ESTUDIO SOBRE LA RECUPERACIÓN ESTRUCTURAL Y EL

ESTUDIO SOBRE LA RECUPERACIÓN ESTRUCTURAL Y EL

MANTENIMIENTO DE PATRONES ESTÉTICOS DE LA CHIMENEA

UBICADA EN CALLE GENERAL LAGOS #1163.

Tesis para optar al Título de:

Ingeniero Civil en Obras Civiles.

Profesor Patrocinante: Sr. Adolfo Castro Bustamante.

Ingeniero Civil, M.Sc. en Ingeniería Civil.

IOCC, Universidad Austral de Chile,

Valdivia, Chile.

KAREN YANIRA MORA PERÁN.

VALDIVIA-CHILE.

2011.

Índice de Contenidos

ii

A mi amado Guido.


iii

Agradecimientos.

Aprovecho esta instancia para agradecer la dedicación de mis padres, Luis e Isolda, quienes me han apoyado

durante todo este camino y enseñado con el ejemplo valores muy importantes como la honestidad,

perseverancia y el esfuerzo diario. Gracias a ellos es que me he convertido en una persona adulta con el

objetivo de ser un aporte para la sociedad. Espero que este logro también inspire a mis hermanos, Priscila y

Luis, para que finalicen con éxito sus carreras universitarias escogidas y más que eso, logren convertirse en

adultos integrales.

Agradezco a la vida por poner en este trayecto a personas tan valiosas como mis amigos que hicieron estos años

tan entretenidos y profesores que me inspiraron a estudiar con entusiasmo, me llevo los mejores recuerdos de

todos ellos.

Finalmente, agradezco a mi amado esposo, Guido, por ser mi apoyo en todo momento y sacar afuera lo mejor

de mí, sé que vivimos y viviremos nuestro sueño por siempre, aquí vamos.


iv

Resumen.

En dependencias del Campus Valdivia de la Universidad San Sebastián en calle General Lagos #1163 se

encuentra una chimenea de 48 metros de altura que pertenece al patrimonio histórico de la ciudad. Debido a

los evidentes signos de deterioro que presenta la estructura, se decidió evaluar el estado actual de la chimenea y

de acuerdo a ello definir una alternativa de reparación que resguarde la seguridad de los ciudadanos. Este plan

debe mantener el patrón estético utilizado el año 1919 en que fue construida.

Para llevar a cabo este estudio, se comenzó realizando una recopilación de antecedentes que mostró una falta

de planos constructivos, sólo se conocía la fecha de construcción impresa en el vértice y algunos informes de

empresas que visitaron la chimenea. Lo anterior llevó a plantear una metodología de razonamiento mediante la

cual se estimaron los datos faltantes utilizando estándares de diseño europeos entre 1910 y 1950. Se verificaron

los resultados anteriores con la cuantía de acero medida en terreno en algunos sectores.

Posteriormente se comparó el diseño de la chimenea con las exigencias actuales de la normativa advirtiendo

una cantidad superior de acero para cumplir con los requerimientos necesarios, sin embargo toda la cuantía de

refuerzo no se encuentra sana, así lo indicó el análisis corrosivo efectuado. Se determinó una urgencia de

reparación de dos años y se concluyó que la capa de acero exterior debe ser quitada.

Finalmente se exponen dos metodologías de reparación, una de ellas utilizando fibra de carbono y la otra

mediante acero de refuerzo. Cabe destacar que este estudio se basó en estimaciones que deben ser verificadas

en terreno cuando se inicien los trabajos de reparación.


v

Summary

At the San Sebastian University, # 1163 General Lagos Street, it’s located a boiler chimney with 48 meters

height belonging to the historical heritage of the city. Due to the obvious signs of deterioration that the

structure shows, it was decided to assess the current state of the chimney and define an alternative to safely

repair for the citizens. This plan, must keep it the aesthetic standard used in 1919, year that was built it.

For this study, we began with a compilation of antecedents which showed a lack of construction’s plans. The

antecedents that we got it, was the construction’s date printed on the top of the chimney and some company’s

report that visited the chimney. For this reason, we proposed a method which let us estimated the missing data,

using European design standards between 1910 and 1950. The results were verified with the amount of steel

measured in some sectors.

We compared the design of the chimney with the current requirements. We found it that the amount of steel

was higher than the necessary requirements; however the steel of reinforcement is not healthy, according to

the corrosive analysis indicated. We determined an emergency repair of two years and we concluded that the

outer steel layer must be removed.

Finally, we present two methodologies of repair; using carbon fiber and the by reinforcing steel. This study was

based on estimates which must be verified on the ground when the repair works start.


vi

Índice de Contenidos.

Contenido Página

Agradecimientos Iii

Resumen. iv

Summary. v

Lista de Tablas. xi

Lista de Figuras. xiii

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1

1.1.- Planteamiento del problema 2

1.2.- Justificación del trabajo 3

1.3.- Antecedentes históricos. 4

1.4.- Objetivos. 5

1.5.- Metodología. 6

1.6.- Estructura de la tesis. 7

CAPÍTTULO II REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE 9

2.1.- Evaluación estructural 10

2.1.1.- Vida útil de una estructura de hormigón armado. 10

2.1.1.1.- Generalidades 10

2.1.1.2.- Predicción de vida útil 10

2.1.2.- Inspección de estructuras de hormigón armado. 12

2.1.2.1.- Inspección visual. 12

2.1.2.2.- Mediciones. 14

a).- Extracción de testigos. 14

b).- Ensayo de fenolftaleína. 15

c).- Mediciones in situ. 15

d).- Instrumentación. 16

2.1.3.- Reconocimiento de daños 17

2.1.3.1.- Causas de daños originados en el hormigón. 18

a).- Componentes. 18

b).- Fabricación y ejecución. 18


vii

c).- Agentes externos. 18

2.1.3.2.- Causas de daños originados en el acero. 19

a).- Defectos del material. 19

b).- Ejecución. 19

c).- Corrosión. 19

2.1.4.- Diagnóstico estructural de estructuras corroídas. 20

2.1.4.1.- Origen y tipos de corrosión. 20

a).- Carbonatación. 21

b).- Penetración de cloruros. 21

2.1.4.2.- Método simplificado. 21

a).- Índice de daño estructural (IDE). 22

b).- Índice estructural (IE). 25

2.1.4.3.- Evaluación detallada. 29

a).- Velocidad de corrosión. 29

b).- Pérdida de sección de la armadura. 32

c).- Profundidad de ataque. 34

d).- Predicción de vida útil. 35

2.2.- Cálculo de chimeneas industriales de hormigón armado. 38

2.2.1.- Aspectos generales. 38

2.2.2.- Consideraciones de diseño y construcción antes de 1950. 38

2.2.2.1.- Cálculo de dimensiones principales. 39

2.2.2.2.- Cálculo de los esfuerzos solicitantes. 40

a).- Determinación del peso propio. 41

b).- Cálculo de la presión del viento. 42

i.- Cálculo armadura longitudinal o vertical. 44

ii.- Método de los coeficientes de Saliger. 45

iii.- Esfuerzo cortante. 46

iv.- Cálculo armadura horizontal. 47

c).- Cálculo de la estabilidad. 47

2.2.3.- Consideraciones de diseño y construcción actuales. 50

2.2.3.1.- Cargas solicitantes. 50


viii

a).- Cargas permanentes. 50

b).- Sobrecargas. 50

c).- Carga de viento. 50

d).- Carga sísmica. 50

2.2.3.2.- Combinaciones de carga. 51

2.2.3.3.- Verificación de elementos de hormigón armado. 52

2.3.- Métodos de reparación y refuerzo en hormigón armado. 53

2.3.1.- Sistemas de refuerzo tradicional. 53

2.3.2.- Reparación en hormigón agrietado. 53

2.3.3.- Reparación de hormigón entumecido y disgregado. 56

2.3.4.- Reparación de hormigón armado con corrosión de armaduras. 57

2.3.4.1.- Protección catódica. 57

2.3.4.2.- Inhibidores de corrosión. 59

2.3.5.- Materiales compuestos y su uso en reparación estructural. 59

2.3.5.1.- Estructura de los materiales compuestos. 60

2.3.5.2.- Tejido de fibra de carbono. 61

2.3.5.3.- Reparación con fibra de carbono. 61

CAPÍTULO III INSPECCIÓN ESTRUCTURAL 63

3.1.- Datos preliminares.- 64

3.1.1.- Inspección visual. 64

3.1.2.- Mediciones no destructivas. 65

3.1.3.- Mediciones invasivas. 66

3.2.- Inspección visual. 68

3.3.- Mediciones in situ. 70

3.3.1.- Medición invasiva. 70

3.3.1.1.- Descripción. 70

3.3.1.2.- Preparación. 70

3.3.1.3.- Realización. 70

3.3.1.4.- Mediciones en la muestra de acero. 73

3.3.1.5.- Comentarios. 74

3.3.2.- Medición topográfica. 74


ix

CAPÍTULO IV DIAGNÓSTICO ESTRUCTURAL 75

4.1.- Verificación estructural de acuerdo a la normativa antigua. 76

4.1.1.- Consideraciones iniciales. 76

4.1.2.- Aproximación de las dimensiones principales. 76

4.1.3.- Cálculo de los esfuerzos solicitantes. 77

4.1.3.1.- Peso propio 77

4.1.3.2.- Acción del viento. 78

4.1.3.3.- Esfuerzo cortante. 79

4.1.3.4.- Dimensionamiento de armaduras. 80

4.2.- Verificación estructural de acuerdo a la normativa actual. 84

4.2.1.- Características del modelo estructural. 84

4.2.1.1.- Introducción. 84

4.2.1.2.- Geometría. 84

4.2.2.- Materiales. 85

4.2.3.- Análisis. 86

4.2.3.1.- Periodo propio y espectro de respuesta. 86

4.2.3.2.- Combinaciones de carga. 87

4.2.3.3.- Resultados. 88

4.2.3.4.- Estabilidad. 90

4.3.- Cuantificación de la corrosión de la chimenea. 91

4.3.1.- Caracterización de la corrosión observada. 91

4.3.2.- Cálculo de velocidad de corrosión. 91

4.3.3.- Cuantificación de vida residual de armaduras. 92

4.4.- Diagnóstico estructural de la chimenea. 93

4.4.1.- Introducción. 93

4.4.2.- Resultado del análisis corrosivo. 93

4.4.2.1.- Índice de daño por corrosión. 93

4.4.2.2.- Índice de corrosión. 93

4.4.2.3.- Índice estructural. 94

4.4.2.4.- Índice de daño estructural. 94

4.4.3.- Resultado del análisis estructural. 94


x

CAPÍTULO V REPARACIÓN ESTRUCTURAL. 97

5.1.- Situación actual. 98

5.1.1.- Estado del hormigón. 98

5.1.2.- Corrosión de armaduras. 98

5.1.3.- Condiciones de servicio. 98

5.1.4.- Condiciones para realizar una reparación. 99

5.2.- Requerimientos estructurales. 99

5.2.1.- Resistencia y confinamiento. 99

5.2.2.- Control de la corrosión. 99

5.2.3.- Mejoramiento estético. 100

5.3.- Reparación mediante fibra de carbono. 101

5.3.1.- Descripción del sistema de reparación. 101

5.3.2.- Costo asociado a la propuesta. 103

5.4.- Reparación mediante métodos tradicionales. 104

5.4.1.- Descripción del sistema de reparación. 104

5.4.2.- Costo asociado a la propuesta. 105

5.5.- Aspectos limitantes del proyecto de reparación estructural. 105

CAPÍTULO VI CONCLUSIONES 107

6.1.- Conclusiones y recomendaciones. 108

6.2.- Propuestas para investigaciones futuras. 110

REFERENCIAS 111

ANEXOS 117

Anexo A 118

Anexo B 120

Anexo C 124


xi

Lista de Tablas.

Tabla Título Página 2.1 Clasificación de daños (ACI 311-4R, 2000). 13 2.2 Ensayos para determinar calidad del material (elaboración propia). 14

2.3 Tipos de mediciones realizables en terreno (ACI 365 1R-00, 2000). 16

2.4 Causas y síntomas de patologías fundamentales observados en Hormigón Armado

(Del Río Bueno, 2008).

17

2.5 Indicador de daño por corrosión (Andrade et al, 2005). 23 2.6 Agresividad ambiental (GERDAU AZA, 2005). 24

2.7 Índice de corrosión (Andrade et al, 2005). 25

2.8 Índice armadura transversal elementos en flexión (Andrade et al, 2005). 26

2.9 Índice armadura longitudinal elementos en flexión (Andrade et al, 2005). 26

2.10 Índice armadura transversal elementos comprimidos (Andrade et al, 2005). 27 2.11 IE de armadura longitudinal elementos comprimidos (Andrade et al, 2005). 27 2.12 Indice de daño estructural IDE (Andrade et al, 2005). 27

2.13 Urgencia de reparación según IDE (Andrade et al, 2005). 28 2.14 Nivel de corrosión según velocidad de corrosión (Castillo, 2005). 30

2.15 Valores propuestos para según medio ambiente (EN 206). 31 2.16 Radio de la circunferencia inscrita en el núcleo central según la superficie (Moral,

1966). 48

2.17 Condición de equilibrio en losas de chimeneas según su geometría (Moral, 1966). 49 2.18 Sistemas tradicionales de refuerzo en hormigón armado (Del Río Bueno, 2008). 53

2.19 Métodos de reparación de hormigón con grietas (Del Río Bueno, 2008). 54

2.20 Esquemas de reparación de hormigón agrietado (Sika a, 2008). 55 2.21 Métodos de reparación en Hormigón entumecido y disgregado (del Río Bueno,

2008). 56

2.22 Esquemas de reparación mixtos de hormigón entumecido y disgregado (Sika a,

2008). 57

3.1 Detalle de grietas y armaduras medidas en terreno. 66 3.2 Resistencia medida en testigos de hormigón de la chimenea. 66

3.3 Resultado ejecución de calicatas. 67 3.4 Mediciones tomadas en la muestra de acero 73 4.1 Características generales de las secciones de la chimenea. 77

4.2 Cálculo peso propio. 78

4.3 Cálculo de la acción del viento. 78

4.4 Cálculo esfuerzo cortante. 79 4.5 Cálculos previos armadura longitudinal. 80 4.6 Cálculo armadura longitudinal. 81

4.7 Cálculo armadura longitudinal total. 81

4.8 Cálculo armadura transversal total. 82

4.9 Propiedades generales del hormigón armado. 85 4.10 Propiedades específicas del hormigón armado. 85 4.11 Clasificación del hormigón según DIN 1045. 86


xii

4.12 Clasificación del acero según DIN 1045. 86 4.13 Periodo propio y participación de masa modal. 87

4.14 Reacciones basales según el estado de carga. 88 4.15 Valores máximos de cuantía según análisis SAP 2000. 89 4.16 Detalle de diámetros de enfierradura necesaria según análisis SAP 2000. 89

4.17 Armadura recomendada por comité ACI 307 para chimenea operativa. 90

4.18 Resumen indicadores de daño por corrosión. 95

4.19 Resumen clasificación IE. 94 4.20 Comparación armadura longitudinal obtenida. 96

4.21 Comparación armadura transversal obtenida. 96

4.22 Comparación de la cantidad de refuerzo de acero. 97

4.23 Estimaciones de refuerzo en buen estado. 97 5.1 Detalle de instalación tejido de carbono. 102

5.2 Propiedades de tejido de carbono Sika Wrap 300 C/60. 103 5.3 Materiales y mano de obra reparación con fibra de carbono. 103

5.4 Maquinarias. 104 5.5 Materiales y mano de obra reparación tradicional 105


xiii

Lista de Figuras.

Figura Título Página 2.1 Metodología de investigación evaluación estructural (ACI 365 1R-00, 2000) 11

2.2 Simbología propuesta para identificar daños en terreno (ACI 311-4R, 2000) 12

2.3 Testigo de hormigón (CESMEC, 2007). 15

2.4 Ensayo de fenolftaleína (Monroy, 2007). 15

2.5 Tipos de corrosión de la armadura en el hormigón (Andrade y Feliu, 1989). 19

2.6 Mecanismo simplificado de corrosión. (Andrade et al, 2006). 20

2.7 Evaluación Simplificada (Andrade et al, 2005). 22

2.8 Cálculo del índice de corrosión (GERDAU AZA, 2005). 22

2.9 Cálculo del índice estructural IE (Andrade et al, 2005). 26 2.10 Evaluación Detallada (Andrade et al, 2005). 29 2.11 Pérdida de sección en barras de refuerzo (GERDAU AZA, 2005). 32

2.12 Vida residual para barras ϕ22 mm con diferentes velocidades de corrosión

(GERDAU AZA, 2005).

33

2.13 Pérdida de sección de barras ϕ8 y ϕ18 mm en función de (GERDAU AZA,

2005). 34

2.14 Retro-extrapolación del límite de despasivación (GERDAU AZA, 2005). 35 2.15 Modelo de vida útil de Tuutti (GERDAU AZA, 2005). 36

2.16 Evolución del daño debido a la carbonatación (Bertolini, 2008). 36 2.17 Modelo de vida útil residual (Torres y Martínez, 2003). 37 2.18 Estructura principal de una chimenea industrial (Moral, 1966). 38

2.19 Tronco de cono de una división del fuste (Elab. Propia) 41 2.20 Punto de aplicación de fuerza de viento en cada sección (Moral, 1966). 43

2.21 Esfuerzos que actúan en la fundación de la chimenea (Moral, 1966). 47 2.22 Protección catódica de una tubería enterrada utilizando un ánodo de magnesio.

(ASM, 1987). 58

2.23 Aplicación de inhibidor de corrosión sobre hormigón. (Sika b, 2008). 59 2.24 Tejido tridimensional para compuestos reforzados con fibras (Askeland, 1998). 60

2.25 Sistemas de refuerzo estructural con fibra de carbono. (Sika a, 2008). 62

3.1 Inspección visual realizada por Cesmec Ltda. 64

3.2 Daños observados en la estructura. 65

3.3 Zonas de extracción de testigos. 67 3.4 Daños ocasionados por el sismo del 27 de febrero de 2010. 68 3.5 Recopilación de daños observados. 69

3.6 Identificación y limpieza de la zona de medición. 71 3.7 Extracción de muestras de armadura. 72

3.8 Aplicación de fenolftaleína. 72

3.9 Zonas de la muestra de acero 73


xiv

3.10 Identificación de direcciones para medir muestra de acero 73 4.1 División de la chimenea en 6 secciones de 7.5 m y 1 de 3.0 m. 77

4.2 Distribución longitudinal de esfuerzos en la chimenea. 79 4.3 Dimensiones geométricas del modelo de elementos finitos. 84 4.4 Espectro de aceleración utilizado. 87

4.5 Retro-extrapolación de tiempo de inicio de corrosión. 91 4.6 Pérdida de sección de armadura diám. 20 mm. 92

5.1 Fotografías de Valdivia en 1900. 100

5.2 Plataforma elevadora Genie Z 135-70. 104

Capítulo I: Introducción.

1

Capítulo I

INTRODUCCIÓN


2

1.1.-PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

En julio del año 2010 culmina la construcción del nuevo campus de la Universidad San Sebastián ubicado en

calle General Lagos #1163 y conformado por tres edificios con vista al río Valdivia, dentro de las

dependencias se encuentra una chimenea industrial que data del año 1919, según la inscripción en el vértice

de ésta, la estructura tiene una altura de 48 metros, se encuentra en evidente estado de deterioro y es parte

del patrimonio histórico de la ciudad. Por las razones anteriores se decidió realizar la presente investigación

sobre la factibilidad de reparación ya que se desea construir un paseo peatonal entre ambos lados de la calle

con una plaza cuyo centro sería la chimenea.

En el año 2007, durante la elaboración del proyecto concerniente a las nuevas dependencias del Campus

Valdivia, se solicitó a CESMEC Ltda. (Anexo B) elaborar un informe preliminar que entregara cierto

diagnóstico. El resultado de tales mediciones dio indicios sobre la posibilidad de elaborar un sistema de

refuerzo estructural que permitiría alargar la vida útil y de esta forma admitir la construcción del paseo

peatonal en el barrio histórico.

