CURSO SMIE /ANIPPAC PUEBLA FEBRERO 2008 ING. EDUARDO GUZMAN ESCUDERO ING. MANUEL SUAREZ GONZALEZ
CONCRETO PRESFORZADO 1.-- IN 1. INTR TROD ODUC UCCI CION ON Fundamentos del concreto presforzado. Comportamientos de elementos presforzados. Sistemas de presfuerzo; pretensados y postensado .
CONCRETO PRESFORZADO 1.-- IN 1. INTR TROD ODUC UCCI CION ON Fundamentos del concreto presforzado. Comportamientos de elementos presforzados. Sistemas de presfuerzo; pretensados y postensado .
2. MATERIALES Características del concreto Resistencia características notables a la transferencia y a los 28 días. Contracción y flujo plástico. Características del acero del presfuerzo Resistencia características notables fy, fu. Modulo de elasticidad. Sistema para el control para el control de la fuerza de pretensado aplicado. Relajación del acero.
3.PERDIDAS DE PRESFUERZO Perdidas por acortamiento elástico axial y a flexión. Perdidas por contracción y flujo plástico en el concreto. Perdidas por relajación del acero de presfuerzo.
4. CALCULO DE ELEMENTOS PRETENSADOS A FLEXION. Calculo de esfuerzos en la transferencia del presfuerzo. Esfuerzos permisibles bajo cargas de servicio, clases de elementos pretensados, ejemplos de calculo del Nº 1 al 4 secciones criticas. Resistencia de los elementos pretensados a flexión. Ejemplo de calculo Nº 5. Resistencia de los elementos compuestos a flexión. Ejemplo de calculo Nº 6
Deformaciones en la transferencia del presfuerzo. Deformaciones bajo cargas de servicio. Deformaciones a largo plazo. Control de las deformaciones de los elementos pretensados en las diferentes etapas. Ejemplo de calculo Nº 7. Ejemplo de calculo Nº 8.
Resistencia de los elementos pretensados a cortante. Tensión diagonal. Resistencia del concreto. Resistencia del acero de refuerzo transversal. Flujo de cortante. Cortante por fricción en los elementos pretensados compuestos. Ejemplo de calculo Nº 9
5. Calculo de candeleros, esquema de calculo y detalles constructivos. 6. Calculo de vainas en cimentación, calculo y detalles constructivos. 7. Columnas, trabes y losas. 8. Conectores y Llaves de cortante entre elementos.
9. Procedimiento constructivos de estructuras con elementos prefabricados. Etapas de carga y de análisis.
10. Conexiones mas utilizadas en los elementos prefabricados. 11.Estructuras con conexiones prefabricadas. 12.Estructuras emulativas del concreto presforzados.
13.Estructuras prefabricadas hibridas de comportamiento elástico no lineal.
1. INTRODUCCIÓN
FUNDAMENTOS DE CONCRETO PRESFORZADO COMPORTAMIENTO DE ELEMENTOS PRESFORZADOS SISTEMAS DE PRESFUERZO, PRETENSADO Y POSTENSADO
FUNDAMENTOS DE CONCRETO PRESFORZADO
COMPORTAMIENTO
COMPORTAMIENTO
SISTEMAS DE PRESFUERZO
SISTEMAS DE APLICACIÓN DE PRESFUERZO
TENSADO POR AMBOS EXTREMOS
2. MATERIALES
CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO CONTRACCIÓN Y FLUJO PLÁSTICO CARACTERÍSTICAS DEL ACERO DE PRESFUERZO RELAJACIÓN DEL ACERO.
CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO
MATERIALES DEFORMACIÓN
CONTRACCION
FLUJO PLASTICO
CARACTERÍSTICAS DEL ACERO DE PRESFUERZO
RELAJACIÓN DEL ACERO
3. PÉRDIDAS DE PRESFUERZO
PÉRDIDAS INMEDIATAS PÉRDIDAS A LARGO PLAZO
PÉRDIDAS DE PRESFUERZOS
PÉRDIDAS DIFERIDAS
4. FLEXIÓN
SECCIONES CRÍTICAS ESFUERZOS PERMISIBLES EN LA TRANSFERENCIA DEL PRESFUERZO ESFUERZOS PERMISIBLES BAJO CARGAS DE SERVICIO RESISTENCIA A FLEXIÓN
FLEXIÓN
DISEÑO
SECCIONES CRÍTICAS
ESFUERZOS PERMISIBLES EN LA TRANSFERENCIA DEL PRESFUERZO
ESFUERZOS PREMISIBLES BAJO CARGAS DE SERVICIO
ESFUERZOS
CÁLCULO DE LA RESISTENCIA A FLEXIÓN
CALCULO DE LA RESISTENCIA A FLEXION
EJEMPLO 5
DEFLEXIONES
DEFLEXIÓN INMEDIATA DEFLEXIÓN DIFERIDA
CORTANTE
DISTRIBUCIÓN ELÁSTICA DE ESFUERZOS
CORTANTE POR FRICCION
CORTANTE POR FRICCION: EXPRESIONES PARA LA EVALUACION DEL CORTANTE POR FRICCION SEGÚN ACI-318-05 PUNTO 11.7.4 METODO DE DISEÑO DE CORTANTE POR FRICCION.
