Como diseñar y construir estructuras de hormigón seguras y durables

Encuentro IberoAmericano de Hormigó n Premezclado
Federación IberoAmericanadel Hormig ón Premezclado
FIHP
X Reuni ón del Concreto “Construir lo Nuestro”
Asociación Colombiana d e Productores de Concreto
ASOCRETO
Diseñar y Construir
con Hormigón
Ing. Paulo Helene
Construir con
Materiales y
Sistemas Durables
MSc, PhD, Prof. Titular da Universidade de São Paulo PCC.USP
Coordinador Internacional de la Red REHABILITAR CYTED XV.F
Presidente del IBRACON
FIHP
Cartagena de Indias, 13-17 Setiembre 2004
Cartagena
Colombia
Cartagena
1.533 DC (ac)
Cartagena
1
DURABILIDAD
Como era introducida la
durabilidad en las obras
antíguas?
EL CONCEPTO
DE CONSTRUIR
CON
DURABILIDAD
EXISTE EN LAS
OBRAS DESDE
LA
ANTIGUIDAD
Arquiteto e médico Imhotep
CUANDO FUE
RECONOCIDA LA
PROFESIÓN DE
ARQUITECTO e
INGENIERO CIVIL POR
PRIMERA VEZ?
Pirâmide escalonada de Djeser
Piramide de Queóps
146 m
Torre de Babel
Iraque
580 A.C.
Arquiteto Ninrode
Egito
2580 A.C.
Jardins Suspensos da Babilonia
sobre colunas de 100m
Nabucodonosor & Anitis
2
Piramide de
Kukulcan
Chichen Itza
México
En los siglos XVIII y XIX en él pico de las
estructuras metálicas, él acero devia ser
revestido frequentemente para durar
1100 – 1300 d. C.
Él início de los rascacielos en la
edad contemporânea fue en 1890
con la construcción del edifício
Wainwright
Chicago, USA.
Conocido Escola de Chicago
Projectista
Arquiteto Louis Henry Sullivan
SE HA CREÍDO QUE LOS PROBLEMAS DE CORROSIÖN Y DURABILIDAD
ESTAVAN ACABADOS Y RESUELTOS DEFINITIVAMENTE PUES EL
ACERO SERIA PROTEGIDO ETERNAMENTE POR EL CONCRETO
SÉCULO XX
APARECE UNO
NUEVO MATERIAL
Hormigón Armado
Concreto Armado
DESGRACIADAMENTE EL ACERO TODAVIA PUEDE
DETERIORARSE, MISMO DENTRO
DEL CONCRETO
Edifício
Martinelli
São Paulo
1929
25 andares
Altura 106 m
Rua Líbero
Badaró
fck = 13,5 MPa
1929
2004
3
DESGRACIADAMENTE EL ACERO TODAVIA PUEDE
DETERIORARSE, MISMO DENTRO
DEL CONCRETO
Salvo Palace
Tower
Montevideo
Uruguay 1926
Altura 103 m
fck = ?
Towers
roca
acero
Torre
Parque Central
Caracas
Venezuela
1984
altura 221m
56 andares
Enrique Siso y Daniel F.
Shaw
concreto
Ibero America
Record
35MPa
Ing. Mario
Paparoni &
Sergio Oloma
record mundial
Arq. Enrique Siso & Daniel Shaw
Los concretos que se usaron en su mayoría fueron
diseñados para 350 kgf/cm2,
hubo muchos problemas en los vaciados de pantallas
sobre todo en las de
menor espesor (20 cm), en los sitios con cambios de
sección, donde se
requer ía mayor cantidad de acero de refuerzo , y en los
que el concreto no
lograba pasar entre las barras, hubo que realizar gran
número de
reparaciones con el empleo de adesivos epóxicos.”
Centro
Empresarial
Nações
Unidas
Torre Norte
São Paulo
1997
Altura 179 m
f ck = 50MPa
4
“Más
Durables?”
Carbonatación
Carbonatación
2
eCO2 ? kCO2 ? t
t=
(cm)
CO2
e
acero
CO2
CO2
Carbonatación
e = 2,0 cm
fck= 15 MPa ? t = 8 años
eco2
(año)
2
kco2
? eco2 ? 1 a 5 cm
? kco2 ? 0.1 a 1.0 cm/año1/2
“Más
Seguras?”
fck= 50 MPa ? t = 350 años
fck= 25 MPa ? t = 38 años
5
Analisis estatística
Coeficientes de
ponderacción
?f
sk
Acción
do calculo
Rk
Resistência
de los
Materiales
Sd
Sd < R u
fk
fd = fk
?m
?m
Resistência
de calculo
Solicitacción
resistente
(1.23) • ? c1 ? sc,ef da estructura = sc
(1.07) • ? c2 ? fc,ef (est.) ? fc (c.p.)
