El documento describe los principios generales del hormigón pre-esforzado. Explica que el pre-esfuerzo consiste en introducir un esfuerzo permanente de compresión para mejorar la resistencia de la estructura. Luego describe los dos tipos principales de hormigón pre-esforzado: pretensado, donde el pre-esfuerzo se aplica antes del hormigonado usando cables de alta resistencia; y postensado, donde el pre-esfuerzo se aplica después usando ductos para los cables y anclajes mecánicos. Final
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El documento describe los principios generales del hormigón pre-esforzado. Explica que el pre-esfuerzo consiste en introducir un esfuerzo permanente de compresión para mejorar la resistencia de la estructura. Luego describe los dos tipos principales de hormigón pre-esforzado: pretensado, donde el pre-esfuerzo se aplica antes del hormigonado usando cables de alta resistencia; y postensado, donde el pre-esfuerzo se aplica después usando ductos para los cables y anclajes mecánicos. Final
El documento describe los principios generales del hormigón pre-esforzado. Explica que el pre-esfuerzo consiste en introducir un esfuerzo permanente de compresión para mejorar la resistencia de la estructura. Luego describe los dos tipos principales de hormigón pre-esforzado: pretensado, donde el pre-esfuerzo se aplica antes del hormigonado usando cables de alta resistencia; y postensado, donde el pre-esfuerzo se aplica después usando ductos para los cables y anclajes mecánicos. Final
El documento describe los principios generales del hormigón pre-esforzado. Explica que el pre-esfuerzo consiste en introducir un esfuerzo permanente de compresión para mejorar la resistencia de la estructura. Luego describe los dos tipos principales de hormigón pre-esforzado: pretensado, donde el pre-esfuerzo se aplica antes del hormigonado usando cables de alta resistencia; y postensado, donde el pre-esfuerzo se aplica después usando ductos para los cables y anclajes mecánicos. Final
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Hormigón Pre-esforzado Ing. Juan Carlos Moya H.
MSc
1 PRINCIPIOS GENERALES DEL HORMIGÓN PRE-ESFORZADO
1.1 DEFINICIÓN DE PRE-ESFUERZO
De acuerdo con el ACI, el proceso de pre-esfuerzo consiste en introducir un esfuerzo
permanente de compresión en una estructura o conjunto de elementos, con el propósito de mejorar su comportamiento y resistencia bajo condiciones de servicio. Los principios y técnicas de pre-esfuerzo se han empleado en estructuras de diferentes materiales, la aplicación más común ha tenido lugar en el diseño de estructuras de hormigón armado.
A través del tiempo han sido muchos los empleos o las aplicaciones que ha tenido el concepto de pre-esfuerzo en la solución de problemas propios de la actividad humana; así por ejemplo tenemos la aplicación del pre-esfuerzo en soluciones tales como: herramientas, barriles, ruedas, paraguas, entre otros.
Hoja Anillos de templada acero 1 Hormigón Pre-esforzado Ing. Juan Carlos Moya H. MSc
Barras postensadas
A finales del siglo pasado los principios del pre-esfuerzo tratan de ser aplicadas a estructuras de hormigón; por esta razón se unen piezas de piedra o de hormigón mediante el uso de varillas o cables con la finalidad de formar vigas y dinteles.
En los primeros tiempos el pre-esfuerzo en el hormigón no pudo desarrollarse de la manera
más conveniente debido a la calidad de los materiales de ese entonces: Hormigones: f ’c ≤ 100 kg/cm2 → ∆l (Elástica - Creep) Aceros: fy ≤ 1000 kg/cm2 → δ = 0,0006 mm / mm
En tales circunstancias el pre-esfuerzo que se daba al hormigón se igualaba con la
deformación del acero y se pierde dicho efecto.
δ = ∆l
𝐸 = 𝜎/𝛿 → ∆𝑙 = 𝜎/𝐸
Si se estira un cable de acero un valor ∆s mediante una fuerza de tracción y luego se retira la carga, el cable tratará de acostarse nuevamente hasta recuperar su longitud inicial. Si impedimos el acortamiento anclado el cable al hormigón después de tensarlo, presionará sobre este, comprimiéndolo con una carga inicial.
Es decir que para comprimir el hormigón, es necesario estirar previamente el acero. Y a
esta conclusión llego primero Doering, quien en 1888 hizo patentar la idea del pretensado, aunque sin éxito.
