MATERIALES Y EQUIPOS EMPLEADOS EN CONCRETOS PRE-ESFORZADO PAULA VALENTINA ACEVEDO DURÁN COD: 2203458 UNIVERSIDA SANTO TOMÁS SECCIONAL TUNJA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL CONCRETO PRE-ESFORZADO 2019 MATERIALES Y EQUIPOS EMPLEADOS EN CONCRETOS PRE-ESFORZADO PAULA VALENTINA ACEVEDO DURÁN COD: 2203458 PRESENTADO A: HAROLD ALEXANDER ALVAREZ CASTAÑEDA UNIVERSIDA SANTO TOMÁS SECCIONAL TUNJA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL CONCRETO PRE-ESFORZADO 2019 1. INTRODUCCIÓN Esta investigación se realizó con el fin de conocer el tipo de sistemas pre-esforzados, los materiales que se usan y sus características, poder identificar sus técnicas de instalación, el por qué están utilizado este tipo de sistema, sus aplicaciones y la forma en que este ha evolucionado con el pasar de los años. La presente investigación se habla del concreto pre- esforzado como un material que se encuentra sometido a esfuerzos permanentes en un sistema, este tiene como fin mejorar los comportamientos y la resistencia que la estructura tome de acuerdo a los servicios. Este material utiliza técnicas y materiales que se pueden aplicar a distintas estructuras, su aplicación más común es la del diseño del concreto estructural. Por otro lado esta investigación quiere manejar aspectos funcionales y económicos el concreto pre-esforzado como material de construcción con aplicaciones como en puentes, losas, vigas, muros, túneles de arco, estadios, entre otros. En la actualidad, el concreto pre- esforzado ha probado ser económicamente viable y muy beneficioso técnicamente, su mayor se ha evidenciado tanto en puentes con luces grandes como los atirantados como puentes con luces medias, este sistema pre-esforzado se utiliza bastante en los últimos años ya que es una de los métodos más exitosos por su rapidez en la construcción y la eficacia de los materiales que se emplean. 2. CONCEPTOS 2.1 CONCRETO PRE-ESFORZADO El pre-esfuerzo se defina la creación intencional de esfuerzos permanentes en una estructura o conjunto de piezas, con el propósito de mejorar su comportamiento y resistencia bajo condiciones de servicio y de resistencia. (MEZA, 2017) Este es un fundamentado en unos principios y técnicas del pre esforzado las cuales han sido utilizadas en estructuras de muchos tipos y materiales. También se denomina como un material funcional y económico como material de construcción de puentes principalmente. (MEZA, 2017) 2.1.1 Acero utilizado para el concreto pre -esforzado Par la construcción del concreto de alta resistencia, con los métodos de pos tensado y pre tensado se fabrican unos alambres de obedecer la norma ASTM Ha-421. Estos alambres se encuentran sin revestimiento, revelados al esfuerzo. 2.1.1.1 Alambres La fabricación de estos alambres individuales se realiza en caliente con lingotes de acero hasta obtener varillas redondas. En el proceso de esta operación de estirado, se ejecuta trabajo en frio sobre el acero, lo cual modifica grandemente sus propiedades mecánicas e incrementa su resistencia. (MEZA, 2017) Los diámetros nominales son: Diámetro nominal de los alambres (21 agosto, 2019). (MEZA, 2017). 2.1.1.2 Tendones Se denominan como grupo de alambres a los tendones, estos se diferencian dependiendo del número de alambres por el que se encuentre compuesto de la magnitud de la fuerza pretensora requerida. Los tendones para prefabricados pos tensados típicos pueden consistir de 8 a 52 alambres individuales. (MEZA, 2017) El cable trenzado se fabrica de acuerdo con la especificación ASTM A-416, “Cable Trenzado, Sin Revestimiento, de Siete Alambres, Relevado de Esfuerzos, para Concreto Pre-esforzado”. (MEZA, 2017) Es fabricado con siete alambres firmemente torcidos alrededor de un séptimo de diámetro ligeramente mayor. El paso de la espiral del torcido es de 12 a 16 veces el diámetro nominal del cable. (MEZA, 2017) Los cables pueden obtenerse entre un rango de tamaños que va desde 6.35 mm hasta 0.60 mm de diámetro, tienen una resistencia última mínima de 1720 y 1860 N/mm2 respectivamente, estando estas basadas en el área nominal del cable. (MEZA, 2017) Tabla de especificaciones del cable de siete alambres sin revestimiento ASTM A-277: Diámetro nominal de los tendones (21 agosto, 2019). (MEZA, 2017). 