“Historia del Concreto Presforzado”
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Palabras claves:
Presforzado pre-compresión Tensión Tracción Zunchos Tensado Precoladas Postensado. Resistencia Presfuerzo Pre-Comprimido Carga Rupturas Compresión
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Introducción Para entender que es y cómo funciona el concreto presforzado, cabe mencionar que estructuralmente el presfuerzo implica la creación de esfuerzos internos en una estructura o conjunto de piezas para mejorar su comportamiento y resistencia bajo condiciones de servicio y resistencia. Los principios y técnicas del presforzado se han aplicado a estructuras de muchos tipos y materiales, la aplicación más común ha tenido lugar en el diseño del concreto estructural.
El concepto original del concreto presforzado consistió en introducir en vigas suficiente pre-compresión axial para que se eliminaran todos los esfuerzos de tensión que actuarán en el concreto. Con la práctica y el avance en conocimiento, se ha visto que esta idea es innecesariamente restrictiva, pues pueden permitirse esfuerzos de tensión en el concreto y un cierto ancho de grietas.
El ACI propone la siguiente definición:
Concreto presforzado: concreto en el cual han sido introducidos esfuerzos internos de tal magnitud y distribución que los esfuerzos resultantes debido a cargas externas son contrarrestados a un grado deseado.
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En elementos de concreto reforzado el presfuerzo es introducido comúnmente tensando el acero de refuerzo.
Dos conceptos o características diferentes pueden ser aplicados para explicar y analizar el comportamiento básico del concreto presforzado. Es importante que el diseñador entienda los dos conceptos para que pueda proporcionar y diseñar estructuras de concreto presforzado con inteligencia y eficacia.
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Historia del concreto presforzado
La idea y principios de la precompresión en el hormigón datan de bastante tiempo atrás. Con el uso de los zunchos en los toneles se estaba básicamente precomprimiendo al hormigón por el efecto de confinamiento provocado por la tracción en dichos zunchos reaccionando contra las paredes del tonel. A fines del siglo XIX, por el año 1886, P. H Jackson de San Francisco realizó una propuesta de precomprimir al hormigón. En 1888 W. Dörung de Berlín solicitó una patente referida a precompresión del hormigón en mesas de tensado. Los primeros ensayos en elementos de hormigón que contenían armaduras de resistencia convencional (la utilizada en el hormigón armado) previamente traccionadas y con precompresión por adherencia fueron realizados en 1906 (hace casi 100 años) por M. Koenen, en Berlín. Estos y otros intentos pioneros de esa época no fueron satisfactorios puesto que, al no haber utilizado aceros de alta resistencia, las bajas tensiones iniciales en dichas barras se perdían en su casi totalidad debido a las pérdidas del tensado inicial de las barras.
El desarrollo moderno del hormigón precomprimido es debido al francés Eugene Freyssinet, quien claramente mostró los efectos de la fluencia lenta y la contracción del hormigón. Este investigador en 1928 demostró que mediante el uso de acero de alta resistencia las pérdidas de tensiones se podían mantener en niveles razonablemente bajos.
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La expansión del hormigón precomprimido se volvió posible cuando se desarrollaron métodos confiables para el tensado de las barras y para los anclajes extremos de las mismas, como los que desarrolló Freyssinet en 1939. El uso del hormigón precomprimido se extendió rápidamente. Ya en el año 1951 se informaba que en Europa se habían construido 175 puentes y 50 pórticos en edificios de viviendas con hormigón precomprimido. En América del Norte, por ejemplo, para ese tiempo se habían construido cerca de 700 tanques de reserva de agua con hormigón precomprimido.
Principalmente por razones económicas el desarrollo del concreto presforzado ha tenido lugar en los Estados Unidos siguiendo líneas muy diferentes en comparación con el desarrollo que tuvo Europa.
Hasta tiempos recientes, el interés princicipal había estado estado en las unidades precoladas pretensadas de claro corto o mediano, que podían llevarse a cabo en producción en masa con grandes economías en los costos de mano de obra. Habiéndose usado para pisos, techos y muros, estas unidades han dado cuenta de una fracción significativa de las nuevas construcciones, e indudablemente continuara dándola. Aunque prácticamente fue hasta 1926 en que el señor E, Freyssinet realizo sus célebres experiencias de Plougastel, el “Presforzado” no existía, es justo mencionar como un pequeño homenaje de gratitud por los esfuerzos realizados, a algunos de los investigadores
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que desde el año de 1886perseguian, aunque en forma confusa la aplicación de esfuerzos previos a los elementos estructurales. Demuestra y cuantifica la existencia del escurrimiento plástico del concreto y deduce y demuestra la necesidad en emplear concretos de gran resistencia y de módulo de elasticidad elevado y, al mismo tiempo, la necesidad de acero de alta resistencia y módulo de elasticidad bajo.
