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trabajo acerca de elementos presforzados, perdidas de presfuerzo, aceros de presfuerzo
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INTRODUCCIÓN.
Sabiendo que la presencia de una fisura moderada no es
normalmente perjudicial en el concreto estructural, tampoco una fisura
excesiva es deseable ya que deja las estructuras al aire libre y sujeto a
corrosión. Es de apariencia desagradable y puede precipitar una rotura
prematura por tracción diagonal.
Cuando utilizamos un método exacto para el cálculo, la utilización de
materiales de resistencia altamente elevadas está limitado por
consideraciones de flechas, los elementos esbeltos resultantes de este
cálculo pueden admitir flechas que sean visual o funcionalmente
inaceptables. Estas características indeseables del concreto armado se han
ido eliminando en su mayor parte mediante la creación de concreto
pretensado.
El pretensado puede usarse en la obra cuando se requiera de un gran
número de unidades similares prefabricadas, pero normalmente se lleva a
cabo en la planta donde ya han sido previamente construidas mesas
permanentes de tensado. El método más efectivo es el de producción a gran
escala, en la que un cierto número de unidades análogas se producen
simultáneamente. Los tendones de acero se tensan entre las placas de
anclaje situadas en cada extremo de una mesa larga de tensado. Dichas
placas se encuentran soportadas por grandes secciones de acero ahogadas
en un macizo de concreto (muerto de anclaje) en cada extremo de la
superficie de vaciado.
En la presente investigación habrá, conceptos fundamentales que
permitirán la integra comprensión de la funcionalidad de elementos
pretensados de concreto.
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En un principio se definirá el término pretensado, se explicará en qué
consiste el concreto pretensado y cuáles son sus principios, así como los
materiales empleados para su fabricación: aceros de alta resistencia,
características del concreto empleado para pretensado, aditivos usados,
método de curado.
Seguidamente se detallarán las pérdidas de presfuerzo posibles en el
proceso de pretensado, así como los fenómenos de retracción y fluencia que
sufre el concreto. Esfuerzos permitidos por norma y deflexiones máximas
permitidas.
Se hablará sobre el concreto liviano estructural, diseño de mezclas y
características particulares de este tipo de concreto. Además se explicarán
los diferentes tipos de acero de refuerzo usados en elementos pretensados
como es el caso de las populares barras corrugadas de acero y los límites
elásticos convencionales del acero de refuerzo que usualmente se usa para
reforzar elementos de concreto pretensado.
Para complementar la investigación realizada se presentará al final
una serie de anexos donde se indican las fichas técnicas de algunos aditivos
empleados en el concreto pretensado así como algunos detalles de
diferentes secciones de concreto prefabricados en Venezuela.
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1.- PRETENSADO
El término pretensado se usa para describir el método de presfuerzo
en el cual los tendones se tensan antes de colar el concreto. Se requiere de
moldes o muertos (bloques de concreto enterrados en el suelo) que sean
capaces de soportar el total de la fuerza de presfuerzo durante el vaciado y
curado del concreto antes de cortar los tendones y que la fuerza pueda ser
transmitida al elemento. La mayoría de los elementos presforzados se
fabrican en serie dentro de plantas con instalaciones adecuadas, donde se
logra la reutilización de moldes metálicos o de concreto y se pueden
presforzar en una sola operación varios elementos. Los elementos
pretensados más comunes son viguetas, trabes, losas y gradas, aplicados
edificios, naves, puentes, gimnasios y estadios principalmente.
1.1.- CONCRETO PRETENSADO
Se denomina concreto pretensado a un concreto al que, antes de la
puesta en servicio, se le introducen refuerzos mediante cables o alambres de
acero. El esfuerzo de pretensado se puede transmitir al concreto de dos
formas: mediante armaduras pretesas (generalmente alambres), método
utilizado mayoritariamente en elementos prefabricados; o mediante
armaduras postesas (generalmente torones, grupos de cables), método
utilizado mayoritariamente en piezas concreto vaciadas in situ. Generalmente
el presfuerzo se induce por medio de cables de acero de alta resistencia, los
cuales se tensan y a continuación se anclan. Los torones deben ser capaces
de precomprimir el concreto en base a la adherencia de los mismos con el
concreto, como ocurre en el concreto pretensado. Normalmente al aplicar
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esta técnica, se emplea concreto y acero de altas resistencias para resistir
los enormes esfuerzos inducidos.
El concreto pretensado es la tipologia de construcción de elementos
estructurales de concreto sometidos intencionadamente a esfuerzos de
compresión previos a su puesta en servicio. En planta es donde recibe la
tension de proyecto, y sobre la cual trabajara. Necesita de un proceso de
fraguado de ciertos dias para poder realizar la tension indicada. Dichos
esfuerzos se consiguen mediante cables de acero que son tensados y
anclados al concreto. El objetivo es lograr que parte de las tracciones que
producirían las cargas de servicio se traduzcan en una disminución de la
compresión lograda al pretensar el material.
Característica del Concreto Pretensado
1. Pieza prefabricada
2. El presfuerzo se aplica antes que las cargas
3. El anclaje se da por adherencia
4. La acción del presfuerzo es interna
5. El acero tiene trayectorias rectas
6. Las piezas son generalmente simplemente apoyadas (elemento estático)
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1.2.- PRINCIPIO DE PRETENSADO
Los tendones, generalmente son de cable torcido con varios torones
de varios alambres cada uno, se restiran o se tensan entre apoyos. Se mide
el alargamiento de los tendones, así como la fuerza de tensión aplicada con
los gatos. Con la cimbra en su lugar, se vacía el concreto en torno al tendón
esforzado. A menudo se usa concreto de lata resistencia a corto tiempo, a la
vez que es curado con vapor de agua, para acelerar el endurecimiento.
Después de haberse logrado la resistencia requerida, se libera la presión de
los gatos. Los torones tienden a acortarse, pero no lo hacen por estar ligados
al concreto por adherencia. En esta forma la fuerza de presfuerzo es
transferida al concreto por adherencia, en su mayor parte cerca de los
extremos de la viga.
Con frecuencia se usan uno, dos o tres depresores intermedios del
cable para obtener el perfil deseado. Estos dispositivos de sujeción quedan
embebidos en el elemento al que se le aplica el presfuerzo.
2.- PRINCIPIOS GENERALES PARA EL DISEÑO DE ARMADURAS DEL
CONCRETO PRETENSADO.
2.1.- Mecanismo resistente en el concreto presforzado
El principio básico del presforzado consiste en aplicar una fuerza de
compresión en la sección, que contrarreste los esfuerzos de tracción
producidos por la flexión. Este presfuerzo es aplicado generalmente
mediante una fuerza excéntrica producida por un cable paralelo o con
inclinación ligera respecto al eje del elemento. Estos cables de acero de alta
resistencia denominados tendones, pasan a lo largo del elemento y
transmiten su fuerza generalmente en los extremos; pueden ser alambres o
hilos individuales (usualmente de diámetro 5mm) o torones trenzados de 7
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hilos (generalmente de diámetros de 3/8, 1/2 o 5/8 pulgadas).
Los tendones de acero en el concreto pretensado están adheridos al
concreto a lo largo del elemento, como en el refuerzo no tensionado y
transmiten su fuerza por adherencia. Para construir un elemento pretensado
es necesario que antes de colocar el concreto se mantengan tensionados los
tendones o alambres entre anclajes externos, hasta que el concreto se haya
endurecido; entonces se pueden liberar los tendones y se produce la
transmisión del presfuerzos al elemento.
2.2.- Factores a considerar en el diseño de armaduras para
concreto pretensado:
La resistencia de carga de los elementos pretensados varían en
función de la calidad del concreto utilizado y la cantidad y calidad de
acero de presfuerzo y refuerzo utilizados.