Vn = Avf f y µ Donde: µ = 1.4 λ para concreto monolitico. µ = 1.0 λ para concreto colado sobre concreto endurecido con superficie rugosa. =1 para concreto normal, 0.85 para concreto ligero. Se deberá revisar que los esfuerzos en el concreto no sobrepasen el valor de 0.2f’c ni 5.5 MPa. λ
FUNDAMANETOS DEL CORTANTE POR FRICCION: 1. Losa bloques de concreto sufren un desplazamiento horizontal. 2. Como consecuencia de la rugosidad de la superficie entre los bloques, se preoduce un desplazamiento vertical ▲y que genera esfuerzos en el acero transversal de refuerzo.
VAINAS DE CIMENTACION
SISTEMA DE ANCLAJE DE VARILLAS EN VAINAS DE CIMENTACION.
LONGITUDES DE EMPOTRAMIENTO DE VARILLAS EN VAINAS LONGITUD EN No. cm 3 30 4 32 5 40 6 48 8 64 10 94 12 135
DETALLES CONSTRUCTIVOS DE DADOS DE CIMENTACION CON VAINAS.
CANDELEROS DE CIMENTACION
MENSULAS EN COLUMNAS
MENSULAS DE APOYO CONDICIONES: a/d ≤ 1 Nu ≤ Vu ; Nu ≥ 0.2 Vu •Ф= 0.75 PARA TODOS LOS CASOS
Vn = 0.2 f’c bw d ó 5.5 bw d Vu ≤ ФVn As = Af + An ó 2Avf/(3+An) Af = (Vu a + Nu (h-d))/ (Фf yd) An = Nu / Фf y Ah ≥ 0.5 (As-An)
EJEMPLO DE CALCULO.
NARICES EN TRABES PREFABRICADAS
MENSULAS EN TRABES (NARICES)
LOS FALLAS POTENCIALES PRESENTADOS EN LA FIGURA ANTERIOR SON: 1.- FALLO POR FLEXION DEL VOLADO Y FUERZA AXIAL. As = Af + An = (VU(a/d)+NU(h/d))/ Фf Y
Ф=
0.75
2.- CORTANTE DIRECTO EN LA UNION ENTRE LA MENSULA Y EL CUERPO DE LA TRABE. Ф= 0.75 As = 2VU /3Фf Y µ + An
µ = 1.4 λ para concreto monolitico.
An = Nu / Фf y λ
=1 para concreto normal, 0.85 para concreto ligero.
El refuerzo requerido será igual al mayor de los dos valores calculados, no se sumaran ambos valores.
3.- TENSION DIAGONAL EN LA ESQUINA DE UNION DE LA NARIZ CON EL CUERPO DE LA TRABE. Ash = VU /Фf Y 4.- TENSION DIAGONAL EN LA NARIZ CON EL CUERPO DE LA TRABE. ФVN
= Ф(AVf Y + Ahf Y + 2λbd √ f’c)
Por lo menos ½ del acero determjado se colocará en forma de estribos verticales Min Av = 1/2f y(Vu / Ф – 2λbd √ f’c) Todos los aceros horizontales, cruzarán la falla tipo 5 y tendrán una lomgitud de al menos la longitud de desarrollo de la varilla
LLAVES DE CCORTANTE
LLAVES DE CORTANTE
A- Tensión diagonal o compresión.
B- Cortante.
C- Aplastamiento de esquina.
D- Separación.
