Evaluación de vacíos y corrosión en vigas postesadas mediante la

Evaluación de vacíos y corrosión en vigas postesadas mediante la

Evaluación de vacíos y corrosión en vigas postesadas
mediante la Tomografía de Hormigón Armado
Mario A.J. Mariscotti, Marcelo Ruffolo, , Peter Thieberger y Teresita Frigerio
THASA – Buenos Aires – Argentina;
[email protected]
Resumen
La THA (tomografía de hormigón armado) ha sido tradicionalmente utilizada para la
determinación precisa de armaduras en estructuras de hormigón armado y la detección
de corrosión y oquedades. Recientemente la aplicación de esta tecnología para la
determinación de defectos en vainas de postensado ha concitado interés en el exterior.
En esta presentación se describen resultados obtenidos en una de las grandes vigas del
Complejo Zárate Brazo Largo, donde se detectaron defectos de significación, y otros
obtenidos en un puente en Portugal siendo ésta la primera aplicación de este tipo en
Europa.
1. Introducción
La THA (tomografía de hormigón armado) se desarrolló a principios de los años 1990 y
fue utilizada por primera vez por el Ing. Juan María Cardoni para estudiar sectores de
mampostería y hormigón armado (uno de los primeros casos de hormigón armado en la
Argentina) de la sede histórica del Yacht Club Argentino. Desde entonces se han
llevado a cabo centenares de trabajos solicitados por destacados miembros de la AIE y
otros prestigiosos estructuralistas de la Argentina. La mayoría de estos trabajos
estuvieron orientados a la determinación precisa de la posición (± 5 mm) y diámetro (±
1 mm) de las armaduras en estructuras de hormigón armado, especialmente en vigas con
alta densidad de barras de acero (Fig. 1A). Se han estudiado puentes, edificios, tesoros
bancarios, puertos, silos, monumentos, etc. Una aplicación particular, de alto impacto
económico, fue encomendada por el Ing. Raúl Husni, en relación a un puente en
Uruguay, para definir la ubicación de 96 perforaciones pasantes en las 4 vigas
principales de ese puente sin dañar la armadura y con el requerimiento de que tales
perforaciones estuvieran alineadas en grupos de a 4 con el objeto de atravesarlas con
tensores transversales a las vigas.1
1 Mariscotti M.A.J. and Husni R., ‘Reinforced Concrete Tomography and Its Application to Bridge
assessment’, NDE Conference on Civil Engineering, St. Louis, MO, ASNT, Edited by Imad Al-Qadi and
Glenn Washer, pp. 349-356, 2006.
1
La THA es similar a la tomografía computada en medicina, excepto que se utilizan
rayos gama en lugar de rayos-X y que no es necesario tener acceso al objeto de estudio
desde gran cantidad de ángulos. En la THA los rayos gama “iluminan” secciones de
vigas, columnas, losas, etc., y placas gamagráficas sensibles de 35 x 43 cm registran los
rayos transmitidos a través de estos elementos estructurales. La reconstrucción 3D de
las barras de las armaduras en las secciones examinadas es obtenida del análisis
subsiguiente de los datos registrados en las gamagrafías. Debido a su cualidad
“fotográfica” la técnica ha probado también ser una de las mejores de tipo no
destructivo para la detección de corrosión (Fig.1 B) y oquedades (Fig. 1 C).
Recientemente el uso de la THA para el estudio de vainas de vigas postensadas ha
despertado particular interés tanto en EEUU como en Europa2 y por esta razón nos ha
parecido apropiado discutir algunos de estos resultados en este Seminario. Estos se
refieren a la detección de defectos en vainas de vigas post-tensadas en el puente de
Zárate-Brazo Largo y a una inspección del postensado en un puente cercano a la
población Ponte de Lima en Portugal.
Y(cm)
20
43
1 3 5 7 9 11 13 1517 19 21 2324 26 28 30 32 34 36 38 41
18
14
22
31 33 35 37 39 40
27
29
8
10
4
6
16
12
20
2
25
10
42
0
A
posición placas
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
X(cm)
B
C
Figura 1. Tomografía de armadura y gamagrafías. A) Armadura de viga de más de 1 m de
ancho, obtenida con una fuente de 192Ir de 32 Ci; se detectaron, en dos camadas, 43 barras
Φ25 mm aletadas, además de la presencia de estribos, sus diámetros y disposición
geométrica; B) Porción de una gammagrafía mostrando corrosión en una barra; C)
Evidencia de vacíos tipo “nido de abeja” en una columna inclinada.