En febrero del año 2010, apareció la posibilidad de reparar la estructura con fibra de carbono, ya que

ELEMENTA (Anexo C), empresa dedicada a reparaciones estructurales ofreció sus servicios, dentro de las

ventajas mencionadas sobre otros métodos de reparación están: mínimo peso, facilidad de instalación y

resistencia a la corrosión.

Los datos disponibles para realizar la presente investigación eran los proporcionados por las empresas antes

mencionadas y la fecha de construcción impresa en la estructura, no existiendo planos o documentación

formal. Sin considerar la posibilidad de realizar mediciones en toda la extensión de la chimenea por ser un

proceso costoso de ejecutar, se decidió comenzar el estudio estimando algunos datos faltantes mediante la

indagación del diseño de hormigón armado en fechas cercanas a 1919 para luego comprobar con la cuantía

de acero medida en varios sectores por CESMEC Ltda.


3

1.2.-Justificación del trabajo.

Es interesante observar cómo estructuras de avanzada edad aún se mantienen en pie aportando al lugar en

que se encuentran un importante valor histórico, la importancia de realizar este trabajo radicó en

aprovechar la oportunidad de extender la existencia de una de las edificaciones patrimoniales de la época

industrial en la ciudad de Valdivia, contribuyendo de esta manera con la preservación del barrio histórico de

la calle General Lagos.

Al efectuar este estudio, se hizo una comparación de las exigencias hace 92 años con las actuales en materia

del diseño en hormigón armado. Finalmente en la elaboración del plan de mejoramiento se evaluó la

factibilidad de utilizar fibra de carbono, un material popular para realizar reparaciones en hormigón armado;

o bien reparar mediante técnicas tradicionales.


4

1.3.- Antecedentes históricos.

En 1991 la Calle General Lagos de la ciudad de Valdivia, Chile, es declarada Monumento Nacional,

específicamente como zona típica (Ministerio de Obras Públicas de Chile, 1998). De acuerdo a la obra de

Guarda (1953) esta calle fue llamada Canelos hasta el año 1881 cuando adquiere su nombre actual en honor

al general Pedro Lagos, se estima que este sector de Valdivia existe desde el año 1643 y es cerca de los años

1850 cuando comienza a destacarse por las construcciones de estilo alemán que se observa hasta estos días.

Por esos años los alemanes se asientan en Calle General Lagos levantando sus viviendas y fábricas que les

darían el sustento.

La chimenea en estudio data del año 1919, dato impreso en su cúspide, sin embargo se desconoce a cuál de

las fábricas de la época pertenecía. Cabe mencionar que todas las fábricas que se ubicaban en la ribera del

río Valdivia ya no existen, la última de las construcciones de ese tipo fue el astillero IMMAR, emplazado en el

sector en 1924 y destruido en 1973. Desde ahí la Calle General Lagos ha mantenido su estética de influencia

alemana exhibida por sus conocidas casonas, luego con la declaración de Monumento Nacional de acuerdo a

la ley 17.288 se enfatiza aún más el hecho de preservar el estilo de este barrio histórico, motivo por el cual se

pretende restaurar la chimenea que recuerda a los valdivianos su época industrial.


5

1.4.- OBJETIVOS.

1.4.1.- OBJETIVO GENERAL.

Se define el siguiente objetivo general:

Determinar el estado actual de la chimenea del campus Valdivia de la USS, ubicada en calle General Lagos

para establecer un sistema de refuerzo estructural apropiado a la condición de la estructura.

1.4.2.- OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

De los anteriores objetivos generales, se desglosan los siguientes objetivos específicos:

Mostrar el estado de deterioro de la estructura realizando un análisis corrosivo y un análisis

estructural de la chimenea, éste último debe realizarse de 2 maneras: con la metodología utilizada

propuesta por Moral (1966) y con la normativa actual.

Según el resultado de la evaluación anterior indicar si el sistema de refuerzo constituido por fibra

de carbono es aplicable en la estructura a reparar.

Estimar los materiales, mano de obra, maquinarias y costos necesarios para realizar el refuerzo de la

estructura.

Nota: “La presente tesis corresponde a un trabajo académico con todas las limitaciones técnicas y

presupuestarias que eso significa. Por lo tanto no debe ser considerada como un diagnóstico de reparación

profesional definitivo de las obras descritas."


6

1.5.- METODOLOGÍA.

1.5.1.- Etapa exploratoria.

Se recopiló documentación y datos que aportaron referencias de la estructura tales como

antecedentes históricos, geometría externa y tipo de materiales utilizados. Se averiguó sobre los

métodos de diseño y constructivos posiblemente utilizados en la época de 1920 hasta 1960

aproximadamente.

Se realizó una inspección visual enfocada en:

Las grietas, indicando la orientación, altura de dónde se ubican y profundidad

aproximada.

La corrosión, mostrando si es que existen indicios o pruebas de ésta.

El revestimiento, manifestando si se encuentran marcas de desprendimiento de material.

Se realizó una medición in situ:

Prueba de solución de fenolftaleína en grieta reciente, la cual fue provocada con sierra y

taladro, para la verificación de la profundidad de carbonatación.

Medición topográfica.

1.5.2.- Etapa analítica.

Se verificó las dimensiones de la chimenea con la obra de Moral (1966) que recopiló información

sobre las metodologías utilizadas desde 1910 y Saliger (1906).

Se realizó un modelo computacional de la estructura para obtener las características fundamentales.

Se verificó el estado de la chimenea de acuerdo a los requerimientos de la normativa actual.

Se estableció como posibles métodos de refuerzo la fibra de carbono y por otro lado acero de

refuerzo.

De acuerdo a los sistemas de refuerzo mostrados, se elaboró un conjunto de recomendaciones y

limitaciones del presente estudio.

Se detalló el procedimiento y se estimó la cantidad de materiales necesarios, mano de obra,

maquinarias y costo asociado al sistema de refuerzo.


7

1.6.- ESTRUCTURA DE LA TESIS.

La presente tesis está conformada por un cuerpo investigativo de 6 capítulos, referencias bibliográficas y 3

anexos.

Capítulo I.

Expone de manera resumida el tema de investigación, los motivos que lo justifican, los objetivos que se

espera lograr y la metodología utilizada para lograr tales objetivos.

Capítulo II.

Muestra la revisión del estado del arte realizada, la cual se centró principalmente en el mejoramiento

estructural, métodos de reparación existentes, entre ellos la fibra de carbono, y los métodos de diseño de

hormigón armado utilizados en los años 1920 además de la normativa actual que lo rige.

Capítulo III.

Indica el recorrido realizado para inspeccionar la estructura, parte con el análisis de los datos preliminares,

luego con la inspección visual y finaliza con la medición ejecutada en terreno.

Capítulo IV.

Corresponde al análisis efectuado para realizar el diagnóstico estructural, en este capítulo se incluye la

verificación de la estructura según los métodos antiguos, verificación de acuerdo a los requerimientos

actuales, el estudio corrosivo y finalmente el diagnóstico estructural que reúne los resultados de las 3

primeras secciones.

Capítulo V.

Presenta dos alternativas de mejoramiento estructural escogido dados los resultados obtenidos en el

Capítulo 4, se exponen las diferencias de ambas soluciones.

Capítulo VI.

Se concentran las conclusiones obtenidas del presente trabajo de tesis y de acuerdo a ello se plantean líneas

de investigación futuras.


8

Referencias.

Se puntualiza el material bibliográfico utilizado en la realización de esta investigación.

Anexos.

Se añade la información necesaria de estar disponible para comprender más profundamente el contenido de

este estudio. Entre los documentos adjuntos están los informes preliminares utilizados para comenzar la

investigación y tablas de cálculo de Saliger.

Capítulo II: Revisión del estado del arte.

9

Capítulo II

REVISIÓN DEL ESTADO DEL ARTE.


10

2.1.- EVALUACIÓN ESTRUCTURAL.

A continuación se analizan las etapas pertinentes de ejecutar para evaluar adecuadamente una estructura de

hormigón armado, partiendo por la noción de vida útil, inspección y toma de mediciones en terreno,

reconocimiento de daños detectados y finalmente el diagnóstico estructural que surge como conclusión de los

resultados observados.

2.1.1.- VIDA ÚTIL DE UNA ESTRUCTURA DE HORMIGÓN ARMADO.

2.1.1.1.- Generalidades.

De acuerdo a la aclaración hecha por el ACI (American Concrete Institute) a través del Comittee 365 1R-00

Service-Life Prediction (2000) conviene diferenciar términos como durabilidad, serviciabilidad y vida útil, los

cuales suelen ser confundidos en ocasiones. Se entiende como durabilidad a la capacidad de mantener el

servicio de un producto, componente, ensamblaje o construcción a lo largo de un tiempo especificado. Por otro

lado serviciabilidad corresponde a la capacidad de los productos para realizar la(s) función(es) para los que son

diseñados y construidos. Finalmente vida útil (de los componentes de construcción o materiales) es el período

de tiempo después de la instalación (o en el caso del hormigón, colocación) durante el cual todas las

propiedades superan los valores aceptables mínimo con un mantenimiento rutinario.

La publicación explica la definición de tres tipos de vida útil de una estructura, vida útil técnica, la cual es el

tiempo de servicio hasta que se alcanza un estado inaceptable, como desprendimiento de hormigón, nivel de

seguridad por debajo del necesario, o la falla de los elementos. Vida útil funcional es el tiempo de servicio hasta

que la estructura ya no satisface los requisitos funcionales o se vuelve obsoleto debido al cambio en los

requisitos funcionales, tales como la necesidad de un mayor espacio libre, el aumento de las cargas o la

necesidad de ensanchamiento. Por último, vida útil económica es el tiempo de servicio hasta que la sustitución

de la estructura (o parte de ella) es económicamente más ventajosa que mantenerla en servicio.

2.1.1.2.- Predicción de vida útil.

Según el Comittee 365 1R-00 Service-Life Prediction (ACI, 2000) se han desarrollado variadas metodologías para

predecir la vida útil de las estructuras de hormigón, para ello se requiere información sobre la dosificación

utilizada, degradación, estado de carga pasado y futuro, y definir el término de vida útil de la obra, entre otros.

De acuerdo con los pronósticos de vida restante, la decisión correspondiente se puede hacer en cuanto a si una

estructura debe ser reparada, rehabilitada o reemplazada. En este sentido, la reparación se refiere al tratamiento


11

de la causa de la degradación, sin cambiar la función de la estructura, a diferencia de la rehabilitación, la cual

incluye el proceso de modificación de la obra para acomodarla a otra condición deseada.

Anteriormente se mencionó el término de vida útil estructural como dato necesario para la predicción, este

punto puede ser alcanzado en alguna de las siguientes circunstancias.

La seguridad estructural se ve seriamente afectada debido a la degradación del material o al superar la

capacidad de carga de diseño.

Ocurre una degradación grave de los materiales, como la corrosión de las armaduras de acero iniciada

cuando los iones cloruro alcanzan la concentración umbral de corrosión en la profundidad de refuerzo.

Los requisitos de mantenimiento son superiores a los recursos disponibles.

Estéticamente la estructura empeora su entorno.

La capacidad funcional de la estructura ya no es suficiente para satisfacer las necesidades por la que fue

construida.

En resumen, el predecir la vida útil restante de una estructura de hormigón armado ya construida depende del

resultado de un cuidadoso análisis para determinar el nivel de confiabilidad estructural, para el cual se debe

llevar a cabo un plan de investigación similar al presentado en la figura 2.1 que se basa en las recomendaciones

del ACI 365 1R-00.

Figura 2.1. Metodología de investigación evaluación estructural (ACI 365 1R-00, 2000)


12

2.1.2.- INSPECCIÓN DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO.

2.1.2.1- Inspección visual.

La primera etapa de la investigación contempla la inspección de la estructura, la cual en principio es visual,

donde se aprecia en terreno básicamente las condiciones de funcionamiento y estado aparente de la obra. El

ACI 311-4R (2000) entrega la simbología (figura 2.2) y clasificación (tabla 2.1) necesarias para identificar los

diferentes daños.

Figura 2.2. Simbología propuesta para identificar daños en terreno (ACI 311-4R, 2000)


13

Tabla 2.1. Clasificación de daños (ACI 311-4R, 2000).

Código Daño Descripción Causas Detalles dados por la

inspección

A1 Grietas o fisuras Rotura del hormigón superficial

o profunda.

Sobrecargas, contracción,

corrosión.

Dirección, ancho, longitud u

profundidad.

A2 Red de grietas Grietas estrechas y cortas

formando una red.

Cambio diferencial de

volumen de hormigón e

interno.

Ancho de grietas, tamaño de

red y superficie afectada.

B1 Gel de exudación Gel viscoso saliendo a través de

los poros del hormigón. Reacción álcali-agregado.

Superficie afectada, cantidad

de depósito (láminas,

estalactitas).

B2 Eflorescencia Costra blanca en la superficie

del hormigón.

Lixiviación de hidróxi-dos

c/s formación de

carbonatos.

Superficie afectada, cantidad

de depósito (láminas,

estalactitas).

B3 Manchas de

óxido Manchas de color marrón-rojiza.

Corrosión de armadura,

alambre de amarre.

Localización, intensidad,

posible daño asociado

B4 Manchas de

humedad

Zona superficial del hormigón

con indicios de humedad.

Corrosión de armadura,

alambre de amarre.

Localización, intensidad,

posible daño asociado.

C1 Protuberancia

(“pop-out”) Daño localizado superficial.

Presión interna local o

expansión de partículas

de agregado.

Localización, profundidad.

C2 Hormigón fofo Sonido hueco al golpe del

martillo.

Corrosión del acero o

coqueras. Superficie afectada.

C3 Delaminación Fragmento superficial del

hormigón, lavado de cemento.

Presión interna por

corrosión o por una

fuerza externa aplicada.

Superficie afectada,

profundidad.

C4 Intemperismo Desgaste superficial del

hormigón, lavado de cemento.

Acción del medio

ambiente.


profundidad.

D2 Nidos de abeja Vacíos entre los agregados

gruesos.

Falta de homogeneidad

durante el vaciado.


profundidad, intensidad.

E1 Junta de

construcción

Demarcación en la superficie

del hormigón. Junta entre dos coladas.

Localización y posible daño

asociado.

E2 Junta de

dilatación

Línea formada la por la unión

de dos planos de hormigón.

Espacio dejado para

movimientos rotatorios.

Abertura, obstrucción y

cualquiera daño asociado.


14

2.1.2.2.- Mediciones.

Siguiendo con la metodología propuesta, una vez realizada la inspección visual y recopilación de antecedentes

existentes, es conveniente realizar mediciones ya sea in situ o en laboratorio, las cuales revelarán datos

necesarios sobre el estado actual de la estructura. Cabe señalar que las inspecciones son clasificables en

invasivas, si es necesario realizar perforaciones o abrir surcos en la estructura, o bien no invasivas, si por el

contrario existe la instrumentación capaz de medir sin causar deterioro alguno. Algunas de las características

más relevantes de medir en una obra para conocer la calidad del material, son las que se mencionan en la tabla

2.2.

Tabla 2.2. Ensayos para determinar calidad del material (elaboración propia).

Propiedad Posibles métodos a utilizar

Comentario NCh ACI NCh

Resistencia a penetración. ASTM C803 NCh 1565 Of.79 In situ, no invasiva.

Resistencia a tracción. ACI 503 R, BS 1881,

parte 207 NCh 1171 Of.2001 Laboratorio, invasiva.

Densidad. ASTM C642 NCh 1171 Of.2001 Laboratorio, invasiva.

Módulo de elasticidad. ASTM C469 NCh 1171 Of.2001 Laboratorio, invasiva.

Contenido de aire, contenido de

cemento, aditivos y otros.

ASTM C856, ASTM

C457, ASTM C1084 NCh 1564 Of.79 Laboratorio, invasiva.

Presencia de iones cloruros. ASTM C1152, ASTM

C1218 NCh 1444 Of.80 Laboratorio, invasiva.

Carbonatación, pH. Ensayo de

fenolftaleína NCh 2281 Of.95

Laboratorio/in situ.

Invasiva, no invasiva.

a) Extracción de testigos.

Dentro de estos ensayos, los realizados en laboratorio requieren de la extracción de testigos de hormigón de la

zona a investigar. La NCh 1171. Of. 2001 establece las bases para la extracción de testigos de hormigón

endurecido, poniendo énfasis, entre otras observaciones, en no debilitar la estructura.


15

Figura 2.3. Testigo de hormigón (CESMEC, 2007).

b) Ensayo de fenolftaleína.

Otro ensayo que merece aclaración es el de determinación de pH por fenolftaleína, la cual es un líquido que

indica mediante el cambio de color el avance de la corrosión. La NCh 2281 Of 95 indica el detalle de este

ensayo. Básicamente consiste en aplicar la solución sobre un testigo o una grieta reciente.

Si el área cubierta con esta emulsión no cambia de color indica que se encuentra carbonatada ( ), en

caso contrario, si el color se torna fucsia muestra que la carbonatación ( ) no ha llegado hasta esa zona.

Según la investigación de Chang y Chen (2006), existen métodos que establecen rangos de pH más precisos, sin

embargo la fenolftaleína es un buen indicador de la profundidad de carbonatación en el hormigón armado.

Figura 2.4. Ensayo de fenolftaleína (Monroy, 2007).

c) Mediciones in situ.

Las características estructurales más representativas del estado en que se encuentra el hormigón son las que

aparecen en la tabla 2.3. Las cuales son medidas in situ con distintos instrumentos, la principal ventaja es la no

invasión en la zona destinada a investigar.


16

Tabla 2.3. Tipos de mediciones realizables en terreno (ACI 365 1R-00, 2000).

Propiedad Método Comentario

Ubicación de armaduras. Auscultación electromagnética. Indica ubicación y distribución de

armaduras y recubrimiento.

Espesor del hormigón. Método impacto-eco. Verifica el espesor del hormigón.

Reducción sección acero

de refuerzo. Medidor de espesor ultrasónico.

Mide la pérdida de sección del

refuerzo de acero.

Potencial de corrosión. Potencial de media celda. Identifica zonas de corrosión activa en

el refuerzo.

Velocidad de corrosión. Polarización lineal. Mide la tasa de propagación de la

corrosión en el acero.

Ubicación de material

suelto, vacíos y otros.

Método impacto-eco, equipos de

infrarrojo.

Evalúa la pérdida de propiedades

estructurales del hormigón.

d) Instrumentación.

Equipos ultrasónicos: Dispositivos destinados a evaluar materiales heterogéneos como el hormigón y

detectar defectos tales como fisuras y discontinuidades internas. Básicamente funcionan midiendo el

tiempo que tarda en viajar un pulso mecánico entre dos caras de un elemento de hormigón (ACI 224

1R-93, 1993).

Equipos de auscultación: Son equipos que permiten la detección de la dimensión de las barras de

acero, además de la profundidad y espaciamiento entre ellas, el equipo se llama pacómetro (ACI 1R-93,

1993)

Analizadores de corrosión: Dispositivos que miden el potencial de corrosión desde la superficie del

hormigón, en el mercado se encuentran de tipo media celda y voltímetro de alta impedancia, entre

otros (PROCEQ S.A., 2007).


17

2.1.3.- RECONOCIMIENTO DE DAÑOS.

Una vez obtenidos los resultados de las inspecciones, es posible definir el o los daños que predominan en la

estructura, estas patologías, se aprecian en conjunto o por separado, según las causas que las hayan originado y

el tiempo transcurrido (del Río Bueno, 2008), en la Tabla 2.4 se aprecian las causas y síntomas de patologías

fundamentales observados en el hormigón armado, los cuales se ven reflejados en general por la presencia de

fisuras, disgregación o entumecimiento. Adicionalmente se indica el estado probable del agente causante del

daño.

Tabla 2.4. Causas y síntomas de patologías fundamentales observados en Hormigón Armado (Del Río Bueno,

2008).

PATOLOGÍA DE LA ESTRUCTURA

PRINCIPALES SÍNTOMAS OBSERVADOS. ESTADO PROBABLE

AGENTE CAUSANTE FISURAS DISGREGACIÓN ENTUMECIMIENTO

Defectos ejecución y construcción * INACTIVO

Retracción durante el

endurecimiento. * INACTIVO

Efectos térmicos:

-Variación T° ambiente.

-Variación T° interna.

* *

INACTIVO

ACTIVO O

INACTIVO

Absorción de agua * ACTIVO

-Corrosión química.

