rotura
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INTRODUCCIÓN
Los grandes logros a través de la evolución en materia tecnológica se
basan en ideas de los concepto simple; es por esto que el concreto presforzado
no es la excepción, ya que se considera un grupo de bloques de concreto, que
son capaces de admitir solicitaciones de carga si a lo largo de su luz
longitudinal se hace pasar un cable de acero, el cual es tensado. Con un
dispositivo o gato hidráulico, conformando así 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.
La fuerza de compresión en los bloques se transfiere debido a la tensión
que se le ejerce a los cables. Es decir, el cable una vez tensado tiende a
regresar a su estado de relajación inicial, y es por esta razón que se incita la
fuerza de compresión en los bloques.
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 carga 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. Estos elementos deben ser colocados bajo
mantenimiento de un técnico especializado para garantizar su correcta
colocación para su funcionamiento.
1. Seguridad a la rotura.
Para las piezas de hormigón pretensado han de comprobarse las
solicitaciones de la sección tanto en el estado de servicio como en el estado de
rotura. Debido a la limitación de las tensiones a tracción por debajo de la
resistencia a tracción o bien flexo-tracción, en el estado de uso puede
considerarse que el hormigón colabora a tracción además, debido a la distancia
prescrita respecto al estado de rotura, puede tomarse en consideración la
hipótesis de que tanto el acero como el hormigón se comportan elásticamente.
No ocurre así en el estado de rotura para el que hay que comprobar que,
al coincidir una fuerza de corte elevada con una sección de resistencia
reducida, es posible todavía el equilibrio. En este caso, se hace la
comprobación para V=veces las fuerzas de corte que actúan sobre la sección
total (hormigón con acero tensado y acero de refuerzo) excluyendo la zona de
tracción del hormigón como en el hormigón armado. En general, en este
estado, el acero y el hormigón ya no se comportan elásticamente. Han de
tenerse en cuenta, en este caso, las curvas de tensión-alargamiento fijadas en
las directrices.
1.1 Comprobaciones en el estado de uso.
Estas comprobaciones han de demostrar, que con ayuda del pretensado,
las tensiones más desfavorables caen todavía dentro de los límites fijados en
las directrices. En el caso de carga “pretensado”, han de considerarse en el
cálculo las perdidas por rozamiento del elemento tensado al tensarlo en la
vaina, así como las perdidas por retracción y fluencia (las ultimas, en general,
como caso especial de carga, ya que estas pérdidas se presentan solo con el
tiempo). En particular han de comprobarse:
Las tensiones normales
Las tensiones principales.
En la zona de las tensiones a tracción han de demostrarse que las
fuerzas a tracción, que actúan en esta zona, pueden ser absorbidas
únicamente por la armadura con las tensiones fijadas en las directrices
pudiendo utilizar para ello también la armadura tensada, eventualmente no del
todo cargada limitación de fisuras.
Para poder llevar a cabo el pretensado previsto, han de determinarse para
cada elemento tensado la fuerza necesaria para ello y su alargamiento (la
longitud que ha de deducirse del hormigón una vez tensado el elemento).
Entonces se tabula en el protocolo de tensado, en el que, durante los trabajos
que se registre las fuerzas reales medidas y los alargamientos.
Para las fuerzas de tracción que actúan en la zona del anclaje en el
hormigón, han de preverse la correspondiente armadura.
En algunos casos ha de calcularse también las flechas y sus variaciones
bajo el efecto de la retracción y la fluencia.
1.2 Comprobaciones en el estado de rotura.
Las magnitudes de corte de rotura han de calcularse para la carga de
rotura teórica. En caso de estructuras con apoyo estáticamente determinado, la
carga de rotura es 1,75 veces la suma de la carga permanente y de la
sobrecarga de uso en la posición más desfavorable. En estructuras
estáticamente indeterminadas, se añaden además (en tanto actúan
desfavorablemente) 1,0 veces las solicitaciones forzadas debidas a retracción,
variación térmica y movimiento probable del terreno de cimentación, así como
1,0 veces las magnitudes de corte exteriores debidas al pretensado al tener en
cuenta la retracción y la fluencia. En particular se debe comprobar.
La seguridad a la rotura en la zona de compresión del
hormigón y la seguridad de que no se alcance el límite de fluencia en la
armadura tensada.
