evaluación de puentes. aplicación de técnicas no destructivas para

EVALUACIÓN DE PUENTES. APLICACIÓN DE TÉCNICAS NO
DESTRUCTIVAS PARA LA LOCALIZACIÓN E IDENTIFICACIÓN
DE BARRAS DE ACERO
Raúl Husni a y Mario A.J. Mariscotti
b
a
Profesor Titular de Estructuras de Hormigón, Facultad de Ingeniería,
Universidad de Buenos Aires
b
, Miembro de la Academia Nacional de Ciencias Exactas Físicas y Naturales y
de la Academy of Sciences for the Developing World. Director Fundador de
THASA
Resumen
En la evaluación de estructuras de hormigón el conocimiento de la posición,
cantidad y diámetro de las barras, además de su estado, suele ser un problema
común cuya solución en general está asociada a la posibilidad de acceder a las
zonas a estudiar, eliminando parcialmente el hormigón.
Cuando se trata de secciones complejas, con gran cantidad de armaduras y
difíciles de acceder mediante la eliminación del hormigón, tal el caso de cabezales
de pilotes, vigas y pilas de puentes y estructuras similares es preciso recurrir a
métodos de lectura indirecta, involucrados dentro de los ensayos conocidos
actualmente como NDT, “Non Destructive Test”.
Para el caso de las armaduras, los métodos de mayor aplicación, cada uno con su
campo propio de validez, son la Pachometría, el Georadar y la Tomografía del
hormigón. Estos recursos se han aplicado con distintos objetivos a un gran
número de estructuras. En el trabajo se muestran ejemplos ilustrativos con los
resultados alcanzados, en particular se presenta la aplicación en el estudio de dos
puentes, en un caso para obtener la información necesaria con el fin de evaluar su
capacidad portante y en otro para viabilizar su refuerzo mediante la técnica del
pretensado exterior.
Abstract
Determining the position, quantity and diameter of the bars, as well as their
condition, is a problem commonly encountered when evaluating concrete
structures, and the solution generally involves partially eliminating concrete in
order to reach the areas under study.
When dealing with more complex sections containing many steel bars that
can’t be reached by eliminating concrete, such as is the case with beams,
bridge piles and the like, indirect reading methods belonging to the general
category of “Non-Destructive Tests” or NDTs are necessary be used.
In the case of the steel bars the most commonly-used methods, each with its
own appropriate field, are Patchometry, Georadar and Concrete Tomography.
These resources have been used for different reasons in many structures. In
this paper we give the results obtained when studying two bridges. In one case
the purpose was to obtain information necessary to evaluate load capacity and
in the other, to allow reinforcement by means of external postensionig.
I.
INTRODUCCIÓN
El conocimiento de la posición, cantidad y diámetro de las barras, suele ser un
problema común en la evaluación de estructuras de hormigón, cuya solución en
general, está asociada a la posibilidad de acceder a las zonas a estudiar,
eliminando parcialmente el hormigón.
En los últimos años se han desarrollado en forma acelerada métodos de
localización e identificación no destructivos, involucrados bajo el nombre de NDT,
“Non Destructive Test” que para el caso de las armaduras incluye especialmente
la pachometría, el georadar y la gammagrafía.
En términos generales podemos decir que la pachometría, basada en efectos
electromagnéticos, permite localizar armaduras, suficientemente separadas entre
si y localizadas a no mas de 10 cm del borde exterior. En la figura 1 se muestra el
resultados de su uso, pudiéndose dibujar la imagen de la grilla que conforman los
hierros y los recubrimientos con que cuentan las barras.
Fig.1
La técnica del radar se basa en la reflexión de las ondas electromagnéticas en la
interfase entre materiales con distintas propiedades eléctricas, característica que
se utiliza, entre otras cosas, para detectar barras de acero en el hormigón.
La profundidad de inspección que se alcanza, depende de la frecuencia de las
antenas empleadas, pero supera varias veces la capacidad de detección del
pachómetro. Su campo de aplicación es realmente útil, cuando se trata de
localizar barras de diámetros grandes con recubrimientos importantes.
La figura 2 muestra las imagines recogidas que permiten inducir la existencia de
barras de acero.
Fig. 2
Quizás una de las técnicas mas precisas con que se cuenta actualmente para los
fines enunciados, sea la tomografía del hormigón ,THA, basada en la impresión
que se obtiene sobre placas fotográficas localizadas en la cara opuesta a un
emisor de rayos gamma.
Una vez obtenida las “gammagrafías”, radiografías de rayos gamma, éstas son
analizadas con programas de computación desarrollados especialmente para
obtener una determinación “tomográfica”, es decir tridimensional, de la armadura.
