Francisco Muñoz Salinas¹ y Carlos Javier Mendoza Escobedo²

¹ Trabaja en el de Arquitectura y Tecnología I, ETSAB, UPC, Barcelona, España.

² Investigador, Instituto de Ingeniería, UNAM.

Artículo recibido el 26 de abril de 2012
Aprobado para su publicación el 18 de enero de 2013

Resumen

La durabilidad de las estructuras de concreto reforzado, es uno de los aspectos más importantes que actualmente el Eurocódigo considera como prioridad en la estimación de la vida útil de las edificaciones. Tan es así que existen tres estados límites: Estado Límite Último, Estado Límite de Servicio, Estado Límite de Durabilidad, que se consideran para comprobar la funcionalidad estructural de las edificaciones. El Estado Límite de Durabilidad, se encarga de corroborar la capacidad que tienen las estructuras de soportar durante su vida útil, las condiciones físicas y químicas a las que están expuestas. En este documento se detalla la metodología utilizada en España en lo que respecta a este Estado Límite, y se compara con lo que se hace en México.

Palabras clave: Vida útil, durabilidad.

Abstract

The durability of reinforced concrete structures is one of the more important aspects that is currently considered by Eurocode to be a priority in the estimation of the service life of buildings. It is so much so that three states of limitations now exist: Ultimate Limit State, Service Limit State, and Durability Limit State which are taken into consideration to test the structural functionality of buildings. The Durability Limit State is used to corroborate the capacity that a structure can support during its service life, and the physical and chemical conditions to which they are exposed. This document details the methodology used in Spain with respect to the Durability Limit State, and is compares it with what is being done in Mexico.

Key words: Service life, durability limit.

Resumo

Palavra chave: Vida útil, durabilidade.

INTRODUCCIÓN

La durabilidad es la capacidad que tienen las estructuras de concreto reforzado de conservar inalteradas sus condiciones físicas y químicas durante su vida útil cuando se ven sometidas a la degradación de su material por diferentes efectos de cargas y solicitaciones, las cuales están previstas en su diseño estructural. El diseño estructural de un edificio de concreto reforzado, debe estipular las medidas adecuadas para que éste alcance la vida útil establecida en el proyecto, teniendo en cuenta las condiciones ambientales, climatológicas y el género de edificio a construir.

Todos los agentes agresivos a los cuales estará expuesto el edificio deberán de identificarse. Las medidas preventivas indicadas en la etapa de proyecto suelen ser muy eficaces y reducen posibles gastos posteriores.

1. VIDA ÚTIL DE LA ESTRUCTURA³

En la actualidad, una de las prioridades en Europa y en muchas otras regiones, incluido México, corresponde a la seguridad de las personas, los bienes inmuebles y la protección del medio ambiente. Por ello, las nuevas normativas buscan que las edificaciones sean idóneas para su uso durante su vida útil. Para que eso se alcance, las estructuras deben cumplir con los siguientes requisitos:

a) Los edificios deben de ser seguros y funcionales esto quiere decir, que las estructuras deben soportar las acciones mecánicas, físicas y químicas a las que puedan estar sometidas durante su construcción y su vida útil.

c) Las edificaciones deben cumplir mínimos de higiene, salud y protección del medio ambiente, esto consiste en reducir al mínimo el riesgo de que se provoquen impactos negativos sobre el medio ambiente como consecuencia de la ejecución de la obra, su uso y su demolición.

Para que estos requisitos se cumplan, es importante definir la vida útil que tendrá la edificación en el momento del diseño del proyecto; ésta no podrá ser inferior a lo especificado por las normativas vigentes en el lugar donde se vaya a desarrollar el proyecto. En México las Normas Técnicas Complementarias para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto del Reglamento de Construcciones del Distrito Federal (NTCC, RCDF) establecen que las estructuras para edificios deben tener una vida útil de 50 años.

2. DURABILIDAD

La durabilidad en la normativa española es uno dentro de los tres estados límites que hay que cumplir para que las estructuras sean seguras y funcionales y sean capaces de soportar las acciones externas e internas a las que se verán expuesta y sometidas. Cabe decir que los tres Estados límites que se deben comprobar, y que una estructura no deberá exceder son:

- Estado Límites Últimos.

