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La Clave | El complejo mundo de los puertos
Estructuras en ambiente marino: más allá del final de su vida útil
La agresividad del ambiente marino hace que en ocasiones las estructuras construidas en dicho ambiente, particularmente las portuarias, no alcancen la vida útil deseable y, para las construidas desde la década de los noventa del pasado siglo XX, la prescrita en los códigos vigentes en dicha década. Se han dado casos de estructuras que no solo han alcanzado el final de su vida útil, sino que, tras superar este umbral, han seguido en servicio, prolongando su deterioro hasta que la merma de sus condiciones de seguridad las ha conducido al colapso. La estructuras que han sido llevadas al límite de su capacidad aportan información valiosa sobre los modos de fallo y la repercusión que los procesos de deterioro tienen sobre ellas. Con el presente trabajo se pretenden exponer varios ejemplos de estos casos; en todos ellos el proceso de deterioro ha sido la corrosión de las armaduras.
Palabras clave:Ambiente marino, hormigón armado, hormigón pretensado, corrosión, fallo, estado límite último.
Aggressiveness of marine environment sometimes makes the structures built in that environment, particularly port structures, do not reach the desirable useful life and, for those built since the 1990s, prescribed in the codes. Sometimes, not only have the structures reached the end of their useful life, but they have also continued in service beyond that threshold, continuing to deteriorate until there is a decline in their safety conditions that lead to their collapse. These structures that have been pushed to the limit of their capacity provide valuable information on failure modes and the impact that deterioration processes have on them. This paper aims to present some examples of these cases. All of them have in common that the deterioration process has been reinforcement corrosion.
Keywords: Marine environment, reinforced concrete, prestressed concrete, corrosion, failure, Ultimate Limit State.
Raúl Rodríguez Escribano
Dr. ingeniero de caminos.
Director de la División de Estudios de INTEMAC.
Profesor UEM.
Eduardo Díaz-Pavón Cuaresma
Dr. ingeniero de caminos.
Jefe del Departamento de Evaluación de Estructuras Existentes de INTEMAC
Gonzalo Jiménez Ortiz
Ingeniero de caminos.
Jefe del Departamento de Puertos de INTEMAC.
Las estructuras bien proyectadas, construidas y mantenidas alcanzan el final de su vida útil en condiciones adecuadas para que —con intervenciones y estrategias de mantenimiento razonables— dicha vida útil se pueda prolongar. Sin embargo, la realidad es que la premisa indicada, esto es, unas estructuras bien proyectadas, construidas y mantenidas, no siempre se cumple, y es frecuente que no se llegue a la vida útil pretendida. Por desgracia, esto se da en bastantes estructuras de hormigón sometidas al ambiente marino como consecuencia de la elevada agresividad del medio (véanse referencias 1, 2 y 3).
Como se señala en el Código Estructural, «la durabilidad de una estructura es su capacidad para soportar, durante la vida útil para la que ha sido proyectada, las condiciones físicas y químicas a las que está expuesta, y que podrían llegar a provocar su degradación como consecuencia de efectos diferentes a las cargas y solicitaciones consideradas en el análisis estructural». Los criterios predictivos sobre la evolución de la seguridad en cuanto se supera ese umbral no son abundantes -véanse al respecto el Código Estructural (2021) y Vázquez (2022)-.
El presente trabajo expone algunos ejemplos de colapso total de una estructura tras superar ese umbral de la vida útil
Más allá del final de la vida útil
El final de la vida útil según se entiende en los códigos no supone la ruina del elemento. Sin embargo, si no se interviene, lo que sí ocurrirá es que la estructura irá perdiendo capacidad resistente de forma progresiva, por lo general a velocidad creciente. A riesgo de simplificar, podemos señalar que, en lo referente a la corrosión, esta pérdida resistente en el tiempo viene dada (Calavera, 2005) por:
- una pérdida de sección eficaz del acero de armado por la corrosión;
- una afección a las condiciones de adherencia y anclaje. Aunque inicialmente los productos de la corrosión generan una presión sobre el hormigón de recubrimiento que puede mejorar las condiciones de adherencia, esta presión llega a producir la fisuración y, finalmente, la expulsión del hormigón de recubrimiento, con lo que entonces estas condiciones se pueden ver mermadas;
- una reducción de la sección útil a causa de la pérdida del hormigón de recubrimiento y la consiguiente pérdida de sección, que en algunos casos puede no ser despreciable desde el punto de vista de la capacidad resistente.
Dejando de lado el efecto en la capacidad resistente, la misma pérdida del hormigón de recubrimiento acelera en general el deterioro de la armadura.
Como se puede ver en la figura 1, todos estos aspectos se producen una vez superada la vida útil de la estructura y conllevan la pérdida de la capacidad resistente que se va desarrollando en el tiempo (véase Guía de reparación de estructuras de hormigón en ambiente marino y Gestión de la Conservación en el entorno portuario: una guía básica).
La progresiva pérdida de capacidad resistente que sigue al final de la vida útil puede concretarse en una reducción en la capacidad frente a diferentes estados límite últimos que, en último término, provoque un fallo estructural. En este caso ya no estamos en un final de la vida útil sino en el propio final.
