estudio del comportamiento del concreto …

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO REFORZADO ANTE GRANDES CONRRIENTES ELÉCTRICAS DE IMPULSO TIPO RAYO

HÉCTOR EDUARDO GRAFFE CANTILLO ALEXANDRA SACHENKA PÉREZ SANTOS

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniero Electricista

Director: Francisco Javier Amórtegui Gil I.E.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Bogotá D.C.

2001

A mi familia y amigos Quienes siempre creyeron en mi

Héctor

A mi Padre, madre , hija y hermanas por su apoyo y paciencia.

Sasha

Nota de aceptación:

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Director del proyecto

Ing. José Omar Trujillo Jurado

Ing. Fernando Herrera Jurado

RESPUESTAS A LAS OBSERVACIONES DEL JURADO

1. La afirmación del señor Monfore[9], que la impedancia total del concreto está

determinada básicamente por su resistencia eléctrica, se deduce del modelo de

conducción eléctrica en corriente alterna, propuesto por los señores Hammond y

Robson.

2. Las placas utilizadas en el desarrollo experimental, no son de concreto reforzado

porque el objetivo que se buscaba era medir variables en el concreto como

tensiones disruptivas y corrientes superficiales.

3. En la tabla 8, los valores de resistencia eléctrica son diferentes porque se

utilizaron diferentes equipos de medida, los cuales no tienen la misma exactitud ni

la misma calibración.

4. En las tabals 9 y 10, hay diferencias entre el valor teórico para el “ACERO” y el

valor experimental del “Acero de refuerzo 9M”, debido a que la referencia no es la

misma (ver literal 6). Además las mediciones realizadas no poseen la precisión

que se obtendría con equipos de mayor resolución y sensibilidad de la que tienen

los equipos encontrados en los laboratorios docentes del departamento de Ing.

Eléctrica.

5. Para la aplicación de corriente tipo rayo, se utilizó una onda de impulso, la cual

llega en un tiempo de 12 us a su valor pico, y se tomó este mismo punto como

referencia para estimar el desfase y calcular la tensión inducida.

6. Del manual de Ing. Eléctrica, de Donald G. Fink/H. Wayne Beaty Editorial McGraw

Gill, del Tomo I págs. 4-28 y 4-23, se hace la siguiente extracción:

“...usualmente en los materiales magnéticos, la permeabilidad no es lineal con

respecto a la fmm, no existe ningún valor único correcto que se ajuste a las

condiciones, aunque puede ser determinado un valor aparente o valor equivalente

promedio para una varilla cilíndrica......"

"Resistencia en corriente alterna de conductores de acero: El incremento en la

resistencia efectiva frente a corrientes alternas, depende fundamentalmente de la

permeabilidad circular; existe también un incremento, de menores proporciones,

causado por histéresis. La permeabilidad es muy sensible a variaciones en la

composición, en el tratamiento térmico y en el trabajo del metal; por esto no es

usualmente factible calcular el efecto pelicular excepto en forma aproximada....."

Atendiendo lo descrito anteriormente y teniendo en cuenta que datos

experimentales presentados en el mismo manual en la pág. 4-115 del mismo

tomo, indican que la permeabilidad permanece casi constante en materiales

magnéticos para frecuencias superiores a 10 kHz, se tomó un valor promedio de

permeabilidad relativa, con el objeto de calcular en forma aproximada y no exacta

la profundidad de penetración para con este a su vez, estimar un valor de

resistencia eléctrica a alta frecuencia.

7. En las págs. 47, 48 y 49, se presentan diferentes oscilogramas correspondientes a

impulsos de corriente aplicados a probetas cilíndricas secas con refuerzo no

continuo; se puede observar que hay un tiempo de aplicación de tensión del orden

de microsegundos, que permite un colapso de tensión o disrupción, presentando la

conducción de grandes corrientes, que originan una destrucción mecánica de la

probeta, como la presentada en las figs. 24 y 25, de la pág. 48 Las oscilaciones

que se presentan, son debidas a que el circuito de prueba se comporta como un

circuito RLC subamortiguado.

Si se observan los oscilogramas de las págs. 50, 51 y 52, correspondientes a la

aplicación de impulsos de corriente sobre probetas cilíndricas húmedas con

refuerzo no continuo; a diferencia del caso anterior, se presenta una conducción

de corriente previa al colapso de tensión, la cual aparece desde el mismo instante

en que es aplicada la diferencia de potencial. Simultáneamente con el incremento

de la corriente previa a la disrupción, hay una disminución de la magnitud de

tensión aplicada a la probeta, además es evidente el tiempo de aplicación de la

tensión (30 µs), el cual aparentemente es mayor que en el caso de las probetas

secas; al igual que en el concreto seco, las oscilaciones que se presentan, son

debidas a que el circuito de prueba se comporta como un circuito RLC

subamortiguado.

8. Conclusiones adicionales

Es posible utilizar las estructuras de concreto reforzado como bajantes y

distribuidoras de corrientes de rayo, siempre y cuando se asegure continuidad en

las varillas de acero utilizadas como refuerzo, independientemente del nivel de

humedad presente en el concreto.

La resistencia eléctrica del concreto, se puede considerar infinita con respecto a la

resistencia del refuerzo de acero, por lo tanto es inútil pensar en la circulación de

corriente a través del concreto hacia un electrodo externo conectado a tierra.

AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos:

Al ingeniero Francisco Amórtegui por su confianza y orientación.

Al los ingenieros Antonio Mejía y Helmuth Ortiz por su importante orientación para la

realización de los ensayos eléctricos.

Al ingeneiro Gabriel Gómez por su guía en el diseño y realización de los ensayos

mecánicos.

A la Empresa CEMEX concretos, Ingeniero Andrés Felipe Peláez, por su apoyo en la

realización del proyecto.

A todos los compañeros de los Laboratorios de Ensayos Industriales de Ingeniería

Eléctrica y Mecánica de la Universidad Nacional, por su constante colaboración.

Al personal del Laboratorio de Materiales del IEI por su colaboración en la realización

de pruebas mecánicas.

103

TABLA DE CONTENIDO

1. PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA 2

2. MATERIALES UTILIZADOS EN EL CONCRETO REFORZADO 4

2.1 REFUERZO DE ACERO PARA CONCRETO 4

2.1.1 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS: 5

2.1.2 EFECTO TÉRMICO EN VARILLA DE ACERO, SOMETIDA A IMPULSOS DE

CORRIENTE ELÉCTRICA TIPO RAYO 5

2.2 CONCRETO 7

2.2.1 COMPONENTES DEL CONCRETO 7

2.2.2 LA RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DEL CONCRETO 10

2.2.3 MECANISMO DE CONDUCCIÓN ELÉCTRICA EN EL CONCRETO 12

2.2.4 TRAYECTORIAS DE CONDUCCIÓN A TRAVÉS DEL CONCRETO 13

2.3 CONCRETO REFORZADO 14

3. DISEÑO DE LOS EXPERIMENTOS 16

3.1 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 16

3.2 CONSTRUCCIÓN DE OBJETOS DE PRUEBA 19

3.2.1 CONSTRUCCIÓN DE PROBETAS CILÍNDRICAS DE CONCRETO REFORZADO

20

3.2.1.1 REFUERZO CONTINUO O TRASLAPADO 21

3.2.1.2 REFUERZO NO CONTINUO 21

3.2.2 CONSTRUCCIÓN DE PLACAS DE CONCRETO 22

3.3 PRUEBAS EXPERIMENTALES 23

3.3.1 RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DE LA BARRA CORRUGADA PDR-60 PARA

REFUERZO DE CONCRETO Y RESISTENCIA DEL REFUERZO EN D.C. 23

104

3.3.2 CALCULO DE PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN EN EL ACERO DE

REFUERZO 24

3.3.3 COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL DE LA VARILLA DE REFUERZO 24

3.3.4 NIVEL DE HUMEDAD DE LOS ELEMENTOS DE PRUEBA 24

3.3.5 IMPULSO DE CORRIENTE SOBRE LAS PROBETAS CILINDRICAS DE

CONCRETO REFORZADO 26

CIRCUITO DE PRUEBA 27

3.3.6 ALTA ENERGIA A FRECUENCIA INDUSTRIAL SOBRE LAS PROBETAS

CILINDRICAS DE CONCRETO REFORZADO 28

3.3.7 IMPULSOS DE TENSIÓN APLICADOS DIRECTAMENTE AL CONCRETO 30

3.3.8 IMPULSOS DE CORRIENTE APLICADOS DIFERENTES PUNTOS DE LAS

PLACAS DE CONCRETO 32

3.3.9 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE LOS CILINDROS DE CONCRETO. 32

EQUIPO PARA PRUEBA MECÁNICA 33

4. DESARROLLO DE LOS ENSAYOS O EXPERIMENTOS 35

4.1 ENSAYOS AL REFUERZO 35

4.1.1 MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DE LA BARRA DE ACERO CORRUGADO

PARA REFUERZO DE CONCRETO 9M. 35

4.1.2 MEDICION DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DEL REFUERZO DE LAS

PROBETAS 36

4.1.3 COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL 36

4.1.4 INCREMENTO DE TEMPERATURA POR EFECTO DE LA CORRIENTE

ELÉCTRICA EN LA BARRA CORRUGADA PDR-60 PARA REFUERZO DE CONCRETO 37

4.2 ENSAYOS A LAS PROBETAS CILINDRICAS DE CONCRETO REFORZADO 38

4.2.1 DETERMINACIÓN DE HUMEDAD 38

4.2.2 IMPULSOS DE CORRIENTE A PROBETAS CON REFUERZO CONTINUO 39

4.2.3 IMPULSOS DE CORRIENTE PROBETAS CON REFUERZO NO CONTINUO O

CON GAP 45

4.2.4 PROBETAS DE CONCRETO REFORZADO CON EQUIPOTENCIAL EN COBRE 53

4.2.5 PRUEBA DE ALTA ENERGIA A PROBETAS CILÍNDRICAS CON REFUERZO

CONTINUO 54

105

4.2.6 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE LA PROBETAS CILINDRICAS 56

4.3 ENSAYOS A LAS PLACAS DE CONCRETO 60

4.3.1 DETERMINACIÓN DE HUMEDAD. 60

4.3.2 IMPULSOS DE TENSION SOBRE PLACAS DE CONCRETO 61

4.3.3 IMPULSOS DE CORRIENTE SOBRE PLACAS DE CONCRETO 68

5. CONCLUSIONES 74

6. RECOMENDACIONES 76

7. BIBLIOGRAFIA 77

ANEXO A 80

ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS 80

ANEXO B 82

MEMORIA DE CÁLCULOS 82

ANEXO C 87

106

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 Columnas de concreto reforzado, cada columna consta de ocho (8) varillas. 2 Figura 2 Resistividad de la pasta de cemento en un período de 128 días. [7] 11 Figura 3 Resistividad del concreto 1:2:4 para un periodo de 128 días. [7] 11 Figura 4 Modelo de conducción para el concreto por Hammond E. Robson, T.D.[5] 13 Figura 5 Modelo de conducción eléctrica en AC propuesto por Hammond y Robson [5] 13 Figura 6 Comportamiento del esfuerzo de adherencia 15 Figura 7 (a) Probeta en curado inicial Figura 7 (b) Probeta final. 20 Figura 8 Detalle del refuerzo continuo o traslapado de las probetas de concreto. 21 Figura 9 Detalle del refuerzo no continuo de las probetas de concreto. 21 Figura 10 Detalle de la elaboración de las probetas de concreto reforzado. 22 Figura 11 Detalle de la fabricación de placas de concreto. 22 Figura 12 Circuito para medición de resistencia en DC. 23 Figura 13 Circuito del generador de Impulsos de Corriente. Rop: Objeto de Prueba 28 Figura 14 Circuito equipo de prueba termoeléctricas Rop: Objeto de prueba 29 Figura 15 Circuito del generador de impulsos de tensión. 31 Figura 16 Puntas de Aluminio utilizadas al aplicar impulsos de tensión y de corriente en las placas de concreto. 32 Figura 17 Maquina utilizada en la prueba de Resistencia Compresión 34 Figura 18. Resultados de la simulación de la prueba de impulso de alta corriente (60kA) 40 Figura 19. Resultados de la simulación de la prueba de impulso de baja corriente (30kA) 40 Figura 20 Oscilograma probetas de concreto reforzado secas y húmedas ante impulsos de corriente tipo rayo de 60 kA 43

107

Figura 21 Oscilograma probetas de concreto reforzado secas y húmedas ante impulsos de corriente tipo rayo de 30 kA 44 Figura 22 Oscilograma del Impulso No.2 Probeta seca No. 2 con gap. 47 Figura 23 Oscilograma del Impulso No.3 Probeta seca No. 2 con gap. 47 Figura 24 Probeta seca con gap No.2 Figura 25 Probeta seca con gap No. 4 48 Figura 26 Oscilograma del Impulso No.6 Probeta seca No. 4 con gap. 48 Figura 27 Oscilograma del Impulso No.6 Probeta seca No. 5 con gap. 49 Figura 28 Probeta húmeda No.1 con gap. Figura 29 Probeta húmeda No. 2 con gap. 50 Figura 30. Oscilograma del Impulso No.6 Probeta húmeda No. 3 con gap. 50 Figura 31. Oscilograma del Impulso No.9 Probeta húmeda No. 4 con gap. 51 Figura 32 Probeta húmeda No.3 con gap. Figura 33 Probeta húmeda No. 4 con gap. 51 Figura 34. Oscilograma del Impulso No.5 Probeta húmeda No. 5 con gap. 52 Figura 35 Probeta de concreto reforzado seca con equipotencial de cobre 53 Figura 36 Onda de Alta Energía de Amplitud 40 kA, 10/350 us 54 Figura 37 Tipos de fallas en cilindros de concreto. 56 Figura 38 Cilindros con capin de azufre 57 Figura 39 Probeta fallada a compresión. 59 Figura 40 Conducción de corriente sin ocurrencia de colapso de tensión en concreto seco. 62 Figura 41 Relación Tensión/corriente en función del tiempo, para concreto seco. 62 Figura 42 Disrupción en el concreto seco. 63 Figura 43 Relación Tensión/Corriente para el fenómeno disruptivo en concreto seco 63 Figura 44 Característica disruptiva del agua.[19] 64 Figura 45 Disrupción en la cola en concreto seco. 65 Figura 46 Segundas disrupciones en concreto seco. 66 Figura 47 Conducción de corriente sin ocurrencia de colapso de tensión en concreto húmedo 67 Figura 48 Comportamiento del concreto a humedad de equilibrio, cuando le son aplicados impulsos de corriente, previo impulso de tensión 69

108

Figura 49 Puntos de las placas de concreto secas, sometidos a impulsos de corriente. 69 Figura 50 Conducción de corriente sin ocurrencia de colapso de tensión en concreto saturado sometido a impulsos de corriente, previo impulso de tensión. 71 Figura 51 Colapso de tensión en concreto saturado sometido a impulsos de corriente, previo impulso de tensión. 71 Figura 52 Comportamiento del concreto seco, cuando le son aplicados impulsos de corriente, sin previo impulso de tensión. 72

109

LISTA DE TABLAS

Tabla 1 Resistividad eléctrica de algunos materiales. 10 Tabla 2 Resistencia eléctrica en cubos de concreto de 1in. Monfore. [9] 14 Tabla 3 Componentes de la mezcla utilizada en la fabricación de probetas por m3. 19 Tabla 4 Parámetros DEAT’s de magnitud pico 30kA [16] 27 Tabla 5 Parámetros DEAT’s de magnitud pico 60kA [16] 27 Tabla 6 Parámetros DEAT’s de magnitud pico 90kA [16] 27 Tabla 7 Resistencia en DC de la varilla de refuerzo del concreto 35 Tabla 8 Resistencia eléctrica del refuerzo del concreto 36 Tabla 9 Características de diferentes materiales 37 Tabla 10 Incremento de temperatura de varilla de acero sometida a circulación de corriente AC 37 Tabla 11 Control de humedad de probetas cilíndricas en condiciones de equilibrio 39 Tabla 12 Control de humedad de probetas cilíndricas en condiciones de saturación 39 Tabla 13 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de baja corriente No1. 41 Tabla 14 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de alta corriente No.1 41 Tabla 15 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de baja corriente No.1. 42 Tabla 16 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de alta corriente No.1 42 Tabla 17 Probeta de concreto reforzado seca con gap No.1. 46 Tabla 18 Probeta de concreto reforzado seca con gap No.2. 46 Tabla 19 Probeta de concreto reforzado seca con gap No.3. 46 Tabla 20 Probeta de concreto reforzado seca con gap No.4. 47 Tabla 21 Probeta de concreto reforzado seca con gap No.5. 48 Tabla 22 Probeta de concreto reforzado húmeda con gap No.1. 49 Tabla 23 Probeta de concreto reforzado húmeda con gap No.2. 49 Tabla 24 Probeta de concreto reforzado húmeda con gap No.3. 50 Tabla 25 Probeta de concreto reforzado húmeda con gap No.4. 51 Tabla 26 Probeta de concreto reforzado húmeda con gap No.5. 52 Tabla 27 Probeta de concreto reforzado seca con equipotencial en cobre 53 Tabla 28 Probeta de concreto reforzado húmeda con equipotencial en cobre 53

110

Tabla 29 Prueba de Alta Energía a 60Htz, probetas de concreto reforzado, tiempo inferior a 1 segundo 55 Tabla 30Prueba de Alta Energía a 60 Htz, probetas de concreto reforzado, tiempos mayores a 1 segundo. 55 Tabla 31 Resistencia a la compresión de las probetas de control 58 Tabla 32 Resistencia a la compresión de las probetas sometidas a impulsos de 30kA 58 Tabla 33 Resistencia a la compresión de las probetas sometidas a impulsos de 60kA. 58 Tabla 34 Control de humedad de placas en condiciones de equilibrio 60 Tabla 35 Control de humedad de placas en condiciones de saturación 60 Tabla 36 Datos punto 1 de la placa de concreto seca sometida a impulso de tensión. 65 Tabla 37 Datos en el punto 2 de la placa de concreto húmeda sometida a impulsos de tensión. 67 Tabla 38 Datos en un punto de la placa de concreto seca sometida a impulsos de corriente previo impulso de tensión. 68 Tabla 39 Datos en un punto de la placa de concreto húmeda sometida a impulsos de corriente previo impulso de tensión. 70 Tabla 40 Datos en un punto de la placa de concreto seca sometida a impulsos de corriente sin previo impulso de tensión. 72 Tabla 41 Datos en un punto de la placa de concreto húmeda sometida a impulsos de corriente sin previo impulso de tensión. 73 Tabla 42 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de baja corriente No.2. 87 Tabla 43 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de baja corriente No.3. 87 Tabla 44 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de baja corriente No.4. 88 Tabla 45 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de baja corriente No.5. 88 Tabla 46 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de alta corriente No.2. 89 Tabla 47 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de alta corriente No.3. 89 Tabla 48 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de alta corriente No.4. 90 Tabla 49 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de alta corriente No.5. 90 Tabla 50 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de baja corriente No.2. 91 Tabla 51 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de baja corriente No.3. 91

