rehabilitacion estructural refineria managua nicaragua
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REHABILITACION ESTRUCTURAL DE ELEMENTOS
ESTRUCTURALES DE PLANTA REFINERIA DE PETROLEO,
PUMA ENERGY NICARAGUA EN LA CIUDAD DE MANAGUA
J.E. Vanegas Salmeron1
RESUMEN
La empresa Refinería PUMA ENERGY, se encuentra ubicada en la ciudad de
Managua al inicio de la denominada cuesta el plomo. La Refinería PUMA ENERGY, es
una empresa dedicada al procesamiento del petróleo y fabricación de los diferentes
combustibles y derivados de estos para diferentes usos industriales en todo el territorio
nacional. Fue construida hace 55 años aproximadamente y hasta la fecha de realización
de este estudio no se le ha practicado ningún tipo de estudio.
Este estudio tiene por objeto la evaluación y rehabilitación estructural de los elementos
que conforman los marcos estructurales de la planta de proceso construida hace más de
5 décadas; El sistema estructural utilizado en la planta, es una estructura a base de
marcos estructurales de concreto reforzado los cuales soportan el peso de todo el
sistema de tuberías de conducción y proceso de refinamiento del petróleo. Estos
elementos se evaluaran aplicando métodos destructivos y no destructivos, con el fin de
verificar su estado de resistencia actual y a la vez su seguridad estructural.
ABSTRACT
PUMA ENERGY Refinery Company, is located in the city of Managua at the
beginning of the so-called hard lead. Refinery PUMA ENERGY is a company dedicated
to petroleum processing and manufacture of various fuels and their derivatives for
different industrial uses throughout the national territory. It was built about 55 years ago
and until the date of completion of this study has not undergone any type of study.
This study aims at the assessment and rehabilitation of structural elements that form the
structural framework of process plant built more than 5 decades ago; the structural
system used in the plant, is a structure based on reinforced concrete structural frames
which support the weight of the entire system of pipelines and oil refining process.
These elements are evaluated using destructive and non-destructive methods, in order to
verify your current strength while its structural safety.
1 Ingeniero Civil, Docente Adjunto en la carrera de Ingeniería Civil de la Facultad de Ciencia y
Tecnología y Ambiente, de la Universidad Centroamericana UCA-Nicaragua, Consultor Estructural,
miembro de ALCONPAT, Investigador permanente y delegado de ALCONPAT INTERNACIONAL
Nicaragua.
Palabras Clave: Recuperación, Rehabilitación, Daño, Resistencia, Seguridad.
Rehabilitacion estructural REFINERIA PUMA ENERGY-Managua, Nicaragua / Ing. Jimmy Vanegas S.
INTRODUCCION
El proyecto consiste principalmente en determinar y corroborar el nivel de danos
estructurales que tienen los elementos estructurales que componen dicho sistema. La
evaluación del estado estructural de la edificación existente se hará con la realización
pruebas destructivas y no destructivas, además de la inspección visual o apreciación de
danos que nos indicara el número de pruebas a realizar. Estas pruebas serán practicadas
en los elementos resistentes como lo son las columnas y vigas.
Las pruebas no destructivas, consisten en la aplicación del MARTILLO SUIZO O
ESCLERÓMETRO, mediante el cual se medirán las aproximaciones de la resistencia y
consistencia del concreto y así identificar los elementos con reducción de su capacidad
soporte, esto se hace por medio de la medición de la energía de rebote elástico del
concreto.
Las pruebas destructivas (extracción de núcleos o extracción de testigos), consisten en
la extracción de núcleos de los elementos estructurales principales (columnas), de una
dimensión de testigos de 2 pulgadas de diámetro y 4 pulgadas de largo. Estos se harán
en los elementos donde se realizó la prueba del esclerómetro (columnas), con el fin de
verificar los resultados obtenidos de poder compararlos con la resistencia de elementos
que aparentemente están en buenas condiciones estructurales. Esta medida de la
resistencia de los testigos se hará por medio de la prueba de resistencia a la compresión.
Los puntos donde se realizara la perforación y extracción de los núcleos, se ubicaran
con el Profoscopeo (pachometro), esto con el fin de evitar la perforación o extracción de
varillas en los núcleos extraídos, y a la vez, conocer la profundidad o recubrimiento de
concreto del acero de refuerzo existente.