El principio básico es tensar el torón o los torones de acero por medio
de gatos hidráulicos en los extremos apoyados, para luego vaciar el
concreto y una vez que este fragüe y alcance cierta resistencia se
libera el esfuerzo de tensado de los torones para que cuando el acero
busque de retraerse de nuevo buscando su posición inicial genere en
la pieza de concreto un esfuerzo de compresión interna aumentando
de esta manera su resistencia a la flexión.
En el diseño de armaduras hay que tener en cuenta las solicitaciones
producidas por efecto de las cargas, así como las flechas posibles en
condiciones normales con el fin de introducir esfuerzos que generen
contraflechas y equilibre las cargas.
Es importante tomar en cuenta la fluencia y la relajación del acero de
presfuerzo a utilizar para estimar y minimizar las pérdidas de
presfuerzos internos y hacer más eficiente la pieza de concreto
pretensado.
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3.- ACERO PARA CONCRETO PRETENSADO
El acero de presfuerzo es el material que va a provocar de manera
activa momentos y esfuerzos que contrarresten a los causados por las
cargas. Existen tres formas comunes de emplear el acero de presfuerzo:
alambres, torón y barras de acero de de aleación.
El uso de acero de 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.
El cable trenzado se usa casi siempre en miembros pretensados, y a
menudo se usa también en construcción postensada. El cable trenzado se
fabrica de acuerdo con la especificación ASTM A-416, "Cable Trenzado, Sin
Revestimiento, de Siete Alambres, Relevado de Esfuerzos, Para Concreto
Presforzado". Es fabricado con siete alambres firmemente torcidos alrededor
de un séptimo de diámetro ligeramente mayor. El paso de la espiral del
torcido es de 12 a 16 veces el diámetro nominal del cable. Los cables
pueden obtenerse entre un rango de tamaños que va desde 6.35 mm hasta
0.60 mm de diámetro, se fabrican en dos grados: el grado 250 y 270 los
cuales tienen una resistencia última mínima de 1720 y 1860 N/mm2
respectivamente, estando estas basadas en el área nominal del cable.
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3.1.- TIPOS DE ACERO UTILIZADOS PARA EL CONCRETO
PRESFORZADO
Los alambres redondos:
Se usan en la construcción de concreto presforzado postensado y
ocasionalmente en obras pretensadas se fabrican en forma tal que cumplan
con los requisitos de la especificación ASTM A-421, "Alambres sin
Revestimiento, Relevados de Esfuerzo, para Concreto Presforzado".
Los alambres individuales se fabrican laminando en caliente lingotes
de acero hasta obtener alambres redondos que, después del enfriamiento,
pasan a través de troqueles para reducir su diámetro hasta su tamaño
requerido. El proceso de estirado, se ejecuta en frío lo que modifica
notablemente sus propiedades mecánicas e incrementa su resistencia.
Posteriormente se les libera de esfuerzos residuales mediante un tratamiento
continuo de calentamiento hasta obtener las propiedades mecánicas
prescritas. Los alambres se fabrican en diámetros de 3, 4, 5, 6, 7, 9.4 y 10
mm y las resistencias varían desde 16,000 hasta 19,000 kg/cm2. Los
alambres de 5, 6 y 7 mm pueden tener acabado liso, dentado y tridentado.
El cable trenzado:
Se usa casi siempre en miembros pretensados, y a menudo se usa
también en construcción postensada. El cable trenzado se fabrica de
acuerdo con la especificación ASTM A-416, "Cable Trenzado, Sin
Revestimiento, de Siete Alambres, Relevado de Esfuerzos, Para Concreto
Presforzado". Es fabricado con siete alambres firmemente torcidos alrededor
de un séptimo de diámetro ligeramente mayor. El paso de la espiral del
torcido es de 12 a 16 veces el diámetro nominal del cable. Los cables
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pueden obtenerse entre un rango de tamaños que va desde 6.35 mm hasta
0.60 mm de diámetro, se fabrican en dos grados: el grado 250 y 270 los
cuales tienen una resistencia última mínima de 1720 y 1860 N/mm2
respectivamente, estando estas basadas en el área nominal del cable.
Torón:
El torón se fabrica con siete alambres firmemente torcidos cuyas
características se mencionaron en el párrafo anterior; sin embargo, las
propiedades mecánicas comparadas con las de los alambres mejoran
notablemente, sobre todo la adherencia. El paso de la espiral o hélice de
torcido es de 12 a 16 veces el diámetro nominal del cable. La resistencia a la
ruptura, fsr, es de 19,000 kg/cm2 para el grado 270K (270,000 lb/pulg2), que
es el más utilizado actualmente. Los torones pueden obtenerse entre un
rango de tamaños que va desde 3/8” hasta 0.6 pulgadas de diámetro, siendo
los más comunes los de 3/8” y de 1/2" con áreas nominales de 54.8 y 98.7
mm2, respectivamente.
Barras de acero de aleación de acero:
La alta resistencia que se necesita se obtiene mediante la introducción
de ciertos elementos de ligazón, principalmente manganeso, silicón y cromo
durante la fabricación del acero. Las barras de acero se fabrican de manera
que cumplan con los requisitos de la Especificación ASTM A-277, "Barras de
acero de Acero de Alta Resistencia, Sin Revestimientos, Para Concreto
Presforzado". Las barras de acero de acero de aleación se consiguen en
diámetros que varían de12.7 mm hasta 34.93 mm de diámetro y en dos
grados, el grado 45 y el 160, teniendo resistencias ultimas mínimas de 1000
y 1100 N/mm2, respectivamente
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3.2.- ASTM A416/A416M-06 ESPECIFICACIÓN NORMALIZADA
PARA TORÓN DE ACERO, DE SIETE ALAMBRES SIN RECUBRIMIENTO
PARA CONCRETO PRETENSADO.
Esta especificación trata sobre dos tipos y dos grados de torones de
acero de siete alambres sin recubrimiento, para utilizar en la construcción de
concreto presforzado pretensado y postensado. Los dos tipos de torones son
de baja relajación y aliviado de esfuerzos (relajación normal). El torón de baja
relajación debe ser considerado como el tipo estándar. El torón aliviado de
esfuerzos (relajación normal) no será suministrado a menos que sea
específicamente ordenado, o por acuerdo entre el comprador y el proveedor.
El Grado 1725 [250] y el grado 1860 [270] tienen resistencias últimas
mínimas de 1725 MPa [17250 k/cm2] y 1860 MPa [18600 k/cm2],
respectivamente, basadas en el área nominal del torón.
Generalmente el refuerzo utilizado en el presfuerzo es en forma de
alambres de alta resistencia a la tensión estirados en frío, o barras de acero
de aleación en conjunto para formar torones.
Los alambres son de diámetro que van desde 2 hasta 8 mm, pero el
diámetro más pequeño de uso general para elementos estructurales es de 4
mm. La primera condición consistirá de rollos provenientes del laminado con
una curvatura natural. El alambre que ha sido “prenderezado mediante un
proceso que comprende un tratamiento de calentamiento “reductor de
esfuerzos”, provoca una mejoría en las propiedades elásticas y conduce a lo
que se denomina un comportamiento de relajamiento “normal” o bien un
tratamiento “estiramiento en caliente”, que igualmente induce altas
propiedades elásticas, pero que provoca lo que clasifica como un
comportamiento de relajamiento “bajo”.
Los términos relajamiento “normal o bajo” se aplican lo mismo a los
torones que a los alambres. El relajamiento se denomina como la pérdida en
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el esfuerzo después de un cierto periodo de tiempo en el que un tendón de
presfuerzo se tensa para una carga determinada, bajo condiciones de
longitud y temperatura constante. Un alambre o torón de relajamiento “bajo”
tendrá menor pérdida en el esfuerzo inicial que el de relajamiento “normal”.
Con objeto de asegurar la máxima adherencia entre el acero y el
concreto debe suministrarse el alambre en condiciones desengrasadas.