Pero no solo hace posible, con tal descubrimiento, la existencia del concreto presforzado, sino que también inventa dispositivo para presforzar y procedimientos productivos aplicables a esta nueva técnica.
En síntesis, no solo descubre la forma de hacer posible el presforzado, sino que lo hace prácticos industrializable y económico; es pues a él, con indiscutible derecho a quien se le puede y debe otorgar la paternidad de este avance tecnológico tan notable de la Ingeniería Civil.
A partir de esta época el presforzado se desarrolla en todas partes del mundo.
En Alemania, Hoyer organiza el trabajo de construcción en serie de elementos de concreto presforzado.
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Moersch, Dischinger y Finstenvalder, inventan sistemas especiales de anclaje y estudian la aplicación a un puente. En 1936, Losier hace pruebas con cemento expansivo y en compañía de Lebelle escriben un tratado sobre el tema.
Shorer y Chalos, esperimentan con cables enrollados sobre un tubo.
La casa Wayss y Fraytag. Hace pruebas con grandes vigas.
En Inglaterra Mauntner, Evans y algunos más trabajan activamente, escribiendo este último un tratado sobre presforzado.
En Suiza, Ross, Ritter, Lardy, Stucky, Bolomey, Hubner y algunos otros.
En Italia a partir de 1938, Colonnetti, Cestelil, Magistretti y algunos otros trabajan intensamente para desarrollar esta técnica en su país.
En Belgica, principalmente, Magnel desarrolla su técnica especial de anclaje a base de placas Sandwich.
Actualmente, en todas partes del mundo, gran número de investigadores trabajan intensamente para mejorar cada vez más el presforzado.
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Para dar una idea, aunque sea aproximada, del desarrollo gigantesco que se ha producido anotamos lo siguiente:
En Alemania, entre los años de 1949 a 1953, solo puentes se construyeron de 150 de presforzado.
En EE. UU. Solo la Preload Company construyo hasta el año de 1953, 700 tanques elevados. En el mismo año se fundaron solo en este país 34 plantas de C.P.E.
En todas partes del mundo se construyen puentes, e dificios, presas, hangares, pistas, carreteras, durmientes, postes, tuberías, cascarones, etc., es decir, todo tipo de estructura y elementos estructurales.
Finalmente, en nuestro país, a pesar de la falta de aceros de lata resistencia, toda carta de naturalización el concreto presforzado; creemos firmemente que en los próximos 10 años se empleara aquí con la misma intensidad con la que se emplea en los otros países mas adelantados en esta técnica.
Es por ello que Eugene Freyssinet, padre del concreto presforzado, definio este de la siguiente manera:” preforzar una estructura es crear artificialmente en ella, entes de la aplicación de las cargas externas o simultáneamente con ellas, unas tensiones permanetes
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que superpuestas a las debidas cargas exteriores hagan que las tensiones totales en todos los puntos de la estructura y para todas las hipótesis de carga, permanezcan dentro de las tensiones administrables que pueden soportar indefinidamente el material de la estructura”.
Esta definición indican que se pueden presforzar diferentes materiales estructurables:concreto, acero, madera, etc.
Es importante señalar que el concreto presforzado tiene dos categorías: Pretensado y postensado.
Pretensado: Los miembros del concreto pretensado presforzado se producen tensando los tendones entre anclajes externos antes de vaciar el concreto y al endurecerse el concreto fresco, se adhiere al acero. Cuando el concreto alcanza la resistencia requerida, se retira la fuerza pres-forzante aplicada por gatos, y esa misma fuerza es transmitida por adherencia, del acero al concreto.
