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CURSO SMIE /ANIPPAC

PUEBLA FEBRERO 2008ING. EDUARDO GUZMAN ESCUDERO

ING. MANUEL SUAREZ GONZALEZ

CONCRETO PRESFORZADO

1.- INTRODUCCION

Fundamentos del concreto presforzado.Comportamientos de elementos presforzados.Sistemas de presfuerzo; pretensados y postensado.

2. MATERIALESCaracterísticas del concreto

Resistencia características notables a la transferencia y a los 28 días.Contracción y flujo plástico.Características del acero del presfuerzoResistencia características notables fy, fu.Modulo de elasticidad.Sistema para el control para el control de la fuerza de pretensado aplicado.Relajación del acero.

3.PERDIDAS DE PRESFUERZO

Perdidas por acortamiento elástico axial y a flexión.

Perdidas por contracción y flujo plástico en el concreto.

Perdidas por relajación del acero de presfuerzo.

4. CALCULO DE ELEMENTOS PRETENSADOS A FLEXION.

Calculo de esfuerzos en la transferencia del presfuerzo.Esfuerzos permisibles bajo cargas de servicio, clases de elementos pretensados, ejemplos de calculo del Nº 1 al 4 secciones criticas. Resistencia de los elementos pretensados a flexión. Ejemplo de calculo Nº 5.Resistencia de los elementos compuestos a flexión.Ejemplo de calculo Nº 6

Deformaciones en la transferencia del presfuerzo.Deformaciones bajo cargas de servicio.Deformaciones a largo plazo.Control de las deformaciones de los elementos pretensados en las diferentes etapas.Ejemplo de calculo Nº 7.Ejemplo de calculo Nº 8.

Resistencia de los elementos pretensados a cortante.Tensión diagonal.Resistencia del concreto.Resistencia del acero de refuerzo transversal.Flujo de cortante.Cortante por fricción en los elementos pretensados compuestos.Ejemplo de calculo Nº 9

5. Calculo de candeleros, esquema de calculo y detalles constructivos.6. Calculo de vainas en cimentación, calculo y detalles constructivos.7. Columnas, trabes y losas.8. Conectores y Llaves de cortante entre elementos.

9. Procedimiento constructivos de estructuras con elementos prefabricados.

Etapas de carga y de análisis.

10. Conexiones mas utilizadas en los elementos prefabricados.11.Estructuras con conexiones prefabricadas.12.Estructuras emulativas del concreto presforzados.

13.Estructuras prefabricadas hibridas de comportamiento elástico no lineal.

1. INTRODUCCIÓN

FUNDAMENTOS DE CONCRETO PRESFORZADOCOMPORTAMIENTO DE ELEMENTOS PRESFORZADOSSISTEMAS DE PRESFUERZO, PRETENSADO Y POSTENSADO

FUNDAMENTOS DE CONCRETO PRESFORZADO

COMPORTAMIENTO

COMPORTAMIENTO

SISTEMAS DE PRESFUERZO

SISTEMAS DE APLICACIÓN DE PRESFUERZO

TENSADO POR AMBOS EXTREMOS

2. MATERIALES

CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETOCONTRACCIÓN Y FLUJO PLÁSTICOCARACTERÍSTICAS DEL ACERO DE PRESFUERZORELAJACIÓN DEL ACERO.

CARACTERÍSTICAS DEL CONCRETO

MATERIALESDEFORMACIÓN

CONTRACCION

FLUJO PLASTICO

CARACTERÍSTICAS DEL ACERO DE PRESFUERZO

RELAJACIÓN DEL ACERO

3. PÉRDIDAS DE PRESFUERZOPÉRDIDAS INMEDIATASPÉRDIDAS A LARGO PLAZO

PÉRDIDAS DE PRESFUERZOS

PÉRDIDAS DIFERIDAS

4. FLEXIÓN

SECCIONES CRÍTICASESFUERZOS PERMISIBLES EN LA TRANSFERENCIA DEL PRESFUERZOESFUERZOS PERMISIBLES BAJO CARGAS DE SERVICIORESISTENCIA A FLEXIÓN