- Estado Límite de Servicio.

]]> - Estado Límite de Durabilidad: tL≥ td.

Donde:

tL: Tiempo necesario para que el agente agresivo produzca un ataque o degradación significativa.

td: Valor de cálculo de la vida útil afectado por el correspondiente coeficiente de seguridad.

2.1. Grado de agresividad ambiental

En el proyecto se deberá definir el grado de agresividad ambiental al que estará expuesta la estructura, definiendo para cada elemento que la configura una clase de exposición y haciendo referencia a los procesos de corrosión que se pueden presentar en el refuerzo. En la designación del tipo de ambiente se reflejarán todas las clases de agentes agresivos a los que estarán expuestas las estructuras.

La definición del tipo de ambiente para cada conjunto de elementos estructurales repercutirá en:

• La tipificación del concreto.

• La prescripción de recubrimientos.

• En algunos casos, en el tipo de cemento a emplear (resistente a sulfatos o agua de mar, por ejemplo).

Cada elemento estructural puede tener un tipo de ambiente diferente y habrá que reunir los elementos en grupos con la finalidad de una ejecución de obra razonable (Cimentaciones y muro de contención; elementos estructurales interiores; elementos estructurales de concreto expuestos, obras sanitarias, etc.).

Prescripciones generales de durabilidad en el proyecto:

-Diseño de la estructura.

-Adecuación de la calidad del concreto.

-Recubrimientos adecuados para la protección del refuerzo. Separadores.

-Control del valor máximo de abertura de fisura.

]]> -Disposición de protecciones especiales para el caso de ambientes muy agresivos.

-Adopción de medidas de protección del refuerzo frente a la corrosión.

En las NTC para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto, RCDF, y en la Norma mexicana NMX-C-403-ONNCCE, aparecen consideraciones sobre las diferentes clases de exposición que se manejan en la normativa mexicana. Aunque las clases de exposición señaladas en esos documentos son similares, la clasificación aquí presentada es más detallada y con ejemplos de situaciones en las que se pueden dar.

Tabla 4

2.2 Diseño de la estructura

• Selección de formas geométricas adecuadas para reducir al mínimo el contacto entre agua y concreto.

• Diseño de los detalles necesarios para una rápida evacuación del agua, ventilación o drenaje.

• Sistemas que faciliten el mantenimiento.

]]> • Definir manuales de uso y mantenimiento a llevar a cabo a lo largo de la vida útil del edificio para garantizar la durabilidad.

2.3 Adecuación de la calidad del concreto

Se garantizará el cumplimiento de las siguientes condiciones:

-Materias primas que cumplan los requisitos de control de calidad.

-Dosificación adecuada.

-Puesta en obra y curado del concreto correctas.

-Curado del concreto.

-Resistencia de acuerdo con el comportamiento estructural y los requisitos de durabilidad.

2.4 Materias primas

Es importante para la durabilidad la selección del tipo de cemento más adecuado según las recomendaciones de la instrucción para la Recepción de Cementos (RC-08)⁴.

Los cementos que se producen en México tienen un número menor de tipos, pero suficientes para seleccionar el que tenga las características requeridas. Las equivalencias de la clasificación española con la mexicana se pueden encontrar consultando la Norma NMX-C-414-ONNCCE.

2.5 Dosificación adecuada

Los requisitos de dosificación del concreto dependen del grado de agresividad ambiental a la que estará sometida la estructura:

a) Requisitos generales

Máxima relación agua/cemento y mínimo contenido de cemento, (si se utilizan adiciones para la fabricación del concreto se podrán tener en cuenta a efectos de contenido de cemento y relación agua/cemento en las condiciones fijadas).

Las especificaciones de relación agua/cemento y de contenido de cemento son las que determinan la dosificación pero a la vez condicionan unas determinadas características mecánicas del concreto. Los valores de las resistencias de la tabla, a título meramente indicativo, son las que resultan coherentes con las respectivas dosificaciones.

