Errores, Diagnóstico, reaparación y Prevención en las Estructuras de Hormigón
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ERRORES, DIAGNÓSTICO, REPARACIÓN Y PREVENCIÓN EN LAS ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN Autor: Ing. Raúl Husni Profesor Titular Facultad de Ingeniería -Universidad de Buenos Aires Presidente del Chapter Argentino del ACI Email: [email protected] Azcuénaga 1767 EP3 (1128AAC) Ciudad de Buenos Aires – República Argentina Palabras claves Deficiencias, función, durabilidad, costo, prevención Resumen Actualmente los requisitos básicos establecidos para las estructuras implican, entre otras cosas, que deberán contar con un grado de confiabilidad suficiente, tanto en la etapa de su construcción como a lo largo de la vida útil preestablecida. A su vez el desempeño que presente la estructura en dicho lapso, deberá ser compatible con la función para la que fue destinada, considerando muy particularmente, todas las acciones e influencias climáticas ambientales a las que estará sometida, todo ello sin que se originen daños desproporcionados frente a situaciones accidentales. Estas condiciones establecidas deben alcanzarse en un contexto económico tal, que el costo total resultante, suma del costo inicial mas el correspondiente al ciclo de vida útil establecido, resulte el mínimo compatible con la prestación requerida. Contar con estructuras diseñadas y construidas a partir del criterio expuesto, comúnmente conocido como diseño óptimo, implica manejar racionalmente tres variables fundamentales; la función requerida, el tiempo asignado como vida útil y el costo total mínimo compatible. Cada una de estas variables se ve afectada por las decisiones y acciones que vamos adoptando a lo largo del proyecto y la construcción de la estructura, interactuando a su vez sobre las otras. La imposibilidad de cumplir adecuadamente la función para la que fue construida durante el tiempo originalmente previsto, la menor durabilidad o los desvíos significativos en el costo total estimado, tienen su correlato en algún error en las instancias asociadas al proyecto, la construcción o la etapa de su utilización En el presente trabajo se muestran ejemplos de fallas y deficiencias en estructuras construidas, así como sensibles desviaciones del costo estimado, estableciendo el origen y las consecuencias que de ello se derivan. Del análisis cualitativo de estos hechos, se obtienen conclusiones que permiten visualizar alternativas para evitar fallas funcionales o de durabilidad, así como de evitar alcanzar costos totales muy alejados de las previsiones iniciales. La prevención, establecida para la etapa constructiva y de utilización, con pautas concretas a cumplimentar para cada uno de los tres atributos básicos establecidos, Función, Tiempo y Costo, aparecen como la solución racional al problema. 1. Requisitos generales para las estructuras El requisito esencial para que una construcción pueda cumplir con las funciones que tiene asignada, es que no presente fallas , vale decir que no tenga un comportamiento deficiente durante la vida útil prevista, a partir de un costo acordado, tanto en relación al valor inicial como al correspondiente a la etapa de utilización. La estructura, como parte esencial de la construcción debe cumplir con las mismas expectativas, lo que implica la necesidad de que pueda desempeñar una cierta función, que lo haga durante un cierto tiempo con una confiabilidad y prestación predeterminada, estando dispuestos a pagar por ello un costo total estimado y acordado previamente. A partir de este criterio, podemos decir que una estructura no responde a los atributos establecidos cuando, su desempeño es deficiente, la vida útil es menor que la esperada y/o el costo total en ese intervalo de tiempo supera las expectativas razonables. Cada una de estas variables se ve afectada por las decisiones y acciones que vamos adoptando a lo largo del proyecto y la construcción de la estructura, interactuando a su vez sobre las otras. La imposibilidad de cumplir la función para la que fue construida con una adecuada confiabilidad durante el tiempo originalmente previsto, la menor durabilidad o los desvíos significativos en el costo total estimado, tienen, como se verá, su correlato en algún error en las instancias asociadas al proyecto, la construcción o la utilización. 