Hormigon Preesforzado

Introducción

Conceptos básicos y generales

1Ing. Marlon Mosquera M.

e-mail:[email protected]

Qué es pre-esforzado?

• Es la aplicación de un esfuerzo inicial/finalsobre un elemento estructural, que le permitecontrarrestar los esfuerzos derivados de lascargas posteriores (muertas, vivas y sísmicas)durante su período de servicio.



Ejs de Pre-esforzado aplicados antes del desarrollo de Ho. Pre-esforzado.

• El concepto de pre-esfrozado existe desde mucho antes de la aplicación en el Hormigón. Dos de esos ejemplos se muestran a continuación:

1) La Fuerza de ajuste de las bandas metálicas (zunchos) sobre barriles de madera. Estas introducen un estado inicial de compresión circular, y le permite contrarrestar el círculo de tensión causado por el llenado del fluido.



Ejs de Preesforzado aplicados antes del desarrollo de Ho. Preesforzado.

Fíg. 1 Fuerza de ajuste (compresión) proporcionada

por las bandas metálicas antes del llenado.

Fíg. 2 Fuerzas de empuje (tensión) debido a la presión

hidrostática del fluido (después del llenado).




2) La pretensión(pt) sobre los radios/rayos en una rueda de bicicleta. La pt existirá como un residual de tensión en los radios/rayos aún con la carga aplicada. Esto se demuestra con las siguientes figuras (3,4 y 5).




Fíg. 3 Fuerza de ajuste (tensión) proporcionada por los

radios/rayos.Fíg. 4 Fuerza de reacción (compresión) proporcionada

por la superficie, ante la carga aplicada.




Fíg. 5 Se observa residual de tensión en los radios/rayos aún con la carga aplicada (simulado en Ansys).



Generalidades• La resistencia(r) a la tracción del hormigón es solamente el 8 -

14% de la r a la compresión.

• Las fisuras se desarrollan en las primeras etapas de carga en elementos sometidos a flexión (vigas, losas).

• Para prevenir tales fisuras, fuerzas de compresión se pueden aplicar adecuadamente en la dirección longitudinal, ya sea concéntricamente o excéntricamente (pre-esforzado lineal).

• El pretensado mejora la capacidad de flexión, incrementa r al cortante y las capacidades de torsión de los elementos sometidos a flexión.

• En el tanque cilíndrico, el anillo de esfuerzos de tensión puede ser efectivamente contrarrestado por el pretensado circular .



Primeros intentos del Pre-esforzado

• Los primeros intentos de pre-esforzado no obtuvieron resultados completamente satisfactorios. Debido a que con estudios se observó que el efecto del pre-esforzado se reducía con el tiempo.

• Las siguientes figuras demuestran y explican la reducción del preesforzado.



Primeros intentos del Preesforzado

Fíg. 6 Varilla de acero/hierro dulce localizada y tensionada antes del

hormigonado.

Fíg. 7 Liberación de la fuerza de tensión (gatos hidráulicos) y

corte de las varillas después del hormigonado-fraguado.



Primeros intentos del Preesforzado

• Después del endurecimiento del concreto, se libera la tensión aplicada sobre las varillas.

• Las varillas intentan recuperar su longitud original, pero es impedido por el hormigón circundante al que esta adherido el acero.

Así, el hormigón ahora se encuentra efectivamente en un estado de pre-esfuerzo (capaz de contrarrestar los esfuerzos de tensión ocasionados por cargas vivas y muertas).




Fíg. 8 Una viga pre-esforzada bajo una carga

externa.

La capacidad de resistencia de la viga ante una carga

externa fue limitada. Bajo cargas sostenidas las vigas

estudiadas fueron encontradas con fallas.




El Hormigón se contrae con el tiempo.

• Bajo cargas sostenidas sufre deformación. La reducción de longitud debido a la deformación y contracción es también aplicable al acero/hierro embebido, resultando en perdidas significantes en el esfuerzo de tensión.

• El esfuerzo residual, y por lo tanto el pre-esforzado residual que se encontró fue solamente alrededor del 10% del valor inicial.