111

Tabla 52 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de baja corriente No.4. 92 Tabla 53 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de baja corriente No.5. 92 Tabla 54 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de alta corriente No.2. 93 Tabla 55 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de alta corriente No.3. 93 Tabla 56 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de alta corriente No.4. 94 Tabla 57 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de alta corriente No.5. 94 Tabla 58 Punto 2 de la placa seca sometida a impulsos de tensión. 95 Tabla 59 Punto 3 de la placa seca sometida a impulsos de tensión 96 Tabla 60 Punto 4 de la placa seca sometida a impulsos de tensión 97 Tabla 61 Punto 5 de la placa seca sometida a impulsos de tensión 98 Tabla 62 Punto 1 de la placa húmeda sometida a impulsos de tensión 99 Tabla 63 Punto 3 de la placa húmeda sometida a impulsos de tensión 99 Tabla 64 Punto 4 de la placa húmeda sometida a impulsos de tensión 100 Tabla 65 Punto 5 de la placa húmeda sometida a impulsos de tensión 100 Tabla 66 Resistencia eléctrica Probeta seca 1 con refuerzo continuo 101 Tabla 67 Resistencia eléctrica Probeta seca 2 con refuerzo continuo 101 Tabla 68 Resistencia eléctrica Probeta seca 3 con refuerzo continuo 101 Tabla 69 Resistencia eléctrica Probeta húmeda 1 con refuerzo continuo 102 Tabla 70 Resistencia eléctrica Probeta húmeda 2 con refuerzo continuo 102 Tabla 71 Resistencia eléctrica Probeta húmeda 3 con refuerzo continuo 102

INTRODUCCIÓN

El Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Nacional, Grupo de

Investigación GIPYT en búsqueda de alternativas de menor costo, con similar o mejor

efectividad técnica, dentro del diseño de sistemas de protección contra rayos, considera

importante evaluar la posibilidad de implementar el uso de las columnas de concreto

reforzado, como bajantes y distribuidoras de corriente tipo rayo. Por esto se formula el

estudio presentado a continuación, como un primer acercamiento al conocimiento del

comportamiento eléctrico y mecánico del concreto, y del conjunto concreto reforzado al

ser sometido a impulsos de corriente que tengan características de un rayo.

Este estudio es básicamente de carácter experimental, y pretende proporcionar un punto

de partida a nivel local, en el uso eléctrico del concreto reforzado

El primer capítulo de este trabajo, se dedica a la presentación del problema y su

justificación. El segundo capítulo describe los materiales utilizados en la fabricación del

concreto reforzado, como también la documentación de las propiedades eléctricas y

mecánicas conocidas de estos materiales.

El tercer capítulo hace referencia al diseño de las pruebas eléctricas, térmicas,

mecánicas, y al diseño y construcción de los elementos de prueba adecuados al

desarrollo del estudio.

Finalmente el capítulo cuatro describe el desarrollo de los ensayos, sus resultados y el

respectivo análisis.

2

1. PRESENTACIÓN DEL PROBLEMA

Debido a antecedentes sísmicos presentados en nuestro país, el tipo de estructura

utilizada en la construcción, esta basada en el concreto reforzado, atendiendo la Norma

NSR-98 [1], además de la Ley 400 de 1997 y el Decreto 33 de 1992, cuya prioridad es la

preservación de la vida de las personas, evitando el colapso de la estructura que se ve

enfrentada a solicitudes sísmicas de gran magnitud.

Figura 1 Columnas de concreto reforzado, cada columna consta de ocho (8) varillas.

Las construcciones contienen una armadura de barras o varillas de acero para refuerzo

de concreto , que aunque no es tan buen conductor como el Cobre (Cu) o el Aluminio (Al),

podría ser utilizado para guiar las corrientes asociadas a los rayos que inciden en la parte

superior de las edificaciones, sin producir daño estructural, teniendo en cuenta que las

columnas son primordiales dentro de la estabilidad de la edificación.

La bajante del sistema de protección contra rayos, diseñada para guiar en forma segura

las corrientes de rayo que puedan incidir en la instalación a proteger y la estructura de la

edificación (varillas o barras para refuerzo de concreto interconectadas, denominada

3

bajante natural en la Norma NTC 4552[2], Protección contra Descargas Eléctricas

Atmosférica), son conductores eléctricos que compiten por conducir la corriente de los

rayos.

El comportamiento ante requerimientos eléctricos tipo rayo, del refuerzo del concreto, del

concreto mismo, y la posible degeneración de las propiedades mecánicas del conjunto

concreto reforzado en diferentes niveles de humedad, asociado a que en Colombia la

mayor actividad ceráunea, se presenta en épocas de lluvia, da origen a el presente

trabajo.

4

2. MATERIALES UTILIZADOS EN EL CONCRETO REFORZADO

El concreto reforzado es una mezcla de cemento, arena y grava, que envuelve una

estructura metálica (varilla o barra de acero para refuerzo), mejorando las condiciones

mecánicas del concreto y es utilizado en construcción de edificios por su resistencia a la

tracción y a la compresión1.

2.1 REFUERZO DE ACERO PARA CONCRETO

Barras corrugada de acero de baja aleación y termotratado para refuerzo de concreto [3],

cuya denominación y características son:

Grado 60 Límite de Fluencia Mínima Nominal 415 Mpa ; 42 Kg-f /mm2 ; 60 000 psi

La barra corrugada, esta provista de resaltantes o alto relieve, que inhiben el movimiento

longitudinal relativo a la barra respecto al concreto que lo rodea. La barra se identifica por

su diámetro nominal, que es el equivalente a de una barra lisa de sección circular, con la

misma masa nominal por metro lineal.

Diámetro Nominal: 9.00 mm Sección : 64 mm2

Perímetro : 28 mm Densidad: 7580 Kg/m3

Masa : 0.470 Kg/m a 0.500 Kg/m

Calor Específico: 460.5 J/Kg*ºC

Composición Química %: Carbono : C : 0.300 máx. Manganeso: Mn : 1.500 máx Fósforo: P : 0.035 máx

Azufre : S : 0.045 máx Silicio : Si : 0.500 máx.

Carbono Equivalente : CE : 0.550 máx.

1 Tracción: Fuerza que obra axialmente en un cuerpo y tiende a alargarlo.

Compresión: Fuerza que obra axialmente y tiende a acortar el cuerpo

5

10%

50%

10%

20%

40%

6%%% VMoCrNiCuMnCCE −−++++=

Cobre (Cu), Níquel (Ni), Cromo (Cr), Molibdeno (Mo) y Vanadio (V).

2.1.1 CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS:

Límite de Fluencia: Extensión bajo carga

42 a 55 kg-f/mm2 60000 a 78000 lbs/pulg2 415 a 540 Mpa

Resistencia a la Tracción : La Resistencia a la Tracción debe ser igual o mayor a 1.25 veces al punto de fluencia.

56 mínimo. ( kg-f/mm2 ) 80000 mínimo. (lbs/pulg2 ) 550 mínimo. (Mpa)

% de Alargamiento con distancia entre marcas de 200 mm: 14

Tracción y Doblamiento Diámetro del Mandril de Doblado a 180º:

3d d : diámetro = 9 mm

2.1.2 EFECTO TÉRMICO EN VARILLA DE ACERO, SOMETIDA A IMPULSOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA TIPO RAYO

Al circular corriente a través de la varilla para refuerzo de concreto, se genera un

incremento de temperatura, como consecuencia de la disipación de energía eléctrica en

forma de calor, determinada por la resistencia eléctrica del refuerzo.

La energía disipada se expresa como:

∫= dtiRE 2

6

Es importante tener en cuenta que en la generación de calor interviene la intensidad de

corriente i, el tiempo de duración t de la aplicación de la corriente y la resistencia eléctrica

R, por lo tanto entre más delgada sea la barra de acero, mayor será la disipación de

energía, debido a que la resistencia eléctrica para una longitud fija aumenta con la

disminución del la sección transversal del conductor.

En el caso del concreto reforzado es necesario tener en cuenta los sitios donde se realiza

el empalme entre varillas de acero, ya que allí se encuentra una zona de resistencia

eléctrica mayor, la cual genera una mayor disipación de energía en forma de calor, que

en cualquier otro lugar del refuerzo de acero.

La ecuación de cantidad de calor, indica que si se aplica una cantidad de calor Q a un

material, se produce un cambio en la temperatura, entonces

TcmQ ∆= **

∫=∆ )*/()*( 2 cmdtiRT = cDA

dti

**

*2

2∫ρ

Donde:

Q = E

Q: Cantidad de Calor (Julios [J])

m: Masa del material (kg)

c : Calor específico del material (J/kg.ºC)

T∆ : Variación de temperatura.

AlR *ρ

=

ρ = resistividad eléctrica del material (Ω-m)

l = longitud del material (m)

A = área de sección transversal del material. (m2)

VDm *=

D = densidad del material (kg/m3)

V = Volumen del material (m3)

7

De donde se puede concluir que el incremento de la temperatura, en la varilla de acero,

no depende de su longitud, y que a mayor área de sección transversal, menor será la

variación (delta) de temperatura.

Cabe precisar que por efecto pelicular, el área efectiva de circulación de corriente se

reduce, como consecuencia la resistencia eléctrica R y la temperatura T aumenta al

conducir corriente alterna.

2.2 CONCRETO

El hormigón o concreto está constituido básicamente por un ligante y un material de

relleno. El material ligante es el cemento, el material de relleno lo constituye la arena y la

piedra, agregados fino y agregado grueso. El tamaño máximo del agregado grueso,

depende principalmente de las dimensiones de la estructura que se va a fundir y de la

separación en las varillas que constituyen su armadura en el caso del concreto reforzado.

Pasta, mortero y hormigón: Para que el material ligante pueda desarrollar sus propiedades, es necesario agregarle

agua. La mezcla de agua y cemento Pórtland toma el nombre de PASTA, al agregarle

arena, toma el nombre de MORTERO, el cual es usado para pegar ladrillos, en la

construcción de muros y para recubrirlos pañete. El mortero combinado con la piedra

(agregado grueso) da lugar al CONCRETO.

2.2.1 COMPONENTES DEL CONCRETO

Pasta: Sirve de lubricante a las partículas que constituyen el agregado, facilitando el

deslizamiento de unas sobre otras.

En estado sólido obtura los espacios comprendidos entre partícula y partícula, dándole al

conjunto su condición de material impermeable. En unión del agregado suministra la

resistencia mecánica, lo cual la convierte en un material apto para fines estructurales.

8

La calidad de la pasta depende de la calidad del cemento y del contenido de agua. El

contenido de agua hace que la pasta tenga fluidez y determina la resistencia del cemento

endurecido.

Agregado: Se da el nombre de agregado al conjunto de partículas inertes, naturales o artificiales, que

mezcladas con cemento, dan lugar a morteros o concreto. Actúa como material de

relleno, haciendo que el costo de la mezcla disminuya. En combinación con la pasta

fraguada, proporciona la resistencia mecánica característica. Controla los cambios

volumétricos que normalmente tienen lugar durante el fraguado del cemento, los cuales

se producen por las variaciones en el contenido de humedad del concreto.

La calidad del agregado esta determinada por el origen de la arena (agregado fino) o la

piedra (agregado grueso), por su peso unitario, forma y granulometría. En cuanto a la

forma se puede dividir el agregado grueso en material angular y en material liso o

redondeado. Arbitrariamente se ha fijado un diámetro aproximado de 5 mm como límite

entre el agregado fino y el agregado grueso.

Características Químicas: Debe ser inerte, lo cual implica que no debe tener actividad química al mezclarlo

con el cemento o el agua.

Características Físicas: Los agregados para concreto pueden ser naturales o artificiales. La calidad de los

agregados naturales depende de la roca de la cual provienen; dentro de los

agregados artificiales se destacan las escorias de alto horno, las cuales dan lugar

a concreto de buena clase y peso unitario menor que el fabricado con agregados

naturales, puesto que son más livianos; sin embargo las normas recomiendan no

usar escorias cuyo peso unitario sea inferior a 1.100 kg/m3.[4]

Agua: El agua permite que el cemento fragüe y además proporciona a la mezcla la fluidez

necesaria para poderla colocar en las formaletas.

9

Parte del agua que se agrega a la mezcla, se combina con el cemento y parte queda libre.

Esto hace que en una mezcla con mucha agua, la cantidad de agua libre sea grande y por

consiguiente al endurecer el hormigón, queda una estructura porosa en la pasta, lo cual

trae como consecuencia una muy baja resistencia a la compresión.

La relación entre el peso del agua y el peso del cemento se denomina relación agua-

cemento, y de ella depende en buena parte la resistencia del concreto.

Aditivos: Se llama aditivo a cualquier sustancia que se agregue al hormigón para cambiarle o

mejorarle una o varias de sus características.

Los diversos tipos de aditivos se pueden clasificar en los siguientes grupos:

• Plastificantes

• Acelerantes

• Retardadores

• Productos que producen expansión

• Repelentes al agua

Aditivos Plastificantes: Dentro de los plastificantes pueden diferenciarse varios productos que le

proporcionan al hormigón mejores condiciones de manejabilidad, resistencia a

agentes externos, físicos o químicos, impermeabilidad, etc.

Esta subdivisión se puede hacer en la siguiente forma:

• Dispersores

• Mojantes

• Incluidores de aire

• Otros

Cemento Pórtland:

Producto obtenido de pulverizar el “clinker”, el cual resulta de la calcinación hasta una

fusión incipiente de una mezcla debidamente dosificada de materiales calcáreos y

arcillosos con adición de yeso.

10

♦ Componentes: Los componentes fundamentales del cemento Pórtland son los siguientes:

Silicato tricálcico Ca3Si 48%

Silicato bicálcico Ca2Si 27%

Aluminato tricálcico AlCa3 12%

Ferroaluminato de calcio AlFeCa4 8%

Cal (CaO) Magnesia (MgO) y álcalis 5%

El yeso se adiciona al cemento Pórtland para evitar que este fragüe rápidamente.

2.2.2 LA RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DEL CONCRETO

La resistividad eléctrica del concreto tiene una alta dependencia del contenido de

humedad [5], y se incrementa con la edad y decrece con el incremento de la salinidad del

agua contenida en la mezcla. [6]

Debido a que el concreto es un material heterogéneo, con un gradiente de humedad

desde el centro hacia la superficie expuesta al medio ambiente circundante, sus

propiedades eléctricas no son constantes.

En la tabla1 se presenta la resistividad típica de algunos materiales utilizados como

agregado en la mezcla de concreto.

MATERIAL RESISTIVIDAD ELÉCTRICA (Ω-m)

Granito 5*103 - 1*106

Mármol 2.9*103

Gabbro 1*105 - 1.4*107

Piedra Caliza 3*102 - 1.5*103

Piedra Arenisca 1.8*102 - 4*103

Tabla 1 Resistividad eléctrica de algunos materiales.

11

Algunas pruebas experimentales realizadas por H.W. Whittington, McCarter J., Forde

M.C.,[7] muestran la resistividad de la pasta de cemento y del concreto en función del

tiempo de fraguado, para diferentes relaciones agua/cemento. Figuras 2 y 3

RESISTIVIDAD DE LA PASTA DE CEMENTO EN UN PERíODO DE 128 DíAS

02468

101214

5 15 30 50 70 90 110

130

TIEMPO (Días)

RES

ISTI

VID

AD

(ohm

-m) Relación

Agua/Cemento

0.40.50.60.8

Figura 2 Resistividad de la pasta de cemento en un período de 128 días. [7]

RESISTIVIDAD DEL CONCRETO 1:2:4, PARA UN PERíODO DE 128 DíAS

01020

304050

5 15 30 50 70 90 110

130

TIEMPO (Días)

RES

ISTI

VID

AD

(ohm

-m) Relación

Agua/Cemento

0.60.70.8

Figura 3 Resistividad del concreto 1:2:4 para un periodo de 128 días. [7]

12

Al hacer un análisis de estos resultados, se puede concluir que:

• La resistividad eléctrica tanto en la pasta como en el concreto, disminuye conforme

aumenta la relación agua/cemento.

• La resistividad eléctrica de la pasta de cemento es de tres a cuatro veces más

pequeña que la del concreto; por lo tanto al reducir la cantidad de pasta de cemento

disponible en la mezcla de concreto, puede incrementarse la resistividad eléctrica.

• La resistividad eléctrica tanto en la pasta de cemento como en el concreto, incrementa

rápidamente durante los primeros 20 días de fraguado, para luego tornarse casi

constante.

• Se puede considerar la resistividad del agregado como infinita frente a la resistividad

de la pasta, por lo tanto, la resistividad del concreto está determinada básicamente por

la pasta de cemento.

2.2.3 MECANISMO DE CONDUCCIÓN ELÉCTRICA EN EL CONCRETO

Según Nikkanen, [8] la conducción de corriente por el concreto húmedo es esencialmente

electrolítica. Hammond y Robson[5], soportan la visión de que la conducción es por medio

de iones en el agua evaporable presente en la pasta de cemento.

El volumen de agua evaporable en una pasta típica para concreto, varía desde un 60%

del volumen en el momento de mezclado, a un 40% cuando el concreto es

completamente hidratado. Esta agua contiene iones como Na-, K-, Ca--, SO-- y OH-, cuya

concentración varía con el tiempo, la concentración de algunos iones se incrementa,

mientras la de otros disminuye.

