Hormigón Preesforzado

Introducción Conceptos básicos y generales Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Qué es pre-esforzado? • Es la aplicación de un esfuerzo inicial/final sobre un elemento estructural, que le permite contrarrestar los esfuerzos derivados de las cargas posteriores (muertas, vivas y sísmicas) durante su período de servicio.

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

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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).


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


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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.


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Fíg. 5 Se observa residual de tensión en los radios/rayos aún con la carga aplicada (simulado en Ansys). Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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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 Ing. Marlon Mosquera M. el pretensado circular . ser efectivamente contrarrestado por 8 e-mail:[email protected]

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

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

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

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Primeros intentos del Pre-esforzado

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.


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Primeros intentos del Pre-esforzado 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 preesforzado residual que se encontró fue solamente alrededor del 10% del valor inicial. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Estados de la viga ante las solicitaciones 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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Estados de la viga ante las solicitaciones Viga de concreto con longitud reducida (L3)

Figura 10. Viga con transferencia de compresión (pre-esfuerzo).

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Estados de la viga ante las solicitaciones 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 Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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

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

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Soluciones para incrementar esfuerzo residual ¿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 las grandes solicitaciones del pre-esforzado. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Breve Reseña; • Antes del desarrollo del hormigón preesforzado, dos desarrollos significantes del concreto reforzado fueron el invento del cemento Portland y la introducción del acero en el hormigón. • 1824 Aspdin, J., (England) Obtuvo una patente para manufacturar el cemento Portland. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Breve Reseña; • 1857

Monier, J., (France)

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


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Breve Reseña; • Los siguientes eventos fueron significativos en el desarrollo del hormigón pre-esforzado. • 1886 Jackson, P. H., (USA) Introdujó el concepto de apretar las varillas de acero en piedras artificiales y en arcos de concreto.


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Jackson, P. H. (USA) Introdujó el concepto de apretar las varillas de acero en piedras artificiales y en arcos de concreto. Figura 12. Varillas de acero para tensión en arcos.


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Doehring, C. E. W., (Germany) Manufacturó losas de concreto y pequeñas vigas con aceros tensionados embebidos en el hormigón.


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• 1923

Stainer, C. R., (USA) Identificó perdidas debido a la contracción y fluencia. Recomendó volver a apretar las varillas para recuperar las perdidas del preesforzado. Emperger, F., (Austria) Desarrolló un metodo de bobinado y preesfrozado de alambres de acero de alta resistencia alrededor de tuberías de concreto. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Hewett, W. H., (USA) Usó aro-preesforzado de refuerzo horizontal alrededor de paredes de concreto en tanques a traves del uso de tensores.

Cientos de tanques para almacenamiento de liquidos y tuberías de concreto fueron construidos en las dos decadas siguientes. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Dill, R. H., (USA) Usó gran pre-esfuerzo sin unir varillas de acero. Las varillas fueron tensionadas y ancladas despues del endurecimiento del concreto.


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

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Hoyer, E., (Germany) Desarrolló el “método de pretensores de línea larga”.

• 1940

Magnel, G., (Belgium) Desarrolló un sistema de anclaje para post-tensado usando cuñas planas. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Breve Reseña; Durante la Segunda Guerra Mundial, las aplicaciones de pre-esforzado y concreto prefabricado se incrementó rapidamente. Los nombres de unas pocas personas inmersas en el desarrollo del concreto pre-esforzado son mencionados: Guyon, Y., (France) construyerón numerosos puentes de concreto pre-esforzado en el Este y en Europa Central. Abeles, P. W., (England) introdujó el concepto de preesfuerzo parcial. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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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 fue establecida en 1952. El Instituto de Concreto Prefabricado/Preesforzado (PCI) fue establecido en USA en el año de 1954. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Breve Reseña; •

Hormigón pre-esforzado inició a usarse en elementos de edificios, estructuras de parqueo, estadios, traviesas de ferrocarril, postes de líneas de 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 pretensado. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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

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Introducción Desarrollo de materiales de construcción El desarrollo de hormigón pre-esforzado pudo ser 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. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Introducción Desarrollo de materiales de construcción 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. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Introducción Desarrollo de materiales de construcción En el concreto reforzado, concreto y acero son combinados de tal manera que hormigón resiste a la compresión y acero resiste a la tensión. Esta es 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. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Desarrollo de materiales de construcción Compresión (C) Tensión(T) CyT Piedras-ladrillos Bambú,cuerdas Madera Hormigón

Barras de acero, Acero escable tructural Combinación pasiva Acero de Alta Resistencia

