UNIVERSIDAD DE GUAYAQUILrepositorio.ug.edu.ec/bitstream/redug/32387/1/DURAN_BORIS... · 2018. 9. 13. · iii Agradecimiento Agradezco profundamente a mi familia en especial a mis

1

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL

FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS

Y FÍSICAS ESCUELA DE INGENIERÍA CIVIL

TRABAJO DE TITULACIÓN

PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE

INGENIERO CIVIL

NÚCLEO ESTRUCTURANTE

ESTRUCTURA

TEMA

DETERMINACIÓN DE PATOLOGÍAS ESTRUCTURALES Y

COMPORTAMIENTO DE VIGAS A ESFUERZOS DE FLEXIÓN

REFORZADAS CON FIBRA DE CARBONO.

AUTORES

BORIS ANTONIO DURAN ORMAZA

CARLOS MIGUEL ESPAÑA BERMEO

TUTOR

ING. CARLOS CUSME VERA, M.SC

AÑO

2018

GUAYAQUIL – ECUADOR

ii

Dedicatoria

Dedico este proyecto a Dios por darme la voluntad y la oportunidad de estudiar, a mis

padres y hermanos por estar siempre en mi vida brindándome todo el apoyo

incondicional, en los malos y buenos momentos haciéndome entender la importancia

de desarrollarme personal y mentalmente en todos los aspectos de mi vida, que todo

lo que uno se proponga con un poco de esfuerzo se puede lograr sin importar el

tiempo ni espacio

A mis tíos y primas que me han brindado un lugar no solo en sus hogares sino en sus

corazones haciéndome sentir como la familia que somos y que sin importar han

apoyado directamente con sus consejos bien recibidos.

Boris Duran Ormaza

iii

Agradecimiento

Agradezco profundamente a mi familia en especial a mis padres que a pesar de la

distancia he sentido el apoyo en esta etapa de mi vida, mi madre por ser una mujer

fuerte y trabajadora que con su ejemplo me enseñó a no rendirme y seguir luchando

por lo que uno quiere, a mi padre por ser la inspiración para seguir esta carrera

inculcándome principios y valores para ser un mejor profesional. A mis amigos y

compañeros por dejarme gratos recuerdos y acompañarme en estos 5 años para

alcanzar esta meta. A mis profesores por brindarnos ese conocimiento que nos

ayudara en nuestra vida profesional.

¡Gracias totales!!

Boris Duran Ormaza

iv

Dedicatoria

De manera especial quiero dedicar este fragmento de mi vida a mi madre, por ser el

pilar más importante y por demostrarme siempre su cariño y apoyo incondicional,

gracias por formarme con buenos sentimientos, hábitos y valores, lo cual me ha

ayudado a salir adelante en los momentos difíciles. A mi padre quien con sus consejos

ha sabido guiarme para culminar mi carrera profesional. A mis compañeros que

gracias al grupo que formamos logramos llegar hasta el final de la carrera. A mis

profesores, gracias por su tiempo, por su apoyo, así como por la sabiduría que me

transmitieron en el desarrollo de mi formación profesional.

Carlos España Bermeo

v

Agradecimiento

Agradezco a Dios por protegerme durante todo mi camino y darme fuerzas para

superar obstáculos y dificultades a lo largo de toda mi vida. A mi madre que con su

demostración de una madre ejemplar me ha enseñado a no desfallecer ni rendirme

ante nada y siempre perseverar a través de sus sabios consejos.

A mi padre, por su apoyo incondicional y por demostrarme la gran fe y confianza que

tiene en mí. A mis hermanos que con sus consejos me han ayudado a afrontar los

retos que se me han presentado a lo largo de mi vida. Gracias a todas las personas

que ayudaron directa e indirectamente en la realización de este proyecto.

Para ellos: ¡muchas gracias!

Carlos España Bermeo

vi

TRIBUNAL DE GRADUACIÓN

Ing. Eduardo Santos Baquerizo, M. Sc Ing. Leonardo Palomeque Freire M. Sc

DECANO DOCENTE TUTOR REVISOR

MIEMBRO TRIBUNAL

vii

Índice General

Índice General ...................................................................................................................... vii

Índice de Ilustraciones ......................................................................................................... ix

Índice de Tablas .................................................................................................................... xi

Resumen ............................................................................................................................... xii

Abstract ................................................................................................................................ xiii

Capítulo I Generalidades ...................................................................................................... 1

1.1 Introducción ...................................................................................................................... 1

1.2 Objetivos ........................................................................................................................... 2

1.2.1 Objetivo General. ....................................................................................................... 2

1.2.2 Objetivos Específicos. ............................................................................................... 2

1.3 Planteamiento del Problema ........................................................................................... 3

1.4 Delimitación del Tema ..................................................................................................... 3

1.5 Justificación...................................................................................................................... 4

Capítulo II Marco Teórico ...................................................................................................... 5

2.1 Antecedentes del problema ............................................................................................ 5

2.2 Patologías del concreto estructural. .............................................................................. 5

2.2.1. Patologías en la etapa de Diseño. ........................................................................ 6

2.2.2 Patologías en la etapa de Construcción. ................................................................ 7

2.2.3 Patologías en la etapa de Operación. ...................................................................... 8

2.3 Clasificación de patologías estructurales según el agente causante. ...................... 8

2.3.1 Agentes Exteriores. ................................................................................................... 9 2.3.1.1 Químicos. ........................................................................................................................ 9 2.3.1.2 Mecánicos. .................................................................................................................... 18 2.3.1.1 Físicos. .......................................................................................................................... 22 2.3.1.2 Biológicos. ..................................................................................................................... 24

2.3.2 Agentes Interiores. ................................................................................................... 25 2.3.2.1 Reacción álcali- agregado (RAA). ................................................................................. 25 2.3.2.2 Formación de etringita diferida (FED). ........................................................................... 29 2.3.2.3 Contracción por secado. ................................................................................................ 30

2.4 Detección de patologías estructurales en servicio.................................................... 31

2.4.1 Análisis no Destructivo. .......................................................................................... 31

2.4.2 Análisis Destructivo. ................................................................................................ 33

viii

2.5 Marco Conceptual .......................................................................................................... 34

2.6. Marco Legal ............................................................................................................... 35

CAPITULO III................................................................................................................. 36

3.1. Marco Metodológico ................................................................................................ 36

3.1.1 Tipo y Diseño de la Investigación. ......................................................................... 36

3.1.2 Metodología a Implementar .................................................................................... 36

3.1.3 Limitación del problema. ......................................................................................... 37

3.1.4 Objeto y Campo de Estudio de la Investigación. ................................................. 37

CAPITULO IV ................................................................................................................ 39

4.1 Elaboración de vigas de hormigón armado y pruebas experimentales .................. 39

4.2 Herramientas a utilizar ................................................................................................... 40

4.2.1 Encofrado de madera .............................................................................................. 40

4.2.2 Hormigón f´c=210 kg/cm2 ....................................................................................... 41

4.2.3 Acero de refuerzo ..................................................................................................... 43

4.2.4 Fibra de carbono (CARBOWRAP 600) ................................................................... 44

4.2.5 Aditivo(MEGAMIX350) ............................................................................................. 45

4.2.6 Epofix 300.................................................................................................................. 46

4.3 Preparación de moldes a utilizar .................................................................................. 47

4.3.1 Pasos para la elaboración de viguetas ................................................................. 47

4.4 Desencofrado y Curado de viguetas ........................................................................... 49

4.5 Nomenclatura de las vigas ............................................................................................ 50

4.6 Ensayos a flexión (VS - VA) .......................................................................................... 51

4.5 Ensayos a flexión (VS+F – VA+F) ................................................................................. 51

4.7 Resultados de los ensayos de laboratorio. ................................................................ 53

4.8 Calculo de esfuerzos ..................................................................................................... 53

CAPITULO V ......................................................................................................................... 57

5.1 Conclusiones .................................................................................................................. 57

5.2 Recomendaciones.......................................................................................................... 58

Bibliografía

Anexos

ix

Índice de Ilustraciones

Ilustración 1: Etapas de origen de patologías estructurales en el concreto ....... 20

Ilustración 2: Agentes causantes de patologías estructurales en el concreto .... 23

Ilustración 3: Esquema del deterioro causado por la acción de los ácidos. ....... 25

Ilustración 4: Viga afectada por ácidos .............................................................. 26

Ilustración 5: Deterioro en concreto causado por el ataque de sulfatos............ 27

Ilustración 6: Esquema de deterioro en concreto causado por el ataque de sulfatos

............................................................................................................ ................... 28

Ilustración 7: Colocación de fenolftaleína al 1% sin reacción (hormigón

carbonatado)........................................................................................................... 30

Ilustración 8: Esquema de deterioro en concreto causado por la corrosión del

acero....................................................................................................................... 31

Ilustración 9: Corrosión del acero en viga de hormigón ..................................... 32

Ilustración 10: Esquema de grietas estructurales y características .................... 34

Ilustración 11: Esquema de grietas estructurales y características .................... 35

Ilustración 12: Grieta estructural en viga ........................................................... 36

Ilustración 13: Grieta estructural en viga ........................................................... 36

Ilustración 14: Esquema de fisuras por cambio de humedad ............................. 38