Las tensiones de tracciones principales, inclinadas, en
tanto que puedan suponerse todavía en la fase I, o bien en otro caso las
tensiones cortantes. En el primer caso han de comprobarse también las
tensiones de compresión principales que se presentan al desaparecer
las tensiones de tracción principales inclinadas. Absorción de las fuerzas
de tracción o bien cortantes mediante armadura (armadura para el
esfuerzo cortante)
Comprobación de las tensiones de unión en la superficie de
cortadura entre el elemento tensado y el hormigón que lo envuelve.
1.3 Carga a la rotura en flexión
En una viga de hormigón armado ordinario, la tensión en la armadura de
tracción y el esfuerzo de compresión en el hormigón crecen proporcionalmente
al momento aplicado hasta llegar a la carga de servicio y algo por encima de
ella, manteniéndose esencialmente constante la distancia entre las dos
resultantes de las tensiones internas.
En cambio en las vigas pretensadas, el aumento de momentos es
absorbido por un aumento proporcional en la distancia entre las fuerzas
resultantes de compresión y de tracción, moviéndose la resultante de
compresión hacia arriba a medida que la carga aumenta. La magnitud de las
fuerzas internas se mantiene aproximadamente constante hasta llegar a las
cargas de servicio e incluso cuando se sobrepasan.
2. El estado limite último.
2.1 Estados limites y clase de hormigon pretensado.
El estado limite ultimo comprende los estados limites de equilibrio,
rotura, inestabilidad, adherencia, anclaje y fatiga.
El estado limite de utilizacion comprende los estados limites de
descompresion del hormigon, de apariencia de fisuras y de fisuracion
controlada o aberturas de fisuras (durabilidad de la construccion), asi como el
estado limite de deformación y de vibracion (condiciones funcionales de la
estructura).
En la fase de servicio se distinguen tres clases de hormigon pretensado.
- Clase I: el estado limite de descompresion del hormigon no se alcanza
para la totalidad de las acciones de manera que la probabilidad de la aparicion
de fisuras es muy debil.
- Clase II: el estado limite deformacion de fisuras no se alcanza bajo la
totalidad de la solicitacion mientras que el estado limite de descompresion se
respeta bajo las cargas permanentes mas las variables frecuentes.
- Clase III: el estado limite de fisuracion controlada no se alcanza bajo la
totalidad de la solicitacion mientras que el estado límite de decompresion se
respeta solo bajo las cargas permanentes.
2.2- Bases de Cálculo
En el estado límite último se obtienes los coeficientes de seguridad
empleando los siguientes coeficientes medios:
Minoración del acero=1.15
Minoración del hormigón=1.5
Minoración de las acciones desfavorables=1.6
Minoración de la fuerza de pretensado=1
Para estos coeficientes medios existen correcciones en función de los
niveles de control y de la importancia de la obra.
Para el estado límite de utilización, los coeficientes se convierten en:
Minoración del acero=1
Minoración del hormigón=1
3. El cortante y sus características.
El agrietamiento en la zona de tracción de piezas estructurales de
hormigón armado, limita en cierta medida las posibilidades de este tipo de
construcción:
a) Aceros más resistentes que BSt 500/500 no deben ser
solicitados plenamente, ya que las grietas se hacen inadmisiblemente
anchas.
b) La distribución de la resistencia a la flexión, relacionada
con el agrietamiento de la zona de tracción, es decir, en vigas y placas
muy delgadas, la causa de la flecha excesivamente grande y poco
conveniente.
c) Cuando la zona de tracción esta agrietada, en la mayoría
de los casos, la impermeabilidad ya no puede garantizarse (se refiere
por ejemplo, a recipientes sin revestimiento impermeable).
Al pretensar, artificialmente, la armadura, de tal modo que (apoyándose
ésta sobre el hormigón endurecido) la zona de tracción del hormigón este
comprimida, se disminuye o se evitan en gran medida el agrietamiento del
hormigón, bajo el efecto de cargas exteriores.
Utilizando hormigón armado, la armadura entra en tensión solamente
cuando actúa la carga, mientras que con hormigón tensado existe ya una
tensión previa que se consigue artificialmente al tensar los elementos del
acero.