Además del desengrasado, a menudo el alambre está indentado para lograr
mejores propiedades de adherencia. El “esfuerzo de pruebas” se define
como el esfuerzo para el cual la carga aplicada produce una elongación
permanente. Para alambres de presfuerzo, se usa una elongación del 0.2%
en el “esfuerzo de pruebas”.
Existen 2 tipos básicos de torón para presfuerzo, con 7 o 19 alambres.
Su elección depende del grado de flexibilidad y resistencia requeridas. El
más popular es el de 7 alambres y se usa generalmente en tamaños desde
6.4 hasta 18mm de diámetro exterior.
En la Figura 1 se muestra una gráfica resistencia-deformación para
torones con distinto diámetro; para el torón de 1/2" esta gráfica también es de
esfuerzo-deformación porque el área del torón es 0.987, casi uno. Se
observa que el acero de presfuerzo no presenta un esfuerzo de fluencia
definido. Usualmente este esfuerzo se calcula como el correspondiente a una
deformación unitaria de 1.0 por ciento; en la gráfica se observa que el
esfuerzo correspondiente a esa deformación es 17,000 y 17,500 kg/cm2 para
los aceros normal y de bajo relajamiento, respectivamente. Para alambres
redondos lisos el módulo de elasticidad es semejante al del refuerzo
ordinario, esto es, alrededor de 2’000,000 kg/cm2. Para torón y para barras
de acero de aleación el módulo de elasticidad está entre 1’900,000 y
1’960,000 kg/cm2.
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Después del inicio de la fluencia del acero, los alambres muestran
una fluencia gradual y la curva continúa creciendo hasta la falla. Las barras
de acero de aleación tienen características similares a aquellas de los
alambres redondos o de los torones, pero sus límites proporcionales y
resistencias son de 30 a 40 por ciento menores. El esfuerzo máximo al que
se tensan los torones es 0.8 fsr que, es un esfuerzo de 15,200 kg/cm2, para
un torón de 1/2’’ y está debajo del esfuerzo de fluencia. El esfuerzo de
servicio final, una vez que se han presentado todas las pérdidas, será entre
15 y 30 por ciento menor que el esfuerzo de tensado.
Relajación del acero. Cuando al acero de presfuerzo se le mantiene en
tensión experimenta un reacomodo y rompimiento interno de partículas
conocido como relajación. Esta relajación debe tomarse en cuenta en el
diseño ya que produce una pérdida significativa de la fuerza presforzante.
Actualmente, la mayoría de los aceros son de baja relajación y son
conocidos como Acero de Baja Relajación o LO-LAX, y deben de preferirse
sobre los otros para evitar pérdidas excesivas.
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FIGURA 1. Curva fuerza-deformación para tres torones de distinto diámetro
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FIGURA 2. Torón utilizado en concreto pretensado
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4.- PÉRDIDAS EN EL PRETENSADO.
La fuerza de pretensado no es constante, sino que decrece con el
tiempo debido a causas diversas, la mayoría de las pérdidas de tensión se
producen rápidamente al principio, luego decrecen progresivamente
acercándose a un valor limite.
A continuación se describirán brevemente las causas más importantes
de pérdidas de tensión.
A. Acortamiento elástico del concreto:
B. Fluencia del concreto:
C. Retracción del concreto:
D. Relajación del acero:
E. Perdidas por rozamiento:
F. Deslizamiento de los anclajes:
G. Resumen de las pérfidas:
4.1.- PÉRDIDAS DE PRESFUERZO
Como ya se ha mencionado, existen varias razones por las que la
fuerza de presfuerzo efectiva que actúa en el elemento es menor que la
fuerza aplicada por el gato. Esta reducción de la fuerza efectiva, llamada
pérdida, puede llegar a ser mayor al 30 por ciento en los elementos
comúnmente empleados. Por ello, estimar las pérdidas asignando un
porcentaje como lo permiten las normas vigentes para el Distrito Federal
puede resultar en un diseño poco conservador, y las consecuencias se
reflejarán a largo plazo una vez que todas las pérdidas se presenten.
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Subestimar o sobrestimar las pérdidas implica errar en la estimación de los
esfuerzos y deformaciones en las distintas etapas de servicio del elemento;
sin embargo, para la etapa última cuando se evalúa la resistencia del
elemento, las pérdidas no influyen debido a que esta resistencia es función
del equilibrio interno de fuerzas y deformaciones.
Las pérdidas totales, PT, están dadas por la suma de las pérdidas
iniciales, PTi, más las diferidas,PTd
PT = PTi + PTd
Las pérdidas más comunes en elementos presforzados son:
PTi = FR + DA + AE +DT + REi
PTd = CC + FP + REd
Donde:
FR = pérdida por fricción
DA = pérdida debida al deslizamiento del anclaje
AE = pérdida debida al acortamiento elástico
DT = pérdida debida al desvío de torones
CC = pérdida debida a la retracción del concreto
FP = pérdida debida al flujo plástico del concreto
RE = pérdida debida a la relajación del acero
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4.1.1.- PÉRDIDAS INSTANTÁNEAS O INMEDIATAS
Deslizamiento del anclaje. En los miembros postensados la fuerza del gato
se libera transfiriéndose al concreto por medio de dispositivos de anclaje.
Existe inevitablemente un deslizamiento entre estos dispositivos y el acero
de presfuerzo a medida que las cuñas realizan el anclaje mecánico de los
tendones, o a medida que se deforma el anclaje. Lo mismo sucede en los
elementos pretensados al momento en que la fuerza presforzante se
transfiere de los gatos a los anclajes colocados en los muertos, aunque en
general esta pérdida se desprecia debido a la eficiencia de los equipos
utilizados en pretensado.
La pérdida por deslizamiento del anclaje se calculará utilizando la
siguiente expresión:
Donde L es la longitud del tendón, Esp el módulo de elasticidad del
acero de presfuerzo y dl es el deslizamiento. dl es proporcionado por el
fabricante y debe estar claramente especificado, pudiendo variar de 1 a 10
mm. La ecuación se basa en la suposición de que el deslizamiento se
encuentra uniformemente distribuido a lo largo de la longitud del tendón. Se
debe trazar un diagrama de fuerza efectiva y considerar la fuerza efectiva en
cada sección como la suma del deslizamiento y la fricción. En caso de no
existir fricción, la pérdida por deslizamiento se reflejará a todo lo largo del
elemento.
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Desviación de torones. Los mecanismos de desvío de torones, que se
utilizan con la finalidad de mejorar el comportamiento del elemento ante
cargas de servicio, pueden inducir pérdidas significativas en elementos
pretensados. El valor de estas pérdidas dependerá de las características de
los dispositivos empleados y es responsabilidad del fabricante cuantificar las
mismas.
Acortamiento elástico. Cuando la fuerza presforzante se transfiere a un
miembro, existirá un acortamiento elástico en el concreto debido a la
compresión axial. Este puede determinarse fácilmente a partir de la relación
esfuerzo-deformación del concreto. Para elementos pretensados, está
pérdida está dada por:
Donde Fcgp: es la suma de los esfuerzos en el centro de gravedad de
los tendones debidos al peso propio del miembro y a la fuerza de presfuerzo
inmediatamente después de la transferencia en las secciones de momento
máximo, tomando en cuenta las pérdidas inmediatas que ya se presentaron
en el torón como relajación instantánea, fricción, deslizamiento y
acortamiento elástico; como esta pérdida aún no se conoce, el PCI permite
estimar fcgp con el 90 por ciento del valor obtenido sin haberla tomado en
cuenta. Eci es el módulo de elasticidad del concreto en la transferencia
considerando f’ci, la resistencia del concreto en ese instante
Relajación Instantánea. Cuando al acero del presfuerzo se tensa hasta los
niveles usuales experimenta relajamiento. El relajamiento se define como la
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pérdida de esfuerzo en un material esforzado mantenido con longitud
constante. Existen dos etapas para el cálculo de esta pérdida: la que
corresponde al momento de hacer el tensado, y la que se presenta a lo largo
del tiempo. La primera es una pérdida instantánea y en miembros
pretensados, inicialmente tensado arriba de 0.5 fsr, puede tomarse como
(AASHTO, LRFD)
Donde t es el tiempo estimado en horas desde el tensado hasta la
transferencia, fpj es el esfuerzo en el tendón al final del tensado y fpy es el
esfuerzo de fluencia del acero de presfuerzo. Este esfuerzo es proporcionado
por el fabricante o puede calcularse como fpy=0.85fsr, para torones aliviados
de esfuerzo y fpy=0.9fsr, para torones de baja relajación. Para torones de
baja relajación, REi debe dividirse entre 4.