Ilustración 15: Esquema temperatura, color y daño del concreto por incendio .. 39

Ilustración 16: Microorganismos y acciones sobre el concreto .......................... 40

Ilustración 17: Esquema de deterioro causado por la RAA ............................... 41

Ilustración 18: Gota de gel álcali- sílice ............................................................. 43

Ilustración 19: Reacción álcali- silica ................................................................. 44

Ilustración 20: Esquema de contracción por secado en el concreto .................. 45

x

Ilustración 21: Método de tres niveles para el diagnóstico de patologías en

elementos de concreto estructural en servicio ......................................................... 46

Ilustración 22: Pasos a seguir para realizar el análisis no destructivo ............... 47

Ilustración 23: Nivel 2: Análisis destructivo ....................................................... 48

Ilustración 24: Datos de laboratorio de los agregados ....................................... 56

Ilustración 25: Colocación de material a concretara .......................................... 57

Ilustración 26: Hormigón de f´c= 210 kg/ cm2 ................................................... 57

Ilustración 27: Amarre de los estribos ............................................................... 58

Ilustración 28: Separación del estribo ............................................................... 58

Ilustración 29: Fabricación de estribos de 10 x 10 cm ....................................... 59

Ilustración 30: Aditivo Megamix 350 .................................................................. 60

Ilustración 31: Molde metálico y molde de madera para realizar los ensayos ... 62

Ilustración 32: Elaboración de las probetas de mortero ..................................... 64

Ilustración 33: Desencofrado y curado de viguetas ........................................... 65

Ilustración 34: Viga con refuerzo de fibra y viga de hormigón simple ................ 67

Ilustración 35: Grafica de viga a flexión ............................................................. 69

Ilustración 36: Ensayo a flexión de la viga de hormigón simple ......................... 71

Ilustración 37: Ensayo a flexión de la viga de hormigón simple con fibra de carbono

................................................................................................................ ............... 71

xi

Índice de Tablas

Tabla 1: Efectos de sustancias agresivas comunes en el hormigón ................... 26

Tabla 2: Algunos agregados y minerales potencialmente reactivos .................... 41

Tabla 3: Cuantías de acero y numera de lámina por vigas ................................. 54

Tabla 4: Pesos de materiales para un volumen de 0,28965438 m3.................... 56

Tabla 5: Propiedades de la fibra de Carbono (Carbowrap 600) .......................... 59

Tabla 6: Resultados de los ensayos a compresión ............................................. 63

Tabla 7: Nomenclatura de las viguetas ............................................................... 65

Tabla 8: Resultados de ensayos de flexión a las 7 vigas .................................... 68

Tabla 9: esfuerzos de vigas sometidas a flexión ................................................ 69

xii

Resumen

La gran mayoría de las edificaciones están construidas con hormigón armado, por tal razón es necesario investigar los fenómenos que atacan a los elementos estructurales que se conocen como patologías. Por tal motivo el presente trabajo de investigación tiene como objetivo determinar las patologías estructurales y analizar el comportamiento de vigas a esfuerzos de flexión reforzadas con fibra de carbono. La metodología utilizada fue la recopilación de información sobre los tipos de patologías que existen, en qué etapa de la obra se presentan y como prevenir, conocer que técnica de estudios se debe emplear para resolver el problema. Para determinar el incremento de resistencia a la flexión se ensayarán 7 vigas de 100 cm de longitud con una sección de 15x15cm y observar su comportamiento en varias condiciones, las vigas de hormigón elaboradas con reforzamiento y sin reforzamiento de fibra de carbono se analizarán a los 7 y 21 días que adquiera su resistencia total con la ayuda del aditivo MEGAMIX 350.Después de realizar los ensayos de laboratorio podemos comprobar que las vigas de hormigón simple tienen un comportamiento frágil ya que el hormigón no trabaja a flexión mientras que las vigas de hormigón simple reforzada con fibra de carbono tuvieron un gran porcentaje de resistencia a flexión. Por otro lado, las vigas de hormigón armado con y sin fibra no se observó pandeo o fisuramientos en ninguna de las vigas ensayadas llegando alcanzar aproximadamente los 50 kN de fuerza y alcanzando el máximo de la máquina por eso suspendieron el ensayo en la empresa hormigones hércules s.a. Palabras clave: Patologías estructurales, comportamiento a flexión, fibra de carbono, flexión de vigas.

xiii

Abstract

The great majority of the buildings are built with reinforced concrete, for this reason it is necessary to investigate the phenomena that attack the structural elements that are known as pathologies. For this reason the present research work aims to determine the structural pathologies and analyze the behavior of beams to bending efforts reinforced with carbon fiber. The methodology used was the compilation of information about the types of pathologies that exist, at what stage of the work they are presented and how to prevent, to know which study technique should be used to solve the problem. To determine the increase in flexural strength, 7 beams of 100 cm in length with a section of 15x15cm will be tested and their behavior will be observed in various conditions. Concrete beams made with reinforcement and without carbon fiber reinforcement will be analyzed at 7 o'clock. and 21 days that it acquires its total resistance with the help of the additive MEGAMIX 350. After carrying out the laboratory tests we can verify that the simple concrete beams have a fragile behavior since the concrete does not work with bending while the simple concrete beams reinforced with carbon fiber had a high percentage of flexural strength. On the other hand, the reinforced concrete beams with and without fiber were not observed buckling or cracking in any of the tested beams reaching approximately 50 kN of force and reaching the maximum of the machine therefore suspended the test in the company Hercules concretes S.A. Key words: Structural pathologies, bending behavior, carbon fiber, bending of beams.

1

Capítulo I

Generalidades

1.1 Introducción

En el Ecuador se puede observar que la gran mayoría de las edificaciones están

construidas con hormigón armado, por tal razón es necesario revisar e investigar los

fenómenos que atacan a los elementos estructurales que se conocen como

patologías. El presente trabajo de investigación está orientado a fundamentar los

conocimientos sobre las causas que provocan las patologías estructurales en las

construcciones de hormigón armado para determinar una posible solución con el fin

de mantener y/o aumentar la capacidad del elemento estructural que podría estar en

peligro de colapsar, para esto es necesario conocer cómo se originan y se debe de

tener en cuenta la etapa en la que sucedieron, es decir, si sucedieron en la etapa de

diseño, en la etapa constructiva o en la etapa de operación como también los agentes

causantes de estos.

Existen materiales en el mercado que permiten una rehabilitación más limpia,

segura y rápida, que la construcción normal; devolviendo la funcionalidad del uso de

la estructura y evitando así su demolición. Esta investigación es para tener una guía

práctica que sirva de base para futuros estudios y que no solo se enfoque a los

correctos diseños estructurales de cualquier elemento, sino también de tener en

cuenta nuestro entorno y los parámetros que existen en una obra, y así plantear

propuestas de rehabilitación para mejorar su capacidad y la vida útil de los elementos

estructurales. Para esto se realizarán pruebas de flexión en viguetas colocando varios

materiales que se están utilizando en el medio de la construcción y comprobando los

resultados obtenidos poder tener una idea más amplia de la recuperación de

elementos estructurales.

2

En nuestra sociedad el concepto de rehabilitación ha ido ganando terreno debido

a una mayor concienciación, ya que se considera muchas veces preferibles el

mantenimiento de las estructuras existentes que su demolición o sustitución por otras

nuevas.

1.2 Objetivos

1.2.1 Objetivo General.

Determinar las patologías estructurales y analizar el comportamiento de vigas a

esfuerzos de flexión reforzadas con fibra de carbono.

1.2.2 Objetivos Específicos.

Comprobar de forma experimental el comportamiento de vigas con

reforzamiento de fibra de carbono a ensayos de resistencia a flexión.

Comparar los resultados de vigas en diferentes estados de reforzamiento

(con fibra, sin fibra, con armadura, sin armadura).

Conocer los beneficios de la utilización de la fibra de carbono en vigas de

hormigón simple y armado.

3

1.3 Planteamiento del Problema

En el Ecuador existen muchos tipos de patología que atacan a los elementos

estructurales tales como vigas, es necesario tener conocimientos de cómo solucionar

estos problemas para prevenir las fallas y evitar alguna perdida humana y material.

Conociendo que el hormigón armado es el material más utilizado en la construcción

civil hay que realizar un análisis de las causas que están provocando estas fallas,

estableciendo los síntomas estructurales, determinando los diagnósticos de la

enfermedad que sufren las estructuras, y de esta forma llegar a una solución que

pueda sanear o eliminar por completo dicha patología.

Por consiguiente, proponemos un método de rehabilitación para ayudar prevenir

posibles fallas de vigas de hormigón armado y así alargar la vida útil de la estructura.

Para ello se fabricarán 7 vigas de 100 cm de longitud con 15 cm de altura y 15 cm de

ancho para ensayarlas en varias condiciones y así determinar la capacidad de

cada una para tener una base de datos comparando las respectivas resistencias.

Se colocarán en varias vigas bandas de fibra de carbono y adhesivos epoxidicos

facilitadas por la empresa SPESTRUCTURE CIA. LTDA.

