Un dique rompeolas reforzado con armadura FRP exento de corrosión

En 2016, la comunidad costera estadounidense de Flagler Beach, Florida (FL), fue una de las muchas comunidades gravemente afectadas y golpeadas por el huracán Matthew. Para ayudar a mitigar los efectos de futuras tormentas, se construyó un dique rompeolas de pilotes secantes al este de la carretera estatal A1A en Flagler/Beverly Beach en la sección noreste del condado de Flagler, FL. La longitud de dicho dique rompeolas es de 1.6 km. Para evitar futuros problemas de corrosión y garantizar que el sistema de protección permanezca en servicio durante décadas, se utilizó armadura no corrosiva de polímero reforzado con fibra (FRP) como refuerzo del dique rompeolas de hormigón. La obra se completó en 4.5 meses, y se calculó que el ahorro de tiempo de instalación se redujo en un 32-52% debido a la utilización de barras FRP en vez de armadura de acero.

Autores: Álvaro Ruiz Emparanza, Ph.D. (Mafic USA LLC, Shelby – North Carolina, USA); Christian C. Steputat (University of Miami – Florida, USA); Francisco De Caso, Ph.D. (University of Miami – Florida, USA); Antonio Nanni, Ph.D.(University of Miami – Florida, USA)

Texto: FICEM

1. Introducción

En La carretera estatal A1A es una vía de especial importancia en Florida (Estados Unidos) ya que ha sido designada como ruta de evacuación para eventos de tormentas fuertes como los huracanes. Hasta que se realizó el proyecto de renovación de 2019, el tramo de carretera que queda al este de Flagler Beach estaba protegido de la acción del mar por un muro de tablestacas de acero y un sistema de dunas de arena. Sin embargo, en 2016, tras el paso del huracán Matthew una sección de carretera de casi 1.6 km colapso quedando fuera de servicio. Las causas principales se atribuyeron a la extensa corrosión que sufría el muro de tablestacas de acero y la erosión del sistema de dunas adyacente.

Para asegurar que la carretera restaurada permanezca en servicio en caso de una tormenta futura similar, se construyó un sistema de protección y soporte en el tramo afectado. El proyecto consistió en un dique rompeolas de pilotes secantes de concreto reforzado con armadura de polímero reforzado con fibra (FRP), diseñado para brindar apoyo a la carretera en caso de que las dunas de arena adyacentes se pierdan durante una tormenta importante.

El objetivo de sustituir el acero tradicional por armadura FRP es evitar la corrosión. La armadura FRP no sufre corrosión y su uso permite extender la vida útil de las estructuras de hormigón armado, especialmente en ambientes agresivos como las zonas costeras debido al alto contenido de cloruros provenientes del agua marina. La Figura 1 ilustra el modelo del dique con una duna restablecida que ayuda a preservar el carácter del entorno local.

2. Planteamiento del problema: La corrosión del acero

La corrosión del refuerzo de acero es el principal mecanismo de deterioro en las estructuras de hormigón armado. Es un fenómeno inevitable dada la composición del acero, y se intensifica en zonas costeras debido a la presencia de cloruros provenientes del agua marina, como es el caso del dique de Flagler Beach [1].

La corrosión del acero se puede clasificar como generalizada o localizada. La generalizada ocurre cuando la capa pasivante del acero se destruye, reduciéndose el pH y dejando así el acero desprotegido. La pérdida de dicha capa protectora se da principalmente por la carbonatación, que consiste en la reacción del dióxido de carbono de la atmosfera con las substancias alcalinas de la solución porosa, dándose una reducción de pH (en el caso específico de este dique es insignificativo ya que se encuentra mayormente por debajo del nivel freático).

Por otro lado, esta capa pasivante puede ser también destruida localmente, debido a la acción de un agente agresivo. La causa más frecuente que induce este tipo de corrosión localizada es la presencia de iones despasivantes, tales como los cloruros (provenientes, por ejemplo, del agua marina, como en el caso de este dique rompeolas), que penetran hasta la armadura a través de las fisuras y poros del hormigón, y al superar un determinado valor crítico, rompen localmente la capa pasivante induciendo la corrosión [2].