-Corrosión electrolítica

*

*

*

*

ACTIVO

ACTIVO

Reacciones químicas * * * ACTIVO

Ataque agentes atmosféricos. * * ACTIVO

Acciones “excepcionales”

(Impacto, sismo, fuego, etc.) * * INACTIVO

Erosión (abrasión). * INACTIVO


18

2.1.3.1.- Causas de daños originados en el hormigón.

a) Componentes.

Los componentes del hormigón son agua, cemento, áridos y aditivos, dependiendo de las condiciones de

servicio, la normativa establece la dosificación y selección de materiales óptima en cada caso. En Chile las

normas NCh148, NCh 160, NCh 161 y NCh 162 hacen referencia al cemento, especificando terminología

general, agregados y extracción de muestras. Las normas NCh 163 y NCh 164 se asocian a los áridos,

específicamente a requisitos generales y extracción de muestras. La norma NCh 1443 trata sobre el agua de

amasado del hormigón y finalmente la norma NCh 2182 se refiere a los aditivos.

De acuerdo al estudio estadístico desarrollado por Figueroa y Palacio (2008) en Medellín, se encontró que el

segundo defecto más recurrente fue la variación del color, la cual es producida la mayoría de las veces por la

poca uniformidad de alguno de los componentes, afectando las características mecánicas del hormigón.

b) Fabricación y ejecución.

En las normas mencionadas anteriormente se señalan las condiciones en que se debe colocar en obra el

hormigón y posteriormente curar, fraguar y desmoldar. La investigación de Figueroa y Palacio (2008) destaca

que el defecto más común encontrado en superficies de hormigón fueron las burbujas en la parte superior de

los elementos, problema ocasionado por la deficiente compactación. El estudio señala además que los daños

hallados se deben en parte a una incorrecta dosificación de los componentes y en parte a una indebida

ejecución, ya que la primera dificulta la calidad de la segunda.

c) Agentes externos.

La publicación de Carles Broto (2006) considera como daños producidos por agentes externos la acción del

fuego, ciclos de hielo y deshielo, altas temperaturas, ataque de ácidos, aguas puras, aguas residuales, sales,

sulfatos, lluvia ácida y carbonatación, entre otros.


19

2.1.3.2.- Causas de daños originados en el acero.

a) Defectos del material.

Broto (2006) menciona como defectos del acero, las impurezas que eventualmente quedan atrapadas dentro de

las barras tales como fósforo, azufre, manganeso y silicio, las cuales se denominan así si superan los porcentajes

límites dentro de la aleación. También se considera como falla del material la existencia de aire atrapado que se

incorpora al acero en estado líquido a altas temperaturas, generalmente son gases atmosféricos como

hidrógeno, oxígeno y nitrógeno que no se alcanzan a disolver y evaporar por completo.

b) Ejecución.

Las normas NCh 203, NCh 204, NCh 211 y NCh 219 se refieren al acero de uso estructural, las características

necesarias de cumplir y los requisitos exigidos para aprobar la instalación. Los defectos posibles de encontrar se

relacionan con el incorrecto almacenamiento y doblado.

c) Corrosión.

La corrosión es un fenómeno que afecta las barras de acero, la publicación de ASM International (1987) la define

como “la reacción química o electroquímica entre un material, normalmente un metal y su entorno que

produce un deterioro de los materiales y sus propiedades”. La figura 2.5 muestra la diferencia entre un ataque

generalizado (carbonatación) y uno localizado (penetración de cloruros y corrosión bajo tensión).

Figura 2.5. Tipos de corrosión de la armadura en el hormigón (Andrade y Feliu, 1989).


20

2.1.4.- DIAGNÓSTICO ESTRUCTURAL DE ESTRUCTURAS CORROÍDAS.

El diagnóstico estructural se asocia al análisis del estado actual de una estructura una vez que se ha realizado

debidamente la inspección y reconocimiento de daños, en este último es conveniente aclarar la tipología, causa

y gravedad, conduciendo a una estimación de la vida útil residual y urgencia de reparación, cuando es

pertinente (Del Río Bueno, 2008).

2.1.4.1.- Origen y tipos de corrosión.

En principio conviene señalar cómo se produce el mecanismo de corrosión de las armaduras en el hormigón y

diferenciar los tipos de ataques más significativos. Según la afirmación hecha por Pérez (2010), este desgaste del

acero en el hormigón es un proceso electroquímico que se forma como una pila de corrosión, la cual necesita

de las siguientes condiciones:

Un electrolito que permita la reacción como agua lluvia, humedad, etc.

Diferencia de potencial eléctrico.

Oxígeno disuelto en el electrolito.

Elementos agresivos en el hormigón o ambiente atmosférico, como iones cloruro dióxido de carbono,

iones sulfuro, etc.

Existen dos tipos de pilas de corrosión, la llamada pila de composición, producida por la reacción de dos

metales dentro del hormigón (por ejemplo la interacción acero-aluminio) y la otra conocida como pila de

concentración, causada por la diferencia de concentración de iones disueltos circundantes al acero (álcalis,

cloruros y oxígeno). La figura 2.6 muestra la formación de una pila de corrosión en metales dando origen a dos

polos: un ánodo y un cátodo.

Figura 2.6. Mecanismo simplificado de corrosión. (Andrade et al, 2006).


21

Broomfield (1997) afirma que existen dos causas principales de la corrosión del acero en el hormigón, la

carbonatación y la penetración de cloruros, mecanismos que se describen a continuación.

a) Carbonatación.

El fenómeno de carbonatación se produce básicamente por la reacción del dióxido de carbono de la atmósfera

con los hidróxidos alcalinos del hormigón generando una baja de pH en éste, los daños que provoca la

carbonatación se ven acelerados por un escaso recubrimiento, sin embargo, se produce también en estructuras

con alto recubrimiento, lo cual puede suceder en una mezcla permeable, es decir con poros muy abiertos, o

bien en poros con poca reserva alcalina. Este tipo de ataque es común encontrarlo en estructuras antiguas,

edificios mal construidos y en general en casos de bajo contenido de cemento, que tienen alta porosidad.

b) Penetración de cloruros.

Los cloruros que atacan al hormigón pueden provenir del exterior y difundirse en la estructura (estructuras

dispuestas para la almacenación de sal, sales de deshielo y exposición a niebla marina), o bien existe la

posibilidad de que se encuentren dentro del la mezcla de hormigón mediante el uso de aceleradores en base a

cloruros, agua marina o agregados contaminados. El mecanismo de penetración se produce con la acción

catalizadora de los cloruros, que facilitan la entrada de la corrosión rompiendo la capa pasiva de óxido de las

armaduras pero no se consumen en el proceso.

2.1.4.2.- Método Simplificado.

El manual de CONTECVEC (Andrade et al, 2005) muestra el método Simplificado para ejecutar el diagnóstico

estructural de estructuras corroídas, mediante el cual se obtiene una evaluación del estado actual de la obra a

investigar, de acuerdo a ello se determina un pronóstico que se refleja en la urgencia de reparación, en caso que

la necesidad de reparación sea la más apresurada dentro de la clasificación se aconseja utilizar la evaluación

Detallada descrita también en el mismo manual. La figura 2.7 muestra el diagrama de flujo que sigue el método

Simplificado.


22

Figura 2.7. Evaluación Simplificada (Andrade et al, 2005).

a) Índice de daño estructural (IDE).

Para determinar el valor de este parámetro, se requiere primero determinar los dos factores principales que lo

controlan: el índice de corrosión (IC), el cual es el resultado de la agresividad ambiental, y por otra parte el

indicador de daño por corrosión (IDC).

En la siguiente figura, se sintetiza el cálculo del índice de corrosión.

Figura 2.8. Cálculo del índice de corrosión (GERDAU AZA, 2005).


23

El IDC se calcula a partir de asignar puntos del 1 al 4 a los cuatro niveles establecidos (I al IV) y realizando el

promedio de la suma de todos los indicadores, la ventaja del IDC es que además de mostrar el estado actual

también revela la posible evolución del daño.

Tabla 2.5. Indicador de daño por corrosión (Andrade et al, 2005).

Indicador Nivel I Nivel II Nivel III Nivel IV

Profundidad carbonatación

0

Nivel de cloruros 0

Fisuración por corrosión en el

recubrimiento Sin fisuras mm mm

Fisuración

generalizada,

estallido.

Resistividad

Pérdida de la sección

Intensidad de corrosión

Donde : recubrimiento de hormigón.

Por otra parte, el nivel de agresividad ambiental (AA) se determina dándole puntos del 1 al 4 a los tipos de

exposición indicadas en la tabla 2.6.


24

Tabla 2.6. Agresividad ambiental (GERDAU AZA, 2005).

Descripción del Ambiente Ejemplos Agresividad Ambiental

A. Sin riesgo. Interior de edificios con bajos niveles de

humedad. 0

B. Carbonatación.

B.1. Seco o

permanentemente húmedo

Interior de edificios con humedad relativa

baja. Hormigón sumergido. 1

B.2. Húmedo raramente seco Contacto con agua por periodos largos de

tiempo. Fundaciones. 1

B.3. Humedad moderada

Interior de edificios con humedad

moderada. Hormigón en exteriores a salvo

de la lluvia.

2

B.4. Ciclos húmedos y secos Contacto con agua. No incluidas como

húmedo o raramente seco. 3

C. Corrosión inducida por cloruros no marinos.

C.1. Moderadamente

húmedo

Exposición a cloruros contenidos en el

aire 2

C.2. Húmedo raramente seco Piscinas. Estanques. Exposición a aguas

industriales que contienen cloruros. 3

C.3. Ciclos húmedos y secos Sectores de puentes expuestos a

salpicaduras de agua con cloruros. 4

D. Corrosión inducida por cloruros marinos.

D.1. Sal contenida en niebla

marina. Cerca del mar o borde costero. 2

D.2. Permanentemente

sumergidas en agua marina.

Partes de estructuras marítimas de

hormigón armado. 3

D.3. Exposición a

salpicaduras Partes de estructuras marítimas 4


25

Luego, el IC se calcula promediando los valores obtenidos para el IDC y la AA.

(Ec. 2.1).

Según el IC calculado, se puede clasificar el resultado con las siguientes denominaciones.

Tabla 2.7. Índice de corrosión (Andrade et al, 2005)

Nivel de corrosión Valor del Índice

Muy baja 0-1

Baja 1-2

Media 2-3

Alta 3-4

El IC indica el estado actual de la estructura y además la velocidad de propagación del daño, se han establecido

4 niveles que gradúan el proceso corrosivo.

Nivel 1: Sin corrosión. (N)

Nivel 2: Corrosión baja. (B) Nivel 3: Corrosión moderada. (M)

Nivel 4: Corrosión alta. (A)

b) Índice estructural (IE).

El IE califica el elemento estructural según su tipo (flexión o compresión) asignándole un valor considerando

principalmente las armaduras y las condiciones de adherencia. La figura 2.9 muestra las características que

valoriza el IE. En tanto las tablas 2.8 y 2.9 detalla los índices para elementos en flexión, mientras que las tablas

2.10 y 2.11 lo hacen para los elementos en compresión, finalmente la tabla 2.12 enumera los valores para IE.


26

Figura 2.9. Cálculo del índice estructural IE (Andrade et al, 2005).

Tabla 2.8. Índice armadura transversal elementos en flexión (Andrade et al, 2005).

Separación de estribos.

(4 ramas) Sin estribos

8 mm 1 1 2 1

8 mm 2 2 3 1

Donde:

: Diámetro de la armadura transversal (mm).

: Separación entre los estribos (mm).

: Canto efectivo de la sección (mm).

Tabla 2.9. Índice armadura longitudinal elementos en flexión (Andrade et al, 2005).

Índice de

armadura

transversal.

Armadura longitudinal (mm).

Cuantía alta Cuantía baja Cuantía alta Cuantía baja

1 I II II III

2 II III III IV

3 III IV IV IV

Aquí la cuantía alta considera armadura en flexión >1.5% y la cuantía baja <1.0%.


27

Tabla 2.10. Índice armadura transversal elementos comprimidos (Andrade et al, 2005).

= espaciamiento de estribos / barras principales

8 mm 1 2

8 mm 2 3

Tabla 2.11. IE de armadura longitudinal elementos comprimidos (Andrade et al, 2005).

Índice de

armadura

transversal

índice de pérdida del recubrimiento o estallido (spalling)

Espaciamiento barras longitudinales

1 I I II III

2 I II III IV

3 III IV IV IV

(Ec. 2.2).

: Área bruta del elemento.

: Área del recubrimiento más la sección ocupada por el acero.

Tabla 2.12. Indice de daño estructural IDE (Andrade et al, 2005).

Índice de

corrosión

Índice estructural (IE)

I II III IV

Consecuencias de una posible falla

Leve Grave Leve Grave Leve Grave Leve Grave

0-1 D D D D D M M M

1-2 M M M M M S M S

2-3 M S M S S MS S MS

3-4 S MS S MS S MS MS MS


28

En la tabla anterior para cada valor de IE se dan dos posibilidades de las consecuencias de falla, se considera de

tipo leve si son poco serias o lo bastante pequeñas como para comprometer la estructura, mientras que se

clasifican como significativas o graves si existe el riesgo de vidas o importante daño material. Para obtener el

valor del IDE se definen cuatro niveles de daño:

Despreciable (D).

Medio (M).

Severo (S).

Muy severo (MS).

Finalmente se debe considerar el efecto de la redistribución de esfuerzos (GERDAU AZA, 2005), si la estructura

en estudio es de tipo hiperestática se puede reducir en un nivel el IDE ya que existen varios elementos

disponibles para redistribuir esfuerzos, ventaja que el caso isostático no permite.

Una vez obtenido el IDE, se puede obtener la urgencia de reparación de la obra en estudio.

Tabla 2.13. Urgencia de reparación según IDE (Andrade et al, 2005).

IDE Tiempo (años)

Despreciable >10

Medio 5-10

Severo 2-5

Muy severo 0-2


29

2.1.4.3.- Evaluación Detallada.

La figura 2.10 detalla la secuencia de funcionamiento de la evaluación Detallada, la cual se basa principalmente

en los resultados del cálculo de la penetración del ataque corrosivo en la estructura.

Figura 2.10. Evaluación Detallada (Andrade et al, 2005).

a) Velocidad de corrosión.

De acuerdo al Anexo C del Manual de CONTECVEC (Andrade et al, 2005), la velocidad de corrosión se define

como:

(Ec. 2.3).


30

La velocidad de corrosión también es expresable en que de manera práctica se obtiene a partir de

la pérdida de masa y la densidad de la muestra de acero limpia, para obtener la profundidad del ataque . Al

expresarse en unidades de , la velocidad de corrosión se denomina . Otra unidad es

que transforma mediante la Ley de Faraday unidades de masa en unidades eléctricas, la

equivalencia es 1 , en este caso la velocidad de corrosión se anota .

De acuerdo a la velocidad de corrosión encontrada, se puede clasificar el nivel de corrosión, como se resume en

la tabla 2.14, esta interpretación fue determinada por tres trabajos en laboratorio desarrollado por Andrade et al

(1977), (1978), (1990) y comprobada in situ por Rodríguez et al (1993).

Tabla 2.14. Nivel de corrosión según velocidad de corrosión (Castillo, 2005).

Velocidad de corrosión Nivel de corrosión

< 0.1 < 1.0 Despreciable

0.1-0.5 1.0-5.0 Bajo

0.5-1.0 5.0-10.0 Moderado

> 1.0 > 10.0 Alto

Si no se contaran o no fuese posible tomar medidas y muestras en terreno para obtener , es factible

utilizar los siguientes valores propuestos en la tabla 2.15 que otorgan un valor a los distintos medios

ambientales en que se encuentra la estructura.


31

Tabla 2.15. Valores propuestos para según medio ambiente (EN 206).

Descripción del Ambiente Ejemplos

B. Sin riesgo. Interior de edificios con bajos niveles de

humedad. -0.01

C. Carbonatación. Parcial Total

B.1. Seco o permanentemente

húmedo

Interior de edificios con humedad relativa

baja. Hormigón sumergido

permanentemente.

-0.01 -0.01

B.2. Húmedo raramente seco Contacto con agua por periodos largos de

tiempo. Fundaciones. 0.1-0.5 0.2-0.5

B.3. Humedad moderada

Interior de edificios con humedad

moderada. Hormigón en exteriores a salvo

de la lluvia.

0.01-0.1 0.1-0.2

B.4. Ciclos húmedos y secos Contacto con agua. No incluidas como

húmedo o raramente seco. 0.01-0.2 0.2-0.5

D. Corrosión inducida por cloruros no marinos.

C.1. Moderadamente húmedo Exposición a cloruros contenidos en el

aire 0.1-0.2

C.2. Húmedo raramente seco Piscinas. Estanques. Exposición a aguas

industriales que contienen cloruros. 0.1-0.5

C.3. Ciclos húmedos y secos

Sectores de puentes expuestos a

salpicaduras de agua con contenido de

cloruros.

0.5-5.0

E. Corrosión inducida por cloruros marinos.

D.1. Sal contenida en la niebla

marina sin contacto con agua de mar Cerca del mar o borde costero. 0.5-5.0

D.2. Permanentemente sumergidas

en agua marina.

Partes de estructuras marítimas de

hormigón armado. 0.1-1.0

D.3. Exposición a salpicaduras Partes de estructuras marítimas 0.5-5.0


32

b) Pérdida de sección de la armadura.

La pérdida sección de la armadura, puede obtenerse a partir de las medidas electroquímicas de o de la

medida de directa sobre las barras una vez que estén limpias de herrumbre. La penetración de ataque , para

una corrosión uniforme y para aquella localizada, es el parámetro que define la pérdida de radio, como se

observa en la figura 2.11.

Figura 2.11. Pérdida de sección en barras de refuerzo (GERDAU AZA, 2005).

Donde es el diámetro inicial y corresponde al diámetro después de transcurrir un periodo de tiempo.

Si se trata de corrosión electroquímica, la profundidad de ataque puede expresarse como:

(Ec. 2.4).

Donde:

, factor de conversión de a .

: Tiempo en años después de la despasivación de la armadura (se debe conocer cuando se inició)

(Ec. 2.5).

Siendo la velocidad medida en terreno y

la velocidad máxima medida en laboratorio.

Si se trata de corrosión localizada debido a la causada por cloruros, entonces la profundidad de ataque queda

amplificada por un factor α, el cual tiene valores entre 5 y 10.


33

(Ec. 2.6).

Las ecuaciones anteriores se basan en la investigación realizada por Rodríguez et al (1993) y validada por otros

autores como Andrade et al (2005) en el Anexo C del manual CONTECVEC.

Corresponde mencionar que la pérdida progresiva de integridad estructural, que se puede producir por una

corrosión de las armaduras, afecta a tres características del hormigón armado (GERDAU AZA, 2005).

Debido a la fisuración del recubrimiento por efecto de la expansión de los óxidos, se afectan las

propiedades mecánicas del hormigón circundante.

Al disminuir la sección del acero por la corrosión, se comprometen sus propiedades mecánicas.

Como consecuencia de los dos mecanismos anteriores ocurre una pérdida de adherencia acero-

hormigón.

En la figura 2.12 se muestra la pérdida de sección que experimenta una barra de diámetro ϕ 22 mm a diversas

velocidades de corrosión, también se observa que una barra no corroída, es decir en estado de pasivación,

presenta velocidades de corrosión inferiores a 0.1 , mientras que una armadura totalmente atacada,

por ejemplo por una gran cantidad de cloruros, se acerca a valores de 100 .

Figura 2.12. Vida residual para barras 22 mm con diferentes velocidades de corrosión (GERDAU AZA, 2005).

En la figura 2.12 se observa la pérdida de sección de barras de ϕ8 y ϕ18 mm en función de la velocidad de

corrosión, para el cálculo se utilizó la ecuación (Rodríguez et al, 1994):

(Ec.2.7).


34

Donde:

: Diámetro residual en el tiempo .

: Diámetro inicial

: Velocidad de corrosión .

: Tiempo .

La ecuación 2.7 describe el diámetro residual de una barra atacada por carbonatación o corrosión uniforme,

en el caso de corrosión inducida por cloruros se adopta la ecuación:

(Ec. 2.8).

Donde adquiere valores entre 5 y 10.