Estados de la viga ante lassolicitaciones

Longitud original de varilla de hierro (L1)

Longitud original de viga de concreto (L2)

Figura 9. Viga antes de la aplicación del pre-esfuerzo.



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Viga de concreto con longitud reducida (L3)

Figura 10. Viga con transferencia de compresión

(pre-esfuerzo).



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Longitud final de viga pre-esforzada (L4)

Figura 11. Viga después de las pérdidas de pre-esfuerzo a lo

largo del tiempo.



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Formula de la tensión residual del acero

• Tensión residual en el acero= esfuerzo de tensión original en el acero – esfuerzo de compresión correspondiente a perdidas de corto y largo plazo.

• Esfuerzo de tensión original en el acero= (L2-L1)/L1

• Esfuerzo de compresión debido al acortamiento elástico de la viga

(perdidas en el pre-esforzado a corto plazo)= (L2-L3)/L1



Formula de la tensión residual del acero

• Esfuerzo de compresión debido a la fluencia y contracción

(perdidas en el pre-esforzado a largo plazo)= (L3-L4)/L1

De donde resulta:

• Esfuerzo(tensión) residual sobre el acero

=(L4-L1)/L1



Calculo de máx. Esfuerzo de tensión

• Máximo esfuerzo de tensión original en hierro dulce = Esfuerzo admisible/modulo elástico

=140 MPa / 2x105 MPa= 0.0007

El esfuerzo total debido al acortamiento elástico, deformación (fluencia) y compresión fue de 0.0007. Así la deformación residual del acero al carbono fue despreciable.



Soluciones para incrementar esfuerzoresidual

¿Cuál fue la solución para incrementar el esfuerzo residual y el pre-esfuerzo efectivo?

• Utilizar acero de alta r con mucho mayor tensión inicial. Esto conduce a la exigencia de alta fuerza de pretensado.

• Usar hormigón de alta r, para soportar lasgrandes solicitaciones del pre-esforzado.



Breve Reseña;

• Antes del desarrollo del hormigón pre-esforzado, dos desarrollos significantes del concreto reforzado fueron el invento del cemento Portland y la introducción del aceroen el hormigón.

• 1824 Aspdin, J., (England)

Obtuvo una patente paramanufacturar el cemento Portland.



Breve Reseña;

• 1857 Monier, J., (France)

Introdujo esfuerzos en el concretopara hacer macetas, tuberías, arcos y losas.



Breve Reseña;

• Los siguientes eventos fueron significativos en el desarrollo del hormigón pre-esforzado.

• 1886 Jackson, P. H., (USA)

Introdujó el concepto de apretar lasvarillas de acero en piedras artificiales y en arcos de concreto.



Breve Reseña;

• 1886 Jackson, P. H. (USA)

Introdujó el concepto de apretar lasvarillas de acero en piedras artificiales y en arcos de concreto.

Figura 12. Varillas de acero para tensión en arcos.



Breve Reseña;

• 1888 Doehring, C. E. W., (Germany)

Manufacturó losas de concreto y

pequeñas vigas con acerostensionados embebidos en

el hormigón.



Breve Reseña;

• 1908 Stainer, C. R., (USA) Identificóperdidas debido a la contracción y fluencia. Recomendó volver a apretar las varillas para recuperar las perdidas del preesforzado.

• 1923 Emperger, F., (Austria)Desarrolló un metodo de bobinado y preesfrozado de alambres de acero de altaresistencia alrededor de tuberías de concreto.



Breve Reseña;

• 1924 Hewett, W. H., (USA)

Usó aro-preesforzado de refuerzohorizontal alrededor de paredes de concreto en tanques a traves del usode tensores.

Cientos de tanques para almacenamiento de liquidos y tuberías de concreto fueronconstruidos en las dos decadas siguientes.



Breve Reseña;

• 1925 Dill, R. H., (USA)

Usó gran pre-esfuerzo sin unir varillasde acero. Las varillas fuerontensionadas y ancladas despues del endurecimiento del concreto.