(1.13) • ? c3 ? dúvidas sobre R
25 MPa
?c
17 MPa
bulletin d’information 213/214, May 1993
fcd = fck / ? c
?c = 1,5
? cd = 0,85 • fcd
Ru
?c = ?c1 • ?c2 • ?c3
fck
fib (CEB-FIP) Model Code 1990
Solicitacción
atuante
Fd = Fk . ? f
Fk
Acciones
Analisis determinista
80MPa
para fck = 25 MPa ?
fc,ef (estructura) ˜ 17 MPa
para fck = 25 MPa
? fcd = 17 MPa
?c = (1,5) = 8 MPa (?c = ?c1 • ?c2 • ?c3)
?c1 = (1,23) = 4,7 MPa (s estructura = s )
?c2 = (1,07) = 1,6 MPa (fc,ef ? fc c.p.)
?c3 = (1,13) = 2,9 MPa (dúvidas sobre R)
c,ef
c
Petronas Towers
Kuala Lumpur
53 MPa
Malásia 1999
Altura 452 m
diferencia entre
lo pedido y lo
considerado en
los cálculos
8 MPa
27 MPa
fck = 80 MPa
record mundial
6
TAIPEI 101
???
???
???
???
???
???
???
????
????
Shangai World Financial Center
????
????
???
Taiwan China
PLAN
Altura 508m
fck = 80 MPa
The Taipei 101
Building
record mundial
The Taipei 101 Building
Ductilidad
STIFF
STIFFENER
O
O
X DIR.
Y DIR.
Ductilidad
confinado
Confinamien
f to ˜ 1,4 • f
c,confinado
tensión
no confinado
fc
deformación específica
c
35 MPa
25 MPa
70 MPa
50 MPa
175 MPa
125 MPa
7
Módulo de
elasticidad
Módulo de Elasticidad
Naturaleza del Agregado Grueso
Basalto (1,2), granito (1,0), arenito (0,7)
Consumo de Agregado Grueso
Fluído (0,85)
Seca (1,15)
a/c, TZ, fc, ….
30
Eci, 0.4fc = 29,2 GPa
E
20
c,fc
Eci, 0.4fc = 44,5 GPa
80
Ec, 0.4fc = 24,8 GPa
fc,28 em MPa
f c,28 em MPa
25
= 11,4 GPa
15
10
Ec, 0.4fc = 38,0 GPa
Ec,fc
60
40
Eci, 0.4fc = 29,2 GPa
20
Ec, 0.4fc = 24,8 GPa
5
E
c,fc
0
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0
0,5
e-Tower
0,1
0,2
0,3
= 11,4 GPa
0,4
0,5
deformaçao especifica %
deformaçao especifica %
f ck = 25MPa
= 40,0 GPa
f ck = 80MPa
menor deformabilidad
?
Edifício e- Tower SP
?
42 andares
?
Heliponto
?
Piscina semi-olimpica
?
Academia de giná stica
?
2 restaurantes
?
Concreto colorido
?
f ck pilares = 80 MPa
8
Projeto (e-Tower)
Projeto (e-Tower)
4.40 m
fck = 80 MPa
60
60
70
70
Carga nos Pilares
Vagas
1500 t a 2000 t
Vagas
100
Proj. Vigas
Circulação
Vagas
100
90
90
fck = 40 MPa
4.10 m
Projeto (e-Tower)
?Ganho de 4 vagas por andar
?4 x 4 andares = 16 novas vagas
?US $ 4,000 cada vaga
?ganho de US$ 64.000,00
ARMADURA
Projeto (e-Tower)
?seção transversal = 90 x 100 = 0.9 m2
?nova = 60 x 70 = 0.42 m2
?economia => 0.9 – 0.42 = 0.48 m2
?53% volume concreto
?custo C80 = 45% mais que C40
?ganho de 8% só no concreto!!!
Construtibilidad
? Alta taxa de armadura 40 Ø 32 mm + luvas (comum em CAD)
? Cobrimento de 3 cm
? Reforço no cintamento por estribos e ganchos
9
e-Tower
Building
São Paulo
HPC colorido
record mundial
125 MPa
Feb. 2002
September 11, 2001
FEMA
Federal Emergency Management Agency
www.fema.gov
aimpacto na torre.exe
NIST
National Institute of Standards and Technology
wtc.nist.gov
Port Authority of New York
NYC Building Code
avião e a torre.exe
6.000 fotos
185 fotógrafos
150h de vídeo
15.000 pg. depoimentos
17.000 ocupantes
8.500 cada (99% abaixo saíram)
93% nunca usaram escada
WTC 1? 1560; WTC 2? 599
bombeiros ? 433
WTC 1 ? 103 min
WTC 2 ? 56 min
WTC 7 ? 5h
Projeto WTC 1 e 2 ? 1964
?
impacto boeing 707 a 960 km/h
? sem incêndio
1,25cm argamassa projetada ? hoje é 5cm
? inovador sem ensaios
? NYC Building Code adotava 1h ? hoje 3h
?
