ANALISIS DINAMICO DE VIGAS DE HORMIGON ARMADO, AFECTADAS POR LA CORROSION DE SUS ARMADURAS

Nstor ORTEGA - Vctor CORTINEZ - Salvador LA MALFA - Mara SCHIERLOH

RESUMEN Las estructuras de hormign armado poseen una determinada vida til; durante este proceso sufren una paulatina degradacin de sus propiedades qumicas y fsicas, que merman su capacidad portante. La mayora de estos procesos afectan a las armaduras, provocando la corrosin de las mismas y los productos de esta corrosin producen la fisuracin del recubrimiento, acentuando an ms el proceso degradatorio. Como consecuencia de la corrosin se produce una merma de la seccin de las armaduras y de la seccin til del hormign. Por este motivo, aqu se presentan los resultados obtenidos con una serie de vigas de hormign armado, a las que se les aplic un proceso galvanosttico de corrosin acelerada. Durante este proceso se determin el cuadro de fisuracin que se presentaba, a medida que aumenta la penetracin media del ataque a las barras.

Por otra parte, el dao por corrosin afecta la rigidez de las vigas debido a la disminucin del momento de inercia efectivo. Dicha merma de rigidez debe inducir una variacin en el comportamiento dinmico que puede ser analizado mediante la identificacin del cambio en el valor de las frecuencias naturales de la estructura. Este hecho sugiere la interesante posibilidad de mensurar el grado de dao producido mediante la medicin y el anlisis de dichas frecuencias. En este trabajo se presenta un estudio experimental preliminar sobre la variacin inducida por corrosin de la frecuencia natural de vibracin de vigas de hormign armado. Autores:

Nstor F. ORTEGA: Ingeniero Civil, Doctor en Ingeniera U.N.Sur, Posdoctorado en el C.E.D.E.X.,Madrid, y en el Inst. E.Torroja, Madrid. Profesor Adjunto y Jefe del Lab. de Modelos Estructu-rales, Dep. Ingeniera, U.N.Sur. Dirige tres tesis y dos Proyectos de Investigacin. Vctor H. CORTINEZ: Ingeniero Civil, Doctor en Ingeniera U.N.Sur. Profesor Titular, Director del Grupo Anlisis de Sistemas Mecnicos, U.T.N. (F.R. Baha Blanca). Es tambin investigador del CONICET. Actualmente dirige el proyecto Mecnica Estructural de Materiales Compuestos. Es autor de ms de cien publicaciones cientficas.

Salvador LA MALFA: Profesional Principal CONICET, Dep. Ingeniera, U.N.Sur. Profesor Adjunto, Grupo Anlisis de Sistemas Mecnicos de la U.T.N.-F.R.B.Blanca. Posee ms de ochenta publicaciones y notas tcnicas sobre Vibraciones Mec., Ruido, Instrumentacin, etc.

Mara I. SCHIERLOH: Ingeniera Civil, U.T.N.-F.R. Concepcin del Uruguay. Tesista de Magister en Ingeniera, U.N.Sur. Becaria FOMEC. Ayudante U.T.N.-F.R. Concepcin del Uruguay.