Whittington, McCarter J. y M.C. Forden,[7] concluyen que tomando la pasta como un todo

se controla la resistividad del concreto, es razonable afirmar que si se afecta la

conductividad eléctrica de la pasta se afecta la conductividad del concreto.

13

2.2.4 TRAYECTORIAS DE CONDUCCIÓN A TRAVÉS DEL CONCRETO

El concreto está compuesto por agregado de diferentes tamaños, los cuales están unidos

por pasta de cemento Pórtland, por lo tanto la conducción de corriente eléctrica puede ser

a través de tres posibles trayectorias, como se observa en la figura 4.

1. A través de la pasta.

2. A través del agregado y la pasta en serie.

3. A través de partículas de agregado en contacto unas con otras.

Figura 4 Modelo de conducción para el concreto por Hammond E. Robson, T.D.[5]

Figura 5 Modelo de conducción eléctrica en AC propuesto por Hammond y Robson [5]

14

En corriente alterna el bloque de concreto es considerado como una malla de resistencias

y capacitancias, donde cada trayectoria puede ser representada por un circuito paralelo

de resistencia y capacitancia, de ahí que Hammond. E. Y Robson. T.D [5]. propongan el

modelo presentado en la Figura 5.

Monfore [9], indica que la reactancia capacitiva para el concreto a frecuencias de

100,1000, 10000 Hz, es mucho mayor que su resistencia, por lo cual la impedancia total

está determinada básicamente por su resistencia eléctrica.

Frecuencia (Hz) Resistencia (Ohms)100 571

1000 561

10000 551

Tabla 2 Resistencia eléctrica en cubos de concreto de 1in. Monfore. [9]

2.3 CONCRETO REFORZADO

El concreto reforzado [10], se fabrica de dos materiales, concreto y acero, el concreto es

un material capaz de resistir grandes cargas cuando está sometido a compresión pero su

resistencia a la tensión o alargamiento es muy poca, y por lo tanto se debe reforzar con

acero, que es un material fuerte tanto a la tensión como a la compresión.

Adherencia La adherencia es una propiedad inherente al concreto y al acero de quedar íntimamente

unidos en el proceso de fraguado [11]. Si en un bloque de concreto se introduce una

barra metálica, una vez que haya fraguado será necesario un esfuerzo de tracción o

compresión para poder desplazar dicha barra.

15

La fuerza P, necesaria para separar el bloque de concreto adherido a la superficie de

contacto S, entre la barra y el concreto, da lugar a una tensión unitaria τ, que se designa

con el nombre de esfuerzo a la adherencia o resistencia al deslizamiento.

Valor probable de τ

Figura 6 Comportamiento del esfuerzo de adherencia

16

3. DISEÑO DE LOS EXPERIMENTOS

Diseño de experimentos de tipo eléctrico, térmico y mecánico a implementar sobre el

concreto y el concreto reforzado.

3.1 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

El estudio, busca identificar los efectos mecánicos producidos en el conjunto concreto

reforzado, debido a la circulación de corriente tipo rayo a través del refuerzo de acero,

como también evaluar el efecto mecánico en el concreto debido a la circulación de

impulsos de corriente tipo rayo a través de él.

Utilizar las varillas típicas de refuerzo de concreto como bajante de corriente tipo rayo,

requiere conocer el efecto térmico y la resistividad eléctrica de la varilla de refuerzo, y la

resistencia del empalme de varillas de acero inicialmente en D.C, para finalmente hacer

la corrección por efecto pelicular.

El proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos o

entre diferentes partes del mismo, que entre sólidos, se realiza estrictamente por

conducción[12] es de fundamental importancia para evaluar el comportamiento del

concreto reforzado (concreto – varilla de refuerzo) ante el requerimiento energético de un

rayo. Con un experimento donde se mida la temperatura en una varilla de acero utilizada

como refuerzo, antes y después de aplicar el equivalente energético de un rayo, utilizando

una onda de frecuencia industrial de duración inferior a un segundo se puede determinar

la variación de temperatura en el refuerzo de concreto, causada por este fenómeno.

17

Se debe tener en cuenta el nivel de humedad presente en el concreto, debido a que en

las construcciones donde las columnas puedan actuar como bajante, es factible tener

diferentes concentraciones de humedad, debido a la exposición de las mismas, que

puede ser directamente al ambiente o cubiertas de mampostería.

Desarrollar el estudio del concreto reforzado ante impulsos de corriente tipo rayo, que

correspondan a las características de descargas atmosféricas requiere elementos

manipulables, factibles de evaluar mecánica y eléctricamente. La normatividad de la

ingeniería civil, utiliza muestras de concreto cilíndricas, llamadas probetas, de tamaño y

forma de construcción especificados en la Norma NTC550 Elaboración y curado de

especímenes de concreto en obra[13], y evaluando sus características mecánicas a

través de ensayos especificados en la NTC673 Ensayo de resistencia a la compresión de

cilindros de concreto[14].

Los elementos de ensayo mencionados, llamados probetas, de forma cilíndrica de 30cm

de alto y 15cm de diámetro, son elementos de prueba que proporcionan el marco de

referencia mecánico para el estudio del concreto reforzado ante impulsos de corriente tipo

rayo y permiten manipular el nivel de humedad.

El nivel de humedad en una probeta de concreto reforzado se puede inducir,

manteniéndola en condiciones ambientales bajo techo (Probeta Seca), o sumergiéndola

en agua por un período de tiempo suficiente para que logre saturación de humedad por

absorción (Probeta Húmeda).

La circulación de corriente tipo rayo a través del refuerzo del concreto y del concreto

mismo, si fuera el caso, puede generar deterioro mecánico que debe ser evaluado

teniendo en cuenta el nivel de humedad presente en el objeto de prueba. Para identificar

el posible daño mecánico es necesario exponer probetas de concreto reforzado con

diferente nivel de humedad, a la circulación de este tipo de corriente a través del refuerzo

típicamente utilizado en construcción, en una situación eléctricamente crítica, que

corresponde al menor diámetro de varilla de acero utilizada como refuerzo de concreto y

el sitio donde se realiza el amarre entre varillas, condición que permita comparar las

características mecánicas de las probetas no sometidas a esfuerzo eléctrico alguno, con

18

las características mecánicas de probetas de concreto reforzado sometidas a esfuerzo

eléctrico, características mecánicas que se obtienen de ensayos normalizados antes

mencionados.

El refuerzo embebido en el concreto de una edificación, no permite cajas de inspección o

mecanismo inmediato de verificación de continuidad eléctrica, por lo tanto evaluar el

comportamiento mecánico del concreto reforzado en el cuál existe discontinuidad eléctrica

o gap resulta fundamental en el estudio del comportamiento mecánico del concreto

reforzado ante impulso tipo rayo. Utilizar nuevamente elementos de fácil manipulación

como probetas cilíndricas de concreto reforzado, con diferente nivel de humedad, sin

permitir la continuidad entre la varilla de refuerzo que sirve de entrada a la corriente y la

que sirve de salida, obligando a la corriente a circular a través del concreto permitirá

evaluar el efecto mecánico de este acontecimiento y su relación con la humedad del

concreto.

Debido a que es posible que un rayo impacte directamente sobre el concreto, es

necesario además, conocer el comportamiento del concreto ante impulsos de tensión y de

corriente, lo cual hace necesario la construcción de probetas con dimensiones que

“obliguen” a la corriente a circular a través del concreto, como placas cuadradas en las

cuales utilizando electrodos en punta se conocen los puntos de entrada y salida de la

corriente, que permitan determinar la distancia recorrida y sus consecuencias.

Como una estructura de concreto puede estar expuesta a diferentes niveles de humedad

dependiendo las condiciones climáticas a la cual esté enfrentada, se induce el nivel de

humedad, manteniendo la placa bajo techo (Placa seca) o sumergiéndola en agua por un

período de tiempo suficiente para que logre saturación de humedad por absorción (Placa

Húmeda).

19

TABLAS DE RESUMEN TIPO Y CANTIDAD DE ELEMENTOS DE PRUEBA A UTILIZAR

Experimento o Ensayo


Nivel de Humedad Secas HúmedasNivel de

Humedad Secas HúmedasProbetas de

Control Mecánico 5 5Pruebas

Eléctricas 1 1Impulso de Alta Corriente 60kA 5 5

Control de Humedad 1 1

Impulso de Baja Corriente 30kA 5 5Resistencia en

D.C. 3 3Experimento

o EnsayoControl de Húmedad 2 2 Resistividad Secas Húmedas

Alta Energía 3 3Dilatación

Lineal 1 1

PROBETAS CILINDRICAS DE CONCRETO REFORZADO CON

REFUERZO CONTINUOPLACAS DE CONCRETO

VARILLA PARA REFUERZO


Nivel de Humedad Secas Húmedas Secas Húmedas

Impulso de Corriente 5 5 1 1

PROBETAS CILINDRICAS DE CONCRETO REFORZADO CON

REFUERZO NO CONTINUO O GAP

PROBETAS CILINDRICAS DE CONCRETO REFORZADO CON EQUIPOTENCIAL EN COBRE

3.2 CONSTRUCCIÓN DE OBJETOS DE PRUEBA

La mezcla de concreto utilizada en la construcción de los objetos de prueba, probetas

cilíndricas y placas, esta constituida por los elementos enunciados en la tabla 3. COMPONENTE CANTIDAD PORCENTAJE

Cem ento tipo 3 o concretero 250 kg 10.96%

Arena 870 kg 38.14%

Grava 1in 990 kg 43.40%

Agua 170 lt 7.45%

Aditivo plastificante 0.45% del peso del cemento 0.05%

Mínim a resistencia a la compresión 210 kg/cm 2

Relación agua/cemento 0.68

Asentam iento 3in

Tabla 3 Componentes de la mezcla utilizada en la fabricación de probetas por m3.

20

3.2.1 CONSTRUCCIÓN DE PROBETAS CILÍNDRICAS DE CONCRETO REFORZADO

La elaboración y curado de las probetas de concreto se realizó siguiendo la norma NTC

550 [13], para cilindros de concreto fundidos y fraguados en posición vertical, se utilizó un

molde de diámetro interior de 150mm y altura 300mm, garantizando que el diámetro del

cilindro fuese de al menos tres (3) veces el tamaño máximo nominal del agregado grueso

en el concreto.

La fundición de la probeta se realiza por etapas, de tal forma que se alcance 100 mm, de

altura en cada paso, apisonando cada capa con el extremo redondeado de una varilla,

permitiendo la distribución uniforme sobre la sección transversal del molde y golpeando

de 10 a 15 veces con un martillo de goma el molde (vibración) para llenar los orificios que

pudiesen quedar y sacar las burbujas de aire atrapadas, repitiendo este proceso hasta

llenar la probeta, y finalmente con el palustre, enrasar la superficie y bordes,

garantizando con ello, que no se tengan depresiones ni proyecciones mayores a 3 mm.

Fig. 7 (a) Probeta en curado inicial.

Figura 7 (a) Probeta en curado inicial Figura 7 (b) Probeta final.

21

3.2.1.1 REFUERZO CONTINUO O TRASLAPADO

Se introduce el refuerzo del concreto, empalme de barra corrugada de acero de baja

aleación y termotratado 9M. El refuerzo utilizado en las probetas, tiene la siguientes

características: Sección 1 = 280mm; Sección 2 = 230mm; Empalme = 150mm

Sección 1

Empalme

Sección 2

Figura 8 Detalle del refuerzo continuo o traslapado de las probetas de concreto.

3.2.1.2 REFUERZO NO CONTINUO

Se introduce el refuerzo del concreto, sin empalme de barra corrugada de acero de baja

aleación y termotratado 9M. El refuerzo utilizado en las probetas, tiene la siguientes

características: Sección 1 = 280mm; Sección 2 = 230mm, Separación o Gap = 20mm.

Sección 1

Gap

Sección 2

Figura 9 Detalle del refuerzo no continuo de las probetas de concreto.

22

Se procede al curado inicial, que consiste en asegurar un ambiente húmedo y una

temperatura entre 16ºC y 27ºC, protegiendo de la luz solar directa, o fuentes de

calefacción, etapa que dura 24 a 48h, al cabo de las cuales se retira del molde .

Treinta (30) minutos después de sacar del molde se inicia el curado final caracterizado

por un ambiente húmedo con agua libre (humedad relativa>95%) y temperatura

controladas 23ºC ± 2ºC, lugar en el que se almacenarán hasta completar 28 días, periodo

que garantiza su disposición para prueba de compresión. Fig. 7 (b) Probeta final.

Figura 10 Detalle de la elaboración de las probetas de concreto reforzado.

3.2.2 CONSTRUCCIÓN DE PLACAS DE CONCRETO

Para la fabricación de las placas utilizadas en las pruebas experimentales, se utilizó la

misma mezcla utilizada en la fabricación de los cilindros, la cual fue depositada de manera

uniforme en unas formaletas cuadradas de madera, de 80cm ancho por 80cm de largo y

4cm de altura.

Figura 11 Detalle de la fabricación de placas de concreto.

23

3.3 PRUEBAS EXPERIMENTALES

3.3.1 RESISTIVIDAD ELÉCTRICA DE LA BARRA CORRUGADA PDR-60 PARA REFUERZO DE CONCRETO Y RESISTENCIA DEL REFUERZO EN D.C.

La medida de resistencia de la varilla por el método de tensión corriente permite calcular

la resistividad y genera el punto de partida para definir el modelo eléctrico del refuerzo del

concreto a alta frecuencia y la medida de resistencia del empalme permite realizar la

caracterización eléctrica de las probetas de concreto reforzado, con refuerzo continuo.

Se toman cinco datos de tensión y corriente en polaridad positiva y cinco en polaridad

negativa, la resistencia se obtiene del promedio de los diez datos. La resistividad ρ

medida en Ω*m, se calcula por medio de los parámetros geométricos de la varilla.

lAR=ρ

donde: R es la resistencia promedio medida por el método voltaje corriente dada en Ω, A

es el área transversal de la varilla medida en m2, y l la longitud en metros entre los puntos

de medición de tensión.

115 V V

A

2.5 m

Figura 12 Circuito para medición de resistencia en DC.

24

3.3.2 CALCULO DE PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN EN EL ACERO DE REFUERZO

Se busca determinar el área efectiva a través de la cual fluye corriente en la barra o varilla

de refuerzo del concreto a una frecuencia de 20kHz.

µσδ

**2w

= ; ρ

σ 1=

Donde δ es la profundidad de penetración medida en metros, σ es la conductividad de la

varilla de acero, medida en S/m, ρ en la resistividad calculada a partir del método tensión

corriente en D.C., medida en Ω*m, w es la frecuencia angular en rad/s y µ es la

permeabilidad de la varilla de acero medida en H/m.

3.3.3 COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL DE LA VARILLA DE REFUERZO

Permite identificar la dilatación lineal que sufre el refuerzo utilizado en el concreto, se

obtiene mediante medidas de dilatación lineal de una muestra de varilla corrugada 9M.

Tl

l ∆∆

= *1α

DONDE L EN LA LONGITUD INICIAL DE LA VARILLA, MEDIDA EN METROS, ∆L ES LA

ELONGACIÓN DE LA VARILLA EN µM AL INCREMENTO DE TEMPERATURA ∆T (EN ºC)

3.3.4 NIVEL DE HUMEDAD DE LOS ELEMENTOS DE PRUEBA

Se busca evaluar el nivel de humedad inducido en los elementos de prueba, como son:

1. Probetas cilíndricas de concreto reforzado con refuerzo continuo.

2. Probetas cilíndricas con gap

25

3. Probetas cilíndricas con equipotenciales de cobre entre la varilla de refuerzo y bajante

en cobre

4. Placas cuadradas de concreto.

El nivel de humedad se manipula en los elementos de prueba, de la siguiente forma:

Las probetas cilíndricas o placas que reciben el nombre de secas, corresponden a

elementos que se mantienen expuestas a condiciones ambientales, espacio ventilado

bajo techo.

Las probetas cilíndricas o placas que reciben el nombre de húmedas, corresponden a

elementos que se mantienen sumergidas en agua por 15 días mínimo, hasta el momento

de la prueba eléctrica o mecánica, logrando el máximo nivel de humedad alcanzado por

absorción.

La medida del nivel de humedad presente en los elementos de prueba se realiza

atendiendo las recomendaciones de la norma NTC-1776[15]

Para la realización del ensayo, en el caso de probetas cilíndricas, se pesan en una

balanza con precisión de 1 gramo, se llevan a un horno donde se mantiene una

temperatura de 107±5 ºC por lo menos 24 horas, para luego ser nuevamente pesadas en

la misma balanza.

Con estos dos resultados de peso se utiliza la siguiente relación para obtener el nivel de

humedad de la probeta cilíndrica:

( )f

fi PPPHR 100*−=

HR = Contenido de humedad en %

Pi = Peso inicial Pf = Peso final.

En el caso de las placas cuadradas de 80cm*80cm y 4.5cm de alto, se utiliza un pedazo

de la masa total de la placa, y siguiendo el procedimiento utilizado con las probetas

cilíndricas se calcula el nivel de humedad de la fracción de placa y por extensión la

humedad de la totalidad de la placa.

26

Los elementos de prueba que se utilizan para evaluar el nivel de humedad, no se utilizan

para pruebas eléctricas o mecánicas y se generaliza el resultado referente al nivel de

humedad a los elementos de prueba eléctrica de las mismas características.

3.3.5 IMPULSO DE CORRIENTE SOBRE LAS PROBETAS CILINDRICAS DE CONCRETO REFORZADO

Busca someter a la probetas cilíndrica de concreto reforzado a la circulación de corriente

de amplitud y de duración tipo rayo, a través del refuerzo, que posteriormente permitirá

evaluar las consecuencias mecánicas sobre el conjunto concreto reforzado.

Los elementos de prueba a utilizar son:

1. Probetas cilíndricas de concreto reforzado con refuerzo continuo secas y húmedas

2. Probetas cilíndricas con gap continuo secas y húmedas

3. Probetas cilíndricas con equipotenciales de cobre entre la varilla de refuerzo y

bajante en cobre continuo secas y húmedas .