Postensado: En el caso de los miembros de concreto postensado, se esfuerzan los tendones después de que ha endurecido el concreto y de que se haya alcanzado suficiente resistencia, aplicando la acción de los gatos contra el miembro de concreto mismo. Principios generales y ventajas del concreto común
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El presfuerzo significa la creación intencional de esfuerzos permanentes en una estructura o conjunto de piezas, con el propósito de mejorar su comportamiento y resistencia bajo condiciones de servicio y de resistencia. Los principios y técnicas del presforzado se han aplicado a estructuras de muchos tipos y materiales, la aplicación más común ha tenido lugar en el diseño del concreto estructural.
Además de los aspectos funcionales y económicos especiales del concreto como material de construcción de puentes, ciertas propiedades mecánicas y físicas son importantes con respecto a la aplicación y el comportamiento del concreto.
Las varillas para el refuerzo de estructuras de concreto resforzado, se fabrican en forma tal de cumplir con los requisitos de las siguientes especificaciones ASTM: A-615 “varillas de acero de riel relaminado corrugadas y lisas para refuerzo de concreto”, o la A617 “varillas de acero de eje corrugado y lisas concreto reforzado”. Las varillas se pueden conseguir en diámetros nominales que van desde 3/8 de pulg. Hasta 1 3/8 de pulg., con incrementos de 1/8 de pulg., y también en dos tamaños más grandes de más a menos 1 ¾ y 2 ¼ de pulg.
El presfuerzo puede definirse en términos generales como precargado de una estructura, antes de la aplicación de las cargas de diseño requeridas, hecho en forma tal que mejore su comportamiento general. Una de las mejores definiciones del concreto presforzado es la del Comité de Concreto Presforzado del ACI (American Concrete Institute), que dice:
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Concreto presforzado: concreto en el cual han sido introducidos esfuerzos internos de tal magnitud y distribución que los esfuerzos resultantes de las cargas externas dadas se equilibran hasta un grado deseado.
El presfuerzo puede definirse también en términos generales como el precargado de una estructura, antes de a aplicación de las cargas de diseño requeridas, hecho en forma tal que mejore su comportamiento general.
Aunque los principios y las técnicas del presforzado se han aplicado a estructuras de muchos tipos y materiales, la aplicación más común ha tenido lugar en el diseño del concreto estructural.
En esencia, el concreto es un material que trabaja a compresión. Su resistencia a la tensión es mucho más baja que a la compresión, y en muchos casos, al diseñar, se deja fuera de consideración aquella. Por tanto, el presfuerzo del concreto implica naturalmente la aplicación de una carga compresiva, previa a la aplicación de las cargas anticipadas de diseño, en forma tal que se reduzcan o eliminen los esfuerzos de tensión que de otra forma ocurrirían.
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Tipos de concreto utilizados para el concreto presforzado
Generalmente se requiere un concreto de mayor resistencia para el trabajo de presforzado que para el reforzado. La práctica actual en puentes pide una resistencia a los cilindros de 28 días de 280 a 350 kg/cm2 para el concreto presforzado, mientras que el valor correspondiente para el concreto reforzado es de 170 kg/cm2 aproximadamente.
Un factor por lo que es determinante la necesidad de concretos más resistentes, es que el concreto de alta resistencia esta menos expuesto a las grietas por contracción que aparecen frecuentemente en el concreto de baja resistencia antes de la aplicación de presfuerzo.
Es importante seguir todas las recomendaciones y especificaciones de cada proyecto a fin de cumplir con las solicitaciones requeridas. Por lo general para obtener una resistencia de 350 kg/cm2, es necesario usar una relación de agua-cemento no mucho mayor que 0.45.
Con el objetivo de facilitar el colado, se necesitará un revenimiento de 5 a 10 cm. Para obtener un revenimiento de 7.5 cm con una relación agua-cemento de 0.45 se requerirían alrededor de 10 sacos de cemento po r metro cubico de concreto. Si no es posible un vibrado cuidadoso, se puede emplear conc reto con un revenimiento de 1.2 cm o cero, y serían suficientes poco menos de 9 sacos por metro cubico de concreto.
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Puesto que con una cantidad excesiva de cemento se tiende a aumentar la contracción, es deseable siempre un factor bajo de cemento. Con este fin, se recomienda un buen vibrado siempre que sea posible, y para aumentar la maniobrabilidad pueden emplearse ventajosamente aditivos apropiados.