FLEXIÓN

DISEÑO

SECCIONES CRÍTICAS

ESFUERZOS PERMISIBLES EN LA TRANSFERENCIA DEL PRESFUERZO

ESFUERZOS PREMISIBLES BAJO CARGAS DE SERVICIO

ESFUERZOS

CÁLCULO DE LA RESISTENCIA A FLEXIÓN

CALCULO DE LA RESISTENCIA A FLEXION

EJEMPLO 5

DEFLEXIONES

DEFLEXIÓN INMEDIATADEFLEXIÓN DIFERIDA

CORTANTE

DISTRIBUCIÓN ELÁSTICA DE ESFUERZOS

CORTANTE POR FRICCION

CORTANTE POR FRICCION:

EXPRESIONES PARA LA EVALUACION DEL CORTANTE POR FRICCION SEGÚN ACI-318-05 PUNTO 11.7.4 METODO DE DISEÑO DE CORTANTE POR FRICCION.

Vn = Avf fy µ

µ = 1.4 λ para concreto monolitico.µ = 1.0 λ para concreto colado sobre concreto endurecido con superficie rugosa.

Donde:

λ =1 para concreto normal, 0.85 para concreto ligero.Se deberá revisar que los esfuerzos en el concreto no sobrepasen el valor de 0.2f’c ni 5.5 MPa.

FUNDAMANETOS DEL CORTANTE POR FRICCION:

1. Losa bloques de concreto sufren un desplazamiento horizontal.

2. Como consecuencia de la rugosidad de la superficie entre los bloques, se preoduce un desplazamiento vertical ▲y que genera esfuerzos en el acero transversal de refuerzo.

VAINAS DE CIMENTACION

SISTEMA DE ANCLAJE DE VARILLAS EN VAINAS DE CIMENTACION.

135129410648486405324303

LONGITUD EN cmNo.

LONGITUDES DE EMPOTRAMIENTO DE VARILLAS EN VAINAS

DETALLES CONSTRUCTIVOS DE DADOS DE CIMENTACION CON VAINAS.

CANDELEROS DE CIMENTACION

MENSULAS EN COLUMNAS

MENSULAS DE APOYOCONDICIONES:

a/d ≤ 1Nu ≤ Vu ; Nu ≥ 0.2 Vu

•Ф= 0.75 PARA TODOS LOS CASOS

Vn = 0.2 f’c bw d ó 5.5 bw d

As = Af + An ó 2Avf/(3+An)

Af = (Vu a + Nu (h-d))/ (Фfyd)

An = Nu / Фfy

Vu ≤ ФVn

Ah ≥ 0.5 (As-An)

EJEMPLO DE CALCULO.

NARICES EN TRABES PREFABRICADAS

MENSULAS EN TRABES (NARICES)

LOS FALLAS POTENCIALES PRESENTADOS EN LA FIGURA ANTERIOR SON:

1.- FALLO POR FLEXION DEL VOLADO Y FUERZA AXIAL.

As = Af + An = (VU(a/d)+NU(h/d))/ ФfY

2.- CORTANTE DIRECTO EN LA UNION ENTRE LA MENSULA Y EL CUERPO DE LA TRABE.

Ф= 0.75

As = 2VU/3ФfY µ + An

An = Nu / Фfy

El refuerzo requerido será igual al mayor de los dos valores calculados, no se sumaran ambos valores.

Ф= 0.75

µ = 1.4 λ para concreto monolitico.

λ =1 para concreto normal, 0.85 para concreto ligero.

3.- TENSION DIAGONAL EN LA ESQUINA DE UNION DE LA NARIZ CON EL CUERPO DE LA TRABE.