Figura 2.13. Pérdida de sección de barras ϕ8 y ϕ18 mm en función de (GERDAU AZA, 2005).

c) Profundidad de ataque.

Según el Anexo A del Manual CONTECVEC (Andrade et al, 2005), una manera simple de obtener la profundidad

de carbonatación es por la ley de la raíz cuadrada del tiempo, quedando:

(Ec.2.9).

Donde es la profundidad de carbonatación, es la velocidad de avance del dióxido de carbono y es el

tiempo.


35

Una manera de localizar el tiempo que resta hasta la despasivación es mediante una retro- extrapolación en el

gráfico doble logarítmico del tiempo y la profundidad (figura 2.14), siguiendo la línea de pendiente 0,5 hasta

que se alcanza el nivel de la armadura.

Figura 2.14. Retro-extrapolación del límite de despasivación (GERDAU AZA, 2005).

Existen otros modelos que describen el cálculo de la profundidad de carbonatación, tales como el de Tuutti

(1982) y Bakker (1988), ambos autores desarrollaron investigaciones referentes a la corrosión de armaduras en

el hormigón armado y propusieron ecuaciones que dependen de más variables que la ecuación de la raíz

cuadrada del tiempo por lo que es necesario contar con una mayor cantidad de datos.

En el caso de la corrosión producto de penetración de cloruros, también es aplicable la ecuación de la raíz

cuadrada del tiempo, en la ecuación 2.9, pasa a ser la profundidad de cloruros, es la velocidad de avance

de los cloruros y es el tiempo. Otra ecuación que describe el avance de cloruros con mayor precisión es el

modelo general de difusión por la 2° Ley de Fick (Garcés et al, 2008), la cual depende de una mayor cantidad de

variables.

d) Predicción de vida útil.

El modelo más simple utilizado para exponer la vida útil debido a la corrosión de las armaduras en el hormigón

armado es el de Tuutti (1982). Describe una fase de iniciación, en la cual los agentes agresivos (dióxido de

carbono o cloruros) ingresan a la estructura, seguida del periodo de propagación, el cual se precisa como el

lapso de tiempo desde que la armadura se despasiva y comienza a corroerse libremente hasta que llega a un


36

determinado estado límite, llamado “inaceptable”, el parámetro que domina en este lapso es la velocidad de

corrosión, aceptada por varios autores como constante (Castillo, 2005).

Figura 2.15. Modelo de vida útil de Tuutti (GERDAU AZA, 2005).

Bertolini (2008) mostró en su investigación un esquema de los daños que se presentan a medida que avanza la

carbonatación en una estructura de hormigón armado (Figura 2.15). La publicación contiene información

referente a la durabilidad de estructuras corroídas, la cual en general ha sido ya mencionada en este capítulo,

dentro de sus conclusiones se destaca que la durabilidad y vida útil estructural es un tema complejo que

requiere de la cooperación de profesionales de ingeniería civil, expertos en materiales y construcción, ya que de

esta manera es posible avanzar en la prevención de degradación del hormigón armado.

Figura 2.16. Evolución del daño debido a la carbonatación (Bertolini, 2008).


37

Torres y Martínez (2003) utilizaron el modelo de la figura 2.16 para investigar la vida residual de estructuras en

ambientes marinos, considerando el tiempo de vida constituído por tres fases: la primera corresponde al

periodo de iniciación, la segunda al periodo de propagación y la tercera al periodo de vida residual que indica el

tiempo límite para realizar una reparación. De esta manera se acepta que la estructura puede mantenerse con

cierto grado de daño por un tiempo determinado hasta su colapso definitivo si es que no se toma la decisión de

reparar, en caso contrario la vida útil se extiende siempre que se actúe dentro del límite de tiempo establecido.

Figura 2.17. Modelo de vida útil residual (Torres y Martínez, 2003).

De manera adicional J.C. Walraven (2008) sostiene que es posible extender la vida de servicio en virtud de la

capacidad residual excedente de las estructuras de hormigón armado, lo cual se debe a que en la práctica se

construyen estructuras más resistentes que las proyectadas, por lo que recomienda considerar esta situación en

la elaboración de futuros códigos de diseño.


38

2.2.-CÁLCULO DE CHIMENEAS INDUSTRIALES DE HORMIGÓN ARMADO.

2.2.1.-ASPECTOS GENERALES.

Las chimeneas industriales son estructuras destinadas a evacuar los gases producidos

en la combustión de un proceso productivo, su forma es tubular con sección

generalmente circular y fueron construidas en un principio sólo de ladrillo para pasar

posteriormente a hormigón en masa, hormigón armado y metal.

La construcción de chimeneas aparece con el desarrollo industrial y la necesidad de

crear nuevas instalaciones térmicas, las primeras obras de este tipo se realizaron sin

método alguno, apoyándose en la experiencia adquirida anteriormente y

reproduciendo trabajos cuyo funcionamiento ya era conocido. En el momento que la

potencia térmica requirió ser aumentada y las estructuras de 30 metros de altura ya

no son suficientes se recurre al cálculo para alcanzar dimensiones mayores (Moral

,1966).

Figura 2.18. Estructura principal de una chimenea industrial (Moral, 1966).

2.2.2.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ANTES DE 1950.

Según la recopilación realizada por Fernando Moral (1966) las chimeneas de hormigón armado construidas

entre los años 1910 y 1940 eran más económicas que las de ladrillo a partir de los 50 metros de altura, sin

embargo las ventajas que presenta sobre el ladrillo tales como: menor peso, resistencia a esfuerzos de tracción

bajo la acción del viento y la admisión de mayores esfuerzos de compresión, hicieron que la construcción de

estas estructuras se prefirieran realizar en hormigón armado.


39

2.2.2.1.-Cálculo de dimensiones principales.

De acuerdo al juicio del autor, las siguientes fórmulas son las más recomendables para el cálculo de las

dimensiones principales de chimeneas de hormigón, las cuales van a depender especialmente de las

características del combustible quemado por hora y de los gases generados por la combustión.

La sección en el vértice queda definida por la expresión:

(Ec. 2.10).

Donde:

: Peso del combustible quemado por hora.

: Peso de los gases producidos por la combustión de un kilogramo de combustible.

: Coeficiente de dilatación de los gases

.

: Temperatura de los gases en la entrada de la chimenea.

: Peso específico del aire a 0°C y 760 mm 1.293

.

: Densidad de los gases de combustión con respecto al aire (es igual a 1).

: Velocidad media de circulación de los gases en la chimenea (5 - 8

).

Altura total sobre la parrilla:

(Ec. 2.11).

: Coeficiente de forma (0.03 a 0.15)

: Pendiente media de la superficie interior de la chimenea (0.008 a 0.010).

: Longitud total del conducto de humos desde el hogar hasta la entrada.

: Temperatura media de los gases.

: Diámetro interior en el vértice de la chimenea.

En los casos comunes, se considera:

0.04; 0.008; 30 m; 250°C. ; 4


40

Y la expresión queda:

(Ec. 2.12).

Con en metros.

La igualdad por la que se obtiene la velocidad de salida de humos es:

(Ec. 2.13).

Y los valores en que debe moverse el diámetro interior en la base ( deben ser:

Finalmente para calcular el espesor de la pared, se debe diferenciar entre:

: Espesor en el vértice.

cm; si cm, aumentando 1 cm por cada 25 cm más de , sin superar los 20 cm.

: Espesor en la base.

; Donde está en cm y cm.

Una vez determinadas las dimensiones principales de la chimenea, se procede a dividir el fuste en una cantidad

de partes convenientemente para estudiar las tensiones, para alturas menores a 100 metros pueden

considerarse secciones de 6 a 8 metros, mientras que para mayores alturas las secciones pueden variar de 10 a

12 metros. Constructivamente es mejor dividir el fuste en partes de acuerdo a las longitudes comerciales de las

barras de acero.

2.2.2.2.-Cálculo de los esfuerzos solicitantes.

Según la recopilación de Moral (1966), en materia de los esfuerzos, una chimenea se encuentra sometida

principalmente a tres:

Peso propio.

Acción del viento.

Elevación de temperatura.

Cabe señalar que hasta ese momento aún no se incorporaba el análisis sísmico como parte de los esfuerzos a los

que puede estar sometida una estructura.


41

a) Determinación del peso propio.

Para calcular el peso propio total, se suma cada una de las partes en que se dividió el fuste, considerando que:

(Ec. 2.14).

2400

; peso específico del hormigón armado.

(Ec.2.15).

Con:

: Altura del tronco de cono en que se dividió el fuste.

: Radio exterior superior.

: Radio exterior inferior.

: Radio interior superior.

: Radio interior inferior.

Figura 2.19. Tronco de cono de una división del fuste (Elab. Propia)


42

b) Cálculo de la presión del viento.

Moral (1966) ofrece una recopilación de fórmulas utilizadas para calcular las fuerzas originadas por la presión

del viento en distintos países, a continuación se describen aquellas que recomienda como metodología de

cálculo.

La Instrucción Española del Ministerio de Obras Públicas de 1930 (artículo 4°) establece para valor máximo de la

presión del viento sobre una superficie plana normal a su dirección, en muros de altura sobre los 25 metros y

construcciones en campo abierto:

Este valor se asocia a la presión máxima alcanzada en los huracanes más violentos y para efectos de cálculo se

considera como la presión en el vértice de la chimenea. Luego la velocidad del viento en la primera sección es:

(Ec.2.16).

La velocidad del viento a una altura sobre el terreno queda expresada por la fórmula:

(Ec.2.17).

Y la presión correspondiente:

(Ec. 2.18).

Al tomar una porción de la chimenea y analizar cómo actúa la fuerza de viento sobre la sección A-A, se tienen los

siguientes conceptos:

Sección aparente:

(Ec. 2.19).

Presión del viento sobre la sección A-A:


43

(Ec. 2.20).

El punto de aplicación de la fuerza F es el centro de gravedad de la proyección vertical de la superficie S que se

encuentra ubicado a una distancia y de la base del trapecio (Figura 2.20).

(Ec. 2.21).

Figura 2.20. Punto de aplicación de fuerza de viento en cada sección (Moral, 1966).


44

El momento producido por la fuerza F tiene como expresión:

(Ec. 2.22).

Con los valores conocidos de momento flector M y peso P que actúan sobre la sección A-A se obtiene la

excentricidad de la carga que corresponde a la distancia al centro de gravedad de la sección de la fuerza P

que produce el momento M.

(Ec. 2.23).

Conocida la excentricidad y radio medio se determina la excentricidad unitaria:

(Ec. 2.24).

a) Cálculo de la armadura longitudinal o vertical.

Según el autor (Fernando Moral, 1966) conviene ordenar en un cuadro los cálculos para cada sección

separadas por 5 ó 10 metros, considerando el método de Saliger para la obtención de la armadura

longitudinal y teniendo en cuenta lo siguiente:

(Ec. 2.25).

Con:

: Tensión máxima en el hormigón.

: Distancia de la sección al vértice de la chimenea.

El cuadro resumen debe incluir para cada sección los siguientes cálculos:

Momento flector :

Peso :

Sección del hormigón :

Radio medio :


45

Excentricidad :

Excentricidad unitaria :

Tensión en el radio medio :

Coeficientes de Saliger:

;

Cuantía:

Armadura vertical :

Considerando:

(Ec. 2.26).

(Ec. 2.27).

(Ec. 2.28).

Donde:

: Tensión máxima en el acero.

: Espesor de la sección anular.

b) Método de los coeficientes de Saliger.

El uso de las tablas de Saliger (1957) disponibles en el Anexo A permite para una sección de hormigón

conocida comprobar las tensiones de y y determinar la armadura y comprobar la tensión para

un valor establecido de Una vez conocidos los esfuerzos de peso propio y momento flector en la

sección anular, se admite una tensión máxima en el radio medio del hormigón y

una tensión en el acero . En la tabla de Saliger se encuentran valores para el

parámetro

de acuerdo a la excentricidad unitaria y a la cuantía , si el valor exacto de no está en la

tabla entonces se utilizan cifras cercanas para interpolar y ajustar el resultado de

, el cual se debe comparar

con la igualdad

(Ec. 2.29), finalmente es posible despejar la cuantía necesaria y determinar la

sección de armadura vertical .


46

c) Esfuerzo cortante.

El esfuerzo cortante generado por la acción del viento equivale a la fuerza para cada sección. La tensión

rasante producida por el esfuerzo cortante queda definida como:

(Ec. 2.30).

Donde:

: Ancho de la línea neutra.

: Brazo del par flector.

: Momento de inercia de la sección anular.

: Momento estático de la parte comprimida del anillo.

Con:

Queda:

Luego la tensión producida por el esfuerzo cortante se obtiene por la siguiente igualdad:

(Ec. 2.31).

Para resistir el esfuerzo cortante es necesario disponer de una armadura transversal que actúe como

un sistema de estribos distanciados a una longitud de .

(Ec. 2.32).


47

Con .

d) Cálculo armadura horizontal.

La armadura horizontal por metro lineal queda definida como , la cual está sometida a una tensión

por el efecto del esfuerzo cortante, al igualar las tensiones queda:

Luego:

La tensión resultante de la armadura deberá ser menor a la producida por el agrietamiento del hormigón:

(Ec. 2.33).

Con

c) Cálculo de la estabilidad.

Considerando la unión AB de la fundación de la chimenea con el subsuelo, se calculará el peso total de la

estructura hasta ese nivel, las fuerzas que actúan se muestran en el siguiente diagrama.

Figura 2.21. Esfuerzos que actúan en la fundación de la chimenea (Moral, 1966).

Donde:


48

: Peso total incluyendo la cimentación.

: Momento estabilizante.

: Momento de vuelco.

: Coeficiente de estabilidad.

(Ec. 2.34).

(Ec.2.35).

(Ec. 2.36).

A fin de asegurar un correcto apoyo de la losa circular sobre el terreno debe cumplirse que el centro de

presión de todas las fuerzas esté ubicado dentro del núcleo central. Para ello la condición es .

: Excentricidad entre y .

: Radio de la circunferencia inscrita dentro del núcleo central.

De acuerdo a la geometría de la superficie de apoyo se obtienen distintos valores para el parámetro

según la tabla 2.16.

Tabla 2.16. Radio de la circunferencia inscrita en el núcleo central según la superficie (Moral, 1966).

Tipos de Superficie

Cuadrada

Octogonal

Circular

Anular

En que es el radio de la circunferencia inscrita en el perímetro de la superficie de apoyo.


49

Luego:

(Ec. 2.37).

: Radio resistente de la sección de apoyo del cimiento.

: Módulo resistente.

El valor de la tensión si resulta positivo indica que corresponde a un esfuerzo de compresión, por el

contrario si es negativo expresa que se trata de un esfuerzo de tracción, para conseguir que la cimentación

se apoye correctamente sobre el terreno no deben existir tensiones de tracción. En toda fundación debe

ocurrir que la presión debido al peso propio debe superar a la presión solicitante que en este caso es el

viento, lo cual se resume en la tabla 2.17.

Tabla 2.17. Condición de equilibrio en losas de chimeneas según su geometría (Moral, 1966).

Tipo de losa Área Presión Condición de

equilibrio Peso propio Viento

Cuadrada de lado

Circular de

diámetro

Poligonal en

general

Como consideraciones de construcción de la época se puede agregar que los cimientos debían estar

separados al menos 10 a 15 metros de construcciones próximas para permitir los asientos de la chimenea y

la base de la estructura se debía apoyar sobre un zócalo de mayor espesor que finalizaba en una losa la cual

se podía unir directamente o a través de nervios radiales cuyas armaduras se prolongaban hasta la misma

base.


50

2.2.3.- CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN ACTUALES.

2.2.3.1.- Cargas solicitantes.

Para efectos de cálculo de este caso particular de estructura cuyo funcionamiento está detenido, se

consideran sólo los parámetros que conciernen a mantener su monolitismo, dejando excluidos los

requerimientos necesarios para la evacuación de gases. De acuerdo a lo anterior se consideran los siguientes

tipos de carga:

a) Cargas permanentes (CP).

Concierne a las cargas que no tienen variación en el tiempo, en este problema, corresponde sólo al peso

propio de la estructura que actúa en el centro de gravedad y que se estima según las dimensiones y los

materiales utilizados.

b) Sobrecargas.

Corresponde a cargas variables en el tiempo, se pueden distinguir sobrecargas de uso (SC), de operación

(SO) y accidentales (SA), las primeras se asocian a la función, uso e instalaciones de la estructura, mientras

que las segundas son aquellas acciones dinámicas que provienen del uso normal de las instalaciones,

finalmente las terceras aluden a posibles accidentes que originen cargas. Cabe mencionar que en la presente

investigación no se considerará a la chimenea como una edificación en funcionamiento, por ello se anularán

las solicitaciones relacionadas al uso de ésta.

c) Carga de viento.

Se asocia a la acción que ejerce el viento sobre la estructura de acuerdo a la velocidad y dirección que lleva.

En la NCh 432. Of. 71 “C lculo de la acción del viento sobre las construcciones” se determina, entre otras

consideraciones, la presión básica a considerar dependiendo de la zona geográfica y de la geometría de la

edificación.

d) Carga sísmica.

Equivale a la acción del movimiento del suelo sobre la estructura, se considera en dirección vertical y

horizontal. La norma NCh2369. Of. 2003 “Dise o sísmico de estructuras e instalaciones industriales”

establece los requisitos mínimos para realizar el análisis sísmico, además sostiene que tales exigencias se


51

aplican en conjunto con la norma NCh 433. Of 1996 “Dise o sísmico de edificios”. En este caso se aplicará el

método dinámico de acuerdo a la normativa, para este caso particular se considera como modelo una viga

empotrada en uno de sus extremos, de esta manera se obtendrán los patrones que permitirán establecer las

condiciones óptimas necesarias en que debe estar la estructura.

2.2.3.2.- Combinaciones de carga.

En la NCh2369. Of. 2003 “Dise o sísmico de estructuras e instalaciones industriales” se establecen los

siguientes tipos de combinaciones de carga, según la clase de análisis estructural:

Por Tensiones Admisibles:

(Ec. 2.38).

Por Cargas Últimas:

(Ec. 2.39).

Donde:

Factor que afecta la sobrecarga sin considerar ningún tipo de reducción, se ajusta según el tipo de

recinto.

Factor de amplificación de cargas sísmicas, depende del material de estructuración.

Cabe aclarar que de acuerdo al anexo C.4.5 de la misma norma anterior, la combinación de carga que incluye

la solicitación de viento no es coincidente con la sísmica, por lo que puede calcularse aparte reemplazando a

ésta:

Por Tensiones Admisibles:

(Ec. 2.40).

Por Cargas Últimas:

(Ec. 2.41).

Finalmente, en estructuras de hormigón armado se debe usar el factor en conjunto con los

factores de reducción de resistencia indicados en el ACI 318-05.


52

2.2.3.3.- Verificación de elementos de hormigón armado.

Según el código ACI 318-05, (2005) el cálculo y las consideraciones de diseño y construcción de elementos

especiales como chimeneas tubulares de hormigón armado se detalla en la publicación del comité ACI 307-

98 (1998) “Standard Practice for the Design and construction of Reinforced Concret Chimneys”, la cual,

junto al mismo código ACI 318-05 entregan los lineamientos básicos a considerar en la verificación

estructural de este problema. La importancia de la publicación del comité ACI 307-98 es que entrega una

guía de diseño con consideraciones especiales para este tipo de estructuras


53

2.3.- MÉTODOS DE REPARACIÓN Y REFUERZO EN HORMIGÓN ARMADO.

De acuerdo al resultado del diagnóstico estructural se puede establecer el tipo de patología de la estructura

de hormigón armado, la gravedad y estimar el periodo de vida residual que le queda. Luego, para escoger el

tipo de reparación más adecuada es conveniente analizar el resto de variables que controlan la reparación,

tales como: disponibilidad de tiempo, presupuesto y factibilidad de ejecutar los trabajos.

2.3.1.- Sistemas de refuerzo tradicional.

A continuación se resumen en la siguiente tabla los sistemas de refuerzo estructural tradicionales utilizados

en estructuras de hormigón armado.

Tabla 2.18. Sistemas tradicionales de refuerzo en hormigón armado (Del Río Bueno, 2008).

MÉTODO DE

REPARACIÓN FUNCIONAMIENTO CONDICIONES DE USO EFICIENTES.