En las NTC para Diseño y Construcción de Estructuras de Concreto y en la NMX-C-403-ONNCCE se dan recomendaciones similares, aunque los valores especificados no coinciden para todas las condiciones de exposición.

b) Requisitos adicionales Impermeabilidad del concreto

Una comprobación experimental de la obtención de una estructura porosa del concreto suficientemente impermeable para el ambiente en el que va a estar ubicado, puede realizarse comprobando la impermeabilidad al agua del concreto, mediante el método de determinación de la profundidad de penetración de agua bajo presión, según la UNE EN 12390-8. Esta comprobación se deberá realizar cuando las clases generales de exposición sean III o IV, o cuando el ambiente presente cualquier clase específica de exposición.

Un concreto se considera suficientemente impermeable al agua si los resultados del ensayo de penetración de agua cumplen simultáneamente con:

c) Resistencia del concreto a las heladas

Para la clase de exposición F, hace falta introducir en el concreto un contenido mínimo de aire incluido del 4.5% según UNE-EN 12350-7. Para las clases de exposición H o F, ataque por heladas con o sin sales fundentes, se recomienda el cumplimiento de las especificaciones relativas a la estabilidad de los agregados .

d) Resistencia del concreto al ataque por sulfatos.

Para contenidos de sulfatos ≥ 600 mg/l en el caso de aguas o ≥ 3000 mg/kg en el caso de suelos, el cemento deberá tener la característica adicional de resistencia a sulfatos (SR), excepto que se trate de agua de mar o con un contenido de cloruros > 5000 mg/l, casos en que se aplicará el que se establece en el apartado siguiente de resistencia del concreto al agua de mar.

e) Resistencia del concreto al agua de mar.

Para ambientes IIIb o IIIc y en elementos de concreto en masa sumergidos o en zonas de mareas el cemento a emplear deberá tener la característica adicional de resistencia al agua de mar (MR).

En relación con los casos d) Resistencia del concreto al ataque por sulfatos y e) Resistencia del concreto al agua de mar, las normas mexicanas antes señaladas (NTC y NMX) dan recomendaciones más detalladas para diferentes niveles de agresividad.

f) Por clase de exposición E, concreto resistente a la erosión.

* Resistencia mínima del concreto: 30 N/mm².

* El agregado fino deberá ser cuarzo u otro material de igual dureza.

* El agregado grueso deberá tener un coeficiente de Los Ángeles inferior a 30.

Duración del curado como mínimo un 50% superior al que se aplicaría a un concreto de las mismas características no sometido a erosión.

Las normas mexicanas NTC y NMX antes señaladas dan recomendaciones similares.

g) Resistencia frente a la reactividad álcali-agregado

Se puede producir en cuanto concurren simultáneamente la existencia de un ambiente húmedo (cualquier ambiente, excepto I o IIb se considera húmedo), la presencia de un alto contenido de álcalis en el concreto y la utilización de agregados reactivos. Hay que seleccionar agregados inertes y si no es posible se pueden estudiar métodos de impermeabilización superficial. Las normas mexicanas NTC y NMX antes señaladas dan recomendaciones similares.

2.6 Recubrimientos adecuados

El recubrimiento del concreto es la distancia entre la superficie exterior del refuerzo (incluyendo estribos) y la superficie del concreto más cercana. El recubrimiento mínimo es el que se debe cumplir en cualquier punto. Para garantizar este valor mínimo, en el proyecto se debe prescribir un valor de recubrimiento nominal.

]]> rnom= rmin+Δr

Donde:

rnom: recubrimiento nominal: el que se especifica en planos y lo que sirve para definir los separadores.

rmin: recubrimiento mínimo: el que se debe cumplir en cualquier punto.

Δr: margen de recubrimiento en función del control de ejecución:

0 mm en elementos prefabricados con control intenso de ejecución

5 mm en elementos ejecutados in situ con nivel intenso de control de ejecución

10 mm en el resto de los casos.

Tabla 9

En el caso de que se dispongan de datos experimentales sobre la agresividad del ambiente en estructuras similares situadas en zonas próximas y con el mismo grado de exposición, o bien en el caso de que se decida adoptar en el proyecto unas características del concreto más exigentes que las indicadas en este documento, el responsable del proyecto podrá comprobar el cumplimiento del Estado Límite de Durabilidad, de acuerdo con lo descrito en este documento.