En sus aspectos generales la THA es similar a la tomografía computada usada en
medicina basada en la detección de rayos X que atraviesan el cuerpo humano. El
uso de radiación gamma tiene al menos tres importantes ventajas con respecto a
los rayos X.
En primer lugar los rayos gamma son más penetrantes, lo que es crítico para el
caso del hormigón armado cuya densidad es aproximadamente 2,5 veces superior
a la del cuerpo humano. En segundo lugar, los rayos gamma son emitidos en
forma espontánea por sustancias radioactivas, y por lo tanto no requieren de
energía eléctrica, lo que resulta conveniente para trabajos de campo, en donde a
veces no se cuenta con fuente de energía. La tercera ventaja es que las fuentes
de rayos gamma son pequeñas pastillas y esto ha permitido resolver casos de
piezas de gran dimensión (p.ej. vigas de más de 1 m de espesor) aún con fuentes
de baja energía.
Fig. 3
En la tomografía computada usada en medicina hace falta irradiar el sector del
cuerpo humano donde se encuentra la zona de interés en 360 grados. En el caso
del hormigón armado en general es suficiente irradiar en sólo dos ángulos.
Últimamente se han desarrollado y patentado métodos para lograr la
determinación tridimensional con una sola irradiación. Fig 3
La determinación tridimensional implica medir la posición y el diámetro de los
hierros y esta determinación no es de carácter relativo, es decir referida a algún
patrón, sino que es absoluta.
II. APLICACIONES DE LAS TÉCNICAS DE DETERMINACIÓN INDIRECTA DE
ARMADURAS EN LA EVALUACIÓN Y REFUERZO DE 2 PUENTES
2.1.
Puente sobre el río Solís Grande
Este puente está localizado en la ruta Interbalnearia de la República Oriental del
Uruguay, sobre el arroyo Solís Grande, 2 km antes de su desembocadura en el
Río de la Plata.
Se trata de un puente de hormigón armado construido en 1950 conformado por
12 tramos de 24 m de luz con una extensión total de aproximadamente 300 m.
El tramo típico se compone de cuatro vigas paralelas tipo Gerber de sección
variable de 24 m de
luz con ménsulas
de 8 m en ambos
extremos, también
de sección variable,
en cuyos extremos
apoyan vigas de 8
m de largo. Ver
figura 4
Las pilas intermedias son tabiques
de hormigón armado de 30 cm de
ancho
apoyados
sobre pilotes.
Fig. 4
El puente presentaba distintas deficiencias como armaduras expuestas con signos
de corrosión, descascaramientos, fisuras y falta de recubrimientos adecuados
aunque la situación mas comprometida la constituían los apoyos de las vigas
principales ya que no contaban con capacidad de carga suficiente y las armaduras
en dicho sector presentaban fuertes signos de corrosión con pérdida importante
en la sección del acero y del hormigón.
Los trabajos de refuerzo y reparación más importantes estaban
consecuentemente localizados en los apoyos de las vigas longitudinales donde
para poder actuar en general es necesario levantar el tablero.
En este caso, debido a los problemas y los riesgos que implicaba esta tarea, se
decidió construir nuevos apoyos sobre la pila existente, utilizando como elemento
intermedio de transferencia la viga tímpano a la que fue necesario dotarla de
suficiente capacidad portante.
El recurso utilizado para ello fue el pretensado exterior recto, transversal al puente.
La aplicación del pretensado requería perforar todas las vigas longitudinales, sin
debilitarlas significativamente, en sectores donde la documentación existente
indicaba una muy alta densidad de armadura de flexión y corte. Simultáneamente
debía mantenerse con el menor desvío posible en cualquier dirección, la posición
recta de los 4 tendones que comprimían cada tímpano, tanto entre tramos como
en el largo total.
Para desarrollar este trabajo en las condiciones requeridas se recurrió al empleo
de la gammagrafía. En este trabajo se usaron placas gammagráficas de 35 x 43
cm, y una fuente de Ir192 de 96.7 Ci.
Las placas se colocaron en forma vertical, sobre las caras de las vigas, en forma
adyacente al encuentro de estas piezas con las vigas transversales, de acuerdo al
esquema indicado en la Fig. 5
Se tomaron en total 96 placas gammagráficas, determinando en cada una de ellas
la posición de las barras principales y los estribos verticales y horizontales Ver
figura 5.
35
Viga
transversal
43
27.5
B
A
6
10
30
Viga principal
longitudinal
Fig. 5
Fig. 6
Posteriormente se determinaron para cada conjunto de las 4 vigas longitudinales
atravesadas por el mismo cable, las zonas a perforar que permitían a su vez
contar con un trazado recto, sin interferir con ninguna barra de acero existente en
la sección transversal. (Sector rayado de fig.6)
La figura 7 muestra la imágen recogidas localizando las armaduras y al igual que
la figura 8, donde además se visualizan oquedades en el hormigón.