En la Norma IEC 1024-1-1[16], se identifican probabilidades acumulas de 50% y de 95%

de corriente pico de descargas eléctricas atmosféricas de polaridad negativa,

probabilidades que corresponden a corrientes pico de 30kA y 90 kA. Este último no se

pueden obtener con el equipo de pruebas industriales del Laboratorio de Alta Tensión de

la Universidad, debido a que la máxima magnitud de impulso de corriente que se puede

alcanzar es de 60kA, que corresponde a una descarga eléctrica atmosférica de 85% de

probabilidad acumulada.

Se utilizan amplitudes de corriente pico de 30kA y 60kA basado en las probabilidades

acumuladas enunciadas en la Norma IEC 1024-1-1[16] y a las limitaciones del generador

de impulsos de corriente GIC. Los parámetros eléctricos de descargas eléctricas

atmosféricas con amplitudes mencionadas anteriormente se describen en la siguientes

tablas:

27

VARIABLE I (kA) WR (kJ/ohm) Q (C) Duración (us)

1er Stroke polaridad negativa 30 55 4.5 751er Stroke polaridad positiva 80 520 15DEAT polaridad negativa 7.5 180DEAT polaridad positiva 650 80 200

PROBABILIDAD ACUMULADA DEL 50%

Tabla 4 Parámetros DEAT’s de magnitud pico 30kA [16]


1er Stroke polaridad negativa 60 220 10 1501er Stroke polaridad positiva 200 4100 65DEAT polaridad negativa 20 800DEAT polaridad positiva 10000 200 1400




1er Stroke polaridad negativa 90 550 24 2001er Stroke polaridad positiva 320 10000 200DEAT polaridad negativa 40 1100DEAT polaridad positiva 15000 350 2000



CIRCUITO DE PRUEBA El circuito de prueba utilizado en los ensayos se presenta en la Figura 13. El generador de

impulsos de corriente está diseñado para obtener ondas exponenciales 4/10us – 8/20us y

ondas de larga duración 1000 - 2000us. Es propiedad del Laboratorio Industrial de Alta

Tensión de la Universidad Nacional.

28

El sistema de medida de tensión consta de un divisor capacitivo amortiguado, cuya etapa

de alta tensión esta compuesta por una capacidad de 200pF y una resistencia de 317Ω y

tiene una relación de transformación 40.6. La tensión medida corresponde la caída de

tensión en la varilla y la tensión inducida en el lazo formado por el refuerzo de la probeta

de concreto y los conductores que conectan al divisor de tensión.

El sistema de medición de corriente consta de una resistencia shunt de 1mΩ y un

osciloscopio digital de tipo DIAS2. Las especificaciones del generador de impulsos y el

sistema de medida se muestra en el Anexo A

Figura 13 Circuito del generador de Impulsos de Corriente. Rop: Objeto de Prueba

3.3.6 ALTA ENERGIA A FRECUENCIA INDUSTRIAL SOBRE LAS PROBETAS CILINDRICAS DE CONCRETO REFORZADO

Esta prueba busca evaluar la capacidad del conjunto concreto reforzado, para soportar la

energía asociada a un rayo, suponiendo la situación critica en que una sola varilla de

refuerzo de concreto actuando como bajante.

29

Los elementos de prueba son:

Probetas cilíndricas de concreto reforzado con refuerzo continuo secas y

húmedas.

El generador de impulsos de corriente proporciona energía del orden de 104 J/Ω, que no

esta lo suficientemente cerca de la energía de un rayo (10 7 J/Ω), por lo tanto es necesario

someter al refuerzo de la probetas de concreto reforzado a el esfuerzo eléctrico asociado

a la circulación de una corriente de1000Arms, 60Htz, en un tiempo de 1 segundo, tiempo

que permite alcanzar este nivel de energía.

Ver ANEXO B: Memoria de Cálculos

CIRCUITO DE PRUEBA El circuito de prueba utilizado en los ensayos se presenta en la Figura 14. Con el equipo

de pruebas termoeléctricas de propiedad del la Universidad Nacional. se generan señales

a frecuencia industrial de alta corriente (hasta 1500 Arms).

Figura 14 Circuito equipo de prueba termoeléctricas Rop: Objeto de prueba

2 DIAS:Digital Impulse Analisys System.

30

3.3.7 IMPULSOS DE TENSIÓN APLICADOS DIRECTAMENTE AL CONCRETO

Los métodos estadísticos normalizados para determinar tensiones disruptivas como el

presentado en la norma IEC 243-3 Methods of Test for Electrical Strengt of Solid

insulating material [17], no es aplicable al concreto, debido a que este no es un material

aislante sino un material resistivo, según los datos de impedancia presentados en la Tabla

2 los cuales fueron obtenidos por Monfore[9] en sus diferentes estudios.

Se utiliza entonces una prueba eléctrica no normalizada pero apropiada para este

material, que consiste en aplicar impulsos de tensión, incrementando la magnitud pico con

pasos de 2kV en la tensión de carga, hasta llegar a la tensión pico en la placa a la cual

ocurre disrupción. A tensión disruptiva se aplican impulsos sucesivos para evaluar la

posible degradación3 del concreto.

La evaluación de la posible degradación de la placa de concreto se enriquece, aplicando

impulsos de tensión a partir de la tensión de disrupción, disminuyendo progresivamente la

tensión de alimentación.

Elementos de prueba:

Placas cuadradas de concreto secas y húmedas, en las que se identifican puntos

posibles a utilizar sobre la superficie

La construcción de placas de 80cm*80cm*4.5cm aproximadamente, busca generar

elementos de prueban que no permitan que el impulso de tensión utilice como medio

conductor el aire, y con la utilización de electrodos punta - punta, se consigue determinar

tanto los puntos de entrada y salida de la corriente así como el camino a seguir de esta

misma.

3 Se denomina degradación a la disminución de la resistencia del concreto, manifestándose con el

aumento de la corriente que circula a través del concreto, al mantener fija la magnitud de la tensión

pico de los impulsos de prueba.

31

CIRCUITO DE PRUEBA El circuito de prueba utilizado en los ensayos se presenta en la Figura 15. El generador de

impulsos de tensión está diseñado para obtener ondas exponenciales 1.2/50us con

amplitud máxima de 1000 kV.

El generador de impulsos de tensión tiene una configuración tipo multiplicador de Marx de

10 etapas, es de propiedad del Laboratorio de Alta Tensión de la Universidad Nacional.

El sistema de Medida de tensión consta de un divisor capacitivo amortiguado con una

capacidad de alta tensión de 670 pf y relación de transformación 724.6, el sistema de

medida de corriente posee una resistencia shunt de 498.8mΩ y un osciloscopio digital

tipo DIAS. Las especificaciones del generador de impulsos de tensión y el sistema de

medida se muestran en el Anexo A.

Figura 15 Circuito del generador de impulsos de tensión.

Los electrodos utilizados para los ensayos tienen las siguientes características:

• Configuración : Punta – Punta.

• Puntas en aluminio con ángulo de cono de 60º, longitud de la punta 50 mm, y diámetro

de la punta10mm.

32

Figura 16 Puntas de Aluminio utilizadas al aplicar impulsos de tensión y de corriente en

las placas de concreto.

3.3.8 IMPULSOS DE CORRIENTE APLICADOS A DIFERENTES PUNTOS DE LAS PLACAS DE CONCRETO

Para evaluar el deterioro de las propiedades eléctricas del concreto e identificar las

posibles fallas mecánicas ante grandes corrientes tipo rayo, se aplican impulsos de

corriente en puntos de las placas de concreto sometidos y no sometidos previamente a

impulsos de tensión.

Elementos de prueba:

Placas cuadradas de concreto secas y húmedas, en las que se identifican los puntos

sometidos y no sometidos a impulsos de tensión previos.

3.3.9 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE LOS CILINDROS DE CONCRETO.

La prueba mecánica que se utiliza para evaluar el posible daño mecánico como

consecuencia de esfuerzos eléctricos es la de resistencia a la compresión, descrita en la

Norma NTC 673 [14] Ensayo de resistencia a la compresión de cilindros de concreto.

33

La prueba de resistencia a compresión es apropiada para probetas cilíndricas y adaptable

a las probetas de concreto reforzado utilizadas en las pruebas eléctricas, por lo tanto

proporciona el marco de referencia para evaluar el posible deterioro de las probetas al ser

sometida a esfuerzo eléctrico, teniendo en cuenta que la resistencia a la compresión es la

principal característica mecánica del concreto.

No fue posible la realización de los ensayos de flexión descritos en la norma NTC2871,

debido a que estos están diseñados para vigas rectangulares, y pretender realizar una

prueba de adherencia a las probetas cilíndricas de concreto reforzado, no era posible,

puesto que no se disponía del equipo apropiado en el laboratorio de materiales de la

Universidad. Por esta razón, se decide hacer el ensayo presentado en la norma NTC673,

Ensayo de resistencia a la compresión de cilindros de concreto, teniendo en cuenta que la

resistencia a la compresión4 es la principal característica mecánica del concreto y que las

probetas construidas tenían forma cilíndrica.

Los elementos de prueba son:

Probetas cilíndricas de concreto reforzado sometidas y no sometidas a esfuerzo

eléctrico.

Los resultados de las pruebas mecánicas a probetas no sometidas a esfuerzo eléctrico,

finalmente se comparan con los resultados de las pruebas mecánicas a probetas

sometidas a impulsos de corriente tipo rayo.

EQUIPO PARA PRUEBA MECÁNICA

Maquina Eléctrica de Carga Continua no intermitente y sin impacto, Exactitud ±1.0% de la

carga, consistente en dos bloques de apoyo en acero con caras endurecidas, una de las

cuales es un bloque con rótula que se apoya sobre la superficie superior del espécimen y

el otro es un bloque sólido en el cual descansa el espécimen.

4 En las construcciones, las columnas de concreto soportan el peso ejercido por los niveles

estructurales, manteniéndolas en constante esfuerzo a compresión.

34

Las dimensiones de las caras de apoyo son por lo menos un 3% mayores que el

diámetro del espécimen a ensayar y se centran adecuadamente, entre 152mm a 254 mm

máximo. La máquina tipo Tornillo tiene una velocidad de 1.3 mm/min. en vació, y ejerce

una carga de 0,14 Mpa/s a 0,34 Mpa/s equivalente a 0,14 N/m2-s a 0,34 N/m2-s.

Figura 17 Maquina utilizada en la prueba de Resistencia Compresión

35

4. DESARROLLO DE LOS ENSAYOS O EXPERIMENTOS

Se describirá la realización de los ensayos o experimentos, sus resultados y su análisis.

4.1 ENSAYOS AL REFUERZO

4.1.1 MEDICIÓN DE LA RESISTIVIDAD DE LA BARRA DE ACERO CORRUGADO PARA REFUERZO DE CONCRETO 9M.

Medir la resistividad de la varilla o barra de acero corrugado para refuerzo de concreto,

proporciona el punto de partida para calcular la resistencia que presenta el empalme de

varillas ante un impulso de corriente tipo rayo.

Polaridad Positiva Polaridad Negativa

V d.c. (mV)

I (A) d.c

R (mOhms)

V d.c. (mV)

I (A) d.c

R (mOhms)

238.0 28.0 8.50 237.3 28.1 8.44205.2 24.2 8.48 204.6 24.2 8.44167.3 19.8 8.45 167.0 19.8 8.43133.4 15.8 8.44 133.0 15.8 8.4386.9 10.3 8.41 86.7 10.3 8.4548.1 5.71 8.42 48.2 5.69 8.47

R = 8.45m ρ=2.15x10-7Ω*m Radio de la Varilla: R`= 4.5mm

Longitud: L=250m Diámetro: d=9.0mm Área : A=64.0mm

Tabla 7 Resistencia en DC de la varilla de refuerzo del concreto

El valor de resistividad ρ = 2.15x10-7 Ω*m, permitirá calcular la profundidad de penetración

en la varilla para una frecuencia de 20kHz. Ω== mRLR 40

'***2*

δπρ

Ver Anexo B: Memoria de Cálculos

36

4.1.2 MEDICION DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DEL REFUERZO DE LAS PROBETAS

Se mide la resistencia eléctrica el refuerzo de acero de probetas cilíndricas con refuerzo

continuo, lo cual permite caracterizar eléctricamente la probeta, y evaluar cambios en la

resistencia eléctrica, debidos a la aplicación de impulsos tipo rayo en el refuerzo de la

probeta de concreto.

Polaridad V (mV) I (A) R (mOhms) Polaridad V (mV) I (A) R (mOhms)117 46.1 2.5 100 44.9 2.2129 50.8 2.5 112 50.2 2.2-119 -45.8 2.6 -102 -45.2 2.3-131 -50.9 2.6 -114 -50.5 2.3

Probeta 1 Antes de Impulsos de Corriente Probeta 1 Después de Impulsos de Corriente

+

-

+

-

Tabla 8 Resistencia eléctrica del refuerzo del concreto

De los resultado presentados en la Tabla 8, se puede concluir que no hay un cambio

importante en las propiedades eléctricas del refuerzo de acero, después de ser sometido

a impulsos de corriente tipo rayo.

4.1.3 COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL

El procedimiento de medida se describe a continuación:

Se corta una muestra de 164.71mm de la varilla, longitud medida a una temperatura de

18.4ºC, y se procede a calentarla en un horno eléctrico a una temperatura de 75ºC,

durante una hora. A esta temperatura la longitud medida en la varilla fue de 164.85mm,

datos con los cuales se calcula el coeficiente de dilatación lineal. Estas medidas se

tomaron utilizando un micrómetro de propiedad del Laboratorio de Pruebas Industriales de

Ingeniería Eléctrica.

)(º1002.15)º4.1875(

)71.16485.165(*71.1641 16 −−=

−−

= CxCmm

mmα

37

El valor calculado de coeficiente de dilatación lineal de la varilla corrugada PDR-60 para

refuerzo de concreto es aproximadamente 12 veces mayor que el del Cobre (Cu) y de

aproximadamente 7 veces mas que el del aluminio (Al), materiales usados en conductores

normalizados como bajantes de rayo. Ver Tabla 9 Características de diferentes materiales

Material Aluminio Cobre Acero Concreto Refuerzo 9MCoeficiente de dilatación lineal

α 10-6/(ºC)

24 17 11 12 15

Resistividad (Ω m x 10-8) 2.88 1.7 13-14* - 21.5

* Contenido de carbono entre 0.07 – 0.20 % . La resistividad aumenta en 20x10-8 cuando

el contenido de carbono aumenta en 1.0%. [18]

Tabla 9 Características de diferentes materiales 5

4.1.4 INCREMENTO DE TEMPERATURA POR EFECTO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA EN LA BARRA CORRUGADA PDR-60 PARA REFUERZO DE CONCRETO

Utilizando el equipo para pruebas termoeléctricas, se aplicó corriente AC en diferentes

magnitudes y tiempos para obtener diferentes niveles de energía y se midió la

temperatura antes y después de aplicar la respectiva corriente.

Para medir la temperatura se utilizó un termómetro infrarrojo, el cual tiene un tiempo de

respuesta de 1seg.

I(Arms) 60 Hz

t(s) Ws(kJ/Ohm) T Experimental(ºC)

T teórico (ºC)

Varilla 1 976 3 2857.7 19 26.6

Varilla 2 431 1.3 241.5 4.4 2.3

Varilla 3 448 0.9 180.6 3 1.7

Tabla 10 Incremento de temperatura de varilla de acero sometida a circulación de

corriente AC

5 Información obtenida de Física Serway Tercera Edición.

38

De los resultados descritos en la Tabla 10, se tiene que para una energía del orden 3x106

J/Ω, el incremento de temperatura no se considera peligrosa, ya que la temperatura final a

la que llega la varilla está por debajo de la temperatura de ebullición del agua. La

diferencia que se observa entre los resultado experimentales y los valores teóricos, se

explica en el hecho de que la resistividad eléctrica y el calor específico del material, son

variables que cambian con el incremento de la temperatura.

Si se supone que la resistividad eléctrica y el calor específico del acero de refuerzo no

varían con el incremento de temperatura, y que la variación de temperatura6 es

equivalente a:

cDA

dtiT

**

*2

2∫=∆ρ

entonces se podría decir que ∫=∆ dtiKT 2* , por tanto tomando los resultados

experimentales de la varilla 1 se tiene que K=6.65*10-6, lo que indicaría que si se aplica

una energía de 107J/Ω, se tiene que el incremento de temperatura puede ser de

aproximadamente 66.5 ºC para obtener una temperatura final alrededor de 86.5ºC,

suponiendo una temperatura promedio en Bogotá de 20ºC.

4.2 ENSAYOS A LAS PROBETAS CILINDRICAS DE CONCRETO REFORZADO

4.2.1 DETERMINACIÓN DE HUMEDAD

Los cilindros permanecen por 28 días en el cuarto de curado a una temperatura de 23ºC y

una humedad relativa del aire mayor al 95%. Este proceso tiene lugar para todas las

probetas cilíndricas. A las probetas sumergidas en agua y a las que permanecen secas se

les mide la variación de peso como consecuencia de la deshidratación del concreto al

permanecer en un horno a 105 ºC durante 20 horas y se determina su equivalente en

agua o contenido de humedad con respecto al peso.

6 Deducción a partir de la ecuación de cantidad de calor descrita en el numeral 2.1.2.

39

Probeta No.

Peso Inicial (gr)

Peso al cabo de 20 Horas (gr)

Porcentaje de Variación al cabo

de 20 Horas


Porcentaje de Variación al cabo de 24

Horas 1 12337 11957 3.18% 11956 0.01%

2 12935 12573 3.02% 12569 0.03%

Balanza OHAUS

20 kg-45 lb

Precisión de

1 gr

Humedad Total Probeta 1 3.2%


Tabla 11 Control de humedad de probetas cilíndricas en condiciones de equilibrio

Probeta

No. Peso Inicial (gr)


Porcentaje de Variación al cabo

de 20 Horas


Porcentaje de Variación al cabo de 24

Horas 1 13187 12444 5.97% 12400 0.35%

2 13328 12588 5.88% 12525 0.50%

Balanza OHAUS

20 kg-45 lb

Precisión de

1 gr



Tabla 12 Control de humedad de probetas cilíndricas en condiciones de saturación

4.2.2 IMPULSOS DE CORRIENTE A PROBETAS CON REFUERZO CONTINUO

El equipo utilizado es el GIC generador de impulsos de corriente. La prueba consiste en

aplicar impulsos de corriente tipo rayo de polaridad positiva a veinte (20) probetas de

concreto provistas de un empalme de barra corrugada PDR-60 para refuerzo de concreto.