Las principales soluciones tradicionales con el objetivo de mitigar la corrosión incluyen:

-La utilización de armadura de acero recubierta de epoxi: el mayor riesgo en el uso de esta armadura alternativa recala en el dañado del recubrimiento de epoxi durante el transporte o colocación de dicha armadura, ya que esto daría lugar a la inicialización de la corrosión en la zona dañada, acelerando un deterioro localizado de alto riesgo. Por esta razón, este tipo de armadura se prohíbe en el estado de Florida por el Departamento de Trasporte de Florida (FDOT).

-El uso de armadura de acero inoxidable: además de tener un costo elevado, el acero inoxidable no queda totalmente exento de corrosión, aunque si la retrasa.

-El diseño de un hormigón mejorado, con la utilización de cementos adicionados con cenizas volantes o escorias de horno alto, con un contenido de cemento alto y con una relación agua/cemento baja.

-El uso de aditivos para aumentar la capacidad protectora del hormigón, por ejemplo, reduciendo la porosidad y así retardando el ingreso de agentes corrosivos hasta la altura de la armadura, el cual incrementa el costo del hormigón pudiendo llegar a duplicarlo.

-El incremento del recubrimiento del hormigón.

-El uso de tecnologías de protección catódica, proporcionando un material que se sacrifica como alternativa para ser corrido antes que la armadura de acero.

En resumen, durante más de un siglo, la tecnología y avances del hormigón referentes a la corrosión se han enfocado principalmente en tratar los ‘síntomas’ de la corrosión, no en curar la ‘enfermedad’, principalmente protegiendo el acero. La implementación del FRP como refuerzo en estructuras de hormigón transforma el ‘estatus quo’ para eliminar el problema de la corrosión y todos los efectos secundarios relacionados. Esto abre oportunidades a nuevos métodos de construcción, los cuales no son posibles con los métodos tradicionales.

3. Solución: armadura FRP

La armadura FRP está compuesta por fibras longitudinalmente alineadas en una matriz de resina; la función de las fibras en dichas barras de refuerzo es soportar las cargas y añadir rigidez, mientras que la resina se encarga de proteger las fibras, así como de trasmitir las cargas entre ellas.

El tipo de fibras más frecuentemente utilizado en las barras FRP son las fibras de vidrio y de basalto (también se utiliza la fibra de carbono para aplicaciones de pre/post tensado), y entre las resinas más comunes están la resina de ester de vinilo y la resina de epoxi. Para este proyecto se utilizaron barras FRP compuestas de fibra de vidrio (GFRP) y resina de ester de vinilo [3].

La ventaja principal de esta armadura en comparación con la armadura tradicional de acero es la durabilidad [4]; puesto que no sufren corrosión, la utilización de estas barras como refuerzo interno en hormigón armado incrementa considerablemente la vida útil de las estructuras superando potencialmente los 100 años de servicio. La armadura FRP tiene una capacidad a tracción de entre dos y tres veces superior a la capacidad del acero. además, las barras FRP son ligeras (1/4 del peso de las barras de acero) por lo que facilita su colocación y transporte considerablemente, y proporcionan transparencia a campos magnéticos y eléctricos.

Las barras GFRP utilizadas en este proyecto fueron previamente evaluadas en el Laboratorio de Materiales y Estructuras de la Universidad de Miami (Miami, FL) para asegurar que cumplen los requisitos necesarios definidos en el manual de diseño del Departamento de Florida, FDOT 932-3. La Tabla 1 presenta los resultados de dichas pruebas en comparación con los valores mínimos requeridos por FDOT para este tipo de proyectos.

Tabla 1. Propiedades de las barras GFRP utilizadas en la construcción del dique rompeolas

Descripción del ensayo	Método de ensayo	Resultados de laboratorio	Valor mínimo según FDOT 932-3
Carga a máxima tracción	ASTM D7205	454 kN	>294 kN
Módulo elástico	ASTM D7205	54,855 MPa	mayor o igual a 44,850 MPa
Adherencia	ASTM D7913	12.5 MPa	7.6 MPa
Contenido de fibra	ASTM D2584	84%	mayor o igual a 70%
Absorción de humedad	ASTM D570	0.16%	menor o igual a 0.25%
Área	ASTM D792	526 mm2	> 576 mm2 < 589 mm2
Grado de curado	ASTM E2160	99.3%	mayor o igual a 95%
Temperatura de transición	ASTM D3418	122 °C	mayor o igual a 100 °C

4. Diseño del dique rompeolas

El dique rompeolas de Flagler Beach se diseñó basándose en las diferentes guías de diseño existentes para el uso de armadura FRP en estructuras de hormigón armado:

-Manual de estructuras del Departamento de Transporte de Florida (FDOT) [5].