RECRECIDO CON

HORMIGÓN.

Envoltura de hormigón sobre un elemento

aumentando su sección.

Se debe conocer el mecanismo de

transferencia de carga que actuará entre el

miembro ya existente y el refuerzo.

ADOSADO DE PERFILES

METÁLICOS.

Unión del elemento original a uno o varios perfiles

metálicos, transformándolo en un elemento mixto.

Es necesario conectar los nuevos perfiles a

elementos cercanos o a los nudos para poder

transmitir los esfuerzos eficazmente.

ARMADURA EXTERIOR.

Adición de armadura exteriormente en la cara de

tracción preferentemente, la unión se realiza mediante

resinas o por conexiones.

Se requiere proteger el sistema de reparación

tanto del fuego (resinas) como de la

corrosión (conexiones).

2.3.2.-Reparación en hormigón agrietado.

La publicación del ACI 224. 1R-93 entrega los procedimientos necesarios a realizar en estructuras que

presenten grietas. La mayoría de las obras de hormigón armado presentan grietas con el tiempo, salvo en

raras ocasiones como por ejemplo una obra extremadamente simple o el uso de extremas medidas de

seguridad (del Río Bueno, 2008). Lo que se requiere saber en este caso es el estado del mecanismo de

fisuración que presenta la estructura (grietas activas o pasivas), distribución de éstas (aisladas o en red),


54

causas que la originaron y estimar si es posible coserlas ya que así se devuelve o incluso aumenta la

resistencia a tracción del hormigón.

Tabla 2.19. Métodos de reparación de hormigón con grietas (Del Río Bueno, 2008).

MÉTODO DE

REPARACIÓN FUNCIONAMIENTO

CONDICIONES

EFICIENTES DESFAVORABLES

INYECCIÓN Inyección de lechada o resinas epóxicas

dentro de la grieta.

En

requerimientos

de estanqueidad y

grietas aisladas.

En presencia de

filtraciones y grietas

en red.

SELLADO

Vaciado de la grieta y posterior sellado con

materiales elásticos como alquitranes

(pavimentos) o resinas epoxi.

En grietas activas

y superficiales. En grietas en red.

FORMACIÓN DE

JUNTAS

Funciona similar al sellado, sólo que además

de materiales elásticos se utiliza mortero o

bandas metálicas. Por otro lado se estudia el

efecto de la junta en la estructura, se

considera incluso llegar hasta la armadura.

En grietas aisladas

debido al costo

del método.

En fisuras

generalizadas.

COSIDO

CON

GRAPAS

Consiste en el cosido de grietas (selladas

previamente) con grapas en distinta

dirección, separación y longitud. Luego se

recubre con mortero para evitar corrosión.

Fisuras en estado

pasivo cuyo

cosido aportará

rigidez.

Grietas activas, ya

que el cocido genera

más tensiones en

ellas.

CON

BANDAS

DE

FIBRAS

De manera similar al cosido con grapas pero

se trata de bandas fibras de carbono

impregnadas en resinas epoxi ubicadas

transversalmente a la fisura.

Fisuras con

movimiento.


55

Tabla 2.20. Esquemas de reparación de hormigón agrietado (Sika a, 2008).

MÉTODO DE

REPARACIÓN ESQUEMAS TIPO

INYECCIÓN

SELLADO

FORMACIÓN DE

JUNTAS

COSIDO

CON BANDAS DE

FIBRAS DE CARBONO


56

2.3.3.-Reparación de hormigón entumecido y disgregado.

El entumecimiento y disgregación del hormigón se asocia a pérdida de sección y corrosión de armaduras,

problemas que de no ser atacados con urgencia pueden comprometer severamente la estructura (del Río

Bueno, 2008). Existen variadas técnicas que a modo general siguen un mismo orden en la ejecución:

Limpieza, retiro del material destruido.

Preparación de la superficie a reparar.

Uso de un material de recubrimiento utilizando un método de ejecución apropiado.

Si corresponde, uso de un recubrimiento posterior que proteja al sistema de reparación.

Tabla 2.21. Métodos de reparación en Hormigón entumecido y disgregado (del Río Bueno, 2008).

MÉTODO DE

REPARACIÓN FUNCIONAMIENTO CONDICIONES DE USO EFICIENTES.

ENCOFRADO

Es el recuperado o aumento de sección mediante

hormigón que queda contenido por un encofrado

mientras fragua completamente

Elementos verticales sometidos a compresión.

HORMIGÓN

PROYECTADO

Mezcla de arena y cemento en seco que se proyecta

combinado con agua a presión.

Elementos de gran área a reparar cuya

superficie facilita la adherencia.

ENLUCIDO CON

MORTERO Aplicación de mortero con llana en varias capas. Acabado de otro sistema de reparación.

MORTERO SECO Aplicación manual de mortero con baja relación

agua/cemento. Relleno de agujeros.

RESINAS EPOXI

Puede actuar como adhesivo entre hormigones o

acero-hormigón. Mejoramiento de adherencia.

Aglomerante reemplazando al cemento. Reparaciones poco profundas o necesidad de

rápido endurecimiento.

Revestimiento. Tratamientos superficiales.

Matriz de materiales compuestos (fibra de carbono). Reparaciones exteriores importantes.


57

Tabla 2.22. Esquemas de reparación mixtos de hormigón entumecido y disgregado (Sika a, 2008).

MÉTODOS DE

REPARACIÓN MIXTOS. ESQUEMAS TIPO

ENCOFRADO,

RESINA EPOXI COMO

AGLOMERANTE.

HORMIGÓN

PROYECTADO, RESINA

EPOXI COMO ADHESIVO Y

REVESTIMIENTO.

2.3.4.- Reparación de hormigón armado con corrosión de armaduras.

Debido a que la corrosión de armaduras se debe a distintas causas, se destacan 2 métodos de reparación que

enfrentan estos diferentes tipos, los cuales se describen a continuación.

2.3.4.1.- Protección catódica.

De acuerdo a la publicación de ASM International (1987) la protección catódica es un método

electroquímico que controla la corrosión en concentrando la reacción de oxidación en el ánodo de una

celda galvánica, de esta manera suprime la corrosión del cátodo en la misma celda, cabe señalar que este

sistema de protección no funciona expuesto al aire libre, ya que necesita de un medio electrolítico que el

aire no le proporciona.


58

Figura 2.22. Protección catódica de una tubería enterrada utilizando un ánodo de magnesio. (ASM, 1987).

Existen básicamente 2 tipos de protección catódica: una de tipo pasiva (ánodo de sacrificio) y otra de tipo

activa (corriente impresa). La figura 2.23 muestra la protección catódica por ánodo de sacrificio, mediante

este método es posible obtener diferencias de potencial de hasta 1 V, la protección activa proporciona

mayores diferencias de potencial, lo que presta gran utilidad en medios de baja conductividad. Sin embargo,

un exceso de voltaje es capaz de producir debilitamiento en la propia estructura, por lo que la manipulación

de la técnica es de mayor complejidad que en la protección pasiva y además requiere de mantenimiento y

supervisión cada cierto tiempo. Una ventaja que se descubrió en el trabajo de Christodoulou et al (2010) es

que la protección por corriente impresa mantuvo al acero pasivado 24 meses después del fin de la vida útil

del sistema de resguardo, lo que aporta cierta holgura de tiempo para volver realizar la reparación.

Cabe mencionar que este método de protección es utilizado en estructuras sumergidas bajo agua o tierra,

obteniendo buenos resultados en la corrosión inducida por cloruros, en sus inicios comenzó utilizándose en

embarcaciones y se ha extendido masivamente a estructuras de hormigón armado tales como puentes

(ELTECH Research Corporation, 1993) con gran éxito.


59

2.3.4.2.- Inhibidores de corrosión.

Según Broomfield (1997) los inhibidores de corrosión producen una delgada capa química de una o dos

moléculas de espesor en la superficie del acero que inhibe el ataque de la corrosión, pueden prevenir las

acciones anódicas, catódicas o bien ambas. Dentro de los materiales, los nitritos son conocidos por su

acción inhibidora anódica, sin embargo se ha diversificado el tipo de compuestos que favorecen la

inhibición, por ejemplo las soluciones en base a carbonatos, silicatos, fosfatos y sulfatos. A pesar que los

inhibidores detienen exitosamente la corrosión, su utilización en cantidades insuficientes puede acentuarla

mediante un ataque localizado (picaduras).

Del trabajo de Trabanelli et al (2005) se obtuvieron buenos resultados del benzoato de sodio sobre

hormigón carbonatado, produciendo una capa pasivadora de larga duración, por otro lado las sales de ácido

benzoico también presentaron un efecto inhibidor. Además se descartó que los inhibidores disminuyeran la

resistencia a compresión del hormigón.

Figura 2.23. Aplicación de inhibidor de corrosión sobre hormigón. (Sika b, 2008).

2.3.5.- Materiales compuestos y su uso en reparación de estructuras.

Un material compuesto resulta de la unión de dos materiales con la intención que en conjunto superen las

cualidades que tienen por separado, según la forma de los materiales se pueden clasificar en: particulados,

con fibras o laminares. Los compuestos reforzados con fibras en general presentan mejores características en

cuanto a rigidez, resistencia y relación resistencia-peso. Su estructura se basa en fibras resistentes y rígidas


60

insertas en una matriz blanda y dúctil. La forma en que trabajan ambos materiales es mediante el traspaso de

los esfuerzos aplicados desde la matriz hacia las fibras (Askeland, 1998).

2.3.5.1- Estructura de los materiales compuestos.

Según Askeland (1998), los materiales tienen la estructura que se describe a continuación.

Matriz

La matriz cumple las funciones de mantener las fibras en su lugar, protegerlas de daños debido al traslado e

instalación y evitar la formación de grietas en éstas. Por otro lado controla el comportamiento químico y las

propiedades eléctricas del material compuesto, si se requiere alta resistencia al fuego, la matriz debe

presentar similares ventajas en conjunto con la fibra.

Fibra.

La fibra otorga al material compuesto rigidez y resistencia, para obtener un compuesto resistente es

necesario utilizar una cantidad considerable de fibras, sin embargo un exceso de éstas evita que algunas de

ellas queden unidas a la matriz, por ello el volumen ideal es un 80% del total. Otra de las características a

considerar es que las fibras pueden ordenarse de diversas maneras en la matriz, los arreglos en una

dirección de fibras continuas o largas producen propiedades anisotrópicas, presentando buena resistencia y

rigidez en la dirección paralela a la fibra y deficiencia en la dirección perpendicular a ésta, es por ello que se

diseñan arreglos en varias direcciones con el fin de soportar diferentes estados de carga.

Figura 2.24. Tejido tridimensional para compuestos reforzados con fibras (Askeland, 1998).


61

2.3.5.2.-Tejido de fibra de carbono.

La fibra de carbono es un material compuesto cuya fibra la constituyen filamentos tejidos de carbono que

aportan flexibilidad y resistencia, mientras que la matriz la forma una resina termoestable, generalmente

resina epoxi, la cual entrega a la fibra protección, unión estable y además distribuye las cargas por todo el

tejido, la resina requiere por lo demás de un agente endurecedor que permita una óptima asociación del

material compuesto.

Tejido de carbono.

El tejido de carbono procede de una mezcla de polímeros, generalmente PAN (poliacrilonitrilo) el cual se

denomina precursor ya que es la principal materia prima que se une a otros polímeros de tipo carbonífero

cuyo origen son restos fósiles y que se obtienen como derivados del petróleo.

Matriz de resina epoxi

Dentro de las resinas, la de tipo epoxi (diglicidileter de bisfenol A) es la más utilizada debido a su mayor

dureza y su óptimo desempeño a temperaturas de hasta 180°C, además posee buena adherencia con otros

sustratos, resistencia a la corrosión y ataques químicos. Las resinas que se ofrecen en el mercado son una

mezcla de resinas (80%) y aditivos (20%) de tipo acelerador, modificador termoplástico y de curado, todo

esto con el fin de complementar perfectamente al material compuesto que se comportará como un solo

elemento con cualidades potenciadas.

2.3.5.3.- Reparación con fibra de carbono.

Aún cuando la fibra de carbono es un material nuevo en el terreno de la construcción e ingeniería civil, su

éxito ha avalado la creación de normativa que permite su utilización responsable y al mismo tiempo abre

espacio a nuevas investigaciones. El código ACI 440 2R (2008) “Guía para el Diseño y Construcción de

Sistemas de polímeros reforzados con fibra (FRP) adherida para el Fortalecimiento de Estructuras de

Hormigón” detalla los requisitos necesarios para su utilización, no sólo refiriéndose a la fibra de carbono

sino también a la fibra de vidrio y aramida, materiales de uso más antiguo que el carbono y que presentan

ventajas en condiciones diferentes.

Dentro de las ventajas que posee la fibra de carbono cabe mencionar su buena adaptación tanto en

ambientes ácidos como alcalinos, nula expansión térmica, alta resistencia a la fatiga y fluencia, sin embargo


62

es conveniente saber que esta fibra actúa como conductor por lo que es conveniente evitar todo contacto

con el acero para evitar un mecanismo de corrosión galvánica, además no es resistente a los impactos, es

por ello que se debe tener especial cuidado en su manipulación y dejarla protegida al finalizar la reparación.

Sika a (2008) en la figura 2.26 esquematiza la utilización de la fibra de carbono en la reparación de distintos

elementos estructurales: vigas, columnas, losas, muros. Muestra que la fibra de carbono se puede utilizar

como pletinas o bien como tejido, también existe la fibra de carbono pretensada.

Figura 2.25. Sistemas de refuerzo estructural con fibra de carbono. (Sika a, 2008).

Las bondades que posee la fibra de carbono es que permite realizar una reparación en poco tiempo debido a

que sólo se requiere que la superficie de hormigón se encuentre sana, limpia y sin armaduras a la vista, la

aplicación se complementa con resina de tipo epoxi para adherirla a la superficie. La reparación mediante

fibra de carbono es útil si se desea confinar, reforzar a flexión, corte o torsión, cabe señalar que también es

posible reparar elementos de albañilería. En cuanto a elementos en flexión, la tesis de Victoria Águila (2010)

muestra que al reforzar con fibra de carbono utilizando una cuantía que se acerque a la mitad del área de

acero se obtiene un elemento con una capacidad resistente dos veces superior a un elemento sin reforzar.

Capítulo III: Inspección estructural.

63

Capítulo III

INSPECCIÓN ESTRUCTURAL.


64

3.1.- DATOS PRELIMINARES.

Según el informe entregado por CESMEC LTDA. (Anexo B) a fines del año 2007, se realizó una serie de

mediciones con el fin de establecer el estado de los componentes de la chimenea, lo que para esta

investigación permitió obtener algunos parámetros básicos para la verificación de estado actual y predicción

de la vida útil que le resta.

3.1.1.- INSPECCIÓN VISUAL.

De la inspección visual realizada se elaboró un esquema (figura 3.1) de la estructura que refleja la

distribución y orientación de las grietas existentes, además de las zonas con hinchamiento y

desprendimiento de material, las cuales se ven claramente en la figura 3.2.

Figura 3.1. Inspección visual realizada por Cesmec Ltda.


65

Figura 3.2. Daños observados en la estructura.

3.1.2.- Mediciones no destructivas.

De la observación realizada en la inspección visual se detecta una cantidad de grietas considerable, por lo

que se procedió a medir el ancho de éstas con huincha de medir y la profundidad con un equipo de

ultrasonido (TICO). Por otro lado el desprendimiento de material que acusa la estructura deja a la vista las

armaduras, las cuales fueron analizadas con un equipo de auscultación electromagnética (Profometer 5). El

resultado obtenido de las mediciones se resume en la tabla 3.1.


66

Tabla 3.1. Detalle de grietas y armaduras medidas en terreno.

Ítem Ubicación Característica a medir. Resultado de la medición

Grietas

Sector medio superior Ancho 0.5 cm.

Profundidad 4 cm.

Sector medio inferior Ancho 1.5 cm.

Profundidad 10 cm.

Armaduras

Sector medio superior Distribución horizontal ϕ 20 mm.@15 cm.

Distribución vertical ϕ 10 mm.@10 cm.

Sector basal Distribución horizontal ϕ 26 mm.@10 cm.

Distribución vertical ϕ 20 mm.@10 cm.

3.1.3.- Mediciones invasivas.

Dentro de las mediciones invasivas realizadas está la extracción de testigos de 3 zonas de la chimenea para

determinar la resistencia del hormigón y la ejecución de calicatas en el sector de la fundación para

determinar la calidad del suelo. Los resultados de tales mediciones arrojaron los resultados ordenados en la

tabla 3.2 y 3.3, mientras que el detalle de los trabajos realizados en la extracción de testigos se observa en la

figura 3.3.

Tabla 3.2. Resistencia medida en testigos de hormigón de la chimenea.

Testigo N° Ubicación Resistencia cilíndrica corregida

por esbeltez. ( )

Resistencia cúbica normal.

( )

T1 Base cónica chimenea 196 245

T2 Estribo base chimenea 346 395

T3 Fundación chimenea 73 91

mailto:mm.@15

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10


67

Figura 3.3. Zonas de extracción de testigos.

Tabla 3.3. Resultado ejecución de calicatas.

Horizonte Cotas límites (m). Espesor (m). Descripción del material

M-1 0.00-0.20 0.20 Capa vegetal

M-2 0.20-1.50 1.30

Limo color café claro con 54% de material fino, con IP

10, peso específico de las partículas 2437 ( ),

consistencia suelta, humedad alta. Clasificación USCS

ML.

La investigación de Jara (2002) muestra además que bajo la capa de limo en el sector aledaño al río Valdivia

en Miraflores se encuentran normalmente estratos de suelo arenosos de tipo areno limoso y areno arcilloso

a mayor profundidad.


68

3.2.- INSPECCIÓN VISUAL.

Luego de la inspección realizada en el año 2007 por la empresa CESMEC LTDA. y por la visita de ELEMENTA

en enero del año 2010, la primera inspección que se realizó para la presente investigación se llevó a cabo el

día lunes 1 de marzo del año 2010 posterior al sismo del 27 de febrero ocurrido a las 03:34 de grado 8.8 y

ubicado 43 Km al SO de Cobquecura. En Valdivia este sismo tuvo un registro de 6 grados en la escala de

Richter (Servicio Sismológico, 2010). Se observó desprendimiento de material suelto y una acentuación de

grietas ya existentes debido al movimiento sísmico, tales sucesos fueron registrados mediante las siguientes

fotografías de la figura 3.4.

Figura 3.4. Daños ocasionados por el sismo del 27 de febrero de 2010.

Posterior a la fecha antes mencionada, se realizó una inspección visual en compañía del profesor

patrocinante de la presente memoria Don Adolfo Castro Bustamante quien a juicio personal resaltó la falta

de algunos datos tales como el espesor de la chimenea y el estado del hormigón bajo el recubrimiento para

poder definir una predicción más cercana a la realidad, motivo por el cual propone realizar alguna medición

que despeje estas incógnitas en la medida de lo posible.


69

En la visita se observa que la mitad de la estructura cercana a la escalera de servicio presenta hinchamiento,

grietas y desprendimiento de material, tales indicadores muestran que los daños han aumentado con

respecto al chequeo del año 2007 puesto que las zonas que antes estaban agrietadas ahora están al

descubierto por el desmoronamiento de la capa de hormigón que recubre la estructura, y el detalle de la

recopilación de daños observados en la figura 3.5.

Figura 3.5. Recopilación de daños observados.

Posteriormente se llevó a cabo una visita con el doctor experto en materiales Claudio Aguilar Ramírez del

Instituto de Materiales y Procesos Termo mecánicos de la UACH quien constató el daño por corrosión que

presenta la estructura, ante lo cual aconsejó estimar la cantidad de armadura corroída y de acuerdo a esa

información concebir un sistema que pasive la corrosión existente.

Considerando las propuestas de ambos docentes se procede a recopilar información destinada a poder

preparar una inspección en terreno que contribuya con la información necesaria para continuar con la

investigación.


70

3.3.- MEDICIONES IN SITU.

3.3.1.- MEDICIÓN INVASIVA.

Al consultar la opinión del profesor Arrey, el docente manifestó que una manera simple de añadir

información sobre el estado de la chimenea sería abriendo parte de una grieta y revisando el estado del

material que se encontrara tras la primera capa de recubrimiento mediante una perforación.