A los testigos extraídos de las columnas, se le practicara la Prueba de Carbonatación a
través de la aplicación de reactivo denominado Fenolftaleína, la que nos indicara la
variación del PH del concreto, indicando pérdida de capacidad de resistencia a la
penetración de cloruros u otro agente contaminante externo.
Otro de los parámetros importantes y a realizar en este estudio, será la verificación del
estado de las fisuras, grietas y fracturas, encontradas en los elementos estructurales.
Para la medición y evaluación de estos daños se usara un grietometro, logrando así,
obtener la profundidad y espesor de la misma.
ESTRATEGIA METODOLOGICA
OBJETIVO ACCIONES VARIABLES INTRUMENTACION
Analizar y diagnosticar
el estado de resistencia
actual de las columnas
Realización de
pruebas No
Destructivas
Posición de punto
de prueba.
Selección del
elemento.
Caras visibles del
elemento.
Inspección Visual,
Martillo Suizo o
Esclerómetro y
Grietometro.
Realización de
pruebas
Destructivas.
Posición de punto
de prueba.
Selección del
elemento.
Caras visibles del
Inspección Visual,
Taladro de extracción
de núcleos de 2” de
diámetro, Pachometro o
Profoscopeo y
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y vigas de los marcos
estructurales
elemento. Grietometro.
Pruebas de
laboratorio (Ensayes
de Resistencia a
compresión, Ensaye
de carbonatación de
muestras extraídas)
Resistencia real.
Resistencia teórica.
Profundidad de
carbonatación.
Tipo de elemento
Máquina de ensayos
Universal,
Fenolftaleína, pie de rey
(vernier), software de
procesamiento de datos.
Comparar las respuesta
sísmica del suelo con el
de la estructura para
evitar daños futuros
Verificación de la
respuesta dinámica
del suelo en el sitio
de emplazamiento.
Frecuencia y Periodo
natural de vibración del
suelo.
SHAKE 2000
Respuesta dinámica
de la estructura bajo
la excitación sísmica
del terremoto de
Managua de 1972.
Frecuencia y Periodo
natural de vibración del
suelo y de la estructura.
Análisis modal
espectral, utilizando la
herramienta SAP 2000
Evaluar el mejor
sistema de
rehabilitación
estructural de los
elementos, sin impedir
el funcionamiento de la
planta
Verificar si el acero
de refuerzo existente
es suficiente para
este tipo de fuerzas.
Acero de refuerzo
existente es adecuado.
ACI-318-11
(Revisión de criterios
de Flexión, Corte y
Deflexiones)
Proporcionar el
acero, soporte y
reforzamiento
necesario de la
estructura, que
garantice la debida
resistencia y
protección ante la
exposición de
agentes altamente
agresivos
Acero de refuerzo extra,
protección adecuada,
aislamiento químico y
resistencia.
Sap 2000
AutoCAD
RNC-07
APLICACIÓN DE LA METODOLOGIA
Inspección Visual
La estructura es a base de marcos estructurales de concreto reforzado sobre los
cuales descansan los soportes de las tuberías, tuberías, elementos de soportes de
tuberías, tanque de almacenamiento de químicos de proceso, maquinaria en general y
dispositivos o sistemas de enfriamiento general (fanes).
Imagen 1. Elementos de soporte principal de cargas
Marcos de concreto
reforzado, donde
descansan todos los
soportes para tuberías y las
tuberías. Se inspecciono
cada uno de los marcos
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Imagen 2. Delaminación de recubrimiento de concreto en columnas (desprendimiento de protección de acero de refuerzo).
En la imagen No. 2, se observa lo que es la explosión del concreto en la base de las
columnas, al igual que la exposición de acero de refuerzo y falta de protección en las
bases, ya que se detectó la presencia de daños por humedad en la base de la mayoría de
las columnas. La humedad se visualiza en forma de manchas en las cuatro caras de la
columna. El proceso de desprendimiento del recubrimiento del acero de refuerzo, es
visible por muchos lados yu en diferentes puntos críticos en la estructura, por lo que
este se volvió el parámetro principal a evaluar en dichos elementos estructurales.
Imagen 3. Delaminación en uniones de vigas y columnas, exposición de acero de refuerzo en nodos de marcos estructurales, segundo nivel.
