concreto presforzado en diseno de puentes

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EL CONCRETO PRESFORZADO EN DISEO DE PUENTES

Ing. Elsa Carrera Cabrera

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EL CONCRETO PRESFORZADO EN EL DISEO DE PUENTESI. Conceptos Bsicos.PRE-ESFUERZO

El preesfuerzo, es una tcnica de inducir fuerzas en el concreto en forma tal que eliminen, reduzcan, los esfuerzos de tensin que son producidas por las cargas. Presforzar una estructura implicar introducirle artificial y previamente a su puesta en servicio, esfuerzos permanentes, de sentido contrario a las cargas de servicio y de magnitud controlada, de modo que los esfuerzos resultantes no excedan a los que la estructura es capaz de resistir.Ing. Elsa Carrera Cabrera 2

Conceptos:

Presforzar entonces, es una tcnica para mejorar el comportamiento elstico del concreto. Este concepto trata al concreto como un material elstico y probablemente es todava el criterio de diseo ms comn entre ingenieros. El concreto es comprimido (generalmente por medio de acero con tensin elevada) de tal forma que sea capaz de resistir los esfuerzos de tensin. Desde este punto de vista el concreto est sujeto a dos sistemas de fuerzas: Presfuerzo interno y carga externa, los esfuerzos de tensin debido a la carga externa son contrarrestados por los esfuerzos de compresin debido al Presfuerzo.Ing. Elsa Carrera Cabrera 3

Similarmente, el agrietamiento del concreto debido a la carga es contrarrestado por la precompresin producida por los tendones. Mientras que no haya grietas, los esfuerzos, deformaciones y deflexiones del concreto debido a los sistemas de fuerza pueden ser considerados por separado y superpuestos si es necesario.

Al inducir esfuerzos artificiales podemos establecer dos primeros casos con respecto a la ubicacin y camino del cable de tensado:

Ing. Elsa Carrera Cabrera

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Caso.- En su forma ms simple, consideremos una viga rectangular con carga externa y Presforzada por un tendn a travs de su eje centroidal, la viga esta simplemente apoyada, como se muestra a continuacin ( Figura 1) .Anclajes

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P

Eje Neutro

P

P/A

M(yt )/I

P/A + M(yt )/I

P/A

M(yb )/I

P/A - M(yb )/I

Figura N 1 : Distribucin de esfuerzos a travs de una seccin de concreto presforzado concntricamente.Ing. Elsa Carrera Cabrera 5

Analizando los esfuerzos en la fibra inferior de la seccin del centro de luz (A), tenemos: Debido al preesfuerzo P, un esfuerzo uniforme se producir a travs de la seccin que tiene un rea A: = + P/A ............... (1) Si M es el momento externo en una seccin debido a la carga y al peso de la viga, entonces el esfuerzo en cualquier punto a travs de la seccin debido a M es: = - Myb................(2) I Donde yb es la distancia desde eje centroidal a la fibra inferior, e I es el momento de inercia de la seccin. Finalmente la distribucin resultante de esfuerzos est dada por: = + P - Myb .....(3) A I Tal como se muestra en la Figura N 1.Ing. Elsa Carrera Cabrera 6

2 Caso.-La solucin es ms eficiente cuando el tendn es colocado excntricamente con respecto al centroide de la seccin, ( Ver Figura N 2) donde e es la excentricidad de la carga, induciendo esfuerzos segn las necesidades particulares de cada caso.

Pe

Eje Neutro

P

P/A

Pe(y t)/I

M (yt )/I

P/A - Pe(yt )/I + M (yt )/I

P/A

Pe(y b)/I

M (yb)/I

P/A + Pe(y b)/I - M (yb)/I

Figura N2 : Distribucin de esfuerzos a travs de una seccin de concreto presforzado excntricamente.Ing. Elsa Carrera Cabrera 7

Debido a un presfuerzo excntrico, el concreto es sujeto tanto a un momento por la excentricidad, como por la carga directa. El Momento producido por la excentricidad del Presfuerzo es Pe, y los Esfuerzos debido a este momento, en la fibra inferior son: = Pe(yb) ..................................(4) I As finalmente, la distribucin de esfuerzos resultantes esta dada por: = + P + Pe(yb) - M(yb).......(5) A I I Tal como se muestra en figura N 2.

Ing. Elsa Carrera Cabrera

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II. Tipos de Pre-esfuerzo.a) Pretensado (Esfuerzos por Adherencia)En el pretensado los cables o strands estn esforzados contra anclajes externos indicados como- bancos de tensado - ( algunas veces contra el encofrado) y el concreto es luego fraguado en contacto directo con los tendones, permitiendo as desarrollar el afianzamiento. Cuando el concreto ha ganado suficiente resistencia, los tendones son liberados de los anclajes externos temporales y de esta manera transfieren la fuerza al concreto, induciendo un esfuerzo de compresin en l. Los tendones pretensados usualmente corren en lneas rectas ( Ver Figura N3) Para procurar desviar los tendones, son necesarios dispositivos externos de deflexin. Con ello, un perfil del tendn (profile) consiste en una serie de lneas rectas que pueden ser obtenidas con relativa facilidad. Estos dispositivos aumentan el proceso de manufactura y se agregan a los costos. El requerimiento de anclajes externos temporales y los problemas en poner en cota el perfil del tendn hace difcil la aplicacin del pretensado in situ.

