ENVEJECIMIENTO DE ESTRUCTURAS DE CONCRETO: CAUSAS, CONSECUENCIAS Y SOLUCIONES

Conoce cómo el Monitoreo Avanzado Ayuda a Mitigar Riesgos y Prolongar la Vida Útil

El envejecimiento de las estructuras de concreto es un proceso natural que se ha convertido en un problema urgente y crítico en los últimos años. Estructuras como presas y centrales nucleares, que han estado en funcionamiento durante décadas, están llegando al final de su vida útil. Muchas infraestructuras a nivel mundial tienen más de 50 años y sufren un deterioro significativo, afectando su capacidad de servicio. Los altos costos de conservación de estas estructuras envejecidas, sumados a los limitados fondos asignados para su mantenimiento, presentan desafíos técnicos y financieros importantes, lo que requiere enfoques sistemáticos basados en el riesgo para la evaluación de su estado.

Causas del Envejecimiento en Estructuras de Concreto

En los Estados Unidos, la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles (ASCE) estima que se necesitarán aproximadamente 3.6 billones de dólares para 2020 con el fin de mejorar las infraestructuras a un nivel aceptable, cifra que supera con creces el nivel de financiación disponible (Hariri-Ardebili et al. 2020). El envejecimiento de las estructuras de concreto suele manifestarse primero en elementos individuales, causando un comportamiento no uniforme. El signo más común del envejecimiento estructural es el debilitamiento de las propiedades mecánicas del concreto.

Para desarrollar una metodología integral de evaluación del desempeño, es necesario combinar el comportamiento pasado (diagnóstico) con observaciones y pruebas actuales, utilizando esta información para predecir la vida futura de la estructura. Las incertidumbres aumentan con la vida útil del sistema, y el envejecimiento y el deterioro intensifican la respuesta incierta de las estructuras a las condiciones ambientales.

El envejecimiento y el deterioro del concreto deben considerarse tanto en el diseño como en el análisis. En el diseño de nuevas estructuras, se deben tener en cuenta factores como la fluencia y la contracción, gradientes de temperatura, sostenibilidad, costo del ciclo de vida y resiliencia del sistema. En el análisis de estructuras existentes, la incertidumbre del material y el patrón de daño actual son parámetros clave.

Figura 1 Edificio antiguo en McAbee Beach, EE.UU., donde son evidentes los efectos del envejecimiento (Diamantopoulos et al. 2024).

Condiciones Ambientales y Deterioro del Concreto

Los ciclos de congelación y descongelación son una causa principal del deterioro de la durabilidad de las estructuras de concreto en regiones con variaciones extremas de temperatura. Yang et al. (2020) realizaron experimentos en muestras de concreto y determinaron la variable de daño basada en la congelación y descongelación. Propusieron una ecuación para la relación constitutiva esfuerzo-deformación que incluye esta variable de daño, observando cambios en el módulo elástico con el aumento de ciclos de congelación y descongelación.

El ataque de sulfatos al cemento es otra razón de la degradación de la durabilidad del concreto, reduciendo la vida útil de las estructuras. Liu et al. (2020) caracterizaron la relación entre la temperatura y la energía libre de Gibbs de los productos de erosión generados durante el ataque de sulfatos al cemento. El modelo propuesto se basó en principios de termodinámica química, determinando la composición de fases, la microestructura, la forma cristalina y la morfología de los productos de erosión antes y después del ataque de sulfatos. Señalaron que el ataque de sulfatos tiene un doble efecto sobre las propiedades mecánicas de las muestras.

Consecuencias

  1. Debilitamiento de las Propiedades Mecánicas: El envejecimiento puede llevar a una disminución significativa en las propiedades mecánicas del concreto, como su resistencia a la compresión, flexión y tracción. Esto puede reducir la capacidad de la estructura para soportar cargas y esfuerzos, aumentando el riesgo de fallos estructurales.
  2. Aumento de la Permeabilidad: Con el tiempo, el concreto puede volverse más poroso, permitiendo la penetración de agua, sales y otros agentes agresivos. Esto puede acelerar la corrosión de las armaduras de acero, debilitando aún más la estructura.
  3. Fisuración y Desconchamiento: El envejecimiento puede provocar la aparición de fisuras y desconchamientos en la superficie del concreto. Estas fisuras pueden crecer con el tiempo, comprometiendo la integridad estructural y estética de la construcción.
  4. Pérdida de Capacidad de Carga: Las estructuras envejecidas pueden perder su capacidad de carga original, lo que implica que ya no pueden soportar las mismas cargas y esfuerzos que cuando eran nuevas. Esto puede requerir restricciones de uso o refuerzos adicionales.
  5. Reducción de la Durabilidad: La durabilidad del concreto puede verse comprometida por factores como la congelación y descongelación, ataques químicos, y la exposición a condiciones ambientales adversas. Esto reduce la vida útil de la estructura.
  6. Aumento de los Costos de Mantenimiento: Las estructuras envejecidas suelen requerir un mantenimiento más frecuente y costoso para asegurar su funcionalidad y seguridad. Esto puede incluir reparaciones, refuerzos y, en casos extremos, reemplazo de componentes estructurales.
  7. Impacto en la Seguridad: El envejecimiento puede aumentar el riesgo de fallos catastróficos, poniendo en peligro la seguridad de las personas que usan o están cerca de la estructura. Esto es especialmente crítico en infraestructuras como puentes, presas y edificios de gran altura.
  8. Degradación Estética: El deterioro visible de las estructuras de concreto, como manchas, fisuras y desconchamientos, puede afectar negativamente la apariencia estética, lo que puede ser importante en contextos urbanos y arquitectónicos.
  9. Pérdida de Valor Económico: Las estructuras envejecidas pueden perder valor económico debido a su menor funcionalidad y mayores costos de mantenimiento y reparación. Esto puede afectar la rentabilidad de las inversiones en infraestructuras.
  10. Interrupciones en el Servicio: El envejecimiento puede llevar a interrupciones en el servicio debido a la necesidad de reparaciones o refuerzos, lo que puede afectar a los usuarios y generar costos adicionales por pérdida de operatividad.