3.3.1.1- Descripción.

Se procedió a elaborar un plan de medición en una grieta del recubrimiento de la chimenea y a una altura

que no sobrepase los 4 metros para no exponer la seguridad de quien realiza los trabajos. Una vez

identificado el sector, se golpeó suavemente para desprender material suelto hasta llegar al hormigón firme

y luego se realizó cortes que facilitaron la perforación, en el avance se realizó la medición del posible avance

del frente de carbonatación del hormigón con fenolftaleína.

3.3.1.2.- Preparación.

Se inició la preparación de la visita consultando sobre las herramientas y elementos necesarios para realizar

cortes y perforaciones en hormigón, los cuales son enumerados a continuación:

Sierra circular.

Disco de corte diamantado con dientes.

Taladro.

Broca para cemento.

Agua (para enfriar la perforación).

Una vez conseguidos los materiales necesarios para realizar la incisión y contactado a la persona capaz de

realizar estos trabajos, se procedió a preparar la solución de fenolftaleína al 1% en alcohol de 70° con ayuda

de un profesional de la especialidad de bioquímica.

3.3.1.3.- Realización.

Se comenzó la visita a terreno identificando el lugar de la medición (Figura 3.6), se eligió un sector que se

encuentra a 3.5 metros de altura en dirección hacia la calle General Lagos ya que es más accesible y seguro

apoyar la escalera cerca del techo de la clínica dental de la Universidad San Sebastián, al golpear la grieta


71

cayó una gran cantidad de material suelto perteneciente a la capa de recubrimiento de 5 cm. de espesor y a

astillas de armadura carbonatada, quedaron a la vista las armaduras longitudinales claramente dañadas, se

tomaron muestras para medir la pérdida de sección de los fierros (Figura 3.7).

Posteriormente se procedió a realizar cortes con la sierra circular y se inició la perforación con taladro,

lográndose avanzar 25 cm en profundidad sin poder atravesar por completo el espesor de la chimenea ya

que se chocó con un fierro interno en excelente condición. En el tramo avanzado se advirtió que el

hormigón estaba en buen estado pese a ser una grieta ubicada en el sector de mayor hinchamiento por

corrosión de armaduras ya que así lo indicó la prueba de fenolftaleína que se tornó de color fucsia en toda la

perforación tras la capa de refuerzo (Figura 3.8).

Figura 3.6. Identificación y limpieza de la zona de medición.


72

Figura 3.7. Extracción de muestras de armadura.

Figura 3.8. Aplicación de fenolftaleína.


73

3.3.1.4.- Mediciones en la muestra de acero.

Figura 3.9. Zonas de la muestra de acero.

Figura 3.10. Identificación de direcciones para medir muestra de acero.

Se procedió a medir la muestra tomada de la visita a terreno (Figuras 3.9 y 3.10), corresponde a un fierro

longitudinal de diámetro 20 mm sacado de una grieta abierta en la parte baja de la chimenea, corresponde a

un sector con bastante hinchamiento producto de las barras corroídas. Al limpiar los depósitos de

herrumbe, se advierte que la barra está más atacada en una dirección radial, por ello se tomaron mediciones

en la dirección de Diam.1 y la dirección de Diam.2 (la más desgastada), obteniéndose un desgaste promedio

de 4 mm en la dirección 1 y 9 mm en la dirección 2, por lo que ha perdido un 56% de su sección.

Tabla 3.4. Mediciones tomadas en la muestra de acero.

Diam.1 (mm) 16 15 16 16 16

Diam.2 (mm) 11 10 12 12 13

Diam.2 Diam. 1


74

3.3.1.5.- Comentarios.

Al finalizar la visita a terreno se constata que un problema evidente de la chimenea es la corrosión de las

armaduras de acero, las cuales al hincharse provocaron grietas en la capa de recubrimiento y de esta manera

desprendimiento de material. Ahora bien, el sentido en que están dispuestas las grietas (vertical) indica que

pudieron ser producidas también por el efecto de las temperaturas cuando se encontraba en

funcionamiento.

Por otro lado, se observa que el hormigón de la chimenea ubicado tras la capa de refuerzo visible está en

buen estado pese a encontrase atacado por varios sectores donde existe entrada para agentes agresivos.

Finalmente, no fue posible descubrir con exactitud el espesor de la chimenea, sólo se sabe que en la base

tiene una medida mayor a 25 cm.

3.3.2.- MEDICIÓN TOPOGRÁFICA.

Se realizó una medición topográfica con taquímetro digital Nikon NE 100 para cuantificar una posible

inclinación de la chimenea producto del asentamiento basal, la Figura 3.11 muestra los puntos de medición.

Se constató en terreno que tanto el sector Norte-Sur como el Oriente-Poniente están totalmente

perpendiculares, además se observó que la chimenea tiene 2 cambios de sección transversal en el fuste (Fig.

3.12), el primero aproximadamente a los 18 metros de altura y el segundo a los 33 metros de elevación.

Figura 3.11. Medición con taquímetro. Fig. 3.12. Cambios de sección.

Capítulo IV: Diagnóstico estructural.

75

Capítulo IV

DIAGNÓSTICO ESTRUCTURAL.


76

4.1.- VERIFICACIÓN ESTRUCTURAL DE ACUERDO A LA NORMATIVA ANTIGUA.

4.1.1.- CONSIDERACIONES INICIALES.

De acuerdo a las mediciones entregadas por CESMEC LTDA. fue posible determinar la calidad del hormigón

utilizado, tipo de acero de las armaduras, altura total de la chimenea y diámetro exterior basal; siendo una

incógnita aún el espesor de la estructura, el diámetro en el vértice (que varía en función de la altura) y el

detalle de la cuantía de armaduras utilizada. Por ello se estimaron los datos faltantes de acuerdo a

bibliografía de cálculo utilizada en la época.

4.1.2.- APROXIMACIÓN DE LAS DIMENSIONES PRINCIPALES.

Las dimensiones principales se acotaron de acuerdo a la recopilación realizada por Moral (1966) la cual está

descrita en el marco conceptual y detalla los conocimientos de ingeniería y construcción sobre chimeneas

de hormigón armado entre los años 1900 y 1940, época donde los países recién comenzaban a formular sus

normativas de cálculo.

En la estructura los datos conocidos son los siguientes:

m. (Diámetro exterior basal sector esbelto)

m. (Altura total)

m. (Diámetro exterior basal sector troncal)

Luego, aplicando las fórmulas de dimensionamiento utilizadas en la época, se obtienen como resultado las

siguientes dimensiones promedio.

cm. (Espesor en el vértice)

cm. (Espesor basal)

cm. (Diámetro exterior en el vértice)

cm. (Diámetro interior en el vértice)

cm. (Diámetro interior basal)


77

4.1.3.- CÁLCULO DE LOS ESFUERZOS SOLICITANTES.

Como metodología de cálculo se realizó una división de la estructura en 7 secciones, las primeras 6 de 7.5

metros de altura y la última de 3 metros, de esta manera se aplicó la recomendación dada en la época de su

diseño, ya que para estructuras de hasta 100 metros de altura se aconseja dividirla convenientemente en

partes para su análisis.

Tabla 4.1. Características generales de las secciones de la chimenea.

Figura 4.1. División de la chimenea en 6 secciones de 7.5 m y 1 de 3.0 m.

4.1.3.1- Peso propio.

Considerando las secciones anteriormente definidas, se calcula el peso propio de cada una de ellas

utilizando como peso específico del hormigón armado 2400

y la geometría de su volumen como

tronco de cono.

N°

Sección

Altura

(m).

Elevación sobre

el terreno (m).

Radio medio

(cm).

Espesor

(cm). Área (cm2).

1 7.50 40.50 94.7 14.2 8440

2 7.50 33.00 103.4 16.4 10640

3 7.50 25.50 112.0 18.6 13070

4 7.50 18.00 120.7 20.8 15750

5 7.50 10.50 129.4 23.0 18660

6 7.50 3.00 137.8 24.5 21200

7 3.00 0.00 237.5 25.0 37310


78

Tabla 4.2. Cálculo peso propio.

N° Sección Peso

(kg)

Peso acumulado

(kg)

1 13400 13400

2 17140 30540

3 21310 51850

4 25910 77760

5 30940 108700

6 35850 144550

7 21020 165570

4.1.3.2- Acción del viento.

De acuerdo al método descrito en detalle en el capítulo 2 de la presente investigación se resume el cálculo

de la acción del viento en el siguiente cuadro.

Tabla 4.3. Cálculo de la acción del viento.

N°

Secc.

Secc.

aparente

(m)

Centroide

(m)

Veloc. del

viento

(m/s)

Pres. del

viento

(kg/m2)

Fuerza sobre

cada sección

(kg)

Fuerza

acumulada

(kg)

Momento

flector

(kg-m)

1 1476 3.71 44.72 250.00 2460 2460 9118

2 1600 3.69 40.95 209.62 2236 4696 35820

3 1747 3.70 32.25 182.85 2129 6825 78910

4 1893 3.70 35.34 156.10 1970 8795 137400

5 2040 3.71 32.16 129.30 1758 10553 209900

6 2182 3.71 28.64 102.54 1491 12044 288500

7 1200 1.37 25.84 83.48 667.8 12712 331500


79

La figura 4.2 muestra más claramente los esfuerzos que solicitan la estructura para las diferentes secciones

escogidas, la primera figura representa el peso propio, la segunda corresponde a la fuerza de viento y la

tercera pertenece al momento flector que ocasiona la fuerza de viento; cabe añadir que en los años de

construcción de la estructura no se incorpora análisis sísmico aún.

Figura 4.2. Distribución longitudinal de esfuerzos en la chimenea.

4.1.3.3.- Esfuerzo cortante.

El esfuerzo cortante generado por la acción del viento se detalla a continuación.

Tabla 4.4. Cálculo esfuerzo cortante.

N°

Secc.

Espesor

(m)

Radio medio

(m)

Fuerza viento

(kg)

Esfuerzo cortante

(kg/m2)

1 0.142 0.947 2460 5863

2 0.164 1.034 4696 8876

3 0.186 1.12 6825 10501

4 0.208 1.207 8795 11228

5 0.23 1.294 10553 11365

6 0.245 1.378 12044 11434

7 0.25 2.375 12712 6862


80

4.1.3.4.- Dimensionamiento de armaduras.

Cálculo de armadura longitudinal.

Utilizando las tablas de coeficientes de Saliger (1906) del Anexo A, se describen los siguientes cálculos

previos para el dimensionamiento.

Tabla 4.5. Cálculos previos armadura longitudinal.

N°

Sección

Secc. del

hormigón

(m2)

Espesor

(m)

Radio

medio (m)

Excentric.

(m)

Excentric. Unit.

(m/m)

Tensión en el

radio medio

(kg/m2)

1 0.844 0.142 0.947 0.680 0.719 2253

2 1.064 0.164 1.034 1.173 1.134 4703

3 1.307 0.186 1.12 1.522 1.359 7372

4 1.575 0.208 1.207 1.767 1.464 10259

5 1.866 0.23 1.294 1.931 1.492 13376

6 2.12 0.245 1.378 2.029 1.473 16427

7 3.731 0.25 2.375 1.989 0.837 11176

Se calcula la cuantía dando como condición un espaciamiento de10 cm ya que en la realidad es el más

común en la estructura. En promedio se obtiene como resultado barras longitudinales distanciadas a 10 cm

y con diámetros que van desde los 8 mm en la parte alta (sobre los 25 metros de altura) hasta los 10 y 16

mm en la parte media y baja, tal como lo muestra la tabla 4.6.


81

Tabla 4.6. Cálculo armadura longitudinal.

N°

Secc.

Coef. de Saliger Cuantía

obtenida

Perím.

(cm)

Área Acero

(cm2)

N°

barras

Área

barra

(cm2)

Diámetro

1/a teór. 1/a obt. B<34.2

1 0.045 0.394 6.8 0.0025 595 21.1 59 0.35 ϕ ϕ10@10

2 0.082 0.231 30.0 0.0025 649 26.6 65 0.41 ϕ ϕ12@10

3 0.113 0.203 32.4 0.005 703 65.4 70 0.93 ϕ ϕ16@10

4 0.141 0.194 34 0.0052 758 81.9 76 1.08 ϕ ϕ16@10

5 0.166 0.194 34 0.0054 813 100.8 81 1.24 ϕ ϕ16@10

6 0.192 0.194 34 0.0053 865 112.4 87 1.30 ϕ ϕ18@10

7 0.128 0.322 14.8 0.0025 1492 93.3 149 0.63 ϕ ϕ18@10

Considerando ahora el aumento de sección por efecto de la temperatura, las recomendaciones de cuantía

mínima hechas por la norma alemana DIN 1056 (0.3 % de la sección) en la recopilación de Moral (1966) y la

posibilidad de ubicar la armadura en 2 capas, se obtienen los siguientes resultados.

Tabla 4.7. Cálculo armadura longitudinal total.

N°

Secc.

Área

Acero

(cm2)

Aumento

por T°

(cm2)

Área total

(cm2)

Diámetro

(2 capas)

1 21.1 8.44 29.54 ϕ ϕ10@10

2 26.6 10.65 37.25 ϕ ϕ10@10

3 65.4 13.08 78.43 ϕ ϕ12@10

4 81.9 15.77 97.67 ϕ ϕ12@10

5 100.8 18.69 119.45 ϕ ϕ12@10

6 112.4 21.20 133.56 ϕ ϕ18@10

7 93.3 37.29 130.56 ϕ ϕ18@10


82

Al comparar el cálculo obtenido con la enfierradura que efectivamente posee la chimenea se observa que

ésta tiene en la realidad una distribución uniforme de refuerzo ϕ 10 @ 10 en toda la capa externa de la parte

superior esbelta y ϕ 20 @ 10 en el sector basal, de acuerdo al resultado obtenido se infiere que la

enfierradura debe estar dispuesta en doble capa, ya que de lo contrario sería una cantidad de acero

insuficiente comparada con la metodología de cálculo y construcción utilizada en la época.

Cálculo de armadura transversal.

Los resultados de armadura transversal se entregan en ya que se realiza el análisis para 1 m de

altura, del dimensionamiento recomendado resulta la sección de las barras a utilizar, para ello se asume un

espaciamiento de 15 cm en las 6 primeras secciones (tal como sucede en la realidad) y de 10 cm en la última

sección basal, además se considera la tensión en el acero con un valor de .

Por otro lado se incluye un aumento del refuerzo transversal por efecto de la temperatura y la

recomendación de cuantía mínima de la norma DIN 1056 (0.15 % del área vertical en 1 m de altura), de

acuerdo a lo anterior se obtienen los siguientes resultados que aparecen ordenados en la tabla 4.8.

Tabla 4.8. Cálculo armadura transversal total.

N° Secc. Área barra unitaria

(cm2/m)

Aumento por T°

(cm2/m)

Área barra total

(cm2/m) Refuerzo

1 0.31 0.53 0.84 ϕ 12 @15

2 0.55 0.62 1.16 ϕ 16 @15

3 0.73 0.70 1.43 ϕ 16 @15

4 0.88 0.78 1.66 ϕ 16 @15

5 0.98 0.86 1.84 ϕ 16 @15

6 1.05 0.92 1.97 (ϕ 16 @10) ϕ 25 @15

7 0.43 0.94 1.37 (ϕ 16 @10) ϕ 25 @15

Comparando el refuerzo calculado con la enfierradura existente se observa que éste se encuentra algo por

debajo en la parte superior, ya que en la realidad ésta posee barras de diámetro ϕ 20 en el sector esbelto.

Ante tal resultado se debe considerar que en la bibliografía encontrada no fue posible hallar más


83

recomendaciones de la época que respalden un incremento de cuantía, por otro lado, las bases de cálculo

de la presente investigación en materia de refuerzos sólo cuentan con el aporte de la norma alemana DIN

1056 publicada en 1940, en años anteriores se contaba con procedimientos que aún no conformaban una

norma y con la experiencia constructiva de otras estructuras no necesariamente dimensionadas de manera

precisa.


84

4.2.- VERIFICACIÓN ESTRUCTURAL DE ACUERDO A LA NORMATIVA ACTUAL.

4.2.1.- CARACTERÍSTICAS DEL MODELO ESTRUCTURAL.

4.2.1.1- Introducción.

En esta sección se describe la verificación estructural de esta obra en su estado óptimo, para ello se utilizó

como herramienta el programa SAP 2000 v.14.1.0 (Computers & Structures, 2009), en el cual se ejecutó un

modelo de elementos finitos considerando para las dimensiones los resultados obtenidos en la sección 4.1

de la presente investigación y para las propiedades de los materiales el informe de CESMEC LTDA en

conjunto con datos sacados de la literatura de Saliger (1906). En cuanto a la normativa se utilizaron

principalmente las consideraciones del ACI (American Concrete Institute) y de la normativa chilena

atingente.

4.2.1.2- Geometría.

Se construyó un modelo de elementos finitos como se observa a continuación en la figura 4.3, la capa

externa es de hormigón armado cuyos espesores varían entre 12 y 25 cm desde la cúspide hasta la base,

mientras que internamente se consideró una capa de ladrillo refractario uniforme de 10 cm de espesor.

Figura 4.3. Dimensiones geométricas del modelo de elementos finitos.


85

Se elaboraron 49 secciones transversales separadas a 1 m de altura haciendo un barrido a lo largo de la

estructura, tanto el radio medio como el espesor de cada parte fueron interpolados a partir de los valores

conocidos en los puntos extremos de la estructura, radialmente cada sección se dividió en 20 puntos, a

partir de ello se crearon elementos rectangulares tipo shell uniendo las secciones entre sí por sus puntos

radialmente coincidentes.

4.2.2.-MATERIALES.

De las mediciones realizadas por CESMEC LTDA se posee una equivalencia al sistema de clasificación actual

del tipo de acero y hormigón utilizado en la construcción de la chimenea, los cuales son detallados en la

tabla 4.9 y 4.10.

Tabla 4.9. Propiedades generales del hormigón armado.

Material Peso específico (kg/cm3) Módulo de elasticidad (kg/cm2)

Acero A44-28H 7.84*10-3 2100000

Hormigón H25 2400*10-3 217000

Tabla 4.10. Propiedades específicas del hormigón armado.

Sin embargo, al consultar la literatura de Saliger (1906) se tienen las siguientes clasificaciones de hormigón y

acero según la norma alemana DIN 1045 capítulo XIX, las cuales se muestran en las tablas 4.11 y 4.12.

Acero A44-28H Hormigón H25.

Fy (kg/cm2) 2800 f´c (kg/cm2) 210

Fu (kg/cm2) 4400


86

Tabla 4.11. Clasificación del hormigón según DIN 1045.

Clasificación Hormigón Resistencia Cúbica

(kg/cm2)

Resistencia Prismática

(kg/cm2)

Módulo de Elasticidad

(kg/cm2)

B120 120 108 240.000

B160 160 144 275.000

B225 225 195 320.000

B300 300 240 355.000

B450 450 300 400.000

B600 600 360 435.000

Tabla 4.12. Clasificación del acero según DIN 1045.

Clasificación Acero de refuerzo Fy (kg/cm2) Fu (kg/cm2)

I 2200 3700-4500

II 3400-3600 4500-5000

III 4000-4200 5000-6400

IV 5000 >6400

Por lo que de acuerdo a ambos datos se utilizó en el modelo hormigón de tipo B160 y acero de refuerzo

clase I, valores que están discretamente cercanos y por debajo de los indicados por CESMEC para no

sobrevalorar el estado de la estructura.

En cuanto al ladrillo refractario, sus propiedades mencionadas en la literatura son un módulo de elasticidad

de 133.000 (kg/cm2) y peso específico de 1500 (kgf/m3).

4.2.3.-ANÁLISIS.

4.2.3.1-Periodo propio y espectro de respuesta.

Se creó el modelo de elementos finitos dados sus características geométricas y materiales conocidos, este

análisis se ejecutó considerando los materiales en estado óptimo y los 12 primeros modos de vibrar, con ello

se obtuvo un periodo propio , el cual permitió elaborar el espectro de aceleración de


87

acuerdo a la norma NCh2369. Of. 2003. En la siguiente tabla se detalla el periodo obtenido para cada modo

de vibrar y el porcentaje de participación de masa modal en las direcciones X e Y las cuales superan al 90%

como era esperado.