Se trabaja con probeta con dos (2) niveles de humedad, distribuidas así:

Diez (10) Secas, 3.1 % de humedad con respecto al peso.

Diez (10) Húmedas, 6.3 % de humedad con respecto al peso.

Se distribuyen las probetas para aplicar impulso de corriente así:

Impulso de Alta corriente (60 kA), a cinco (5) probetas Secas.

Impulso de Alta corriente (60 kA), a cinco (5) probetas Húmedas.

40

Impulso de Baja corriente (30 kA), a cinco (5) probetas Secas.

Impulso de Baja corriente (30 kA) a cinco (5) probetas Húmedas.

Los resultados obtenidos de aplicar impulso de corriente tipo rayo a las probetas de

concreto reforzado, generaron resultados prácticamente iguales para cada grupo de

probetas de humedad y magnitud de corriente aplicada, Ver Tablas 13 a 16.

Figura 18. Resultados de la simulación de la prueba de impulso de alta corriente (60kA)

Figura 19. Resultados de la simulación de la prueba de impulso de baja corriente (30kA)

41

PROBETA DE CONCRETO REFORZADO SECA A BAJA CORRIENTE

Impulso No. Tensión en la Probeta (kV)

Corriente en la Probeta (kA)

Impulso No.

Tensión en la Probeta (kV)

Corriente en la Probeta (kA)

1 1.4 29.9 11 1.4 29.92 1.2 29.9 12 1.4 29.93 1.4 29.9 13 1.4 29.94 1.4 29.9 14 1.4 29.95 1.3 29.9 15 1.4 29.96 1.3 29.9 16 1.4 29.97 1.4 29.9 17 1.4 29.98 1.4 29.9 18 1.4 29.99 1.4 29.9 19 1.4 29.9

10 1.4 29.9 20 1.4 29.9

Probeta seca a baja corriente No.1

Tabla 13 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de baja corriente No1.

PROBETA DE CONCRETO REFORZADO SECA A ALTA CORRIENTE

Número de Impulso

Tensión en la Probeta (Kv)

Corriente en la Probeta (KA)

Número de

Impulso



1 2.7 59.8 11 2.7 60.42 2.7 60.4 12 2.7 60.43 2.7 60.4 13 2.7 60.44 2.7 60.4 14 2.7 60.45 2.7 60.4 15 2.7 60.46 2.7 60.4 16 2.7 60.47 2.7 60.4 17 2.7 60.48 2.7 60.4 18 2.7 60.49 2.7 60.4 19 2.7 60.4

10 2.7 60.4 20 2.7 60.4

Probeta seca a alta corriente No.1

Tabla 14 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de alta corriente No.1

Temperatura Ambiente

T: 19,0ºC Tiempo de Repetición

32s Humedad Relativa

H:37% Onda 8/20mµs

Tensión de Alimentación 36 kV




H:37% Onda 8/20µs


42

PROBETA DE CONCRETO REFORZADO HUMEDA A BAJA CORRIENTE

Número de Impulso



Número de

Impulso



1 1.4 29.9 11 1.4 29.92 1.3 29.9 12 1.4 29.93 1.4 29.9 13 1.4 29.94 1.4 29.9 14 1.4 29.95 1.4 29.9 15 1.4 29.96 1.4 29.9 16 1.4 29.97 1.4 29.9 17 1.4 29.98 1.4 29.9 18 1.4 29.99 1.4 29.9 19 1.4 29.9

10 1.4 29.9 20 1.3 29.9

Probeta húmeda a baja corriente No.1

Tabla 15 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de baja corriente No.1.

PROBETAS DE CONCRETO REFORZADO HUMEDAS A ALTA CORRIENTE

Número de Impulso



Número de

Impulso



1 2.6 60.4 11 2.6 60.42 2.6 60.4 12 2.6 60.43 2.6 60.4 13 2.6 60.44 2.6 60.4 14 2.6 60.45 2.6 60.4 15 2.6 60.46 2.6 60.4 16 2.6 60.47 2.6 60.4 17 2.6 60.48 2.6 60.4 18 2.6 60.49 2.6 60.4 19 2.6 60.4

10 2.6 60.4 20 2.6 60.4

Probeta húmeda a alta corriente No.1

Tabla 16 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de alta corriente No.1




H:37% Onda 8/20µs





H:37% Onda 8/20µs


43

El comportamiento eléctrico de las probetas de concreto reforzado con empalme fue

bastante uniforme y favorable a su posible utilización como bajante o guía de corrientes

tipo rayo. Los posibles daños mecánicos inmediatos fueron descartados, después de

aplicar cien (100) impulsos a una (1) probeta seca y a una (1) probeta húmeda, utilizadas

como muestreo inicial.

Se opto por aplicar veinte (20) impulsos como punto de partida en el estudio del concreto

reforzado como guía de corrientes de rayo, e impulsos de magnitud de corriente de 60kA,

amplitud crítica que supera la amplitud de corriente posible a transportar por una bajante,

teniendo en cuenta que en una construcción tenemos de cuatro a ocho columnas con

mínimo cuatro (4) varillas o barras de acero de refuerzo en paralelo.

Partiendo de una situación extrema en amplitud de corriente, y utilizando dos niveles de

humedad; SECAS y HUMEDAS, se puede observar que al guiar corrientes tipo rayo a

través de concreto con refuerzo traslapado y debidamente amarrado, como se utiliza en

construcción normal, la probeta no sufre daño mecánico, ni elevación de temperatura y su

comportamiento eléctrico es totalmente independiente de la humedad del concreto.

Figura 20 Oscilograma probetas de concreto reforzado secas y húmedas ante impulsos

de corriente tipo rayo de 60 kA

44

Figura 21 Oscilograma probetas de concreto reforzado secas y húmedas ante impulsos

de corriente tipo rayo de 30 kA

Con un requerimiento eléctrico menos extremo en amplitud de corriente, y utilizando los

dos niveles de humedad antes mencionados, se puedo observar que al guiar corrientes

tipo rayo de 30kA a través de concreto con refuerzo traslapado y debidamente amarrado,

como se utiliza en construcción normal, la probeta no sufre daño mecánico, ni elevación

de temperatura y su comportamiento eléctrico es totalmente independiente de la humedad

del concreto. Ver Figura 21.

La tensión medida al aplicar impulso de corriente de 60kA y 30 kA, muestran un desfase

de 55 a 60 grados, que corresponde al lazo inductivo conformado por el refuerzo del

concreto y los conductores que unen este refuerzo con el divisor de tensión.

tRiV

∂∂

−=ϕ*

R: Es la Resistencia del refuerzo del concreto a la frecuencia de la señal de corriente

R = Valor obtenido a través de la profundidad de penetración

t∂∂

−ϕ

: Es la tensión inducida en el lazo de medición.

45

[ ]AtSeneti t )122800(**77000)( 20000−= [ ]Ausi 60000)12( =

[ ]Ausi 60000)12( = a tensión de alimentación de 72kV

[ ]VtSenetCoset

tt )122800(**360)122800(**2215 2000020000 −− −=∂∂

−ϕ

[ ]AtSeneti t )122800(**38500)( 20000−=


[ ]VtSenetCoset

tt )122800(**180)122800(**1100 2000020000 −− −=∂∂

−ϕ

Ver Anexo B Memoria de Cálculos

4.2.3 IMPULSOS DE CORRIENTE PROBETAS CON REFUERZO NO CONTINUO O CON GAP

El equipo utilizado es el GIC generador de impulsos de corriente. La prueba consiste en

aplicar impulsos de corriente tipo rayo de polaridad positiva a diez (10) probetas de

concreto provistas de dos (2) secciones de barra corrugada PDR-60 para refuerzo de

concreto no traslapadas.

Se trabaja con probetas con dos (2) niveles de humedad, distribuidas así:

Cinco (5) Secas o en Humedad de Equilibrio, 3.1% de humedad con respecto al peso.

Cinco (5) Húmedas o en Humedad de Saturación, 6.3% de humedad con respecto al

peso.

Se aplica impulsos de corriente empezando en 10kA, aumentando en pasos de 5kA,

observando el comportamiento mecánico de la probeta de concreto reforzado con gap.

46

PROBETAS DE CONCRETO REFORZADO SECAS CON GAP

Tabla 17 Probeta de concreto reforzado seca con gap No.1.


40.6 Shunt5.4

mOhms

Número de Impulso

Tensión de Alimentación (Kv)


Corriente Pico en la Probeta (KA)

Número de Impulso




1 30.0 17.3 24.6 5 40.0 16.0 33.1

2 30.0 18.2 24.6 6 50.0 17.2 41.1

3 30.0 15.9 24.6 7 50.0 21.0 40.8

4 40.0 17.6 33.1 8 50.0 21.0 41.1

Relación de Transformación

Probeta Seca con Gap No. 3Impulsos cada 32 segundos.

Onda 8/20us


40.6 Shunt5.4

mOhms

Número de Impulso

Tensión de Alimentación

(kV) Tensión en la Probeta (kV)

Corriente Pico en la Probeta (kA)

Número de Impulso


(kV)



1 10.0 10.0 0 13 30.0 17.8 23.4 2 15.0 15.0 0 14 30.0 18.0 23.4 3 20.0 19.9 14 15 35.0 16.0 15.3 4 20.0 16.0 15.3 16 35.0 15.6 15.3 5 20.0 15.6 15.3 17 35.0 15.5 15.3 6 20.0 15.5 15.3 18 40.0 14.5 15.3

7 20.0 14.5 15.3 19 40.0 17.2 19.2 8 25.0 17.2 19.2 20 40.0 15.9 19.3 9 25.0 15.9 19.3 21 50.0 20.5 41.5 10 25.0 15.9 19.3 22 50.0 22.4 41.5 11 30.0 16.2 23.4 23 50.0 22.5 41.8 12 30.0 17. 23.4

Probeta Seca con Gap No.1Relación de Transformación Impulsos cada 32 segundos.

Onda 8/20us

40.6 Shunt5.4

mOhms

Número de Impulso

Tensión de Alimentación (kV)



Número de Impulso

Tensión de Alimentación (kV)

Tensión en la Probeta (kv)


1 20.0 19.9 0 3 20.0 17.9 6

2 20.0 19.9 13.4 4 20.0 16.8 15.5

Relación de Transformación Probeta Seca con Gap No. 2

Impulsos cada 32 segundos. Onda 8/20us

47

Figura 22 Oscilograma del Impulso No.2 Probeta seca No. 2 con gap.


40.6 Shunt5.4

mOhms

Número de Impulso




Número de Impulso




1 10.0 10.0 0 4 20.0 22.4 0

2 20.0 22.5 0 5 30.0 32.7 22.4

3 20.0 22.4 0 6 30.0 30.9 24.7

Probeta Seca con Gap No.4Relación de

TransformaciónImpulsos cada 32 segundos.

Onda 8/20us


48

Figura 24 Probeta seca con gap No.2 Figura 25 Probeta seca con gap No. 4


40.6 Shunt5.4

mOhms

Número de Impulso


(Kv)


Corriente Pico en la Probeta

(KA)

Número de Impulso


(Kv)



1 10.0 10.0 0 4 20.0 22.5 14.5

2 20.0 20.0 0 5 30.0 24.0 17.2

3 20.0 20.0 0 6 30.0 31.3 23.7

Probeta Seca con Gap No.5Relación de


Onda 8/20us


49


PROBETAS DE CONCRETO REFORZADO HÚMEDAS CON GAP

40.6 Shunt5.4

mOhms

Número de Impulso


(Kv)



Número de Impulso


(Kv)



(KA)

1 10.0 10.0 0 7 30.0 18.5 24.92 10.0 10.0 0 8 30.0 19.3 233 20.0 20.0 15.5 9 40.0 20.1 29.24 20.0 16.4 16.4 10 40.0 22.3 30.75 20.0 16.8 16.48 11 40.0 21.1 296 30.0 19.1 24.9 12 50.0 20.4 38



Probeta Húmeda con Gap No.1

Tabla 22 Probeta de concreto reforzado húmeda con gap No.1.

40.6 Shunt5.4

mOhms

Número de Impulso


(Kv)



Número de Impulso


(Kv)



(KA)

1 10.0 10.0 0 3 10.0 10.0 02 10.0 10.0 0 4 20.0 20.0 20.5

Probeta Húmeda con Gap No.2Relación de


Onda 8/20us


50

Figura 28 Probeta húmeda No.1 con gap. Figura 29 Probeta húmeda No. 2 con gap.

40.6 Shunt 5.4 mOhms

Número de Impulso


(Kv)



(KA)

Número de Impulso


(Kv)



(KA)

1 10.0 10.0 0 4 20.0 20.0 02 10.0 10.0 0 5 20.0 20.0 03 20.0 19.8 0 6 30.0 29.3 20.9



Transformación


Figura 30. Oscilograma del Impulso No.6 Probeta húmeda No. 3 con gap.

51

40.6 Shunt 5.4 mOhms

Número de Impulso


(Kv)



(KA)

Número de Impulso


(Kv)



(KA)

1 10.0 10.0 0 4 30.0 29.5 23.92 20.0 20.0 0 5 30.0 29.4 23.93 20.0 20.0 0 6 30.0 23.0 24.04 20.0 20.0 0 7 26.5 32.3 40.0


Probeta Húmeda con Gap No.4Impulsos cada 32 segundos.

Onda 8/20us



Figura 32 Probeta húmeda No.3 con gap. Figura 33 Probeta húmeda No. 4 con gap.

52

40.6 Shunt5.4

mOhms

Número deImpulso

Tensión deAlimentación

(Kv)

Tensión enla Probeta

(Kv)

Corrienteen la

Probeta (KA)

Número deImpulso


(Kv)

Tensión enla Probeta

(Kv)

Corrienteen la

Probeta (KA)

1 10.0 10.0 0 4 20.0 19.7 02 20.0 19.7 0 5 30.0 29.6 19.23 20.0 19.7 0 6 40.0 29.5 21.3


Transformación Impulsos cada 32 segundos.

Onda 8/20us



El esfuerzo eléctrico solicitado a las probetas de concreto reforzado no continuo o con

gap, con diferentes niveles de humedad, generaron daño mecánico tanto en secas, como

en húmedas, la circulación de corriente del orden de 20kA a 60 kA a través del concreto

ocasiona su ruptura y con la saturación de humedad su daño mecánico tiene lugar en

forma violenta.

Se debe evitar a toda costa utilizar como posible guía de corrientes tipo rayo refuerzos de

concreto o bajantes naturales de las cuales no se pueda garantizar su continuidad.

53

4.2.4 PROBETAS DE CONCRETO REFORZADO CON EQUIPOTENCIAL EN COBRE

PROBETA DE CONCRETO REFORZADO SECA CON EQUIPOTENCIAL EN COBRE

40.6 Shunt5.4

mOhms

Número deImpulso


(Kv)

Tensión en laProbeta (Kv)

Corriente Picoen la Probeta

(KA)

Número deImpulso


(Kv)

Tensión en laProbeta (Kv)

Corriente Pico enla Probeta (KA)

1 10.0 0.9 8.24 5 50.0 3.5 41.82 20.0 1.7 16.67 6 60.0 4.6 50

3 30.0 2.5 25 7 70.0 5.5 55.8

4 40.0 3.2 33.3

Probeta Seca con Equipotencial en CobreRelación de

Transformación Impulsos cada 32 segundos.

Onda 8/20us

Tabla 27 Probeta de concreto reforzado seca con equipotencial en cobre

PROBETA DE CONCRETO REFORZADO HUMEDA CON EQUIPOTENCIAL EN COBRE

40.6 Shunt5.4

mOhms

Número de Impulso


(Kv)



(KA)

Número de Impulso


(Kv)



1 10.0 0.7 8.5 5 50.0 3.4 35.5

2 20.0 1.5 16.5 6 60.0 3.5 41.6

3 30.0 2.4 25 7 60.0 4.3 41.54 40.0 2.9 25 8 60.0 6.8 57.8



Probeta Húmeda con Equipotencial en Cobre

Tabla 28 Probeta de concreto reforzado húmeda con equipotencial en cobre

Figura 35 Probeta de concreto reforzado seca con equipotencial de cobre

Equipotencial en

alambre de Cu

Bajante en alambre

de Cu

Bajante en refuerzo

de acero

Entrada del impulso

de corriente Bajante en

alambre de

Cu

54

La circulación de corrientes tipo rayo a través de un conductor de cobre, ligado al refuerzo

del concreto por alambre de cobre, causa el revenido del alambre utilizado para

equipotencializar y esto obliga a la corriente a circular por el concreto, causado su

fractura, independiente del grado de humedad.

4.2.5 PRUEBA DE ALTA ENERGIA A PROBETAS CILÍNDRICAS CON REFUERZO CONTINUO

Consiste en aplicar el equivalente de energía de una onda 10/350us, de amplitud 40kA,

utilizando una onda de frecuencia industrial en un tiempo máximo de 5 segundos.

O N D A D E A L T A E N E R G IA 4 0 k A 1 0 / 3 5 0 u s

01 02 03 04 05 0

0 76 154

232

310

388

466

544

622

700

T T ie m p o (u s )

I Cor

rient

e (k

A)

Figura 36 Onda de Alta Energía de Amplitud 40 kA, 10/350 us

El equivalente energético de una onda de 40 kA de amplitud y tiempo de frente 10 us, de

cola 350us, con respecto a una onda de frecuencia industria de i rms y duración t, se

calcula como :

dtiRW ∫= 2

+= ∫ ∫

tf tc

tf

dtidtiRW0

22

22

1

+= ∫ ∫

tf tc

tf

dtidtiWs0

22

22

1 : J / Ω

Ω= /395kJWs tiWs rms *2=

55

Se aplica corriente alterna a la probeta de concreto reforzado, por tiempo inferior a un

segundo y amplitud de corriente inferiora1kA.