Luego de las investigaciones desarrolladas por Karl Wettstein en 1925, se llega a
determinar que la pérdida en el esfuerzo de tensión inicia de los cables de acero era en promedio de 2600 kg / cm2, lo que impediría el empleo de aceros comunes con un límite elástico fy = 2200 kg / cm2 puesto que se perdería totalmente la pre-compresión en el hormigón. Se establece de esta manera la necesidad de usar aceros de alta resistencia en las estructuras de hormigón pre-esforzado.
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Inclusive serían inconvenientes los aceros que habitualmente se emplean en el hormigón
armado convencional con un límite elástico fy = 4200 kg / cm 2 debido a que la pérdida del esfuerzo de tensión es muy grande.
2600 % pérdidas = 𝑥 100 = 62% 4200
En cambio, si se emplean aceros de alta resistencia con un fy = 10500 kg / cm2 la pérdida
del esfuerzo de tensión sería mucho menor.
2600 % pérdidas = 𝑥 100 = 25% 10500
Este descubrimiento realizado por Karl Wettstein; al emplear cables de acero de alta resistencia a permitido el desarrollo de esta novedosa tecnología y su aplicación en diferentes tipos de estructuras.
Aproximadamente en el año 1930 el investigador francés "Eugenio Freyssinet" profundiza
sobre la calidad de los materiales sobre el efecto de pre-esfuerzo en las estructuras y llega a determinar:
1.- Trabajar con hormigones con resistencias altas f’c ≥ 300 kg / cm2 2.- El acero de refuerzo debe ser de alta resistencia fy ≈ 12000 kg / cm2
2600 % pérdidas = 𝑥100 = 22% 12000
En esta época el desarrollo de la metalurgia permite obtener estos aceros y los hormigones ya especificados: Hormigón: δ = 0,0008 mm / mm (deformación unitaria)
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1.3 CLASIFICACION Y TIPOS DE ELEMENTOS PRE-ESFORZADOS
A los elementos de hormigón pre-esforzado se los puede clasificar desde diferentes puntos de vista; pudiendo tener los siguientes casos:
1.3.1 HORMIGON PRETENSADO.
Una estructura es de hormigón pretensado cuando el pre-esfuerzo se lo realiza mediante
cables los cuales se tensan antes de verter el hormigón en los encofrados. Se denomina pretensado porque dicho proceso se realiza antes de que sobre la estructura actúen las cargas externas de servicio.
El proceso constructivo de este tipo de estructuras es el siguiente:
1 Colocación de las armaduras y tensado de los cables dentro de las formaletas o encofrados. 2 Proceso de hormigonado, compactación, fraguado y curado. 3 Desencofrado, siempre antes de la transferencia de cargas. 4 Corte de los cables, cuando el hormigón alcanza la resistencia suficiente para garantizar el anclaje de las armaduras activas por adherencia.
Fuente : www.trabis.com.mx/trabis1/Productos
Este tipo de elementos estructurales son fabricados normalmente en plantas de
prefabricación; estas plantas deberán contar con la infraestructura apropiada dados las altas fuerzas que se manejan en la elaboración de estos elementos.
Características:
1. Son elementos prefabricados, elaborados en plantas industriales.
2. El preesfuerzo se aplica antes que las cargas de servicio actúen. 3. El anclaje se produce por adherencia 4. La acción del pre-esfuerzo es interna 5. El acero de refuerzo puede tener trayectorias rectas, poligonales o parabólicas. 6. Las estructuras son generalmente simplemente apoyadas (Elemento isostático).
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1.3.2 HORMIGON POSTENSADO.
En este tipo de elementos estructurales la fuerza de tensado es transferida al hormigón con
posterioridad a que el mismo haya adquirido la resistencia de diseño. En estas estructuras existen menos limitaciones geométricas para la forma de los cables de pre-esfuerzo, sin embargo, existen ciertas restricciones.
El proceso constructivo de este tipo de estructuras es el siguiente:
1 Colocación y fijación de las formaletas o encofrados. 2 Colocación de los ductos y armaduras pasivas. 3 Proceso de hormigonado, compactación, fraguado y curado. 4 Embutido de cables y desencofrado. 5 Tensado de los cables luego que el hormigón alcanza la resistencia suficiente para garantizar el anclaje de las armaduras activas .
