REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA. UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA. NUCLEO NUEVA ESPARTA.
INGENIERIA CIVIL. CONCRETO PRECOMPRIMIDO:
REALIZADO POR: León, Rafael Petit, Jorge Salazar, Aleannys
C.I.: 16.932.190 20.111.187 17.110.194
SECCION: 84413-01 N
JUANGRIEGO, 15 DE NOVIEMBRE DE 2012
INDICE. INTRODUCCIÓN. ................................................................................................... iii 1.-MEDIOS Y MÉTODOS USADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE MIEMBROS PRETENSADOS. .................................................................................................... 4 Tipos de Pretensado. ........................................................................................... 5 Los Conductos. .................................................................................................... 6 La Inyección. ........................................................................................................ 7 La Lechada. ......................................................................................................... 7 Los Accesorios. .................................................................................................... 8 2.-LAS PÉRDIDAS EN EL PRETENSADO. ............................................................ 9 Pérdidas Instantáneas ....................................................................................... 10 Pérdidas Diferidas. ............................................................................................. 12 3.-FLEXO COMPRESIÓN EQUIVALENTE AL PRETENSADO. ........................... 13 4.-COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO PRETENSADO Y COMPARACION CON EL CONCRETO ARMADO. .......................................................................... 14 CONCLUSIONES.................................................................................................. 16 BIBLIOGRAFÍAS. .................................................................................................. 18
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INTRODUCCIÓN. El concreto, es un material que posee una buena resistencia a la compresión, haciéndolo muy versátil para su uso en estructuras, sin embargo, su principal inconveniente es su desigual resistencia, la cual es muy pequeña a la tracción. Es por esta razón, que se utilizan obligatoriamente, armaduras de refuerzo de acero que absorben las tensiones de la tracción, para compensar la carencia de resistencia a la tracción del concreto, surgiendo de esta manera el concreto armado. Sin embargo, el surgimiento de nuevos y más complejos retos constructivos en la era moderna, ha conllevado al estudio, desarrollo y aplicación de nuevos métodos constructivos que permitan superar, los obstáculos presentados por algunas limitaciones con las que cuenta el concreto armado, cumpliendo siempre con las más exigentes normas de calidad; es así como surge, el concreto presforzado, considerado como una variante en ocasiones incomprendida del concreto armado, pero a su vez, como el mejor aliado y sustituto de las viejas tendencias constructivas del concreto armado y las estructuras de metal de gran envergadura. El concreto presforzado presenta dos modalidades, el pretensado y el postensado; en este caso, se considera la modalidad del concreto pretensado, el cual busca mediante la introducción artificial de un estado de tensión previo a la carga de la estructura, que sean anuladas o disminuidas las tensiones de tracción que se presentan en el concreto, permitiendo al elemento estructural, soportar aun mejor las cargas y fuerzas que le sean aplicadas durante su puesta en servicio, y cumplir así con las funciones para la cual fue diseñado, lo cual hace necesario a cualquier estudiante o ingeniero, tener las nociones básicas del que es, como funciona, y para qué sirve el concreto pretensado, por lo que a continuación, se describirán los aspectos más resaltantes del concreto comprimido.
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1.-MEDIOS Y MÉTODOS USADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE MIEMBROS PRETENSADOS. El pretensado, es el método más utilizado para construir miembros presforzados, y en el cual se usan cables denominados tendones, los cuales son tensados antes de realizarse el vaciado del concreto, en moldes capaces de soportar las fuerzas del presfuerzo durante el proceso de vaciado y curado del concreto, antes del corte de los cables, y que la fuerza de tensión pueda ser transmitida al elementos. Los miembros pretensados, son fabricados generalmente en serie dentro de instalaciones adecuadas, con moldes de concreto o metálicos reutilizables, siendo los usos más comunes en la elaboración de viguetas, trabes, losas, gradas, entro otros, aplicados principalmente a edificios, naves, puentes, gimnasios y estadios. El curado del concreto de los miembros pretensados, se realiza con vapor de agua y cubiertos por lonas, y la acción del pretensado en el concreto se da de manera interna gracias al efecto del anclaje por adherencia entre el cable o tendón y el concreto, con trayectorias que casi siempre son rectas, aunque con moldes adaptados, es posible hacer desvíos para trazados poligonales, que permitan reducir los esfuerzos excesivos en los extremos del elemento o pieza, propios del pretensado. En la construcción de miembros pretensados, se mide el alargamiento de los tendones, así como también la fuerza de tensión aplicada en los gatos, y con la cimbra (encofrado) puesta en su lugar, se vacía el concreto en torno al tendón esforzado, utilizándose a menudo concreto de alta resistencia a corto tiempo, y que es curado con vapor de agua, para acelerar el endurecimiento del concreto. Después de haberse logrado la resistencia requerida se alivia la presión en los gatos, y los torones tienden a acortarse, pero no lo hacen por estar ligados por adherencia al concreto, y de esta manera, el presfuerzo es transferida al concreto
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por adherencia en su mayor parte cerca de los extremos de la viga, no requiriendo ningún tipo anclaje especial para sujetar el cable.
