Ing. Carlos Quintini Alizo Academia Nacional de Ingeniería ... · Mecanismos de Transferencia del...

Ing. Carlos Quintini Alizo

Academia Nacional de Ingeniería y Hábitat

Comisión de Infraestructura

Caracas, Octubre 2018

CONTENIDO

- Introducción

- Literatura Consultada

- Mecanismos de Transferencia del Pretensado Entre el Concreto y el Cable

- Características del Proceso de Cables Postensados

Grados de Acero Utilizados para Cables Pretensados y Postensados

- Grado de Acero y Conformación de Cables Utilizados en el Puente GRU

- Diagrama de Equilibrio Hierro – Carbono

- Propiedades Mecánicas de Cables de Acero Trefilados en Frio a Altas Temperaturas

- Localización del Incendio en el Puente GRU

- Comparación de Curvas de Norma ISO 834 y Curva para Fuegos por Hidrocarburos

- Curvas de Reducción de Resistencia a Altas Temperatura para Tres Tipos de Acero

- Esfuerzo Máximo Residual en Cables Sometidos a Altas Temperaturas

- Isotermas y Gradientes de Temperatura en el Concreto de Losas y Vigas

- Conclusiones

- Recomendaciones

INTRODUCCION

- Durante un fuego en estructuras de concreto pretensado, las propiedades

mecánicas de los materiales así como la distribución de cargas y esfuerzos

pueden ser afectados.

- En esta exposición se presenta información sobre la posible afectación de

las propiedades antes mencionadas específicamente en relación a los

cables pretensados y postensados utilizados.

- Al final se incluyen conclusiones y recomendaciones.

Informes y Literatura Técnica Consultada

› Precomprimido C.A. - Libro ilustrativo Sobre Construcción del Puente GRU – 1963

› Ing. Eduardo Paéz-Pumar – Informe Sobre el Incendio – Agosto 2018

› Norma ASTM E119 “Standard Test Methods for Fire Test of Building Construction and

Materials”

› Norma ASTM A 416 “Standard Specification for Low Relaxation Seven Wire Steel

Strands for Prestressed Concrete”

› Norma ISO 834 “Fire Resistance Tests of Elements in Building Construction – Specific

Requirements for Fire Protection to Structural Steel Elements” - 2014

› “Behavior of Prestressing Steels After a Fire”- J.M. Atienza / M.Elices – University of

Madrid -2007

›“Performance of Fire Damaged Prestressed Concrete Bridges” – Master Thesis

Missouri Univesity of Technology - 2008

Informes y Literatura Técnica Consultada - Continuación

› “Mechanical Properties of Cold Drawn Steel”- Connor Thompson - Master Thesis

Lehigh University – 2015

› “Seven Wire Low Relaxation Prestressing Cable Subjected to Extreme Temperatures:

Residual Properties” – John Myers / Wendy Bailey - International Journal of Reaserch

and Science. -2015

› “Behavior and Structural Design of Concrete Structures Exposed to Fires” – Annelis

De Wit – Master Thesis –Royal Institute of Technology . Sweden – 2011

› “Fire Resistance of Prestressed Concrete” – A.H. Buchanan -1992

› “The Behavior at High Temperature of Steel Strands for Prestressed Concrete”

M.S. Abrams / C.Cruz - 2012

Mecanismos de Transferencia del Pretensado entre el Concreto y los Cables

› En una viga de concreto pretensada primero se pretensan los cables dentro del molde

a valores de entre 70 y 80% del esfuerzo de cedencia y luego se vacía el concreto.

› Cuando el concreto logra su máximo curado(28 días) se elimina el tensionado exterior.

› En un miembro pretensado, el pre-esfuerzo se transfiere por la adhesión entre el concreto

y los cables mediante tres mecanismos:

• Adhesión efectiva entre el concreto y el acero

• Adhesión mecánica en la interface concreto – acero

• Fricción en presencia de compresión transversal

› El pre-esfuerzo es transferido sobre cierta longitud del miembro(viga) llamada “Longitud

de Transferencia”.

› El esfuerzo en el cable es “cero” en los extremos del miembro y se incrementa sobre la

Longitud de Transferencia hasta obtenerse el esfuerzo efectivo, el cual se mantiene

a lo largo de todo el miembro.

› Para concretos con resistencia no menor a 35 Mpa (5.076 Psi), la “Longitud de Transferencia”

del cable debe ser aproximadamente 60 veces el diámetro.

Gráfico Relación Esfuerzo Efectivo(fpe) – Longitud de Transferencia(Lt)

Detalle de Viga de Apoyo Simple Prefabricada y Prestensada del Puente GRU

Características del Proceso de Cables Postensados

- Los grados de acero son los mismos utilizados en el proceso pretensado.

- Requiere la colocación de ductos en el armado del encofrado.

- Con el concreto vaciado y curado, se introducen los cables por los ductos, se tensionan

manteniéndose la tensión con anclajes en los extremos de la viga.

- Existen dos procesos de postensado:

› Postensado sin adhesión al concreto(unbonded), donde los cables quedan libres

dentro de los ductos.

› Postensado con adhesión al concreto(bonded), donde los ductos son inyectados

con una lechada especial de cemento.|

Esquema de Proceso de Postensado Sin Adherencia a la Viga de Concreto

Grados de Aceros Utilizados Para Cables Pretensados

- La norma IS 785(Parte 1)

Permite un acero de alta resistencia trefilado en frío, con % de Carbono entre 0.60 y 0.85

en diámetros de 3, 4, 5, 7 y 8 mm

- La norma ASTM A416 especifica:

› Dos grados de acero para cables de 7 alambres.