La figura 4.1 representa una viga sobre dos apoyos cuyo elemento de
tensión curvado parabólicamente va dentro de una vaina. Hay que imaginarse
la viga sin peso. Una vez endurecido el hormigón el elemento de tensado se
tensa con prensas que se apoyan a su vez contra el hormigón. Cuando se ha
conseguido el alargamiento previo planificado, la fuerza de tensión así activada
se transmite a un anclaje especial previsto en los extremos de los elementos de
tensión, formados por alambres. Seguidamente se aflojan las prensas y se
quitan. Las fuerzas inclinadas u=Z/r (r=radio de curvatura del elemento de
tensión) de la barra tensada solicitan a la viga de tal forma que se curva hacia
arriba. Se forma un momento de flexión negativo Mv=-Z*ez que actúan sobre las
secciones de hormigón (figura 4.1c). Las fuerzas de reacción debidas al
elemento de tensión anclado solicitan a la viga, partiendo de los anclajes
adicionalmente, con una fuerza longitudinal de compresión Nv (figura 4.1a). En
las secciones de hormigón de la viga se forman sobre todo secciones de
compresión, siendo máximas en el borde inferior y disminuyendo hacia el borde
superior de la viga. Según la posición del elemento de tensión, puede existir
también una tracción reducida (figura 4.1d). La viga se dobla hacia arriba
(figura 4.1b).
Figura 4.1 Carga del Pretensado.
4. Requerimiento de armadura de acuerdo a las solicitaciones.
Uno de los materiales esenciales que conforman el concreto presforzado
es el acero de alta resistencia, pues gran parte del éxito que tiene el presfuerzo
se debe primordialmente al empleo del mismo. El acero de alta resistencia
garantiza la transmisión de un alto grado de esfuerzo compresivo al concreto,
aspecto deseable en la fabricación de elemento presforzados.
Existen dos tipos de tendones, alambres redondos estirados en frio,
cables tensados y varillas de acero de aleación. Para el caso de alambres y
cables tensados se manejar resistencia de 17.500kg/cm2 y 19.900kg/cm2,
mientras que para las varillas la resistencia permanece entre los 10.200kg/cm2
y 11.250kg/cm2
Los alambres redondos se fabrican cumpliendo con los requisitos que
marca la especificación ASTM A421 para alambres sin revestimiento. Cada uno
de ellos se fabrican laminando en caliente el acero hasta obtener varillas
redondeadas. Una vez que se han enfriado completamente, se procede a
hacerlas pasar por un troquel hasta obtener el diámetro requerido.
Los cables trenzados se fabrican de acuerdo a las especificaciones
ASTM A416, para cables sin revestimiento conformados de siete alambres con
una espiral de torcido de aproximadamente 16 veces el diámetro nominal del
cable, empleando el mismo tipo de alambres antes mencionados. Una vez que
se conforma el cable tensado, éste contiene propiedades mecánicas diferentes
a las de los alambres. Esto se debe a que los alambres tienden a enderezarse
cuando se les somete a la tensión. Los cables se elaboran en diámetros que
van desde 0.25 de pulgada hasta 0.6 de pulgada, con dos diferentes grados de
resistencia. El grado 250, con una resistencia ultima mínima de 17.500kg/cm2y
el grado 270, con una resistencia de 19.000kg/cm2. La tabla 3.1 proporciona las
propiedades para los cables de siete alambres sin revestimiento.
Propiedades del cable de 7 alambres sin revestimiento
Tabla 3.1 propiedades del cable (H. Nelson, 1990)
Tabla 3.2 Propiedades de las varillas de acero de aleación
Acode a la gama de acero de alta resistencia involucrados en la
fabricación de presforzado es conveniente que el concreto se mantenga en
esta misma línea. El concreto de alta resistencia advierte una reducción
significativa de las dimensiones de la sección presforzada y, en consecuencia,
en los que a carga muerta se refiere. Además este incremento en la resistencia
del concreto también se ve reflejado en un aumento poco despreciable de la
resistencia a tensión, lo que reduce la posibilidad que se presenten grietas
debido a flexión y tensión diagonal en la sección durante la transferencia de la
fuerza de presfuerzo de los cables al concreto
Son diferentes los factores que influyen en el concreto para que
obtengan alta resistencia a compresión (F’c.) como son el tipo de mezcla, las
propiedades de los agregados, el tiempo y la calidad del proceso de curado, es
posible obtener resistencias mayores a 1400kg/cm2.
4.1. Separación y Recubrimiento del Acero
Debe tenerse especial cuidado en el adecuado recubrimiento de los
tendones de presfuerzo (figura 3.1) ya que este es muy vulnerable a la
corrosión y oxidación. Existen valores mínimos de recubrimiento libre para
elementos expuestos a la intemperie, como lo son:
- Dos veces el diámetro del torón o de la varilla o tres veces el
diámetro de la barra gruesa si es un paquete de varillas.