Prevención del Envejecimiento de las Estructuras: Monitoreo

En el mundo de la ingeniería civil, el envejecimiento de las estructuras de concreto es una preocupación creciente. A medida que nuestras infraestructuras envejecen, el riesgo de fallos estructurales y el costo de mantenimiento aumentan significativamente. Sin embargo, el monitoreo de estructuras emerge como una herramienta crucial para mitigar estos riesgos y asegurar la longevidad y seguridad de las construcciones. En este blog, exploramos cómo el monitoreo de estructuras puede prevenir las consecuencias negativas del envejecimiento del concreto.

El monitoreo de estructuras implica la recopilación y análisis continuo de datos sobre el comportamiento y el estado de una estructura a lo largo del tiempo. Utilizando una variedad de sensores y tecnologías avanzadas, los ingenieros pueden obtener información detallada sobre las condiciones físicas de las infraestructuras. Esto incluye mediciones de deformaciones, vibraciones, temperatura, humedad, y más.

El monitoreo continuo permite la detección temprana de problemas como fisuras, corrosión de armaduras y desplazamientos anómalos. Identificar estos problemas en sus etapas iniciales permite a los ingenieros intervenir antes de que se conviertan en fallos críticos, evitando costosas reparaciones y potenciales desastres. Con datos en tiempo real, los ingenieros pueden evaluar con precisión el estado actual de la estructura. Esto es esencial para entender cómo el envejecimiento y las condiciones ambientales están afectando a la estructura, y para tomar decisiones informadas sobre su mantenimiento y reparación.

El monitoreo estructural facilita la planificación de un mantenimiento más eficiente y económico. En lugar de realizar inspecciones y reparaciones periódicas basadas en intervalos de tiempo preestablecidos, las intervenciones pueden programarse en función de la necesidad real, optimizando los recursos y reduciendo los costos. Al abordar los problemas de manera proactiva y eficiente, el monitoreo de estructuras puede extender significativamente la vida útil de las infraestructuras de concreto. Esto no solo mejora la seguridad y funcionalidad de las estructuras, sino que también maximiza el retorno de la inversión en construcción.

Caso de éxito: Worldsensing ayuda a conservar un puente ferroviario histórico en Gales

Todas las vías férreas deben supervisarse cuidadosamente para garantizar la integridad de las estructuras que soportan trenes pesados y rápidos. Esto es especialmente importante en infraestructuras históricas y antiguas como el puente de Hawarden, un puente ferroviario sobre el río Dee, en Gales.

Inaugurado en agosto de 1889, el Hawarden fue originalmente el mayor puente giratorio del Reino Unido. Su sección central podía girar 90 grados, lo que permitía el paso seguro de grandes barcos por el río. En 1960, el tráfico de barcos cesó gradualmente y el tramo móvil del puente giratorio fue soldado.

A lo largo de los años, los frecuentes movimientos del Hawarden entre sus posiciones abierta y cerrada habían provocado esfuerzos en la mampostería de sus estribos. En la década de 2000, se había degradado aún más debido a las duras condiciones -principalmente el agua salada y el clima- a las que había estado expuesto desde su apertura.

En 2009, se determinó que las grietas en la mampostería del puente de Hawarden eran únicamente de interés estético. No obstante, el operador del puente quiso aumentar la frecuencia de los controles con equipos automatizados para garantizar la integridad del puente, sobre todo ante la creciente preocupación por cuestiones como el cambio climático y el envejecimiento de las infraestructuras.

Solución

Dado que el puente es accesible al público, el operador decidió no utilizar estaciones totales, ya que podrían haber sido objeto de vandalismo. En su lugar, optó por un robusto equipo de Worldsensing. La instalación consta de:

– 6 inclinómetros inalámbricos triaxiales LS-G6-TIL90-X / WiSOS480
– 3 medidores de grietas
– 2 registradores de datos
– Una pasarela alimentada por energía solar y baterías instalada a unos 200 metros del puente, en un lugar fuera del alcance del público.