Una de las afectaciones principales encontradas en estos elementos, son las mostradas
en la imagen 4 y 5. S aprecia la falta de acero de refuerzo transversal (estribos) y
longitudinal, la separación entre los estribos es más de lo que permite el reglamento
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ACI 318-11, evidenciándose el daño palpable en estos elementos y deduciendo en parte
el proceso de delaminaciones y desprendimiento del recubrimiento de concreto, lo que
en un corto plazo, incurriría en un colapso parcial de dicho elemento
Imagen 4 y 5. Exposición del acero de refuerzo y colapso parcial de viga de concreto reforzado
en el segundo nivel
De igual manera se aprecia lo que es la delaminacion y pérdida del recubrimiento en la
sección de concreto, exposición del acero de refuerzo y reducción en la sección del
acero longitudinal, también es notoria la falta de refuerzo transversal. Uno de los
factores que más han desfavorecido y perjudicado a los elementos estructurales es que
se les han anexado un sinnúmero de elementos de acero estructural (bardas, pasarelas,
maquinarias y soportes de tuberías) perforando los elementos de concreto e incrustando
pernos de anclaje o varillas de refuerzo y otros en que simplemente se ha descubierto el
acero de refuerzo de las vigas y columnas y se ha soldado sobre ello.
Los danos antes mencionados son visibles en la imagen 6. Una parte de los danos en
estos elementos es producto de las vibraciones inducidas por el accionar de los equipos
y maquinarias y otros por la ocurrencia de fenómenos sísmicos en la ciudad.
Imagen 6. Exposición del acero de refuerzo y pérdida de recubrimiento debido a trabajos mal realizados.
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Levantamiento de Datos
Martillo suizo (ESCLEROMETRO):
El equipo está constituido por una masa móvil que tiene una cierta energía cinética
inicial, que golpea la superficie de una masa de hormigón. Después del golpe hay una
redistribución de la energía cinética inicial. Una parte de dicha energía es absorbida por
el hormigón en forma de energía de deformación plástica o permanente, y otra parte de
la energía vuelve a la masa móvil que rebota una distancia proporcional a la energía que
queda.
Imagen 7. Realización de pruebas no destructivas con el esclerómetro.
Detector de armaduras (PACHOMETRO): El pachometro o detector de barras de refuerzo es la herramienta más utilizada para la
realización de este tipo de trabajos en elementos de hormigón (concreto reforzado). El
detector de armaduras “Profoscope”, sin cables y con sonda integrada permite que el
usuario localice las barras de acero bajo la superficie del hormigón a una profundidad
máxima de 180mm y determina su diámetro y recubrimiento con visualización en
tiempo real de los datos.
Esta prueba utiliza tecnología de inducción de impulsos electromagnéticos para detectar
las barras de refuerzo. Este aparato (PROFOSCOPE), utiliza distintas combinaciones de
bobinas para generar varios campos magnéticos, lo que le permite: calcular una barra de
refuerzo, localizar los puntos medios entre las barras de refuerzo, determinar el
recubrimiento y calcular el diámetro de la barra.
En la imagen No 13, se aprecia la manipulación del pachometro en el proceso de
detección de las barras de refuerzo en el elemento estructural (columna). El pachometro
al detectar el refuerzo emite una luz y una alarma indicando la posición del acero de
refuerzo, esto se repite desplazando el pachometro verticalmente para detectar el
refuerzo transversal y horizontalmente para detectar el refuerzo longitudinal. Al
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momento de realizar la detección del refuerzo se tiene en cuenta que no haya ningún
tipo de señal o cables de energía que interfiera con la lectura y señal del aparato
Imagen 8. Ubicación de acero de refuerzo y medición del recubrimiento del concreto.
Indicador de PH (Fenolftaleína): La Fenolftaleína es un compuesto químico inorgánico que se obtiene por reacción del
fenol (C6H5OH) y el anhídrido ftálico (C8H4O3), en presencia de ácido sulfúrico.
Imagen 9. Fenolftaleína, indicador de carbonatación del concreto.
La Fenolftaleína se utiliza para realizar muchas pruebas y análisis, ya que su propiedad
primaria es la de cambiar de color en función del PH del elemento. En el concreto que
no contiene acero de refuerzo, la carbonatación generalmente es un proceso de pocas
consecuencias, sin embargo, en el concreto reforzado, este proceso químico
aparentemente inofensivo, avanza lenta y progresivamente desde la superficie expuesta
del concreto, encontrando dentro de la masa de concreto al acero de refuerzo generando
una posible corrosión del acero.
