Rehabilitate Concrete Structures

REHABILITATE INVESTIGATE DESIGN
Evaluación, Reparación y
Rehabilitación de Estructuras de
Concreto
Gustavo Tumialan
Simpson Gumpertz & Heger, Inc.
Boston, Massachusetts
www.sgh.com

INTRODUCCION
§ Reparación de Concreto:
– Ciencia (análisis) + arte (creatividad)
– La combinación de los dos resulta en una estrategia de
rehabilitación exitosa
§ El costo anual de reparación de edificios y parqueos en
los Estados Unidos es estimado en $2.5 a $3 billones
– Fuente: “Vision 2020: A Vision for the Concrete Repair,
Protection, and Strengthening Industry”
§ Métodos de evaluación, rehabilitación y reparación
varían ampliamente
– Comité 562 del ACI – “Evaluation, Repair, and Rehabilitation of
Concrete Buildings” (2006)
– Norma que defina los estándares
© 2009 Simpson Gumpertz & Heger Inc 2

Trabajo del Comité ACI 562
§ Objetivo: desarrollar una norma para la evaluación,
reparación y rehabilitación de edificaciones de concreto
– Definir los estándares de la industria
– Elevar el nivel de la performance de las reparaciones estructurales:
procedimientos para la evaluación y diseño, selección de materiales,
inspecciones
§ “Building Code Requirements for Repair of Existing Structural
Concrete”
– Ingenieros, contratistas, fabricantes, investigadores
– Listo para el 2012
© 2009 Simpson Gumpertz & Heger Inc. 3

Trabajo del Comité ACI 562
§ Proyectos de Reparación y Rehabilitación: no se intenta crear
una nueva edificación
– Lograr que la estructura sea segura, equivalente al de un sistema
estructural nuevo
– Extender la vida útil de la estructura
§ Norma prescriptiva no es practica
– Difícil que una estructura existente cumpla con normas actuales
– Muchas permutaciones entre materiales nuevos y existentes
§ Norma ACI 562: basada en performance
– Dar flexibilidad pero asegurando la seguridad de la estructura
– Reconocer la posibilidad de muchas soluciones para un problema
– No limitar la creatividad en el diseño e implementación de las
reparaciones
– La norma enfatizara seguridad mientras que los comentarios citaran otros
documentos del ACI, ICRI y otras organizaciones para dar guías y
detalles

Cuando se requiere rehabilitación o reparación?
§ Modificación estructural
– Reforzamiento para nuevas cargas muertas o vivas
– Reconfiguración estructural: adiciones, escaleras, ascensores
§ Deterioro estructural
– Refuerzo: corrosión
– Concreto: reacción alkali-silice (ASR), ciclos de congelamiento-descongelamiento
§ Daño estructural
– Físico: impacto vehicular
– Incendios
§ Deficiencia estructural
– Errores de construcción
– Errores de diseño

Reparación y Rehabilitación Estructural
Estructura = “Paciente” de concreto, acero, albañilería o madera
1. Observar y analizar la estructura
– Determinar la condición existente
• Trabajo de campo
• Ensayos de campo y laboratorio
– Análisis estructural
2. Diagnosticar problemas en la estructura
– Encontrar la causa
3. Establecer el tipo y grado de intervención estructural
– Flexión, corte, punzonamiento, etc.
– Rehabilitación local o global
4. Implementar las acciones para rehabilitar/reparar
– Tratar la causa, no solo los síntomas
5. Establecer un programa de mantenimiento
– Dependiente del tipo de estructura
– Evitar problemas en el futuro

INVESTIGACION ESTRUCTURAL
§ Investigación inicial
§ Evaluación de las condiciones existentes
§ Revisión estructural
§ Diagnostico del problema
§ Estrategia para la rehabilitación

Investigación Inicial
§ Revisar información disponible
– Planos y especificaciones de la construcción original
– Fotografías
– Reportes pasados
– Proyectos pasados: reparaciones, adiciones
– Historia de mantenimiento
§ Entrevistar personas que conozcan la estructura
– Dueños
– Arquitectos o Ingenieros que la diseñaron
– Personal de mantenimiento

Evaluación de las Condiciones Existentes
§ Observaciones visuales
– Que esta tratando de decir la estructura
– Signos de deterioro estructural: grietas, delaminación,
desconchamientos, deflexiones o deformaciones excesivas
– Verificar información incluida en planos originales