Ash = VU/ФfY

4.- TENSION DIAGONAL EN LA NARIZ CON EL CUERPO DE LA TRABE.

ФVN = Ф(AVfY + AhfY + 2λbd √ f’c)

Por lo menos ½ del acero determjado se colocará en forma de estribos verticales

Min Av = 1/2fy(Vu/ Ф – 2λbd √ f’c)

Todos los aceros horizontales, cruzarán la falla tipo 5 y tendrán una lomgitud de al menos la longitud de desarrollo de la varilla

LLAVES DE CCORTANTE

A- Tensión diagonal o compresión.

B- Cortante.

LLAVES DE CORTANTE

C- Aplastamiento de esquina.

D- Separación.

ESQUEMA DE FUERZAS EN LAS LLAVES DE CORTANTE

PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DE

ESTRUCTURAS PREFABRICADAS

PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO DEL SISTEMA:

FUNDAMENTOS Y CARACTERISTICAS DEL SISTEMA:1. LAS ESTRUCTURAS DE CONCRETO REFORZADO O PRETENSADO COLADAS EN SITIO NO SON MONOLITICAS.

2. EMPLEO DE GANCHOS ESTANDART Y LONGITUDES DE DESARROLLO QUE GARANTIZAN UN COMPORTAMIENTO EMULATIVO EN CUANTO A RESISTENCIA Y DUCTILIDAD DE LOS ENTREPISOS PREFABRICADOS IGUALES A LOS DE LAS ESTRUCTURAS COLADAS EN SITIO. 3. EL EMPLEO DEL PRESFUERZO EN AQUELLAS SECCIONES Y ELEMENTOS DONDE REALMENTE ES EFICIENTE DADO EL PROCESO CONSTRUCTIVO EN QUE LA TOTALIDAD DE LAS CARGAS DE PESO PROPIO DEL ENTREPISO GENERAN SOLAMENTE MOMENTO POSITVO.

4. REDUCCION DE LOS PERALTES DE LOS ELEMENTOS DE ENTREPISO.

5. MINIMOS REQUERIMIENTOS DE MANTENIMIENTO.

Analisis Comparativo de Estructuras Coladas en Sitio y Prefabricadas

H

L

S

Sobre carga viva (CV)

Sobre carga muerta (SM)

Peso propio Losa (PL)

Peso propio esqueleto (PE)

S= ∑ W x L x C = 2 5 L x 1 x 1 = 1= 17 LQ 6 3 2 6 36

∑W = 1 + 1 + 1 + 1 = 2 53 2 6

L=H

IcEc=ITET

IcEc=ITET

Estructura Colada en Sitiowl218

= l254

5L2

216

L2

108PE (w=1)

W=L3

Estructura Prefabricada

wl218

= l254

5L2

216

L2

108PE (w=1)

W=L3

wL2

18 =L2

L8

W=1

5L2

72

L2

36PL (w=1)

wL2

8 =L2

24wL2

8 =L2

8

17 L2

168

17 L2

12617 L2

126

17 L2

168

S=17 L36

0

wL2

18 =L2

36

L2

72

L2

36

5L2

144

1 L2

121 L2

12

1 L2

241 L2

24

13 L2

48

SM (w=1)

wL2

18 =L2

18W=1

L2

18

5L2

72

L2

36

L2

72

wL2

18 =L2

36L2

36W=0.5acc. CV

5L2

144

CV =1L2

72

17 L2

10817 L2

108

17 L2

21617 L2

216

wL2

18 =L2

18

5L2

72

L2

18

L2

36

17 L2

168

17 L2

12617 L2

126

17 L2

168

S=17 L36

0

Sismo 0.2136

391 L2

1512 =

85 L2

432

85 L2

1512

0.2586100%

85 L2

1512 323 L2

1512 =100%Resultante

83% Menor

31 L2

168 =

13 L2

481 L2

56

71% Menor

47 L2

50489 L2

504 = 0.176

0.1845

Resultante

•EN CORRESPONDENCIA CON LOS REGLAMENTOS, LOS ELEMENTOSMECÁNICOS EN LAS CONEXIONES SE INCREMENTAN EN UN 30%.ESTO TRAE COMO RESULTADO QUE TENDREMOS UNA CONEXIÓN CONCAPACIDAD SIMILAR A LA COLADA EN SITIO PERO CON SOLICITACIONESMENORES DADO EL PROCEDIMIENTO CONSTRUCTIVO.