-Manual de diseño FDOT [6].

-Especificaciones de diseño de puentes con factor de carga y resistencia (LRFD) de la Asociación Estadounidense de Oficiales Estatales de Carreteras y Transporte (AASHTO), octava edición y todos los intermedios posteriores [7].

-Especificaciones estándar del FDOT para la construcción de carreteras y puentes, Divisiones II y III [8].

-Guía de diseño del Instituto Americano de hormigón (ACI): ACI 440.1R-15, “guía para el diseño y construcción de hormigón estructural reforzado con barras de FRP” [9].

El dique rompeolas se diseñó para una carga viva de 10.5 kPa y un peso propio de 2400 kg/m3. Debido a la proximidad del mar, el dique se diseñó para ambientes extremadamente agresivos, teniendo en cuenta niveles de cloruros de 1320 ppm. Esto conllevo a la utilización de un hormigón con una resistividad de 300 Ω・cm. El recubrimiento de hormigón para los pilotes se definió en 75 ms. De acuerdo con las especificaciones del FDOT, sección 346, el concreto que se utilizó en el muro remate y pilotes fue de Clase IV sin humo de sílice, con una resistencia a compresión a los 28 días de 38 MPa. La lechada para los pilotes; sin embargo, debe tener un flujo máximo de 15 segundos y una capacidad a compresión de 28 MPa (FDOT, sección 455). Finalmente, las barras de FRP tenían que cumplir con los requisitos de FDOT, sección 932-3, como se muestra en la Tabla 1.

5. Proceso de construcción

El dique rompeolas se construyó utilizando la técnica de pilotes secantes. En total se instalaron 1847 pilotes en un periodo de 4.5 meses. Antes de comenzar la instalación de los pilotes, se desbrozo y limpio la zona, removiendo la tierra y arena sobrante mediante el uso de excavadoras. Una vez se preparó el terreno, se construyó un muro guía de hormigón no reforzado de baja resistencia (10 MPa a los 28 días) como se puede ver en la Figura 2 con la ayuda de un encofrado reutilizable de acero. Este muro guía sirvió para definir la ubicación exacta de los pilotes y para asegurar la verticalidad de estos.

Pilotes secantes:
El diámetro de los pilotes fue de 910 mm. Durante el proceso de construcción se emplearon dos tipos de pilotes, los primarios y secundarios. La longitud de los primarios fue de 11 m, mientras que los secundarios de 6 m de largo. El refuerzo utilizado para los pilotes primarios fue de 25 barras longitudinales de GFRP de 25 mm de diámetro y una cercha espiral de 16 mm de diámetro, como se puede ver en la Figura 3. Los pilotes secundarios, sin embargo, fueron reforzados por una única barra GFRP de 25 mm de diámetro colocada en el centro de la sección. Para que el sistema trabajara en conjunto, los dos tipos de pilotes se colocaron de manera secante con una intersección de 102 mm.

Instalación de los pilotes:
Con el muro guía construido, se instalaron los pilotes siguiendo una secuencia cíclica de tres días esquematizada en la Figura 4. El día 1 y 2 de cada ciclo, se perforaron y hormigonaron los pilotes secundarios (reforzados con una barra GFRP de 25 mm de diámetro en el centro). El día 3 se perforaron y hormigonaron los pilotes principales (reforzados con 25 barras GFRP de 25 mm de diámetro y un refuerzo espiral de 16 mm de diámetro). La instalación de los pilotes principales se hizo perforando parte de los pilotes secundarios. Esta técnica permitio que todos los pilotes trabajaran conjuntamente, creando una pared homogénea.

Construcción del muro remate y dunas adyacentes:
Tras la finalización de la instalación de los pilotes secantes, se demolió y retiro el muro guía. Posteriormente con la ayuda de un encofrado de madera, se hormigono el muro de remate de 1.2 m de ancho y 457 mm de alto a lo largo de la longitud total del dique rompeolas (1.6 km), también reforzado con armadura GFRP como se puede ver en la Figura 6. Una vez el hormigón se endureció, se retiró el encofrado y se construyeron las dunas de arena sobre el dique para integrar la construcción en el paisaje de la zona.