1.4 Delimitación del Tema

Este proyecto está basado en conocer las causas que originan las patologías

estructurales con sus respectivos métodos y técnicas para resolverlas, y así proponer

un método de reparación con las siguientes limitantes:

El diseño del hormigón se lo realizo con el aditivo MEGAMIX 350 de

SETMIX, ayudando así a obtener la resistencia de diseño.

4

La fibra de carbono que se utilizara para el reforzamiento de las vigas de

hormigón armado es la fibra CARBOWRAP 600 CFRP de Setmix, y la resina

EPOFIX 300 que facilita la adherencia de la misma.

Se realizarán las pruebas a flexión de las vigas a los 7 y 21 días.

Se analizarán los incrementos de resistencias.

1.5 Justificación

El desarrollo del presente proyecto sobre la determinación de las patologías

estructurales en elementos de hormigón armado sirve de mucho beneficio para

futuras investigaciones de ingeniería con el fin de evitar que se sigan presentando

estos casos+, dando facilidad al ingeniero a sobrellevar los problemas que se van

dando durante la ejecución de la obra ya sea en cualquier etapa constructiva, para

obtener un mejor resultado y llegar al objetivo para el cual fue diseñado.

Para ello se realizó una investigación experimental mediante el uso de pruebas en

laboratorios y así determinar el comportamiento de las vigas de hormigón simple o

armado con y sin reforzamiento de fibras de carbono a través de ensayos de

resistencia a flexión.

La fibra de carbono es un material que en la actualidad se está utilizando en la

recuperación de elementos estructurales haciendo que cambie el comportamiento

ante un evento que afecte la resistencia.

5

Capítulo II

Marco Teórico

2.1 Antecedentes del problema

En el Ecuador por lo general las construcciones estructurales están compuestas

de diversos materiales, que se unen para conformar las estructuras que puedan

resistir la acción de diferentes fuerzas y estén destinados a cumplir una función

determinada de utilidad a la sociedad.

Como es lógico estos materiales son vulnerables a sufrir una serie de

enfermedades conocidas como patologías, ya sea por causas naturales, como la

acción del tiempo, agentes físicos, agentes mecánicos y agentes químicos, etc.

Para realizar los debidos mantenimientos, reparaciones y reforzamientos de los

elementos estructurales se debe tener conocimientos amplios sobre el tema, para

poder resolver con una mayor efectividad el problema a tratar y así ejecutar de manera

apropiada, económica y segura evitando pérdidas materiales y humanas.

Es de gran importancia que el ingeniero civil estructurista tenga que saber la

relación que existe entre la ciencia y la práctica para ver las causas y dar soluciones.

2.2 Patologías del concreto estructural.

Una patología estructural es un fenómeno que ataca al concreto provocando fallas

y haciendo que el mismo se comporte de manera inadecuada, es necesario buscar

las causas que producen este fenómeno y aplicar el tratamiento adecuado a los

elementos estructurales afectados para rehabilitarlos de forma segura.

Las causas que provocan que los elementos estructurales se vean afectado por

este fenómeno pueden ser muchas y muy variadas, las más usuales en el ámbito de

6

la ingeniería civil se encuentra divididas en tres etapas que se pueden apreciar en la

siguiente figura.

Ilustración 1: Etapas de origen de patologías estructurales en el concreto

Fuente: Elizabeth Avendaño Rodríguez (2006)

2.2.1. Patologías en la etapa de Diseño.

En el diseño de cualquier estructura no solo se debe de tener en cuenta la parte

mecánica, todo parámetro que afecte a la estructura tiene que ser considerado en

esta etapa. Los códigos y normas en nuestro país han cambiado logrando que los

diseñadores puedan optimizar los recursos en la obra y con esto lograr diseños con

resultados más eficientes.

En esta etapa hay varias razones por la cual se pueden originar las patologías y

son las siguientes:

No considerar las condiciones de servicio para la cual va a ser destinada la

estructura.

7

No tener en cuenta las condiciones ambientales donde va a estar situada la

estructura.

No tener un buen diseño de juntas ya sea de construcción, dilatación o

contracción, ya que el hormigón tiene baja resistencia a la tensión.

No saber diseñar el sistema de drenaje para que el hormigón no tenga

contacto con el agua.

Omitir las especificaciones técnicas en los planos o documentos ya que en

ellos pueden estar las características del acero y concreto, además de sus

recubrimientos y protecciones.

No dimensionar adecuadamente los elementos estructurales en la obra.

No revisar las deformaciones en los modelos estructurales.

No distribuir bien el acero de refuerzo.

2.2.2 Patologías en la etapa de Construcción.

En esta etapa hay que tener en cuenta que se realiza con el recurso más

importante para la ejecución que es la mano de obra, por lo consiguiente como

cualquier labor humana está más propensa a concurrir a los errores.

En la actualidad en la parte constructiva se están desarrollando métodos

industrializados que hacen tener un mayor control de calidad de los elementos por el

uso de la tecnología.

En esta etapa vamos hacer conocer las principales razones por la cual se crean

patologías en los elementos estructurales:

Picar los elementos para la colocación de tuberías.

Cargar prematuramente la estructura.

8

No ejecutar bien los montajes de elementos prefabricados, induciendo a

deformaciones e impactos.

Mala interpretación de los planos.

No tener en cuenta las separaciones mínimas y máximas en los estribos.

Mala colocación del acero de refuerzo

El retiro prematuro del encofrado en los elementos estructurales.

No considerar los diámetros del acero de refuerzo.

Mala práctica en la colocación y vibración del mortero.

No comprobar la resistencia del mortero en obra realizando las pruebas de

cilindro, pruebas de revestimiento y calidad de los agregados.

2.2.3 Patologías en la etapa de Operación.

Luego de pasar por las dos etapas anteriores y suponiendo que en ninguna

tuvieron los errores mencionados, viene la etapa más larga de la obra y es la de

operación.

El periodo de vida útil por la cual fue construida puede verse afectada en esta etapa

por patologías que son generadas por las siguientes circunstancias:

Falta de mantenimiento

Desastres naturales o accidentales

Cambio de uso de la estructura

2.3 Clasificación de patologías estructurales según el agente causante.

El concreto es un material que está expuesto con el medio ambiente. Dependiendo

de las propiedades del concreto y del medio ambiente que rodea a los elementos

estructurales puede producir unos desgastes de carácter físico, químico, mecánico y

9

biológico. Los desgastes del concreto del tipo mecánico y físico pueden ser debidos

a sobrecargas, impactos y cambios de temperatura y de humedad.

La incursión, la velocidad de desgastes depende tanto del concreto y el microclima,

como de los mecanismos de transporte e interacción que se dan en el sitio. Entre los

mecanismos de transporte de sustancias agresivas, se tiene: el transporte por aire

cargado de humedad, por agua de lluvia, salpicaduras y por inmersión causando que

afecten la durabilidad del concreto. Los desgastes del concreto, pueden ser causados

por agentes externos e interiores al material. En la figura. Se observa la clasificación

de las patologías según las causas:

Ilustración 2: Agentes causantes de patologías estructurales en el concreto


2.3.1 Agentes Exteriores.

2.3.1.1 Químicos.

El ataque de agentes químicos al concreto es el que provoca mayores daños en

las estructuras, y uno de los que genera mayor inconveniente a la hora de

solucionarlo.

El principal efecto causado por los agentes químicos en fricción con el concreto

endurecido, es la disgregación de la pasta de cemento la reacción entre la solución

10

agresiva y la pasta puede generar productos solubles o insolubles expansivos. Las

reacciones químicas traen consigo la perdida de alcalinidad de la pasta de cemento,

reduciendo la capacidad del concreto para proteger el acero de refuerzo de la

corrosión. Los agentes agresivos que atacan al concreto se trasladan desde la fuente

contaminante (medio ambiente), los daños que provocan las reacciones químicas

pueden darse a largo plazo o inmediatas esto depende de las condiciones de

temperatura en el que se encuentra los elementos estructurales.

Entre los agentes químicos que generan daños al concreto se encuentran: el

ataque de ácidos, la corrosión, el ataque de sulfatos y la carbonatación.

Ataque de ácidos.

El desgaste que sufren los elementos estructurales en contacto con los ácidos es

la pérdida de la pasta de cemento que protege el acero de refuerzo. Esta reacción

genera productos solubles provocando el aumento de porosidad en el concreto

dejando una mayor superficie expuesta. En la figura se presenta un esquema del

deterioro causado por la acción de los ácidos.

11

Ilustración 3: Esquema del deterioro causado por la acción de los ácidos.

Fuente: Adaptado de Emmons (1993)

Según la naturaleza de los ácidos distinguimos: ácidos orgánicos y ácidos

inorgánicos, en la siguiente tabla se muestran los ácidos comunes más perjudiciales

para el concreto.