2.1.1.3 Barras Las barras de alta resistencia sin recubrimiento deberán cumplir los requisitos de la norma AASHTO M-275, NTC 2142 o ASTM A-722. (MEZA, 2017) Todo cable, alambre o barra que se envíe al sitio deberá tener un número de envío para efectos de identificación. Los anclajes deberán identificarse de igual manera. (Artículo 64107) 2.1.2 Concreto utilizado para el concreto pre -esforzado Una de las razones más importantes del us o del concreto de alta resistencia es que este concreto tiene menor exposición a fisuras por contracción que normalmente aparecen frecuentemente ante la exposición del pre esfuerzos. Para obtener una resistencia de 350 Kg/cm2, es necesario usar una relació n de agua cemento no mucho mayor que 0.45. Con el objeto de facilitar el colado, se necesitará un revenimiento de 5 a 10 cm. Para obtener un revenimiento de 7.5 cm con una relación agua-cemento de 0.45 se requerirían alrededor de 10 sacos de cemento por metro cubico de concreto. 2.2 MÉTODOS DE PRE- ESFUERZO En el concreto pre esforzado existen dos categorías: pretensado o pos tensado, el de que el concreto este endurecido, a diferencia del pos tensado en el cual se primero recibe la precarga al tensar los tendones entre los anclajes del elemento, antes precarga luego de que el concreto este curado correctamente. (MEZA, 2017) Los sistemas de pres fuerzo se entiende como los métodos y maquinarias utilizados para aplicar la precarga a un elemento, estos varían de acuerdo al método del pretensado que se utilizara, sin embargo habrán sistemas que pueden ser usados en ambos casos. (MEZA, 2017) 2.2.1. Métodos del pretensado Método de pre esforzado en el cual los tendones se tensan antes de colocar el concreto. Los tendones, que generalmente son de cable torcido con varios torones de varios alambres cada uno, se re-estiran o tensan entre apoyos que forman parte permanente de las instalaciones de la planta. Se mide el alargamiento de los tendones, así como la fuerza de tensión aplicada por los gatos. (MEZA, 2017) Método de pretensado (21 agosto, 2019). (MEZA, 2017). Después de haberse logrado suficiente resistencia, se alivia la presión en los gatos, los torones tienden a acortarse, pero no los hacen por estar ligados por adherencia al concreto. Después de haberse logrado suficiente resistencia, se alivia la presión en los gatos, los torones tienden a acortarse, pero no los hacen por estar ligados por adherencia al concreto. (MEZA, 2017) Algunas características: El acero tiene trayectorias rectas Contiene piezas prefabricadas Las piezas cuentan con apoyos simples El anclaje se realiza por adherencia 2.2.1.1 Tipos de acero utilizados para el concreto pretensado Existen tres formas comunes de emplear el acero de pre esfuerzo: alambres paralelos atados en haces, cables torcidos en torones, o varillas de acero. (MEZA, 2017) Los alambres se fabrican en diámetros de 3, 4, 5, 6, 7, 9.4 y 10 mm y las resistencias varían desde 16000 hasta 19000 kg/cm2. Los alambres de 5, 6 y 7 mm pueden tener acabado liso, dentado y tridentado. 2.2.1.1.1 Torones El torón se fabrica con siete alambres firmemente torcido; sin embargo, las propiedades mecánicas comparadas con las de los alambres mejoran notablemente, sobre todo la adherencia. (MEZA, 2017) El paso de la espiral o hélice de torcido es de 12 16 veces el diámetro nominal del cable. Los torones pueden obtenerse entre un rango de tamaños que va desde 3/8” hasta 0.6” de diámetro, siendo los más comunes los de 3/8” y de ½” con áreas nominales de 54.8 y 98.7 mm2, respectivamente. (MEZA, 2017) Torones (21 agosto, 2019). (s.f) 2.2.1.1.2 Varillas de acero de aleación Se estiran en frio liberando los esfuerzos para obtener las propiedades requeridas. (MEZA, 2017) Las varillas de acero se producen en diámetros que varían de ½” hasta 13/8”. El uso de acero ordinario es común en elementos de concreto pretensado. La resistencia nominal de este acero es Fy= 4200 