Fuente : www.trabis.com.mx/trabis1/Productos
Características: 1. Los elementos pueden ser prefabricadas o construidos en situ. 2. Se aplica el pre-esfuerzo después del colado del hormigón. 3. El anclaje requiere de dispositivos mecánicos 4. La acción del pre-esfuerzo es externa 5. La trayectoria de los cables puede ser recta o curva 6. Los elementos permiten tener continuidad en los apoyos (Elemento hiperestático)
1.3.3 PRE-ESFORZADO INTERIOR Y EXTERIOR
De acuerdo a la forma como se entregue la fuerza al elemento estructural se puede tener el pre-esforzado interior o exterior.
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PRE-ESFORZADO INTERIOR
El pre-esforzado interior se produce cuando los cables de acero de alta resistencia que generan las fuerzas de pre-esfuerzo se encuentran incorporados en el hormigón; en este sistema se tiene como ventaja la protección del acero a corrosión, se lo emplea en la construcción de estructuras nuevas.
El modo de uso más habitual de pre-esforzado interior con elementos adheridos se basa en el empleo de cables cordones desnudos lubricados en un ducto corrugado con fleje metálico, galvanizada o no; que puede curvarse manualmente y en la que se inyecta una lechada de cemento después del tesado de los cables.
En las zonas curvadas y para reducir el coeficiente de rozamiento de los cordones con el ducto será necesario el empleo de un sistema de lubricación. Si se desea aumentar la vida útil del pre-esfuerzo o en el caso de aplicaciones en entornos muy agresivos por lo que respecta a la corrosión del acero del pretensado pre-esfuerzo, el ducto de fleje metálico puede sustituirse por una ducto de plástico.
Fuente : Freyssinet sustainable technology
El sistema de pre-esforzado con cables no adheridos se lo utiliza esencialmente para
aplicaciones que implican la necesidad de medir la tensión del cable, de volver a tesarlo o de aflojarlo y sustituirlo.
Se puede obtener un pretensado no adherente simplemente utilizando un producto de
protección anticorrosión blando como sustituto de la lechada de cemento, generalmente grasa o cera especialmente diseñadas para esta función. En este caso, se prestará especial atención a la estanquidad de los conductos.
Para aumentar la vida del pretensado colocando varias barreras de protección contra la corrosión o para permitir, por ejemplo, la sustitución individual de los cordones. Estas armaduras pueden colocarse en un conducto inyectado con lechada de cemento antes del tesado del cable o bien pueden incorporarse directamente en el entramado antes del hormigonado
PRE-ESFORZADO EXTERIOR
El pretensado exterior se adapta a la perfección a los elementos de hormigón con un
espesor reducido y permite examinar fácilmente la sección principal de los cables.
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Fuente : Estructuras postensadas Ing. Roberto Lainez
El pre-esforzado exterior se lo realiza mediante barras, cables o torones que se adicionan
exteriormente a las estructuras. Se lo utiliza generalmente en la reparación y repotenciación de estructuras; como por ejemplo en un puente debido al incremento de cargas de tráfico es necesario el incremento de la fuerza de pre-esfuerzos en las vigas postensadas. Estos sistemas además se los emplea en la construcción de depósitos, tanques o silos.
Fuente : Freyssinet sustainable technology
El uso más común del sistema de pre-esforzado exterior se basa en el empleo de cordones colocados en tubos gruesos, unidos mediante soldadura a la estructura, a través de ellos se inyecta lechada de cemento tras el tesado del cable.
Para que sea posible desmontar el cable sin dañar la estructura, los conductos se componen de tuberías dobles a la altura de las secciones cruzadas en el hormigón, es decir, en las desviaciones y en las riostras de anclaje.
En el caso de los cables cuyos cordones son independientes se recomienda utilizar
cordones protegidos con grasa y revestidos con un ducto individual y colocarlos en un conducto inyectado con lechada de cemento antes de tesar el cable.
Esta disposición tiene la ventaja de aumentar la vida del pretensado, debido a que se colocan varias barreras de protección contra la corrosión, y de permitir, por ejemplo, la sustitución individual de los cordones. Otra solución consiste en inyectar el cable con un producto anticorrosión blando, como una grasa o una cera especialmente diseñadas para
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esta función; en este caso se deberá prestar especial atención a la inyección en caliente de estos productos.
1.3.4 PRE-ESFORZADO CON ELEMENTOS ADHERIDOS Y NO ADHERIDOS
Según la forma como trabaja el acero se tendrán elementos adheridos y elementos no adheridos. En el caso de las estructuras pretensadas los cables o torones de refuerzo se encuentran adheridos con el hormigón. En este caso el comportamiento del elemento es similar al de una estructura de hormigón no pre-esforzado en su estado de agrietamiento; es decir, aparecerán fisuras a lo largo de todo el elemento.