4.1.2.- PÉRDIDAS DIFERIDAS O A LARGO PLAZO
Retracción. La retracción por secado del concreto provoca una reducción en
la deformación del acero del presfuerzo igual a la deformación que produce
esa retracción. Lo anterior se refleja en una disminución del esfuerzo en el
acero y constituye un componente importante de la pérdida del presfuerzo
para todos los tipos de vigas de concreto presforzado.
Flujo plástico. Esta pérdida se presenta por la deformación del concreto
ante la acción de cargas sostenidas como son la carga muerta y el
presfuerzo. El manual AASHTO contiene la siguiente expresión:
FP =12fcgp - 7 fcds
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Donde fcgp es el esfuerzo de compresión neto en el concreto en el
centro de gravedad de los tendones inmediatamente después de aplicar el
presfuerzo al concreto y fcds es el esfuerzo en la sección a la altura del
centro de gravedad de los torones debido a cargas muertas (kg/cm2)
aplicadas después del tensado. Los valores de fcds deberán calcularse en la
misma sección o secciones para las cuales fcgp es calculada. El comité del
ACI-ASCE (PCI, 1994) propone la siguiente expresión para la evaluación de
las pérdidas por flujo plástico: FP = n KCR ( fcgp-fcds ) donde: n = relación
modular KCR = 2.0 para concreto normal y 1.60 para ligero.
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5.- CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO.
La principal característica estructural del concreto es que resiste muy
bien los esfuerzos de compresión, pero no tiene buen comportamiento frente
a otros tipos de esfuerzos (tracción, flexión, cortante, etc.), por este motivo es
habitual usarlo asociado al acero, recibiendo el nombre de concreto armado,
comportándose el conjunto muy favorablemente ante las diversas
solicitaciones.
Características físicas del concreto, en valores aproximados, son:
• Densidad: en torno a 2.350 kg/m3 a 2.500 kg/m3
• Resistencia a compresión: de 150 a 500 kg/cm2 (15 a 50 MPa) para el
concreto ordinario. Existen concreto especiales de alta resistencia que
alcanzan hasta 2.000 kg/cm2 (200 MPa).
• Resistencia a tracción: proporcionalmente baja, es del orden de un
décimo de la resistencia a compresión y, generalmente, poco significativa en
el cálculo global.
• Tiempo de fraguado: dos horas, aproximadamente, variando en función de
la temperatura y la humedad del ambiente exterior.
• Tiempo de endurecimiento: progresivo, dependiendo de la temperatura,
humedad y otros parámetros.
• De 24 a 48 horas, adquiere la mitad de la resistencia máxima; en una
semana 3/4 partes, y en 4 semanas prácticamente la resistencia total de
cálculo.
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• Dado que el concreto se dilata y contrae en magnitudes semejantes al
acero, pues tienen parecido coeficiente de dilatación térmico, resulta muy útil
su uso simultáneo en obras de construcción; además, el concreto protege al
acero de la oxidación al recubrirlo.
El concreto empleado en miembros presforzados es normalmente de
resistencia y calidad más alta que el de las estructuras no presforzadas. Las
diferencias en el modulo de elasticidad, capacidad de deformación y
resistencia deberán tomarse en cuenta en el diseño y las características de
deterioro asumen una importancia crucial en el diseño.
5.1.- CARACTERISTICAS DEL CONCRETO PARA PRETENSADO
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 210 Kg/cm2 aproximadamente. Un factor por el que es
determinantes la necesidad de concretos más resistentes, es que el concreto
de alta resistencia está menos expuesto a las grietas por retracción 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 objeto de
facilitar el vaciado, se necesitara un asentamiento de 5 a 10 cm. Para
obtener un asentamiento de 7.5 cm con una relación agua-cemento de 0.45
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se requerirían alrededor de 10 sacos de cemento por metro cubico de
concreto. Si es posible un vibrado cuidadoso, se puede emplear concreto con
un asentamiento de 1.2 cm o cero, y serian suficientes poco menos de 9
sacos por metro cubico de concreto. Puesto que con una cantidad excesiva
de cemento se tiende a aumentar la retracción, es deseable siempre un
factor bajo de cemento. Con este fin, se recomienda un buen vibrado
siempre que sea posible, y para aumentar la trabajabilidad pueden
emplearse ventajosamente aditivos apropiados.
Comportamiento elástico.
Convencionalmente y por razones prácticas, podemos considerar que
la parte ascendente de la gráfica esfuerzo-deformación del concreto exhibe
un comportamiento elástico, aunque se sabe que no siempre estas
deformaciones son recuperables y la gráfica no es una línea recta perfecta.
Esta consideración nos permite hacer diseños elásticos y fijar un módulo de
elasticidad en función de la resistencia del concreto, f´c. La NTC-C establece
para concretos tipo I, que es el empleado en concreto presforzado, el
siguiente valor de módulo de elasticidad, Ec, en kg/cm2 Ec =14.000
(RAIZ)f´c
Al igual que ocurre con otros materiales elásticos, cuando el concreto
se comprime en una dirección se expande en la dirección transversal a la del
esfuerzo aplicado. La relación entre la deformación transversal y la
longitudinal se conoce como relación de Poisson y su valor varía de 0.15 a
0.20. Este efecto puede modificar sensiblemente el presfuerzo en elementos
con presfuerzo biaxial.
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5.2.- CURADO DEL CONCRETO.
Los cuatro requisitos que el constructor debe considerar para la
ejecución de un curado adecuado son:
a) Mantenimiento en el concreto de un contenido de humedad adecuado.
b) Mantenimiento de la temperatura del concreto por encima de 13 grados
centígrados y uniformemente distribuidos en el conjunto de la mezcla.
c) Protección del elemento estructural contra cualquier tipo de alteración
mecánica.
d) Mantenimiento del curado durante el tiempo necesario para obtener la
hidratación del cemento y el endurecimiento del concreto en el rango de
valores requeridos por la seguridad de la estructura.
El mantenimiento de un contenido de humedad adecuado en el
concreto puede conseguirse:
a) Tomando el agua necesaria de la pasta no endurecida.
b) Manteniendo la superficie del concreto húmeda.
El control de la temperatura es necesario en la medida que la
velocidad de hidratación del cemento se hace más lenta en temperaturas que
se acercan al punto de congelación y tiende a aumentar conforme la
temperatura se acerca al punto de ebullición del agua. En relación con el
control de la temperatura el contratista debe tener presente lo siguiente:
La temperatura ideal de curado debe ser unos pocos grados menores
que la temperatura promedio a la cual el concreto estará expuesto durante su
vida. Si el concreto es colocado y curado cuando la temperatura está baja
este promedio deberá tener una temperatura de vaciado no menor de 13
25
grados centígrados y durante el curado debe ser mantenido cerca de la
temperatura anual promedios.
5.2.1.- Clasificación de los métodos de curado.
Los procedimientos de curado se agrupan en tres grandes categorías:
a) aquellos que previenen o impiden la evaporación del agua por
interposición de un medio húmedo.
b) Aquellos que tratan de impedir o reducen la pérdida de agua por
interposición de un medio impermeable el cual controla la evaporación.
c) Aquellos que aceleran el desarrollo de resistencia por aplicación artificial
de calor, mientras el concreto es mantenido en condición húmeda.
Curado por control de evaporación.
