Concreto Presforzado Cap 1 Parte 1.pdf

Ingeniería Civil 7 Apuntes de Concreto Presforzado Recopiló: Dr. José Manuel Carrillo Hernández 1. GENERALIDADES DEL CONCRETO PRESFORZADO 1.1.- Conceptos generales El Concreto Presforzado consiste en crear deliberadamente esfuerzos permanentes en un elemento estructural para mejorar su comportamient...

Ingeniería Civil 7 Apuntes de Concreto Presforzado Recopiló: Dr. José Manuel Carrillo Hernández 1. GENERALIDADES DEL CONCRETO PRESFORZADO 1.1.- Conceptos generales El Concreto Presforzado consiste en crear deliberadamente esfuerzos permanentes en un elemento estructural para mejorar su comportamiento de servicio y aumentar su resistencia. Los elementos que se utilizan van desde una vigueta para casa habitación hasta trabes para puentes de grandes claros, con aplicaciones tan variadas como durmientes para vías de ferrocarril, tanques de almacenamiento y rehabilitación de estructuras dañadas por sismo, entre otras. Gracias a la combinación del concreto y el acero de presfuerzo es posible producir, en un elemento estructural, esfuerzos y de- formaciones que contrarresten total o parcialmente a los producidos por las cargas gravitacionales que actúan en el elemento, lográndose así diseños más eficientes. Si se considera un grupo de bloques de concreto (figura 1), estos se mantienen en conjunto y son capaces de admitir solicitaciones de carga si a lo largo de toda su dirección longitudinal se hace pasar un cable de acero, el cual es tensado. Con una configuración, tal que conforme un cuerpo lo más parecido a una viga común, y procurando inducir una contraflecha, se disminuyen considerablemente los esfuerzos de tensión en la parte baja del elemento. Figura 1.- Bloques de concreto sujetos a compresión La fuerza de compresión en los bloques se transmite dada la tensión del cable. Es decir, el cable tensado tiende a regresar a su estado de relajación inicial, por lo que, gracias a ese efecto, es como se logra que se induzca la fuerza compresiva en los bloques. La idea definida a partir de los bloques se asemeja a la que se pretende aplicar en elementos presforzados. En la viga presforzada son un grupo de cables de acero los que se colocan en dirección longitudinal y son tensados mediante medios mecánicos. Posteriormente, se da paso al vaciado de la mezcla de concreto en el encofrado que define la sección de la viga. Una vez que el concreto adquiere la resistencia apropiada, son los cables tensados los que inducen la fuerza compresiva deseada en el elemento. Esta fuerza disminuye considerablemente la tensión en la parte baja de la viga. De igual forma, incrementa tanto sus capacidades para resistir cargas como la longitud de la misma. Las vigas de concreto presforzado generalmente tienen un menor volumen de concreto con respecto a las de concreto reforzado, bajo las mismas condiciones de claro y Ingeniería Civil 8 Apuntes de Concreto Presforzado Recopiló: Dr. José Manuel Carrillo Hernández cargas aplicadas. En términos generales, el peralte de un miembro de concreto presforzado representa entre un 60% a un 80% del peralte que habitualmente tiene un elemento de concreto reforzado. Por lo que respecta a la cantidad de concreto, es de un 20% a un 35% menor la cantidad empleada en el concreto presforzado. Las ventajas del empleo de vigas presforzadas radican en su mayor esbeltez, la disminución del peso propio y en la reducción de tiempo de construcción, dado que estos elementos son prefabricados en planta. En la figura 2 se aprecia las diversas formas de colocar el presfuerzo y el comportamiento mecánico correspondiente en una viga. Figura 2. Colocación del presfuerzo y comportamiento mecánico de una viga En la figura 2 se muestran los diagramas de momentos debidos a carga vertical, W, y a la fuerza de presfuerzo, P, para una viga simplemente apoyada. La carga vertical y la fuerza de presfuerzo son las mismas para las tres vigas; sin embargo, los diagramas de momento debidos a las distintas condiciones de la fuerza de presfuerzo difieren entre sí. La viga I tiene presfuerzo axial, es decir, el centro de gravedad de los torones se encuentra en el eje neutro de la sección. El presfuerzo así colocado no provoca ningún momento en la sección por lo que desde este punto de vista no hay ventajas al colocar presfuerzo axial. En la viga II el presfuerzo produce un diagrama de momento constante a lo largo del elemento debido a que la trayectoria de la fuerza P es recta y horizontal, pero está aplicada con una excentricidad e. Con esto se logra contrarrestar el momento máximo al centro del claro provocado por la carga vertical. Sin embargo, en los extremos de la viga II el momento provocado por el presfuerzo resulta excesivo ya que no existe momento por cargas verticales que disminuya su acción. En este caso, un diseño adecuado deberá corregir este exceso de momento. Por último, en la viga III se tiene una distribución de momentos debida al presfuerzo similar a la curva provocada por la carga vertical; el presfuerzo así colocado, con excentricidad pequeña en Ingeniería Civil 9 Apuntes de Concreto Presforzado Recopiló: Dr. José Manuel Carrillo Hernández los extremos y máxima al centro del claro, contrarresta eficientemente el efecto de las cargas en cada sección de la viga. Figura 3.