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Vida Útil y Residual

Modelo CTK-ConcreLife® para el Diseño y Control de obras de Hormigón Armado por Durabilidad

Los requerimientos actuales a nuevas obras de hormigón armado ya sobrepasan con creces los 50 años de vida útil, considerados como habituales en obras de edificación civil por los Códigos de Diseño (ACI, EN, AS, CSA). Es el caso de variadas obras de envergadura a nivel mundial, como viaductos (Proyecto Vial Hong-Kong-Zhuhai-Macao con 120 años) y túneles carreteros (Puerto de Miami con 150 años) o ferroviarios (San Gotardo con 100 años) o 2do. Puente en Brisbane con un diseño incluso de 300 años. En Chile, el Proyecto Puente de Chacao, debe por ejemplo asegurar una vida útil de 100 años, siendo ésta la primera obra a nivel nacional con tan alta exigencia.

En estos casos el Diseño por Vida Útil debe ser capaz de considerar el efecto del medio ambiente sobre la estructura de hormigón, y estimar con cierta seguridad su cumplimiento. Para ello deben estudiarse los procesos de deterioro esperados en la zona del proyecto y en los distintos componentes de una misma estructura.

Este Modelo entrega una herramienta simple de estimación de la Vida Útil basado en experiencias internacionales, que han permitido relacionar los procesos de deterioro en el hormigón causantes de la posterior corrosión del acero de refuerzo con mediciones de Permeabilidad al Aire, que se complementan con mediciones del espesor del recubrimiento.

La nueva NCh 170:2016 de hormigones incorpora por primera vez el concepto de Durabilidad y Desempeño del hormigón mediante la definición de Clases de Exposición y ensayos de laboratorio. En su Anexo B incorpora el ensayo de Permeabilidad al Aire de la norma suiza SN505 SIA 261/1 Anexo E, orientado a medir las características del hormigón una vez colocado, ensayo único a nivel mundial orientado a medir una propiedad real del hormigón, en comparación a otros métodos utilizados en modelos de Diseño por Vida Útil que requieren datos obtenidos en laboratorio. Del mismo modo la determinación complementaria del espesor real de recubrimiento en la obra terminada entrega una estimación más cercana a la realidad. La estimación en forma previa de la Vida Útil esperada permite al Ingeniero diseñador especificar adecuadamente el hormigón considerando la Vida Útil de cada proyecto, y así solicitar en obra el Control de Calidad correspondiente.

Basado en la Metodología "Exp-Ref" este modelo entrega, mediante la especificación y posterior medición en terreno del espesor y la Permeabilidad al Aire del recubrimiento del hormigón, la probabilidad de inicio de la corrosión de la armadura por efectos de la carbonatación o del ingreso de cloruros. Esta Metodología permitió a través de la consideración de valores referenciales mínimos de la normativa europea para el Nivel I de Diseño por Durabilidad según el tipo de Exposición Ambiental (Vida Útil = 50 años, recubrimiento mínimo d, razón a/c máxima y considerando tolerancias para ambos factores), y de valores experimentales a obtener en terreno en base a mediciones no-destructivas del espesor y la difusión de cloruros/carbonatación en forma indirecta a través de la medición de la Permeabilidad.

Figura 1: Esquema de determinación de Vida Útil utilizando normativa europea

Basado en investigaciones realizadas internacionalmente, que han permitido correlacionar tanto el fenómeno de difusión de cloruros desde ambientes salinos (Coef. de Difusión de Cloruros D) como el ingreso de dióxido de carbono CO2 del aire (Velocidad de Carbonatación), se han obtenido las siguientes relaciones para ambos fenómenos causantes del inicio de la corrosión del acero de refuerzo.

Figura 2: Relación entre Permeabilidad al Aire y Difusión de Cloruros e Ingreso de CO2.

Figura 3: Funciones de Vida Útil en ambiente de Cloruros y Carbonatación.

kT = Permeabilidad al Aire [10^-16 m²]
c = espesor de recubrimiento [mm]
α y β = coeficientes que dependen de las condiciones de exposiciones a cloruros y carbonatación, respectivamente. La norma EN206 entrega tipos de Exposicón de acuerdo al Nivel de Agresividad.
Tp= Período de Propagación en años = f(Clase de Exposición; corrosión estimada de 100 μm). Tp_Cl se considera en 6 años, y Tp_CO2 depende del contenido de CaO disponible en la mezcla.

La incorporación de los factores incidentes en un ábaco, permite visualizar de forma simple el efecto de cada uno de los parámetros de las ecuaciones. En la siguiente Figura se muestra para un caso de Exposición de Cloruros (Eje X: Permeabilidad al Aire / Eje Y: Vida Útil / Diagonales: Espesor de Recubrimiento). La estimación entrega que para la obtención de una Vida Útil de 100 años, y con un recubrimiento c=70mm, se requiere contar en obra con una calidad del Hormigón de Recubrimiento medido mediante el ensayo de Permeabilidad al Aire de kT=0,10x10-16 m2.

Figura 4: Ábaco para estimar Vida Útil para una condición especifica de Exposción Ambiental.

A modo de facilitar el Diseño por Vida Útil, la Metodología fue incluida en el Modelo CTK-ConcreLife, permitiendo definir para los distintos tipos de Exposición Ambiental y la Vida Útil de Diseño (definido como el momento en que se inicia la corrosión del acero), la Permeabilidad requerida en condiciones de terreno que cumpla con el requisito establecido. La metodología de Montecarlo permite adicionalmente, al incorporar las desviaciones típicas en terreno, estimar curvas probabilísticas de Ocurrencia o Inicio de la Corrosión.

El Módulo de Diseño entrega la curva probabilística habitual del 50%, pero incluye además la curva para el caso de un nivel de confianza de la estimación de un 90%, es decir, que la probabilidad de inicio de la corrosión sea un 10%.

Figura 5: CTK-ConcreLife - Módulo de Diseño

Por otro lado, el Módulo de Control permite analizar los datos obtenidos en terreno e identificar rápidamente si los requerimeintos de Durabilidad fueron cumplidos. La medición en terreno según las recomendaciones del método para la medición in-situ junto a la obtención de suficientes datos de Permeabilidad al Aire y Espesor de Recubrimeinto que entregen lotes estadísticamente válidos, permite contar con el dato de la Vida Útil estimada para distintas edades con sus respectivas probabilidades.