PROBETAS DE CONCRETO REFORZADO CON EMPALME

I (A) t (s) E (kJ/Ohm)

Probeta 1 703 0.992 490.3

Probeta 2 714 0.844 430.3

Probeta 3 696 0.976 472.8

Probeta 4 671 0.876 394.4

Probeta 5 584 0.980 334.2

Probeta 6 642 0.920 379.2

SECAS

HUMEDAS

Alta Energía

Tabla 29 Prueba de Alta Energía a 60Htz, probetas de concreto reforzado, tiempo inferior

a 1 segundo

I (A) t (s) E (kJ/Ohm)Probeta 1 306 1.500 140.5Probeta 2 243 1.000 59.0Probeta 3 400 2.000 320.0

Probeta 1 1,700 3.000 8,670.0Probeta 2 473 1.500 335.6Probeta 5 480 60.000 13,824.0

SECAS

Alta Energía

Tabla 30Prueba de Alta Energía a 60 Htz, probetas de concreto reforzado, tiempos

mayores a 1 segundo.

La probeta de concreto reforzado tiene un comportamiento eléctrico satisfactorio en

transportar energía del orden de 104 Julios-Ω en 1 segundo máximo.

El transportar una mayor cantidad de energía, ampliando el tiempo de duración causa que

el empalme formado con las varillas de acero traslapadas y amarradas con alambre de

construcción, pierdan su unión debido a que el alambre se funde y esto genera una

situación de no continuidad. Es de resaltar que tiempos superiores a 1 segundo no son

de comportamiento eléctrico tipo rayo.

56

4.2.6 RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN DE LA PROBETAS CILINDRICAS

Los ensayos se realizaron en el laboratorio de ensayos mecánicos y de materiales de la

Universidad Nacional.

El método utilizado fue el ensayo de resistencia a la compresión de cilindros normales de

concreto NTC 673 [14], utilizado para concretos de masa unitaria 800 Kg/m3. Este

método de ensayo consiste en la aplicación de una carga axial de compresión a cilindros

moldeados, a una velocidad determinada. La resistencia a la compresión del espécimen

se calcula dividiendo la máxima carga alcanzada durante el ensayo entre el área de la

sección transversal del espécimen.

Se aplica la carga hasta que el espécimen falle, y se registra la carga máxima soportada

por el espécimen durante el ensayo, describiendo el tipo de falla –figura 37- y la

apariencia del concreto.

Cónica Cónica yDividida

Cónica yTransversal

Transversal Columna

Figura 37 Tipos de fallas en cilindros de concreto.

Se debe tener cuidado con la interpretación, la resistencia a compresión no es una

propiedad fundamental o intrínseca del concreto hecho con unos materiales dados. La

resistencia depende del tamaño, forma del espécimen dosificación, procedimiento de

mezclado, muestreo, moldeado y fabricación, edad, temperatura, y condiciones de

humedad durante el curado. Los valores típicos de resistencia a la compresión oscilan

entre 12Mpa a 55 Mpa, 122.32 Kg-f/cm2 a 560.65 Kg-f/cm2.7

7 Conversión utilizada 1 Kg-f/cm2 = 0.0981 N/mm2.

57

Antes de aplicar la carga, es necesario arreglar las superficies de los cilindros, ya que

estas no son totalmente planas. Para esto, se aplica una capa de azufre, Figura 38, la

cual hace que la carga no se concentre en unos cuantos puntos, sino que se reparta por

toda la superficie del cilindro.

Figura 38 Cilindros con capin de azufre

Como no existe prueba normalizada de resistencia a la compresión para probetas de

concreto reforzado, la utilización de una platina con un orificio en el que se introduce la

punta de la varilla de refuerzo, permite reducir el efecto del refuerzo sobre la resistencia a

la compresión de la probeta de concreto.

Las pruebas de resistencia a la compresión se realiza a los cilindros sometidos a baja

corriente, a los cilindros sometidos a alta corriente, como también a los cilindros o

probetas de control mecánico, referencia para los resultados de resistencia a compresión

que se obtienen de las probetas sometidas a impulsos de corriente.

58

PROBETAS DE CONCRETO REFORZADO SECAS Y HUMEDAS, NO SOMETIDAS A IMPULSO DE CORRIENTE

Probetas secas

Resistencia compresión (kg-f/cm^2)

Probetas Húmedas


1 295 1 2102 301 2 2563 361 3 2064 311 4 2575 318 5 261

Promedio 317 Promedio 23826 27

8,2% 11,5%Desviación Estandar

Desviación Estandar

Tabla 31 Resistencia a la compresión de las probetas de control

PROBETAS DE CONCRETO REFORZADO SECAS Y HUMEDAS A BAJA CORRIENTE

Probetas secas


Probetas húmedas


1 286 1 2922 361 2 2363 261 3 2934 256 4 3235 292 5 239




Tabla 32 Resistencia a la compresión de las probetas sometidas a impulsos de 30kA

PROBETAS DE CONCRETO REFORZADO SECAS Y HUMEDAS A ALTA CORRIENTE

Probetas secas


Probetas húmedas


1 292 1 1882 286 2 2803 269 3 2674 368 4 2285 255 5 210




Tabla 33 Resistencia a la compresión de las probetas sometidas a impulsos de 60kA.

59

En los ensayos de resistencia a la compresión, es importante saber si la carga se está

repartiendo por toda la superficie, o si se está concentrando en un punto específico.

La Figura 39, muestra la manera y el ángulo de falla general que apareció en la

realización de las pruebas; este ángulo y forma, son típicos de un ensayo a compresión,

bien realizado.

Figura 39 Probeta fallada a compresión.

Al observar los resultados de las tablas 31,32 y 33 , se puede apreciar que el 87% de las

probetas, arrojaron resistencias a la compresión mayor o igual que 210kg/cm2, valor para

el que estaba diseñada la mezcla con la que se fabricaron las probetas.

Las probetas que nos se sometieron a esfuerzo eléctrico, se consideran como probetas

de control, su resistencia a la compresión es comparada con la obtenida para las

probetas utilizadas en las pruebas eléctricas.

Los resultados de las pruebas de resistencia a la compresión de las probetas de control,

sometidas a impulso de 30kA y a impulso de 60 kA, secas y húmedas presentan

resultados que superan el mínimo para la mezcla que les dio origen. Por lo tanto se puede

afirmar que no hubo deterioro en la resistencia a compresión de las probetas que se

sometieron a grandes corrientes de impulso tipo rayo.

60

En las probetas secas en general, la resistencia a la compresión es mayor que en las

probetas húmedas, situación normal, ocasionada por la humedad adquirida por absorción

que debilita la resistencia a la compresión, sin llevarla a valores no aceptables.

4.3 ENSAYOS A LAS PLACAS DE CONCRETO

4.3.1 DETERMINACIÓN DE HUMEDAD.

Probeta Peso inicial (gr) Peso al cabo de

48 horas (gr)

Porcentaje de

variación al cabo

de 48 horas

1 6200 6038 2.7%

2 7995 7792 2.6%

3 6030 5890 2.4%

Balanza

OHAUS

20 kg 45 lb

Precisión de 1

gramo

HUMEDAD TOTAL PROMEDIO 2.6%

Tabla 34 Control de humedad de placas en condiciones de equilibrio

Probeta Peso inicial (gr) Peso al cabo de

48 horas (gr)

Porcentaje de

variación al cabo

de 48 horas

1 5375 5034 6.5%

2 5713 5343 6.9%

3 6317 5920 6.7%

Balanza

OHAUS

20 kg 45 lb

Precisión de 1

gramo

HUMEDAD TOTAL PROMEDIO 6.7%

Tabla 35 Control de humedad de placas en condiciones de saturación

Aunque las placas y los cilindros estaban hechos de la misma mezcla, de todas maneras

se presenta una diferencia en los porcentajes de humedad; esta diferencia radica en el

proceso de curado:

61

Mientras los cilindros fueron curados dentro de un cuarto a una temperatura de 23ºC y

una humedad relativa del aire mayor al 95%, las placas fueron curadas a las condiciones

ambientales de Bogotá, lo que quiere decir que la temperatura era variable y la humedad

relativa del aire estaba alrededor del 55%, sin embargo se procuró mantener húmedas las

placas para así poder llevar un buen proceso de curado.

Esta situación hace que las placas tengan un poco más de poros que los cilindros,

permitiendo así mayor perdida de humedad cuando están en condiciones ambientales de

laboratorio, o mayor capacidad de absorción cuando están sumergidas en agua.

4.3.2 IMPULSOS DE TENSION SOBRE PLACAS DE CONCRETO

El circuito utilizado fue el generador de impulsos de tensión tipo rayo 1.2/50µs. Las

pruebas consistieron en aplicar impulsos sucesivos de tensión tipo rayo de polaridad

positiva, pero no fue posible determinar voltaje cincuenta por ciento disruptivo por razones

que se explicarán más adelante.

Los resultados obtenidos de aplicar impulso de corriente tipo rayo a las placas de

concreto reforzado, generaron resultados muy similares para cada punto de prueba, de

los cuales se tomaron registros impresos del voltaje y la corriente, con los que se

pretende analizar el comportamiento eléctrico del concreto ante impulsos de tensión, a

dos niveles diferentes de humedad, secas o en humedad de equilibrio (humedad

total=2.6%) y húmedas o en saturación de humedad. (humedad total=6.7%) Para aplicar

los impulsos, se utilizaron electrodos punta - punta. Ver Figura 16. La humedad relativa

del aire y temperatura ambiente fueron registradas pero no controladas.

PUNTOS EN LAS PLACAS SECAS ANTE IMPULSOS DE TENSIÓN 1.2/50µs Conducción de corriente sin ocurrencia del colapso de tensión:

La figura 40, muestra que aunque no haya tensión disruptiva, hay sin embargo una

conducción de corriente del orden de 28 amperios pico, situación que hace considerar al

concreto como un material resistivo y no aislante. - Resistencia del orden de 1000Ω a

altas frecuencias –

62

Figura 40 Conducción de corriente sin ocurrencia de colapso de tensión en concreto

seco.

En la figura 41 se puede apreciar la curva de la relación V/I, donde se observa como la

impedancia después de la tensión pico, empieza a disminuir hasta llegar a un límite

inferior donde tiende a mantenerse constante.

Relación Voltaje/Corriente placa en humedad de equilibrio sin disrupción

0200400600800

100012001400

0.3 0.8 2.0 4.5 7.5 10.5 13.5 30.0tiempo (us)

V/I

Figura 41 Relación Tensión/corriente en función del tiempo, para concreto seco.

63

Características de la Disrupción:

La Figura 42, muestra las características de la disrupción en el concreto a condiciones de

humedad de equilibrio.

a

b

c

d

Figura 42 Disrupción en el concreto seco.

Se puede apreciar el momento en que ocurre la disrupción, (punto a) y que después de

este fenómeno, la tensión no cae a cero, sino que hay presente una resistencia que

mantiene una tensión residual del orden del 20% de la tensión pico, antes de la extinción

total de la corriente. (sección b). Al extinguirse la corriente, se puede apreciar algo así

como una recuperación de tensión. (punto c). También es apreciable la conducción de

corriente antes de la disrupción. (punto d).

Re lación Te nsión/Corrie nte e n función de l tie mpo para e l fe nóme no disruptiv o

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0.3 1.7 1.7 2.0 3.0 6.0 9.0 12.0 15.0 40.0 60.0 80.0tie m po (us )

V/I

Figura 43 Relación Tensión/Corriente para el fenómeno disruptivo en concreto seco

64

En la figura 43 se aprecia la característica disruptiva por medio de la curva V/I. En el

instante disruptivo la tensión disminuye y la corriente aumenta, lo que genera una

reducción en la impedancia, sin embargo esta no llega a cero, lo que explica la tensión

residual.

Al observar la curva V/I del agua se puede apreciar cierta similitud con la curva para

concreto, en la Figura 44 se observan dos curvas en forma de U, las cuales corresponden

las dos disrupciones sucesivas que suelen presentarse en el agua

Figura 44 Característica disruptiva del agua.[19]

Alteración de las propiedades físico- eléctricas:

En la Tabla 36, se puede apreciar como en el material ante ensayos sucesivos, presenta

mayores niveles de corrientes pico, fenómeno que se atribuye a una degeneración de sus

propiedades eléctricas, haciendo imposible la determinación de la tensión 50% disruptiva.

65

ElectrodosPunta-Punta

Relación de Transform.724.6

Shunt5.4mOhms

T:20,8ºC

H:52% Espesor44 mm

Impulsos de tensión cada 32 segundos. Onda 1,2/50usTensiónde carga

(kV)

Tensión picoen la Placa

(kV)

Corrientepico en laPlaca (A)

Fenómeno Tensiónde carga

(kV)


(kV)


Fenómeno

20 20.2 0 Ninguno 44 40.5 147.3 Disrup.20 20.2 0 Ninguno 44 40.5 147.3 Disrup.24 24.2 0 Ninguno 44 40.9 157.2 Disrup.26 24.6 0 Ninguno 44 40.9 144.7 Disrup.28 27.7 0 Ninguno 44 40 152.5 Disrup.30 29.9 0 Ninguno 42 39.2 137.6 Disrup.32 31.2 0 Ninguno 40 37.8 136.3 Disrup.34 33 0 Ninguno 38 36.1 127.8 Disrup.36 34.8 0 Ninguno 36 34.9 116.9 Disrup. Cola38 36.1 28 Conducción 34 32.6 107.1 Disrup. Cola40 38.3 29.2 Conducción 32 30.8 81.6 Disrup. Cola42 39.6 24.3 Conducción 30 29 96.2 Disrup. Cola44 40.9 52.3 Disrup. 28 27.3 88.9 Disrup. Cola44 40.9 80 Disrup. 26 25.5 0 Ninguno44 41.4 85 Disrup. 26 26 59.7 Disrup. Cola44 40.9 85 Disrup. 24 24.2 0 Ninguno44 40.9 148.5 Disrup. 24 23.8 0 Ninguno

Tabla 36 Datos punto 1 de la placa de concreto seca sometida a impulso de tensión.

Disrupción en la cola:

En la Figura 45, se puede apreciar disrupción en la cola de la onda aplicada, esta

situación se atribuye al deterioro en las propiedades eléctricas del material, ya que este

tipo de disrupciones ocurren solo después de haber aplicado diferentes impulsos

disruptivos de mayor tensión pico.

Figura 45 Disrupción en la cola en concreto seco.

66

Segundas Disrupciones: La figura 46 muestra un impulso de tensión pico de 30.8 kV, donde la disrupción se

presenta en la cola de la onda, y además ocurren dos disrupciones; la primera ocurre

aproximadamente a los 2.5µs, cayendo la tensión a alrededor de 13 kV; 1µs más tarde,

ocurre la segunda disrupción que finalmente deja una tensión residual de 3.5kV. (±10% de

la tensión pico)

Figura 46 Segundas disrupciones en concreto seco.

Todas estas características de la disrupción que se han acabado de describir, también se

han observado en otros materiales como lo son la madera y la arena, los cuales al igual

que el concreto son materiales capaces de absorber y expulsar agua.[20]

PUNTOS EN PLACAS DE CONCRETO HUMEDA ANTE IMPULSOS DE TENSIÓN

1.2/50µs Contrario al concreto seco, el concreto saturado de humedad no presenta el fenómeno

disruptivo, presentando una conducción apreciable de corriente.

67


Relación deTransform.

724.6

Shunt:5.4mOhms

T:17,3ºC

H:55% Espesor43mm

Impulsos cada 32 segundos. Onda 1,2/50us

Tensiónde carga

(kV)

Tensiónpico en laPlaca (kV)


Fenómeno Tensiónde carga

(kV)



Fenómeno

20 17.2 0 Ninguno 60 37 77.4 Conducción30 23.3 24.5 Conducción 70 40.5 96.2 Conducción40 28.6 39.6 Conducción 80 43.6 120.8 Conducción50 33 58.5 Conducción 90 47.1 139.6 Conducción60 37 73.6 Conducción 100 50.2 166 Conducción

Tabla 37 Datos en el punto 2 de la placa de concreto húmeda sometida a impulsos de

tensión.

Conducción de corriente sin ocurrencia del colapso de tensión:

La figura 47, muestra que aunque no haya tensión disruptiva, hay sin embargo una

conducción apreciable de corriente, situación que hace considerar al concreto en estado

de saturación de humedad, como un material menos resistivo que el concreto en

condiciones de humedad de equilibrio. La resistencia eléctrica disminuye a medida que

se aplican impulsos de tensión sucesivos, cada vez con una tensión pico mayor.


húmedo

68

4.3.3 IMPULSOS DE CORRIENTE SOBRE PLACAS DE CONCRETO

El circuito utilizado fue el generador de impulsos de corriente tipo rayo 8/20µs. Las

pruebas consistieron en aplicar impulsos de corriente tipo rayo sobre los puntos donde

previamente se había aplicado impulsos de tensión y en algunos puntos donde no.

Al igual que en los impulsos de tensión, aquí también se tomaron registros impresos del

voltaje y la corriente, con el fin de analizar el comportamiento del concreto ante grandes

corrientes de impulso tipo rayo, tanto para el nivel de humedad de equilibrio como para el

nivel de saturación. Los electrodos utilizados fueron los mismos que se utilizaron para

aplicar los impulsos de tensión. La humedad relativa del aire y temperatura ambiente

fueron registradas pero no controladas.

PUNTOS EN LAS PLACAS SECAS, ANTE IMPULSOS DE CORRIENTE 8/20µs,

PREVIO IMPULSO DE TENSIÓN 1.2/50µs

Electrodos punta-punta

Relaciónde

Transform.40.6

Shunt 5.4mOhms T: 15.1ºC H:55%

Impulsos cada 52 segundos. Onda 8/20usTensión de

Alimentación (kV)Tensión pico en

la Placa (kV)Corriente pico

en la Placa (kA)Fenómeno

20 17.6 4.224 Se perforó físicamente la placa en este punto.

Tabla 38 Datos en un punto de la placa de concreto seca sometida a impulsos de

corriente previo impulso de tensión.

En la Figura 48 se puede apreciar que la tensión DC de alimentación de los

condensadores del equipo de prueba, se mantiene durante ± 10 µs sin presentarse una

conducción previa a través de la placa; en este instante ocurre una caída de potencial del

orden del 50% de la tensión aplicada, apareciendo igualmente el flujo de corriente a

través del concreto.