Asentamiento
Deficiencia
Temperatura
Grietas

Deflexión
Delaminación
Desconchamiento

§ Exploración
– Determinar condiciones no ocultas o no visibles
– Obtención de muestras

Losa Postensada
Losa de Acabado
Extracción de Muestras

– Que nos esta tratando de decir la estructura
§ Exploración
– Determinar condiciones no ocultas o no visibles
§ Ensayos en el campo
– No destructivos
– Pruebas de carga

Ensayos no destructivos
Complejidad Ensayo Respuesta buscada
Simple Visual Cual es la apariencia?
Sondeo Es el concreto delaminado? (superficialmente)
Esclerómetro Cual es la calidad y resistencia del concreto?
(idea general)
Moderado Pacómetro Donde están la varillas?
De que tamaño son?
Potencial de media celda Esta el refuerzo corroyéndose? Donde?
Complejo Velocidad de Pulso
Ultrasónico
Cual es la resistencia del concreto?
Hay cangrejeras? Hay Grietas internas?
Indice de Corrosión Que tan rápido se esta corroyendo el refuerzo?
Prueba de Impacto-Eco
Cual es el espesor?
Prueba de Impulso a la Onda
Son buenos los apoyos?
Radar de Penetración
Terrestre (GPR)
Donde están las varillas?
Que hay dentro del concreto?

Ensayos no destructivos
Impacto-Eco Impulso a la Onda
Indice de
Corrosión
Postensado
Parte
Superior
Losa
Parte
Inferior
Losa
Radar

20
16
12
8
4
1.2 D+1.6 L
1.15 D+1.5 L
Pruebas de Carga
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Deflection [in]
Load [kip]
1.0 DW+1.6 L
ACI 318
ACI 437

§ Exploración
– Determinar condiciones ocultas o no visibles
§ Ensayos en el campo
– No destructivos
– Pruebas de carga
§ Ensayos en el laboratorio
– Contenido de Cloruro
– Profundidad de Carbonatación
– Petrografía

Ensayos de Laboratorio
Carbonatación Cloruro dentro del concreto destruye la
1.25 lb/yd3
capa “pasiva” de protección del refuerzo
Carbonatación reduce el ambiente
alcalino alrededor del refuerzo

Petrografía
Agrietamiento
Efecto de
Retemplado

Revision Estructural
§ Objetivo: identificar problemas estructurales
§ Análisis estructurales considerando:
– Como la estructura fue en realidad construida
– Condición actual
– Propiedades reales de los materiales
§ Pruebas de carga
– Complementar análisis estructural
– Validar modelos estructurales
– Verificar la efectividad del reforzamiento

Diagnostico del Problema y Estrategia de Rehabilitación
§ Evaluación de Alternativas
– Ventajas y Desventajas
– Costos iniciales vs. costos a largo plazo
§ Preparación de Documentos
– Reportes
– Planos y Especificaciones
§ Calendario para la implementación de las reparaciones
– Fondos disponibles, tamaño de la estructura
– Fases: una, varias
§ Programa de mantenimiento
– Inspecciones periódicas

Métodos de Reforzamiento Estructural
§ Flexión
– Ensanchamiento de sección
– Post-tensado externo
– Reducción de la luz
– Apoyos suplementarios
– Sistemas FRP: laminados o varillas
§ Corte
– Ensanchamiento de sección
– Refuerzo externo (acero, FRP)
§ Punzonamiento
– Capiteles nuevos de concreto o acero
§ Carga Axial
– Encamisamiento de columnas con concreto, planchas de acero o FRP
§ Cargas Laterales
– Reforzamiento de placas existentes
– Construcción de placas nuevas
– Arriostramiento de pórticos

Flexión
Vigas Suplementarias
Apoyos Intermedios

Flexión
Planchas de Acero
FRP
Ensanchamiento
Post-tensado Externo

Corte
Estribos Externos
FRP
Ensanchamiento

Columnas
Ensanchamiento
FRP

Punzonamiento
Acero
Concreto

Protección contra la corrosión
Reducir o detener deterioro y
extender la vida útil de la
estructura reparada
Photo Credits: Vector Corrosion Technologies
§ Protección Interna
– Capas de antioxidante en
el refuerzo
– Inhibidores de corrosión
– Protección catódica
– Protección galvánica
– Extracción de cloruros
– Re-alcalinización

Protección contra la corrosión
§ Protección Externa
– Selladores
– Membranas impermeabilizantes
– Recubrimientos de anti-carbonatación
Photo Credit: Portland Cement Association