10
Piores Consequências
do Impacto
Resistência e Estabilidade
?
medidas indicaram que o impacto do
Boeing 767-200ER acarretou vibração
semelhante a de um terremoto de índice 2,4
essa vibração induzida teve amplitude da
ordem da metade da máxima considerada
?
por efeito de vento
período de oscilação equivalente ao do
edifício íntegro
?
?
descolou proteção térmica
? comprometeu sprinkler
? comprometeu água
espalhou combustível
? aumentou ventilação
?
Incêndio
temperaturas altas da ordem de 1.100o C
? combustível queimou rápido
? carga térmica alta do prédio e do avião
?
?
?
poucas paredes para cortar propagação
transmissão rápida a vários pisos
WTC 7 incêndio após queda 7, 8, 9, 11, 12,
13, 22, 29, 30 colapso progressivo
?
ESTRUTURAS DE
CONCRETO
Resistência a
incêndio e altas
temperaturas
11
NISTIR 6726. National Institute of Standards and Technology, 2001
NISTIR 6726. National Institute of Standards and Technology, 2001
HSC water -cement ratio 0.22 to 0.57, 51 to 93 MPa
HSC water -cement ratio 0.22 to 0.57, 51 to 93 MPa.
1.High-strength mixtures made with
very low w/cm (0.22) showed less
strength loss than with 0.33 w/cm.
3. Preload seems to have a mitigating effect
on the development of explosive spalling.
2.Explosive spalling was observed
when the temperature of the
specimen center was in the range of
200 and 325 oC.
4. For concrete samples casted with 0.22
w/cm, tested under restrained conditions,
explosive spalling never ocurred. Only
occurred with some samples casted with
0.33 w/cm.
estructuras
metalicas
estructuras
metálicas
strength
20%
módulo de
elasticidad
20%
700o
estructuras
de concreto
700o
80%
42%
estructuras
de hormigón
strength
20%
módulo de
elasticidad
700o
25%
900o
700o
Distribución de la temperatura en
los perfiles metálicos
crescimiento
de la
temperatura
ASTM E 119
12
Distribución de las temperaturas
Distribució n de las temperaturas
en una columna de hormigón de 50x50cm
en una columna de hormigón de 50x50cm
910 ºC
500
460 ºC
Polivka &
Wilson
UC, 1976
Berkeley
850o C
450o C
5 8 ºC
910o C
400
700o C
Calmon &
Claudio
UFES,
2002
Vitória
T oC
250o C
5 8 ºC
300
Despu és de 60 minutos
450o C
200
20oC
20 ºC
450o C
460 ºC
250o C
100
Bazant &
Kaplan
Logman,
1996
910 ºC
20o C
1 h de incêndio
0
0
5
10
centro
15
20
25
Distancia (cm)
Soluções
Inovadoras
Gdes obras de infraestrutura
Cenários
Alto índice de verticalização
Alta competitividade
Elevada demanda
Demanda restringida
Demandas
Ensaios de
Incêndio
Colapso
Progressivo
Propriedades mecânicas
?f ck
?f’ c
= 115 MPa
= 17,000 psi
?f ck
?f’ c
Performance do sistema
Performance do produto
Direcionamento da P&D
Organização do conhecimento
Período
1970
Cimento
= 25 MPa
15 M
1980
25 M
1990
2000
35 M
35 M
Milhões de toneladas
Durabilidade
f ck
115 MPa
= 3,600 psi
f ck
25 MPa
fc
7 days
111
18
Carbonatação
fc
28 days
125
32
fc
63 days
139
37
Absorção H2 O
fc
91 days
155
39
Densidade
Eci
28 days
50
30
Absorção capilar
fct
28 days
10
3,1
Ascensão capilar
0 cm
30 cm
43 C
8.400 C
0,019
0,051
28+63d 25o C 65% 5%
Volume vazios
Ultrasom m/s
4950
3250
Cloruros
esclerometria
52
23
Abrasión
kg/m3
cm /cm
3
2
zero
29mm
0,40%
7,5%
1%
17,5%
2530
0,1
g/cm2
2310
2,7
g/cm2
13
Sustanaible
Development
“Increasing service life of concrete structures we can preserve
the natural resources.
If we develop the design and construction ability we can get
concrete structures with 500 years service life. Doing this
we can multiply by ten our productivity which means preserve
the 90% of them ”
Kumar Mehta
Reducing the Environmental Impact of Concrete
Concrete International. ACI, v.23, n. 10, Oct. 2001. p.61-66
Los Arquitectos y los Ingenieros
construen los marcos de
pujança, de grandeza, de
desarrollo y de poder
de las civilizaciones.
Traduzen su história,
Sus sueños e ideales en
majestosas y durábles obras
que elevan la auto estima
de su gente.
HPC es una de las má s
grandes oportunidades
atuales de rescatar esa
importância y vocación de
la arquitectura y de la
ingenier ía de IberoAmerica
14