Evaluación de la seguridad estructural existente en el silo y molino ubicados en la nueva costanera de la ciudad de Encarnación

[vc_row][vc_column][vc_column_text]P.Yugovich¹,  G.Melgarejo²

¹ Facultad de Ciencias y Tecnología – Universidad Católica “Nuestra Sra. De la Asunción”, e-mail: yugovich@pla.net.py

² Consultor Asociado,  e-mail:  gusta.melgarejo@gmail.com

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1. INTRODUCCIÓN

1.1  Antecedentes

Teniendo en cuenta la necesidad de evaluar la seguridad estructural de las construcciones del silo y del molino ubicados en la costanera de la Ciudad de Encarnación (ver figura Nº 1) se realizó una visita preliminar con el objeto de evaluar los estudios necesarios.

Figura Nº 1 . Ubicación geográfica de las construcciones

Durante la visita se pudo verificar que las construcciones estaban soterradas parcialmente en el relleno y que el nivel del agua sobrepasaba el nivel de piso original de las construcciones. No se pudo acceder a inspeccionar el interior de las construcciones por falta de condiciones de acceso.          

1.2  Objeto
El objeto del presente estudio es evaluar la seguridad estructural existente en los elementos de soporte y en las fundaciones de las dos construcciones existentes. También se darán las recomendaciones de actuación respecto a los resultados de las evaluaciones.

2. RELEVAMIENTO Y PROSPECCIÓN  DE  LA  ESTRUCTURA

Se realizó el levantamiento de las dimensiones en planta y en alzado de las dos construcciones. Durante la inspección de cada componente estructural de la obra se detectaron manifestaciones patológicas en el silo y en el molino como:

1. a) Humedad ascensional en muros;
2. b) Deterioro de las estructuras de madera;
3. c) Colonia de hongos en las paredes de planta baja;
4. d) Fisuras y manchas en la losa de hormigón armado del molino;
5. e) Deterioro generalizado del revoque;
6. f) Corrosión de las chapas metálicas de cobertura.

3. ESTUDIOS Y ENSAYOS REALIZADOS

Para evaluar la capacidad de carga de los muros portantes se extrajeron cuatro prismas de cada construcción totalizando ocho muestras para ensayos de resistencia a la compresión. La mitad de[/vc_column_text][vc_column_text]………………….[1]

donde   es el promedio de los resultados,  t_s es el coeficiente estadístico para (n-1) grados de libertad siendo “n” el número de muestras ensayadas  y “s” la desviación estándar.   En el cuadro N° 3 se describen los parámetros estadísticos y los valores de la resistencia de diseño f_m.

Cuadro Nº 3.   Resistencia de diseño f_m

4.2   Determinación del contenido de sales solubles

En el  Cuadro Nº 4 se resume la comparación entre los resultados laboratoriales y los límites máximos establecidos por la Norma DIN 105 para ladrillos macizos ligeros con el fin de evitar la aparición de eflorescencias y otros efectos deletéreos.

Cuadro Nº 4 :  Contenido de sales solubles y comparación con los límites máximos

De acuerdo a los resultados obtenidos se verifica un alto contenido de sulfatos en las dos obras.         

4.3  Ensayos en testigos de hormigón  y  esclerometría

La resistencia estimada del hormigón f_c,est , fue calculada con la misma expresión de la ecuación [1]. En el cuadro N° 5 se describen los parámetros estadísticos y los valores de la resistencia estimada para el hormigón.

Cuadro Nº 5.  Resistencia estimada del hormigón

Los ensayos de esclerometría realizados in situ en elementos de hormigón dieron como resultado un índice esclerométrico promedio de 68 que es compatible con los resultados obtenidos en las probetas de hormigón. Los ensayos de  absorción de las muestras de hormigón indican valores por encima de 5,0% ,  que según criterios de evaluación del CEB-192 se trata de un hormigón de alta absorción lo cual puede afectar la durabilidad del elemento.

4.4 Ensayos de resistencia a la tracción en muestras  de  varillas

La muestra corresponde a un componente del encadenado de hormigón armado del molino. En el cuadro Nº6 se describen los parámetros estadísticos y los valores de la resistencia a la tracción estimada de la varilla .

Cuadro Nº 6.   Resistencia a la tracción estimada de la varilla

5. ESTUDIO DE SUELOS

5.1.  Resultados  obtenidos

De acuerdo a los resultados obtenidos en los estudios de suelos, el material de relleno alcanza profundidades entre 2,70 y 4,00 metros desde la superficie en el silo y en el molino respectivamente. El nivel freático se detectó a los 4,20 y 3,70 metros en cada caso respectivo. Con relación al nivel de asiento de las fundaciones se estima que el silo está fundado a 4,00 metros y el molino a 5,30 metros de profundidad respecto a la superficie en el punto de exploración.