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Cuando aplicamos la fenolftaleína a un testigo de concreto recién extraído o a una
superficie recién expuesta, podremos determinar fácilmente que porción del concreto no
está carbonatada, ya que esta porción se teñirá de un color rosa-fucsia intenso, no así la
parte carbonatada, que generalmente presenta el aspecto de concreto humedecido
solamente. Cabe indicar que el caso extraordinario de que el concreto haya estado
expuesto a algún ácido o que debido a fenómenos externos haya disminuido mucho su
PH, el concreto se teñirá de naranja.
Como bien se observa, ninguna de las muestras tomo totalmente el color morado,
tomaron una apariencia de superficie húmeda, lo que indica que presentan un grado de
carbonatación elevado, demostrando que el concreto no se encuentra en óptimas
condiciones y de esta manera está contribuyendo a la oxidación del acero de refuerzo y
a la aparición de fisuras y grietas en el concreto.
Imagen 10. Cambio de coloración del concreto (aplicación de la fenolftaleína). En la imagen se observa el color o tonalidad que tomaron estas muestras al ser aplicado
el indicador Fenolftaleína, siendo estas las únicas muestras que tomaron un color
morado, indicando que el PH de estas muestras es el adecuado, no así, el resto de las 10
muestras evaluadas, donde no se mostró la reacción del indicador con el concreto,
indicando un alto grado de carbonatación del concreto en estos elementos.
Extractora de núcleo (prueba de corazón):
La máquina o taladro extractor de núcleo es la herramienta utilizada para determinar de
manera precisa mediante pruebas de laboratorio la resistencia a compresión que tiene
determinado elemento de concreto en su estado actual de servicio.
El proceso de extracción de los núcleos, en los puntos señalados con el pachometro y
previamente seleccionados producto de la inspección visual de los danos y en los puntos
aparentemente sanos de estos elementos, los que fueron clasificados como críticos
debido al estado en que se encuentran los elementos que transmiten cargas hacia dicho
punto.
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Imagen 11. Perforación en el punto señalado del elemento de concreto.
Maquina Universal para ensayos de compresión: El ensayo consiste en determinar la máxima resistencia a la compresión de un cilindro
de muestra extraído de un concreto frente a una carga aplicada axialmente. La
resistencia a la compresión es la principal característica mecánica del concreto, dada la
importancia que tiene esta estructura, en comparación con una estructura convencional
de concreto reforzado.
Los cilindros se deben centrar en la máquina de ensayo de compresión y cargados hasta
completar la ruptura. El régimen de carga con maquina hidráulica se debe mantener en
un rango de 0.15 a 0.35MPa/s durante la última mitad de la fase de carga, se debe anotar
el tipo de ruptura. La fractura cónica es un patrón común de ruptura. La resistencia del
concreto se calcula dividiendo la máxima carga soportada por la probeta para producir
la fractura entre el área promedio de la sección.
Imagen 12. Realización de la ensaye a compresión a los núcleos extraídos.
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PRONOSTICO
Grietas y Fisuras
Luego de analizar la información recabada en campo y estudiada, se pudieron
clasificar estos daños como fisuras superficiales, evidenciando el daño en los elementos
y de una de ellas clasificada como grieta, para lo que corresponde una clasificación
general como Daños leves y una fractura.
Imagen 13. Gráfico de Daños evaluados en unión critica de viga y columna.
Además es evidente el desprendimiento de recubrimiento del concreto y la exposición
del acero de refuerzo que no cuenta con el anclaje adecuado ya que no hay evidencia de
estar unido adecuadamente (anclaje de aceros en nodo, no cumple con lo especificado
en el ACI 318-11).
Pruebas No Destructivas
La resistencia obtenida en los elementos de concreto en las la estructura existente son
variados, es decir que algunos cumplen con la resistencia que teóricamente deberían de
cumplir, pero otros elementos evaluados ni siquiera se acercan al valor. Con el gráfico
número uno se podrá observar la diferencia de los valores obtenidos tras obtener dichos
resultados:
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Grafico 1. Resultados de valores de resistencia con el esclerómetro.