Figura 1.1.-Deformación del Acero y El Concreto Aplicado El Pretensado.
Tipos de Pretensado. -Pretensado En Banco o Preteso de Adherencia Inmediata: utilizado en el pretensado de piezas prefabricadas, se obtiene mediante la utilización de cables tensionados por un banco de tensado, que soporta el molde o cimbra de la pieza a construir, a traves del cual se pasan los cables, y al que posteriormente se le vacía el concreto quedando totalmente cubiertos los cables. Una vez fraguado el concreto, se procede a desmoldar la pieza, y cortar los extremos del cable, el cual al tratar de contraerse, transfiere la fuerza de su tensión por adherencia al concreto. Generalmente los cables son colocados de forma recta, aunque mediante la utilización de desviadores intermedios, se le pueden dar trazados poligonales, de acuerdo al requerimiento del diseño de la pieza. -Pretensado Postesado o Adherencia Posterior: considerado pretensado debido a su realización previa a ser solicitada por los casos de carga propios a la utilización de una pieza, consiste en incluir vainas o conductos en la pieza de 5
concreto que permitan la libre circulación durante la inserción, de los cables que mediante la utilización de gatos, son tensados y fijados a la estructura mediante el uso de anclajes y cuñas. Posterior a esto, se procede a la inyección de lechadas para el rellenado de los espacios sobrantes entre el conducto y el cable.
Figura 1.2.-Banco Para Fabricación de Elementos Pretensados
Los Conductos. Los conductos o vainas, son tuberías que sirven como canalización y cobertura, a los cables utilizados durante
el
tensado
en
estructuras
de
concreto
postensado, permitiendo la libre circulación del cable dentro del elemento estructural durante la aplicación del presfuerzo, y evitando la adherencia de este al concreto durante el vaciado de dicho elemento estructural. Estos son colocados antes del proceso de vaciado del concreto, y sujetados a la armadura pasiva, para poder conservar su ubicación prevista en el diseño
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dentro del elemento estructural, teniendo especial cuidado para su escogencia, aspectos como el diámetro, la flexibilidad, adaptabilidad y resistencia del mismo, además de que es recomendable sean corrugados, para mejorar la adherencia entre el conducto o vaina, y el concreto. La Inyección. La inyección es una operación que consiste, en el rellenado de los conductos longitudinales con un producto adecuado denominado lechada, de modo de proteger las armaduras activas contenidas en dichos conductos, contra posibles efectos de corrosión. Existen dos tipos de inyección, la adherente utilizada para asegura la adherencia en la armadura activa y el concreto a través del conducto de acuerdo a las especificaciones del diseño, y la inyección no adherente de productos destinados solo a proteger la armadura activa contra los efectos de la corrosión sin considerar la adherencia. La inyección se realiza, utilizando equipos especiales compresores de bombeo destinados para tal fin, para así poder cubrir todos los espacios vacios que puedan haber en el interior del conducto, lo cual se logra hasta observar salir suficiente lechada por los respiraderos de inyección. La Lechada. Tal como se mencionaba en la inyección, la lechada es el producto adecuado utilizado para asegurar la protección contra la corrosión de las armaduras activas como los cables alojados en conductos dispuestos en el interior de una pieza de concreto, sirviendo a su vez, de relleno de los mismos. Para las lechadas deben utilizarse materiales exentos de sustancias que puedan poner en riesgo las armaduras, el material de inyección, o el concreto de la pieza, tales como cloruros, sulfuros, nitratos, entre otros. Al igual que la inyección, las lechadas pueden ser para adherencia, mediante la utilización de mezclas basadas en cemento Portland y agua ó cemento 7
Portland, agua y otros cementos, con un contenido de agua mínimo necesario para el bombeo adecuado, además de aditivos expansores de aluminio que provocan expansión confinada de la lechada. Los productos utilizados como lechadas en la inyección no adherente, se constituyen de betunes, mastiques bituminosos, grasas solubles, o cualquier otro material adecuado, que proporcione la debida protección sin generar adherencia contra la corrosión, a las armaduras activas. Los Accesorios. Están conformados por todas aquellas piezas necesarias para poder alcanzar el efecto pretensor propiamente dicho, y transmitir el mismo ala pieza, tales como: -Anclajes: son elementos de hierro fundido, que transfieren la fuerza del pretensado al concreto, conservando el estado de tensión en la armadura activa. Estos pueden ser pasivos, cuando se ubican en el extremo del cable sobre el cual no se aplicara la presión del tensado, y el activo, es aquel anclaje posicionado en el extremo donde será aplicado el esfuerzo de reacción del pretensado, cumpliendo con la función más importante.