Los procedimientos de curado que puede aplicar el contratista para
reducir la pérdida de agua por interposición de un medio impermeable que
controle la evaporación se pueden agrupar en:
a) Aquellos que utilizan el encofrado como medio de cobertura.
b) Aquellos que controlan la evaporación por protección con papel
impermeable.
c) Aquellos que incrementan la velocidad de endurecimiento por utilización
de aditivos acelerantes.
La cobertura del concreto con papel impermeable es un procedimiento
de curado rápido y efectivo ya que retarda la evaporación del agua y protege
al concreto de daños. Su principal inconveniente es que si las pérdidas han
ocurrido antes de la aplicación del mismo, ellas no son recuperables por
26
curado posterior. En este procedimiento de curado se tendrá en cuenta lo
siguiente:
a) El papel impermeable no debe estar dañado.
b) Debe realizarse inspección periódica de la superficie del concreto debajo
del papel, procediendo a humedecerla cuando ello fuere necesario.
c) El papel impermeable debe ser aplicado tan pronto como el agua
desaparece de la superficie del concreto y debe ser mantenido por lo menos
72 horas.
Inmediatamente después de terminar la operación de moldeado de
unidades prefabricadas, debe cubrirse cada elemento con una capa doble de
algún material saturado de agua.
5.3.- ADITIVOS USADOS EN CONCRETO PRETENSADO
Aditivos, son aquellos productos químicos que se añaden en
pequeña proporción al concreto, durante su mezclado, con el propósito de
modificar algunas de las propiedades de la mezcla en estado fresco o
endurecido. En el concreto pretensado son usados para la dosificación del
concreto y obtener mayores resistencias a edades tempranas.
Los aditivos usados en concretos pretensados son:
Aditivos aceleradores
La norma venezolana COVENIN 356:1994 designa a este tipo de
aditivos como tipo “C”. son aquellos aditivos que aceleran el fraguado y el
desarrollo de la resistencia inicial del concreto.
27
Aditivos reductores de agua de alto rango y aceleradores
La norma COVENIN 356:1994 los designa como tipo “H”. son aquellos
aditivos que reducen al menos un 15% la cantidad de agua de mezclado
requerida para producir un concreto de una consistencia igual a la mezcla de
referencia, acelerando el desarrollo de la resistencia inicial y final del mismo.
En el concreto armado y pretensado se prohibe de forma explícita la
utilización de aditivos en cuya composición intervengan cloruros, sulfuros,
sulfitos u otros componentes químicos que puedan ocasionar o favorecer la
corrosión de armaduras. Expresamente se prohibe la utilización del cloruro
cálcico. Para poder utilizar un aditivo éste deberá suministrarse
correctamente etiquetado y con un certificado de garantía del fabricante
firmado por persona física.
Aditivos Plastificantes, Fluidificantes y Superfluidificantes.
Plastificantes: Estos son los sólidos disueltos H2O, sus propiedades
permiten más trabajabilidad, disminuye la relación entre el agua y el cemento
y disminuye la segregación cuando el transporte es muy largo o cuando hay
grandes masas de concreto. Estos pueden ser usados: Inyectados,
proyectados, o pretensados.
Fluidificantes: Estos son formulaciones orgánicas líquidas, al igual que la
anterior sus propiedades permiten mas trabajabilidad, disminuye la relación
entre el agua y el cemento.
Estos pueden ser utilizados en hormigones bombeados,
largos transportes., hormigones proyectados con armaduras.
28
Se Clasifican en:
1ª Generación - 70% Rendimiento cementicio.
2ª Generación - 75% Rendimiento cementicio.
3ª Generación - 100% Rendimiento cementicio.
Superfluidificantes: Estos son formulaciones orgánicas líquidas, estos
pertenecen a la tercera generación. La ventaja evidente de estos aditivos es
que permite obtener alta trabajabilidad en la colocación sin afectar la
resistencia mecánica, debido al efecto simultáneo de la reducción de agua.
Estos aditivos permiten obtener valores de relación agua/cemento muy bajos
(0,26 a 0,33) con el consiguiente incremento de las resistencias y sin
segregación.
Los aditivos superplastificantes son particularmente útiles para la
fabricación de elementos de concreto pretensado, donde es conveniente
controlar el calor de hidratación y la retracción así como facilitar la colocación
del concreto en los moldes.
Con el uso creciente del concreto pretensado, el aditivo
“POZZOLITH®” adquirió un nuevo rol en los años 50. Usado para producir
vigas, pisos y puentes, el concreto pretensado permitió la construcción de
vanos más largos, espacios utilizables mayores, y un método avanzado para
producir concreto de alta resistencia. Debido a su utilización extensa, el
concreto pretensado fue un material popular usado en la reconstrucción de
infraestructura de post-guerra.
El concreto pretensado de la empresa Master Builders, con el aditivo
POZZOLITH, fueron esenciales en la construcción del Puente Mackinac – el
vano más largo del mundo -. El peso total del concreto usado en la
construcción del puente fue de 931,000 toneladas.
29
6.- RESISTENCIA DEL CONCRETO PRETENSADO
El concreto que se usa para pretensar se caracteriza por tener mayor
calidad y resistencia con respecto al utilizado en construcciones ordinarias.
Los valores comunes de f´c oscilan entre 350 y 500 kg/cm2, siendo el valor
estándar 350 kg/cm2. Se requiere esta resistencia para poder hacer la
transferencia del presfuerzo cuando el concreto haya alcanzado una
resistencia de 280 kg/cm2. La gran calidad y resistencia generalmente
conduce a costos totales menores ya que permite la reducción de las
dimensiones de la sección de los miembros utilizados. Con ello, se logran
ahorros significativos en peso propio, y grandes claros resultan técnica y
económicamente posibles. Las deflexiones y el agrietamiento del concreto
pueden controlarse y hasta evitarse mediante el presfuerzo. Es posible el uso
de aditivos y agregados especialmente en elementos arquitectónicos.
7.- RETRACCIÓN DEL CONCRETO.
Las mezclas de concreto contienen mayor cantidad de agua que la
requerida para la hidratación del cemento. Esta agua libre se evapora con el
tiempo. La velocidad y terminación del fraguado dependen de la humedad, la
temperatura ambiente y del tamaño y forma del elemento. Uno de los efectos
del fraguado del concreto es la disminución del volumen del mismo, lo que
provoca pérdidas considerables de la fuerza de presfuerzo. Asimismo, la
retracción provoca grietas que deben evitarse con acero de refuerzo y en
algunos casos con fibras y aditivos. La retracción del concreto es
proporcional a la cantidad de agua empleada en la mezcla; si se requieren
retracciones mínimas, la relación agua-cemento a utilizarse deberá ser la
30
mínima, con asentamientos no mayores que 10 cm. La calidad de los
agregados es otro factor que influye en la retracción por secado. Agregados
duros y densos de baja absorción y módulo de elasticidad de valor alto
provocarán una contracción menor. La magnitud de la deformación unitaria
por retracción
agua o en condiciones muy húmedas, hasta 0.001 en ambientes muy secos.
Con propósitos de diseño, un valor promedio de deformación por retracción
será de 0.0002 a 0.0006 para las mezclas usuales de concreto empleadas en
elementos presforzados.
7.1.- Evolución de la retracción
El fenómeno se inicia estando la masa de concreto en estado fresco y
prosigue a lo largo de la vida del material. Al principio, cuando la salida de
agua es más fácil, la retracción del concreto se produce con rapidez. A
medida que transcurre el tiempo va haciéndose más lenta y, finalmente se
estabiliza en una curva con un trazo asintótico. Una etapa crítica de la
retracción ocurre durante el fraguado (llamada retracción plástica, retracción
de fraguado o desecación prematura) por el peligro de agrietamiento que
representa. Luego, una vez endurecido el concreto, se producirán
disminuciones de volumen; esta etapa de la retracción se denomina
retracción por secado o hidráulica.
8.- FLUENCIA: DEFORMACIONES POR FLUJO PLÁSTICO.