ESQUEMA DE FUERZAS EN LAS LLAVES DE CORTANTE
PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DE ESTRUCTURAS PREFABRICADAS
PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DEL SISTEMA:
FUNDAMENTOS Y CARACTERISTICAS DEL SISTEMA:
1. LAS ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO O PRETENSADO COLADAS EN SITIO NO SON MONOLITICAS. 2. EMPLEO DE GANCHOS ESTANDART Y LONGITUDES DE DESARROLLO QUE GARANTIZAN UN COMPORTAMIENTO EMULATIVO EN CUANTO A RESISTENCIA Y DUCTILIDAD DE LOS ENTREPISOS PREFABRICADOS IGUALES A LOS DE LAS ESTRUCTURAS COLADAS EN SITIO. 3. EL EMPLEO DEL PRESFUERZO EN AQUELLAS SECCIONES Y ELEMENTOS DONDE REALMENTE ES EFICIENTE DADO EL PROCESO CONSTRUCTIVO EN QUE LA TOTALIDAD DE LAS CARGAS DE PESO PROPIO DEL ENTREPISO GENERAN SOLAMENTE MOMENTO POSITVO. 4. REDUCCION DE LOS PERALTES DE LOS ELEMENTOS DE ENTREPISO. 5. MINIMOS REQUERIMIENTOS DE MANTENIMIENTO.
Analisis Comparativo de Estructuras Coladas en Sitio y Prefabricadas Peso propio Losa (PL) Sobre carga viva (CV) S
S= ∑
W x L x C = 2 5 L x 1 x 1 = 1= 17 L Q 6 3 2 6 36
Sobre carga muerta (SM)
H
Peso propio esqueleto (PE) L=H IcEc=ITET IcEc=ITET L
∑W = 1 + 1 + 1 + 1 = 2 5 3 2 6
Estructura Colada en Sitio wl2 18
L2 108
2 =l 54 W=L 3
wL2 L2 = 18 L8
5L2 216
5L2 72
PE (w=1)
W=1
L2 36
PL (w=1)
wL2 L2 = 18 18 W=1
L2 18
wL2 18
2 L2 =L 36 W=0.5 36 acc. CV
5L2 72 L2 36
5L2 144 SM (w=1)
L2 72
17 L2 108
391 L2 1512 = 0.2586 17 L2 108
17 L2 168
S=17 L 36 17 L2 168
L2 72 CV =1
17 L2 216
17 L2 216
0
85 L2 432
17 L2 17 L2 Sismo 126 126
Estructura Prefabricada L2 18
wL2 L2 18 = 18
wL2 L2 18 = 36
L2 36
1 L2 12
1 L2 12
S=17 L 36
100%
85 L2 1512
85 L2 1512
323 L2 1512 = 0.2136 100% Resultante 31 L2 168 = 0.1845
17 L2 168
71% Menor
L2
wL2 L2 8 =24
wL2 L2 8 =8
5L2
17 168
72
5L2 144
L2 36
L2 72
13 L2 48 1 L2 24
1 L2 24
17 L2 126
0
1 L2 56 17 L2 47 L2 126 504
13 L2 48
89 L2 83% Menor 504 = 0.176 Resultante
Comentarios: •DADO EL EMPLEO DE CONCRETO PRESFORZADO EN LOS ELEMENTOS PREFABRICADOS SE PUEDEN OBTENER GRANDES CAPACIDADES A MOMENTO POSITIVO EN LOS CENTROS DE LOS CLAROS. •PRODUCTO DE LA PROCESO DE MONTAJE SE LOGRA UNA REDUCCIÓN DE LOS MOMENTOS EN LAS ZONAS DE CONEXIÓN DE LAS TRABES CON LAS COLUMNAS. ESTA REDUCCIÓN PUDE LLEGAR A SER EL 30%. •EN CORRESPONDENCIA CON LOS REGLAMENTOS, LOS ELEMENTOS MECÁNICOS EN LAS CONEXIONES SE INCREMENTAN EN UN 30%. ESTO TRAE COMO RESULTADO QUE TENDREMOS UNA CONEXIÓN CON CAPACIDAD SIMILAR A LA COLADA EN SITIO PERO CON SOLICITACIONES MENORES DADO EL PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO.
CONEXIONES EN LAS ESTRUCTURAS PREFABRICADAS
CONEXIONES. Son las uniones entre elementos en una estructura. •Todos los Sistemas tienen conexiones. •Las uniones tienen un especial lugar en el comportamiento estructural de cualquier sistema constructivo. •En muchos Sistemas Constructivos no se diseñan ni detallan las conexiones.
Puntos criticos: •El anclaje de las varillas de refuerzo de las trabes en columnas muy armadas. •Las uniones soldadas de las varillas de refuerzo del #8 y mayores. •Todas las oficinas de diseño deben tener una participacion muy activa en todo el ciclo de la obra y en especial en las conexiones.