Breve Reseña;

• 1926 Eugene Freyssinet., (France)Usó cables de acero de alta r, con resistencia máxima de hasta 1725 Mpa. y con tensión de fluencia de más de 1240 MPa.

En 1939, el desarrolló las cuñas cónicas para el final del anclaje para post-tensado. Además desarrolló gatos de doble acción.

Él es a menudo referido como el padre del hormigón pre-esforzado.



Breve Reseña;

• 1938 Hoyer, E., (Germany)

Desarrolló el “método de pre-tensores de línea larga”.

• 1940 Magnel, G., (Belgium)

Desarrolló un sistema de anclaje parapost-tensado usando cuñas planas.



Breve Reseña;

Durante la Segunda Guerra Mundial, las aplicaciones de pre-esforzado y concreto prefabricado se incrementórapidamente. Los nombres de unas pocas personas inmersas en el desarrollo del concreto pre-esforzado son mencionados:

Guyon, Y., (France) construyerón numerosos puentes deconcreto pre-esforzado en el Este y en Europa Central.

Abeles, P. W., (England) introdujó el concepto de pre-esfuerzo parcial.



Breve Reseña;

Leonhardt, F., (Germany), Mikhailor, V., (Rusia) y Lin, T. Y., (USA) son famosos en el campo del concreto pre-esforzado.

La Federación Internacional de Pre-esforzado(FIP), una organización profesional en Europa fueestablecida en 1952.

El Instituto de Concreto Prefabricado/Pre-esforzado (PCI) fue establecido en USA en el añode 1954.



Breve Reseña;

• Hormigón pre-esforzado inició a usarse en elementos de edificios, estructuras de parqueo, estadios, traviesas de ferrocarril, postes de líneasde transmisión y otros tipos de estructuras y elementos.

• En India, el puente de la carretera Pamban en Rameshwaram, Tamilnadu es un ejemplo clásico de la utilización de vigas de hormigón pre-tensado.



Breve Reseña;

Figura 13. Puente de la carretera Pamban en Rameshwaram, Tamilnadu.

Fuente:http://www.ramnad.tn.nic.in/images/Final_Pamban%20Bridge%20001.jpg



Introducción

Desarrollo de materiales de construcción

El desarrollo de hormigón pre-esforzado pudoser estudiado en la perspectiva de los materiales de construcción tradicionales.

En la época antigua, piedras y ladrillos fueron ampliamente usados. Estos materiales son resistentes a la compresión, pero débiles a la tensión.



Introducción


Para tensión, bambú y cuerdas de fibra de coco fueron utilizados en puentes. Posteriormente barras de hierro y acero fueron usados para resistir la tensión. Estos miembros se flexionan bajo la compresión.

Madera y elementos de acero estructural fueron eficaces en tensión y compresión.



Introducción

Desarrollo de materiales de construcciónEn el concreto reforzado, concreto y acero son

combinados de tal manera que hormigón resistea la compresión y acero resiste a la tensión. Estaes una combinación pasiva de 2 materiales.

En el concreto pre-esforzado el hormigón de alta resistencia con el acero de alta resistencia son combinados de tal manera que toda la sección es eficaz para resistir tensión y compresión. Esta es una combinación activa de los dos materiales.




Compresión (C) Tensión(T) C y T

Piedras-ladrillos Bambú,cuerdas Madera

Hormigón Barras de acero, Acero es-

cable tructuralCombinación pasiva

Concretoreforzado

Concreto de AltaResistencia

Acero de AltaResistencia

Combinación activa ConcretoPre-

esforzado38

Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

¿Qué es Ho. pre-esforzado?

• Es el Ho. del elemento estructural (ee) sobreel cual se aplican fuerzas internas (inicio/fin).Estas le permiten contrarrestar los esfuerzos(hasta un grado deseado) producidos por lascargas posteriores (muertas, vivas y sísmicas)durante su período de servicio. La aplicaciónde esta técnica al ee mejora elcomportamiento y resistencia bajocondiciones de servicio.