12

Tabla 1: Efectos de sustancias agresivas comunes en el hormigón

EFECTOS DE SUSTANCIAS AGRESIVAS COMUNES EN EL HORMIGON

Velocidad de ataque a temperatura ambiente

Ácidos Inorgánicos

Ácidos Orgánicos

Soluciones Alcalinas

Soluciones Salinas

Varios

Rápida

Clorhídrico, Fluorhídrico,

Nítrico y Sulfúrico

Acético, Fórmico y Láctico

Cloruro de aluminio

Moderada

Fosfórico

Titánico

Hidróxido de sodio 20%

Nitrato y Sulfato de

amonio; y Sulfato de

sodio, magnesio o calcio

Bromo(gas) y

Sulfito (liquido)

Lento

Carbónico

Hidróxido de sodio

(10-20%) e Hipoclorito de

sodio

Cloruro de

amonio, magnesio o

sodio

Cloro (gas),

agua de mar y agua

dulce

Despreciable

Oxálico y Tartárico

Hidróxido de sodio

(10-20%), Hipoclorito de

sodio de amonio

Cloruro de calcio o sodio,

Nitrato de Zinc y Cromato de

sodio

Amoniaco (liquido)

Fuente: Jesús Manuel (2005) Elaboración: Durán - España

Ilustración 4: Viga afectada por ácidos

Fuente: Jorge Moreno (2013)

13

Recomendaciones

Evitar hormigones porosos y permeables teniendo en cuenta el

revenimiento y la hidratación del mortero.

Tratar de que el diseño no lleve alto contenido de cemento

Vibración y curado adecuado.

Evitar la colocación de agregados contaminados

Controlar en obra la colocación del hormigón

Ataques de sulfatos

Los ataques por sulfatos concentran componentes fuertemente expansivos que

provocan la destrucción del hormigón.

Estos ataques son originados por dos principales reacciones químicas:

La combinación de los sulfatos con el hidróxido de calcio que tiene

el hormigón se combinan produciendo el sulfato de calcio.

El sulfato de calcio se combina con tricálcico hidratado del cemento

(C3A), formando sulfato aluminato de calcio llamado también

(etringita).

Ilustración 5: Deterioro en concreto causado por el ataque de sulfatos

Fuente: ATE-IMCYC, 2003.

14

Ambas reaccionan, causando un aumento de volumen y generando esfuerzos

internos de tensión que primero los micro fisura y luego lo desintegra de forma

gradual, produciendo una reducción en la resistencia mecánica debido a la perdida

de cohesión entre el hormigón, los agregados y el hierro de refuerzo.

Ilustración 6: Esquema de deterioro en concreto causado por el ataque de sulfatos

Fuentes: Adaptado de Emmons (1993)

Hay que tener en cuenta los lugares con riesgos de ataque a sulfatos:

Cimentaciones en contacto con aguas subterráneas

Canal, presa o tuberías de hormigón que transportan líquidos.

Depósitos de hormigón.

Ambientes industriales.

Realizar construcciones en rellenos sanitarios.

Aguas residuales con alto contenido de sulfatos y sulfitos.

15

Recomendaciones

Evitar hormigones porosos y permeable teniendo en cuenta el revenimiento

y la hidratación del mortero.

Tratar de que el diseño lleve cementos con alta resistencia a los sulfatos.

Vibración y curado adecuado.

Empleo de revestimientos especiales para que el hormigón sea más

duradero.

Carbonatación.

La carbonatación es una reacción acida que se produce por la penetración del

dióxido de carbono del de la superficie atmosférica, y el hidróxido de calcio

proveniente de la hidratación del concreto para dar lugar a la formación del carbonato

de calcio. Las uniones de estos dos elementos generan dos efectos paralelos:

La pérdida de volumen por la pasta de cemento conocida como

contracción por carbonatación y sumada a la perdida de volumen de la

contracción por secado.

Se genera un descenso de la alcalinidad del concreto haciendo que

este pierda el efecto de la capa pasivadora que tiene el recubrimiento

del concreto, provocando la corrosión del acero de refuerzo.

Ilustración 7: Colocación de fenolftaleína al 1% sin reacción (hormigón carbonatado) Fuentes: Jordi Marrot (2014)

16

Para evitar este fenómeno hay que tener en cuenta los siguientes factores:

La permeabilidad del hormigón.

El espesor del recubrimiento.

Las condiciones ambientales.

La presencia de las fisuras.

La aparición de otras sustancias en el ambiente que puedan favorecer

a la carbonatación.

Corrosión del acero de refuerzo.

El concreto brinda una protección al acero de refuerzo gracias a una propiedad que

tiene por su alta alcalinidad en la pasta de cemento, esto hace que se forme una capa

muy fina de óxido en el acero que protege e impide la corrosión profunda.

Si el concreto es afectado por sustancias agresivas del medio ambiente como

cloruros y ácidos, pierde propiedades alcalinas reduciendo su porosidad causando

que la capa protectora comience a perder efectividad y llevando al fenómeno de

corrosión.

Ilustración 8: Esquema de deterioro en concreto causado por la corrosión del acero

Fuentes: Adaptado de Emmons (1993)

17

Existen varios tipos de corrosión que tienen lugar dentro del concreto:

Corrosión uniforme, este se da cuando se elimina la capa pasivadora

en todo el hierro por la presencia de la carbonatación.

Corrosión localizada, se da en los lugares donde pueda ingresar las

sustancias agresivas y el oxígeno.

Picaduras, se manifiesta como picaduras profundas en las zonas

donde hay más corrosión.

Biológicas, el contacto de microorganismo biológicos y el acero.

Bajo esfuerzo, es la despasivación local en las zonas donde se

encuentra las fuerzas de tensión haciendo que el elemento de fisure y

puedan ingresar los agentes corrosivos.

Galvánica, cuando dos metales de diferente potencial están unidos o

cuando el acero tiene contacto con otros metales.

Ilustración 9: Corrosión del acero en viga de hormigón

Fuentes: España - Duran (2017)

18

Para evitar la corrosión de los elementos estructurales hay q tener en cuenta los

siguientes factores:

Evitar los hormigones porosos y permeables teniendo en cuenta la

relación agua cemento (A/C)

colocando alto contenido de cemento

compactando y curando adecuado.

2.3.1.2 Mecánicos.

Los agentes de ataque mecánico se presentan principalmente a un exceso de

carga, deformaciones, vibraciones que no fueron consideradas en el diseño. Algunas

de estas acciones imprevistas se originan a un cambio de uso de la estructura o por

desastre natural.

Se debe mencionar que el concreto nos ofrece una alta resistencia a la compresión,

pero una baja resistencia a la tensión, por lo que se debe reforzar a los elementos

estructurales con barras de acero, que se encargan de tomar los esfuerzos de tensión

originados por el cortante, la flexión y la torsión.

Sobrecargas.

Al exceder la capacidad resistente del material que compone al elemento

estructural se generan imperfecciones estructurales que se presentan con grietas y

deformaciones exageradas, estas anomalías se generan por un exceso de cargas

provocada por eventos imprevistos en el diseño (desastres naturales).

Grietas estructurales. -Las grietas estructurales se originan por

errores de cálculo, el desprecio de hipótesis de carga, por la inadecuada

especificación de resistencia de materiales y por la construcción de secciones sin

respetar los planos, pueden presenciar anchos superiores a 5 mm

19

. En la siguiente tabla se presentará los tipos de grieta con sus respectivas

características y esquema para identificarlas.

Fuente: Adaptado de Sánchez de Guzmán (2002)

Ilustración 10: Esquema de grietas estructurales y características

20

Ilustración 11: Esquema de grietas estructurales y características


21

Deflexiones excesivas. -Estas deformaciones son provocadas por

eventos imprevistos y se originan por asentamientos de terreno y

eventos intensos (desastres naturales) durante este tipo de evento las

deformaciones de la estructura pueden llevarla fácilmente al colapso.

Ilustración 12: Grieta estructural en viga

Fuentes: José Moreno (2016)

Ilustración 13: Grieta estructural en viga

Fuentes: Eduardo Martínez (2014)

22

Impactos y vibración.

Los impactos y vibraciones pueden extender grietas con el pasar del tiempo. El

diseño estructural toma en cuenta el impacto empleando parámetros conservadores.

El diseño por vibración debe considerar el efecto de las cargas dinámicas, evitando

la resonancia, que se produce cuando la frecuencia natural de la estructura de apoyo

es similar a la frecuencia de la fuente vibrante. La relación entre frecuencia de la

estructura y la frecuencia perturbadora, debe estar fuera de los valores comprendidos

entre 0,5 y 1,5.

2.3.1.1 Físicos.

Las acciones físicas son producidas por dos grandes causas que son el cambio de

temperatura y de humedad, esto hace que el elemento de hormigón tenga cambios

volumétricos y por ende tienda a fisurarse y agrietarse. Estos cambios afectan a la

resistencia del elemento ya que, al cambiar el volumen, cambia la masa, el peso

unitario, porosidad, etc.

Fisuras por cambio de humedad

Por lo general afectan a la parte de la pasta de cemento y no al agregado en las

obras hidráulicas en donde se pueden describir tres zonas de deterioro:

El área del elemento que nunca tiene contacto con el agua puede sufrir

de patologías por los cambios extremos del medio ambiente.

El área del elemento donde se producen los cambios del nivel del agua,

dando lugar a fisuramientos por el humedecimiento y secado, se debe

de recalcar que es la parte más afectada de las tres zonas.

El área del elemento que siempre está sumergida, dando lugar a

patologías dependiendo a la porosidad y permeabilidad del concreto.

23

Ilustración 14: Esquema de fisuras por cambio de

humedad

Fuente: Alejandra Benítez (2014)

Fisuras por cambio de temperatura.