En el gráfico 1 se puede observar la resistencia a la compresión estimada a través del
resultado con el uso del esclerómetro tanto en columnas como en vigas, relacionado con
la resistencia máxima, está muy por debajo del valor que dicen las especificaciones de
estos elementos y basado según su importancia, estos valores obtenidos no son los
idóneos, son valores inferiores para aquellas estructuras que soportan grandes cargas
bajo las cuales fueron diseñadas y requieren de una intervención inmediata para evitar
daños mayores.
Pruebas Destructivas
Al igual que los resultados anteriores, los que se obtuvieron de las pruebas de
compresión que se le practicaron a los núcleos de concreto, también son muy bajas,
obteniendo valores entre los 4,023 Psi como el valor máximo y de 1542 Psi como el
valor más bajo.
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Imagen 14. Gráfico de Daños evaluados en unión critica de viga y columna.
Estos valores se aprecian en la hoja de resultados que elaboro el laboratorio que fue
contratado para realizar estas pruebas.
RECOMENDACIONES DE ACTUACION
Como recomendaciones generales para este proyecto, se tiene lo siguiente:
Intervenir la estructura de forma inmediata.
Realizar el proceso de encamisado a los elementos constituyentes de los marcos
estructurales, con el fin de garantizar la estabilidad estructural y resistencia
requerida. Este proceso de encamisado se hará retirando el recubrimiento
existente, cepillando el acero de refuerzo existente, limpiar y secar la superficie
antes de aplicar un aditivo inhibidor de corrosión, y de la aplicación de Sika 31
Hi Mod-Gel, para garantizar la adherencia entre los concretos nuevos y viejos.
Colocar una capa de concreto de alto desempeño hasta completar una distancia
de 10cm medida desde el acero de refuerzo existente hasta el exterior o cara de
la sección. Este procedimiento es válido en vigas y columnas.
Los nodos que forman las uniones de las vigas y columnas serán rigidizados,
con el fin de distribuir mejor las fuerzas actuantes hacia todos los demás
elementos que forman parte del marco estructural. Esta reagudización se hará
haciendo chaflanes de 40cm de largo, a partir del vértice, de la unión y en todas
las caras de los elementos estructurales.
A las vigas y columnas se les colocara acero adicional, con el fin de aumentar su
resistencia a la compresión, resistencia a flexión y a corte directo inducido por
las cargas dinámicas, muertas y de reparación que soporta.
OBSERVACONES
Actualmente ya se está procediendo a contratar una empresa para la realización de esta
intervención, ya de la ocurrencia de u fenómeno sísmico de similares características al
del terremoto de 1972 en la Ciudad de Managua, la estructura se vería seriamente
afectada por un colapso parcial o total, produciéndose un catástrofe de grandes
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magnitudes y un caos en la obtención de los combustibles bases para mover la
economía del país.
CONCLUSIONES
Como conclusión de este informe, basado en las pruebas y ensayos realizados como lo son la
inspección visual, prueba del martillo suizo, extracción de núcleo, pruebas de compresión y
prueba de fenolftaleína, se deduce que la estructura analizada se encuentra CON SERIOS
DANOS ESTRUCTURALES, POR LO QUE TENDRA QUE SER INTERVENIDA DE
INMEDIATO, ya que una exposición a eventos sísmicos de considerable magnitud, induciría a
la misma a un colapso inmediato.
De todos los puntos ensayados se obtuvieron valores de resistencia bajos para el caso de
columnas desde los 2,350 PSI y en vigas desde los 2,200 PSI, valores por debajo del mínimo
establecido en el RNC-07 (210 kg/m2 o su equivalente de 3,000 PSI).
La estructura analizada se encuentra en avanzado estado de carbonatación, lo que está
provocando la corrosión del acero de refuerzo en estos elementos, al despasivar la capa
protectora (galvánica) de dicho elemento.
AGRADECIMIENTOS
El autor agradece profundamente la confianza depositada en su persona por la
empresa PUMA ENERGY NICARAGUA, y en especial al Ing. Mario Sánchez y
equipo de trabajo, y en especial a los Ingenieros recién graduados, Ing. Bryan Torres y
Guillermo Gallo, quienes le dedicaron alma y cuerpo a este proyecto para que cumpliese
con las expectativas planteadas por la empresa contratante.