Concreto de Alta Resistencia

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

Concreto reforzado Concreto Preesforzado

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¿Qué es Ho. pre-esforzado? • Es el Ho. del elemento estructural (ee) sobre el cual se aplican fuerzas internas (inicio/fin). Estas le permiten contrarrestar los esfuerzos (hasta un grado deseado) producidos por las cargas posteriores (muertas, vivas y sísmicas) durante su período de servicio. La aplicación de esta técnica al ee mejora el comportamiento y resistencia bajo condiciones de servicio. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Conceptos Básicos • Ho. Pre-tensado.- es el Hormigón en el cual esfuerzos internos son inducidos (usualmente por medio de acero de alta resistencia pretensado), 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. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Curva típica de esfuerzo-deformación para aceros usados en pre-esforzado Esfuerzos, kN/mm2

Aceros de alta resistencia (tendones y barras)

300

f’y

250

Esfuerzos, ksi

200

f’y f’y

Hebra Grado 270

150

Hebra Grado 250 diametro de cable 0.192" Barras de aleación Grado 160

100

Barras de aleación Grado 145

f’y

1% de Extensión

50

0.7% de Extensión

0 0

10

20

30

40

50

60

70

Ep≈ 29 000 ksi = 200 kN/mm2 para cables Ep≈ 27 000 ksi = 186 kN/mm2 para hebras Ep≈ 27 000 ksi = 186 kN/mm2 para barras Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Propiedades de resistencia de alambre, hebra y barra para usar en tendones preesforzado Tipo de material y estándar

Alambre--AS 1310

Super hebra de 7 cables-- AS 1311

Hebra regular de 7 cables--AS1311

Barras--AS1313 (solamente super grado)

Diametro nominal (mm)

Área (mm2)

Carga mínima de ruptura (kN)

Resistencia mínima a la tracción fpk (MPa)

5

19.6

30.4

1550

5

19.6

33.3

1700

7

38.5

65.5

1700

9.3

54.7

102

1860

12.7

100.1

184

1840

15.2

143.3

250

1750

12.7

94.3

165

1750

23

415

450

1080

29

660

710

1080

32

804

870

1080

38

1140

1230

1080


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

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

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Pasos del Pre-tensado


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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 superficie de contacto para una buena conexión. Normalmente tendones de multiples-alambres son usados. • Los 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)


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Desventaja superada del pre-tensado Los 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)


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Ventajas del pre-tensado • La adherencia entre el concreto y el acero transfiere 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 las necesita. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Ventajas del pre-tensado


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Conceptos Básicos • Ho. Post-tensado.- es el Hormigón en el cual esfuerzos internos son inducidos (usualmente por medio de acero de alta resistencia posttensado), 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. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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

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

Ductos pueden ser de metal ligeramente corrugados.

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

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Post-tensado • PVC ,PEAD o envolturas plásticas pueden ser usados como ductos. • Los tendones pueden ser fijados de forma curva para cualquier perfil. La forma del diagrama del momento flector es tipicamente seguido.

Perfiles del tendón en miembros post-tensados.

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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.

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Post-tensado EXTERNO

Disposición típica del tendón en puentes con viga cajón.


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Post-tensado en construcción segmentada de estructuras.

Ejemplos de construcción con segmentos prefabricados (sp), típico en puentes y súper estructuras. Los sp son unidos por post-tensado. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Post-tensado en construcción segmentada de estructuras.

Ejemplos de construcción con segmentos prefabricados (sp), típico en puentes y súper estructuras. Los sp son unidos por post-tensado. Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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


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Post-tensado en construcción segmentada de estructuras prefabricadas.

Pilas de puentes segmentadas, enfoque moderno.

Columnas de templo de Antigua Grecia


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Anclajes,cuñas y tendones.


61

Sistema de pretensado de múltiples hebras

Placa de apoyo


62

Códigos de diseño para Ho. Preesforzado • ACI-318 Código de construcción (capítulo 18)

• AASHTO Load and Resistance Factor Design (LRFD), cápítulo 5. • Otras Instituciones: – PCI.- Instituto de Concreto Prefabricado/Preesforzado – PTI.- Instituto de Post-tensado Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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Momentos y Esfuerzos debido a la flexión


64

Esfuerzos debido a carga muerta y viva

Combinación de esfuerzos en sistema pre-esforzado


65

Falla de viga por sobreesfuerzo de flexión


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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


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Cabeza de gato hidráulico aplicando Post-tensado


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

http://www.westernwoodstructures.com/index.php/white-papers/tinora-h-s-repair/ Ing. Marlon Mosquera M. e-mail:[email protected]

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

C

Tensión (T)

+

Compresión (C)

=

+

C

C

T

T

Condición de Post-tensado

Combinación de esfuerzos en sistema pre-esforzado


73

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


74

Hormigón Preesforzado

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