1. INTRODUCCIN

El hormign armado es uno de los materiales cuyo uso est ms difundido en la industria de la construccin. En las ltimas dcadas se ha demostrado que su durabilidad se ve afectada por diversas causas, por ello, no solo debe cumplir con las exigencias de resistencia, sino que adems debe ser durable. Por la accin de los cloruros, que penetran por la estructura de poros del hormign o por la carbonatacin, se produce la corrosin de las armaduras metlicas, que se manifiesta en la merma de la seccin transversal de las armaduras y, por la accin expansiva de los productos de corrosin, se reduce la seccin til del hormign, debido a la fisuracin del recubrimiento [1,3,4,12]. De esta manera disminuye el momento resistente de la viga y se pierde la adherencia entre el hormign y el acero [14,6], todo lo cual, termina afectando a la capacidad portante del elemento [15,16, 18]. Mediante el empleo de las tcnicas clsicas de anlisis, resulta difcil la deter-minacin de esta capacidad portante remanente de los elementos afectados. Por este motivo, se suele abordar el tema mediante el modelado con el Mtodo de los Elementos Finitos [5]. No obstante, siempre existe incertidumbre en el valor de ciertos parmetros que caracterizan al comportamiento mecnico de una estructura. Con este objetivo, se han realizado diversos estudios experimentales, para hallar la capacidad portante residual, ante la accin de solicitaciones estticas [13,15,16] o dinmicas. [18] El dao inducido por corrosin afecta fundamentalmente a los parmetros que gobiernan la rigidez de la viga. Dicha flexibilidad adicional, se refleja en el comportamiento dinmico de la estructura ya que las frecuencias naturales de vibracin deben disminuir. Luego, la medicin de las mismas sera un indicio del grado de dao de la estructura. Este tipo de anlisis experimental es muy conveniente ya que se trata de ensayos no destructivos que pueden ser realizados con la estructura en servicio [18]. Por otra parte dichas mediciones son en general fciles de realizar y tratndose de parmetros globales pueden ser efectuadas en cualquier punto de la viga. Esta metodologa presenta un gran potencial, considerando que la prdida de rigidez podra ser correlacionada con la capacidad portante, en consecuencia esta ltima podra ser estimada por medio de ensayos de relativa simplicidad. El mtodo de evaluacin de dao mediante el anlisis experimental de vibraciones, cuando se lo combina con la teora de vibraciones de estructuras y tcnicas de anlisis inverso, presenta una ventaja adicional consistente en la posibilidad de determinacin tanto de la localizacin como de la intensidad del dao [21] En el presente artculo se presentan resultados preliminares, que tienen como objetivo evaluar el orden de magnitud de la variacin de la frecuencia fundamental de vigas atacadas por corrosin, en funcin de las diferentes variables involucradas en el problema. El proceso de corrosin se realiz acelerndolo, mediante un galvanostato, para que el mismo dure aproximadamente unos 100 das.

Debido a que la calidad del hormign puede ser variable, a causa de distintos factores, por ejemplo: granulometras, distintos tipos de roca que dieron origen al agregado grueso, formas de ridos y diferentes tipos de curados, se analizaron 12 vigas, en las que se presentaron distintas combinaciones de estos factores. El proceso de corrosin fue acompaado por determinaciones peridicas de la frecuencia fundamental de vibracin mediante el mtodo de excitacin forzada, utilizando un analizador espectral tipo CSI 1900. Este trabajo es la primera parte de una serie de ensayos que se estn realizando, para correlacionar la degradacin de distintas estructuras de hormign armado, con su respuesta dinmica. 2. TRABAJO EXPERIMENTAL 2.1. Fabricacin de las probetas Se consideraron variables para el presente trabajo, las siguientes caractersticas:

a- Granulometras discontinuas: se trabaj con ridos finos que poseen los Mdulos de Finura entre 2,40 y 2,88. ridos gruesos con tamao mximo nominal de: 19 y 26,5 mm. Todos de acuerdo a la Norma IRAM 1627 [10];

b- Distintos tipos de origen del agregado grueso: Cuarctico y Canto Rodado [7];

c- Distintas formas de los ridos: de origen meterico y de trituracin; y

d- Diferentes tipos de curados: en ambiente interior, expuestas al viento, en mufla a 40 C y curado hmedo (normalizado segn Norma IRAM 1534[9] ).

Se fabricaron vigas de hormign armado, y se moldearon probetas cilndricas, con el objeto de caracterizar su comportamiento mecnico (compresin y traccin indirecta) y determinar su porosidad (ensayos de permeabilidad y capilaridad). En estas vigas se han variado los parmetros anteriormente mencionados, debido a que resulta de inters analizar la influencia de la calidad del hormign del recubrimiento sobre el proceso de corrosin.

El hormign fue elaborado manteniendo constante la relacin agua/cemento (a/c) en 0,60, valor que se encuentra dentro del entorno que normalmente se usa en las estructuras resistentes. Con esta relacin a/c, utilizando ridos bien graduados y un adecuado curado, se obtienen hormigones tipo H -17. Se emple Cemento Portland Normal CP40, proveniente de la Prov. de Bs. As. Las dosificaciones usadas se detallan en la Tabla 1; las mismas estn expresadas en peso de los componentes y referida a 1m de mezcla.

Tabla 1. Detalle de las dosificaciones usadas, por m3 de mezcla.