Figura 1.3.-Anclajes y Cuñas Para Cables Pretensados. 8
-Cuñas: son pequeñas piezas de aleaciones de acero de alta resistencia, con formas de cono truncado, con agujero central de superficie dentada, encargado de ajustar el o los torones que conforman el cable, y sostener apoyado sobre el anclaje, la acción del efecto tensor del pretensado. -Torón: se fabrica con alambres de acero de diferentes diámetros y resistencias que van de los 16.000 hasta los 19.000 kg/cm2, con acabados lisos, dentados modificando
o
tridentados, así
incrementadose esfuerzos
sus su
residuales
estirados
propiedades
resistencia, mediante
en
mecánicas,
liberándolo un
frio,
de
tratamiento
continuo de calentamientos. Específicamente siete alambres firmemente torcidos, conforman el torón, siendo el más utilizado el de 19.000 kg/cm2 de resistencia a la ruptura, y de diámetros de de 3/8” y ½” respectivamente. 2.-LAS PÉRDIDAS EN EL PRETENSADO. La fuerza de presfuerzo, es la fuerza efectiva aplicada a las armaduras activas de un elemento estructural de concreto pretensado, que varía de acuerdo al tipo de estructura y al sistema de aplicación. Todos estos sistemas producen pérdidas de esfuerzo derivadas de fenómenos naturales como la fricción, la fluencia, la retracción, entre otros; por lo que para la determinación del presfuerzo en los cables, es necesario considerar y tomar en cuenta las perdidas en dos etapas, determinándose primeramente la tensión inicial en cualquier punto del cable, en función de las fuerzas de anclaje, para así deducir las perdidas instantáneas, y segundo, cuantificar las pérdidas diferidas en función del tiempo, como los fenómenos de fluencia y retracción en el concreto, y el de relajación en el acero de alta resistencia. De esta manera se obtiene una ecuación general de fuerza de presfuerzo: Pe = Pgato - Pins – Pdif; donde Pgato vendría a ser el 9
presfuerzo inicial dado por la lectura del equipo hidráulico utilizado para generar la tensión en el cable. El presfuerzo inicial, tiene ciertas limitaciones por razones de seguridad, ya que el esfuerzo de los cables, no deben exceder ciertos valores que son normados, y cuya relación, varía con respecto al tipo de sección del cable utilizado y el tratamiento dado al acero del mismo. Pérdidas Instantáneas. Las pérdidas instantáneas, se presentan apenas son aplicados los esfuerzos, y está conformada por tres tipos de pérdidas que se suscitan en el instante de la aplicación de la carga, las cuales varían en función de una distancia X que hay desde la distancia a estudiar, hasta el anclaje activo más próximo, como son: -Pérdidas Por Fricción: estas se presentan solo en las estructuras postesas, ya que es aquí donde interviene el rozamiento entre el cable y el conducto longitudinal, que genera fricción, presentándose una perdida en el esfuerzo efectivo del tensado, a causa del deslizamiento del cable a través de un trazado que generalmente contiene ciertas desviaciones y curvaturas, que aprietan el cable contra el conducto, provocando una fuerza contraria a la del presfuerzo que deriva en pérdidas de tensión, inclusive, si aun el trazado sea de forma lineal. Así surgen los coeficientes de fricción que producen perdidas, como lo es el coeficiente de rozamiento y el coeficiente de efecto oscilante o longitud, y que varían en función del tipo de acero utilizado, de la naturaleza de los conductos y del estado superficial de ambos, así como de la regularidad del trazado de los conductos longitudinales. -Pérdidas Por Penetración de Cuñas: en los sistemas pretensados anclados por cuñas, los cables siempre sufren un pequeño deslizamiento antes de quedar totalmente acuñados, a causa de la penetración solidaria del cono macho de la cuña y las armaduras activas, hacia el interior del cono hembra durante el anclaje, 10
por efecto de la tensión a la que están sometidos, característico de los sistemas de pretensado, en función de la distancia longitudinal que se desliza el cable dentro de las cuñas antes de quedar anclados totalmente, presentando variaciones en los sistemas pretensados o postensados, en concordancia con la longitud del mismo. Cuando se presentan casos con cables de trazados largos o curvilíneos, para la variación de la perdida de tensión por penetración de cuñas, se toman en cuenta los rozamientos de los conductos, por lo que se pueden considerar las posibles variaciones de los coeficientes de fricción al destensar el cable, con respecto a los valores presentes durante el tensado.