Se entiende por fluencia el incremento de las deformaciones que
experimenta el concreto endurecido al ser sometido a cargas permanentes o
sostenidas, en función del tiempo. Las deformaciones por fluencia se deben
a un reacomodo interno de los componentes del material, principalmente del
agua y del gel que, bajo los efectos de la carga, se desplazan tratando de
31
ocupar vacios que estén próximos. Su cuantía depende da la magnitud y
duración de la carga, de la edad del concreto cuando la carga es aplicada, y
de las características del concreto y el medio ambiente.
Debido a la presencia de esfuerzos permanentes, las partículas que
forman el concreto experimentan un reacomodo que modifica las
dimensiones de los elementos. Este fenómeno es conocido como flujo
plástico o fluencia. El flujo plástico en el concreto depende de la magnitud de
las cargas permanentes, de las proporciones de la mezcla, de la humedad,
de las condiciones del curado y de la edad del concreto a la cual comienza a
ser cargado. La deformación de compresión ocasionada por el flujo plástico
tiene un efecto importante en el presfuerzo provocando una disminución o
pérdida de la fuerza efectiva.
8.1.- ESFUERZOS PERMISIBLES EN EL CONCRETO
PRETENSADO
a) Esfuerzos permisibles en la transferencia
La transferencia ocurre antes de las pérdidas diferidas de presfuerzo;
esto es, en concreto pretensado, cuando se cortan los tendones o se disipa
la presión del gato, y en postensado, cuando se anclan los tendones. Los
esfuerzos del concreto en esta etapa son provocados, tanto en concreto
pretensado como postensado, por los esfuerzos debidos al peso del
elemento y por la fuerza en los tendones de presfuerzo reducida por las
pérdidas inmediatas. Cuando los esfuerzos de tensión calculados excedan
los valores de la norma deberá proporcionarse refuerzo auxiliar adherido en
esa zona (no presforzado o presforzado) para resistir el total de la fuerza de
tensión en el concreto considerando la sección no agrietada.
32
El esfuerzo de este acero de refuerzo debe tomarse como 0.6 fy. En
los extremos de elementos simplemente apoyados se permite usar 1.6 f´ci en
la transferencia ya que los torones no están completamente adheridos. Una
vez que los torones han alcanzado la adherencia total, el esfuerzo debe
tomarse como 0.8 f´ci.
b) Esfuerzos permisibles bajo cargas de servicio
El esfuerzo permisible de tensión de 1.6 f´c bajo cargas de servicio es
compatible con el recubrimiento de concreto requerido, y es válido para la
zona de tensión precomprimida que es donde ocurren las tensiones bajo
cargas gravitacionales muertas y vivas. En condiciones de medio ambiente
corrosivo, debe utilizarse un mayor recubrimiento de acuerdo con los valores
establecidos, y deben reducirse los esfuerzos de tensión para eliminar el
posible agrietamiento bajo cargas de servicio.
Es deber del ingeniero aplicar los criterios adecuados a fin de
determinar el incremento en el recubrimiento y si es que se requieren
esfuerzos de tensión reducidos. El esfuerzo máximo de tensión permisible
bajo cargas de servicio puede considerarse de 3.2 f´c, lo que proporciona al
elemento un mejor comportamiento especialmente cuando las cargas vivas
son de naturaleza transitoria. Para aprovechar este incremento, se debe
analizar el comportamiento de la sección agrietada transformada y que las
relaciones bilineales momento-deflexión indiquen que las deflexiones en las
distintas etapas del elemento están por debajo de las permisibles.
Además, se deberá incrementar la protección de concreto sobre el
refuerzo, y calcular las características de deflexión del elemento, bajo la
carga en la que este cambia de comportamiento no agrietado a
comportamiento agrietado. De acuerdo con los esfuerzos de la norma, bajo
cargas de servicio se permite incrementar de 0.45 f´c a 0.6 f´c el esfuerzo
permisible a compresión del concreto ante cargas vivas, ya que por su
33
naturaleza transitoria éstas no causarán flujo plástico en el concreto ni
deflexiones permanentes.
8.2.- ESFUERZOS PERMISIBLES EN EL PRESFUERZO
Los tendones deben tensarse de manera que el esfuerzo efectivo final
sea por lo menos la mitad del esfuerzo resistente del acero de presfuerzo. El
esfuerzo de tensión en los cables de presfuerzo no deberá exceder los
valores mencionados a continuación. En estas expresiones, fsr es el
esfuerzo resistente y fpy el de fluencia, ambos del acero de presfuerzo. La
diferencia entre los esfuerzos debidos a la fuerza del gato e inmediatamente
después de la trasferencia (de 0.74 a 0.80 de fsr o de 0.82 a 0.94 fpy),
permite que los torones se tensen entre esos valores para que al momento
de la trasferencia y después de que se presenten las pérdidas instantáneas
se cuente con un esfuerzo menor que 0.74 fsr ó 0.82 fpy, que son los
esfuerzos máximos permisibles en el acero de presfuerzo una vez que se
encuentra aplicado en el concreto.
Debe tomarse el menor de los valores propuestos y el recomendado
por el fabricante. A criterio del diseñador, los esfuerzos finales se deben
reducir cuando la estructura esté sometida a condiciones corrosivas o cargas
repetidas.
8.3.- DEFLEXIONES
En un miembro presforzado típico, la aplicación de la fuerza
presforzante producirá una flecha hacia arriba. El efecto de las pérdidas por
retracción, flujo plástico y relajamiento, reduce gradualmente la flecha
producida por la fuerza inicial. Sin embargo, el efecto del flujo plástico es
doble. Mientras que produce una pérdida del presfuerzo tendiente a reducir
34
la flecha, las deformaciones que provoca en el concreto aumentan la
contraflecha. Por lo general, el segundo efecto es el que predomina, y la
contraflecha aumenta con el tiempo a pesar de la reducción de la fuerza
presforzante.
8.3.1 DEFLEXIONES PERMISIBLES
La norma ACI 318-05 en la tabla 9.5(b) establece lo siguiente: el
desplazamiento vertical en centímetros en el centro de trabes en el que se
incluyen efectos a largo plazo debe ser menor o igual a L / 240 + 0.5
Además, en miembros en los cuales sus deformaciones afecten a
elementos no estructurales, como muros de mampostería, que no sean
capaces de soportar estas deformaciones, se considerará como estado límite
un desplazamiento vertical, medido después de colocar los elementos no
estructurales menor o igual a L / 480 + 0.3
Para elementos en voladizo estos límites se duplicarán.
35
El reglamento requiere que la deflexión de cualquier elemento de
concreto preesforzado sujeto a flexión se calcule y se compare con los
valores admisibles dados en la Tabla 9.5(b). ACI-318
La retracción y el flujo plástico debido a las cargas sostenidas en el
tiempo provocan mayores “deflexiones de largo plazo” a las que ocurren
cuando las cargas se aplican por primera vez en la estructura. Estas
deflexiones están afectadas por: la temperatura, la humedad, las condiciones
de curado, la edad en el momento de la carga, la cantidad de refuerzo de
compresión, la magnitud de la carga sostenida y otros factores.
La expresión dada en esta sección se considera satisfactoria para
usarse con los procedimientos del reglamento para calcular deflexiones
inmediatas, y con los límites dados en la Tabla 9.5(b). Debe hacerse notar
que la deflexión calculada de acuerdo con esta sección es la deflexión
adicional a largo plazo, debida a la carga permanente y a la porción de la
carga viva sostenida durante un período suficiente para provocar deflexiones
significativas en el tiempo.