69

En a aparece el colapso de tensión, en b hay una oscilación, en c se aprecia una

disminución progresiva de tensión mientras aparece el impulso de corriente, en d hay una

oscilación tanto en la señal de tensión como en la señal de corriente. Esta oscilación final,

se debe a que el circuito de prueba se comporta como un circuito RLC subamortiguado.

a b

cd

Figura 48 Comportamiento del concreto a humedad de equilibrio, cuando le son

aplicados impulsos de corriente, previo impulso de tensión

En este ensayo se genera una destrucción mecánica del concreto en los puntos donde se

conectaron los electrodos tal como se observa en la Figura 49

Figura 49 Puntos de las placas de concreto secas, sometidos a impulsos de corriente.

70

En cuanto a las magnitudes de corriente pico, no hay un patrón a seguir, pues el concreto

no es un material homogéneo, debido a su componente de agregado grueso, que hace

que las características eléctricas en cada punto sean diferentes; de todas maneras se

obtienen corrientes desde 4 kA hasta 9 kA para la misma tensión aplicada en la placa.

PUNTOS EN LAS PLACAS HUMEDAD ANTE IMPULSOS DE CORRIENTE 8/20µs,

PREVIO IMPULSO DE TENSIÓN 1.2/50µs.

ElectrodosPunta-punta

Relación deTransform.

40.6

Shunt5.4mOhms

T: 17.3ºC H:55%



(kV)


(kV)

Corriente pico en laPlaca (kA)

Fenómeno

20 19.5 1.6 Conducción25 34.5 16 Corriente por la superficie30 29 11.7 Corriente por la superficie

Tabla 39 Datos en un punto de la placa de concreto húmeda sometida a impulsos de

corriente previo impulso de tensión.

Conducción sin disrupción: Como se aprecia en la figura 50, para tensiones de alimentación de los condensadores

del orden de 20kV, hay una corriente de magnitud pico del orden de 1kA, la cual a

diferencia del concreto en condiciones de humedad de equilibrio, aparece tan pronto

como se aplica la tensión.

Colapso de tensión: Al subir a una tensión de alimentación del orden de 30kV, aparece un colapso de tensión,

con una conducción previa de corriente, la cual empieza desde el mismo instante en que

es aplicada la tensión.

Al observar la Figura 51, en la sección a se aprecia la corriente previa a la disrupción, en

el punto p aparece el colapso de tensión, el cual ocurre a ± 35µs después de ser aplicada

la tensión; en la sección d, se observa una oscilación, la cual es debida a que el circuito

de prueba se comporta como un circuito RLC subamortiguado.

71


saturado sometido a impulsos de corriente, previo impulso de tensión.

p

d

a

Figura 51 Colapso de tensión en concreto saturado sometido a impulsos de corriente,

previo impulso de tensión.

Esta disrupción no ocurre a través, sino que ocurre por la superficie de la placa de

concreto, situación que se explica en el hecho de que en la superficie de la placa, lo que

se encuentra es una pasta de cemento totalmente húmeda.

72

PUNTOS EN LAS PLACAS SECAS, ANTE IMPULSOS DE CORRIENTE 8/20µs SIN PREVIO IMPULSO DE TENSIÓN.


Relación deTransform. 40.6

Shunt5.4mOhms

T: 17,3ºC H:55%



(kV)


Corriente picoen la Placa (kA)

Fenómeno

25 No se perforó la físicamente la placa ni hubo conducción

30 29.6 13.3 Disrupción y perforación física en la placa

Tabla 40 Datos en un punto de la placa de concreto seca sometida a impulsos de

corriente sin previo impulso de tensión.

La figura 52 muestra el comportamiento del concreto a humedad de equilibrio, cuando le

son aplicados impulsos de corriente, sin previo impulso de tensión. Se aprecia que la

tensión DC de alimentación de los condensadores del equipo de prueba, se mantiene

durante un tiempo aparentemente mayor a 10µs, sin presentarse una conducción previa

a través de la placa; en este instante ocurre una caída de potencial del orden del 25% de

la tensión aplicada, apareciendo igualmente el flujo de corriente a través del concreto.

ab

c

d

Figura 52 Comportamiento del concreto seco, cuando le son aplicados impulsos de

corriente, sin previo impulso de tensión.

73

En a aparece el colapso de tensión, en b se aprecia un intento de recuperación, en c se

aprecia una disminución progresiva de tensión mientras aparece el impulso de corriente,

en d hay una oscilación en la onda de tensión y en la onda de corriente, esta oscilación es

producida por el circuito de prueba, el cual se comporta como un circuito RLC

subamortiguado.

En este ensayo igualmente se genera una destrucción mecánica del concreto en los

puntos donde se conectaron los electrodos, claro está que es necesario aplicar al menos

un impulso previo antes de que haya conducción de corriente y además se necesita una

tensión de carga de los condensadores, un 10% mayor que en el caso de los puntos

donde se había aplicado un previo impulso de tensión

PUNTOS EN LAS PLACAS HUMEDAS ANTE IMPULSOS DE CORRIENTE 8/20µs SIN PREVIO IMPULSO DE TENSIÓN.


Relación deTransform. 40.6

Shunt5.4mOhms

T: 15.1ºC H:55%


Tensión deAlimentación (kV)

Tensión en laPlaca (kV)

Corriente en laPlaca (kA)

Fenómeno

30 26.3 11.9 Corriente por la superficie

Tabla 41 Datos en un punto de la placa de concreto húmeda sometida a impulsos de

corriente sin previo impulso de tensión.

El fenómeno es similar al caso de los puntos en las placas húmedas ante impulsos de

corriente 8/20µs, previo impulso de tensión 1.2/50µs. Se presenta previa conducción de

corriente antes del colapso de tensión el cual es superficial, y además existe conducción

de corriente sin que haya disrupción.

74

5. CONCLUSIONES

♦ La dilatación lineal de la varilla como efecto de la circulación de corriente tipo rayo a

través de las probetas de concreto reforzado, con refuerzo continuo, no causa ningún

tipo de daño mecánico en el concreto.

♦ El incremento de temperatura en la varilla de refuerzo, causado por la disipación de

energía específica del orden de 1x107J/Ω, energía asociada a un rayo, es de

aproximadamente 70ºC, temperatura que no deteriora la varilla o causa ebullición del

agua contenida en el concreto.

♦ Las probetas de concreto reforzado con refuerzo continuo, expuesto a situación

extrema, en la que se asume que una sola bajante actúa como distribuidora de la

corriente tipo rayo, y se utiliza el menor diámetro posible (9mm), genera resultados

satisfactorios, independiente del nivel de humedad por absorción adquirido por el

concreto.

♦ En las probetas cilíndricas de concreto reforzado con discontinuidad en el refuerzo o

gap, separación de 1 a 2cm, entre las varillas que actúan como entrada y salida de la

corriente, se genera ruptura de las probetas al circular la corriente tipo rayo a través

de -refuerzo -concreto –refuerzo, esta ruptura es violenta para probetas húmedas.

♦ La inyección de energía, superior a 1x107J/Ω, utilizando corriente a frecuencia

industrial, por tiempos superiores a un segundo (que no corresponden a la duración de

un rayo), causan que el “alambre negro”, utilizado en construcción para realizar el

amarre entre varillas de refuerzo se funda y las varillas de refuerzo pierdan

continuidad a tensión de 9V (Multímetro), discontinuidad que no se evidencia a alta

tensión. Es importante resaltar que ningún impulso de corriente de 30kA o 60kA

produjo discontinuidad.

75

♦ La resistencia a la compresión, medida en probetas sometidas a impulsos de

corriente con refuerzo continuo y las probetas no sometidas a esfuerzo eléctrico,

generaron resultados que no evidencian ningún deterioro en el concreto.

♦ La resistividad y la resistencia eléctrica del concreto, depende de su contenido de

humedad, ya que estas propiedades disminuyen conforme aumenta el contenido de

humedad total.

♦ Debido a que el concreto no es propiamente un material aislante, este puede conducir

corriente sin que se produzca colapso de tensión.

76

6. RECOMENDACIONES

• Es necesario evaluar la posible corrosión de las conexiones de acero y cobre, ligadas

a la utilización del concreto reforzado como bajante y distribuidora de corriente tipo

rayo.

• Estudiar la utilización de formas de empalme del acero que permitan mayor seguridad,

sujetadores, soldadura exotérmica, que eviten la formación de gap entre varillas de

refuerzo.

Ampliar a través de la academia el conocimiento de : • Compatibilidad electroquímica de la conexión Cu – Acero

• Integrar criterios arquitectónicos y de ingeniería civil, ya que estos no contemplan el

sistema de protección contra rayos.

• Estudio económico de la utilización de columnas de concreto reforzado como bajantes

y distribuidoras de rayos, garantizando la continuidad de las varillas de refuerzo a

utilizar.

• Como afecta la soldadura las propiedades eléctricas

• Vida útil del acero, mecánica y eléctrica

• Dinámica a alta frecuencia - Efecto Películar

• Acumulación de energía que no se puede transmitir a alta velocidad

• Esfuerzo térmico individual y de las combinaciones

• Esfuerzo mecánico individual y de las combinaciones

77

7. BIBLIOGRAFIA

[1] Norma Colombiana de Diseño y Construcción Sismo Resistente. NSR 098. Bogotá,

Colombia, 1998.

[2] Norma Técnica Colombiana NTC 4552 Protección contra Descargas Eléctricas

Atmosféricas, 1999-07-28

[3] Norma Técnica Colombiana NTC 2289 Barras y Rollos corrugados de acero de baja

aleación y termo tratados para refuerzo de concretos. 2000-05-17 Quinta Modificación.

[4] SANDINO P., Alejandro. “HORMIGON” Facultad de ingeniería Universidad Nacional de

Colombia.

[5] HAMMOND, E., and ROBSON, T.D:, “Comparison of Electrical Properties of Varios

Cements and Concretes.” The Engineer, London, January-1955.

[6] HENRY, Robert L., “Water Vapor Transmission and electrical Resistivity of Concrete,

Final Report.” U.S. Naval Civil Engineering Laboratory, Port Hueneme, California. June

1964.

[7] H.W.Whittington,McCarterJ,Forde M.C. “The Conduction of Electricity Through

Concrete.” Magazine of Concrete Research, March 1981.

[8] NIKKANEN, P., ”On the electrical Properties of Concrete and Their Applications,”.

Valtion Teknillinen Tutkimuslaitos, Tiedotus, Sarja III 1962.

[9] MONFORE, G.E. Principal Research Physicist,Applied Research Section, Research

and Development Laboratories, Portland Cement Association.

78

[10] LAKEMA, Albert. “CONCRETO REFORZADO - Principios Elementales”, Compañía

Distribuidora de Cementos Colombianos. Segunda Edición.

[11] ESCUDERO, Antonio. “Hormigón Armado.”

[12] FORERO Juan C, VIAÑA, José L., “Especificación de los elementos y algunos

materiales del sistema externo de protección contra rayos.” Proyecto de Grado

Universidad Nacional de Colombia, Ingeniería Eléctrica, Bogotá, 2000.

[13] Norma Técnica Colombiana NTC 550. Elaboración y Curado de Especímenes de

concreto en obra. 2000-06-21 Quinta Modificación. Equivale ASTM C31

[14] Norma Técnica Colombiana NTC 673 Ensayo de resistencia a la compresión de

cilindros de concreto . 2000-06-21 Segunda Modificación. Equivale ASTM C39

[15] Norma Técnica Colombiana NTC-1776 Método de Ensayo para determinar por

secado el contenido total de humedad de los agregados.

[16] International Standard IEC 61024-1-1, Protectión of Structures Against Lightning part

1: General Principles Guide A-Selectión of protectión Levels for Lightning protection

System, first edition 1993-03

[17] IEC 243-3 Methods of Test for Electrical Strengt of Solid insulating material

[18] METALS HANDBOOK, Properties and selectión of metals, volume 1, American

Society for Metals, Taylor, Lyman.

[19] KUZHEKIN, Ivan. Verhatten van funkenstreckn unter Wasser bei Impusspannung und

Impulsstrombeans pruchung. ETZA Bol 93 1972.

[20] SECUE R., Janneth R., PINEDA P., Pedro J. “Análisis del comportamiento dieléctrico

de los materiales Higroscópicos. Proyecto de Grado Universidad Nacional de Colombia,

Ingeniería Eléctrica, Bogotá 2000.

79

[21] International Standard IEC 61024-1-2, Protectión of Structures Against Lightning part

1-2: General Principles Guide B- Design, Installation, Maintance and Inspection of

Lightning protection System, first edition 1998-05

[22] ALBA Díaz, Diego, DELGHANS, Edwin Isaac, “Concretos Conductivos”, Proyecto de

Grado Universidad Nacional de Colombia, Ingeniería Eléctrica, Bogotá 1998.

[23] KURAMOTO Shcichi, SATO Masajani y OHTA Minoru, Surge Current and Voltage

Distribution in Reinforced Concrete Building Caused by Direct Lighning Stroke IEEE 1991

[24] EFFECTS OF LIGHTNING ON ASSETS, FACILITIES AND STRUCTURES.

NATIONAL LIGHTNING SAFETY INSTITUTE (NLSI) FACILITIES PROTECTION 1995

80

ANEXO A

ESPECIFICACIONES DE LOS EQUIPOS

Generador de Impulsos de Corriente Los parámetros básicos del generador se encuentran representados en la Figura 13

• Tensión máxima nominal: 80 kV; 100kV a nivel del mar

• Energía máxima de carga: 55 kJ; 80 kJ a nivel del mar

• Energía por condensador al máximo voltaje de carga: 7kJ; 10 kJ a nivel del mar

• Capacidad por condensador: 2uf

• Número de Condensadores: 8, para generar onda 8/20us se utilizan 4

• Relación del Divisor de Voltaje: 40,6

• Resistencia shunt: 1mΩ

Generador de Impulsos de Tensión Los parámetros básicos del generador se encuentran representados en la Figura 15

• Tensión máxima nominal: 1000kV a nivel del mar

• Energía máxima: 30 kJ a nivel del mar

• Número de etapas del generador: 10

• Cc: Capacidad de carga equivalente del generador, 2,4µf/etapa

• Espinterómetro: Explosores de acople para la descarga en serie de las etapas del

generador, φ 500mm

• Rc: Resistencia en paralelo equivalente del circuito, 115Ω/etapa

• Rf: Resistencia del frente de onda, 460Ω

• Ra: Terminal de acople, 75Ω

• DIAS: Osciloscopio Digital de Picos de Tensión, Precisión 1%

• Rad: Resistencia de acople del divisor capacitivo, 1500Ω

• Divisor Capacitivo Amortiguado, relación de transformación 724,6

• Cfa: Capacidad de alta tensión del divisor, 667pf

81

• Cfb: Capacidad de baja tensión del divisor, 46nf

• Resistencia shunt: 498,8mΩ

82

ANEXO B

MEMORIA DE CÁLCULOS

PROFUNDIDAD DE PENETRACIÓN

El área efectiva a través de la cual fluye corriente en la barra o varilla de refuerzo para el

concreto a una frecuencia de 20kHz, que es la frecuencia de la señal de corriente

subamortiguada que se determina a partir de simulaciones en , asumiendo que el equipo

de prueba esta en cortocircuito, lo cual es muy similar a la situación del concreto

reforzado.

ρ: Resistividad de la Varilla de acero para refuerzo de concreto es un resultado

experimental. Ver Numeral 4.1.1

σ = ρ1

σ = mSE

mE6

8 65.4*5.21

1=

Ω−

µσδ

**2w

= 76 4*300*)20000*2(*65.42

−=EE ππ

δ mm1.0≈δ

δ es la profundidad de penetración medida en metros,

σ es la conductividad de la varilla de acero, medida en S/m,

w en la frecuencia angular en rad/s

µ es la permeabilidad de la varilla de acero medida en H/m.

µ0 es la permeabilidad del vacío. µ0 =4πE-7 en H/m.

µr es la permeabilidad relativa de la varilla de acero.

CALCULO DE LA RESISTENCIA DEL EMPALME DE REFUERZO CONTINUO

Ω== mrLR 5.39***2

*δπ

ρ

83

ρ: Resistividad de la Varilla de Acero Corrugado para refuerzo de concreto 9M.

δ: Profundidad de penetración a 20kHz.

L: Longitud total de las dos secciones de varilla que forman el empalme.

r: Radio de la varilla de refuerzo

ρ: 21.5E-8Ω-m

δ:=0.1E-6m

r =4.5mm

L:. (0.28+0.23+0.04) m = 0.55m ; 0.04m corresponde longitud de corrección debido al

empalme en la varilla de refuerzo del concreto.

TENSIÓN INDUCIDA EN EL CIRCUITO DE MEDIDA, UTILIZANDO EL GENERADOR DE IMPULSOS DE CORRIENTE CON PROBETAS CILÍNDRICAS DE CONCRETO REFORZADO, CON REFUERZO CONTINUO

Ley de Ampere

id =•Β∫ ll 0µ

ρπµ

φ *2*0 I

=Β ∫ •Β=Ψ SM d

i

dl

Bi(t)

V(t)

Ley de Biot Savart

dvRaJ

dB R2

*0

*4πµ ×

= ρ φ z

84

[ ]23

22

0 )()(4 Z

ZaadzaIB zz

L

L +

−×= ∫

− ρ

ρπ

µ ρ L= 0.26m

L: Es la mitad de la altura que separa los conductores horizontales y paralelos que llevan

la medida al divisor de tensión.

)(2 22

0

LLIa

B+

=ρπρ

µρ )(2 φρ aLds −=

∫ •Β=Ψ SM d ρρπρ

µd

LLIR

rM

)(2

2 22

20

+−=Ψ ∫

r: Radio de la varilla de refuerzo de concreto. r=0.0045m

R: Es la distancia horizontal medida desde el centro de la varilla hasta el divisor de

tensión. R=0.60m

IM *10*34.2 7−−=Ψ

La tensión medida utilizando el divisor de tensión, de equipo de generación de impulsos

de corriente GIC, es

tRiV

∂∂

−=ϕ*

R: Es la Resistencia del refuerzo del concreto a la frecuencia de la señal de corriente

20kHz. Valor obtenido a través de la profundidad de penetración

t∂∂

−ϕ

: Es la tensión inducida en el lazo de medición.

[ ]AtwSeneIti dt )*(**)( *α−=


i(t) : Corriente que circula por el circuito de característica subamortiguado.