Figura 2.1.-Pérdidas por Penetración de Cuñas.
-Pérdidas Por Acortamiento Elástico Del Concreto: al transferirse la fuerza tensora a un miembro de concreto, se originara un acortamiento elástico en el mismo a medida que se comprime por efecto de dicha fuerza, y que se puede determinar por medio de la relación esfuerzo-deformación del concreto, por lo que la cantidad de acortamiento elástico a la que contribuye el concreto, varía de acuerdo al método de presfuerzo utilizado. En el caso de miembros de concreto pretensado, en los cuales el tendón o cable se encuentra adherido al concreto en el momento de la transferencia de tensión, el cambio en la deformación del acero, es el mismo que el cambio en la deformación de compresión del concreto al nivel del centroide del acero; mientras que en los miembros de concreto postensados, donde se tensan todos los cables al mismo tiempo, la deformación elástica del concreto se suscita cuando se aplica 11
la fuerza en el gato, dándose un acortamiento inmediato en el que no se presentan perdidas, no siendo este el caso, si los cables son tensados progresivamente y no al mismo tiempo. Pérdidas Diferidas. Las pérdidas diferidas, están conformadas por tres tipos de pérdidas que ocurren a lo largo de la vida de una estructura, y las cuales se presentan en función del tiempo, que transcurre inmediatamente se cumplen los procesos de anclado e inyección, las cuales son: -Pérdidas Por Retracción Del Concreto: estas se deben a la pérdida de humedad contenida en la mezcla de concreto durante el fraguado, ya que este se contrae al perder humedad por evaporación, acortándose así el elemento de concreto. La retracción es proporcional a la cantidad de agua empleada en la mezcla del concreto, la cual ocurre de forma acelerada durante las primeras edades del concreto, reduciéndose con el tiempo, y que se ve afectado de manera significativa por la humedad relativa del ambiente, y la edad de los agregados y sus compuestos minerales. -Pérdida Por Fluencia Del Concreto: la fluencia al igual que la retracción, es un fenómeno que se a lo largo del tiempo de vida de una estructura, provocando el aumento en las deformaciones relativas que puedan surgir bajo un presfuerzo permanente, provocando el acortamiento de los cables de tensado, y por consiguiente, un perdida del esfuerzo de tensión. Este fenómeno es decreciente en relación con el tiempo, y aumenta cuando se presentan proporciones aguacemento más altas y agregado-cemento más baja; sin embargo, entre mayor edad tiene el concreto al momento de ser sometido a cargas, más completa es la hidratación del cemento y menor el fenómeno de fluencia del concreto.
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Figura 2.2.-Efectos De Retracción En El Concreto
-Pérdida Por Relajación Del Acero De Presfuerzo: la relajación del acero de presfuerzo, conlleva la pérdida de sus esfuerzos cuando el acero es presforzado y mantenido en la deformación propia del efecto tensor por un considerable período de tiempo. Esto provoca una pérdida de presfuerzo que depende directamente de las características químicas y mecánicas de cada tipo de acero utilizado en los cables, y que deben ser proporcionadas por los fabricantes o proveedores del acero. 3.-FLEXO COMPRESIÓN EQUIVALENTE AL PRETENSADO. En un elemento de concreto armado simplemente apoyado, hay secciones sometidas a compresión que se comportan adecuadamente, y secciones a tracción que actúan de forma relativamente ineficiente, en los que el pretensado procura crear un estado de tensiones iniciales que en combinación con el estado tensional generado por las cargas, se obtenga un nivel de tensiones de tracción y compresión capaces de resistir las cargas actuantes, generando flechas en las piezas flectadas hacia arriba, justo en la sección donde las acciones producirán 13
flechas hacia abajo, reduciéndose e inclusive evitándose la fisuración por tracción, por lo que se puede deducir, que el concreto pretensado, es sometido a dos sistemas de cargas coactuantes, originados por las fuerzas internas provocadas por la tensión del cable, y otro generado por el accionar de las cargas externas o de servicio. El pretensado, introduce a un elemento estructural de concreto, fuerzas creadas artificialmente cuyas acciones generan en dicho elemento, estados tensiónales que superpuestos a los estados de tensión provocados por las cargas externas, le permiten contrarrestar y resistir sus propio peso, y el de las cargas de servicio que actúan sobre el mismo. En el concreto pretensado de un elemento, estos estados tensionales se producen antes de que actúen las cargas externas de servicio e inclusive las de su propio peso, haciendo del conjunto acero-concreto, un elemento activo que ya posee tensión previa. Por lo tanto, conforman un conjunto de fuerzas equivalentes de pretensado, como un sistema autoequilibrado de fuerzas que se concentran en los anclajes y distribuidas a lo largo del cable pretensado, ya que al momento de aplicarse las fuerzas pretensoras, no se encuentra actuando ninguna carga exterior sobre el elemento.