Fuente : Fundamentos Concreto Pre-esforzado J.B. de Hanal Pág 4
Para las estructuras postensadas se puede tener elementos adheridos y no adheridos;
cuando luego de tensado de los cables de acero se inyecta en el ducto lechada o mortero de cemento, los cables quedaran adheridos al hormigón; se tendrá elementos postensados con cables no adheridos cuando no se inyecta mortero o lechada de cemento; o cuando los cables son recubiertos por fundas lubricadas que permiten tensionarlos después del fraguado del hormigón.
1.3.5 PRE-ESFORZADO LINEAL
Consideramos que se trata de un pre-esforzado lineal cuando la trayectoria del elemento
preesforzante está contenido en un solo plano; su trayectoria puede ser rectilínea, parabólica o poligonal.
1.3.6 PRE-ESFORZADO CIRCULAR
Este tipo de pre-esfuerzo se presenta cuando la trayectoria no se ubica en un solo plano, se
la utiliza para la construcción de tanques de almacenamiento, silos; se requiere gatos especiales para realizar el preesfuerzo y sus respectivos elementos de anclaje.
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1.3.7 PRE-ESFORZADO TOTAL Y PARCIAL
Existen elementos en los cuales los esfuerzos de tensión son tomados íntegramente por el acero de preesfuerzo dando como resultado en la estructura un régimen de compresión en este caso se tiene un pre-esfuerzo total.
Diagrama de pre Diagrama de
Compresión total compresión tensiones
En otras estructuras las tensiones no sean absorbidas totalmente por el elemento de pre- esfuerzo; debiendo contrarrestarse las tensiones remanentes con refuerzo común o mediante nuevos cables postensados
Diagrama de pre Diagrama de Reducidos esfuerzos
compresión tensiones de tensión
1.4 APLICACIONES DEL HORMIGON PRE-ESFORZADO
La técnica del hormigón preesforzado en sus diferentes modalidades ha tenido una difusión y aplicación bastante amplia. El uso más frecuente ha sido en la construcción de puentes debido a su gran eficiencia y eficacia, en donde las ventajas que implica su uso son altamente competitivas principalmente por las grandes luces y cargas que se requieren en el diseño de seste tipo de estructuras.
Se ha utilizado al hormigón pre-esforzado en la construcción de edificios de diferente índole;
desde muy sencillas hasta muy importantes; como edificios de vivienda de muchos pisos. Igualmente se lo ha empleado en la construcción de tanques a nivel de suelo o elevados; ha sido de gran aplicación y utilidad en la elaboración de elementos prefabricados tales como: postes, pilotes, durmientes, tuberías, entre otros. A continuación se describen varias aplicaciones del hormigón pre-esforzado:
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1.4.1 EDIFICIOS
Si bien en gran parte de las obras arquitectónicas se recurre a la utilización del hormigón armado tradicional como sistema constructivo, no siempre representa una solución económica y práctica. Existen variadas situaciones en las que es más conveniente e indispensable la utilización de otros sistemas que brinden determinadas características y propiedades que éste no posee.
Los hormigones pre-esforzados añaden al sistema tradicional cualidades estructurales y
resistentes necesarias en obras de mayores exigencias, posibilitando la realización de estructuras de gran tamaño que no serían viables utilizando el hormigón convencional no pre-esforzado, esto conducirían a elementos demasiado pesados, rígidos y difíciles de operar.
Principalmente debido a las grandes luces que salva el hormigón pre-esforzado, suele aplicarse a estacionamientos, edificios industriales, hoteles, complejos deportivos, salas de recepción de pasajeros en terminales aéreas y marítimas, grandes auditorios, basílicas, cines, teatros, hospitales, almacenes, comercios y oficinas que requieren de grandes espacios libres. Por lo tanto, es utilizado en recintos cuya función de albergar un público numeroso implica la necesidad de cubrir amplias áreas.
A partir de los 6.00 m. de luz entre los apoyos de una estructural cualquier proyecto arquitectónico debería considerar la posible utilización de un sistema pre-esforzado.
Con el hormigón pre-esforzado se han prefabricado elementos para cimentaciones,
columnas, vigas, paneles para losas, entre otros; permitiendo el desarrollo de la industria de prefabricados y de construcción en serie.
