¿Cómo se calcula la vida de diseño de una estructura de hormigón armado?

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Las especificaciones para grandes proyectos estructurales generalmente requieren que la estructura tenga una vida de diseño específica. Esto puede ser 50 años, 100 años, etc.

Acomodar la vida de diseño del acero puede ser tan simple como agregar espesor adicional para tener en cuenta la corrosión esperada durante este período de tiempo. Este cálculo también tomaría en consideración cualquier variación basada en recubrimientos o tipo de acero.

La historia ha demostrado que las estructuras de hormigón sin refuerzo pueden durar cientos de años . Los romanos tienen algunos ejemplos de esto, como el Panteón .

El problema con el concreto reforzado es que eventualmente el refuerzo se corroerá , se expandirá en tamaño y hará que el concreto se agriete. También puede haber problemas con los agregados que se utilizan.

¿Cómo puede un diseñador calcular y, por contrato, garantizar la vida útil de una estructura de hormigón armado?

Hazzey
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Afaik la mayoría de los edificios de hoy están planeados con 60 años.
peterh - Restablece a Monica
Esta pregunta parece ser el camino equivocado para mí. No diseñas una estructura y luego calculas su vida útil; usted determina qué vida de diseño se requiere y luego diseña para cumplir con esto. Quizás la pregunta debería ser "¿Qué aspectos del diseño de una estructura de concreto se ven afectados por su vida de diseño?". Además, nunca he oído hablar de un diseñador que garantice contractualmente la vida de una estructura.
AndyT
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@AndyT Tiene razón en que diseña una estructura para cumplir con una vida de diseño. Tal vez la pregunta podría hacerse de una manera ligeramente diferente, pero el resultado final es el mismo. ¿Cómo puede garantizar un requisito de vida útil de diseño? Y sí, lo he visto en los contratos.
Hazzey
La vida del diseño afecta las cargas de diseño que se basan estadísticamente. por ejemplo, la carga del viento depende de la vida útil del diseño, porque cuanto más larga sea la vida útil prevista de la estructura, más probabilidades habrá de ver vientos más altos. Pero no se garantiza que el viento de diseño no se exceda dentro de la vida útil del diseño; es una expectativa estadística, no un hecho difícil. Por lo tanto, un ingeniero no puede garantizar que la estructura sobrevivirá durante la vida útil prevista. (Esto podría formar parte de una respuesta a "¿Qué aspectos se ven afectados por la vida del diseño?", Pero no "¿Cómo se puede garantizar la vida?")
AndyT
@hazzey ¡Qué gran pregunta (y compleja!). Pensé que podría estar interesado en alguna investigación en curso para desarrollar criterios de diseño de puentes para una vida útil de 100 años . Ha estado en mi lista de lectura por un tiempo, ¡finalmente me has dado la motivación para profundizar!
CableStay

Respuestas:

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La vida de diseño puede ser una de dos cosas diferentes, y no son intercambiables.

Una referencia a '100 años de vida útil de diseño' podría significar que está diseñada para un estuche de carga '1 en 100 años' (carga de viento, marejada, o lo que sea). Esto se trata únicamente de un medio de cuantificar la magnitud de la carga. En realidad, no tiene nada que ver con la durabilidad de la estructura, se trata de la resistencia de la estructura.

La pregunta se refiere a un asunto diferente: la durabilidad, y específicamente la durabilidad del hormigón armado. Se cuantifica normalmente por referencia a la experiencia pasada en el entorno particular que le dice cuál es el mecanismo crítico de deterioro y, luego, se hace referencia a una solución estándar o un cálculo de la vida útil de ese mecanismo. Los cálculos son normalmente hasta cierto punto empíricos.

Para una estructura 'estándar', con una condición de exposición 'normal', características de concreto 'normales' y requisitos de vida de diseño 'normales', habrá soluciones estándar en el código de diseño relevante, que probablemente simplemente define la cantidad de cobertura que Satisfacer la vida de diseño. Lo que constituye "normal" dependerá de la jurisdicción del código de diseño: diferentes mezclas de cemento están disponibles en diferentes partes del mundo, y lo que es "normal" para un código de diseño nacional en un país totalmente templado no será " normal 'en los trópicos o regiones polares.

Por ejemplo, en una estructura en la zona de chapoteo en la península arábiga, el ataque de heladas no va a ser un problema, pero el ataque físico de sal (o la meteorización por sal) sí lo será. El ataque de escarcha es donde el agua que se congela en poros y grietas se expande y rompe el concreto. La meteorización por sal es donde el agua salada se absorbe y se evapora a una velocidad tal que los cristales de sal crecen dentro de los poros y rompen el concreto.

Si un diseñador se desvía de lo que sus reglas de diseño locales consideran "normal", o si el entorno es especialmente agresivo, o los requisitos de durabilidad son inusualmente onerosos, entonces se requerirá un cálculo específico.