2
M. A. J. Mariscotti, P. Thieberger, T. Frigerio, F. Mariscotti and M. Ruffolo, Investigations with
reinforced concrete tomography, Structural faults & repair-2008, 12th International Conference and
Exhibition, Edinburgh, Scotland (june 2008) (distinguido como uno de los 3 mejores trabajos en el área
de ensayos no destructivos presentados en esta conferencia);
M. A. J. Mariscotti, F. Jalinoos, T. Frigerio, M. Ruffolo y P. Thieberger, Gamma-ray imaging for void
and corrosion assessment in PT girders, NDE/NDT for Highways and Bridges, Structural Materials
Technology, Oakland, California, USA (Sept 2008) (trabajo fuera de programa por invitación).
2
2. Zárate Brazo largo
Se examinaron en total 6 vainas de una viga de 30 cm de ancho, localizada hacia el
extremo oeste del puente, para lo cual se empleó una fuente de rayos gama de 192Ir de 93
Ci. Las gamagrafías fueron tomadas en las posiciones indicadas en la Fig. 2. Como
referencia, entre las placas 1 y 2 hay 70 cm de distancia.
5
10
4
9
3
8 7
2
11
1
12
13
14
15
6
Figura 2. Esquema de ubicación de las placas tomadas en el puente Zárate-Brazo Largo.
La Fig. 3 muestra en forma ampliada 4 de estas gamagrafías. La gamagrafía 1 muestra
un severo vacío en el relleno de la vaina más alta. En la 2, la cual es la próxima
gamagrafía hacia el lado opuesto del centro de la viga, este defecto está aún presente
pero menos marcado que en la 1. Por otro lado menores vacíos en la parte superior de
las vainas en las gamagrafías 8 y 13 son perceptibles.
F
E
Vaina con defecto de
relleno
D
C
B
A
Vaina bien
rellenada
Vaina con defecto
de relleno
Vaina con defecto
de relleno
Figura 3. Gamagrafías representativas. La gamagrafía 1 muestra severo caso de vacío en
el relleno de la vaina superior; la siguiente a ésta hacia uno de los extremos del puente es la
2, y en ella este defecto está aún presente pero disminuido. En la vaina superior de la 8 los
diferentes paquetes de alambres pueden ser apreciados. En la vaina inferior de la 8 y en la
superior de la 13 las delgadas líneas negras muestran leves vacíos. Estas gamagrafías
también muestran estribos como bandas blancas verticales. Los diámetros de los cabos y
vainas son ~5.2 cm y 7.2 cm, respectivamente.
3
Estas oquedades pueden ser analizadas cuantitativamente. Como ejemplo, discutiremos
el caso de la gamagrafía 1. La Fig. 4 muestra la densidad fotográfica medida a lo largo
de la línea de trazos vertical mostrada en la Fig. 3 sobre dicha gamagrafía. La
coordenada Z en la Fig. 4 tiene origen en el borde inferior de esa gamagrafía. Los valles
del gráfico a Z~10 cm y ~22 cm corresponden a las vainas inferior y superior,
respectivamente, y el pico a ~27 cm corresponde a la oquedad en el relleno de esta
última vaina. En la Fig. 4 la línea sólida fucsia y la de trazo celeste muestran los
resultados computacionales obtenidos de la expresión matemática que describe la
disposición de la medición. La línea sólida corresponde a asumir una oquedad en la
parte superior de la vaina y la línea de trazos a un cálculo sin oquedad.
Los parámetros incluidos en el cálculo fueron: a) el coeficiente de absorción conocido
(0.03 cm2/g) para rayos gama de 192Ir; b) la distancia fuente-placa gamagráfica (60 cm);
c) el espesor de la viga (30 cm); d) densidad del concreto (2.5 g/cm3); e) vainas
posicionadas en el centro de la viga; f) diámetro interno de las vainas (7.2 cm); y g)
diámetro de los cabos (5.2 cm). Estos tres últimos parámetros fueron obtenidos del
análisis tomográfico de las gamagrafías. Los únicos parámetros ajustables en este
cálculo fueron la densidad del relleno en la vaina superior (0.3 g/cm3) y la densidad de
ambos cabos (3.5 g/cm3). La densidad en la vaina inferior fue asumida igual a la del
concreto. Para comparación, el resultado de un cálculo sin asumir un vacío es mostrado
en la Fig. 4 con la línea de trazos (en este caso la densidad en la vaina superior fue
tomada igual que la del concreto en lugar de 0.3 g/cm3).
DENSIDAD FOTOGRÁFICA EN PLACA 1
4.5
DENSIDAD
4
E
C
3.5
B
A
F
D
3
2.5
2
0
10
20
30
40
Z (cm)
Figura 4. Densidad fotográfica a lo largo de la línea de trazos vertical sobre la placa 1 en
la Fig. 3. Los puntos azules corresponden a los datos medidos, la línea sólida y la de
trazos muestran los resultados del cálculo con y sin defectos, respectivamente. A-B: cabo
inferior; A-C vaina inferior; D-E: cabo superior; D-F: vaina superior (ver Fig. 3).