1.1 Función La factibilidad que un determinado diseño estructural de como resultante una estructura apta para cumplir con la función asignada se controla en la etapa del diseño a través de lo que definimos como “verificación de los Estados Límites”, Ultimo (ELU) y de Servicio (ELS).Para el caso de estructuras construidas en zonas sísmicas importa además, la ductilidad de la estructura. Fig.1 El Estado Límite Ultimo está asociado a través de una cierta probabilidad de falla prefijada, con las condiciones de estabilidad (Fig.2) y de resistencia de la estructura (Fig.3), y es donde se centran tanto por parte de los proyectistas como de la sociedad en general, los mayores esfuerzos para su cumplimien to, básicamente por las consecuencias que una falla estructural de este tipo puede originar en el aspecto económico, profesional y social. El Estad o Límite de Servicio en cambio está relacionado fundamentalmente con la rigidez de la estructura, y su consideración es cada vez más determinante en el diseño por cuanto los materiales con mayor resistencia que actualmente se pueden obtener, en particular el hormigón, conducen a estructuras mas esbeltas, flexibles y con un estado de fisuración más pronunciado. FUNCIÓN Diseño Estado Límite Último Fig.1 Estabilidad Estado Límite de Servicio Resistencia R > S Ductilidad Rigidez Indice de Confiabilida d ß>ß* Una verificación inadecuada, o directamente su omisión, puede ocasionar posteriormente una disminución en la capacidad de uso, falta de confort o daños en elementos no estructurales, y aún un deterioro de la estructura mayor del esperado. Fig 2 Voladura de una cubierta por la falla de s us anclajes a la estructura de hormigón Fig. 3 Colapso de una columna de hormigón como consecuencia de una incorrecta verificación del estado límite último. En la Fig.4 se muestran daños sobre elementos no estructurales , en este caso fisuras, como consecuencia de haberse superado el estado límite de servicio, al presentarse en la estructura, deformaciones incompatibles con los cerramientos de mampostería. En la Fig.5 se muestran daños en la mampostería, rajaduras alrededor de la carpintería, en este caso por deformaciones incompatibles de las fundaciones. Fig .4 Fisuras en paredes interiores Fig.5 Fisuras en paredes ex teriores 1.2 Tiempo El tiempo de duración en servicio, o vida útil, es aquel durante el cual la estructura puede cumplir con suficiente aptitud la función asignada y está íntimamente relacionada con la calidad del proyecto, la de la construcción, y del mantenimiento previsto. Fig. 6 Es importante tener en cuenta que la verificació n del estado límite último se realiza asumiendo que la resistencia se mantienen constantes a lo largo del tiempo, exceptuando la verificación a fatiga, lo que es equivalente a decir que todos los aspectos que por la natural degradación de la estructura los afecten, deben ser considerados posteriormente, lo que con el nivel de conocimientos actuales en general se realiza a través de recomendaciones semiempíricas. En términos generales se aceptan para la vida útil plazos comprendidos entre 50 y 100 años, aunque en el estado actual de los conocimientos y con las incertidumbres que habitualmente manejamos tanto las acciones de tipo ambiental como la degradación real de la estructura, no resulta sencillo hacer estimaciones del grado de deterioro ni del costo del mantenimiento previsible. Hay una serie de pautas y recomendaciones para dotar a las estructuras de durabilidad aceptable , que en general están volcadas a prescripciones reglamentarias, de aplicación en las etapas de proyecto y construcción y que se adicionan a l del control del nivel de deformación y de fisuración del hormigón ya mencionada en las verificaciones del estado límite de servicio. Estas prescripciones están vinculadas, por ejemplo , con los recubrimientos de las armaduras, el contenido mínimo de cemento, el curado del hormigón, la máxima relación agua cemento, la limitación del ancho de fisuras, el contenido de aire incorporado, el tipo de cemento, etc. las que varían de acuerdo al tipo de exposición ambiental y apuntan a disminuir el natural deterioro de las estructuras. Fig.5 TIEMPO PRESCRIPCIONES TÉCNICAS Proyecto Construcción Fig 6 Mantenimiento Actualmente se están haciendo intentos para darle a la durabilidad un tratamiento de base semi probabilística, similar al utilizado para la seguridad y la prestación en servicio a través de la verificació n de Estados Límites. Fig.8 Colapso de un elemento estructural en la etapa constructiva por fallas en la posición de las armaduras. Fig.7 Fallas en un silo como consecuencia de errores en el detalle y posición de las barras y de un mantenimiento deficiente Las mayores dificultades radican en la gran cantidad de causas de distinto origen que producen degradaciones en la estructura y por ende en formular las correspondientes leyes que las interpreten. 