5.2.  Capacidad de carga a nivel de fundación

Para la determinación de la capacidad de carga admisible del suelo arenoso con nivel freático por encima del nivel de cimentación se utilizó la expresión [2] de Meyerhof que es :

q_a = 1,1. N_corr . 0,50  ……………….[2]

donde  q_a está en Tn/m²  ,   N_corr = Fc . N_campo ,

Donde  p_i  es la presión inter-granular al nivel de fundación de cada construcción.

Considerando que la densidad de la arena limosa saturada es de 1,8 Tn/m³,  se obtiene para el silo y el molino los valores de la presión inter-granular a la profundidad de asiento de fundación tomando como referencia la superficie del relleno. En el cuadro Nº 7 se resume la capacidad de carga en cada obra determinados a partir de los resultados de ensayos de SPT.

Cuadro Nº 7.   Capacidad de carga de los suelos

6. ANÁLISIS ESTRUCTURAL

Para la verificación de la seguridad estructural existente en la estructura de mampostería  se utilizaron las Normas del BSI (British Standards Institution) la cual está basada en métodos probabilísticos para determinar las cargas admisibles.  El análisis de las tensiones en el muro se realizó mediante programa de análisis por elementos finitos SAP2000.

6.1  Hipótesis de cargas consideradas

6.1.1  Cargas  permanentes

Las cargas permanentes por metro lineal de pared consideradas en la verificación del silo son las siguientes:

1. Peso propio de las paredes y otros componentes :

Volumen de mampostería de ladrillos de un silo: 106,1 m³

Peso/silo = Volumen x Densidad =   106,1 m3 x 1,60 Tn/m³ = ………..169,76 Ton

Carga por metro del silo =  Peso / perímetro = 169,76 / 20m = ………. 8,48 Ton/m

Volumen de mampostería de ladrillos del elevador: 186 m³

Peso/elevador = Volumen x Densidad =   186 m3 x 1,60 Tn/m³ = …..    297,6 Ton

Superficie del techo de chapas del elevador:  31 m²

Peso/techo = 31 x 0,02 tn/m2 =………………………………………….. 0,62 Ton

Superficie de piso : 31 m2

Peso/piso = 31 x 0,60 tn/m2 =………………………………………….. 18,60  Ton

Peso propio total del elevador= 297,6 + 0,62 + 18,60 = …………….… 316,82 Ton

Carga por metro del elev.=  Peso / perímetro = 316,82 / 25,6m   =   12,38 Ton/m

Las cargas permanentes por metro lineal consideradas en la verificación del molino son las siguientes:

1. Peso propio de las paredes:

Volumen de mampostería de ladrillos por metro:

V= h.e. L = 17,0 m x 0,50 x 1,00  =  …………………………………………      8,5 m³/m

Peso/molino = Volumen x Densidad =   8,5 m3/m x 1,60 Tn/m³  =     13,6 Ton/m

1. Peso propio del entrepiso de madera: ……………..…………………  0,04 Ton/m²
2. Peso propio del techo y cabriada: …………………………..……….. 0,12 Ton/m

6.1.2   Cargas  de  servicio y accidentales

En las dos construcciones se consideraron las siguientes cargas:

1. Sobrecargas de uso consideradas según normas EH-91:

Carga de uso en locales de reunión y espectáculos  =…….…………   500 kg/m²

Carga de uso en oficinas públicas  =…….…………………..………   300 kg/m²

1. Sobrecargas de Viento según Normas NBR 6123 de vientos :

Velocidad Básica del Viento Vo: 50 m/seg.

Factor Topografico S1: 1,25

Factor de Rugosidad S2 (categoria I): 1,10

Factor Estadístico S3: 0,95

Velocidad Característica del Viento:

Vk = Vo . S1. S2. S3 = 50 x 1,25 x 1,10 x 0,95 = 65,31 m/seg

Presión dinámica:

q = 0,613 . Vk² =  2615 N/m² =   261,5 kg/m²

Presión efectiva :    p = Ce . q

Los coeficientes aerodinámicos externos y las presiones efectivas consideradas según Normas NBR 6123 de vientos son dados en el cuadro Nº8.