8.3.2.- FLECHAS DIFERIDAS POR RETRACCIÓN Y FLUENCIA
Salvo que las flechas adicionales a largo plazo por efectos de la
fluencia y la retracción se calculen calculen con métodos analíticos
apropiados, para miembros de concreto elaborados con agregados normales
o livianos, sometidos a cargas persistentes que generan flexión, en la
Subsección 9.6.2.1 de la Norma COVENIN 1753 se autoriza el cálculo de los
desplazamientos adicionales de larga duración multiplicando el valor
instantáneo del desplazamiento por el siguiente factor λ:
36
λ = __ ξ____
1+ 50 ρ´
Donde:
ρ´= es la cuantía geométrica del acero a compresión (A´s/ bd),
correspondiente a la del centro del vano para tramos simplemente apoyados
o continuos, y en el apoyo para caso de voladizos.
El factor ξ depende del tiempo; a falta de información más precisa, en
la citada Norma se autorizan los valores de la Tabla siguiente:
Factor ξ para Flechas Calculadas debidas a Cargas Persistentes
TIEMPO FACTOR ξ
3 meses 1,0
6 meses 1,2
1 año 1,4
5 años o más 2,0
37
Por tanto, si la carga persistente actúa desde la flecha del
desencofrado, durante 5 o más años, pasado ese tiempo la flecha total será
el triple de la instantánea. Este fenómeno debe tomarse en cuenta en los
valores de las flechas máximas permisibles establecidas en el Capítulo 9 de
la Norma COVENIN 1753.
9.- CONCRETO LIVIANO ESTRUCTURAL
Aunque en la tecnología del concreto se preparan diferentes tipos de
concreto con menor peso unitario que el concreto normal o convencional,
cuando se dice solamente “concreto liviano” se entiende que es el preparado
con agregados livianos que pueden ser de origen natural pero que con más
frecuencia, se trata de agregados obtenidos artificialmente. Generalmente,
los otros concretos son llamados: concretos ligeros o aligerados, y no suelen
ser usos estructurales, sino aplicaciones como tabiquería y cerramiento. Los
concretos estructurales livianos tienen un peso unitario entre 1.500 y 1.850
kg/m3.
9.1.- Fabricación de los Agregados Livianos
Ciertas arcillas y, menos frecuentemente, otros materiales tales como
pizarras y esquistos, fraccionados en tamaños apropiados y sometidos
súbitamente a temperaturas relativamente altas, experimentan una
expansión. Este aumento de volumen es debido a que la temperatura ha
generado gases en el interior de la masa de los granos, que no alcanzan a
salir, porque la misma temperatura ha llevado la superficie de los granos
hasta una condición “piroplástica”; con ello se produce una semifusión casi
instantánea, lo que origina una delgada costra exterior en el grano.
38
En forma esquemática, las etapas de la preparación de las arcillas son
las siguientes:
Extracción de la materia prima apropiada, por los procedimientos
convencionales de minería superficial.
Acondicionamiento del material por la adición de la adecuada cantidad
de agua para llevarlo al punto de plasticidad necesario, así como
también de ciertos productos que bajen su punto térmico de
piroplasticidad y de otros productos (aceites, derivados, orgánicos u
otros), que generan gases.
Amasado de la masa arcillosa, procurando su homogeneización.
Extrusión. La masa plástica es impelida a través de una boquilla,
generalmente de perforaciones circulares, y va siendo cortada a
medida que sale en longitudes iguales a su diámetro, obteniendo
cilindros “equidimensionales” que, al expandir posteriormente, va a dar
origen a granos de forma casi redondeada.
Expansión. Los granos de arcilla permoldeados, se llevan al horno
donde primero se secan y luego alcanzan la temperatura de expansión
(entre 950 y 1250 oC). los hornos son tubos de acero, revestidos
internamente con material refractario, que giran lentamente sobre su
eje; debido a su leve inclinación, hacen deslizar el material granular en
contracorriente hacia la zona donde está el mechero con la llama. La
temperatura alcanzada y el tiempo de exposición de los granos deben
estar controlados para que la superficie se funda y se llene el grano
sin dejar escapar los gases que en ese momento se han generado en
su interior. Con un buen control del horno, su velocidad y temperatura,
se pueden lograr diferentes grados de expansión, a partir de un solo
tamaño de alimentación de grano.
Selección de tamaños. Aun en hornos muy bien regulados,
accidentalmente se pueden producir granos semicocidos o
39
extraexpandidos. Por eso, al final se hace una selección de tamaños
por tamizado, con rechazo de las fracciones inconvenientes.
9.1.1.- Estructura del Grano
Los granos quedarán con una cubierta delgada de material fundido, de
baja porosidad, de contextura cerámica y una parte interior con pequeños
poros esféricos, separados entre sí, de contextura arcillosa frágil.
9.1.2.- Características del Agregado Liviano
Peso. La característica más importante de este nuevo material, es su
menor peso comparado con el agregado pétreo usual. Para agregados
livianos con base en arcilla expandida, el peso unitario suelto de la
fracción gruesa suele estar entre los 550 y los 900 kgf/m3, en contra de
los 1.350 a 1.450 kgf/ m3 de los agregados normales. Y en los finos,
dependiendo de su origen, entre 750 y los 1.200 kgf/m3 para los livianos,
comparado con los 1.500 a 1.600 kgf/m3 de los normales. El peso de los
agregados livianos y otras de sus características están muy ligados a los
aspectos de su proceso de preparación.
Absorción. A pesar de la baja porosidad de su costra superficial, los
agregados livianos pueden llegar a absorber altas proporciones de agua,
debido a su interior poroso. Esta reserva de agua en su masa tiene que
ser tomada en cuenta en el momento del diseño de la mezcla. La misma
reserva de agua resulta muy ventajosa como agente de curado interno
del concreto.
Resistencia. No es usual medir la resistencia de los granos, sino
indirectamente en concretos preparados con ellos. Los agregados livianos
tienen menor resistencia de los normales, a pesar de que concretos
40
hechos con ellos alcanzan resistencias altas, propias de concretos
estructurales. A medida de que aumenta el diámetro de los granos,
disminuyen su densidad y resistencia.
Desgaste. La resistencia al desgaste es limitada, por lo que no es
recomendable, en principio, usarlo en elementos tales como aceras, pisos
u otros elementos sometidos a la abrasión.
9.1.3.- Usos del Agregado Liviano
Aparte de su importante empleo en concretos estructurales livianos, el
material tiene otros usos en la construcción, entre los que destacan:
Preparación de paneles y bloques livianos.
Agente de relleno con aislantes térmicos y acústicos.
Agente de relleno para nivelación de terrazas y techos.
Concreto pobre con fines de protección (frigorífico, contra
incendios y otros).
9.1.4.- Finos Livianos
No resulta fácil ni económico obtener agregado liviano de tamaño
semejante al de las arenas. Con buena materia prima y boquillas especiales
se pueden conseguir pequeñas cantidades de granos pequeños, pero
resultan muy costosos. Otro procedimiento es triturar a tamaño fino los
granos sobreexpandidos, pero se obtienen fragmentos sin la costra
cerámica, formada por la masa porosa. Por tales razones, en concretos
livianos es habitual usar arena natural en lugar de liviana. Es cierto que ello
aumenta el peso del concreto, pero favorece su resistencia a la compresión,
así como su módulo de elasticidad.
41
9.2.- DISEÑO DE MEZCLA PARA CONCRETOS LIVIANOS
Además de los requisitos y exigencias normales para el diseño de
mezclas de concreto, en este caso se presenta una situación particular: al
tener el objetivo el peso unitario del concreto, simultáneamente se produce
una reducción de resistencia. Para el diseño no se suelen emplear fórmulas
de carácter general, sino “recetas” que proporcionan los productores o
distribuidores de agregados livianos, quienes también ofrecen asesoría
técnica. La razón se debe, en gran parte, a la variabilidad dentro de los
agregados que, si tienen distintas procedencias, pueden y suelen tener
características diferentes.