Mezclas N 1 4 5 6

Cont. de cemento ( kg. ) 300 300 290 283

Arido fino Arena Fina Arena Mezcla Arena Fina Arena Trituracin Contenido ( kg ) 1035 1049 872 938

Arido Grueso P. Partida Cuarctica P. Partida Cuarctica

Canto Rodado

Canto Rodado

Contenido ( kg. ) 840 826 1050 1010 Tamao Mx. del Arido ( mm ) 19 19 26,5 26,5

Se fabricaron dos tipos de probetas:

a- Las de hormign armado, poseen las siguientes dimensiones: 8 x 16 x 110 cm, armadas con barras de acero de dureza natural (ADN 420, IRAM-IAS U 500-528), de dimetro nominal: 4,2 mm y estribos de acero liso, cuyo dimetro nominal es: 2,1 mm, con un recubrimiento constante de 10 mm. stas fueron las usadas en los ensayos de corrosin acelerada. El llenado de los moldes se hizo en dos capas, compactndose mediante vibrador de laboratorio;

b- Las cilndricas de hormign (15 x 30 cm), fueron empleadas en los ensayos de permeabilidad (IRAM 1554) [46], absorcin capilar [20] y mecnicos: resistencia a compresin (IRAM 1546) [8] y a traccin indirecta (IRAM 1658) [11]. Se moldearon de acuerdo con la normativa vigente en nuestro pas (IRAM 1534) [9].

2.1.1. Curado de las probetas

Despus de fabricadas, las probetas se curaron en sus moldes, durante las primeras 24 hs en condiciones de laboratorio (20 2 C y HR 50 %), convenientemente cubiertas, para evitar la prdida de humedad. Una vez desmoldadas, cada serie se cur de acuerdo con el siguiente detalle:

Serie A: en ambiente interior de laboratorio: 20 2 C y HR 50%, hasta completar los veintiocho das;

Serie B: en mufla durante los primeros siete das a una temp. 40 5 C y HR 13%, luego en ambiente de laboratorio hasta completar los veintiocho das;

Serie C: bajo la accin del viento producido artificialmente en laboratorio, con una velocidad de 10 1 Km./h, durante los primeros siete das, y en ambiente de laboratorio hasta completar los veintiocho das; y

Serie D: en ambiente hmedo, durante los veintiocho das en laboratorio con las siguientes condiciones: 20 2 C y HR > 90 %, segn las especificaciones de la Normas IRAM 1534 (3).

2.2. Mtodo acelerado de corrosin

Con el fin de acelerar la corrosin se aplic una corriente constante a travs de las armaduras, para hacerlas actuar como nodo, mediante un galvanostato. La densidad de corriente empleada fue icorr = 100 A/cm, valor correspondiente a unas diez veces el valor mximo de la densidad de corrosin, medido en estructuras de hormign altamente corrodas y contaminadas con cloruros [17]. Se emple esta corriente con el objeto de obtener, en un perodo de aproximadamente 100 das, una penetracin media de la corrosin de un mnimo de 0,30 mm.

La zona afectada por la corrosin fue definida por los contraelectrodos, realizados con una malla de acero inoxidable y colocados en la parte superior de la viga, cubriendo los 50 cm centrales. El contacto de estos contraelectrodos con el hormign, se efectu mediante una esponja mojada con una solucin con NaCl (3 gr./litro de solucin). El objeto de emplear esta solucin fue aumentar la conductividad del medio. No se us una concentracin mayor, a los efectos de reducir el ataque localizado de los cloruros, sobre las barras.

Es importante comentar que los xidos poseen un volumen mayor que el acero original, difundindose dentro del hormign, por su estructura de poros, hasta que los llenan, debido a lo cual se originan presiones internas, que terminan por fisurar al recubrimiento. La profundidad del ataque sobre las barras metlicas se determin, en forma aproximada, a partir de la Ley de Faraday [2]:

P = 0,032. icorr. t

donde: P: prdida de radio o profundidad del ataque (m); 0,032: factor de conversin de unidades; icorr : valor medio de la densidad de corriente (A/cm); t: tiempo del ensayo (das). 2.3. Medidas de la fisuracin