Finalmente se pudieron generar las caladuras de 50 mm de diámetro en la
totalidad de las vigas de hormigón armado, necesaria para el pasaje de los cables,
sin lesionar ninguna de las armaduras del sector, y con una posición y un trazado
dentro de las tolerancias establecidas en el proyecto de refuerzo. Ver figura 9
a
Fig.7
Fig.8
El trabajo se completó con el hormigonado de los anclajes, generando nuevos
apoyos y pretensando la viga transversal para ponerla en condiciones de trasladar
las cargas a dichos apoyos.
A partir de los trabajos realizados se pudieron sanear y reparar los apoyos
originales, generando así el complemento de capacidad portante faltante y
manteniendo los nuevos, por si se requiere en el futuro, nuevas actuaciones.
4 CABLES 0.5"
2 CABLES 0.5"
Cables de
postesado
Hormigón
fck=30MPa
Nuevos Apoyos
Fig. 9
2.2
Puente en arco sobre el río Neuquén
El puente motivo de este estudio está ubicado sobre el río Neuquén, uniendo las
Ciudades de Cipolletti y Neuquén, en la región centro-oeste de la República
Argentina. Ver figura 10
Está compuesto por nueve tramos de aproximadamente 50 m de luz libre, todos
ellos con las mismas características: tablero suspendido mediante péndolas
soportadas por arcos. Toda la estructura es de hormigón armado, los arcos tienen
una altura máxima del orden de los 10 m, y cuentan con un tensor por debajo del
tablero.
El proyecto y la construcción datan de mediados de la década que se inicia en
1930, la calzada tiene un ancho útil de 6m, con sendas peatonales a ambos lados
y parapetos también de hormigón armado, debajo de los cuales están
suspendidas cañerías de diversos servicios que corren longitudinalmente.
Fig.10
Las razones que impulsaron la realización de su estudio fueron:
- La estructura presentaba señales de impactos sobre varias péndolas,
vibraciones en el tablero y en las pasarelas, delaminación de la carpeta de
circulación peatonal, descascaramientos, fisuras y desprendimientos en el
hormigón de distinta magnitud, y corrosión de armaduras.
- El conocimiento de que sobre el puente habían transitado vehículos con cargas
excepcionales que podrían haber afectado su comportamiento.
- La presunción, por la época de construcción del puente, que las cargas útiles con
que fue diseñado eran inferiores a las requeridas actualmente para ese tipo de
estructura.
Como se interpreta fácilmente, la obra reunía todos los motivos por los que en
general es necesario realizar la evaluación del estado real de la estructura y su
verdadera capacidad portante, para luego plantear su eventual recuperación y/o
refuerzo.
Una de las mayores dificultades para encarar este trabajo fue la falta casi total de
la documentación constructiva, en particular de los planos de las armaduras.
Queda claro que el trabajo sólo podría desarrollarse en la medida que se pudiera
determinar la posición, el diámetro, y el estado de las armaduras, ya que las otras
variables que intervienen, características del hormigón, geometría, acciones, etc.
surgen de análisis y ensayos sencillos.
Para ello se recurrió al uso de las tres técnicas diferentes mencionadas, la
pachometría, el radar y la gammagrafía, cada uno con su campo de aplicación
propio.
La pachometría se empleó para la localización de barras en las cercanías del
borde de hormigón con baja concentración de armaduras, ya que por su principio
de funcionamiento, la inducción electromagnética, esta técnica no permite
detectarlas cuando el recubrimiento supera aproximadamente los 10 cm.
El radar, utilizando altas frecuencias, permitió localizar barras más profundas y
determinar la distribución general de las armaduras en las secciones transversales
de mayores dimensiones, aunque sin brindar información sobre el diámetro ni el
estado de las barras,.Fig.11 y 12
Fig.10
Fig 12
Precisamente en algunas secciones con las características mencionadas, el
empleo de la gammagrafía permitió determinar los diámetros de las barras
localizadas en el interior de los elementos, además de su estado, ya que brindaba
dicha información con muy buena precisión. En la figura 13 se muestra la
reconstrucción de la posición y diámetro de las barras a partir de placas
gammagráficas como las presentadas en la figura 14.
Con el mismo procedimiento se determinaron las posiciones y los diámetros de
otros elementos estructurales. En el caso de la viga cordón, figura15, los
diámetros determinados indicaron valores comprendidos entre 15 y 16 mm, siendo
este último el verdadero valor.
