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ISSN 0188-7297

DISEO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO CON CRITERIOS DE DURABILIDAD

Andrs A. Torres Acosta Miguel Martnez Madrid

Publicacin Tcnica No. 181 Sanfandila, Qro, 2001

SECRETARIA DE COMUNICACIONES Y TRANSPORTES INSTITUTO MEXICANO DEL TRANSPORTE

Diseo de Estructuras de Concreto con Criterios de Durabilidad

Publicacin Tcnica No. 181 Sanfandila, Qro. 2001

Presentacin

Este documento fue elaborado en la Coordinacin de Equipamiento para el Transporte del Instituto Mexicano del Transporte, por Andrs Antonio Torres Acosta y Miguel Martnez Madrid.

II

IndiceResumen Abstract Resumen Ejecutivo 1 Introduccin1.1 Antecedentes Generales 1.2 Planteamiento del Problema 1.3 Conceptos Bsicos de Durabilidad 1.3.1 Funcionalidad y Durabilidad 1.3.2 Degradacin 1.3.3 Vida Util 1.3.4 Vida Residual 1.3.5 Estado Lmite de Servicio (ELS) y Estado Lmite Ultimo (ELU) 1.3.6 Probabilidad de Falla 1.4 Mtodos ms Comunes para el Diseo por Durabilidad 1.4.1 Teora de Probabilidad de Falla 1.4.2 Mtodos Integrales de Diseo (Durabilidad + Cargas) 1.5 Modelos de Durabilidad Propuestos en la Literatura 8 8 9 11 14

VI VII VIII 11 2 4 4 4 4 6 6

2 Modelo de Durabilidad Propuesto: Periodo de Iniciacin (T 1)2.1 Antecedentes 2.2 Modelo de Transporte de Masa dentro del Concreto 2.3 Concentracin Crtica a la Profundidad de la Armadura (CCRIT) 2.4 Concentracin en la Superficie (CS) 2.5 Coeficiente Efectivo de Difusin de Cloruros en el Concreto (DEF)

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3 Modelo de Durabilidad Propuesto: Periodo de Propagacin (T 2)3.1 Antecedentes 3.2 Mecanismo de Deterioro 3.3 Determinacin de la Cantidad de Corrosin Necesaria para Agrietar el Recubrimiento de Concreto (xCRIT) 3.4 Efecto de la Velocidad de Corrosin (iCORR) 3.5 Valores Estimados de iCORR para ser Usados en el Diseo por Durabilidad

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30 32

4 Ejemplo de Diseo Integral (Durabilidad y Cargas)4.1 Procedimiento General para el Diseo por Durabilidad 4.1.1 Especificacin del Estado Lmite de Diseo 4.1.2 Anlisis de los Efectos del Ambiente en que la Estructura se Pondr en Servicio 4.1.3 Identificacin del Mecanismo de Degradacin 4.1.4 Identificacin de los Requerimientos Mnimos Segn Cdigos de Diseo 4.1.5 Determinacin de los Parmetros de Durabilidad 4.2 Memoria del Diseo Integral de un Elemento Estructural de Concreto por Durabilidad

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37 38

38 39

5 Vida Remanente de Estructuras de Concreto en Ambiente Marino5.1 Planteamiento del Problema 5.2 Relacin Emprica entre Capacidad de Carga y CorrosinII

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44 46

5.3 Relacin Emprica entre Prdida de Seccin de la Armadura y Agrietamiento por Corrosin 5.3.1 Procedimiento Experimental 5.3.2 Resultados y Discusin 5.4 Relacin Emprica entre xPROM y Profundidad Mxima de Picadura

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53 58 59

6 Sumario Referencias Anexos

63 65 71

III

Resumen

El fundamento tcnico de esta publicacin est basado en incluir el variable tiempo en los mtodos de diseo mecnico de estructuras de concreto presentando un ejemplo de diseo por durabilidad de estructuras de concreto. El propsito de esta publicacin es bsicamente el reunir los conocimientos de investigaciones en durabilidad de materiales publicado a la fecha y transferirlos para desarrollar un modelo de durabilidad al diseo estructural de concreto.

El ejemplo que se presenta, aunque pequeo en dimensiones y cargas, detalla paso-a-paso la metodologa para el diseo integral por durabilidad y cargas mecnicas. Se puede observar que el diseo por durabilidad rige sobre el diseo mecnico, ya que el elemento fue sobre-dimensionado para evitar la formacin de grietas y deformaciones excesivas. Es muy probable que en otras estructuras ms complejas, como por ejemplo puentes, el diseo mecnico rija en lugar del diseo por durabilidad, ya que las cargas y dimensiones son, en gran medida, mayores a las del ejemplo presentado.

Mucha investigacin hace falta para llegar a un nivel de conocimiento suficiente que puedan incluir al diseo por durabilidad en alguno de los reglamentos de diseo estructural como el americano ACI o el europeo CEB. A pesar de ello el

conocimiento aportado por la sociedad cientfica en nuestro tiempo ha ayudado en gran medida para la generacin de ayudas de diseo que en un futuro no muy lejano servirn para la creacin de dicho cdigo de diseo integral por durabilidad y cargas.

