xRD w K          100100100100 min [5.18d] Donde: ZF = Amortización de ventilación (%año) JF = Coste de ventilación (precio /año) f = Superficie de ventilación en % Km. = Coeficiente de transmisión térmica de la ventilación 5.11.2 Radiación exterior de hormigón DOCUMENTO BASE DE PATOLOGIAS DEL HORMIGON Proyecto de Grado Pagina 97 El valor óptimo económicamente de aislante una vez calculado debe responder al rendimiento de la estructura exterior, esto quiere decir que en la pared exterior este valor acumulado tiene que corresponder al rendimiento de pared incluida las ventilaciones. El valor de Kecon, tiene que ser igual al coeficiente de transmisión Kecon del conjunto considerando incluidas las ventilaciones debe ser. Km. = Kecon = Kw. + y (KF – Kw.) (Kcal./hm 2 grad) [5.19] Donde: y = Porcentaje de ventilación de la pared KF = Coeficiente de transmisión de ventilación Kw. = coeficiente de transmisión de la pared  kcalgradhm x RFycon Rw / Re 2 [5.20] Donde: Rw = Valor del aislamiento de las paredes Recon = Valor económicamente dado del aislante en su conjunto x = Porcentaje de la superficie de la pared y = Porcentaje de la superficie de ventilación 5.12 CARGAS FÍSICAS EN LAS COLUMNAS ESTRUCTURALES DE HORMIGÓN Las columnas exteriores de los edificios están sometidas a cargas físicas cuyas principales causas son:  Calor por radiación y transmisión  Procesos periódicos de calentamiento y enfriamiento