Comentarios:•DADO EL EMPLEO DE CONCRETO PRESFORZADO EN LOS ELEMENTOS PREFABRICADOS SE PUEDEN OBTENER GRANDES CAPACIDADES A MOMENTO POSITIVO EN LOS CENTROS DE LOS CLAROS.

•PRODUCTO DE LA PROCESO DE MONTAJE SE LOGRA UNA REDUCCIÓN DE LOS MOMENTOS EN LAS ZONAS DE CONEXIÓN DE LAS TRABES CON LAS COLUMNAS. ESTA REDUCCIÓN PUDE LLEGAR A SER EL 30%.

CONEXIONES EN LAS ESTRUCTURAS

PREFABRICADAS

Son las uniones entre elementos en una estructura.

•Las uniones tienen un especial lugar en el comportamientoestructural de cualquier sistema constructivo.

•En muchos Sistemas Constructivos no se diseñan ni detallan lasconexiones.

Puntos criticos:

•Las uniones soldadas de las varillas de refuerzo del #8 y mayores.

•El anclaje de las varillas de refuerzo de las trabes en columnas muy armadas.

•Todos los Sistemas tienen conexiones.

•Todas las oficinas de diseño deben tener una participacion muy activa en todo el ciclo de la obra y en especial en las conexiones.

CONEXIONES.

UNIONES DE LOS ELEMENTOS PREFABRICADOS.

•El diseño de las uniones deberá tener en cuenta las características del concreto reforzado y presforzado. Uniones de fácil ejecución en acero no son aplicables al concreto prefabricado.

•La ejecución de las uniones debe ser cómoda y de fácil.

•Las pequeñas e inevitables imprecisiones producto de la fabricación y el montaje en las dimensiones no deben influir en el estado tensional previsto para la conexión.

•Las conexiones deben posibilitar que la estructura sea capaz de soportar las cargas lo antes posible.

•Las conexiones deben requerir de pocos materiales y mano de obra.

•Las juntas deben tener la posibilidad de ser inspeccionadas en todo momento, desde la producción hasta el servicio.

• La retracción en estructuras prefabricadas después de la ejecución de las uniones puede ser despreciada.

•Las uniones pueden ser rígidas o articuladas. En las uniones rígidas la longitud para la trasmisión de los esfuerzos será la mínima posible pero sin sobrepasar los esfuerzos permisibles.

•Las uniones rígidas requieren de una mayor cantidad de materiales y mano de obra. Se emplean para la unión de la estructura a la cimentación y entre elementos principales que conformen los marcos portantes.

•Las uniones pueden ser húmedas o secas según la exigencia del colado.

•Las uniones húmedas tienen el carácter del material de las piezas que unen, su uso evita discontinuidades entre las piezas,pero requiere de mayor cantidad de materiales y mano de obra para su ejecución. Estas uniones son menos sensibles a las imprecisiones de la fabricación y el montaje.

•Las uniones secas requieren de menos mano de obra y materiales pero pueden generar discontinuidades en el trabajo estructural.•La mayor cantidad de los trabajos se ejecuta en planta y no en obra.

•Los trabajos en obra deben tener un alto nivel de control.

•Se deben considerar las etapas constructivas y los reglamentos vigentes.

CONEXIONES TRADICIONALES ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS

Conexiones típicas soldadas.