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Anclaje del Tendn

Viga Gato Tendn

Lecho de Vaciado

Figura N 3 : Fabricacin de un elemento pretensado

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b) Postensado (Esfuerzos por Anclajes)En el Postensado no es permitido poner en contacto el concreto con los tendones. Los tendones son colocados en ductos o fundas, lo cual previene el afianzamiento, y el concreto es fraguado para que el ducto se afiance pero el tendn adentro queda libre para moverse. Cuando el concreto ha ganado suficiente resistencia, los tendones son esforzados directamente contra el concreto y son mecnicamente asegurados en anclajes empotrados en la fragua en cada extremo. Despus de este estado, se tensionan los tendones, y de aqu en adelante la compresin inducida en el concreto, es mantenida por los anclajes. En el postensado afianzado ( bonded ) el ducto es rellenado despus que los tendones han sido tensados, para que los tendones esforzados queden afianzados. En el postensado no afianzado ( unboned ), como su nombre lo implica, los tendones nunca estn afianzados.

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Anclaje

Viga

Gato

Tendn del Ducto

Figura N 4 : Fabricacin de un elemento postensado

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Comparacin grafica entre el Concreto Armado y el PostensadoCargas Cargas

Grietas

a) Simplemente reforzada Deflexiones excesivas.

b) Pre-esforzada Sin grietas y con pequeas deformaciones.

Figura N 5 : Comparacin entre concreto convencional y el postensado.Ing. Elsa Carrera Cabrera 13

III. Materiales y Equipos.a) Concreto .- La calidad del concreto no debe ser menor de fc = 280

Kg./cm2 , en el concreto la mayor resistencia a la compresin contribuye a menores perdidas por deformacin del mismo. Las deformaciones que sufre un concreto que es precomprimido son las siguientes: Deformacin instantnea o elstica La debida a la retraccin del concreto La que se produce a travs del tiempo por estar sometida la estructura a una compresin permanente. El uso de concreto de alta resistencia permite la reduccin de las dimensiones de la seccin de los miembros a un mnimo, logrndose ahorros significativos en carga muerta siendo posible que grandes luces resulten tcnica y econmicamente posibles.Ing. Elsa Carrera Cabrera 14

Se debe mencionar que en el concreto presforzado se requiere de altas resistencias debido principalmente a que:

Primero, para minimizar el costo. Los anclajes comerciales para el acero de preesfuerzo son siempre diseados con base de concreto de alta resistencia. De aqu que el concreto de menor resistencia requiere anclajes especiales o puede fallar mediante la aplicacin del preesfuerzo. Tales fallas pueden tomar lugar en los apoyos o en la adherencia entre el acero y el concreto, o en la tensin cerca de los anclajes. Segundo, el concreto de alta resistencia a la compresin ofrece una mayor resistencia a tensin y cortante, as como a la adherencia y al empuje, y es deseable para las estructuras de concreto presforzado ordinario. Tercero, el concreto de alta resistencia est menos expuesto a las grietas por contraccin que aparecen frecuentemente en el concreto de baja resistencia antes de la aplicacin del presfuerzo.

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b) Acero.-

El acero utilizado para tensar posee un alto contenido de carbono.

A continuacin se presentaran algunas especificaciones de estos aceros:TIPO Alambre NORMA ASTM A-421 DIAMETROS 3.2 mm 4.0 5.0 7.0 0.5 mm mm mm pulg.

Torn

ASTM A-416

0.6 pulg.

Tabla N 01

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c) Torones.-

El torn se usa casi siempre en miembros pretensados, y a menudo se usa tambin en construccin postensada. El torn es fabricado con siete alambres, 6 firmemente torcidos alrededor de un sptimo de dimetro ligeramente mayor. El paso de la espiral de torcido es de 12 a 16 veces el dimetro nominal de cable, teniendo una resistencia a la rotura garantizada de 17 590 Kg./cm2 conocido como grado 250 k. Recientemente se ha estado produciendo un acero ms resistente conocido como grado 270 K, con una resistencia mnima a la rotuna de 270, 000 lb/pulg2 ( 18, 990 Kg./cm2 ).