En el presente documento exponemos algunos ejemplos de este final. Se han clasificado desde un punto de vista quizá demasiado estructuralista, atendiendo a los estados límite últimos más frecuentes. En todos los casos se trata de fenómenos conocidos (véase Andrade 1989 y la Guía de reparación de estructuras de hormigón en ambiente marino), pero, al mismo tiempo, su interés es indudable por su ocurrencia en estructuras en ambiente marino sometidas a intensos procesos de corrosión de armaduras.
Representación esquemática de la evolución de la resistencia R y la solicitación S en un elemento estructural
Todos estos casos tienen detrás un amplio trabajo de investigación para el diagnóstico de las causas que, por la lógica limitación del alcance del trabajo, no se expone aquí.
Fallos por flexión y cortante
El trabajo de flexión está presente en numerosas obras portuarias. Los pantalanes, por ejemplo, cuentan con elementos (vigas, losas, etc.) cuyo trabajo estructural es principalmente el de flexión.
El primer caso que presentaremos es el de un tablero de conexión entre un muelle y un duque de alba para la descarga de buques, conformado como un tablero de puente tradicional por vigas pretensadas de sección en doble T prefabricadas, solidarizadas por una losa superior conectada a ellas (véase la figura 2).
El fallo del pantalán se produjo al pasar un camión para la limpieza de los buques. El modo de fallo, con cedimiento de la parte central y quedando los extremos apoyados en los estribos, apunta de forma inequívoca a un fallo por flexión de la sección central (véase la figura 3).
Ya en las primeras inspecciones tras el siniestro se constató la existencia de repavimentaciones sobre el tablero (véase el estribo del lado del duque de alba en la figura 3) que habrían incrementado la solicitación del puente; aunque nominalmente el tablero tenía capacidad resistente para hacerle frente, ello pone de manifiesto lo que se ha indicado anteriormente en el sentido de que, en general, la solicitación sobre las estructuras es creciente en el tiempo. Se apreció además corrosión de la armadura (véase el mismo estribo), aunque fue en el desescombro (figura 4) cuando se puso de manifiesto la gran pérdida de sección por corrosión de la armadura activa, que en algunos casos era prácticamente total; esto provocó una merma de la capacidad a flexión de las secciones centrales del tablero que finalmente condujo al fallo por flexión. El camión (y otros vehículos con similares características y pesos) había accedido por el tablero con frecuencia, pero solo cuando la progresiva reducción de la capacidad resistente llegó a la situación límite se produjo el colapso.
Un caso análogo es el del pantalán que se muestra en la figura 5, también conformado con vigas prefabricadas de hormigón pretensado en doble T conectadas en cabeza con una losa superior de hormigón armado.
La figura 6 muestra el fallo de una de las vigas de un pantalán con una carga repartida debida a graneles sólidos y una carga puntual importante (pero que actuó históricamente en muchas ocasiones sobre el pantalán) originado por la acción combinada de esfuerzos de flexión y de cortante sobre sección fisurada, dando lugar al plano inclinado de la superficie de fractura. Véase al respecto el Código Estructural y Calavera, 2008. El resto de las vigas no presentaba fisuración, lo cual indicaría que en ellas el pretensado aún mantuvo la sección sin fisurar. El que estas se sostuviesen evitó milagrosamente el colapso de todo el vano.
Fallos de anclaje y solape
La fotografía izquierda de la figura 7 muestra un pantalán conformado con losas macizas de hormigón armado. El apoyo de las losas era sin continuidad (apoyo simple) en el muro de estribo y en los pórticos intermedios. Se observa la importante corrosión de la armadura inferior de la losa, en particular, en las proximidades del muro-estribo, debida a la salpicadura que la agitación provocaba al impactar con el muro y a las filtraciones a través de la junta entre losa y el propio estribo.
En la fotografía siguiente de la misma figura se observa el colapso que sobrevino al circular una carretilla sobre uno de los vanos con apoyo en el muro-estribo. La forma de la rotura no era indicativa de un fallo por flexión (por ejemplo, la armadura inferior en la zona central de vano no presentaba anomalías significativas). La armadura estaba rota en el extremo del lado del muro-estribo, con síntomas de estricción en algunos casos (en otros, la armadura había perdido prácticamente toda la sección por la corrosión).
Figura 7. Fallo por cortante en la losa de un pantalán.
El siniestro se produjo por un fallo por cortante. En efecto, la fisuración inclinada por cortante, que, de hecho, se observaba en la superficie de fractura de la losa que se mantuvo en su posición (véase la tercera fotografía de arriba), moviliza una tracción T en la armadura para «anclar» el cortante V, según se muestra en la figura 8 (véase Calavera 2008, Código Estructural, y Arroyo et al. 2018). La armadura inferior que anclaba este cortante y que doblaba en patilla en el borde de la losa conservaba (aunque con corrosión intensa) la patilla, pero se encontraba rota en el tramo horizontal. La pérdida paulatina de capacidad de la armadura por corrosión fue la causante de que, en el estadio final, la capacidad residual fuese insuficiente para «anclar» el cortante.