Y(cm)
70
P23
P26
P19
5
60
6
7
8
50
40
P21
FA
FB
FC
* * *
30
P24
20
1
10
4
3
2
0
P22
P25
0
10
20
30
P20
40
X(cm)
Fig. 13
Gammagrafía de una péndola del puente
Cipolletti – Neuquen
Fig.14
Y(cm)
60
50
P18
30
1
4
3
2
40
P15
*
10
* *
FB
13 12
11
0
P16
0
P17
FC
7
FA
6
5
20
P11
P14
10
20
Fig.15
8
10 9
P12
P13
30
40
50
X(cm)
.
Finalmente se pudo completar la localización e identificación de las armaduras y
evaluar la capacidad portante real del puente. Adicionalmente se evaluó la vida útil
remanente y se proyectaron los trabajos de recuperación y refuerzo.
3. CONCLUSIONES
A través de los ejemplos expuestos se ha demostrado la utilidad de las técnicas no
destructivas para la localización y determinación de los diámetros de las barras de
acero de una estructura existente.
En términos generales la pachometría es de aplicación cuando se requiere
localizar barras de acero con poco recubrimiento, menos de 10 cm con las
armaduras suficientemente distanciadas entre sí, como el caso de las armaduras
principales de losas, tabiques, columnas y estructuras similares. La precisión que
se alcanza en la posición de las barras es de ± 0,5 cm.
El georadar permite identificar la posición de las armaduras, activas o pasivas,
también en forma extensiva, pero en este caso, aún cuando se trata de barras
localizada a mas de 60 cm del nivel de posicionamiento de la antena.
La tomografía del hormigón ha demostrado su gran aptitud para definir en
secciones puntuales, la posición de las barras con una precisión de ± 0,5 cm y el
diámetro con 1mm.
En ambos casos presentados la precisión alcanzada en la información tanto de la
posición como en el diámetro de las barras ha sido altamente satisfactoria como
para dar respuesta práctica a los problemas planteados. Esta técnica,
relativamente nueva, es especialmente útil en aquellos casos donde, por las
dimensiones o la densidad de las armaduras existentes, no se puede proceder al
picado de los recubrimientos.
El desarrollo alcanzado actualmente con esta técnica, consistente en el análisis
preciso y cuantitativo del registro de la radiación gamma que atraviesa elementos
estructurales, la convierte en una herramienta de gran valor, en muchos casos
insustituible, que sin duda ampliará su campo de acción en el ámbito del
diagnóstico y la evaluación de las estructuras de hormigón en los próximos años.
Al respecto, la tecnología de la tomografía digital, un desarrollo reciente basado en
el uso de espectrómetros gamma de estado sólido en lugar de placas
gammagráficas, incrementará aún más la utilidad de esta técnica en tanto que
permitirá obtener en tiempo real la información deseada.
Los autores agradecen la participación de M. Agote, C. Macchi, A. Malvar, F.
Mariscotti, M. Morixe, P.Tarela y P. Thieberger en distintos aspectos de las
actividades mencionadas en este trabajo.
REFERENCIAS
*I. Mullins and H.M. Pearson, Civil Engineering and Public Works Review (London )
44(515) (May 1949) 256. A.C. Whiffin, The Engineer (London) 197 (June 1954) 887;
J.A. Forrester, Cement and Concrete Association, Technical Report TRA/274 (Aug.
1957) y The Engineer 295, 314 (1958).
* M. A. J. Mariscotti, Aplicación gammamétrica al estudio de una canalización
subterránea, Informe técnico THASA (1992).
* Recommendations for Non-Destructive Methods of Test for Concrete, Part 3.
Gamma radiography of concrete, BS 4408: Part 3 : 1970, British Standards
Institutiton; Estudos de Tomografia Computa- dorizada em Pecas de Concreto
Armado, P.J. Melaragno Monteiro, Revista IBRACON, Año II 1992.
*Process for Determining the Internal Three-Dimensional Structure of a Body
Opaque to Visible Light by Means of Radiations from a Single Source. U.S. Pat.
5,828,723, Oct. 27, 1998 y Patente Argentina 252,846, Nov. 30,1998 (THASA)
* R. Husni -Esquema general para el diagnóstico de estructuras de hormigón.
Aplicación a la evaluación y propuesta de recuperación de un puente de tramos
múltiples. Jornadas de Ingeniería Estructural año 2000. Bs.As. Argentina.
* Recuperación y refuerzo del puente sobre el arroyo Solís Grande, ruta
interbalnearia, Uruguay.-CONPAT Mérida, Méjico 2003 R. Husni – C. Macchi.