Debido al poco peso del material, el Cono de Abrams resulta poco
sensible para medir asentamientos con precisión. A veces se emplea un
cono de mucha mayor altura. En el diseño y en la preparación de la mezcla
se debe tener en cuenta lo siguiente:
La capacidad de absorción de agua hace que el peso del agregado
sea muy variable, según su contenido de humedad. Es habitual
dosificar los agregados por volumen, usándolos en condición saturada
para que no absorban parte del agua de la mezcla. Si se usan
agregados secos, hay que tener información sobre la capacidad de
absorción para poder calcular con precisión la cantidad de agua
necesaria para que no se atiese la mezcla, ni en el momento del
mezclado, ni durante el transporte o la colocación.
Por su bajo peso unitario, el agregado tiende a flotar en la pasta de
cemento o en el mortero, por lo que la mezcla no debe ser muy fluida.
Las reglas de escalonamiento granulométrico de los agregados se
cumplen también con los livianos. Las diferencias de peso específico
entre la arena natural empleada y el agregado grueso liviano deben
ser tomadas en cuenta al utilizar las curvas límites de agregados
combinados.
Con estos concretos se pueden usar aditivos químicos, sin problemas.
42
9.3.- CARACTERISTICAS DEL CONCRETO LIVIANO
Resistencia a Compresión
La resistencia a la compresión se toma como base para calcular otras
propiedades mecánicas de este material, depende del diseño de mezcla y
del tamaño de los agregados, para altas resistencias el agregado grueso
debe estar entre ½” y ¼” de diámetro, aparte de contar con arena y cemento
de gran calidad.
Resistencia a Tracción
Suele estar comprendida entre el 10% y el 12% de la resistencia a la
compresión.
Módulo de Elasticidad, Ec.
Según pruebas hechas en el IMME y con agregados livianos de
producción nacional. Se encontró que la fórmula propuesta por el ACI 318
resulta adecuada:
Ec= 0,137 W1,5 √Fc (kgf/cm2)
W= peso unitario del concreto liviano, medido a los 28 días, en kgf/m3.
Rotura Frágil
Los concretos con agregados livianos presentan una rotura de tipo
frágil, que debe ser considerada en el proyecto. Esta es una de las razones
por las cuales se limita su resistencia a 300 kgf/cm2 cuando es empleado en
estructuras que deben satisfacer requerimientos sismorresistentes.
Durabilidad
Los concretos con agregados livianos pueden ser más sensibles a los
tanques de agentes químicos, debido a su alta porosidad y capacidad de
absorción.
43
10.- ACERO DE REFUERZO
El uso del acero de refuerzo ordinario es común en elementos de
concreto presforzado. La resistencia nominal de este acero es fy = 4,200
kg/cm2. Este acero es muy útil para:
Aumentar ductilidad
Aumentar resistencia
Resistir esfuerzos de tensión y compresión
Resistir cortante y torsión
Restringir agrietamiento por maniobras y cambios de temperatura
Reducir deformaciones a largo plazo
Confinar al concreto
10.1.- ACERO ESTRUCTURAL
En muchos elementos prefabricados es común el uso de placas,
ángulos y perfiles estructurales de acero. Éstos son empleados en
conexiones, apoyos y como protección. El esfuerzo nominal de fluencia de
este acero es de 2,530 kg/cm2.
Se define como acero estructural a lo que se obtiene al combinar el
hierro, carbono y pequeñas proporciones de otros elementos tales como
silicio, fósforo, azufre y oxigeno, que le contribuyen un conjunto de
propiedades determinadas. El acero laminado en caliente, elaborado con
fines estructurales, se le nombra como acero estructural al carbono, con
límite de fluencia de 250 mega pascales, eso es igual a 2.549Kg/cm2. Es el
resultado de la aleación del hierro y carbono. En los aceros al carbono
comunes, el hierro constituye más del 95%. Pueden estar presentes en
pequeñas cantidades; azufre, oxigeno, cilicio, nitrógeno, fósforo, manganeso,
aluminio, cobre y níquel.
44
10.1.1.- Ventajas del acero como material estructural:
Tiene una gran firmeza.- La gran firmeza del acero por la unidad de
peso significa que el peso de las estructura se hallará al mínimo, esto
es de mucha eficacia en puentes de amplios claros.
Semejanza.- Las propiedades del acero no cambian perceptiblemente
con el tiempo.
Durabilidad.- Si el mantenimiento de las estructuras de acero es
adecuado duraran unos tiempos indefinidos.
Ductilidad.- La ductilidad es la propiedad que tiene un material de
soportar grandes deformaciones sin fallar bajo altos esfuerzos de
tensión. La naturaleza dúctil de los aceros estructurales comunes les
permite fluir localmente, evitando así fallas prematuras.
Tenacidad.- Los aceros estructurales son tenaces, es decir, poseen
resistencia y ductilidad. La propiedad de un material para absorber
energía en grandes cantidades se denomina tenacidad.
10.2.- CLASIFICACIÓN DEL ACERO ESTRUCTURAL O DE
REFUERZO:
El acero estructural, según su forma, se clasifica en:
a) PERFILES ESTRUCTURALES: Los perfiles estructurales son piezas
de acero laminado cuya sección transversal puede ser en forma de I, H, T,
canal o ángulo.
b) BARRAS: Las barras de acero estructural son piezas de acero laminado,
cuya sección transversal puede ser circular, hexagonal o cuadrada en todos
los tamaños.
45
c) PLANCHAS: Las planchas de acero estructural son productos planos de
acero laminado en caliente con anchos de 203 mm y 219 mm, y espesores
mayores de 5,8 mm y mayores de 4,5 mm, respectivamente.
10.3.- PROPIEDADES MECÁNICAS DE ACEROS ESTRUCTURALES
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10.4.- MALLA ELECTROSOLDADA
Por su fácil colocación, las retículas de alambre o mallas
electrosoldadas se emplean comúnmente en aletas de trabes cajón, doble te
y similares. El esfuerzo nominal de fluencia es de 5,000 kg/cm2.
Las barras de acero de refuerzo comunes usadas en estructuras no
presforzadas, también desempeñan un papel importante dentro de la
construcción del presforzado. Se usan como refuerzo en el alma, refuerzo
longitudinal suplementario, y para otros fines.
10.5.- BARRAS DE ACERO DE REFUERZO
Las barras de acero para el refuerzo de estructuras de concreto
reforzado, se fabrican en forma tal de cumplir con los requisitos de las
siguientes Especificaciones ASTM: A-615 "Barras de acero de Lingotes
Corrugadas y Lisas Para Concreto Reforzado", A-616 "Barras de de Riel
Relaminado Corrugadas y Lisas para Refuerzo de Concreto", o la A-617
"Barras de acero de Acero de Eje Corrugado y Lisas Para concreto
Reforzado".
Las barras de acero 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.
Es importante que entre el acero de refuerzo exista adherencia
suficientemente resistente entre los dos materiales. Esta adherencia proviene
de la rugosidad natural de las corrugaciones poco espaciadas en la
superficie de las barras de acero.
47
Las barras de acero se pueden conseguir den diferentes resistencias.
Los grados 40, 50 y 60 tienen resistencias mínimas especificadas para la
fluencia de 276, 345 y 414 N/mm2 respectivamente. La tendencia actual es
hacia el uso de barras de acero del grado 60.
En las secciones anteriores se ha mencionado la debilidad del
concreto para resistir tensión. El refuerzo convencional solo puede usarse
económicamente si se acepta fisuración en el concreto. El presforzado es
una solución alterna a este problema y permite que los miembros se
mantengan sin fisuración en un rango de cargas más amplio, con ventajas
adicionales de deflexiones pequeñas y una durabilidad mucho mayor, por su
menor fisuración y la posibilidad de cubrir mayores luces, para la misma
altura.
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ANEXO 1
FICHAS TÉCNICAS DE
ALGUNOS ADITIVOS USADOS
EN CONCRETO PRETENSADO
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50
51
52
53
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ANEXO 2
DETALLES Y PROPIEDADES DE
ALGUNAS SECCIONES DE
CONCRETO PREFABRICADO
PRETENSADO
POR PREVENCA-VENEZUELA
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60
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