Figura 3.1.-Fuerzas Equivalentes de Pretensados
4.-COMPORTAMIENTO DEL CONCRETO PRETENSADO Y COMPARACION CON EL CONCRETO ARMADO. Bajo el efecto de las cargas ocasionadas por el peso propio y el uso de un miembro estructural de concreto pretensado, se forman momentos positivos que incitan a doblarse hacia abajo a dicho miembro, mientras que en la sección del 14
mismo, se forman tensiones de flexión triangular con las máximas tensiones de tracción en el borde inferior, y las de compresión en el borde superior del elemento como efectos propios del pretensado que actúan en la dirección contraria a las tensiones de las solicitaciones de carga. Con la ayuda del concreto pretensado, es posible conseguir tensiones de compresión en toda la sección de concreto del elemento, por lo que las fuerzas de flexo-compresión correspondiente a estas tensiones, en conjunto con las fuerzas de tracción, que son introducidas en gran parte de forma artificial, mantienen en equilibrio los momentos externos con el brazo de palanca del elemento, activando de esta manera, toda la superficie del concreto en su totalidad; mientras que para las fuerzas de flexo-compresión en el concreto armado, es tomada en cuenta solamente una parte de la superficie de la sección del concreto de un elemento. Lo anteriormente descrito, significa en estado de servicio, un mejor aprovechamiento de la sección de concreto en un miembro pretensado, que un miembro de concreto armado, ya que las solicitaciones que causan la flexión del miembro de concreto pretensado son más pequeñas que las cargas exteriores en el concreto armado, motivo por el cual esta presenta menos flecha que un miembro de concreto armado; ya que al no existir una tensión de tracción en el concreto pretensado, este no se agrieta, presentando una mayor resistencia a la flexión, mucho más que la del concreto armado cuyas zonas a tracción estarían agrietadas. La carga actuantes sobre la sección de concreto de un miembro estructural pretensado, ocasiona un menor esfuerzo cortante que la carga exterior, cuya diferencia es absorbida por la componente de la fuerza de tensión que se halla en el mismo sentido del esfuerzo cortante, cortándose solo axialmente, bajo una fuerza de compresión que absorbe la solicitación a flexión con ayuda de una fuerza de tensión excéntrica propia de las secciones de concreto bajo compresión céntrica, como en el caso de una columna.
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Figura 4.1.-Esquema Comparativo Comportamiento Concreto Amado (1,2) y Concreto Pretensado (5,6)
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CONCLUSIONES. El concreto pretensado, en términos sencillos, es un método que busca la introducción de una carga de manera artificial, mediante el uso de aceros de alta resistencia como armadura, que sirva de contraposición a las tensiones o cargas de servicio del elemento estructural, minimizando las mismas, haciéndolo mucho más resistente. Un elemento estructural de concreto pretensado, gracias a las fuerzas de flexo-compresión y de tracción introducidos en estos, y que equilibran la acción de los momentos positivos de las cargas exteriores, siendo sometido a una solicitación a flexión de igual magnitud que en un elemento estructural de concreto armado, presentaría mucho menos flecha que este ultimo correspondientemente. El concreto armado, se podría considerar como un material mixto donde cada uno de sus componentes (Concreto a compresión y Acero a tracción), cumplen con su función específica, mientras que el concreto presforzado o pretensado no se puede considerar un material mixto, ya que en sí, se trata de un concreto que gracias a un tratamiento mecánico inicial que lo predispone a la compresión, pude resistir un estado de tensiones que de otra manera, lo hubiecen agotado.
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