En el caso de que el responsable del proyecto establezca en el mismo la adopción de medidas especiales de protección frente a la corrosión del refuerzo (protección catódica, refuerzo galvanizado o empleo de aditivos inhibidores de corrosión en el concreto) podrá disponer unos recubrimientos mínimos reducidos para las clases generales III y IV, que se corresponderán con los indicados en este documento para la clase general IIb., siempre que se puedan aplicar las medidas necesarias para garantizar la eficacia de dichas medidas especiales durante la totalidad de la vida útil de la estructura prevista en el proyecto.

Tabla 10

Otras especificaciones en cuanto a recubrimientos de acero de refuerzo y presfuerzo, son:

a) . En el caso de refuerzos principales el recubrimiento deberá de ser ≥ al diámetro de la barra o diámetro equivalente en el caso de grupos de barras y ≥ a 0.80 veces la medida máxima del agregado grueso en general o ≥ 1.25 veces el tamaño máximo del agregado para casos en que la disposición del refuerzo respecto a los paramentos dificulte el paso del concreto.

b) . Para cualquier tipo de refuerzo, incluidos estribos, los recubrimientos no serán inferiores a los indicados en las tablas en ningún punto.

c) . En el caso de elementos (viguetas o placas) prefabricados en instalación industrial fija, para colados unidireccionales de concreto reforzado o pretensado, se podrá contar con el grueso de los revestimientos de colado que g sean compactos e impermeables y tengan carácter de definitivos y permanentes. En estos casos el recubrimiento real de concreto no podrá ser nunca inferior a 15 mm.

Tabla 11

d) El recubrimiento de las barras dobladas no será inferior a 2 diámetros, medido en dirección perpendicular al plano de la curva.

f) Cuando por exigencias de durabilidad, protección contra incendios, grupos de barras, etc., el recubrimiento tenga que ser > 50 mm, se considerará la conveniencia de colocar una malla de reparto en medio del espesor de recubrimiento de la zona en tensión, con una cuantía del 5% del área del recubrimiento para barras o grupos de barras de diámetro o diámetro equivalente ≤ 32 mm, y del 10 % para diámetros o diámetros equivalentes > 32 mm.

g) . En piezas coladas contra el terreno el recubrimiento mínimo será de 70 mm, pero no será necesaria la colocación de malla intermedia. Si se dispone de plantilla de concreto, el recubrimiento será el correspondiente al ambiente.

h) . En muros colados contra el terreno y en el caso de pantallas y pilotes, la propia técnica constructiva conlleva unos sobredimensionados que hace que, únicamente en estos casos, no sea necesaria la especificación adicional de 70 mm.

i) . Si el proyecto establece la adopción de medidas especiales de protección frente a la corrosión del refuerzo se podrán disponer unos recubrimientos mínimos reducidos para las clases generales III y IV, que se corresponderán con los indicados para la clase general IIb, siempre que se pueda garantizar la eficacia de estas medidas especiales durante la totalidad de la vida útil prevista para la estructura.

Las normas mexicanas NTC y NMX antes señaladas dan recomendaciones menos detalladas de las aquí expresadas, aunque los criterios empleados para establecer los recubrimientos mínimos para cada caso particular son similares.

2.7 Valores máximos de la abertura de fisura

La durabilidad es, junto a consideraciones funcionales y de aspecto, uno de los criterios en los que se basa la necesidad de limitar la abertura de fisura. Los valores máximos a considerar, en función de la clase de exposición ambiental, serán los indicados en la siguiente tabla.

Tabla 12

2.8 Medidas especiales de protección

En casos de agresividad especial, cuando las medidas normales de protección no se consideren suficientes, se podrá recurrir a la disposición de sistemas especiales de protección, como los siguientes:

-Aplicación de revestimientos superficiales con productos específicos para la protección del concreto (pinturas o revestimientos), conformes con las normas de la serie UNE-EN 1504 que les sean de aplicación.

-Protección del refuerzo mediante revestimientos (por ejemplo, refuerzo galvanizado).

-Protección catódica del refuerzo, mediante ánodos de sacrificio o por corriente impresa, según UNE-EN 12696.

-Refuerzo de acero inoxidable, según UNE 36067.

-Aditivos inhibidores de la corrosión.