UNIONES DE LOS ELEMENTOS PREFABRICADOS. •El diseño de las uniones deberá tener en cuenta las características del concreto reforzado y presforzado. Uniones de fácil ejecución en acero no son aplicables al concreto prefabricado. •La ejecución de las uniones debe ser cómoda y de fácil. •Las pequeñas e inevitables imprecisiones producto de la fabricación y el montaje en las dimensiones no deben influir en el estado tensional previsto para la conexión. •Las conexiones deben posibilitar que la estructura sea capaz de soportar las cargas lo antes posible. •Las conexiones deben requerir de pocos materiales y mano de obra.
•Las juntas deben tener la posibilidad de ser inspeccionadas en todo momento, desde la producción hasta el servicio. • La retracción en estructuras prefabricadas después de la
ejecución de las uniones puede ser despreciada. •Las uniones pueden ser rígidas o articuladas. En las uniones rígidas la longitud para la trasmisión de los esfuerzos será la mínima posible pero sin sobrepasar los esfuerzos permisibles. •Las uniones rígidas requieren de una mayor cantidad de materiales y mano de obra. Se emplean para la unión de la estructura a la cimentación y entre elementos principales que conformen los marcos portantes.
•Las uniones pueden ser húmedas o secas según la exigencia del colado. •Las uniones húmedas tienen el carácter del material de las piezas que unen, su uso evita discontinuidades entre las piezas, pero requiere de mayor cantidad de materiales y mano de obra para su ejecución. Estas uniones son menos sensibles a las imprecisiones de la fabricación y el montaje. •Las uniones secas requieren de menos mano de obra y materiales pero pueden generar discontinuidades en el trabajo estructural. •La mayor cantidad de los trabajos se ejecuta en planta y no en obra. •Los trabajos en obra deben tener un alto nivel de control. •Se deben considerar las etapas constructivas y los reglamentos vigentes.
CONEXIONES TRADICIONALES ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS
Conexiones típicas soldadas.
CONEXIONES TRADICIONALES PARA ELEMENTOS PREFABRICADOS
Conexiones con nudo semihúmedo
CONEXIONES TRADICIONALES PARA ELEMENTOS PREFABRICADOS
Conexiones con nudo húmedo
ESTRUCTURAS PREFABRICADAS EMULATIVAS DEL CONCRETO REFORZADO
CONEXIONES EMULATIVAS ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS
Conexiones típicas de cierre o de nudo húmedo
CONEXIONES EMULATIVAS ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS.
Conexiones ciegas típicas de columna
CONEXIONES EMULATIVAS ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS
Sistema de trabes prefabricadas y columnas prefabricadas o coladas en obra
CONEXIONES EMULATIVAS ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS
Sistema de trabes prefabricadas y columnas prefabricadas o coladas en obra
ESTRUCTURAS PREFABRICADAS HIBRIDAS DE COMPORTAMIENTO ELASTICO NO LINEAL
Para el caso de estructuras en zonas sísmicas estas deben: •Ser capaces de garantizar la integridad de las personas que la ocupan. •Ser capaz de sobrevivir un sismo fuerte sin daños o con daños ligeros y continuar en servicio. •Tener características de autocentrado que eliminen las deformaciones residuales de después del sismo. •Que las soluciones sean competitivas desde el punto de vista económico y de fácil ejecución.
Programa PRESSS (Precast Seismic Structural Systems)
• Programa teórico-experimental realizado en E.E.U.U. y liderado por el Dr. M.J. Nigel Priestley Cuarta fase de un programa de pruebas desarrollado en conjunto por E.E.U.U. y Japón • Duración: 12 años • Desarrollo de sistemas prefabricados sismoresistentes que no emulan al concreto reforzado • Edificio experimental escala 60%
Esquema de conexión con cables de postensión parcialmente desadheridos
Longitud desadherida
Cables de postensión
CONEXIONES NO EMULATIVAS ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS CON COMPORTAMIENTO ELASTICO NO LINEAL
Conexiones hibridas de elementos prefabricados y postensados.
¿Por qué desadherir los cables de postensión? • Estudios experimentales realizados en Estados Unidos (Cheok, 1991) utilizando especimenes de conexiones viga-columna con cables de postensión completamente adheridos, demostraron que estos desarrollaban ductilidades similares a conexiones monolíticas equivalentes. No obstante después de experimentar niveles moderados de ductilidad, sufrieron una excesiva degradación de rigidez para bajos desplazamientos. • Tal degradación es causada por una reducción de la fuerza efectiva de presfuerzo a través de la junta debido al grado de deformación inelástica del cable en la zona crítica.
Ventajas de desadherir parcialmente los cables.