Las siguientes conclusiones pueden ser obtenidas de estos resultados: 1) en el punto de
máxima densidad fotográfica la profundidad del vacío es un poco menor que 6 cm, lo
4
que equivale a cerca de 5 cm de aire ya que la densidad ajustada en este volumen es de
0.3 g/cm3; 2) Considerando que la densidad máxima de un cabo compuesto de varios
paquetes de alambres de acero es cerca de 80% de la densidad del acero, entonces la
densidad ajustada de 3.5 g/cm3 indica que el factor de compactación del cabo es
aproximadamente 55%; 3) la diferencia entre valores medidos y calculados a Z ~25 cm
corresponde a una deficiencia de espesor de acero de 7 mm en los alambres superiores
de la vaina más alta lo cual podría ser una indicación de corrosión. En las otras
gamagrafías mostradas en la Fig. 3 deficiencias de espesores de acero señalando
corrosión no han sido observadas por encima de la incerteza de medición de 0.3 mm.
3. Puente N.S da Guia, Ponte de Lima, Portugal
Este trabajo se llevó a cabo por iniciativa del Ing. Mario Pimentel del laboratorio
LABEST, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Porto y en colaboración con
el grupo de dicho laboratorio dirigido por el Prof. Joaquim Figueiras, en el marco de un
contrato con Estradas de Portugal, E.P.E. El objetivo del presente caso fue demostrar la
capacidad de la técnica de THA para determinar las condiciones del relleno y de los
cabos en las vainas de las vigas tipo “cajón” en dicho puente (Fig. 5).
A
herramienta para el
posicionado de fuente
B
Figura 5. Puente N. S. da Guia, Ponte de Lima, Portugal. A) Vista general del puente; B)
Vista en corte mostrando los dos arreglos fuente-placa utilizados en este trabajo para el
estudio de las vigas tipo “cajón”. Las fuentes y las placas son indicadas con estrellas rojas
y líneas celestes, respectivamente.
En este trabajo se utilizaron placas convencionales y una fuente de 20 Ci de 192Ir y se
obtuvieron gamagrafías en varios sectores del tipo tabique y losa inferior (Fig. 5B). Para
este último tipo de sector la fuente fue posicionada en forma precisa bajo la losa
utilizando una herramienta diseñada especialmente para introducir en agujeros de 9 cm
de diámetro preexistentes en dicha losa, evitando así costosas y complejas formas de
posicionamiento del equipo sobre el río.
Todas las gamagrafías obtenidas muestran una o más vainas con cabos en su interior,
además se observa armadura ordinaria. La calidad de las imágenes permite ver detalles
tales como los bordes “corrugados” de las vainas, los paquetes de alambres, e incluso en
algunos casos hasta los alambres individuales. La Fig. 6 muestra una gamagrafía
ilustrativa de las obtenidas en este trabajo.
5
Este estudio permitió localizar el postensado del puente y determinar su tamaño y
configuración física. No se detectaron defectos en el llenado de las vainas ni corrosión
significativa. Adicionalmente se determinó la armadura convencional incluyendo
estribos, y fue revisada la existencia de oquedades tipo “nido de abeja” en el concreto.
Contornos
corrugados
de vainas
Figura 6. Gamagrafía de losa inferior del puente. La placa está vista desde su parte
superior, es decir, desde el lado opuesto a la fuente. Se observan horizontalmente, tres
vainas, dos en forma parcial y una (la central) en todo su ancho dentro del sector
estudiado. Se ve además una doble grilla de armadura ordinaria de Φ10 y Φ12. En la
vaina central se pueden individualizar sus cabos. A la derecha de la gamagrafía se
muestra un detalle de dicha vaina; en ella se ven dos contornos corrugados dispuestos en
forma superpuesta; por encima de ellos (dentro de la vaina) se observa un paquete de
alambre y por debajo un hierro Φ10. No se observan vacíos dentro de las vainas ni
indicios de corrosión en cabos y armadura ordinaria.
4. Conclusiones
La tecnología de la THA permite estudiar la armadura de piezas de concreto con
detalles y precisión sin precedentes. En este trabajo se presentan dos casos referidos al
estudio de vainas de postensado. El primer ejemplo presenta resultados obtenidos en el
puente Zárate Brazo Largo donde se encontraron defectos significativos de llenado de
vainas y se muestra que la técnica permite cuantificar estos defectos en detalle. En
segundo lugar se describen algunos de los resultados obtenidos en un estudio de vigas
cajón en un puente en Portugal que permitió localizar y conocer el estado de las vainas
en esas vigas.
6