1.3 Costo El costo total de la estructura, o costo del ciclo de vida, es el resultante del costo inicial más el costo que surge durante el tiempo de su utilización, y es el que al realizar el proyecto deberíamos lograr que sea el mínimo compatible con la prestación deseable de la estructura. Fig.9 COSTO Fig. 9 Inicial Utilización Por múltiples razones en general se apunta a mantener bajo el costo inicial, lo que se constituye en un factor determinante en el diseño, la construcción, y del control de ambos, al trabajar con partidas presupuestarias muchas veces insuficientes p ara la calidad que se pretende para la estructura . Fig.10 Costo Inicial Fig. 10 Proyecto Construcción Control El costo durante la etapa de uso incluye básicamente los trabajos de mantenimiento, los que podemos subdividir en los correspondientes a las inspecciones de control para verificar el estado de la estructura, en los trabajos de mantenimiento preventivos y en el costo de las reparaciones que hubiere que realizar. Ejemplos típicos del mantenimiento preventivo son las pinturas de protección y la reposición de juntas Fig.11 y de las reparaciones, la reposición de armaduras y de sus recubrimientos Fig . 1 2. A ellos habrá que sumar los eventuales costos por daños que se pueden originar, propios y a terceros y los de las demoliciones necesarias , parciales o totales . Fig.13 Es importante destacar la necesidad de realizar inspecciones periódicas , de rutina o principales, para detectar desde sus inicios posibles deterioros que puedan afectar seriamente e l comportamiento de la vida útil Fig 11 Junta en mal estado de conservación Fig 1 2 Reposición de recubrimientos prevista y/o generar gastos importantes en reparaciones , tal el caso del mal estado de las juntas, o las pérdidas de sección de armaduras por corrosión. Costo de Utilización Mantenimiento Daños Demolición Fig. 13 Costo de la Inspección C osto del Mantenimiento Preventivo Costo de la Reparación Generalmente los montos destinados al mantenimiento son reducid os y habitualmente se los consigna con demoras, lo que afecta la durabilidad y hace que se magnifiquen los trabajos de refuerzo o reparación esperables y por lo tanto su costo. La falta de mantenimiento puede ocasionar deterioros en la estructura de tal magnitud que la hagan inutilizable o que aún funcionando lo haga con un grado de confiabilidad menor al establecido inicialmente (ß), exponiendo bienes y personas a riesgos que previamente decidimos no asumir . Cuando se actúa en esas instancias el mantenimiento deja de ser preventivo para pasar a indispensable. En casos extremos esta situación puede conducir al colapso de la estructura, situación que puede manifestarse también por un uso inadecuado, siendo un caso típico las sobrecargas marcadamente superiores a las previstas en el diseño. Fig.14 y Fig.1 5 Fig. 14 y 1 5 Colapso de una estructura por sobrecargas superiores a las previstas 2. Consecuencias sobre la estructura Como quedó dicho anteriormente, la deficiencia en el comportamiento previsto para la estructura, la menor durabilidad y/o un aumento sensible del costo total durante su vida útil puede generars e a partir de un manejo deficiente de alguna de las 3 variables mencionadas, función, tiempo y costo. Todas involucran situaciones asociadas a deficiencias de proyecto, de construcción, de mantenimiento y/o a las partidas presupuestarias puestas en juego. Siendo así, podemos esquematizar la base de la durabilidad de una estructura sustentada en el correcto manejo de las 3 variables. Fig.16 Si graficáramos el comportamiento original previsto a través del tiempo, considerando un determinado mantenimiento, pod ríamos establecer en base a una confiabilidad mínima ß, la vida útil de la estructura. Fig.17 (línea roja) FUNCIÓN DISEÑO DURABILIDAD COSTO TIEMPO PRESCRIPCIONES TÉCNICAS INICIAL USO Fig.16 Cada variable resuelta deficientemente generará una diferencia de comportamiento con respecto al previsto originalmente que cualitativamente pueden representarse como el resto de las curvas dibujadas. Fig. 17 Perfomance Falla asociada al factor “Tiempo” Falla asociada al factor “Costo” (Uso) Comportamiento Previsto ß Falla real Falla asociada al factor “Función” Vida Útil Prevista Prevista Falla asociada al factor “Costo” (inicial) Tiempo Fig. 17 Algunas deficiencias , especialmente las relacionadas con las verificaciones de los estados límites, último y de servicio, (función) harán que desde el mismo inicio de la puesta en servicio de la estructura, esta no cumpla con las expectativas de comportamiento en el tiempo y que luego por esta razón, la prestación resulte menor que la esperada. Una situación similar se genera por deficiencia s asociadas al tiempo y al costo inicial, ya que involucran aspectos de proyecto y/o de construcción. Es esperable que esta situación haga que la estructura disminuya su prestación más rápidamente de lo previsto inicialmente. Fig.17 Todo alejamiento de la curva del comportamiento previsto, el inicial y el que se da a través del tiempo, implica definitivamente una menor vida útil, o por ejemplo , cuando es posible reforzar la estructura, a un mayor costo en la etapa operativa. Como contrapartida una es tructura que cumple con todos los requisitos vinculados a la función, al tiempo y el costo inicial, solo necesitará contar con los trabajos de mantenimiento previstos para desarrollar su prestación con la confiabilidad adoptada durante la vida útil asignada, cas o contrario tendrá también una menor prestación y menor vida útil Fig.18. En punteado se indica la recuperación del comportamiento de la estructura a partir del desarrollo de los trabajos de mantenimiento preventivo, alcanzando la vida útil asignada con la confiabilidad adoptada. . Perfomance Disminución del comportamiento asociado al factor “Costo” (Uso) Recuperación del comportamiento por los trabajos de mantenimiento Comportamiento previsto Fig. 18 ß Falla real Vida Útil Prevista Tiempo Los trabajos de mantenimiento preventivo pueden realizarse en distintas oportunidades. Si no se llevan a cabo , la estructura seguirá disminuyendo su prestación con respecto al comportamiento previsto hasta que los trabajos de mantenimiento se hacen imprescindibles De no realizar este último, su perfomance comenzaría a ubicarse por debajo de la confiabilidad asignada, acercándose a probables situaciones de falla real. 3- Prevención de fallas Como se vio anteriormente las consecuencias de las fallas en el manejo de las variables trae consecuencias en la prestación o en el costo total de la estructura, afectando la utilización racional de los recursos, planteada originalmente a través del diseño óptimo. Surge entonces la prevención de las fallas, interpreta das estas en la forma mas genéric a de cualquier comportamiento deficiente, como el intento lógico y racional de solución del problema. Este trabajo de prevención debe extende rse a las tres variables que hemos analizado, función, tiempo y costo. 3.1 Prevención asociada a la función. La variable función esta directamente relacionada a l diseño, básicamente con la verificación de los estados límites , por esta razón todos los cuidados debe n apuntar a la prevención de posibles errores en dicha etapa. E l control del proyecto involucra este hecho en forma amplia y es allí hacia donde debe orientarse la tarea para esta variable, aunque, a través de los errores más comunes encontrados se pueden establecer algunas pautas específicas relativas a la prevención en el diseño, como ser: - Verificar que se de cumplimiento a los requisitos de prestación establecidos , como cargas máximas especificadas , deformaciones admisibles , calidad de los materiales, etc. - Controlar los modelos y métodos de cálculo utilizados, que deben ser completos y desarrollados correctamente. - Disponer de planos, detalles constructivos y especificaciones completas, acordes con el modelo y la prestación establecida. 