La evolucin de las fisuras se determin mediante inspecciones visuales, realizadas cada 15 das, determinndose el inicio de la fisuracin. Adems, se midi su crecimiento con una escala graduada, cuya precisin es de 0,05 mm, y su evolucin se registr mediante grficos, que mostraban la forma en que discurran. 2.4. Medicin de las Frecuencias Naturales A los efectos de poder determinar las frecuencias naturales en las distintas vigas, se procedi a utilizar el mtodo de excitacin forzada. Para ello fue necesario someter a la estructura (viga) a una fuerza de amplitud constante y solamente variar la frecuencia de excitacin . Dicha fuerza fue aplicada en este caso en el centro de la viga , segn muestra la Fig. 1

Fig. 1. Detalle de la viga.

Para la aplicacin de la fuerza de excitacin de forma senoidal, se hizo uso de un generador de funciones que provee una seal senoidal de amplitud y frecuencia variable a voluntad. La seal fue, luego, amplificada mediante un amplificador lineal, para ser enviada posteriormente al excitador electrodinmico de vibraciones para transmitir la fuerza excitadora a la viga mediante una punta dispuesta a tal fin. Para analizar el comportamiento dinmico de la viga en los momentos de aplicacin de la fuerza, fue utilizado, como elemento transductor de vibraciones, un acelermetro piezoelctrico SKF modelo CMSS732. Dicho acelermetro de reducidas dimensiones, posee una base magntica como elemento de fijacin. Para adherir la base magntica a la viga fue dispuesta una pequea placa metlica solidaria a la viga y prxima a la zona de excitacin. Es de destacar que todo el conjunto, acelermetro, base magntica y placa metlica no supera los 40 gramos de peso, de tal manera que su influencia sobre la frecuencias naturales de la viga es despreciable. La seal obtenida del acelermetro fue enviada a un analizador espectral (FFT) CSI 1900, donde se obtuvieron las distintas frecuencias y amplitudes en los momentos de excitacin de la viga. La Fig. 2 muestra la disposicin de los elementos utilizados en el anlisis.

0,08 x 0,16 m

L = 1m

Zona de excitacin y medicin Zona

atacada

F0 cost

Fig. 2. Esquema general del instrumental utilizado en el anlisis dinmico 2.4.1. Metodologa Utilizada en el Anlisis A los efectos de determinar el primer modo flexional normal de vibracin de la viga mediante el mtodo de excitacin forzada, se procedi tal como se indicara anteriormente. La seal proveniente del generador de funciones se mantuvo en valores de amplitud constante, variando en forma manual y gradual la frecuencia de excitacin. En forma simultnea se observ en el analizador espectral (FFT) la respuesta dinmica de la viga mediante la seal obtenida del acelermetro instalado a tal fin. Bajo estas condiciones, cuando la frecuencia de excitacin coincide con la frecuencia natural de la viga, situacin esta de resonancia (f = n), la viga aumenta su amplitud vibratoria. Dicha amplitud resonante para el modo fundamental fue visualizada y grabada en el analizador espectral. El mismo ensayo fue realizado con distintos lapsos para cada una de las 12 vigas bajo anlisis. 3. RESULTADOS OBTENIDOS Se observ que el tipo de curado al que se somete el hormign, influye decisivamente en la estructura interna del mismo. Por ello, el curado es el parmetro, de todos los propuestos, con respecto al cual que son ms sensibles los mecanismos de transporte estudiados. En general, independientemente del material, se observ que con todo curado que se aleja del normalizado (hmedo) se obtienen hormigones con microestructuras ms abiertas, lo que favorece el ingreso de agentes agresivos a su interior, acelerando los procesos corrosivos. No obstante, debido a su mayor porosidad, el xido tarda ms tiempo en llenar estos poros y se retarda la aparicin de las primeras fisuras [19].

Generador de Funciones

Amplificador

Analizador Espectral

Excitador

Acelermetro Viga

En la Tabla 2 se puede apreciar un detalle de los resultados obtenidos sobre la caracterizacin de las propiedades del hormign, tanto mecnicas (resistencia a compresin y a traccin indirecta, realizadas con probetas de 15 x 30 cm), como los vinculados con la estructura de poros (Penetracin al agua a presin y Absorcin Capilar).

Tabla 2. Detalle de los ensayos de compresin, traccin indirecta, Penetracin de agua a presin en el hormign endurecido y Absorcin Capilar.