Las fisuras por cambio de temperatura afectan a la pasta de cemento como los

agregados. Estos cambios de temperatura pueden ser por:

Dilatación y contracción por cambios diarios del medio ambiente, ya que el

concreto es un material que puede contraerse y expandirse según la

temperatura del medio ambiente.

Si el material es muy esbelto puede tener un fenómeno llamado alabeo, lo

cual experimenta tensión en mayor temperatura y contracción en bajas

temperaturas esto hace que el elemento sufra agrietamientos por tracción.

Cámaras de congelación (cuartos fríos de industrias o supermercados), las

fisuras se generan por el congelamiento del agua que tienen en los poros

del elemento, aumentando su volumen y provocando esfuerzos de tensión

entre la pasta de cemento y los agregados produciendo el agrietamiento del

elemento desde su interior hasta llegar a la parte superficial.

24

Incendios, aquí el hormigón armado al estar formado por dos materiales que

se comportan diferente al fuego, se debe de considerar mucho el

recubrimiento ya que este es el que protege al acero que es débil frente al

fuego. Si el fuego llega a unos 300°C o mayor, el acero comienza a dilatarse

y expandirse, lo cual haría que el recubrimiento se desprenda del elemento

y se perdería también adherencia entre el hormigón y el acero.

Ilustración 15: Esquema temperatura, color y daño del concreto

por incendio


2.3.1.2 Biológicos.

Las patologías por parte de organismos y microorganismos de origen animal o

vegetal son muy perjudiciales al contacto con el concreto, porque no solo afecta a la

estética de la obra sino también causa patologías físicas, mecánicas, químicas y

biológicas.

Un claro ejemplo es la vegetación la cual puede presentar los ciclos de

humedecimiento y secado, las raíces pueden producir daños dentro del concreto, la

vida de la planta y los microorganismos pueden generar sustancias químicas que

25

atacan al hormigón. En la siguiente tabla se muestra el tipo de microorganismo y la

acción de deterioro generada sobre las secciones del concreto.

Ilustración 16: Microorganismos y acciones sobre el concreto

Fuente: Adaptado de Piedrahita (2004) y Sánchez de Guzmán (2002)

2.3.2 Agentes Interiores.

2.3.2.1 Reacción álcali- agregado (RAA).

Algunos agregados reaccionan en el interior del elemento con la pasta del

cemento, causando degradación, expansión y agrietamiento de los elementos de

concreto. Este fenómeno se da en cementos con alto contenido de álcalis (óxidos de

sodio y potasio).

Esta reacción se presenta con cierta concentración de álcali en los poros de

cemento, sumado con la humedad del concreto y las propiedades de los agregados,

dando origen a la reacción álcali- agregado.

En la tabla se muestran los agregados y minerales reactivos al álcali del cemento:

26

Tabla 2: Algunos agregados y minerales potencialmente reactivos

AGREGADOS MINERALES

Vidrios volcánicos Cuarzo

Riolitas Ópalo

Latitas Calcedonia

Dacitas Tridimita

Areniscas Cristobalita

Calizas Andesita

Filitas Heulandita

Gnesis Dolomita

Fuente: Sánchez De Guzmán (2002)

En la figura se muestra el deterioro causado por la reacción álcali-agregado.

Ilustración 17: Esquema de deterioro causado por la RAA


La reacción del álcali- agregado se manifiesta de tres maneras: álcali-sílice, que

es la más común, álcali-carbonato y álcali- silicato.

27

Álcali – Sílice

Este tipo de ataque se produce entre los álcalis del cemento y la sílice que algunos

tipos de agregados contienen, originando un gel que absorbe agua ejerciendo

grandes presiones en los poros del elemento probando una expansión destructiva

(fisuras por expansión). Esta reacción se origina al ser atacados los agregados por

los hidróxidos alcalinos, generando pequeñas fisuras superficiales seguidas por la

desintegración completa del elemento.

Este fenómeno se presenta por factores que influyen a la expansión tales como:

La reactividad de los áridos.

La cantidad y granulometría de las sustancias reactivas.

La concentración de álcalis en el agua de los poros.

El tipo de cemento (velocidad de transporte).

Condiciones ambientales (cantidad de sustancias agresivas

exteriores).

La porosidad del hormigón.

Hay que tener en cuenta varios factores para evitar este tipo de fenómeno en los

elementos estructurales como:

Evitar hormigones porosos y permeables mediante:

1. Relación agua-cemento baja (sin afectar la trabajabilidad de la

mezcla y la hidratación del cemento).

2. Alto contenido en cemento.

3. Compactación y curado adecuado; y garantizar lo

recubrimientos.

28

Empleo de cementos con bajo contenido en álcalis.

Evitar el empleo de áridos de naturaleza reactiva.

Impermeabilización del hormigón si se encuentra en ambientes que

sufren secados.

Álcali – Carbonato

Ilustración 18: Gota de gel álcali- sílice

Fuente: Manuel Fernández (2005)

Este tipo de ataque se produce entre los álcalis que expuestos a la humedad

aumentan su volumen generando esfuerzos internos ocasionado fisuras y los

agregados que poseen carbonatos (áridos calizos). Un factor para distinguirla de la

reacción entre álcali-sílice es la ausencia de gotas gelatinosas en los agrietamientos.

Este ataque aparece en lugares con una constante renovación de humedad como:

Muelles próximos al nivel del agua.

Parte posterior de muros de contención.

Bajo losas de pavimento.

29

Álcali – Silicato

Ciertas rocas sedimentarias con altos contenidos de arcillas compuestas por

capas de silicatos, producen una expansión lenta en el concreto.

Ilustración 19: Reacción álcali- silica

Fuente: ASR (2017)

2.3.2.2 Formación de etringita diferida (FED).

Esta reacción sulfatica interna es capaz de afectar al concreto sin necesidad de

una fuente externa de sulfatos.

La formación de etringita diferida genera un aumento de volumen cuando el

concreto esta endurecido, generando grietas en la superficie del elemento estructural.

En el proceso de hidratación el concreto es normal la presencia de etringita

(sulfoaluminato de calcio), la cual genera un crecimiento en el estado plástico del

concreto, la FED se podría presentar cuando se tienen los siguientes factores:

La temperatura del concreto excede los 60 °C durante el colado.

El elemento de concreto es masivo (muros, pilas y losas de puentes)

Utilización de cemento con alto contenido alcalino (SO3, C2S y C3A)

Las condiciones de temperatura y humedad ambiental elevada.

30

Emplear agregados contaminados que poseen contenidos

elevados de sulfatos.

2.3.2.3 Contracción por secado.

La contracción por secado se basa en una reducción de volumen del concreto

endurecido, dando origen a fisuras que se presentan cuando el hormigón ha superado

su etapa platica. La contracción de un concreto normal, varía entre 0,2 y 0,7 mm por

metro lineal.

La evaporación depende de factores externos como: la velocidad del viento, la

temperatura y la humedad del ambiente; también de las condiciones de curado.

También depende de factores propios de la composición del concreto, tales como:

Contenido de cemento

Cantidad de agua

Naturaleza del agregado

En la figura se muestra un esquema de la contracción por secado en un elemento

de concreto.

Ilustración 20: Esquema de contracción por secado en el concreto


31

2.4 Detección de patologías estructurales en servicio.

En esta sección se realiza la detección del tipo de patología siguiendo tres etapas

de investigación que nos ayudara a proponer un tipo de tratamiento según sea el

agente causante. Cada nivel reúne la información del nivel anterior hasta poder

concluir con un diagnóstico adecuado.

Ilustración 21: Método de tres niveles para el diagnóstico de patologías en elementos de

concreto estructural en servicio Fuente: Elizabeth Avendaño Rodríguez (2006)

2.4.1 Análisis no Destructivo.

En este nivel se realizan ensayos no destructivos en el sitio, este va a servir como

base para los procedimientos de diagnósticos. Si en este nivel los resultados no son

los esperados y no se podría generar conclusiones para realizar un diagnóstico

entonces se debe pasar al siguiente nivel la cual es el análisis destructivo.

Las siguientes figuras muestran los pasos a seguir para realizar el análisis no

destructivo.

32

Ilustración 22: Pasos a seguir para realizar el análisis no destructivo. Fuente: Elizabeth Avendaño Rodríguez (2006)

Siguiendo estos pasos se puede dar una valoración más específica de qué tipo de

patología está atacando a la estructura, es muy importante tener muy claro cada

parámetro de afectación para poder dar un mejor resultado.

Existen muchos métodos para realizar los ensayos no destructivos, los más

utilizados son los siguientes:

El pachometro. - es un dispositivo magnético que se encarga de localizar las

barras de acero sin remover el hormigón.

Ultrasonido. - por medio de ondas ultrasónicas muestras las grietas y la

perdida de sección del acero de refuerzo.

Esclerómetro. - permite estimar la compresión y uniformidad del hormigón.

Para el diagnostico en este primer nivel hay que tener dos consideraciones muy

importantes:

Si la estructura está realmente en peligro de acuerdo a los resultados

obtenidos y si se puede realizar una reparación en corto tiempo. Definir si la

33

estructura cumple con las especificaciones y normativas para que los

elementos puedan resistir las condiciones actuales de uso y de carga.

Después de realizar todos los pasos en el nivel 1 y no tener una idea

especifica de que patología está presente en los elementos estructurales

pasar al nivel 2 que son los ensayos destructivos.