Conexiones con nudo semihúmedo

CONEXIONES TRADICIONALES PARA ELEMENTOS PREFABRICADOS

Conexiones con nudo húmedo

CONEXIONES TRADICIONALES PARA ELEMENTOS PREFABRICADOS

ESTRUCTURAS PREFABRICADAS EMULATIVAS DEL

CONCRETO REFORZADO

Conexiones típicas de cierre o de nudo húmedo

CONEXIONES EMULATIVAS ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS

Conexiones ciegas típicas de columna

CONEXIONES EMULATIVAS ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS.

Sistema de trabes prefabricadas y columnas prefabricadas o coladas en obra

CONEXIONES EMULATIVAS ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS

CONEXIONES EMULATIVAS ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS

Sistema de trabes prefabricadas y columnas prefabricadas o coladas en obra

ESTRUCTURAS PREFABRICADAS HIBRIDAS

DE COMPORTAMIENTO ELASTICO NO LINEAL

•Ser capaces de garantizar la integridad de las personas que la ocupan.

•Ser capaz de sobrevivir un sismo fuerte sin daños o con daños ligeros y continuar en servicio.

•Tener características de autocentrado que eliminen las deformaciones residuales de después del sismo.

•Que las soluciones sean competitivas desde el punto de vista económico y de fácil ejecución.

Para el caso de estructuras en zonas sísmicas estas deben:

Programa PRESSS (Precast Seismic StructuralSystems)

• Programa teórico-experimental realizado en E.E.U.U. y liderado por el Dr. M.J. Nigel PriestleyCuarta fase de un programa de pruebas desarrollado en conjunto por E.E.U.U. y Japón

• Duración: 12 años • Desarrollo de sistemas

prefabricados sismo-resistentes que no emulan al concreto reforzado

• Edificio experimental escala 60%

Cables de postensión

Longitud desadherida

Esquema de conexión con cables depostensión parcialmente desadheridos

Conexiones hibridas de elementos prefabricados y postensados.

CONEXIONES NO EMULATIVAS ENTRE ELEMENTOS PREFABRICADOS CON COMPORTAMIENTO ELASTICO NO

LINEAL

• Estudios experimentales realizados en Estados Unidos (Cheok, 1991) utilizando especimenes de conexiones viga-columna con cables de postensión completamente adheridos, demostraron que estos desarrollaban ductilidades similares a conexiones monolíticas equivalentes. No obstante después de experimentar niveles moderados de ductilidad, sufrieron una excesiva degradación de rigidez para bajos desplazamientos.

• Tal degradación es causada por una reducción de la fuerza efectiva de presfuerzo a través de la junta debido al grado de deformación inelástica del cable en la zona crítica.

¿Por qué desadherir los cables de postensión?

• Al proporcionar la longitud desadherida necesaria, el desplazamiento último requerido puede alcanzarse sin exceder el límite de proporcionalidad del acero de presfuerzo. Consecuentemente, no hay pérdida de presfuerzo en la descarga para la ductilidad de diseño.

• La respuesta es esencialmente elástica no lineal. Esto tiene la gran ventaja de que al igual que el comportamiento elasto-plástico de sistemas monolíticos convencionales, las fuerzas internas se redistribuyen, y se flexibiliza la estructura para sacarla del rango crítico del espectro.

• A diferencia del sistema convencional que sufre problemas de degradación de rigidez y daño acumulado, después del evento sísmico la estructura retorna a su posición original sin desplazamiento residual, y la rigidez inicial se restituye. Tal comportamiento ha sido confirmado por pruebas experimentales (MacRae y Priestley, 1996).

• Simplificación en el diseño del nudo

Ventajas de desadherir parcialmente los cables.

•Las Uniones entre Elementos tiene un lugar especial como en cualquier Sistema Constructivo.