En la figura 9 mostramos un caso que estudiamos para el Consorcio de Compensación de Seguros. En un temporal se produjo un fallo en un tramo de un espaldón de hormigón armado entre juntas de dilatación. En la misma figura se muestra la intensa corrosión que presentaba la armadura del espaldón.
Aunque en general se indica que la armadura, al corroerse, provoca empujes en el hormigón de recubrimiento que acaban dando lugar a fisuras que marcan la posición de las armaduras, en los elementos superficiales la coacción lateral hace que, en lugar de presentarse las fisuras I, pueda aparecer un plano de fisuración II entre armaduras. Este plano de fisuración es muy peligroso pues permite la circulación interior de agua de mar y afecta muy negativamente las condiciones de adherencia, anclaje y solape de las armaduras (figura 10), correspondiente a un detalle de la corrosión de las armaduras del espaldón). Debe tenerse en cuenta que, como consecuencia de la retracción del hormigón, estas armaduras están comprimidas (véase Calavera, 2008), lo cual favorece el despegue (de hecho, es frecuente observar estas armaduras «pandeadas»).
La pérdida de sección era evidente. Pero también es cierto que la fisuración debió de incidir en el solape en arranque. La combinación de ambos efectos, cada uno de ellos en mayor o menor medida, condujo a un debilitamiento de la sección de arranque que en el espaldón desencadenó el fallo en dicha sección durante el temporal.
Compresión
No presentamos fallos por compresión en este apartado, cuya tipología es conocida (véase Calavera 2005), sino ejemplos de daños muy intensos por corrosión en elementos sometidos fundamentalmente a ese tipo de esfuerzos (pilas en pantalanes) en los que razonaremos cómo la fuerte degradación de la armadura no condujo al fallo (en la figura 11, el daño que se observa responde a un impacto, no a un fallo por compresión del pilar el cual, de hecho, mantuvo en cierta medida su contribución resistente).
La razón es que, en general, estos elementos se dimensionan con cuantías bajas, próximas en muchos casos a las mínimas, confiando la resistencia al hormigón. Incluso cuando por diferentes motivos los esfuerzos de flexión son previsibles, en la práctica los soportes están en compresión dominante. En estos casos, la contribución de la armadura a la capacidad a compresión es reducida y queda, en general, por debajo del margen de seguridad que los coeficientes de mayoración de acciones y de minoración de los materiales proporcionan (véase Calavera, 2005, y FIB Bulletin 85). Por ello es muy raro ver soportes con fallos por compresión, incluso cuando estos esfuerzos se incrementen por asientos diferenciales.
Conclusiones
El riesgo de corrosión de armaduras en estructuras en ambiente marino es un aspecto clave a considerar en el diseño, la construcción y el mantenimiento de estructuras en ese medio.
Superada la vida útil de la estructura, la corrosión de armaduras da lugar a una pérdida de capacidad resistente que, en último término, puede llegar a desencadenar un fallo estructural. Se han mostrado ejemplos de este tipo de fallos que, excepto por la propia corrosión, en muchos casos tuvieron poca capacidad de aviso previo.
En el presente trabajo se han expuesto ejemplos de fallos asociados a diferentes tipos de esfuerzos (flexión, cortante, anclaje, etc.) de estructuras con un comportamiento histórico impecable hasta el momento del colapso, consecuencia del debilitamiento que la corrosión produjo en su capacidad resistente.
Referencias
1
Asociación Técnica de Puertos y Costas (2018). Guía de reparación de estructuras de hormigón en ambiente marino. (s.l.): Organismo Público Puertos del Estado.
2
España. Puertos del Estado (2012). ROM 2.0-11. Recomendaciones para el proyecto y ejecución en Obras de Atraque y Amarre. (s.l.): Puertos del Estado.
3
Calavera, J. (2005). Patología de estructuras de hormigón armado y pretensado (2a. ed.). (s.l.): INTEMAC.
4
Ministerio de Transportes, Movilidad y Agenda Urbana (2021). Código Estructural.(s.l.).
5
Vázquez, K. et al. (2022). Corrosion Prediction Models in the Reinforcement of Concrete Structures of Offshore Wind Farms. Journal of Marine Science and Engineering, Vol. 10(2) 185.
6
Asociación Técnica de Puertos y Costas (2012). Gestión de la Conservación en el entorno portuario: una guía básica. (s.l.): Organismo Público Puertos del Estado.
7
Andrade, C. (1989). Manual de inspección de obras dañadas por corrosión de armaduras. Madrid: CSIC.
8
Calavera, J. (2008). Proyecto y cálculo de estructuras de hormigón. (2. ed.). Madrid: INTEMAC.
9
FIB Bulletin no. 85 (2018) Towards a rational understanding of shear in beams and slabs. (s.l.). doi.org/10.35789/fib.BULL.0085.
10
Arroyo, J. C., Morán, F., y G.ª Meseguer, A. (2018). Hormigón Armado. Jiménez Montoya Escencial. (16a. ed.). Madrid: CINTER.
11
Comité Euro-international du Béton. Manual on Cracking and Deformations (Bulletin d’information no. 158).