85

Ver Figura 13 Circuito del generador de impulsos de corriente. Rop: Objeto de prueba

skruHL

R /5.2006.8*2

33.0*2

=Ω

==α

skradufuHCL

w /5.1248*06.8

1*

10 ===

skradwwd /8..12220500124500 22220 =−=−= α

[ ]AtSeneti t )122800(**77000)( 20000−=


IM *10*34.2 7−−=Ψ

( ) )*122800(**10*03.18 *200003 tSenet tM

−−−=Ψ

[ ]VtSenetCoset

tt )122800(**360)122800(**2215 2000020000 −− −=∂∂

−ϕ

[ ]AtSeneti t )122800(**38500)( 20000−=


IM *10*34.2 7−−=Ψ

( ) )*122800(**10*01.9 *200003 tSenet tM

−−−=Ψ

[ ]VtSenetCoset

tt )122800(**180)122800(**1100 2000020000 −− −=∂∂

−ϕ

86

ENERGÍA ESPECÍFICA INYECTADA UTILIZANDO EL GENERADOR DE IMPULSOS DE CORRIENTE CON PROBETAS CILÍNDRICAS DE CONCRETO REFORZADO, CON REFUERZO CONTINUO

[ ]Ausi 60000)12( = a tensión de alimentación de 72Kv

[ ]AtSeneti t )122800(**77000)( 20000−=

( )∫−

−=610100

0

220000 )122800(**77000x

tS dttSenew

ws = 7.1 x 104 [J/s]


[ ]AtSeneti t )122800(**38500)( 20000−=

( )∫−

−=610100

0

220000 )122800(**38500x

tS dttSenew

ws = 1.8 x 104 [J/s]

87

ANEXO C

RESULTADOS DE IMPULSOS DE CORRIENTE A PROBETAS CILÍNDRICAS SECAS Y HÚMEDAS CON REFUERZO CONTINUO

T: 19,0ºC H:37% 36 Kv


Corriente en la Probeta (kA) Impulso No. Tensión en la

Probeta (kV)Corriente en la

Probeta (kA)

1 1.4 29.9 11 1.4 29.92 1.4 29.9 12 1.4 29.93 1.3 29.9 13 1.4 29.94 1.4 29.9 14 1.4 29.95 1.4 29.9 15 1.4 29.96 1.3 29.9 16 1.4 29.97 1.4 29.9 17 1.4 29.98 1.4 29.9 18 1.4 29.99 1.4 29.9 19 1.4 29.9

10 1.4 29.9 20 1.4 29.9

Probeta seca a baja corriente No.2Tensión de Alimentación


Tabla 42 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de baja corriente No.2.

T: 19,0ºC H:37% 36 Kv




Probeta (kA)

1 1.6 29.6 11 1.6 29.62 1.6 29.6 12 1.6 29.63 1.6 29.6 13 1.6 29.64 1.6 29.6 14 1.6 29.65 1.6 29.6 15 1.6 29.66 1.6 29.6 16 1.6 29.67 1.6 29.6 17 1.6 29.68 1.6 29.6 18 1.6 29.69 1.6 29.6 19 1.6 29.6

10 1.6 29.6 20 1.6 29.6




88

T: 19,0ºC H:37% 36 Kv




Probeta (kA)

1 1.4 29.9 11 1.4 30.22 1.2 29.9 12 1.4 30.23 1.4 29.9 13 1.3 30.24 1.4 29.9 14 1.4 30.25 1.3 29.9 15 1.4 30.26 1.3 29.9 16 1.3 30.27 1.4 29.9 17 1.3 30.28 1.4 29.9 18 1.4 30.29 1.4 29.9 19 1.4 30.2

10 1.4 29.9 20 1.3 30.2




T: 19,0ºC H:37% 36 Kv




Probeta (kA)

1 1.4 30.2 11 1.4 30.22 1.3 30.2 12 1.4 30.23 1.4 29.9 13 1.5 30.24 1.4 29.9 14 1.4 30.25 1.4 29.9 15 1.5 30.26 1.4 30.2 16 1.4 30.27 1.4 30.2 17 1.5 30.28 1.4 30.2 18 1.5 30.29 1.4 30.2 19 1.4 30.2

10 1.4 30.2 20 1.6 30.2

Tensión de Alimentación Impulsos cada 32 segundos. Onda 8/20us

Probeta seca a baja corriente No.5


89

T: 18.5ºC H: 40% 72 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 2.6 60.4 11 2.6 60.42 2.6 60.4 12 2.7 60.43 2.6 60.4 13 2.7 60.44 2.6 60.4 14 2.6 60.45 2.6 60.4 15 2.7 60.46 2.6 60.4 16 2.5 60.47 2.5 60.4 17 2.6 60.48 2.7 60.4 18 2.7 60.49 2.5 60.4 19 2.6 60.4

10 2.7 60.4 20 2.7 60.4



Tabla 46 Probeta de concreto reforzado seca a impulso de alta corriente No.2.

T: 18.5ºC H: 40% 72 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 2.5 59.8 11 2.6 60.42 2.5 59.8 12 2.7 55.43 2.6 59.8 13 2.7 55.24 2.6 60.4 14 2.6 55.25 2.5 60.4 15 2.7 56.46 2.5 60.4 16 2.7 56.97 2.5 60.4 17 2.7 58.78 2.6 60.4 18 2.7 61.09 2.6 60.4 19 2.7 61.0

10 2.6 60.4 20 2.7 61.0

Probeta seca a alta corriente No.3Tensión de Alimentación



90

T: 18.5ºC H: 40% 72 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 2.7 59.8 11 2.7 60.42 2.7 60.4 12 2.7 60.43 2.7 60.4 13 2.7 60.44 2.7 60.4 14 2.7 60.45 2.7 60.4 15 2.7 60.46 2.7 60.4 16 2.7 60.47 2.7 60.4 17 2.7 60.48 2.7 60.4 18 2.7 60.49 2.7 60.4 19 2.7 60.4

10 2.7 60.4 20 2.7 60.4




T: 18.5ºC H: 40% 72 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 2.7 59.8 11 2.7 60.42 2.7 59.8 12 2.7 60.43 2.7 60.4 13 2.7 60.44 2.7 60.4 14 2.7 59.35 2.7 60.4 15 2.7 60.46 2.7 60.4 16 2.7 60.47 2.7 60.4 17 2.7 60.48 2.7 60.4 18 2.7 60.49 2.7 60.4 19 2.7 60.4

10 2.7 60.4 20 2.7 60.4

Probeta seca a alta corriente No.5Tensión de Alimentación



91

T: 20.8ºC H:35% 36 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 1.4 29.9 11 1.4 29.92 1.3 29.9 12 1.4 29.93 1.4 29.9 13 1.4 29.94 1.4 29.9 14 1.4 29.95 1.4 29.9 15 1.4 29.96 1.4 29.9 16 1.4 29.97 1.4 29.9 17 1.4 29.98 1.4 29.9 18 1.4 29.99 1.4 29.9 19 1.4 29.9

10 1.4 29.9 20 1.3 29.9




T: 20.8ºC H:35% 36 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 1.4 29.9 11 1.4 29.92 1.3 29.9 12 1.4 29.93 1.4 29.9 13 1.4 29.94 1.4 29.9 14 1.4 29.95 1.4 29.9 15 1.4 29.96 1.4 29.9 16 1.4 29.97 1.4 29.9 17 1.4 29.98 1.4 29.9 18 1.4 29.99 1.4 29.9 19 1.4 29.9

10 1.4 29.9 20 1.3 29.9




92

T: 20.8ºC H:35% 36 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 1.4 29.9 11 1.4 29.92 1.3 29.9 12 1.4 29.93 1.4 29.9 13 1.4 29.94 1.4 29.9 14 1.4 29.95 1.4 29.9 15 1.4 29.96 1.4 29.9 16 1.4 29.97 1.4 29.9 17 1.4 29.98 1.4 29.9 18 1.4 29.99 1.4 29.9 19 1.4 29.9

10 1.4 29.9 20 1.3 29.9





93

T: 19.5ºC H:51% 72 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 2.6 60.4 11 2.6 60.42 2.6 60.4 12 2.6 60.43 2.6 60.4 13 2.6 60.44 2.6 60.4 14 2.6 61.65 2.6 60.4 15 2.6 60.46 2.6 60.4 16 2.6 60.47 2.6 60.4 17 2.6 60.48 2.6 60.4 18 2.6 60.49 2.6 60.4 19 2.6 60.4

10 2.6 60.4 20 2.6 61.0



Tabla 54 Probeta de concreto reforzado húmeda a impulso de alta corriente No.2.

T: 19.5ºC H:51% 72 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 2.6 60.4 11 2.6 60.42 2.6 60.4 12 2.6 60.43 2.6 60.4 13 2.6 60.44 2.6 60.4 14 2.6 60.45 2.6 60.4 15 2.6 60.46 2.6 60.4 16 2.6 60.47 2.6 60.4 17 2.6 60.48 2.6 60.4 18 2.6 60.49 2.6 60.4 19 2.6 60.4

10 2.6 60.4 20 2.6 60.4




94

T: 19.5ºC H:51% 72 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 2.6 60.4 11 2.6 60.42 2.6 60.4 12 2.6 60.43 2.6 60.4 13 2.6 61.04 2.6 60.4 14 2.6 60.45 2.6 60.4 15 2.6 60.46 2.6 60.4 16 2.6 60.47 2.4 60.4 17 2.6 60.48 2.6 60.4 18 2.6 61.09 2.6 60.4 19 2.6 60.4

10 2.6 60.4 20 2.6 61.0




T: 19.5ºC H:51% 72 Kv

Número de Impulso



Número de Impulso



1 2.6 60.4 11 2.6 60.42 2.6 60.4 12 2.6 60.43 2.6 60.4 13 2.6 60.44 2.6 60.4 14 2.6 60.45 2.6 60.4 15 2.6 60.46 2.6 60.4 16 2.6 60.47 2.6 60.4 17 2.6 60.48 2.6 60.4 18 2.6 60.49 2.6 60.4 19 2.6 60.4

10 2.6 60.4 20 2.6 60.4




95

RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE IMPULSOS DE TENSIÓN A LAS PLACAS DE CONCRETO SECAS Y HÚMEDAS

Electrodos

Punta-Punta Relación de Transform.

724.6 Shunt

5.4mOhmsT: 20,8ºC H:52% Espesor

46 mm


Tensión de carga

(kV)

Tensión pico en la Placa (kV)

Corriente pico en la Placa (A)

Fenómeno Tensión de carga

(kV)



Fenómeno

24 23.8 0 Ninguno 54 44.9 182.4 Disrup.

26 26 0 Ninguno 54 46.2 196.6 Disrup.

28 27.7 0 Ninguno 54 44.4 188.7 Disrup.

30 29.9 0 Ninguno 54 44 188.7 Disrup.

32 31.7 0 Ninguno 54 44 195 Disrup.

34 33.4 0 Ninguno 52 44.9 188.7 Disrup.

36 35.2 0 Ninguno 50 43.1 195 Disrup.

38 37 0 Ninguno 48 43.6 196.6 Disrup.

40 38.3 20 Conducción 46 41.8 180.8 Disrup.

42 39.6 28 Conducción 44 40.5 162 Disrup.


46 43.1 26.9 Conducción 40 37.8 149.4 Disrup.



52 47.5 30 Conducción 34 32.6 119.5 Disrup. Cola

54 48.4 70.6 Disrup. 32 30.8 106.9 Disrup. Cola


54 44.9 154 Disrup. 28 27.3 86.5 Disrup. Cola

54 44.9 160 Disrup. 26 25.5 0 Ninguno

54 44.9 160 Disrup. 26 26 0 Ninguno

Tabla 58 Punto 2 de la placa seca sometida a impulsos de tensión.

96

Electrodos


724.6 Shunt


43 mm


Tensión de carga

(kV)




(kV)



Fenómeno

28 27.7 0 Ninguno 62 49.7 199.7 Disrup.

30 27.7 0 Ninguno 62 48 117.9 Disrup.

32 29.5 0 Ninguno 62 44.4 180 Disrup.

34 33 0 Ninguno 62 47.5 199.7 Disrup.

36 34.8 0 Ninguno 62 45.8 199.7 Disrup.

38 36.5 0 Ninguno 60 46.2 198.1 Disrup.

40 38.3 0 Ninguno 58 45.3 199.7 Disrup.

42 40 25 Conducción 56 44.4 196.6 Disrup.


46 43.1 31.4 Conducción 52 43.6 173 Disrup.


50 46.6 33 Conducción 48 43.1 173 Disrup.

52 48 36.2 Conducción 46 41.8 160.4 Disrup.

54 49.3 34.3 Conducción 44 40 157.2 Disrup.

56 51 34.6 Conducción 42 38.7 151 Disrup.


60 54.1 114.8 Disrup. Cola 38 35.6 144.7 Disrup.

60 53.7 39.3 Conducción 36 33.9 105.4 Disrup. Cola

62 54.1 130.5 Disrup. Cola 34 32.6 92.8 Disrup

62 54.6 111.6 Disrup. 32 30.8 48.7 Disrup

62 54.6 92.8 Disrup. 30 29 86.5 Disrup. Cola


62 48 199.7 Disrup. 26 25.5 0 Ninguno

Tabla 59 Punto 3 de la placa seca sometida a impulsos de tensión

97

Electrodos


724.6 Shunt


50mm


Tensión de carga

(kV)






Fegnómeno

30 29.5 0 Ninguno 78 61.6 191.8 Disrup.

32 31.2 0 Ninguno 78 60.7 199.7 Disrup.

34 33 0 Ninguno 78 63.4 199.7 Disrup.

36 34.8 0 Ninguno 78 62.9 199.7 Disrup.

38 36.5 0 Ninguno 78 63.4 199.7 Disrup.





48 44 28 Conducción 76 61.2 199.7 Disrup.



54 48 36.2 Conducción 70 58.1 199.7 Disrup.


58 51.5 34.6 Conducción 66 55.9 199.7 Disrup


62 54.1 44 Conducción 62 53.7 177.7 Disrup


66 56.3 51.9 Conducción 56 50.6 190 Disrup






78 62.9 114.8 Disrup. 34 31.2 0 Ninguno


98

Electrodos


724.6 Shunt


45mm


Tensión de carga

(kV)






Fenómeno

40 38.7 0 Ninguno 66 55.9 154.6 Disrup.

42 40 0 Ninguno 66 56.3 193.4 Disrup.







56 50.6 39 Conducción 54 48 139.6 Disrup. Cola

58 51.9 40 Conducción 50 45.3 131 Disrup. Cola




66 56.3 99.8 Disrup. 34 33 117 Disrup. Cola


66 55.9 154.6 Disrup. 26 25.5 0 Ninguno

66 55.9 154.6 Disrup. --------- -------- -------- ----------


99

Electrodos Punta-Punta

Relación de Transform. 724.6

Shunt 5.4mOhms

T: 17,3ºC H:55% Espesor 45mm


Tensión de carga

(kV)






Fenómeno

30 23.8 29.9 Conducción 60 38.7 81.8 Conducción

32 24.6 33 Conducción 62 39.2 88.1 Conducción

34 25.5 34.6 Conducción 64 40 92.8 Conducción


38 28.2 40.9 Conducción 68 41.8 100 Conducción




46 32.6 55 Conducción 76 45.3 115.1 Conducción

48 33 59 Conducción 78 46.2 118.9 Conducción




56 37 75.5 Conducción 100 53.2 166 Conducción


Tabla 62 Punto 1 de la placa húmeda sometida a impulsos de tensión

Electrodos


724.6 Shunt


40mm


Tensión de carga

(kV)






Fenómeno

20 17.2 0 Ninguno 70 40.9 101.9 Conducción

30 23.8 30.2 Conducción 80 44 120 Conducción

40 29 47.2 Conducción 90 47.1 145.3 Conducción

50 - 4 33 64.2 Conducción 100 50.2 166 Conducción

60 37 84.9 Conducción ------ -------- -------- ----------


100

Electrodos Punta-Punta

Relación de Transform. 724.6

Shunt 5.4mOhms

T: 16ºC H:56% Espesor 41 mm


Tensión de carga

(kV)






Fenómeno

20 18 0 Ninguno 70 41.4 96.2 Conducción


40 28.6 30.6 Conducción 90 48 137.7 Conducción


60 37.4 77.4 Conducción ------ -------- -------- ----------


Electrodos


724.6 Shunt

5.4mOhmsT: 16ºC H:56% Espesor

40mm


Tensión de carga

(kV)






Fenómeno

20 16.7 0 Ninguno 70 46.9 96.2 Conducción




60 37.4 77.4 Conducción ------ -------- -------- ----------


101

RESISTENCIA ELÉCTRICA DE PROBETAS CILÍNDRICAS CON REFUERZO CONTINUO


Polaridad V (mV) I (A) R(mOhms)

Polaridad V (mV) I (A) R (mOhms)

+ 117 46.1 2.5 + 100 44.9 2.2

129 50.8 2.5 112 50.2 2.2

- -119 -45.8 2.6 - -102 -45.2 2.3

-131 -50.9 2.6 -114 -50.5 2.3

Tabla 66 Resistencia eléctrica Probeta seca 1 con refuerzo continuo




+ 110 45.9 2.4 + 104 45 2.3

123 51.7 2.4 116 50.4 2.3

- -112 -46.2 2.4 - -104 -44.7 2.3

-125 -51.2 2.4 -116 -50.1 2.3





+ 285 46.1 6.2 + 280 45.3 6.2

296 50.9 5.8 298 50.9 5.9

- -260 -45.5 5.7 - -269 -44.9 6.0

-292 -50.3 5.8 -285 -50.4 5.7


102




+ 111.2 46.4 2.4 + 128 45.1 2.8

124.1 51.4 2.4 140 50.8 2.8

- -110 -46 2.4 - -128 -45.8 2.8

-124 -50.8 2.4 -142 -51.3 2.8

Tabla 69 Resistencia eléctrica Probeta húmeda 1 con refuerzo continuo




+ 76 46 1.7 + 100 45.9 2.2

84 51 1.6 112 51.3 2.2

- -78 -46.7 1.7 - -99 -45 2.2

-86 -51.6 1.7 -111 -50.2 2.2





+ 197 46.9 4.2 + 160 45 3.6

220 51.8 4.2 182 50.3 3.6

- -198 -46.5 4.3 - -164 -46.1 3.6

-221 -51.6 4.3 -184 -51.5 3.6


estudio del comportamiento del concreto …

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