- En columnas y trabes 4cm; en las losas 3cm y en losas
prefabricadas y cascarones 2cm.
En elementos estructurales que no van a quedar expuestos a la
intemperie se podrán emplear la mitad de los valores anteriores. Por el
contrario, si los elementos estructurales son colocados contra el suelo, el
recubrimiento libre será el mínimo entre los dos requisitos ya mencionados y 3
ó 5 cm si se una o no plantilla, respectivamente. Los recubrimientos anteriores
se deben incrementar a criterio del ingeniero en miembros expuestos a agentes
agresivos como sustancias o vapores industriales, terrenos particularmente
corrosivos, etc. La separación libre, Si (figura 3.1) entre tendones para
pretensado en los extremos del miembro no debe ser menor de:
Si3 4ϕa para alambres
Si3 3ϕt para torones
También se cumplirá con lo prescrito para el tamaño máximo de
agregados. En la zona central del claro, se permite una separación vertical
menor y hacer paquetes de tendones, siempre y cuando se tengan las
suficientes precauciones para lograr un adecuado funcionamiento del
presfuerzo.
Figura 3.1 Recubrimiento y separación libre de varilla y torones
Donde:
Slh= separación libre horizontal
Slv= separación libre vertical
Rlh= recubrimiento libre horizontal
Rlv= recubrimiento libre vertical
CONCLUSIONES
La absorción de las fuerzas de tracción resulta más económica
empleando aceros muy resistentes y no aceros normales, de escasa
resistencia, para hormigón, puesto que el precio no sube proporcionalmente a
la resistencia. Solo el pretensado hace posible el empleo económico de aceros
muy resistentes. Gracias al espacio reducido que ocupan los elementos de
tensado, las secciones en la zona de la armadura de tracción pueden ser
menores que en una pieza estructural de hormigón armado comparable.
El concreto en estado de servicio, es solicitado a compresión casi siempre
en la totalidad de su sección. Cuando los elementos de tensado siguen una
directriz curvada, es posible reducir el esfuerzo cortante que actúa sobre el
hormigón, lo que significa un aprovechamiento más favorable del hormigón que
en las piezas estructurales de hormigón armado. Gracias a ello, en el hormigón
tensado, las secciones pueden mantenerse más pequeñas y más ligeras, lo
que a través del peso propio reducido lleva a su vez a una disminución de
solicitación. El empleo de clases de hormigón muy resistentes aumenta todavía
este efecto favorable.
La influencia sobre la distribución de momentos en construcciones
estáticamente indeterminadas, que se tienen gracias al pretensado, permite
reducir las puntas de solicitación, lo cual facilita el dimensionamiento.
La disminución de la flecha, debido a la carga que se consigue con el
pretensado, proporciona también en vigas de gran luz, una mayor esbeltez y
con ello un menor peso propio que en construcciones de hormigón armado
correspondiente.
La viga preforzada es un elemento que gracias a su resistencia y gran
trabajabilidad permite ser muy útil para la elaboración de una construcción de
gran envergadura permitiendo así la disminución del tiempo y a sus ves el
costo de la misma, ya que son vigas prefabricadas en planta lista para su
funcionamiento.
BIBLIOGRAFÍA.
- Dr. Ing. JüergenMattheiβ, 1980Hormigón Armado, Aligerado,
Pretensado, Editorial Reverté, S.A.
- Norma ASTM A421
- Norma ASTM A416
- Arthur H. Nilson, 1990, Diseño de Estructuras de Concreto Presforzado,
Limusa, D.F., Mexico.
- Software para el diseño de Vigas I de concreto presforzado.
.
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA.
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA DEFENSA.
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITECNICA DE LAS
FUERZAS ARMADAS NACIONALES BOLIVARIANAS “UNEFA”
NÚCLEO: NUEVA ESPARTA.
INGENIERÍA CIVIL. SECCIÓN: 01 N
SEGURIDAD A LA ROTURA, ELCORTANTE Y REQUERIMIENTO DE
ARMADURA
REALIZADO POR:
GABRIEL GAMERO
CI: 23.591.418
MIGUEL VALERA
CI:20.326.068
JUANGRIEGO, 28 DE NOVIEMBRE DE 2013