Abstract

This work includes the time-variable in the design methods for reinforced concrete, presenting an example of how to design by durability a reinforced concrete element. The purpose of this work is basically to sintetize the recent investigations related to durability models for concrete to generate a durabilitybased model to the structural design methodology.

The design example presented, although small in magnitude (dimensions and loads), includes the step-by-step methodology for the full durability and mechanical design of a reinforced concrete element (a beam). The example presented showed that the durability design prevailed over the structural design due to the fact that the element was designed to avoid the formation of surface cracks and excessive deformations due to loads. Is quite probable that in other more important (in loads and dimensions) structural elements, the structural design may prevail over the durability design, since the loads and dimensions proposed in this example were quite low.

A more reliable knowledge on durability of concrete to be included as part of the regular structural design standard (ACI and CEB (European) codes) is still needed. The research experience gathered at the present helped to the preparation of this first work to include durability concepts to a regular design of a concrete beam. With the continuing contributions in the scientific literature regarding these durability issues, a more reliable information will be generated, in no-so-far future new codes, which will include the environment-related materials design.

Resumen EjecutivoEl Concreto es el material de construccin ms utilizado en las sociedades industrializadas. Sus prestaciones mecnicas y la poca necesidad de mantenimiento le han hecho el material ms competitivo de entre todos los posibles. Sin embargo, en ambientes muy agresivos, su durabilidad se acorta debido a la corrosin de la armadura de acero.

El propsito de este trabajo es bsicamente el reunir los conocimientos de investigaciones recientes en durabilidad del concreto en ambiente marino y transferir esta informacin para incluir un modelo de durabilidad al diseo estructural del elemento de concreto. El ejemplo que se presenta, aunque pequeo en dimensiones, expone paso-a-paso la metodologa para el diseo de un elemento estructural por durabilidad.

Este trabajo se divide en seis captulos.

Primero se presenta una breve

introduccin de los modelos ms comunes encontrados en la literatura, las definiciones de la terminologa ms usada en durabilidad, as como la metodologa para el diseo de elementos de concreto con criterios de durabilidad. El segundo captulo detalla, en base a los conocimientos que a la fecha se presentan en la literatura internacional, una ecuacin emprica para proyectar el periodo de iniciacin de la corrosin (T1) de una estructura de concreto expuesta a un ambiente marino. En la tercera parte se muestra el modelo emprico para determinar la duracin del periodo de propagacin de la corrosin (T2) del modelo de durabilidad propuesto. El cuarto captulo expone el procedimiento para el diseo integral (acciones mecnicas y durabilidad) de un elemento estructural (viga isosttica); y por ltimo, en las secciones quinta y sexta se lista el sumario, las referencias. El anexo con el diseo integral completo, es presentado al final de este reporte.

II

1 Introduccin

1.1 Antecedentes Generales

En los ltimos veinte aos el trmino durabilidad se ha estado escuchando con ms frecuencia en la rama de la ingeniera civil. Pases industrializados como los EEUU y algunos en Europa (Espaa, Francia, Gran Bretaa, etc.), al igual que Japn, han tomado a la durabilidad como un tema de gran importancia, invirtiendo sumas millonarias en estudios de investigacin especficos.

Hace poco tiempo, aproximadamente una dcada, estos pases han estado intentando incluir en sus cdigos de diseo recomendaciones bsicas [1,2] para obtener un mejor uso de los materiales y as poder fabricar estructuras ms durables. El principio

fundamental de estas recomendaciones ha sido proporcionar las bases para el diseo por durabilidad de estructuras bajo condiciones ambientales diversas. Aunque

innovadoras en su poca, estas recomendaciones no contemplan la determinacin directa de la durabilidad, sino proporcionan las reglas de que se debe y no hacerse para obtener estructuras durables a diversos agentes externos.

En Latinoamrica un esfuerzo similar se realiz en el ao 1997 al presentarse el reporte de la Red Temtica DURAR [3], en el cual se presentaron algunos conceptos bsicos sobre evaluacin, mantenimiento, reparacin y/o rehabilitacin de obras de concreto armado daadas principalmente por corrosin de la armadura (barras de refuerzo).

No es hasta el ao 1996 cuando en el reporte tcnico 130-CSL de la RILEM [4], Durability Design of Concrete Structures, se propuso una metodologa ms completa sobre el tema de diseo por durabilidad. Este reporte ( nico en su

1

Diseo de Estructuras de Concreto con Criterios de Durabilidad

gnero), se enfoc principalmente a asociar, por un lado, el diseo estructural por carga ltima y revisar las dimensiones diseadas por durabilidad. Este reporte estipula que: Las estructuras deben de ser diseadas de tal manera que su nivel mnimo de confiabilidad se asegure durante la vida til pr