Viga N Mezcla Curado

Compresin [Mpa]

Traccin Indirecta

[MPa]

Penetracin de Agua a

Presin (%)

Absorcin Capilar [gr/cm]

I 4-A 23,8 2,7 100 1,08

II 6-A 26,3 4,0 55 0,78

III 1-B 17,3 2,2 56 1,36

IV 4-B 19,0 2,1 45 1,41

V 6-B 22,8 3,7 28 1,02

VI 1-C 16,5 2,2 46 1,13

VII 4-C 19,0 2,4 35 1,19

VIII 6-C 22,8 2,0 46 0,79

IX 1-D 32,8 4,0 10 0,20

X 4-D 31,6 4,0 9 0,34

XI 5-D 29,7 3,3 12 0,14

XII 6-D 28,7 3,3 13 0,40 En las Fig. 3 y 4 se aprecia el avance del Area de Fisuracin de cada viga, en funcin de la Profundidad Media del Ataque sobre las barras metlicas. Este cuadro de fisuracin est directamente relacionado con la estructura de poros del hormign, como ya se ha determinado en una etapa anterior del trabajo [19], que abarca una variedad importante de mezclas de hormign y curados, mayores que las analizadas en este trabajo (se han estudiado ms de 40 combinaciones). Se observa que los hormigones que poseen una estructura de poros ms abierta, con una mayor Penetracin del Agua a Presin y Absorcin Capilar, presentan cuadros de fisuracin mucho menores con respecto a aquellas con estructura de poros menos abierta. Esto puede apreciarse comparando los cuadros de fisuracin de las Vigas I a V (con estructura de poros abierta) con las Vigas IX a XII (con estructura de poros ms cerrada), cuyo curado era hmedo normalizado. Esto se debe a que el hormign de las primeras vigas permiti salir al exterior de las mismas, un volumen mayor de xidos, que las realizadas con un hormign debidamente curado. Esto podra llevar a pensar, errneamente que es preferible emplear un hormign ms poroso, pero es importante destacar que la facilidad que poseen los productos de corrosin para salir al exterior, mediante los poros, tambin la tienen para ingresar desde el exterior los agentes agresivos del medio, tales como los cloruros. Por ello, el proceso de corrosin de las barras, en estos hormigones

porosos, comienza mucho tiempo antes que en las estructuras cuyos hormigones son menos porosos.

Fig. 3. Area de Fisuracin de las Vigas I a VI, en funcin de la Profundidad Media del

Ataque a las Armaduras.

Fig. 4. Area de Fisuracin de las Vigas VII a XII, en funcin de la Profundidad Media del Ataque a las Armaduras.

Las diferencias en la estructura de poros y la resistencia del hormign registradas, no se pusieron de manifiesto en las Frecuencias Naturales iniciales, que tenan las vigas (ver Tabla 3), muy probablemente esto se deba a que el Mdulo de Elasticidad de todas las vigas sea similar.

0255075

100125150175200225250

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

Profundidad Media Ataque (mm)

Are

a F

isu

raci

n

(m

m2 )

Viga IViga II

Viga IIIViga IV

Viga VViga VI

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35

Profundidad Media Ataque (mm)

Are

a F

isu

raci

n

(m

m2 )