› Los dos tipos de cables pueden ser de “baja relajación”* y de “relajación normal”.

› Los dos grados de “baja relajación” son los estándar, con esfuerzos máximos de

250 Ksi y 270 Ksi, respectivamente basado en el diámetro nominal del cable.

*El grado de “baja relajación” se obtiene calentando el cable a 350°C bajo tensión,

llevando el acero al 90% del Esfuerzo de Cedencia, logrando mejorar el comportamiento

“Esfuerzo – Deformación” al reducir la deformación plástica del punto de Cedencia.

Configuración del Cable de Siete Alambres(Hilos) Estandarizado en Norma ASTM A 416

Grado de Acero y Conformación de Cables Pretensados Utilizados en el Puente GRU

- Se utilizó alambre trefilado en frío para fabricar cables de 18 hilos con diámetro de

7 mm (¼ de pulgada).

- El acero fue fabricado por el proceso Siemens - Martin (ya en desuso) para producir

acero al Carbono de alta resistencia de composición Eutectoide(0.80%C).

- El rango de la resistencia a la tracción (esfuerzo máximo) era de 150 – 170 K/mm

correspondiente a 213 – 241 Ksi.

- Estos últimos valores equivalen a 85,2% y 96,4% respectivamente del grado 250

(250 Ksi) especificado en la norma ASTM A 416.

Diagrama de Equilibrio Hierro - Carbono

Metalografias de Aceros al Carbono – Aumento de la Resistencia con Mayores Porcentajes de Carbono

Localización del incendio en la Pila 23 del Puente GRU

Colocación de las Cimbras que Soportarán las Jaulas de Encofrado de la Viga Mesa

Detalle del extremo donde se conecta la Viga Mesa

Columnas de Humo Saliendo por las “Bocas de Visita” de la Viga Mesa

Interior de la Viga Mesa –Desprendimiento del concreto y exposición de armadura

Comparacion de Curva de Norma ISO 834 y Curva para Fuegos Por Hidrocarburos

Propiedades Mecánicas de Cables de Acero Trefilados en Frío a Altas Temperaturas

- En fuegos causados por combustibles(hidrocarburos), la temperatura máxima(aprox.

1.100°C) se alcanza mas rápidamente que en la curva de la norma ASTM E119.

- Las propiedades mecánicas de cables de acero trefilados en frío son más susceptibles

a temperaturas altas y se degradan mas rápido que en cables trefilados posteriormente

tratados térmicamente.

- El endurecimiento por deformación (aumento de la resistencia) utilizado en el trefilado

en frío, se pierde a altas temperaturas al permitir que la microestructura deformada

sea restituida parcial o totalmente por la microestructura original.

Norma ACI 216- Curvas de Reducción de Resistencia para Tres Tipos de Acero

Resistencia (Esfuerzo Máximo) Residual en Cables Sometidos a Altas Temperaturas – Graf. 1

Resistencia (Esfuerzo Máximo) Residual en Cables Sometidos a Altas Temperaturas – Graf. 2

Gradientes e Isotermas de Temperatura en el Concreto de Losas y Vigas a Altas Temperaturas

CONCLUSIONES- Las propiedades mecánicas de los cables pretensados comienzan a degradarse en el

rango de temperatura 350 – 450°C.

- A partir del rango de temperatura 450 - 550°C, la reducción del esfuerzo máximo puede

alcanzar un 50 – 60%.

- La duración a la exposición a altas temperaturas es crítica en el esfuerzo máximo residual

luego del enfriamiento.

- El esfuerzo de adhesión del concreto de alta resistencia se reduce significativamente con la

exposición a altas temperaturas. A los 260°C su promedio es 90% y a mayores temperaturas

la pérdida de resistencia aumenta de manera mas acelerada.

-La pérdida de propiedades mecánicas es similar entre cables pretensados y postensados.

- Las curvas e isotermas en secciones internas del concreto de losas y vigas coinciden en

temperaturas internas de 550°C y 400°C para espesores de concreto de 45 y 80 mm

respectivamente.

-El sitio confinado del incendio en el puente GRU genera varios factores de incertidumbre en cuanto a la

concentración y distribución del calor en el espacio del cajón, la temperatura alcanzada al consumirse

el aire, la magnitud de la fuga de aceite y la verdadera duración de las llamas.

RECOMENDACIONES

- Realizar una prueba de carga en la viga mesa afectada tal como se recomienda en el

informe del lng. Eduardo Paéz-Pumar.

- Estudiar la posibilidad de emplear tecnología de punta en ultrasonido, fuga de flujo

magnético, técnicas de radar y otras para obtener información del estado de los cables.

- Realizar estudios con técnicas computarizadas avanzadas de simulación de varios escenarios

de distribución de temperaturas y pérdida de resistencia tanto de los cables como del concreto

- Cuantificar en las caras de los muros verticales y horizontales de la viga mesa la

pérdida de espesor del concreto debido al desprendimiento o astillado(spalling),

permitiendo obtener el espesor remanente real entre las caras y los cables de prestensado.

- Si en las viga mesas se utilizaron cables postensados del tipo sin adherencia al concreto,

estudiar la posibilidad de extraer varios de diferentes sitios para realizarles ensayos sobre

las propiedades mecánicas remanentes.