• Al proporcionar la longitud desadherida necesaria, el desplazamiento último requerido puede alcanzarse sin exceder el límite de proporcionalidad del acero de presfuerzo. Consecuentemente, no hay pérdida de presfuerzo en la descarga para la ductilidad de diseño. • La respuesta es esencialmente elástica no lineal. Esto tiene la gran ventaja de que al igual que el comportamiento elasto-plástico de sistemas monolíticos convencionales, las fuerzas internas se redistribuyen, y se flexibiliza la estructura para sacarla del rango crítico del espectro. • A diferencia del sistema convencional que sufre problemas de degradación de rigidez y daño acumulado, después del evento sísmico la estructura retorna a su posición original sin desplazamiento residual, y la rigidez inicial se restituye. Tal comportamiento ha sido confirmado por pruebas experimentales (MacRae y Priestley, 1996). • Simplificación en el diseño del nudo
Sistema Hibrido para Estructuras Sismoresistentes . Características Principales: •La estructura está compuesta de elementos prefabricados de concreto reforzado o pretensado. •La conexión de trabes y columnas se realiza a paños de columnas. •Los aceros de refuerzo tanto superiores como inferiores cuentan con zonas desadheridas en las cuales se produce la fluencia. •A lo largo de las trabes se colocan cables de presfuerzo que posibilitan el postensado de los elementos. •El postensado tiene como función la generación de las acciones de auto centrado en la estructura. •Las Uniones entre Elementos tiene un lugar especial como en cualquier Sistema Constructivo.
CONEXIONES EN EL SISTEMA HIBRIDO
Conexiones hibridas de elementos prefabricados y postensados.
El comportamiento estructural las uniones hibridas postensada posibilitan entre otros: 1. El comportamiento histerético tipo bandera, donde la disipación de energía es debida a la a la fluencia tanto en compresión como en tracción del acero estructural
Comportamiento Histéretico de una UPH (Cheok et al, 1998).
2. Contar con una fuerza restauradora por la acción autocentrante producida, por la acción del postensado en cada nudo
Procedimiento racional propuesto por Cheok el al. (1996) a partir de pruebas experimentales.
3. Lograr el comportamiento elástico no lineal de la estructura a partir del empleo de soluciones técnicas sencillas y económicas.
F u e r z a
Carga
Descarga
Desplazamiento
Relación Fuerza Desplazamiento en la Estructura.
Transmisión de fuerzas en la conexión vigacolumna
Respuesta elástica no-lineal de la conexión postensada PUNTO 1 La precompresión en la fibra extrema se pierde y ambas caras se empiezan a separar (de manera similar a un proceso de agrietamiento) PUNTO 2 La “apertura” de la junta llega al centroide de la sección. PUNT0 3 Corresponde al límite proporcional de la curva esfuerza-deformación del cable de postensión (similar a un desplazamiento “plástico”, aunque el comportamiento se mantiene esencialmente elástico)
Algunas Características Sobresalientes: •Comportamiento elástico no lineal. •Minimización de los desplazamientos residuales. •Refuerzo de los extremos de las trabes dados los esfuerzos locales.
Algunas consideraciones para el acero de preesfuerzo: •El acero pretensado debe trabajar en el rango elástico. •El acero prentensado deberá esta protegido contra la corrosión.
Detalle de nudo en obra.
Detalle de nudo en obra.
Edificio Hibrido en Santiago de Chile
Detalle de nudo postensados en obra. Edificio Hibrido en Santiago de Chile
Edificio Paramount, San Francisco California. 39 niveles, 128 m
BIBLIOGRAFÍA – – – –
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PCI 1998. Manual for the design of Hollow Core Slabs. Precast and Prestrssed Concrete Institute. Segunda edición. U.S.A. PCI 1999. Desingn Handbook. Precast and Prestrssed Concrete Institute. Decimoquinta edición. U.S.A. D.D.F. 2004. Reglamento de construcciones para el Distrito Federal. Departamento del Distrito Federal. México, D.F. Rodríguez, Mario E. y Blandón, John J.2002. Ensayes ante cargas laterales cíclicas reversibles de una estructura prefabricada de concreto reforzado de dos niveles y recomendaciones de diseño. Instituto de Ingeniería de la U.N.A.M. México, D.F. Reinoso Angulo, Eduardo., Rodríguez, Mario E. y Betancourt Ribotta, Rafael. 2000. Manual de diseño de estructuras prefabricadas y presforzadas. Asociación Nacional de Industriales del Preesfuerzo y la Prefabricación A.C. e Instituto de Ingeniería de la U.N.A.M. México, D.F. Meli Piralla, Roberto., Bazán Zurita, Enrique. 1985. Manual de Diseño Sísmico de Edificios. Limusa, Grupo Noriega Editores. México, D.F. Park R. Seismic Design and Construction of Precast Concrete Buildings in New Zealand. PCI Jornal september – octiber 2002.