Muestras de la Reparación
§ Reparaciones estructurales tienen riesgos debido a
complejidad y desconocimiento
§ Muestras de la reparación son cruciales para evaluar
cuestiones especiales relacionadas a la rehabilitación/
reparación
– Capacidad del contratista
– Constructabilidad
– Aspecto
– Costo
– Interrupciones

ESTUDIO DE CASOS
§ Edificio de Parqueo
§ Estadio de Futbol
§ Muro de Contención

EDIFICIO DE PARQUEO – KANSAS CITY
§ Dos parqueos para complejos
de departamentos
§ Parqueo en 4 niveles,
construido en 1999
§ Losas post-tensadas en dos
direcciones (15 cm)

§ Inspección de todos los elementos estructurales
– Losas (partes superiores e inferiores)
– Columnas
§ Determinar la ubicación real del refuerzo y el espesor
real de las losas usando ground penetrating radar –
GPR
§ Medir las deflexiones en las losas
§ Extracción de cilindros de concreto para ensayos de
laboratorio

Grietas Grietas
Delaminación
Grietas

Revisión Estructural
§ Análisis estructural considerando las condiciones existentes:
§ Ubicación del refuerzo
§ Espesor de losa

Resultados de la Investigación y Diagnostico
§ Profundidad de los tendones mayor que la especificada
en las áreas de momento negativo
– 3 cm (especificado) vs 8 cm (construido)
§ Capacidad a la flexión significativamente reducida en
muchas áreas de momento negativo y algunas de
momento positivo
– 70% de las áreas de momento negativo requerían reforzamiento
para satisfacer las demandas de carga
§ Resistencia al corte por punzonamiento reducida en
muchas áreas
– Areas en columnas interiores e exteriores
§ Petrografía: agrietamiento hasta 8 cm de profundidad
§ Contenido de cloruro: aceptable
§ Problema Estructural

Estrategia de Reparación y Rehabilitación
§ Reforzamiento por flexión de áreas de momento negativo
– Sistemas FRP
– Capiteles de concreto
§ Reforzamiento al corte por punzonamiento
– Capiteles de concreto
– Sistemas FRP (solo hasta deficiencias de 30%)
– Nuevas vigas para las rampas
§ Pruebas de carga para verificar que el reforzamiento
funciona
– Capiteles vs. FRP (efectividad, costo)

Pruebas de Carga
4to. Nivel
3er. Nivel
2do. Nivel
1er. Nivel
Nivel usado como
contrapeso
Nivel usado como
contrapeso
Losa Ensayada
Instrumentación
Método del ACI 437

20
16
12
8
4
Carga-Deflexión
1.2 D+1.6 L
1.15 D+1.5 L
20
16
12
8
4
0
Pruebas de Carga
1.2 D+1.6 L
1.15 D+1.5 L
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Deflection [in]
Load [kip]
1.0 DW+1.6 L
0
0 0.007 0.014 0.021 0.028 0.035
Crack Opening [in]
Load [kip]
Crack Opened
1.0 DW+1.6 L
1.0 D+1.0 L
Crack Opening
Carga-Espesor de Grieta

Reparación y Rehabilitación
Varillas de FRP

Capiteles de Concreto

Vigas de Concreto
Laminados de FRP

Reparación de la Losa
Laminados de FRP

ESTADIO DE FUTBOL – UNIVERSITY OF NOTRE DAME
§ Estructura de concreto reforzado
construida entre 1929 y 1930
(Capacidad: 59,075)
§ Estructura aporticada soportando las
graderías con rellenos de albañilería
en el exterior.
§ Estadio ampliado en 1995 con
estructura de concreto precolado.
(Capacidad: 21,150)

Condiciones Existentes
1. Deterioro del concreto:
Ciclos de congelamiento
y descongelamiento

2. Posible debilitamiento del sistema resistente a fuerzas laterales
del estadio por renovaciones de 1995
– Estudio anterior: reforzamiento debido a cargas laterales causadas por
el movimiento del público: 24 lb/ft (36 kg/m) – IBC 2003
– Ensanchamiento de elementos estructurales, construcción de
arriostres – $$$
Section 9 Section 8
Alteración de Muros