Conceptos Básicos

• Ho. Pre-tensado.- es el Hormigón en el cual esfuerzos internos son inducidos (usualmente por medio de acero de alta resistencia pre-tensado), mucho antes que la estructura sea hormigonada y previamente de que se apliquen las cargas externas. Se emplea esta técnica para contrarrestar los esfuerzos resultantes (hasta un grado deseado), mejorando el comportamiento y resistencia bajo condiciones de servicio.



Curva típica de esfuerzo-deformaciónpara aceros usados en pre-esforzado

f’y

f’y f’y

f’y

Esfu

erzo

s, k

N/m

m2

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60 70

Esfu

erzo

s, k

si

Ep≈ 29 000 ksi = 200 kN/mm2 para cablesEp≈ 27 000 ksi = 186 kN/mm2 para hebrasEp≈ 27 000 ksi = 186 kN/mm2 para barras

Aceros de alta resistencia (tendones y barras)

Hebra Grado 270

Hebra Grado 250

diametro de cable 0.192"

Barras de aleación Grado 160

Barras de aleación Grado 145

1% de Extensión

0.7% de Extensión



Propiedades de resistencia de alambre, hebra y barra para usar en tendones pre-

esforzado

Tipo de material y estándarDiametro

nominal (mm)Área

(mm2)Carga mínima de

ruptura (kN)

Resistencia mínima a la

tracción fpk (MPa)

Alambre--AS 1310

5 19.6 30.4 1550

5 19.6 33.3 1700

7 38.5 65.5 1700

Super hebra de 7 cables-- AS 1311

9.3 54.7 102 1860

12.7 100.1 184 1840

15.2 143.3 250 1750

Hebra regular de 7 cables--AS131112.7 94.3 165 1750

23 415 450 1080

Barras--AS1313 (solamente super grado)

29 660 710 1080

32 804 870 1080

38 1140 1230 1080


42

Hormigón/Concreto de alta resistencia

• Concreto con una resistencia a la compresión de al menos 35 MPa es generalmente especificado (ensayado en cilindro de 28 días) y otros de mucha más alta resistencia son usados a menudo (típicamente en el rango de 50-70 Mpa).

• Sin embargo concreto de ultra-alta resistencia (120 MPa) fue usado en un puente de concreto pre-esforzado en Tokyo, Japon.


43

Hormigón/Concreto de alta resistencia

• Un agregado especial de peso ligero se utiliza para reducir la retracción de fraguado. Con esto se logró producir baja contracción y obtener un hormigón de ultra alta resistencia (120 MPa).


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Clasificación y tipos de pre-esforzado

• Pre-tensado v.s. Post-tensado

• Externo v.s. Interno

• Linear v.s. Circular

• Con anclaje final v.s. Sin anclaje final

• Tendón adherido v.s. Tendón no adherido(ccg)

• Prefabricado v.s. Fabricado en sitio v.s. Compuesto

• Pre-esfuerzo parcial v.s. Pre-esfuerzo total



Pasos del Pre-tensado



Desventajas del pre-tensado

• Grandes y pesados lechos de moldeo son requeridos, pero los anclajes no son necesarios permanentemente.

• Los diametros de tendones deberían ser lo suficientemente pequeños y rugosos en la superficiede contacto para una buena conexión. Normalmentetendones de multiples-alambres son usados.

• Los tendones no pueden ser fácilmente curvados paravariar la excentricidad, pero esto puede ser superadocurvando la viga o soportando el tendón (desviando los tendones después del tensionado)



Desventaja superada del pre-tensadoLos tendones no pueden ser fácilmente curvados para variar la excentricidad, pero esto puede ser superado curvando la viga o soportando el tendón (desviando los tendones después del tensionado)



Ventajas del pre-tensado

• La adherencia entre el concreto y el acerotransfiere la fuerza directamente al hormigón.

• Tiene un estricto control de calidad en la fabrica.

• Rapidez para instalación en el lugar donde se usará el elemento estructural.

• En elementos estructurales pre-tensados no se requieren cuñas-anclaje en el final de los tendones, a diferencia del post-tensado que lasnecesita.