Sistema Hibrido para Estructuras Sismoresistentes.Características Principales:•La estructura está compuesta de elementos prefabricados de concreto reforzado o pretensado.•La conexión de trabes y columnas se realiza a paños de columnas.•Los aceros de refuerzo tanto superiores como inferiores cuentan con zonas desadheridas en las cuales se produce la fluencia.•A lo largo de las trabes se colocan cables de presfuerzo que posibilitan el postensado de los elementos.•El postensado tiene como función la generación de las acciones de auto centrado en la estructura.

Conexiones hibridas de elementos prefabricados y postensados.

CONEXIONES EN EL SISTEMA HIBRIDO

El comportamiento estructural las unioneshibridas postensada posibilitan entre otros:

1. El comportamiento histerético tipo bandera, donde la disipación de energía es debida a la a la fluencia tanto en compresión como en tracción del acero estructural

Comportamiento Histéretico de una UPH (Cheok et al, 1998).

2. Contar con una fuerza restauradora por la acciónautocentrante producida, por la acción del postensadoen cada nudo

Procedimiento racional propuesto por Cheok el al. (1996) a partirde pruebas experimentales.

Relación Fuerza Desplazamiento en la Estructura.

Carga

Descarga

Fuerza

Desplazamiento

3. Lograr el comportamiento elástico no lineal de la estructura a partir del empleo de soluciones técnicas sencillas y económicas.

Transmisión de fuerzas en la conexión viga-columna

Respuesta elástica no-lineal de la conexión postensada

PUNTO 1La precompresión en la fibra

extrema se pierde y ambas caras se empiezan a separar (de manera similar a un proceso de agrietamiento)

PUNTO 2La “apertura” de la junta llega

al centroide de la sección. PUNT0 3

Corresponde al límite proporcional de la curva esfuerza-deformación del cable de postensión (similar a un desplazamiento “plástico”, aunque el comportamiento se mantiene esencialmente elástico)

Algunas Características Sobresalientes:

•El acero prentensado deberá esta protegido contra la corrosión.

•El acero pretensado debe trabajar en el rango elástico.

Algunas consideraciones para el acero de preesfuerzo:

•Refuerzo de los extremos de las trabes dados los esfuerzos locales.

•Minimización de los desplazamientos residuales.

•Comportamiento elástico no lineal.

Detalle de nudo en obra.

Detalle de nudo en obra.

Edificio Hibrido en Santiago de Chile

Detalle de nudo postensados en obra.

Edificio Hibrido en Santiago de Chile

Edificio Paramount, San Francisco California. 39 niveles, 128 m

BIBLIOGRAFÍA– PCI 1998. Manual for the design of Hollow Core Slabs. Precast and Prestrssed

Concrete Institute. Segunda edición. U.S.A.– PCI 1999. Desingn Handbook. Precast and Prestrssed Concrete Institute.

Decimoquinta edición. U.S.A.– D.D.F. 2004. Reglamento de construcciones para el Distrito Federal.

Departamento del Distrito Federal. México, D.F.– Rodríguez, Mario E. y Blandón, John J.2002. Ensayes ante cargas laterales

cíclicas reversibles de una estructura prefabricada de concreto reforzado de dos niveles y recomendaciones de diseño. Instituto de Ingeniería de la U.N.A.M. México, D.F.

– Reinoso Angulo, Eduardo., Rodríguez, Mario E. y Betancourt Ribotta, Rafael. 2000. Manual de diseño de estructuras prefabricadas y presforzadas. Asociación Nacional de Industriales del Preesfuerzo y la Prefabricación A.C. e Instituto de Ingeniería de la U.N.A.M. México, D.F.

– Meli Piralla, Roberto., Bazán Zurita, Enrique. 1985. Manual de Diseño Sísmico de Edificios. Limusa, Grupo Noriega Editores. México, D.F.

– Park R. Seismic Design and Construction of Precast Concrete Buildings in New Zealand. PCI Jornal september – octiber 2002.

Muchas Gracias.

ING. EDUARDO GUZMAN ESCUDERO

ING. MANUEL SUAREZ GONZALEZ