2.4.2 Análisis Destructivo.

Para la ejecución de este nivel se necesita conocer los resultados de valoración de

las condiciones de la estructura mencionados anteriormente. Al llegar a la conclusión

de necesitar un análisis más detallado, se comienza a estudiar las propiedades de los

mecanismos de imperfección empleando métodos destructivos, tomando como

información los datos obtenidos en el nivel 1. En la siguiente figura se detallan los

pasos requeridos para la ejecución del nivel 2.

Ilustración 23: Nivel 2: Análisis destructivo


34

2.5 Marco Conceptual

Durabilidad. - Es la capacidad que tiene un elemento estructural para resistir las

diferentes acciones que se presentaran en el entorno. Estas acciones pueden ser

producidas por el medio ambiente, ataques biológicos y químicos, por fatiga o

abrasión, entre otros.

Fisura. - Son roturas que aparecen en la parte superficial de los elementos de

hormigón. Si la fisura llega atravesar todo el elemento este se llamará grieta. Las

fisuras se manifiestan por diferentes causas, y hay que tratarlas a tiempo ya que a

largo plazo pueden afectar al elemento estructural.

Hormigón armado. - es un material que consta de hormigón (cemento, agregados,

agua, aditivos) y de una armadura (varillas de hierro), que forman un elemento

resistente a las fuerzas de compresión y de tracción.

Resistencia. - Es la capacidad que tiene un elemento para soportar las diferentes

fuerzas o esfuerzos.

Rigidez. - Es la capacidad de un elemento de soportar los diferentes estados de

cargas que se aplican para evitar las deformaciones. En mayor rigidez menor son las

deformaciones ya que son inversamente proporcional.

Ductilidad. - Es la propiedad que tiene un elemento para permitir grandes

deformaciones

Elasticidad. - Es el efecto que tiene un elemento para regresar a su estado original

después de ser sometidos a cargas.

Alcalinidad. - Se define como la cantidad de ácido de una masa conocida de

material que puede neutralizar, todo esto depende del tipo de cemento que coloque

en el mortero.

35

2.6. Marco Legal

La presente investigación se basará en normas y especificaciones técnicas para la

elaboración de diseño edificaciones dentro del territorio ecuatoriano, estas normas

son obligatorias para cumplir con los requerimientos básicos para la construcción de

edificaciones, siendo necesario las siguientes consideraciones:

1. Código Ecuatoriano de la Construcción (CEC-2002).

2. Código ACI (318-05)

3. Norma Ecuatoriana de la Construcción

NEC-SE-CG cargas (no sísmicas),

NEC-SE-AC: Estructuras de acero

36

CAPITULO III

3.1. Marco Metodológico

3.1.1 Tipo y Diseño de la Investigación.

La metodología que se utilizó en la presente investigación fue la investigación

descriptiva en un modelo cuali-cuantitativo, por cuanto se realizaron pruebas para

validar lo teórico y constatar que los resultados obtenidos sean los correctos. Para

ello se realizó una recolección de datos, teniendo un proceso selectivo de información

y sacando conclusiones según los resultados de los ensayos en vigas de hormigón

simple y armado con o sin reforzamiento de fibra de carbono.

3.1.2 Metodología a Implementar

La metodología utilizada fue la recopilación de información sobre los tipos de

patologías que existen, en qué etapa de la obra se presentan, cuales son los agentes

causantes y como prevenir, con todo este concepto claro saber que método y técnica

de estudios se debe emplear para resolver el problema.

Para el presente proyecto se establece una investigación de tipo experimental las

cuales se llevaron a cabo en el laboratorio Dr. Arnaldo Ruffilli, de la Facultad de

Ingeniería Civil de la Universidad de Guayaquil y en la empresa de Hormigones

Hércules S.A.

Se describen las causas y las etapas en las que se presentan las patologías y

técnicas para el estudio de las misma en el hormigón armado.

Se describe las características y propiedades de los materiales empleados

para el diseño y pruebas de laboratorio.

Se explica el diseño que se utilizó con el aditivo para la elaboración de las

vigas de hormigón simple y armado.

37

Se explica los equipos utilizados, el montaje de los especímenes, y ejecución

de los ensayos.

Se toman los datos y se calcula los esfuerzos.

Se analizan los resultados de laboratorio obtenidos en los diferentes estados

de reforzamientos (con fibra y sin fibra de carbono).

Concluimos y recomendamos.

Para determinar el incremento de resistencia a la flexión se ensayarán 7 vigas de 100 cm de longitud con 15 cm de altura y 15 cm de ancho y observar su

comportamiento en varias condiciones, las vigas elaboradas con reforzamiento y sin

reforzamiento de fibra de carbono se analizarán a los 7 y 21 días con la ayuda del

aditivo MEGAMIX 350.

El enfoque fue cuali-cuantitativo, porque los datos obtenidos al realizar los ensayos

fueron procesados y analizados, teniendo en cuenta principalmente el

comportamiento del elemento, observando las ventajas que los métodos pudieron

presentar.

3.1.3 Limitación del problema.

Este proyecto está basado en conocer las causas y las etapas en la que se

presentan las patologías, métodos y técnicas para el estudio de la patología en el

hormigón estructural y analizar el comportamiento de vigas de hormigón simple y

armado con y sin reforzamiento de fibra de carbono.

3.1.4 Objeto y Campo de Estudio de la Investigación.

Esta investigación será de gran aporte para la sociedad y en especial para los

estudiantes de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas, Carrera de Ingeniería

Civil de la Universidad de Guayaquil, ya que tendrán más conocimiento sobre las

causas de las patologías, las etapas en las que se pueden presentar y métodos y

38

técnicas para el estudio de las misma en el hormigón armado y mediante ensayos de

laboratorio, comprobar de forma experimental el comportamiento de vigas de

hormigón armado con y sin reforzamiento de fibra de carbono a ensayos de

resistencia a flexión y saber las ventajas que proporciona la fibra de carbono a

elementos estructurales.

39

CAPITULO IV 4.1 Elaboración de vigas de hormigón armado y pruebas experimentales

Para el presente proyecto de investigación se realizaron ensayos a flexión, para

poder evaluar el comportamiento de las vigas de hormigón simple y armado con y sin

reforzamiento de fibra de carbono. El trabajo se ha elaborado experimentalmente y

analíticamente:

Experimentalmente, ensayando a flexión, hasta la rotura, 3 vigas de hormigón

simple y 4 vigas de hormigón reforzado. La sección son de 150 x 150 mm y

1000 mm de longitud, simplemente apoyadas con una luz libre entre apoyos

de 750 mm y aplicando la carga en el centro del elemento estructural. Las vigas

3,6 y 7 se han reforzado con una lámina de carbono WRAP600.

Analíticamente se han comprobado los datos obtenidos de carga deformación

en los ensayos realizados:

Tabla 3: Cuantías de acero y numera de lámina por vigas

VIGA Nº AS (mm) Lamina de CARBOWRAP

600

N° DE

CAPAS

LONGITUDINAL (mm) TRANSVERSAL (mm) ESPESOR INFERIOR (mm)

1

2

3 1.0 1

4 4 ø 10 ø 8 c/10 cm

5 4 ø 10 ø 8 c/10 cm

6 4 ø 10 ø 8 c/10 cm 1.0 1

7 4 ø 10 ø 8 c/10 cm 1.0 1

Elaboración: Duran-España

40

4.2 Herramientas a utilizar

Para la elaboración de las vigas se ha contado con los materiales que se describen

a continuación:

Encofrados de madera

Varilla punta redonda de 5/8 por 60 cm de longitud.

Mazo de goma

Hormigón f´c=210 kg/cm2

Acero de refuerzo

Fibra de carbono (CARBOWRAP 600)

Aditivo(MEGAMIX350)

Epofix 300 componente (A y B)

Epofix primer componente (A y B)

Brocha y Rodillo de pintura

Moledora con disco para pulir

4.2.1 Encofrado de madera

Para la siguiente investigación se realizó siete encofrados nuevos de madera, estos

encofrados estaban clavados y amarrados con alambre. Se los engraso para que a la

hora de desencofrar no fue necesario ningún tipo de esfuerzo de golpeo sobre el

molde, la madera utilizada debe tener resistencia a la humedad.

41

máximo del

% absorción = %

2,53 %

3,58 %

4.2.2 Hormigón f´c=210 kg/cm2

Para el cálculo de las dosificaciones se realizaron los ensayos respectivos de los

agregados en el laboratorio Dr. Arnaldo Ruffilli, de la Facultad de Ingeniería Civil de

la Universidad de Guayaquil obteniendo los siguientes resultados:

Datos de Laboratorio Necesidades técnicas

D.S.S.S. = 2480,0 Kg./m³ f'c = 210 Kg./cm²

Agregado Grueso P.V.V. = 1574,7 Kg./m³ revenimiento = 10 cm.