3. CONSIDERACIONES ADICIONALES SOBRE DURABILIDAD

3.1. Cálculo del Estado Límite de Durabilidad

tL ≥ td

td = Yt tg

Donde:

tL: Tiempos necesario para que el agente agresivo produzca un ataque o degradación significativa.

td : Valor de cálculo de la vida útil.

Yt : Coeficiente de seguridad de la vida útil, Yt = 1.1

3.1.1 Método general de cálculo

a. Elección del la vida útil de proyecto.

b. Elección del coeficiente de seguridad de vida útil.

c. Identificación de las clases de exposición e identificación, por cada una, del proceso de degradación predominante.

d. Selección del modelo de durabilidad de cada proceso de degradación. En este documento hay dos modelos aplicables para los procesos de corrosión del refuerzo (por carbonatación y cloruros). No hay modelos de degradación química del concreto ni por erosión porque todavía no están suficientemente desarrollados.

e. Aplicación del modelo y estimación de tL.

f. Comprobación del Estado Límite de Servicio de Durabilidad para cada uno de los procesos de degradación relevantes.

En los dos modelos, tanto por el de carbonatación como por el de cloruros, el tiempo total tL necesario para que el ataque sea significativo es:

tL = ti + tp

Donde:

ti: periodo inicial, o sea el tiempo que tarda el agente agresivo en llegar al refuerzo y provocar la corrosión.

tp: periodo de propagación, tiempo de propagación de la corrosión hasta llegar a una degradación significativa.

ti = (d / K)²

Donde:

d: espesor del recubrimiento en mm.

K: en el caso del proceso de carbonatación es Kc, coeficiente de carbonatación, que es función de la resistencia y % de aire incluido en el concreto, del ambiente en que está expuesto y del tipo de cemento.

El coeficiente de carbonatación Kc se obtiene a partir de la siguiente formulación:

Kc — c_env * c_air * a * f b ^b _cm

Donde:

f_cm Resistencia media del concreto a compresión, en N/mm², que puede estimarse a partir de la resistencia característica especifica (f_ck).

f_cm = f_ck + 8 (en N/mm²)

Donde:

c_env Coeficiente de ambiente.

c_air Coeficiente de aire incluido.

a, b Parámetros función del tipo de conglomerante.

t = (d/K_cl)²

Donde:

d Recubrimiento en mm.

t Tiempo en años.

Tabla 13 

El coeficiente de penetración de cloruros Kcl tiene la siguiente expresión:

Donde:

α Factor de conversión de unidades que vale 56157.

C_th Concentración crítica de cloruros, expresada en % del peso de cemento.

C_s Concentración de cloruros en la superficie del concreto, expresada en % del peso de cemento. Dado que esta concentración de cloruros suele obtenerse en % del peso de concreto, su equivalente en peso de cemento se puede calcular a partir del contenido de cemento del concreto (en kg/m³) como:

C_s (% peso de cemento) = C_s (% peso del concreto) * (2300/contenido de cemento).

C_b Contenido de cloruros aportado por las materias primas (agregados, cemento, agua, etc.), en el momento de fabricación del concreto.

El coeficiente de difusión de cloruros varía con la edad del concreto de acuerdo con la siguiente expresión:

Donde:

D(t₀) es el coeficiente de difusión de cloruros a la edad t₀,

D(t) el coeficiente a la edad t, y n es el factor de edad, que puede tomarse, a falta de valores específicos obtenidos mediante ensayos sobre el concreto de que se trate, igual a 0,5.

Tabla 14

La concentración crítica de cloruros (C_th) deberá ser establecida por el responsable del proyecto de acuerdo con las consideraciones específicas de la estructura. En condiciones normales, puede adoptarse un valor del 0,6% del peso de cemento para la comprobación del Estado Límite en relación con la corrosión del refuerzo normal (pasivo). En el caso de refuerzo pretensado (activo), puede adoptarse un valor límite de C_th de 0,3% del peso de cemento.

El valor de C_s depende de las condiciones externas, especialmente de la orografía del terreno y del régimen de vientos predominantes en la zona, en el caso de ambientes próximos a la costa. Además, C_s varía con la edad del concreto, alcanzando su valor máximo a los 10 años. A falta de valores obtenidos a partir de ensayos en estructuras de concreto situadas en las proximidades, el Responsable del proyecto valorará la posibilidad de adoptar un valor de C_s de acuerdo con la tabla siguiente, en función de la clase general de exposición.