                 Cuadro Nº 8.     Coeficientes y presión efectiva considerados

6.2   Verificación de la seguridad de fundaciones

Para comparar con la capacidad de carga de los suelos se calcularon las tensiones trasmitidas a los cimientos de los muros bajo las consideraciones de carga descriptas anteriormente. Un primer análisis se realizó con las cargas permanentes y las cargas accidentales de viento. En el Anexo se presentan los gráficos de los modelos estructurales preparados para el análisis de las dos construcciones. En esos modelos se consideró la interacción suelo-estructura por medio de apoyo elástico con coeficiente de balasto de 1 kg/cm³.

En el cuadro N°9 se describen los valores más desfavorables obtenidos en cada obra y el coeficiente de seguridad resultante de la relación entre la capacidad de carga del suelo y la carga actuante.

Cuadro Nº 9.     Verificación de las fundaciones

De acuerdo al análisis se puede verificar que ninguna de las fundaciones tiene capacidad de soporte adecuada para las cargas actuantes por lo que se deberán adoptar medidas de refuerzo de las mismas con el objeto de aumentar el coeficiente de seguridad. El proyecto de refuerzo de las fundaciones deberá considerar las sobrecargas de uso a aplicar. Considerando que se adopten las medidas de refuerzo necesarias en las fundaciones se determinará la máxima sobrecarga de uso en función a la capacidad portante de los muros.

6.3   Verificación de la seguridad de muros portantes

La carga admisible por metro lineal de mampostería portante, construida con ladrillos macizos de arcilla cocida,  se determina por la expresión de la norma inglesa BSI 5628:

…………….[3]

donde:  ”b” es un coeficiente relacionado a la excentricidad de la carga.

“b” es el largo de la pared considerada 1,00 m  para el análisis;

“t” es el espesor;

“f_m” es la resistencia de diseño a compresión de prismas de pared calculados en 4.1

“g_m” es el coeficiente de minoración de la resistencia de los materiales que es 3,1 según la norma BSI.

En el molino se consideró para las paredes internas b = 1,00 y b = 0,70 para las externas calculados bajo la consideración de una altura eficaz de 11,70 m teniendo en cuenta que el entrepiso de madera en cada nivel no contribuye en la transmisión de esfuerzos laterales.  En el silo se consideró para todas las paredes b = 1,00 teniendo en cuenta la forma cilíndrica que rigidiza la sección de la estructura frente a cargas horizontales. En el elevador también se consideró b = 1,00 teniendo en cuenta el efecto confinante de los silos posicionados a su alrededor.  Reemplazando los valores de las variables en la ecuación [3] se obtiene la capacidad portante de los muros por metro lineal en cada construcción según el cuadro Nº10.

Cuadro Nº 10.    Capacidad  de los muros

A efectos de determinar la sobrecarga máxima a aplicar en los muros teniendo en cuenta las cargas admisibles se realizó el análisis de las tensiones en los muros por elementos finitos considerando las cargas permanentes y las cargas accidentales de viento. A partir de los valores obtenidos en el primer análisis se aplicaron progresivamente las sobrecargas hasta el límite de la capacidad del muro obteniendo el valor de la máxima sobrecarga. En el cuadro Nº 11 se describen los valores más desfavorables obtenidos en cada obra y el coeficiente de seguridad resultante de la relación entre la capacidad de carga admisible del muro considerado y la carga actuante.

Cuadro Nº11.    Verificación de las paredes portantes

De acuerdo al resultado de la verificación se encuentra que las paredes externas del molino tienen bajo coeficiente de seguridad bajo la acción de las cargas permanentes y accidentales producidas por el viento. La sobrecarga máxima a aplicar en el molino dependerá de las medidas de refuerzo que se apliquen a las paredes externas.  La sobrecarga máxima aplicable en el silo considerando una distribución uniforme a lo largo del muro es la indicada en el cuadro Nº12:

Cuadro Nº12.    Sobrecarga máxima a aplicar en las paredes

7. DIAGNÓSTICO y  RECOMENDACIONES DE ACTUACIÓN
8. a) Teniendo en cuenta la presencia de sulfatos en todas las muestras de mampostería se recomienda tratar todas las superficies exteriores con revestimientos hidrófugos de modo a evitar los ciclos de humedecimiento y secado. Esto se debe a que el sulfato en presencia de humedad reacciona con los aluminatos del cemento que al cristalizarse producen expansiones y un proceso de degradación que lleva a la pérdida de capacidad portante de los muros. La presencia de sales en los muros se comprueba por la existencia de eflorescencias principalmente en el molino.
9. b) Las manifestaciones patológicas de humedad por capilaridad observadas en los muros se recomienda tratar con algún método que controle la absorción capilar, como la electroósmosis. Esa absorción capilar es capaz de degradar los ladrillos por procesos expansivos , como descrito en el párrafo anterior.
10. c) Como se ha comprobado que las fundaciones han consumido prácticamente todos sus coeficientes de seguridad (en ambos edificios) debido a la saturación del suelo en la cota de fundación, se recomienda el refuerzo de la fundaciones, que tendrá sus complicaciones porque no será fácil acceder al interior de los silos con equipamientos adecuados . En caso contrario , el pronóstico es desfavorable para la utilización de los locales, aún dejándolos sin carga, como en las condiciones actuales.
11. d) En el molino, aparte del problema de las fundaciones, está el deterioro de los entrepisos de madera, que de algún modo estaban contribuyendo a la resistencia de los muros ante esfuerzos horizontales  (viento).  El  pronóstico en este caso nos dice que si no se actúa convenientemente, los esfuerzos debidos al viento pueden ser  determinantes para comprometer la seguridad de la estructura. En  los análisis de las tensiones en los muros,  por elementos finitos, se verificaron tensiones elevadas alrededor de las aberturas de planta baja en el molino (concentración de tensiones).  Hay que considerar esa situación cuando se proponga una solución  que considere además los puntos precedentes.
12. CONCLUSIONES

De  acuerdo a los estudios de campo realizados, los ensayos en laboratorio y los análisis estructurales en gabinete, se puede concluir que la estructura, en el estado en que se encuentra, tiene la estabilidad  comprometida,  por esto debe ser reforzada para su uso y deben realizarse los tratamientos de las manifestaciones patológicas indicadas a objeto de conservar las propiedades resistentes de los componentes de la mampostería portante.

En caso de dejar las estructuras como están, sin utilización, tal y como surge de los análisis, los deterioros irán  aumentando y esto determina  e  implica la necesidad de refuerzos, sobre todo en las fundaciones y en el caso del molino, también en las mamposterías exteriores.

La presencia de sales en los componentes de mampostería es determinante para cualquier hipótesis de intervención, considerando que su presencia compromete la durabilidad y la seguridad de las obras analizadas, sobre todo por la presencia de agua permanente debido al recrecimiento del embalse (cota 83).  Como las fundaciones de los predios se encuentran a 5, 3 y 4 m respectivamente, medidos desde la superficie de relleno actual (cota 84,50) , en consecuencia los muros del complejo se hallan sumergidos parcialmente en agua,   lo que obligaría a aplicar medidas para controlar la humedad ascendente por absorción capilar y a realizar protecciones superficiales hidrofugantes en los muros.

9. AGRADECIMIENTOS

• Los autores expresan su agradecimiento a la Entidad Binacional Yacyretá y al Consorcio Costero Paraguayo por haber confiado en nuestro equipo de trabajo. Igualmente agradecemos a los otros integrantes de este equipo: Civil Geotécnico Carlos Bellassai Sisa (Mecánica de Suelos y Fundaciones), Ing. Civil Carlos Villalba (Cálculos Estructurales)  y  el  Ing. Civil Carlos A. Vera  (Relevamientos geométricos y topográficos) .

10. REFERENCIAS

International Conference of Building Officials,  Uniform Building Code (1979),  California .  Masonry,  Cap. 24 .

Montgomery, D. ,  Runger G. (1996),  Probabilidad y Estadística aplicadas a la Ingeniería , Ed. Mc Graw-Hill,  México.

Rincón,  J. Ma. ,  Romero, M. (2001), Prevención y eliminación de eflorescencias en la restauración de ladrillos de construcción,  Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja – CSIC – España, Materiales de Construcción, Vol 5,  nº 261

DIN 105 Teil 1 (1989), Manerziegel VoIlziegelund Hochlochziegel, BenthVerlag GmbH, Berlin

Comite Euro-International du Beton- CEB (1989) ,  Bulletin d’Information,  Paris, nº192 .

Crespo Villalaz, C.  (2004) , Mecánica de suelos y cimentaciones,   Ed. Limusa , 5ta edición, México,  p298 .

Haseltine,  B.A. ,  Moore,  J.F.A (1981) ,  Handbook to BS 5628: Structural use of masonry, Part 1: Unreinforced Masonry,  Brick Development Association,  Winkfield,  Berkshire.

EH 91 (1991),  Instrucción para el proyecto y la ejecución de obras de hormigón en masa o armado,  Madrid .

Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT (1988), Forças devidas ao vento em edificações , NBR 6123,  Rio de Janeiro .

• CURRÍCULUM

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