Viga VII

Viga VIII

Viga IX

Viga X

Viga XI

Viga XII

Analizando la evolucin de las Areas de Fisuracin y en particular, el valor ltimo al que han llegado se aprecia que, como se ha indicado en otras publicaciones [2], el hormign de mejor calidad (mayor resistencia y menor porosidad) posee Areas de Fisuracin finales mayores que las vigas de hormign de inferior calidad. Esta diferencia se evidencia al comparar las Vigas IX a XII (curado hmedo y resistencia media a la compresin de 31 MPa) cuyo promedio de Areas finales es de 192 mm2, mientras que en las restantes vigas (curado deficiente y resistencia media a la compresin de 21 MPa) con un Area de Fisuracin promedio de 86 mm2. La disminucin de las frecuencias naturales para las vigas con hormign de mayor calidad ( IX a XII) es de 23% mientras que en las vigas restantes es de 20%. Esto podra estar relacionado con las diferencias de reas de fisuracin. De todas maneras, la diferencia de Areas de Fisuracin es muy importante, mientras que la disminucin de las frecuencias es de aproximadamente un 15 %. Esta aparente poca sensibilidad de las Frecuencias Naturales, ante las variaciones de las Areas de Fisuracin se debe a que la profundidad de estas fisuras no suele ser mayor que el espesor del recubrimiento. La superficialidad de estas fisuras se pudo comprobar cuando se debi picar el recubrimiento de las barras metlicas, a los efectos de realizar un estudio gravimtrico de las mismas, que no fue incluido en esta publicacin. Esto sugiere que la prdida de flexibilidad est mayormente relacionada con la prdida de seccin til de las armaduras. Lo indicado en las Fig 5 y 6 corresponde a los resultados obtenidos de las distintas mediciones realizadas en las 12 vigas analizadas en el presente trabajo.

Fig. 5. Variacin de las Frecuencias Naturales de Vibracin en las Vigas I a VI,

en funcin del tiempo de ensayo.

120

130

140

150

160

170

180

190

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (das)

Fre

cuen

cias

Nat

ura

les

(Hz) Viga I

Viga II

Viga III

Viga IV

Viga V

Viga VI

Fig. 6. Variacin de las Frecuencias Naturales de Vibracin en las Vigas VII a XII,

en funcin del tiempo de ensayo. Analizando las Fig. 5 y 6 se puede ver que las Vigas I a VIII y la X poseen un comportamiento similar, durante todo el tiempo que dur el ensayo o dicho de otra manera, hasta que la profundidad media del ataque a las barras fue de aproximadamente 0,30 mm. Mientras, que las restantes vigas presentaron una disminucin ligeramente mayor de sus frecuencias naturales, durante todo el proceso. En la Tabla 3 se resumen los principales resultados obtenidos en el anlisis de estas doce vigas. Tabla 3. Resumen de las Frecuencias Naturales y Areas de Fisuracin, de las vigas.

Frecuencias Naturales (Hz) Viga N

Inicial Variacin

Area Fisuracin Final (mm2)

Observaciones

I 179,1 23 78,7 II 179,3 16 81,7 Perodo del ensayo: 77 das III 176,2 21 43,6 IV 178,1 22 32,9 V 181,8 24 40,6 VI 177,9 23 196,4 VII 178,5 17 138,5 VIII 177,1 22 72,2 IX 179,3 23 245,3 X 177,4 17 195,0 XI 179,2 23 149,5 XII 178,9 28 178,7

120

130

140

150

160

170

180

190

0 20 40 60 80 100 120

Tiempo (das)

Fre

cuen

cias

Nat

ura

les

(Hz) Viga VII

Viga VIII

Viga IX

Viga X

Viga XI

Viga XII

4. CONCLUSIONES En base a los resultados comentados puede concluirse que la evaluacin del dao por corrosin, mediante el anlisis de la variacin de sus frecuencias naturales, es adecuada. Esto es as debido a que la disminucin de sus valores alcanz magnitudes fcilmente detectables, con los instrumentos de medicin usuales. El trabajo futuro apuntar a cuantificar, a travs de la disminucin de las frecuencias naturales, tanto el grado de deterioro (cuadro de fisuracin) como su localizacin. Para ello es necesario tambin estudiar las variaciones de frecuencias superiores y emplear tcnicas inversas de anlisis. Por otra parte, el otro importante aspecto a considerar en el futuro es la correlacin entre la prdida de rigidez con la capacidad portante remanente, ya que sta constituye tal vez la magnitud de mayor inters en la evaluacin estructural. 5. AGRADECIMIENTOS Los autores desean expresar su agradecimiento al Laboratorio de Estudio y Ensayos de Materiales, U.N.S. y al tcnico del Laboratorio de Modelos Estructurales del Dpto. de Ingeniera, U.N.S., J.P. Gorordo, por la amplia colaboracin prestada para la elaboracin de este trabajo. Adems, se agradece a las Secretaras de Ciencia y Tecnologa de la Universidad Tecnolgica Nacional y la Universidad Nacional del Sur y al CONICET. REFERENCIAS [1] Alonso, M.C.; Andrade, M.C.; Rodrguez, J.; Garca, M.; Cover cracking and

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