Tabla 4.13. Periodo propio y participación de masa modal.

Modo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Periodo (Seg.)

1.39 1.39 0.94 0.94 0.28 0.28 0.21 0.21 0.11 0.11 0.09 0.09

SumRX 0.06 0.24 0.89 0.92 0.92 0.97 0.97 0.97 0.97 0.97 0.97 0.98

SumRY 0.24 0.24 0.27 0.92 0.93 0.93 0.93 0.97 0.97 0.97 0.98 0.98

A continuación se adjunta el espectro de aceleración elaborado que contiene al periodo calculado

anteriormente de acuerdo a la recomendación de la NCh 2369 Of.2003.

Figura 4.4. Espectro de aceleración utilizado.

4.2.3.2.-Combinaciones de carga.

En la ejecución del análisis se consideraron las combinaciones de carga descritas en la norma NCh2369. Of.

2003 en conjunto con las recomendaciones del ACI 318-2005.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

Sa/g

T (seg)

Espectro de aceleración.


88

4.2.3.3.-Resultados.

En primer lugar se obtuvo las reacciones para las diferentes combinaciones de carga, las cuales se observan

en la tabla a continuación.

Tabla 4.14. Reacciones basales según el estado de carga.

Combinac. Tipo

Reacc.

FX FY FZ MX MY MZ

Kgf Kgf Kgf Kgf-cm Kgf-cm Kgf-cm

COMB1 Max Abs. 29112 0.07 41990 10479553 65409 7095962

COMB2 Max Abs. 0.02 29112 10726 2681505 35283 7095961

COMB3 Max Abs. 29112 0.07 45291 11322567 52695 7095961

COMB4 Max Abs. 0.02 29112 14026 3506518 53719 7095961

COMB5 Max Abs. 100572 0.01 95093 23773020 1720828 24570697

COMB6 Max Abs. 100572 0.01 91792 22948006 1708113 24570697

Máximos 100572 29112 95093 23773020 1720828 24570697

En lo que concierne al diseño de las armaduras se alcanzaron los siguientes valores máximos de cuantía que

aparecen detallados en la tabla 4.15, los cuales se ubican en la base del tronco esbelto.


89

Tabla 4.15. Valores máximos de cuantía según análisis SAP 2000.

Combinación Dirección armadura Máx. Abs. (cm2/m)

COMB1 Ast1 13.6

Ast2 30.2

COMB2 Ast1 13.6

Ast2 30.2

COMB3 Ast1 13.1

Ast2 29.2

COMB4 Ast1 13.1

Ast2 29.2

COMB5 Ast1 0.5

Ast2 0.2

COMB6 Ast1 0.6

Ast2 0.3

En la publicación del ACI 307-98 Design and Construction of Reinfoced Chimneys se dan recomendaciones

especiales para este tipo de estructuras, entre ellas que tanto la armadura longitudinal como transversal

debe estar repartida en dos capas y que el tamaño mínimo de fierros es de 12 mm espaciadas a no menos de

30 cm, es decir con una cuantía no menor a 3.77 cm2/m. Lo que da como resultado la distribución de

armaduras en doble capa espaciadas a 10 cm detalladas en la tabla 4.17.

Cabe añadir que estas recomendaciones son para una chimenea en operación, los resultados calculados en

SAP 2000 entregan los valores necesarios para que la estructura se mantenga en buenas condiciones

soportando sólo las fuerzas de viento y sísmicas, ya que esas son las condiciones de trabajo que se requiere

revisar (Tabla 4.16).

Tabla 4.16. Detalle de diámetros de enfierradura necesaria según análisis SAP 2000.

Ubicación Armadura longitudinal

2 capas Ubicación

Armadura transversal

2 capas

0.0-18.0 m ϕ12@16 0.0-18.0 m ϕ 16@12

18.0-33.0 m ϕ 10@20 18.0-33.0 m ϕ 12@15

33.0-48.0 m ϕ 8@20 33.0-48.0 m ϕ 12@15


90

Tabla 4.17. Armadura recomendada por comité ACI 307 para chimenea operativa.

Ubicación Armadura longitudinal

2 capas Ubicación

Armadura transversal

2 capas

0.0-20.0 m ϕ 12@20 0.0-20.0 m ϕ 16@12

20.0-48.0 m ϕ 12@30 20.0-48.0 m ϕ 12@15

Finalmente en cuanto al desplazamiento máximo permitido, se tiene que por recomendación del ACI 307-98

Design and Construction of Reinfoced Chimneys es , con en metros y en

milímetros, al comparar este valor con la deflexión obtenida del análisis en SAP 2000, se observa que no se

sobrepasa el límite establecido.

4.2.3.4.-Estabilidad.

Respecto a la fundación de la chimenea, se desconoce el nivel del sello de fundación, la estratigrafía

característica cercana al río Valdivia en el sector indica que bajo la capa de limo, existe una capa de arena

limosa y arcillosa. En los sondajes realizados para construir el edificio aledaño a la chimenea se obtiene que

hasta los 7 m de profundidad hay limo arcilloso, posteriormente hay una capa de arena, cabe señalar que tal

edificio se fundó sobre pilotes que atravesaron los 9 metros de profundidad mínima.

En el caso de la estructura en estudio, la medición taquimétrica indicó que se encontraba erigida

perpendicularmente, por lo que es un indicio que se fundó a una profundidad bastante elevada, tal vez

sobre pilotes al igual que el edificio contiguo.


91

4.3.- CUANTIFICACIÓN DE LA CORROSIÓN DE LA CHIMENEA.

4.3.1.- CARACTERIZACIÓN DE LA CORROSIÓN OBSERVADA.

Considerando la exposición ambiental a la que está sometida la estructura, se obtiene como clasificación de

agresividad ambiental (AA) B.4 según tabla 2.7, es decir, hay un contacto directo con la intemperie con ciclos

húmedos y secos, es por ello que se deduce que la principal causa de la corrosión es el avance del dióxido

de carbono a través de las porosidades del recubrimiento del hormigón y las uniones metálicas corroídas

con la escalera de servicio también dañada. Cabe mencionar que el sector sur de la chimenea es el más

afectado ya que en esta ubicación se facilita la acumulación de humedad.

4.3.2.- Cálculo de velocidad de corrosión.

A partir de la profundidad del ataque medido en la barra tomada como muestra, se puede retro-extrapolar el

tiempo en que se despasivó la armadura, considerando que la estructura se construyó en 1919, han pasado

92 años desde entonces y como medida actual se considera que la corrosión avanzó 4.5 mm en la dirección

más desgastada y 2 mm en la otra dirección de la barra. Luego se calcula el tiempo de inicio de corrosión

tomando como profundidad límite los 50 mm de recubrimiento y una pendiente de 1:2 desde el valor

actual.

Figura 4.5. Retro-extrapolación de tiempo de inicio de corrosión.

Dado que la clasificación de agresividad ambiental (AA) es B.4, la velocidad de corrosión puede estimarse

entre Según la tabla 2.5, sin embargo al calcular la verdadera velocidad de

corrosión, se tiene = 29.8 en la dirección más atacada y = 24.5 en la


92

menos corroída, con lo que se obtiene un nivel de corrosión de tipo alto según la clasificación de la tabla

2.4.

Luego la profundidad de ataque resulta ser para la dirección más atacada y

para la menos corroída. Con estos resultados se puede destacar que es bueno

considerar siempre un problema de corrosión con todas las posibles variables influyentes, si sólo se

considerara el nivel de agresividad del medio ambiente se estaría omitiendo el hecho que la corrosión de la

estructura se vio acelerada una vez que la escalera de servicio comienza a traspasar su corrosión a los

remaches, zunchos y armadura interna, por lo que la velocidad de corrosión resulta ser mucho más alta.

4.3.3.- Cuantificación de vida residual de armaduras.

Como se cuenta con el valor de velocidad de corrosión = 29.8 , se puede graficar la

pérdida de sección de la barra de diámetro ϕ 20 mm que va a experimentar a lo largo del tiempo. Se puede

apreciar en la figura 4.12 un desgaste casi completo al cabo de 28 años, si lleva 13 años de corrosión le

restan 15 para quedar completamente destruida.

Figura 4.6. Pérdida de sección de armadura ϕ20 mm.


93

4.4.- RESULTADO DEL DIAGNÓSTICO ESTRUCTURAL DE LA CHIMENEA.

4.4.1.-INTRODUCCIÓN.

En los apartados anteriores de este capítulo 4, se llevó a cabo un análisis tanto estructural como del estado

corrosivo de la chimenea en estudio con el fin de conformar un diagnóstico lo más fidedigno posible, por

esta razón, los resultados de tales observaciones se muestran a continuación.

4.4.2.- RESULTADO DEL ANÁLISIS CORROSIVO.

4.4.2.1.- Índice de daño por corrosión.

De las características controladas por la tabla 2.6, esta investigación cuenta con los datos de 5 de ellos en un

total de 6, los cuales son detallados a continuación.

Tabla 4.18. Resumen indicadores de daño por corrosión.

Indicador Resultado

Profundidad de carbonatación (Nivel III)

Nivel de cloruros 0 (Nivel I)

Fisuración por corrosión en el recubrimiento Generalizada (Nivel IV)

Resistividad Sin datos

Pérdida de la sección (Nivel IV)

Intensidad de corrosión (Nivel IV)

En promedio se obtiene .

4.4.2.2.-Índice de corrosión.

Anteriormente se obtuvo un , luego según la clasificación de agresividad ambiental de la tabla 2.7,

se tiene , por lo que el resultado del índice de corrosión es , quedando categorizado en un

nivel de corrosión alta de acuerdo a la tabla 2.8.


94

4.4.2.3.-Índice estructural.

El índice estructural IE sólo clasifica en elementos que trabajan a flexión y compresión, por lo que para este

cálculo se consideró a la chimenea como elemento en flexión, ya que actualmente se encuentra bajo la

acción de las cargas de viento y sísmicas, sin olvidar que en su etapa operativa estuvo sometida a presiones

radiales por efecto de los gases evacuados. Los resultados obtenidos se resumen en la siguiente tabla.

Tabla 4.19. Resumen clasificación IE.

Indicador Resultado

Armadura Transversal 8 mm; Clasif. 1

Armadura Longitudinal

, cuantía alta

Clasif. I

, cuantía alta

Clasif. II

Clasificación final II

4.4.2.4.-Índice de daño estructural.

Dado que se obtuvo como índice de corrosión (IC) alto con valores entre 3 y 4, además de clasificación final

de índice estructural (IE) II, se obtiene un índice de daño estructural (IDE) muy severo (MS) por lo que el

tiempo límite para reparar la estructura es de 2 años según la tabla 2.13.

4.4.3.- RESULTADO DEL ANÁLISIS ESTRUCTURAL.

En los capítulos 4.1 y 4.2 de la presente investigación se llevó a cabo un análisis estructural de la chimenea,

en el primero de ellos se realizó una verificación estructural utilizando metodología de cálculo recopilada

por Moral (1966), el objetivo de tal estudio fue verificar las estimaciones utilizadas en la estructura por la

falta de algunos datos concretos tales como el espesor, el diámetro en el vértice y armaduras más detalladas.

En el apartado 4.2 se verificó estructuralmente un modelo de elementos finitos de la chimenea

dimensionado con las estimaciones geométricas calculadas en el capítulo 4.1, la finalidad de este cálculo era

determinar la enfierradura con la cual la chimenea cumple las exigencias actuales de la normativa vigente, a

continuación se detalla la comparación de los resultados obtenidos.


95

Tabla 4.20. Comparación armadura longitudinal obtenida.

Ubicación (m) Medida en terreno Calculada en doble capa

Normativa antigua Comité ACI 307

40.50-48.00 ϕ 10 mm @10 cm ϕ 10 mm @10 cm ϕ 12 mm @30 cm


25.50-33.00 DESCONOCIDA ϕ 12 mm @10 cm ϕ 12 mm @30 cm





Tabla 4.21. Comparación armadura transversal obtenida.

Ubicación Medida en terreno Calculada en doble capa

Normativa antigua Comité ACI 307








A continuación se entrega una estimación de la cantidad de acero en kilogramos que posee la estructura

(tabla 4.22), comparando entre la armadura que posee y la que requiere para resistir las solicitaciones

actuales. A partir de ello se entrega una estimación de la cantidad de refuerzo en buen estado y se compara

con el refuerzo requerido (tabla 4.23).

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10

mailto:mm.@10


96

Tabla 4.22. Comparación de la cantidad de refuerzo de acero.

Posiblemente puesta en la estructura (año 1919) Requerida (ACI 307)

Longitudinal Transversal Longitudinal Transversal

4912 (kg) 7781 (kg) 3280 (kg) 3432 (kg)

12693 (kg) 6712 (kg)

Tabla 4.23. Estimaciones de refuerzo en buen estado.

Estimaciones de refuerzo en buen estado Refuerzo requerido

Caso 1 Caso 2 Caso 3

61% 22% 0% 53%

7743 (kg) 2793 (kg) 0 (kg) 6712 (kg)

En la tabla 4.23 se consideran tres diferentes maneras de estimar el refuerzo que se encuentra en buen

estado, el caso 1 es el más optimista, se asume que la 1° capa se encuentra en total buen estado (ya que la

medición por fenolftaleína indicó que la carbonatación no ha pasado aún hacia el interior), mientras que de

la otra mitad queda el 11% en estado operativo( ya que la muestra tomada arrojó un 56% de pérdida de

sección en el sentido longitudinal y 100% en el sentido transversal), lo que da un total de un 61% de

armadura sana.

En el caso 2 se considera que además de la corrosión que entró externamente y atacó la 2° capa de

armadura dejando un 11% sin corroer, también internamente la estructura se encuentra atacada por el

ingreso de agentes ambientales que incluyen dióxido de carbono, por lo que la 1° capa puede ser

considerada como corroída en el mismo grado que la capa exterior. De esta manera existe en total un 22 %

de armadura disponible.

Finalmente el caso 3 es el más pesimista, ya que se asume que la 1° capa pudiera no existir y la 2° capa está

totalmente deteriorada por lo que no habría armadura sana en esta estructura. Se observa que si fuera cierto

que se instalaron 2 capas de acero de refuerzo, con un 53% de esta armadura en buen estado se aseguraría

que la chimenea cumpla con los requerimientos actuales, sin embargo, al no existir la certeza, se ha

elaborado un plan de reparación que considera esta limitante.

Capítulo V: Reparación estructural.

97

Capítulo V

REPARACIÓN ESTRUCTURAL.


98

5.1.- RESUMEN DE LA SITUACIÓN ACTUAL.

El primer aspecto considerado en la selección del sistema de reparación para la estructura analizada es el

escenario actual en que se encuentra, a continuación se resume el resultado obtenido del estado de los

materiales, las condiciones de servicio en que se espera funcione aceptablemente y finalmente el espacio

disponible para realizar una reparación.

5.1.1.- ESTADO DEL HORMIGÓN.

De la inspección visual descrita en la sección 3.2 se obtiene que la capa de recubrimiento exterior de 5 cm

presenta un agrietamiento bastante acentuado en el sentido longitudinal además de desprendimiento de

material en distintas zonas a lo largo de la estructura. Adicionalmente la extracción de testigos y mediciones

in situ respaldan que el hormigón basal y el ubicado tras la capa exterior de refuerzo se encuentran en buen

estado, es decir, con una resistencia aceptable y con una alcalinidad aún no afectada por la corrosión de las

armaduras.

5.1.2.- CORROSIÓN DE ARMADURAS.

La corrosión de armaduras de la estructura es el problema más evidente pues tanto en visitas a terreno

anteriores como en la inspección formal de esta investigación se observa hinchamiento, además de

indiscutible presencia de herrumbe en armaduras que quedaron al descubierto producto del

desprendimiento de la capa de recubrimiento de hormigón. Por lo demás, en la medición in situ descrita en

la sección 3.3 se encontró el refuerzo longitudinal bastante degastado y el transversal totalmente corroído.

El análisis realizado en la sección 4.3 indica la necesidad de una pronta intervención debido al avance de la

corrosión y a la poca cantidad de vida útil que le resta a las armaduras exteriores puestas en obra.

5.1.3.- CONDICIONES DE SERVICIO.

Actualmente la estructura no se encuentra en operación como chimenea por lo que la condición de servicio

que se desea satisfacer es únicamente como edificación patrimonial, la cual debe mantener su monolitismo

en el tiempo, puesto que no se puede poner en riesgo la seguridad de los estudiantes del campus Valdivia

de la Universidad San Sebastián, asimismo se requiere ofrecer a la ciudadanía un buen aspecto estético que

además de mantener el estilo actual muestre una fachada bien cuidada. Debido a que la estructura no se


99

encuentra funcionando evacuando humos es conveniente sellar adecuadamente la abertura, para evitar así

un deterioro una vez que la estructura esté reparada.

5.1.4.- CONDICIONES PARA REALIZAR UNA REPARACIÓN.

Tal como se señaló anteriormente, la estructura se ubica al lado de un edificio educacional recientemente

construido (5 metros hasta el lugar más cercano), al mismo tiempo se encuentra justo al lado a la clínica

dental de la misma universidad, la cual va a ser demolida una vez terminada la nueva clínica. En este

escenario se debe concebir un método de reparación que impacte lo menos posible el lugar circundante.

5.2.- REQUERIMIENTOS.

5.2.1.- RESISTENCIA Y CONFINAMIENTO.

Actualmente la situación de los materiales de la estructura es la siguiente, en primer lugar la capacidad

resistente del hormigón es suficiente para mantenerse en obra, sin embargo la capa de recubrimiento de 5

cm se encuentra suelta y la armadura exterior que otorga confinamiento está destruida. Al retirar el material

suelto e inservible se requiere un sistema de reparación que reemplace la armadura exterior en su función

de entregar resistencia y confinamiento a la chimenea. Por otro lado, internamente se desconoce el estado

de la estructura, no se tiene cabal certeza de que exista la capa interior ni en qué estado se encuentra, sin

embargo la perforación realizada muestra que en los 25 cm perforados se halló el hormigón en excelente

estado y armadura sin ataque corrosivo. Ante tal situación el método de reparación a utilizar debe

contemplar devolver toda la cuantía de acero necesaria.

5.2.2.- CONTROL DE LA CORROSIÓN.

En la sección 4.3 se advierte que la corrosión fue inducida en la chimenea por el mecanismo de

carbonatación, en el cual los agentes medioambientales lograron entrar por las capilaridades de la capa de

recubrimiento afectando su alcalinidad y luego llegando hasta la primera capa de refuerzo atacándolo

progresivamente. A pesar que el refuerzo exterior se encuentra bastante dañado, la capa de hormigón

interna aún no ha visto afectada su alcalinidad producto del mecanismo corrosivo, lo cual se explica porque

la carbonatación es un proceso que avanza en un tiempo relativamente lento en el hormigón.

Para un buen control de la corrosión existente se debe realizar una extracción total de la capa de refuerzo

exterior ya que se encuentra tan desgastada que no es factible realizar un limpiado de la herrumbe y una


100

posterior inhibición, lo más acertado es reemplazar el material deteriorado por uno que devuelva la firmeza

requerida.

5.2.3.- MEJORAMIENTO ESTÉTICO.

La inspección visual expuesta en la sección 3.2 acusa hinchamiento y agrietamiento del recubrimiento de

hormigón, una escalera de servicio totalmente atacada por la corrosión y además zonas de desprendimiento

de material que dejan al descubierto armaduras carbonatadas. Este contexto indica que intentar mantener la

capa de recubrimiento es imposible debido por un lado a las necesidades justificadas anteriormente y por

otro a que su estado no amerita una intervención que sólo entregaría un mejoramiento parcial, motivo por

el cual el sistema de reparación debe contemplar el reemplazo de la capa exterior de recubrimiento y el

retiro de la escalera de servicio dañada, entregando a la edificación patrimonial un aspecto sano, bien

cuidado y buscando mantener la seguridad de las personas que puedan visitarla.

En cuanto al patrón estético que posee la chimenea, es necesario que la reparación a realizar no modifique

el estilo propio de la época en que fue construida, cabe recordar que en 1919 Valdivia era una ciudad

industrial cuyas fábricas se ubicaban en las riberas del río Valdivia, las siguientes fotografías muestran

algunos pasajes de ese entonces. La primera postal es de la calle General lagos en 1919, la segunda

corresponde al Malecón en 1907, la tercera y cuarta pertenecen a la cervecería Andwanter ubicada en la Isla

Teja.