3.2. Prevención asociada al tiempo. Como quedó establecido con anterioridad esta variable está íntimamente relacionada con las prescripciones técnicas que abarcan aspectos de proyecto y de construcción , así como del programa de mantenimiento previsto y/o desarro llado. Por un lado lograr que una estructura comience su prestación en el nivel d e confiabilidad establecido, implica respetar las prescripciones que surgen del mismo proyecto , caso concreto los recubrimientos de las barras de acero en una ménsula. Puede que por razones constructivas queden localizadas con un recubrimiento mayor al establecido, en cuyo caso la capacidad portante se verá disminuida desde el inicio, pero además, la mayor fisuración que se genera la hace más vulnerable a las acciones climátic as y del medio ambiente. De hecho un menor recubrimiento las expone a una menor protección a dicha acción El clima marítimo con la presencia de agua de mar, el uso de sales de deshielo, la exposición en ambientes húmedos con o sin presencia de agentes agre sivos, son ejemplos típicos donde la degradación se puede presentar en forma acelerada. Por esta razón es importante por un lado desde el punto de vista del proyecto especificar, y desde el punto de vista constructivo dar cumplimiento, a las prescripciones técnic as vinculadas a factores que disminuyen la natural degradación de la estructura, tales como, contenido y tipo de cemento, aire incorporado, recubrimiento de las armaduras, máxima relación agua cemento, limitación del ancho de fisuras, etc. El cumplimiento de estas prescripciones apunta esencialmente a mantener en la estructura la prestación requerida durante el período de vida útil proyectado. Las principales prestaciones a mantener son: - Capacidad de carga (Flexión, axial, corte..) Rigidez (Deformaciones, vibraciones…) Protección de las armaduras Baja permeabilidad a los gases y fluidos Protección contra el fuego Estética Es importante establecer además un programa específico previo de mantenimiento y desarrollarlo du rante el período de utilización. Cuando esto no es posible, lo que se debe establecer son prescripciones a ser cumplidas durante dicha etapa que apunten a preservar las prestaciones principales, así como a establecer inspecciones periódicas que lo certifiquen. 3.3. Prevención asociada al costo de la estructura El costo de la estructura debe evaluarse como un total a lo largo de la vida útil establecida. Como quedó planteado anteriormente, un costo inicial menor al necesario para alcanzar la prestación requerida implica pos teriormente un mayor costo en la etapa de utilización o, lo que es equivalente, mantener el costo de utilización en los términos inicialmente previsto a partir de un costo inicial insuficiente, conducen a una menor prestación y menor vida útil Fig.19. Las partidas presupuestarias destinadas a satisfacer el costo inicial de las estructuras son determinantes para establecer aspectos esenciales del proyecto, como el diseño a adoptar o la calidad de los materiales a emplear y aún en la elección de los profesionales y la posibilidad de realizar e l control del proyecto. También lo son en la etapa constructiva, ya que se ve condicionada la posibilidad de contar con empresas constructoras y proveedores con antecedentes, equipos y profesionales acordes al tipo de estructura a construir. La prevención en relación al costo inicial apunta resumidamente a verificar que: - El costo inicial estipulado para la estructura debe permitir contar con un diseño, especificaciones, profesionales , empresas y un nivel de control de c alidad, acordes con la prestación y la vida útil establecida. Perfomance Mantenimiento Preventivo Comportamiento previsto ß Mantenimiento Imprescindible Comportamiento real resultante Vida Útil Desempeño resultante de una estructura con fallas en la función, el tiempo y/o el costo inicial Falla real Tiempo Fig.1 9 Mayor costo de mantenimiento....! Es previsible, mas allá de la dificultad de establecer con cierta precisión los trabajos y los costos que se derivan de la degradación natural que sufren las estructuras de hormigón, que si no se actúa sobre ellas, no se podrán preservar las principales prestaciones .Fig.19 El diseño original debería contemplar esta circunstancia, balanceando adecuadamente las componentes del costo final. Materiales mas durables, facilidad de accesos para inspecciones y reposición de elementos, detalles constructivos bien resueltos, son ejemplos típicos donde, quizás aumentando el costo inicial, se logra seguramente disminuir luego el costo de utilización de manera de resultar una suma total menor. La prevención en la etapa de utilización debe orientarse a: - Establecer un programa mínimo de conservación, disponer recursos suficientes, realizar inspecciones y trabajos de mantenimiento periódicos que permit an sostener en el tiempo asignado como vida útil una prestación acorde a la preestablecida. BIBLIOGRAFIA - AMERICAN CONCRETE INSTITUTE Manual de Inspección del Hormigón ACI 2003 . - CALAVERA J. Patología de estructuras de hormigón armado y pretensado. 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