Ensanchamiento de
Vigas y Columnas
Instalación de
Arriostres

Antecedentes de la Carga Lateral (Sway Load = 24 lb/ft)
Basado en la fuerza desarrollada por nueve o tres personas “a las que les
pidieron desarrollar su máximo esfuerzo al unísono para crear la máxima
fuerza horizontal posible”

§ Inspección de todos los elementos estructurales
– Graderías (partes superiores e inferiores)
– Vigas, columnas y muros de albañilería
§ Determinar el deterioro interno en las graderías de
concreto usando Impulse Response
§ Revisión Estructural
– Análisis Estructural
– Pruebas de carga:
• Carga Vertical: relacionar el deterioro a la seguridad de la
estructura
• Carga Lateral: evaluar la resistencia a cargas laterales

§ Los ensayos no destructivos mostraron un grado de deterioro
variable.
– Algunas secciones con areas extensas de deterioro

§ Pruebas de carga vertical demostraron que las graderías podían
soportar la carga de diseño.

Pruebas de Carga Lateral
§ Pruebas de carga lateral demostraron que las graderías podían
0.070
0.060
0.050
0.040
0.030
0.020
0.010
8 9
Gatos
Hidráulicos
8 9
resistir la carga lateral de diseño.
0.000
D E F G
Column Line
Displacement (in)
Load Test Results
Analytical (With Wall)
Analytical (Without Wall)

Estrategia de Reparación y Rehabilitación
§ Graderías de concreto
– Reparación de espesor parcial y total
– Protección:
• Membrana impermeabilizante en la parte superior
• Capa de anti-carbonatación en la parte inferior
§ Muestras de Reparación (Mockups)
– Investigar procedimientos para demolición del concreto, métodos
de reparación
– Afinar los costos y programa de construcción
§ Desarrollar una estrategia de reparación y mantenimiento
por 65 años
– Estimar cantidades a reparar y costos para los siguientes 65 años
– Desarrollar varios tipos de reparación

Reparación – espesor total
Hydrodemolition

Reparación – espesor parcial
Ensayos de Adherencia

Impermeabilización

MURO DE CONTENCION – WORLD TRADE CENTER, NEW YORK
§ Muro original parte del nuevo
complejo
§ Museo a la Memoria mostrara
una sección del muro

Construcción Original
§ Muro pantalla construido aproximadamente en 1970 – Slurry Wall
Method
§ Contención de suelo y agua para la construcción de las Torres Gemelas
§ Soportado lateralmente por las losas de los parqueos.

§ Muro en malas condiciones después del 11 de Setiembre del 2001
– Incendios
– Fuerzas equivalentes a un sismo de magnitud 2.3
§ Soporte lateral de las losas del parqueo desapareció por el colapso
§ Expuesto a la intemperie desde el 2001
§ Instalación de anclajes temporales (tiebacks) en 2003
– Anclajes sin protección contra la corrosión

§ Inspección del muro
– Deterioro
– Indicación de movimiento lateral
– Ensayos de la adherencia entre el refuerzo
§ Ensayos no destructivos
– Ensayos de corrosión del refuerzo y el concreto
§ Pruebas de laboratorio
– Contenido de cloruro
§ Petrografía
– Daños debido al fuego y la intemperie

§ Muro estable pero con bastante deterioración
§ Muro no era adecuado para resistir las cargas laterales
– Vida de servicio del museo = 100 años

Estrategia de Estabilización
§ Sección no expuesta a la vista:
(60 m.)
– Construccion de un muro delante
(1.20 m de espesor), anclado al
terreno (roca) con tiebacks y
– Muro soportado verticalmente con
pozos de cimentación (caissons)
§ Sección expuesta a la vista:
(20 m.)
– Construcción de muro detras
– Excavación para instalar pilastras de
concreto anclados a la roca.
– Construcción de muros entre las
pilastras
– El muro es soportado verticalmente
con caissons
Vista en Planta
Sección no
expuesta
Sección
expuesta

Sección no expuesta

Sección expuesta
Vista en Planta

Construcción – Sección Expuesta a la Vista
Instalación de
columnas de acero
Colocación del
concreto en alzadas

Construcción – Sección Expuesta a la Vista
Instalación de anclajes
Muro acabado

Construcción – Sección No Expuesta a la Vista
Liner Wall
Third lift underway
26 June 2008
Excavación para las
pilastras (20 m. aprox.)
Encofrado

Construcción – Sección No Expuesta a la Vista
Third lift underway
26 June 2008
Concreto colocado

PREGUNTAS ?
gtumialan@sgh.com

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