P.V.S. = 1412,3 Kg./m³ tamaño = 3/4" 19

D.S.S.S. = 2551,0 Kg./m³

Agregado Fino P.V.S. = 1444,2 Kg./m³

M.F. = 3,2 Sin aire incluido

V.A.G. = 0,59

cemento = 3010 Kg./m³ ال

agua = 1000 Kg./m³ ال

Ilustración 24: Datos de laboratorio de los agregados

La dosificación utilizada para el volumen de 0,17640000 m3 (elaboración de 7 vigas)

de un hormigón con una resistencia de f´c=210 kg/cm2 es la siguiente:

Tabla 4: Pesos de materiales para un volumen de 0,17640000 m3

Cemento (Kg) Aditivo (cm3) Agua (lts) Piedra (kg) Arena (kg)

50 1068,38 28,93 126,82 86,97

15,56 332,47 9,34 39,47 27,06

Elaboración: Duran-España

42

Ilustración 25: Colocación de material a

concretara

Fuente: Duran-España

Ilustración 26: Hormigón de f´c= 210 kg/ cm2


43

4.2.3 Acero de refuerzo

Las armaduras de acero empleadas han sido de acero al carbono eligiendo

diámetro de ø 10 mm para las longitudinales y de 8 mm para las transversales

elaborando estribos de 10 x10 cm.

Ilustración 27: Amarre de los estribos


Ilustración 28: Separación del estribo


44

Ilustración 29: Fabricación de estribos de 10 x 10 cm

Fuente: Duran-Carlos

4.2.4 Fibra de carbono (CARBOWRAP 600)

El Carbowrap CFRP 600 de Setmix, está conformado por el sistema epóxico Epofix

300 y el tejido de refuerzo VCF-1800 de fibra de carbono unidireccional de alta

resistencia.

Tabla 5: Propiedades de la fibra de Carbono (Carbowrap 600)

Propiedades ASTM Valor típico de ensayo

Diseño: refiérase ACI

Resistencia ultima a tensión

en la dirección principal de

la física

D- 3039

877 kg/cm ancho

842 MPa

Elongación a la ruptura D- 3039 1.2%

Módulo de tensión D- 3039 69.6 GPa

Resistencia a la última

tensión de la fibra a 90°C de

la principal

D- 3039

0

Espesor de la lámina

(normalizada)

D- 3039 1.0mm

Fuente: Setmix S.A.

La preparación requerida de la superficie depende mucho del tipo de elementos al

ser reforzado. En general, la superficie debe estar limpia, seca y libre de

45

protuberancias y cavidades, que pueden crear vacíos bajo el sistema compuesto. La

superficie del hormigón de columnas que van a recibir envolturas continuas requiere

únicamente limpieza con cepillo.

4.2.5 Aditivo(MEGAMIX350) Aditivo liquido color café, reductor de agua de alto rango, cumple ASTM C494 Tipo F,

aditivo de alto desempeño mejorando así la fluidez del concreto o disminuyendo

notablemente la relación agua/ cemento (densidad de 1,16 a 1,18). La dosificación

habitual es del 0,5% a 2,5% del peso del cemento (para el diseño de las vigas se

utilizó el 2,5 % del peso del cemento).

Ilustración 30: Aditivo Megamix 350


46

4.2.6 Epofix 300

El Epofix 300 es un sistema epóxico de 2 componentes sin solventes, sin carga, de

modulo alto, tixotrópico. La relación de mezcla de Epofix 300 es de:100 partes

en peso de componentes A y 50 partes de componente B.

Su almacenamiento es de 2 años en los envases originales sin abrir y

guardado bajo techo a la sombra, la temperatura mínima de aplicación de epóxico,

5°c no diluir el sistema epóxico, los diluyentes alteran el sistema y no permiten un

curado adecuado.

Tabla 6: Propiedades del Epofix 300

Método Valor de ensayo

Resistencia a tensión D – 838

TIPO I

72.4 MPa

10,500 psi

Módulo de tensión

D – 838

TIPO I

3.18GPa

461,000 psi

Porcentaje Elongación

D – 838

TIPO I

5.0

Resistencia a Flexión

D – 838

TIPO I

123.4MPa

17,900 psi

Módulo de Flexión D – 838

TIPO I

3.12 GPa

452,000 psi


47

4.3 Preparación de moldes a utilizar

Las dimensiones prismáticas de las probetas son de 1000x150x150mm en moldes

de madera, se seguirán las recomendaciones y normas.

Limpiamos los moldes de madera y cilindros y lo engrasamos con el objetivo de que

al desmoldar la muestra se despegue sin problemas.

Ilustración 31: Molde metálico y molde de madera para realizar los ensayos


4.3.1 Pasos para la elaboración de viguetas

Antes que nada, debemos de realizar el diseño del hormigón con

f´c=210 kg/cm2 con el aditivo MEGAMIX 350 con el objetivo de

ver el comportamiento de los agregados y poder colocar el

porcentaje adecuado a las viguetas y obtener el mayor porcentaje

de resistencia a los 7 días. Para ello se elaboró 3 cilindros con

diferentes porcentajes de aditivo (1,5 %; 2 % y 2,5% del peso del

cemento), ensayándolos a los 3 días y calcular las resistencias

obtenidas y así colocar el porcentaje más factible para el diseño

de las viguetas.

48

Tabla 7: Resultados de los ensayos a compresión

N° de

cilindro

Porcentaje de aditivo Megamix 350 (del peso del

cemento)

Carga (kg)

Área de

contacto(cm2)

Resistencia obtenida a los 3

días(kg/cm2)

Porcentaje de resistencia

obtenido a los 3 días.

1 1,50% 18175,00 176,625 88,60 42,19

2 2% 20756,00 176,625 113,80 54,19

3 2,50% 23024,00 176,625 128,10 60,1


Ya obtenido los resultados, realizamos el diseño con aditivo al

2,5% para las 7 viguetas (3 sin armadura y 4 con armadura).

Precedemos a colocar las dosificaciones de los materiales

utilizados en la concreta y respectivamente hacemos la prueba

de revenimiento con el cono de Abrams.

Llenamos los moldes de madera por capas, y en cada capa

realizar el respectivo varillado con la varilla de punta redonda

para eliminar vacíos y burbujas de aire.

Seguimos llenando la siguiente capa siguiendo el mismo

procedimiento anterior.

Damos golpes con el mazo de goma 3 por cada lado, evitando

que la mezcla de mortero se segregue.

Finalmente dejamos el mortero a una altura de 15 cm y la parte

superior lisa.

49

Ilustración 32: Elaboración de las probetas de mortero


4.4 Desencofrado y Curado de viguetas

Culminado el proceso de elaboración de las viguetas y cilindros

dejamos 24 horas de fraguado y procedemos a desmoldar para

sumergirlas en agua y evitar pérdidas de humedad, las condiciones de

temperatura deberán estar en los 17°C a 23°C. Los especímenes serán

ensayados a los 7 y 21 días dándonos los porcentajes de resistencia

obtenidos por la utilización de el aditivo MEGAMIX 350.

50

.. Ilustración 33: Desencofrado y curado de viguetas


4.5 Nomenclatura de las vigas

Se presenta la nomenclatura para la identificación de las probetas:

Tabla 8: Nomenclatura de las viguetas

N. DESCRIPCION NOMENCLATURA

1 Viga simple VS

2 Viga Armada VA

3 Vida simple

más fibra VS+F

4 Viga armada

más fibra VA+F

Elaboración: Duran – España

51

4.6 Ensayos a flexión (VS - VA)

Para comenzar a realizar los ensayos de las viguetas tenemos que sacar las vigas

sumergidas y dejar escurrir entre 2 horas de tiempo. Ya escurridas, pasamos a colocar

las vigas en la maquina universal para registrar los valores obtenidos aplicando una

carga puntual en el centro de la viga y llevándola a la falla.

4.7 Ensayos a flexión (VS+F – VA+F)

Se realiza el mismo procedimiento de la sección 4.6 con la diferencia que se

adecua una sección de la vigueta en donde será colocada la fibra de carbono WRAP

600, para esto seguimos los siguientes pasos:

Se adecua una sección de viga utilizando la moledora con el disco de pulir.

Hay que limpiar la zona pulida con una brocha hasta que no halla residuos de

polvo.

En dos recipientes se prepara los epoxicos:

El primero es la mezcla del Epofix 300 componente A con el Epofix 300

componente B

En el otro recipiente es la mezcla del Epofix primer componente A con el

Epofix primer componente B

Ambas muestras tienen la relación 2 en 1 es decir el componente A va a tener

el doble de peso del componente B.

Con un rodillo se coloca la mezcla del epóxico Epofix primer en toda la zona

donde se va a pegar la fibra de carbono, esperando unos 30 minutos hasta que

se encuentre viscoso.

52

Por otro lado, se tiende la fibra de carbono en un plástico en donde se va a

untar el Epofix 300 en ambas caras hasta saturarla.

Se coloca la fibra en la sección donde se preparó con el Epofix primer con

una espátula se comprime la fibra y se unta de nuevo el Epofix 300.

Se deja la viga 24 horas para ensayarlas en la maquina universal.