Resultados y discusión
El presforzado ha hecho posible la creación de estructuras que sin este método no se hubieran podido lograr. Sin embargo, existe un número limitado de medios con los cuales se puede tensar y anclar las varillas y los cables, por lo que el panorama de innovación tiene que ser lento por ahora. Existe todavía mucho por hacer en el trabajo detallado de refinar el presfuerzo y aun más para extender su uso.
Dos de las aplicaciones más importantes que tiene el presforzado se han realizado y desarrollado al construir grandes estructuras marítimas (puertas, terminales fuera de la costa, plataformas fijas y flotantes para la producción del petróleo) y estaciones de energía nuclear.
Asimismo, es posible que el concreto presforzado incremente su participación en la construcción de puentes y los defensores del concreto de alta resistencia compitan con los defensores del concreto aligerado sobre la mejor forma de construcción.
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Al concreto presforzado también se le conoce como pre-comprimido; esto significa que antes de empezar su vida de trabajo se le aplican esfuerzos de compresión en aquellas zonas donde se desarrollaran esfuerzos de tensión bajo cargas de trabajo.
El concreto es muy resistente ante la compresión, pero débil en tensión, considérese una viga de concreto simple soportando una carga. Al incrementar la carga, la viga se deflexiona ligeramente y después falla repentinamente. Bajo la carga, los esfuerzos en la viga serán de compresión en las fibras superiores, y de tensión en las inferiores. Es probable que la viga se agriete en su parte inferior y sufra rupturas, aun con cargas relativamente pequeñas, debido a la baja resistencia del concreto a la tensión.
Existen dos formas de contrarrestarla con el empleo de refuerzos o presforzando.
En el concreto presforzado los esfuerzos de compresión introducidos en las zonas donde se desarrollan los esfuerzos de tensión bajo la carga, resistirán o anularán estos esfuerzos de tensión.
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Lo más relevante del hormigón presforzado del hormigón armado El presfuerzo puede definirse en términos generales como precargado de una estructura, antes de la aplicación de las cargas de diseño requerido, hecho en forma tal que mejore su comportamiento general. La carga de trabajos de los esfuerzos de tensión ocasionados por la misma no excede del presfuerzo, el concreto no se agrietará en la zona de tensión, pero si sobrepasa la carga de trabajo y los esfuerzos de tensión resultan mayores que el presfuerzo surgirán grietas. Si esta carga se retira el concreto presforzado tiende a desaparecer estas grietas, los cuales no parecen bajo las cargas de trabajo. Esta pre-compresión se logra mediante el empleo de gatos aplicados externamente, las cuales después de comprimir la mayor parte de la losa entre dos apoyos fijos se puede sustituir por el resto de la losa. Los cables torones tienen mayor resistencia a la tensión al paso del tiempo y permiten mayor espacio entre columna. Debido a que la adherencia entre el acero y el concreto es suficiente para soportar el acortamiento el acero, el concreto es comprimido. El uso de acero de muy alta resistencia para el presfuerzo es necesario por razones físicas básicas. Las propiedades mecánicas de este acero tal como lo revelan las curvas de esfuerzo deformación, son algo diferentes de aquellas del acero convencional usado para el refuerzo del concreto. Adicionalmente a su alta resistencia, el proyectista debe tomar en cuenta las diferencias de ductilidad, carencia de un punto de fluencia b ien definido, y otras características de gran importancia técnica. Las varillas de refuerzo comunes usadas en estructuras no presforzadas, también desempeñan un papel importante dentro de la
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construcción presforzada. Se usan como refuerzo en el alma, refuerzo longitudinal suplementario, y para otros fines. El concreto empleado en miembros presforzados es normalmente de resistencia más alta que el de las estructuras no presforzadas. Las diferencias en el módulo de elasticidad, capacidad de deformación y resistencia deberán tomarse en cuenta en el diseño, y la característica de dependencia del tiempo asume una crucial importancia. El aumento de empleo de concretos ligeros en los años recientes ha permitido la reducción de las cargas muertas, lo cual es un hecho de especial importancia para las estructuras de concreto, y ha facilitado el manejo de grandes componentes estructurales precolados. Los avances en la tecnología del concreto han resultado en el desarrollo de concretos de agregados ligeros con resistencia comparables a las de materiales con densidad normal. Sus características dc deformación, inclusive los efectos que dependen del tiempo, deberán de comprenderse plenamente antes de ser usados con plena confianza.
El hormigón armado es una de las estructuras más importantes para la construcción, ya que hace más resistentes los materiales comunes.
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