La falla más común del hormigón armado es que el refuerzo metálico comienza a corroerse. El acero en el concreto no se corroe porque el concreto tiene un pH muy alto, y el acero en un ambiente de pH alto está 'pasivado' y no se corroe. Sin embargo, lentamente con el tiempo, el dióxido de carbono de la atmósfera se difunde hacia el concreto y lo neutraliza. Si conoce las características de su concreto, puede predecir qué tan rápido sucederá (por referencia a la experiencia empírica).

Sin embargo, lo que normalmente desencadena la corrosión (al menos en ambientes marinos u otros ambientes salados, por ejemplo, sal de carretera) es el ataque de cloruro, donde los iones de cloruro se difunden desde la superficie. Una vez que la concentración de los iones de cloruro en la superficie de la barra alcanza un valor crítico, la corrosión pronto se impondrá. Puede calcular esto, si supone una concentración de cloruro en la superficie (a partir de datos empíricos), y conoce las características del concreto (ya sea datos empíricos o probando qué tan rápido los iones de cloruro se difunden a través de él, pero tenga cuidado con eso como el concreto edades, sus características cambian, y debe permitir eso), y conocer el umbral crítico (a partir de datos empíricos).

Hay un práctico programa gratuito que realiza este cálculo por usted llamado Life-365 , y proviene de un comité del American Concrete Institute. Realiza el cálculo de difusión de cloruro por usted, dibuja gráficos y otras cosas, y si está en los EE. UU., Incluso tiene los datos empíricos que necesita incorporados, por lo que no necesita buscar cuáles son las condiciones locales. (Uso el programa, pero no estoy asociado con él de otra manera). El manual del programa tiene una discusión más detallada de la ciencia detrás de él, pero lo mejor es que puedes jugar con él y ver qué efecto tiene cambiar algo en la vida.

Si realiza el cálculo y no obtiene suficiente vida, puede poner el refuerzo más profundo (por lo que el cloruro tarda más en difundirse), o puede hacer que el concreto sea más resistente al cloruro que se difunde a través de él, o usa una barra que necesita un valor umbral más alto de cloruro (inoxidable, por ejemplo), o trata superficialmente la barra, o el concreto, o coloca sistemas galvánicos o electroquímicos, o inhibidores de corrosión, o algo más. Muchas de estas cosas vuelven a datos empíricos: lo han probado y tienen datos de prueba que muestran que evitará la corrosión durante n años si pones x cantidad de lo que sea.

achrn
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Tiene razón, la pregunta es sobre la durabilidad a largo plazo y no sobre los períodos de ocurrencia de carga.
Hazzey
¡Interesante! Puedo entender la teoría de que puede calcular la durabilidad teórica a partir de su tipo de concreto, profundidad de refuerzo y condiciones locales. Pero en términos de diseño real, siempre esperaría que fuera al revés. Comienza con "Necesito x años de vida de diseño" y luego los códigos / estándares establecen qué profundidad de refuerzo y mezcla de concreto es aceptable.
AndyT
Sí, pero eso es lo mismo en casi todos los diseños: adivina / sabe / intuye la respuesta, luego verifica que cumpla con los requisitos. Por ejemplo, ¿qué profundidad de viga de hormigón usar? No hay una ecuación que te diga lo que necesitas, haces una suposición y la verificas. Para mayor durabilidad, los códigos brindan alguna guía (según las líneas que sugiere), pero si realmente importa o es un entorno inusualmente agresivo, haga un cálculo como el realizado por life-365.
Achrn
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No puedo responder esta pregunta en términos de una estructura de construcción; Sin embargo, puedo hacerlo por un pavimento de hormigón armado, que aún puede ser de su interés.

En línea con las otras respuestas, se diseña un diseño de pavimento de prueba, que luego se evalúa en función de la vida útil del diseño. La carga que partió sobre el pavimento se expresa en términos de una repetición de eje estándar durante la vida útil del diseño. Por ejemplo, un pavimento podría estar diseñado para soportar 1x10 5 repeticiones de eje estándar durante una vida de diseño de 40 años. Esto se llama las repeticiones de diseño.

Se selecciona un pavimento de prueba, luego se realiza un análisis de fatiga que determina las repeticiones permitidas del pavimento . Las repeticiones de diseño se dividen por las repeticiones permitidas y si este valor, definido como el Factor de daño acumulativo (CDF), es <1.0, entonces su pavimento sobrevivirá a la vida de diseño.

Entonces, CDF = n / N donde n = repeticiones de diseño, N = repeticiones permitidas. Tenga en cuenta que podría hacer un cálculo inverso para determinar la vida útil del diseño si conociera los otros términos.

Louis Russell
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