Ventajas del pre-tensado



Conceptos Básicos

• Ho. Post-tensado.- es el Hormigón en el cual esfuerzos internos son inducidos (usualmente por medio de acero de alta resistencia post-tensado), después de que la estructura ha aumentado su resistencia y previo de que se apliquen las cargas externas. Se emplea esta técnica para contrarrestar los esfuerzos resultantes (hasta un grado deseado), mejorando el comportamiento y resistencia bajo condiciones de servicio.



Post-tensado

Tensionado del acero después del fraguado del hormigón (resistencia máxima) y de la colocación del anclaje final.

• Los ductos son colocados en el centro gravitacional del acero requerido.

• El Hormigón (ho) es moldeado. Los tendones son insertados dentro de los ductos y son tensionados in situ después que el ho. ha ganado máxima resistencia.

• Un anclaje final permanente es requerido, debido a que a través de el es transferida la fuerza de post-tensado.



Post-tensadoBombeo de pasta de cemento con agua (pca) al interior del ducto del tendón para rellenarlos.

•Después de que los tendones son tensados los conductos son rellenados bombeándoles pca para proporcionar adecuada conexión entre acero de pre-esfuerzo y el hormigón. Además sirve para proteger a los tendones de la corrosión.

Ductos pueden ser de metal ligeramente corrugados.



Post-tensado

• PVC ,PEAD o envolturas plásticas pueden ser usados como ductos.

• Los tendones pueden ser fijados de forma curva paracualquier perfil. La forma del diagrama del momento flectores tipicamente seguido.

Perfiles del tendón en miembros post-tensados. 54

Post-tensado EXTERNO

• Los tendones pueden ser colocados fuera de la sección de ho.

• La fuerza de pre-esfuerzo es transferida por anclajes y desviadores.

Perfiles del tendón en miembro post-tensado externo.55

Post-tensado EXTERNO

Disposición típica del tendón en puentes con viga cajón.



Post-tensado en construcciónsegmentada de estructuras.

Ejemplos de construcción con segmentos prefabricados (sp), típico en puentes y súper estructuras. Los sp son unidos por post-tensado.




Ejemplos de construcción con segmentos prefabricados (sp), típico en puentes y súper estructuras. Los sp son unidos por post-tensado.




Post-tensado es también adoptado en la construcción de edificios. Aplicado en las juntas frias de columna-viga que se muestra a continuación:



Post-tensado en construcción segmentadade estructuras prefabricadas.



Pilas de puentes segmentadas, enfoque moderno.

Columnas de templo de Antigua Grecia

Anclajes,cuñas y tendones.



Sistema de pretensado de múltiples hebras



Placa de apoyo

Códigos de diseño para Ho. Pre-esforzado

• ACI-318 Código de construcción (capítulo 18)

• AASHTO Load and Resistance Factor Design (LRFD), cápítulo 5.

• Otras Instituciones:– PCI.- Instituto de Concreto Prefabricado/Pre-

esforzado– PTI.- Instituto de Post-tensado



Momentos y Esfuerzos debido a la flexión


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Esfuerzos debido a carga muerta y viva


65

Combinación de esfuerzos en sistema pre-esforzado

Falla de viga por sobreesfuerzo de flexión


66

Columna utilizada durante la reparación de la viga para llevarla a posición sin carga


67

Agujeros perforados para recibir soportes de anclaje para post-tensado


68

Perforación de los orificios de inyección y de escape


69

Gato hidráulico calibrado


70

Cabeza de gato hidráulico aplicandoPost-tensado


71

Completa reparación en viga laminada de madera con incremento de capacidad.


72

http://www.westernwoodstructures.com/index.php/white-papers/tinora-h-s-repair/

Esfuerzos debido a la compresión, tensión del cable y cargas.


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Compresión (C)

Tensión (T) C C

TTC

++ =

Combinación de esfuerzos en sistema pre-esforzado

Condición de Post-tensado

C

Esfuerzos debido a la compresión, tensión del cable y cargas.


74

Hormigon Preesforzado

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