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1.4.2 PUENTES
Esta tecnología se aplica a toda clase de puentes: puentes con vigas prefabricadas tipo I, voladizos sucesivos, con viga de lanzamiento, atirantados, construidos por dovelas prefabricadas (vigas cajón), entre otros. Se han construido puentes isostáticos e hiperestáticos desde luces pequeñas hasta grandes luces.
Para resolver problemas de cimentaciones en sitios de baja capacidad portante de los
suelos se utilizara los pilotes que puedan ser de hormigón; estos pueden ser de hormigón normal y de hormigón pre-esforzado.
Los pilotes de hormigón pre-esforzado poseen una ventaja muy importante al no haber tensiones en el hormigón no trabaja agrietado y al estar enterrado la humedad no afecta como en los pilotes de hormigón tradicional.
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1.4.4 ANCLAJES PARA SOSTENIMIENTO.
La técnica del pre-esforzado se ha utilizado para el desarrollo de elementos de anclaje de
diferente tipo de estructuras; como por ejemplo muros de contención, muros anclados atirantados. Los muros atirantados se los emplea en profundidades mayores este sistema consiste en anclar placas de concreto a diferentes niveles por medio de cables que van dentro de perforaciones realizadas previamente en el terreno.
En la construcción de este tipo de elementos se coloca un sistema de postensado
perimetral horizontal para comprimir a la estructura, dándole al cable tensor la capacidad de soportar los esfuerzos de tensión que originan los empujes laterales y la cargas de servicio.
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1.5 VENTAJAS DEL HORMIGON PRE-ESFORZADO
Normalmente las estructuras de hormigón pre-esforzado son más livianas que las estructuras de hormigón armado convencional, esto determina ventajas desde el punto de vista arquitectónico; lo cual aplicado a estructuras significa una diferencia notable de dinero.
Al hablar del peso mismo de la estructura; el empleo de hormigón de alta resistencia
y acero de alta resistencia determinan que las cantidades son las precisas; esto como es lógico suponer determina que no exista desperdicio; por otra parte al ser estructuras livianas, las columnas son menos robustas y por consiguiente las cimentaciones son más ligeras.
Si la estructura en su globalidad es más liviana; los problemas de tipo sísmico serán
menos críticos a pesar que al hablar de edificios se requiere de una técnica adecuada en la unión de elementos horizontales y verticales.
Otra ventaja es la resistencia y control de calidad que existe en cuanto a la forma
del comportamiento de las estructuras; debido a las fases de ejecución; puede hablarse también que son estructuras seguras porque están sujetas a grandes fuerzas en el momento mismo de su fabricación.
Se ha indicado que el hormigón preesforzado trabaja sometido a un régimen único
de compresión; es decir se consigue eliminar las tracciones, así de esta manera se logra controlar los agrietamientos. Esto permite el empleo de estructuras de hormigón pre-esforzado en sitios donde la atmósfera o condiciones del medio son agresivas como por ejemplo: las cercanías del mar, estructuras sumergidas; fábricas donde existe la eliminación de vapores de ácidos, entre otras.
En cuanto se refiere a seguridad de la estructura debe aclararse que en este tipo de
elementos pre-esforzados se efectúa la prueba del elemento el momento mismo que se tensan los cables; evidentemente la tensión del cable se realiza en los primeros días de vida de la estructura y justamente en la etapa inicial las cargas son las mayores que existe sobre la estructura debido a que con el paso del tiempo se produce los denominadas pérdidas de pre-esfuerzo.
Finalmente las estructuras de hormigón pre-esforzado poseen mejor ductilidad que
las estructuras de hormigón armado convencional; esto quiere decir que antes que ocurra la falla de un elemento de hormigón pre-esforzado se tendrán grandes deformaciones que permitirán adoptar las correcciones necesarias.
1.6 DESVENTAJAS DEL HORMIGON PRE-ESFORZADO
Las estructuras de hormigón pre-esforzado se elaboran con aceros y hormigones de
alta resistencia; necesitan de sistemas de encofrados más complicados, demandan sistemas de anclaje y placas de apoyo; adicionalmente requieren mano de obra calificada.
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En las estructuras de hormigón pre-esforzado se debe realizar un control de calidad
más estricto en su fabricación, transporte, montaje y puesta en servicio que en las estructuras de hormigón armado convencional.
En su diseño se debe comprobar condiciones adicionales de esfuerzo, tanto en su
etapa inicial al aplicar las fuerzas de pre-esfuerzo; así como las pérdidas del pre- esfuerzo que se presentan posteriormente; se deben considerar los diferentes esfuerzos que aparecen en las diferentes etapas de carga.