Ilustración 34: Viga con refuerzo de fibra y viga de hormigón simple Fuente: Duran-España

53

4.7 Resultados de los ensayos de laboratorio.

Tabla 9: Resultados de ensayos de flexión

0

VIGA

CARGA KG

DIAS DE

CURADO

VIGA

CARGA

KG

7 DIAS VS 1 125.03 21 DIAS VA 2 4925,23

7 DIAS VS 2 125.03 21 DIAS VA 3 + F 5200,55

8 DIAS VS 3 + F 4125,03 21 DIAS VA 4 + F 5118,97

21 DIAS VA 1 4864,05

Elaboración: Duran - España

4.8 Calculo de esfuerzos

Para calcular los esfuerzos debemos de tener en cuenta la siguiente formula:

Donde:

𝜎 =Mc

I

𝜎 = Esfuerzo a flexión

M = Momento de máxima Flexión

c = distancia del eje neutro a la línea inferior

I = inercia del elemento

Ilustración 35: Grafica de viga a flexión

Fuente: Tesis Jessica Cabrera

54

Sabiendo que:

PL bh3 h

M = 4

; I = 12

; c = 2

; b = ℎ

Dejamos expresado la fórmula para ingresar la fuerza.

PL h 12

Sabiendo que

L = 105 cm

h = 15 cm

nos queda

𝜎 = 4 2 b h3

𝜎 = 0.046 P

Tabla 10: esfuerzos de vigas sometidas a flexión

VIGA ESFUERZO (Kg/ cm2) VIGAS ESFUERZO(Kg/ cm2)

VS 1 5.75 VA 2 226.56

VS 2 5.75 VA 3 + F 239.23

VS 3 + F 189.75 VA 4 + F 235.47

VA 1 223.75


55

Según los resultados de laboratorio obtenidos comprobamos que hay un incremento

de resistencia de una viga de hormigón simple reforzada con fibra de carbono.

5,75 5,75

189,75

223,75 226,56239,23 235,47

0

50

100

150

200

250

300

VS 1 VS 2 VS3 + F VA 1 VA 2 VA3 + F VA4 + F

ESFUERZOS DE VIGAS

ESFUERZOS

56

Ilustración 36: Ensayo a flexión de la viga de hormigón simple Elaboración: Duran - España

Ilustración 37: Ensayo a flexión de la viga de hormigón simple con fibra de carbono


57

CAPITULO V

5.1 Conclusiones

En construcciones nuevas expuestas a ambientes marinos o agresivos industriales

se debe de tener en cuenta de emplear los recubrimientos adecuados, altas

dosificaciones de cemento y bajas relaciones agua/ cemento, compactación enérgica

y curados efectivos prolongados a fin de obtener concretos armados cerrados.

Cuando se presenta la corrosión y la fisuración va incrementándose depende del

grado de carbonatación de concreto y con ello la velocidad.

Después de realizar los ensayos de laboratorio podemos comprobar que las vigas

de hormigón simple tienen un comportamiento frágil ya que el hormigón no trabaja a

flexión mientras que las vigas de hormigón simple reforzada con fibra de carbono

tuvieron un gran porcentaje de resistencia a flexión por la colocación de la fibra.

Por otro lado, las vigas de hormigón armado con y sin fibra no se observó pandeo

o fisuramientos en ninguna de las vigas ensayadas llegando alcanzar

aproximadamente los 50 kN de fuerza y alcanzando el máximo de la máquina por eso

suspendieron el ensayo en la empresa hormigones hércules s.a.

Siendo realistas el beneficio depende mucho de la estructura a recuperar y la

cantidad de fibra a colocar ya que este elemento en el mercado todavía se lo consigue

a precios muy elevados y no cualquier persona tiene la facilidad de adquirir. Por otro

lado, esta fibra de carbono tiene un beneficio que es muy liviana y no aumenta peso

a la estructura y ayuda a la misma alcanzar grandes aumentos de resistencia

proyectando la estructura al cambio de uso.

58

5.2 Recomendaciones Se recomienda impulsar este método de recuperación de elementos estructurales

como lo es la fibra de carbono ya que los resultados fueron favorables aumento su

capacidad a flexión en las vigas. Para este método se debe tener en cuenta muchos

aspectos técnicos para la colocación de la fibra de carbono ya que depende de esta

para obtener buenos resultados. Debemos ser prudentes y utilizar la protección

adecuada para trabajar con los epoxicos ya que son componentes químicos que

podrían afectar de una u otra forma la salud del técnico encargado de la colocación

de dicho material.

-

Bibliografía

Avellano Rodríguez Elizabeth, (2006), “Detección, tratamiento y prevención

de patologías en sistema de concretos estructurales utilizados en

infraestructura industrial”.

CCC Dirección de Capacitación. “Concretos de alto desempeño.”

Cámara Costarricense de la Construcción, San José; 2004.

CASTRO BORGES, Pedro. “Corrosión en estructuras de concreto armado.”

Instituto Mexicano del Cemento y del Concreto. México, D.F.; 1998.

CHAVES ROJAS, Gonzalo. “Procedimientos para el estudio de patología del

concreto.” Informe final de proyecto de graduación. Escuela de Ingeniería

Civil, Universidad de Costa Rica; 2001.

HELENE, Paulo y PEREIRA, Fernanda. “Manual de rehabilitación de

estructuras de hormigón. Reparación, refuerzo y protección”. Programa

Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED).

Bandeirantes Industria Gráfica. Guarulhos, Brasil; 2003.

JESSICA CABRERA ZAMORA, “análisis del comportamiento de paredes de

mampostería con bloque de cemento prefabricado utilizando mortero

reforzado con fibra vegetal (abacá)”. Guayaquil 2015

Anexos

Ilustración: Mezcla de agregados

Ilustración: colocación de hormigón en cilindros

Ilustración: pruebas de cilindros

Ilustración: Armado de acero de refuerzo

Ilustración: Armado de vigas

Ilustración: Mezcla de agregados

Ilustración: Prueba de revenimiento

Ilustración: Pruebas de revenimiento

Ilustración: Colocación de Hormigón en vigas

Ilustración: Encofrados de madera con hormigón

Ilustración: Varillado y colocación de hormigón

Ilustración: Varillado en cilindro

Ilustración: Desencofrado de vigas

Ilustración: Curado de vigas

Ilustración: Secado de vigas

Ilustración: Preparación de epoxicos

Ilustración: Colocación de epóxico en vigas

Ilustración: Colocación de fibra saturada con Epofix 300

Ilustración: Vigas de hormigón simple con fibra y sin fibra

Ilustración: Rotura de viga de hormigón simple

Ilustración: Rotura de hormigón con fibra de carbono

Ilustración: Viga de Hormigón armado

Ilustración: Ensayos a flexión en viga de hormigón armado con fibra de carbono

Ilustración: Ensayo de vigas a flexión en hormigones Hércules S.A.

Ilustración: Ensayos a flexión en viga de hormigón armado

Presidencia

de la República

del Ecuador

REVISOR(ES)/TUTOR(ES)

(apellidos/nombres):

INSTITUCIÓN:

UNIDAD/FACULTAD:

MAESTRÍA/ESPECIALIDAD

GRADO OBTENIDO

FECHA DE PUBLICACIÓN: 2018 No. DE PÁGINAS 86

ÁREAS TEMÁTICAS:

PALABRAS CLAVE:

RESUMEN:

ADJUNTOS PDF: SI NO

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CONTACTO CON LA Nombre: FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS

INSTITUCIÓN: Teléfono: 04-228-3348

E-mail:

CONTACTOS CON AUTOR/ES:

Ingeniera Civil

Patologías estructurales, comportamiento a flexión, fibra de carbono, flexión

de vigas.

Determinación de patologías estructurales y comportamiento de vigas a

esfuerzos de flexión reforzadas con fibra de carbono.

Estructuras de ingeniería

Universidad de Guayaquil

Ciencias Matemáticas y Físicas

REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA

FICHA DE REGISTRO DE TESIS / TRABAJO DE GRADUACIÓN

Duran Ormaza Boris Antonio

España Bermeo Carlos MiguelAUTOR(ES) (apellidos/nombre):

Ing. Carlos Cusme Vera , MSc.

Ing. Leonardo Palomeque Freire M.Sc

La gran mayoría de las edificaciones están construidas con hormigón armado, por tal razón es necesario investigar los fenómenos que atacan a los elementos estructurales que se conocen como patologías. Por tal motivo el presente trabajo de investigación tiene como objetivo determinar las patologías estructurales y analizar el comportamiento de vigas a esfuerzos de flexión reforzadas con fibra de carbono. La metodología util izada fue la recopilación de información sobre los tipos de patologías que existen, en qué etapa de la obra se presentan y como prevenir, conocer que técnica de estudios se debe emplear para resolver el problema. Para determinar el incremento de resistencia a la flexión se ensayarán 7 vigas de 100 cm de longitud con una sección de 15x15cm y observar su comportamiento en varias condiciones, las vigas de hormigón elaboradas con reforzamiento y sin reforzamiento de fibra de carbono se analizarán a los 7 y 8 días que adquiera su resistencia total con la ayuda del aditivo MEGAMIX 350.Después de realizar los ensayos de laboratorio podemos comprobar que las vigas de hormigón simple tienen un comportamiento frágil ya que el hormigón no trabaja a flexión mientras que las vigas de hormigón simple reforzada con fibra de carbono tuvieron un gran porcentaje d

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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUILrepositorio.ug.edu.ec/bitstream/redug/32387/1/DURAN_BORIS... · 2018. 9. 13. · iii Agradecimiento Agradezco profundamente a mi familia en especial a mis