Los datos del sistema de monitorización se retransmiten cada seis horas desde la pasarela, vía móvil 4G, a la herramienta de gestión de la conectividad CMT Edge de Worldsensing. Desde aquí, la empresa puede evaluar el rendimiento de la red y sus dispositivos en tiempo real.

Los datos procesados de CMT se transmiten a través de comunicaciones cifradas seguras de extremo a extremo AES de 128 bits a un software de visualización de datos que forma parte de Infraestructura IoT de Bentley. Este software alojado en la nube ofrece acceso remoto instantáneo a los datos de los sensores del Hawarden y proporciona información detallada sobre el estado actual del puente. Con alarmas y notificaciones personalizadas, los ingenieros pueden recibir una notificación inmediata si las lecturas de los sensores están fuera del rango normal.

Figura 2 Monitoreo del puente Hawarden.

Beneficios

El sistema de monitorización utilizado en el puente de Hawarden ha demostrado ser una solución robusta y fiable para vigilar el estado estructural del puente. A nivel de dispositivo, la tecnología Worldsensing utilizada es discreta pero robusta, y con las baterías de litio-manganeso recientemente lanzadas, puede funcionar hasta 25 años sin necesidad de mantenimiento.

En términos de despliegue de software, la combinación de CMT integrado con el software de visualización proporciona a la empresa de supervisión una solución completa de gestión de redes y datos con rendimiento de la red de control desde una interfaz de usuario específica y una sólida herramienta de visualización de datos para evaluar el estado estructural del puente en todo momento.

Aunque llevarán a cabo revisiones trimestrales, disponer de la tecnología ahorrará el gasto de tener que realizar evaluaciones manuales más frecuentes del puente y proporcionará actualizaciones más periódicas de lo que sería rentable con visitas in situ.

Referencias

  • Bakis, A. (2019). Increasing the Durability and Freeze‐Thaw Strength of Concrete Paving Stones Produced from Ahlat Stone Powder and Marble Powder by Special Curing Method. Advances in Materials Science and Engineering2019(1), 3593710.
  • Diamantopoulos, S., Achmet, Z., Stefanidou, S., Markogiannaki, O., & Fragiadakis, M. (2024). Seismic Fragility Curves of RC Buildings Subjected to Aging. GeoHazards5(1), 192-208.
  • Hariri-Ardebili, M. A., Sanchez, L., & Rezakhani, R. (2020). Aging of Concrete Structures and Infrastructures: Causes, Consequences, and Cures (C-3). Advances in Materials Science and Engineering2020, 9370591.
  • Hayashi, K., Matsui, T., Saito, T., & Reyna, R. (2020). Fundamental Investigation on Seismic Retrofitting Method of Aging Concrete Structural Wall Using Carbon Fiber Sheet‐Constitutive Law of Rectangular Section. Advances in Materials Science and Engineering2020(1), 8451043.
  • Leng, Y., Zhang, J., Jiang, R., & Xiao, Y. (2020). Structural Redundancy Assessment of Adjacent Precast Concrete Box‐Beam Bridges in Service. Advances in Materials Science and Engineering2020(1), 5801841.
  • Liu, P., Chen, Y., Yu, Z., Chen, L., & Zheng, Y. (2020). Research on sulfate attack mechanism of cement concrete based on chemical thermodynamics. Advances in Materials Science and Engineering2020(1), 6916039.
  • Svoboda, A., Klusáček, L., & Olšák, M. (2019). Strengthening and Rehabilitation of U‐Shaped RC Bridges Using Substitute Cable Ducts. Advances in Materials Science and Engineering2019(1), 8920718
  • Worldsensing. (s.f.). Preserve historic Welsh rail bridge. Worldsensing. Recuperado de https://www.worldsensing.com/es/success-story/preserve-historic-welsh-rail-bridge/
  • Yang, S., Guo, M., Liu, X., Wang, P., Li, Q., & Liu, H. (2019). Highway performance evaluation index in semiarid climate region based on fuzzy mathematics. Advances in materials science and engineering2019(1), 6708102.
  • Yang, X., Wang, G., Li, H., & Fan, J. (2020). Numerical simulation of static stress‐strain relationship and failure mode for freeze‐thaw concrete. Advances in Civil Engineering, 2020, 1921598. https://doi.org/10.1155/2020/1921598
Author picture

by: Ph.D. Carolina Hernández Valerio

Posts Relacionados

(993) 389 4059

Oficina central

Calle 10 30, San Pedro de los Pinos, Benito Juárez, 03800 Ciudad de México, CDMX

SOPORTE DE CORREO ELECTRÓNICO

info@soilsolution.com.mx

El futuro del monitoreo en la construcción
Newsletter Semanal
Mantente al día en el Sector de la Construcción con boletines semanales que presentan noticias, Inversiones, proyectos y más.
Copyright © 2024 terzaghi.mx Todos los derechos reservados, desarrollado por Soilsolution Company.