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Carga minima para una Dimetro Nominal pulg 0.25 0.313 0.375 0.438 0.5 0.6 0.375 0.438 0.5 mm 6.35 7.94 9.53 11.11 12.7 15.24 9.53 11.11 12.7 Resistencia a la ruptura rea Nominal del Torn elongacin de 1 % Lb 9,000 14,500 20,000 27,000 36,000 54,000 KN GRADO 250 40 64.5 89 120.1 160.1 240.2 pulg2 0.036 0.058 0.08 0.108 0.144 0.216 0.085 0.115 0.153 mm2 23.22 37.42 51.61 69.68 92.9 139.35 54.84 74.19 98.71 Lb 7,650 12,300 17,000 23,000 30,600 45,900 19,550 26,550 35,100 KN 34 54.7 75.6 102.3 136.2 204.2 87 117.2 156.1

GRADO 270 23,000 102.3 31,000 137.9 41,300 183.7

Tabla N 02.- Propiedades del Torn de 7 alambres sin revestimiento.

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Ductos Plsticos

Ductos Metlicos

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ANCLAJES

Anclaje ActivoIng. Elsa Carrera Cabrera

Anclaje Pasivo o Muerto

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Anclaje Activo

Anclaje Fijo

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EQUIPO DE GATEO

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IV. Estados de Carga.Una de las peculiares consideraciones en el concreto presforzado es la diversidad de los estados de carga a los cuales el miembro o estructura es sujeto. Para estructuras vaciadas en sitio, el concreto presforzado tiene que disearse por los menos para dos estados de carga : el estado inicial durante el preesforzado y el estado final bajo las cargas externas. Para elementos prefabricados, un tercer estado por transporte debe revisarse. Durante cada uno de estos estados, hay diferentes etapas en las cuales la estructura puede estar bajo diferentes condiciones. ESTADO INICIAL ESTADO INTERMEDIO ESTADO FINALIng. Elsa Carrera Cabrera 24

ESTADO INICIAL .El elemento est bajo preesfuerzo pero no est sujeto a ninguna externa superpuesta. Este estado puede dividirse en los siguientes periodos: carga

Durante el tensado .- esta es una prueba crtica para la resistencia de los tendones. Generalmente, el mximo esfuerzo al cual los tendones estarn sujetos a travs de su vida ocurre en ste periodo. Para el concreto, las operaciones de presforzado imponen varias pruebas en la produccin de la resistencia en los anclajes. Si el concreto no tiene la resistencia especificada en el momento en el que el presfuerzo es mximo, es posible la trituracin del concreto en la zona de los anclajes. En la transferencia del Presfuerzo.- Para elementos pretensados, la transferencia del preesfuerzo se hace en una operacin y en un periodo muy corto. Para elementos postensados, la transferencia es generalmente gradual, y el presfuerzo en los tendones puede ser transferido al concreto uno por uno. En ambos casos no hay carga externa en el elemento, excepto su peso en el caso del postensado.Ing. Elsa Carrera Cabrera 25

ESTADO INTERMEDIO.Este es el estado durante el transporte y montaje. Ocurre slo para elementos prefabricados cuando son transportados al sitio y montados en su lugar. Es muy importante asegurar que los miembros sean manejados y soportados apropiadamente en todo momento. Por ejemplo, una viga simple diseada para ser soportada en sus esquinas se romper fcilmente si se levanta por el centro. No slo debe ponerse atencin durante el montaje del elemento, sino tambin cuando se le agreguen las cargas muertas superpuestas.

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ESTADO FINAL.Como para otros tipos de estructuras, el diseador debe considerar varias combinaciones de cargas vivas en diferentes partes de la estructura con cargas laterales tales como fuerzas de viento y sismo, y cargas por esfuerzos tales como aquellas producidas por asentamientos de apoyos y efectos de temperatura. Para estructuras presforzadas de concreto, es usualmente necesario investigar sus cargas ltimas y de agrietamiento, su comportamiento bajo sus cargas reales de sostenimiento en adicin a la carga de trabajo. Esto es como sigue: Cargas permanentes. La curvatura o deflexin de un elemento presforzado bajo cargas permanentes generalmente es un factor de control en el diseo, debido a que el efecto de la flexin aumentar su valor. De aqu que es deseable limitar la curvatura o deflexin bajo estas cargas.Ing. Elsa Carrera Cabrera 27

Cargas de trabajo. Al disear para la carga de trabajo, hay que hacer una revisin en los esfuerzos y deformaciones excesivas. No es necesariamente una garanta de resistencia suficiente para la sobrecargas. Carga ltima. Las estructuras diseadas bajo la base de esfuerzos de trabajo pueden no siempre tener un margen suficiente para sobrecargas. Asi, por ejemplo, para elementos de concreto presforzado bajo cargas directas de tensin, es deseable que una estructura posea una capacidad mnima adicional de sobrecarga, es necesario determinar su resistencia ltima. Generalmente, la resistencia ltima de una estructura est definida como la carga mxima que soporta antes del colapso.

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