Fig. 5.1. Fotografías de Valdivia en 1900.


101

Idealmente se debería mantener el color oscurecido que posee la estructura, restaurar la escalera de servicio

que está dañada actualmente, añadir una placa que contenga una reseña histórica de la ciudad de Valdivia en

su época industrial y si es que se pudiera abrir la entrada sellada para que los turistas pudieran apreciar más

aún esta chimenea que aún se encuentra en pie.

5.3.- REPARACIÓN MEDIANTE FIBRA DE CARBONO.

La publicación del comité ACI 440 2R-08 establece las bases de instalación y dimensionamiento de una

reparación de hormigón armado mediante fibras aplicadas externamente, entre las fibras que se contemplan

para realizar este tipo de refuerzo están el vidrio, aramida y carbono, este último material es el que se

utilizará para realizar el mejoramiento de la chimenea.

Considerando las características ambientales a las que está expuesta la estructura y las condiciones en que la

fibra de carbono se comporta de manera adecuada se encuentran la capacidad de adaptación a medios tanto

ácidos como alcalinos, expansión térmica nula y buena resistencia a la fluencia y fatiga.

En cuanto a las situaciones en que la instalación no es favorable están el comportamiento como conductor,

lo cual puede producir corrosión galvánica si la fibra toma contacto con el acero y la poca resistencia al

impacto, en ese caso es mejor utilizar otro tipo de fibra como vidrio o aramida.

5.3.1.- DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE REPARACIÓN.

De acuerdo a las necesidades descritas anteriormente se decide proyectar un sistema de reparación que

incluya el retiro de la capa de recubrimiento de hormigón en su totalidad, posteriormente la extracción de la

capa de refuerzo exterior atacada por corrosión dejando la superficie de hormigón que se encontraba en

contacto libre de herrumbe. En una segunda fase se contempla la instalación del tejido de fibra de carbono

para finalizar con el enlucido exterior de la chimenea.

Para el inicio de la faena de reparación se recomienda apuntalar la estructura para prevenir un

debilitamiento mientras se ejecutan los trabajos. En cuanto al retiro de materiales se necesitará una

plataforma elevadora telescópica que permita llegar hasta el vértice de la chimenea de manera segura y al

mismo tiempo realizar la labor de limpieza. Se requiere primero quitar la capa de recubrimiento suelto

partiendo desde la cúspide y teniendo la precaución de no arrojarlo al suelo para evitar posibles daños en las

instalaciones universitarias aledañas. En cuanto al retiro de la capa de refuerzo de acero, una vez realizado,


102

se debe enfatizar el saneamiento del hormigón, el cual se puede realizar mediante proyección de arena,

cuidando de dejar la superficie totalmente libre de restos de herrumbe para que el tejido de carbono se

adhiera correctamente, cabe señalar que se debe instalar una malla que rodee el sector de trabajo hasta

llegar al suelo para evitar que el desprendimiento de material pueda golpear a algún transeúnte, en cuanto a

la limpieza mediante chorro de arena, ésta se debe realizar con el cuidado de no dispersar partículas

protegiendo el lugar de trabajo con un material que las encierre como polietileno grueso.

La instalación del tejido de fibra de carbono se realizará extendiéndolo desde la base hacia arriba para

sustituir la armadura longitudinal y en sentido envolvente con la finalidad reemplazar la armadura

transversal, otorgando el confinamiento y rigidez necesarios para mantener su monolitismo. La fijación del

tejido al hormigón armado se ejecutará mediante una resina de tipo epoxi que funciona bien como

acoplante entre el hormigón y la fibra de carbono. La tabla 5.1 muestra el detalle de la instalación de la fibra

de carbono, la cual se calculó de acuerdo a las recomendaciones del ACI 440-2R y considerando como dato

de partida para el cálculo, la memoria de Águila (2010) donde se muestra que los elementos a flexión

reforzados con alrededor de la mitad de la cuantía en fibra de carbono presentan una resistencia a los

esfuerzos dos veces superior. Luego considerando las propiedades mecánicas de la fibra de carbono, se

verifica si se resisten los esfuerzos.

Tabla 5.1. Detalle de instalación tejido de carbono.

Tejido longitudinal Tejido transversal

Sector Recomendación Sector Recomendación

Toda la chimenea. Aplicar una capa de

tejido de carbono.

0.0 – 3.0 m. 1 capa.

3.0 – 4.0 m. 3 capas.

4.0 – 30.0 m. 2 capas.

30.0 – 42.0 m. 1 capa.

42.0 – 48.0 m. 1 capa.

La siguiente tabla (5.2) detalla algunas de las propiedades más relevantes de mencionar del tejido de

carbono, se solicitó a Sika la ficha técnica del producto Sika Wrap 300 C/60 el cual se aplica en conjunto con

la resina de tipo epoxi Sikadur 330.


103

Tabla 5.2. Propiedades de tejido de carbono Sika Wrap 300 C/60.

Propiedades Valor

Módulo de elasticidad en tracción 230.000 N/mm2

Resistencia a la tracción 3.900 N/mm2

Elongación a la rotura 1.5 % (nominal)

Espesor 0.166 mm

Densidad de fibras 1.79 g/cm3

Finalmente se proyecta terminar la faena de restauración con la aplicación de una capa de recubrimiento

que se adhiera bien a la capa de fibra de carbono y que además cumpla con la función de devolver una

apariencia acorde con el carácter patrimonial que tiene la chimenea.

5.3.2.- Costo asociado a la propuesta.

A continuación se describe una estimación del costo involucrado en la propuesta de reparación detallada

anteriormente, cabe mencionar que los valores señalados a continuación son referenciales y pueden variar al

momento de ejecutar los trabajos de mejoramiento estructural, se publican los precios y detalles técnicos

entregados por las empresas a través de sus páginas web oficiales y sus medios de contacto establecidos en

tales sitios. La mano de obra y materiales fue ofrecida por Elementa Soluciones Estructurales, empresa con

amplia experiencia en la reparación con fibra de carbono. Actualmente se espera su informe de cotización,

sin embargo se cotizó a Sika el valor unitario del tejido de fibra de carbono Sika Wrap, el cual bordea el valor

de $40.000/m2, lo cual arroja un total de $42.000.000, la estimación de los otros ítem se describe a

continuación.

Tabla 5.3. Materiales y mano de obra reparación con fibra de carbono.

Ítem Descripción Estimación Sub Total Precio Total

Materiales

Tejido fibra de carbono $42.000.000

$52.000.000

$67.000.000

Adhesivo epoxi $5.000.000

Mortero enlucir $5.000.000

Mano de Obra Limpieza $5.000.000

$15.000.000 Instalación fibra de carbono $10.000.000


104

La maquinaria necesaria para ejecutar esta reparación consiste en una plataforma elevadora que permite

acceder hasta los 45 metros de altura, la tabla 5.2 muestra el detalle del costo total que incluye el IVA de la

cotización entregada por ALO RENTAL.

Figura 5.1. Plataforma elevadora Genie Z 135-70.

Tabla 5.4. Maquinarias.

Maquinaria Descripción Precio/mes Transporte Seguro Precio Total

Plataforma

telescópica 45 m de altura $ 8.820.000 $ 2.200.000 $ 87.645 $ 13.218.098

5.4.- Reparación mediante métodos tradicionales.

Al abordar esta reparación mediante un sistema tradicional son aplicables las mismas recomendaciones de

seguridad mencionadas en la sección anterior 5.3, principalmente tener mucha precaución en ejecutar los

trabajos por encontrarse la estructura muy cercana a la Universidad San Sebastián.

5.4.1.- Descripción del sistema de reparación.

Al igual que en la reparación propuesta con fibra de carbono, se proyecta comenzar las obras con el

aseguramiento de la base tronco cónica de la chimenea mediante apuntalamiento a fin de que se evite


105

cualquier debilitamiento en la estructura mientras se ejecutan los trabajos. Posteriormente se programa

quitar la capa de recubrimiento de hormigón en mal estado y la capa de armadura externa en su totalidad,

para luego realizar un saneamiento de la superficie mediante chorro de arena, quitando todos los restos de

herrumbe que pudieran quedar adheridos guardando las mismas recomendaciones de 5.3.1.

Una vez que la superficie de hormigón quede lista, se planea poner la armadura necesaria calculada en la

sección 4.2 según las recomendaciones del ACI 307 asumiendo que la estructura no posee acero de refuerzo

en buen estado. Finalmente se proyecta terminar la reparación con un recubrimiento que otorgue el

enlucido necesario a la superficie de la chimenea.

5.4.2.- Costo asociado a la propuesta.

En la tabla 5.5 se describe generalizadamente los costos asociados a una reparación tradicional, destacando

el ítem de instalación de andamios que encarece notablemente la propuesta, en la tabla no se incluye el

costo que la empresa a cargo de la obra cobra por la dirección y supervisión.

Tabla 5.5. Materiales y mano de obra reparación tradicional.

Ítem Descripción Cantidad Precio Unitario Sub Total

Materiales Acero de refuerzo 6712 Kg $ 1130 $7.600.000

Recubrimiento $5.000.000

Andamio telescópico $20.000.000

Mano de Obra

Enfierrador 4 $370.000/mes $1.480.000

Jornal 4 $230.000/mes $920.000

Albañil 4 $455.000/mes $1.820.000

Total Aproximado $37.000.000

5.5.- Aspectos limitantes del proyecto de reparación estructural.

La propuesta presentada en esta memoria tiene aspectos limitantes que requieren ser validados cuando se

comience la reparación, los cuales se enumeran a continuación:

El estado de la cara interna es una incógnita en esta investigación, aún cuando se avanzó hasta los

25 cm y se encontró tanto el acero como hormigón en buen estado. Por lo que al tener acceso a la


106

parte más alta de la chimenea, se deberá constatar la existencia de la capa de acero de refuerzo y su

estado.

El espesor y diámetro real del vértice fueron estimados, por lo que también requieren ser

verificados.

Se desconoce que tan atacado por la humedad, lluvia y suciedad puede estar el sector interno basal

ya que al estar el vértice abierto de la chimenea se favorece la acumulación de estos agentes

ambientales.

El método de reparación mediante fibra de carbono será válido si se comprueba que la chimenea

posee una capa de refuerzo interior en buen estado.

Capítulo VI: Conclusiones.

107

Capítulo VI

CONCLUSIONES.


108

6.1.- Conclusiones y recomendaciones.

La presente investigación asumió la tarea de analizar el mejoramiento estructural de la chimenea de

hormigón armado ubicada en calle General Lagos #1163 dentro de las dependencias del campus Valdivia de

la Universidad San Sebastián, en un primer estudio se recopiló la información disponible, la cual pertenecía

a la inspección de dos empresas consultoras que proporcionaron datos sobre la calidad de los materiales y

recomendaciones para prolongar la resistencia de la estructura. Sin embargo, fue necesario estimar algunos

antecedentes de acuerdo a la metodología de diseño utilizada antes de 1940, ya que se sabe que la

estructura data del año 1919, impreso en su cúspide, pero lamentablemente no se disponen de los planos

constructivos y por lo demás resulta costoso acceder a los 48 metros de altura que posee la estructura.

Posteriormente se verificó estructuralmente la chimenea y de acuerdo a sus dimensiones, se obtuvo la

cuantía de acero necesaria según los antiguos estándares provenientes de recomendaciones de la norma

alemana DIN y algunos autores europeos, quienes realizaron valiosos aportes en el diseño de hormigón

armado cuando aún los países no establecían normas de cálculo. Lo anterior se realizó con la finalidad de

comparar con los resultados de un análisis estructural ajustado a las exigencias actuales del código ACI y

determinar si se requiere reforzar.

A continuación se cuantificó el avance de la corrosión midiendo el desgaste producido en muestras de

acero, con lo cual se obtuvo una predicción de vida útil de las armaduras y una medida de la urgencia de

reparación de la estructura. La observación de las condiciones particulares en que se encuentra la chimenea

junto a los análisis estructural y corrosivo permitió comparar la alternativa de reparación mediante fibra de

carbono versus métodos tradicionales.

De la investigación realizada se desprenden las siguientes conclusiones.

Fue una buena opción para conocer las dimensiones de hormigón y cuantía de acero de esta

estructura, ajustar el diseño de acuerdo a los años cercanos en que se sabe se construyó. En esta

investigación se obtuvo valores bastante cercanos de la cuantía observada en terreno con la

calculada de acuerdo a los métodos de la época anterior a 1940, concluyendo con valores más

acertados en la armadura longitudinal que en la transversal.


109

Se comprobó que los métodos de cálculo antiguos recomiendan una cantidad de acero mayor que

la sugerida por el comité ACI 307-98, sin embargo ambos criterios superan los valores necesarios

para mantener la integridad de la estructura, ya que actualmente la chimenea no se encuentra

operativa evacuando gases y en el futuro se desea mantener tal condición.

Se concluyó que la chimenea fue atacada por el medio ambiente, el cual el dióxido de carbono

presente en el aire que se introdujo lentamente por las porosidades y espacios existentes en el

hormigón hasta producir un ambiente ácido agresivo para las armaduras de acero. Se observó un

mayor ataque en el sector sur de la chimenea, donde se favorece la acumulación de humedad.

Se calculó que la capa de acero exterior, en el sentido longitudinal presenta una reducción de área

transversal del 56%, mientras que en el sentido transversal la corrosión llegó a atacar toda la

sección.

Se determinó que es necesario quitar la capa de refuerzo exterior ya que estructuralmente es inútil

mantenerla en su lugar, con el pasar del tiempo se hincharía y desprendería aún más material de la

chimenea.

Se concluyó que debido a que se requiere quitar la capa de recubrimiento suelta y la armadura

exterior corroída, se debe reforzar la chimenea. Se presentaron dos alternativas de reparación, la

primera mediante fibra de carbono, la cual mostró un costo más alto, además sólo podría aplicarse

si la estructura verdaderamente posee una capa interior de refuerzo en buen estado. Lo anterior,

debido a que no se encontraron ejemplos prácticos en que se haya utilizado fibra de carbono en

elementos de hormigón sin armar. La segunda alternativa fue planteada mediante métodos

tradicionales, vale decir, con acero de refuerzo. Esta opción mostró un costo menor y por lo demás

constituye un camino seguro si la capa de acero interior no existe.

Recordar: “La presente tesis corresponde a un trabajo académico con todas las limitaciones técnicas

y presupuestarias que eso significa. Por lo tanto no debe ser considerada como un diagnóstico de

reparación profesional definitivo de las obras descritas."


110

6.2.- Propuestas para investigaciones futuras.

Considerando las conclusiones rescatadas de esta investigación se propone que las líneas de exploración

futuras pueden enfocarse en los siguientes temas.

Recopilación de información del estado de estructuras de hormigón armado de la región que

superen los 75 años de vida de servicio. La importancia de realizar esta investigación radica en la

necesidad de cuantificar las edificaciones patrimoniales y longevas existentes en la región, conocer

su estado actual de servicio y dar aviso a las autoridades si es que visualmente se observa un

requerimiento de intervención antes que se comprometa la seguridad de los ciudadanos.

Comparación de los modelos de predicción de vida útil de estructuras de hormigón armado

basándose en las experiencias obtenidas en este ámbito. En la revisión del estado del arte se

encontró poca información en cuanto a la diferencia de utilizar un método u otro, la utilidad que

representaría investigar en esta área sería determinar si es posible definir ciertos parámetros

confiables que indiquen un cierto diagnóstico anticipado de la estructura que reduzca el costo de

ejecución de mediciones.

Análisis experimental del comportamiento de un sistema FRP en ambientes agresivos. El estado del

arte actual aún no especifica lo suficiente cuál es la degradación que experimentarían las

características mecánicas mediante la exposición a altas y bajas temperaturas o a ambientes marinos

con un alto contenido de cloruros.

Análisis experimental del desempeño de un sistema FRP en elementos de hormigón armado de baja

y alta densidad. La necesidad de ahondar en este tema es que se aportaría información para definir

si la calidad del hormigón utilizado influye en el comportamiento del sistema y de ser así cuantificar

tal influencia.

Referencias.

111

REFERENCIAS.

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Anexos.

117

ANEXOS.

Anexos.

118

ANEXO A

Tablas de Saliger.

e/R (m/m)

1/a

u=0 u=0.0025 u=0.005 u=0.010 u=0.015 u=0.020 u=0.025 u=0.030 u=0.035 u=0.040

0.5 0.500 0.519 0.538 0.575 0.613 0.650 0.688

0.6 0.444 0.461 0.480 0.515 0.550 0.584 0.618

0.7 0.380 0.400 0.421 0.455 0.489 0.521 0.553

0.8 0.306 0.342 0.365 0.402 0.437 0.470 0.500 0.530

0.9 0.220 0.291 0.319 0.360 0.394 0.425 0.455 0.485

1 0.000 0.253 0.283 0.326 0.358 0.388 0.418 0.446

1.1 0.223 0.254 0.297 0.328 0.357 0.385 0.413 0.438

1.2 0.199 0.230 0.273 0.303 0.331 0.358 0.384 0.407

1.3 0.180 0.211 0.253 0.282 0.309 0.334 0.358 0.381

1.4 0.163 0.195 0.235 0.264 0.290 0.313 0.336 0.358 0.380

1.5 0.150 0.181 0.219 0.247 0.272 0.295 0.317 0.338 0.358

1.6 0.138 0.170 0.206 0.233 0.257 0.279 0.300 0.320 0.340

1.8 0.151 0.184 0.209 0.231 0.251 0.270 0.289 0.307

2 0.137 0.166 0.189 0.210 0.229 0.246 0.263 0.279

2.2 0.127 0.151 0.173 0.193 0.210 0.225 0.241 0.256

2.4 0.116 0.139 0.160 0.178 0.195 0.209 0.223 0.236

2.6 0.108 0.130 0.149 0.166 0.181 0.195 0.208 0.220

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9 1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.8 2

2.2

2.4

2.6

1/a

e' (m/m)

Coeficiente de Saliger 1/a

u=0

u=0.0025

u=0.005

u=0.010

u=0.015

u=0.020

u=0.025

u=0.030

u=0.035

u=0.040

Anexos.

119

e/R (m/m)

B

u=0 u=0.0025 u=0.005 u=0.010 u=0.015 u=0.020 u=0.025 u=0.030 u=0.035 u=0.040

0.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

0.6 2.5 2.4 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0

0.7 7.1 6.2 5.7 5.1 4.6 4.2 4.0

0.8 17.0 12.0 10.0 8.5 7.3 6.7 6.3 5.9

0.9 44.0 19.0 14.8 11.5 9.9 8.9 8.2 7.7

1 26.0 19.6 14.5 12.2 10.9 10.0 9.3

1.1 33.0 23.8 17.1 14.3 12.7 11.6 10.7 10.1

1.2 39.5 27.5 19.5 16.1 14.2 13.0 12.0 11.2

1.3 45.0 30.9 21.6 17.8 15.6 14.2 13.1 12.3

1.4 50.0 33.8 23.4 19.3 16.9 15.3 14.1 13.3 12.6

1.5 54.0 36.5 25.0 20.6 18.0 16.3 15.0 14.2 13.4

1.6 57.0 39.0 26.0 21.8 19.0 17.2 15.8 14.9 14.1

1.8 43.2 29.3 23.7 20.0 18.7 17.2 16.2 15.4

2 47.0 31.8 25.4 22.1 20.0 18.4 17.3 16.5

2.2 34.0 26.9 23.3 21.1 19.3 18.2 17.4

2.4 36.0 28.2 24.4 22.1 20.2 19.1 18.2

2.6 29.3 25.3 23.0 21.1 19.8 18.9

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9 1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.8 2

2.2

2.4

2.6

B

e' (m/m)

Coeficiente de Saliger B

u=0

u=0.0025

u=0.005

u=0.010

u=0.015

u=0.020

u=0.025

u=0.030

u=0.035

u=0.040

Anexos.

120

ANEXO B.

Informe de Cesmec

Anexos.

121

Anexos.

122

Anexos.

123

Anexos.

124

ANEXO C.

Informe de Elementa Soluciones Estructurales.

Anexos.

125

Anexos.

126

Documents

ESTUDIO SOBRE LA RECUPERACIÓN ESTRUCTURAL Y EL