- Colocación del presfuerzo y comportamiento del estado de esfuerzos de una viga La figura 3 muestra los diagramas de esfuerzos para las secciones al centro del claro y en los extremos correspondientes a las mismas vigas de la figura 2. Se aprecia que, contrario a lo observado en la figura 2, el comportamiento de la viga I al centro del claro sí mejora con el presfuerzo, aunque este sea sólo axial. Esto es debido a que el presfuerzo provoca compresiones que disminuyen las tensiones provocadas por W en la fibra inferior de la sección. Para las vigas II y III estos esfuerzos de tensión son todavía menores por el momento provocado por el presfuerzo excéntrico. En los extremos, las vigas I y III tienen esfuerzos sólo de compresión, mientras que la viga II presenta esfuerzos de tensión y compresión debidos a la existencia de presfuerzo excéntrico; estos esfuerzos son mayores que los de las vigas I y III y en general mayores también que los esfuerzos permisibles. La comparación de las vigas I, II y III mostrada en las figuras 2 y 3, permite concluir que el acero de presfuerzo disminuye tanto los esfuerzos de tensión como los momentos en la sección al centro del claro. Los efectos secundarios del presfuerzo como los momentos y esfuerzos excesivos en los extremos de la viga II pueden suprimirse o inhibirse con procedimientos sencillos encamisando los torones o con técnicas similares. 1.2.- Ventajas y desventajas del uso de elementos presforzados 1.2.1.- Ventajas del concreto presforzado De acuerdo con lo anterior, la deformación y el agrietamiento de elementos presforzados disminuyen por la compresión y el momento producidos por los tendones, lo que se traduce en elementos más eficientes. Esto se aprecia esquemáticamente en la figura 4 que muestra la comparación del estado de deformación y agrietamiento de dos vigas, una Ingeniería Civil 10 Apuntes de Concreto Presforzado Recopiló: Dr. José Manuel Carrillo Hernández de concreto reforzado y otra de concreto presforzado, sometidas ante la misma carga vertical. Figura 4.- Deformación y Agrietamiento (a) Concreto Reforzado, (b) Concreto Presforzado Algunas ventajas del concreto presforzado son las siguientes: 1.- Mejor comportamiento ante cargas de servicio por el control del agrietamiento y la deflexión 2.- Permite el uso óptimo de materiales de alta resistencia 3.- Se obtienen elementos más eficientes y esbeltos, con menos empleo de material; en vigas, por ejemplo, se utilizan peraltes del orden de L/20 a L/23, donde L es el claro de la viga, a diferencia de L/10 en concreto reforzado 4.- La producción en serie en plantas permite mayor control de calidad y abatimiento de costos. 5.- Mayor rapidez de construcción al atacarse al mismo tiempo varios frentes o construirse simultáneamente distintas partes de la estructura; esto en general conlleva importantes ventajas económicas en un análisis financiero completo 1.1.2.- Desventajas del concreto presforzado Conviene también mencionar algunas desventajas que en ocasiones pueden surgir en ciertas obras. Estas son: 1.- La falta de coordinación en el transporte de los elementos presforzados puede encarecer el montaje. 2.- En general, la inversión inicial es mayor por la disminución en los tiempos de construcción 3.- Se requiere también de un diseño relativamente especializado de conexiones, uniones y apoyos 4.- Se debe planear y ejecutar cuidadosamente el proceso constructivo, sobre todo en las etapas de montaje y cola-dos en sitio Existen aplicaciones que solo son posibles gracias al empleo del presfuerzo. Este es el caso de puentes sobre avenidas con tránsito intenso o de claros muy grandes, el de algunas naves industriales o donde se requiere de una gran rapidez de construcción, entre otras. Ingeniería Civil 11 Apuntes de Concreto Presforzado Recopiló: Dr. José Manuel Carrillo Hernández 1.2.- Pretensado y Postensado 1.2.1.- 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 colado 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. Figura 5. Fabricación de un elemento pretensado (a) Trayectoria horizontal (b) Desvío de torones (c) Producción en serie El curado de los elementos se realiza con vapor de agua cubriéndolos con lonas. La acción del presfuerzo en el concreto es interna ya que el anclaje se da por adherencia. Las trayectorias del presfuerzo son siempre rectas y en moldes adaptados es posible hacer desvíos para no provocar esfuerzos excesivos en los extremos. En aquellas secciones donde el presfuerzo resulte excesivo, como en los extremos de vigas simplemente apoyadas sin desvío de torones, se debe disminuir la fuerza presforzante encamizando algunos de ellos. En la figura 5 se muestran las posibles trayectorias de estos tendones, así como un ejemplo de la producción en serie en mesas de gran tamaño, en muchos casos mayores de 80 m. de longitud.