Tabla 15

En el caso de que C_th - C_b > C_s se considerará comprobado el Estado Límite sin necesidad de efectuar ninguna comprobación numérica.

La etapa de propagación se considera concluida cuando se produce una pérdida de sección del refuerzo inadmisible o cuando aparecen fisuras en el recubrimiento de concreto. El período para que se produzca puede obtenerse de acuerdo con la siguiente expresión:

Donde:

t_p Tiempo de propagación, en años.

Φ Diámetro del refuerzo, en mm.

V_corr, Velocidad de corrosión, en μm/año.

A falta de datos experimentales específicos para el concreto y las condiciones ambientales concretas de la obra, la velocidad de corrosión podrá obtenerse de la siguiente tabla.

Tabla 16

3.1.3 Estimación de la vida útil debida a la corrosión del refuerzo

Por tanto, el tiempo total, suma del período de iniciación y el de propagación de la corrosión, será, en el caso de la corrosión por carbonatación:

En el caso de la corrosión por cloruros será:

3.2 Contribución de los morteros de revestimiento al recubrimiento del refuerzo

La especificación permite tener en cuenta la contribución de revestimientos que sean compactos impermeables, definitivos y permanentes. A este respecto, en las clases generales de exposición IIa, IIb y Illa, sin clase específica de exposición, pueden emplearse diversas alternativas. En el caso de uso de morteros de revestimiento, se define como "factor de equivalencia de recubrimiento (λ)" el valor por el que hay que multiplicar el espesor colocado de mortero para determinar el recubrimiento equivalente que puede sumarse al recubrimiento real de concreto. Las tablas siguientes presentan los valores de λ para los ambientes más habituales en el caso de estructuras de edificación. En ningún caso, podrán emplearse espesores de revestimiento superiores a 20 mm.

Tabla 17

Tabla 18

Alternativamente, para el ambiente Illa puede emplearse también el criterio de factor de equivalencia establecido en la siguiente tabla.

Para que un mortero pueda ser empleado de acuerdo con lo indicado en este documento, sus componentes (cemento, agregados, aditivos, adiciones, etc.) deberán cumplir, en su caso, lo especificado para cada uno de ellos en la correspondiente normativa. Además, independientemente del valor de su factor de equivalencia, deberá cumplir también las especificaciones de la siguiente tabla.

Otros criterios, como por ejemplo, los estéticos o los de protección contra el fuego, pueden requerir mayores espesores de recubrimiento o la aplicación de otras protecciones específicas. En el caso de ambientes fuertemente agresivos, el valor de los recubrimientos y las demás disposiciones de proyecto deberán establecerse, previa consulta de la literatura técnica especializada, en función de la naturaleza del ambiente, del tipo de elemento estructural de que se trate, etc.

Ninguna de las normas mexicanas señaladas (NTCC, RCDF y NMX-C-403-ONNCCE) hace referencia al Cálculo del estado límite de durabilidad, ni a la contribución del mortero de revestimiento al recubrimiento del refuerzo, como lo señalado en este artículo para la normativa española.

4. COMENTARIO FINAL

Las normas mexicana y española especifican requisitos similares para garantizar la durabilidad de las estructuras de concreto reforzado y presforzado, sin embargo, la norma española analiza con mayor detalle las causas del deterioro, la forma de contrarrestarlo y da expresiones que permiten calcular la vida útil de las estructuras ante diferentes agentes agresivos. Los coeficientes y parámetros propuestos por la normativa española pueden requerir de ajustes para su adecuación a las condiciones mexicanas, sin embargo, a falta de información más precisa se puede emplear esa información para la estimación de la durabilidad de las estructuras. Los autores estiman que las aportaciones que se presentan en este artículo contribuirán a mejorar la práctica mexicana y obtener con ello estructuras más durables.

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Notas

³ Real Decreto 1247/2008, de 18 de julio, por el que se aprueba la "Instrucción de hormigón estructural (EHE-08).

⁴ Real Decreto 956/2008, del 6 de junio, por el que se aprueba la instrucción para la recepción de cementos (RC-08).