6. Rendimiento y ventajas Constructivas

La instalación de la armadura de los pilotes primarios fue más sencilla de lo normal debido al uso de barras FRP como refuerzo, ya que estas tienen un peso cuatro veces menor que las de acero tradicional. Para la construcción del dique rompeolas, se instalaron un total de 1847 pilotes en 4.5 meses, lo que equivale a un total de 384,100 m de barras de FRP. Los pilotes se instalaron de manera eficiente utilizando métodos de construcción acelerados, lo que permitio que el proyecto avanzara sin problemas con un ahorro sustancial de tiempo debido al uso de estos materiales innovadores ligeros y de alta resistencia, y con un impacto mínimo al medio ambiente como beneficio adicional.

La construcción de este malecón fue monitoreada para evaluar la eficiencia constructiva. En total se evaluo la construcción e instalación de las jaulas de armadura de 500 pilotes como referencia y se comparó con los tiempos estándares de instalación utilizando armadura tradicional de acero. Debido al bajo peso de las barras FRP, se estimó que el uso de este material resulta en un ahorro de tiempo de montaje de aproximadamente 32% a 52%. Se vio que la eficiencia variaba a lo largo de la semana: por lo general, a principios de semana cuando los trabajadores estaban descansados el ahorro de tiempo fue de 32% de media, mientras que a final de semana (con el aumento del cansancio – más intensificado en el caso del uso de armadura de acero ya que es cuatro veces más pesada) el ahorro de tiempo se elevaba a 52%. Esto se tradujo en una reducción significativa de los costes totales, así como la concesión de una bonificación a final del proyecto por los recortes de tiempo de la compleción de obra.

Conclusiones

El dique rompeolas de la carretera A1A de Flagler Bearch (FL) se construyó mediante la técnica de pilotes secantes reforzados con armadura FRP. Las barras FRP son livianas (1/4 del peso del acero), tienen alta capacidad a tracción (2-3 veces la del acero) y no sufren corrosión. En total se instalaron 1847 pilotes, los cuales se remataron mediante un muro continuo de remate a lo largo de un tramo de 1.6 km de largo. Para reforzar dichos pilotes, se utilizaron 384,100 m de refuerzo FRP.

La instalación de la armadura fue mucho más sencilla de lo normal: se calculó un ahorro de tiempo en la instalación de las jaulas de FRP del 32-52% en comparación con el uso de la armadura convencional de acero. además, debido a que las barras de FRP no sufren corrosión, se estima que la vida útil del dique rompeolas se alargue y que los costes de mantenimiento y reparación mientras este en servicio sean mínimos.

Referencias

[1] Nolan, S., Rossini, M., & Nanni, A. (2018). Seawalls, SEACON and Sustainability in the Sunshine State. Transportation Research Board 97th Annual Meeting. Washington, DC., 123–129. https://doi.org/10.1039/b908937c

[2] D’Antino, T., Pisani, M. A., & Poggi, C. (2018). Effect of the Environment on the Performance of GFRP Reinforcing Bars. Composites Part B: Engineering, 141(December 2017), 123–136. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2017.12.037

[3] Ruiz Emparanza, A., Kampmann, R., & De Caso Y Basalo, F. (2017). State-of-the-Practice of Global Manufacturing of FRP Rebar and Specifications. ACI Fall Convention. Anaheim, California.

[4] Morales, C. N., Claure, G., Emparanza, A. R., & Nanni, A. (2021). Durability of GFRP reinforcing bars in seawater concrete. Construction and Building Materials, 270, 121492.

[5] Florida Department of Transportation (2018). FDOT Structures Manual. Tallahassee, FL.

[6] Florida Department of Transportation (2018). FDOT Design Manual. Tallahassee, FL. https://www.fdot.gov/roadway/fdm/2018fdm.shtm.

[7] American Association of State Highway and Transportation Officials (2017). AASHTO LRFD Bridge Design Specification, 8th Edition. Washington, DC. 438 pp.

[8] Florida Department of Transportation (2018). FDOT Standard Specifications for Road and Bridge Construction. Tallahassee, FL. 1213 pp.

[9] American Concrete Institute, Committee 440 (2015). Guide for the Design and Construction of Structural Concrete Reinforced with Fiber-Reinforced Polymer (FRP) Bars (ACI 440.1R-15). Farmington Hills, MI. 83 pp.

Fuente: hormigonaldia.ich.cl