kg/cm2. (MEZA, 2017) Este acero es muy útil para: Aumenta ductilidad Resiste el cortante y la torsión Confina el concreto Aumento de resistencia Deformaciones a largo plazo 2.2.1.2 Tipos de concreto utilizados para el concreto pretensado El concreto de alta resistencia esta menos expuesto a las grietas por contracción que aparecen frecuentemente en el concreto de baja resistencia antes de la aplicación del pre esfuerzo. Puesto que con una cantidad excesiva de cemento se tiende a aumentar la contracción, es deseable siempre un factor bajo de cemento. Concreto pretensado (21 agosto, 2019). (s.f) 2.2.2 Método pos tensado Se define como una serie de esfuerzos y deformaciones que se aplican para el mejoramiento de la estructura de un elemento. Por medio de este refuerzo se realiza un aumento de carga y se disminuye la sección. La aplicación de estas fuerzas se realiza después del fraguado, utilizando cables de acero enductados para evitar su adherencia con el concreto. Contrario al pretensado el pos tensado es un método de pre esforzado en el cual el tendón que va dentro de unos conductos es tensado después de que el concreto ha fraguado. Método pos tensado (23 agosto, 2019). (s.f) 2.2.2.1 Acero utilizado para concreto pos tensado Los alambres se fabrican en diámetros de 3, 4, 5, 6, 7, 9.4 y 10 mm y las resistencias varían desde 16000 hasta 19000 kg/cm2 . Los alambres de 5, 6 y 7 mm pueden tener acabado liso, dentado y tridentado. Método pos tensado (23 agosto, 2019). (s.f) 2.2.3 Anclajes y acoples Todos los anclajes y acoples deberán desarrollar al menos el noventa y cinco por ciento (95%) de resistencia última especificada para el acero de pre esfuerzo, al ser probados antes de ser adheridos, sin exceder el asentamiento del anclaje esperado. (Artículo 641-07) Los acoples de tendones no deberán reducir la elongación de rotura por debajo de los requisitos del tendón mismo. Los acoples o sus componentes deberán estar encerrados en camisas que permitan los movimientos necesarios. (Artículo 641-07) Los dispositivos de anclaje para cables no adheridos, deberán ser capaces de transmitir al concreto una carga igual a la capacidad del cable bajo las condiciones de carga estática y cíclica. (Artículo 641-07) Anclajes (23 agosto, 2019). (s.f) 2.2.4 Ductos Los ductos utilizados para proveer las cavidades en el concreto deberán estar formados bien sea por núcleos removibles o por ductos rígidos o semirrígidos que se funden dentro del concreto. (Artículo 641-07) Estos ductos deberán estar formados de tal manera que no permitan el de la paso de lechada, deberán ser capaces de transferir los esfuerzos de contacto, y conservar su forma bajo el peso del concreto, manteniendo el alineamiento sin pandeos visibles durante la colocación del concreto. (Artículo 641-07) Área de los ductos: El diámetro interior de los ductos deberá ser al menos seis milímetros mayor que el diámetro nominal del alambre, barra o cable o, en el caso de tendones de varios cables, el diámetro del ducto debe ser al menos dos (2) veces el área neta del acero de pre esfuerzo. (Artículo 641-07) Cuando los tendones se coloquen por el método de empuje a través del ducto, el área del ducto debe ser al menos dos y media (2.5) veces al área neta del acero de pre esfuerzo. (Artículo 641-07) 2.2.4.1 Ductos metálicos Deberán ser de metal ferroso galvanizado, y fabricados con uniones soldadas o trabadas. Los ductos soldados no requieren galvanizado. (Artículo 641-07) Los ductos rígidos deberán tener paredes interiores suaves, y deberán ser capaces de sufrir curvaturas hasta los límites requeridos, sin sufrir achatamiento. (Artículo 64107) Los ductos semirrígidos deberán ser corrugados, y cuando los tendones sean insertados con posterioridad a la colocación del concreto. (Artículo 641-07) 2.2.4.2 Ductos de polietileno Los ductos para tendones transversales en placas de piso y en otros sitios mostrados en los planos o aprobados por el Interventor, podrán ser de polietileno de alta densidad, de acuerdo a la norma ASTM D-3350. (Artículo 641-07) Los ductos de polietileno no se podrán usar cuando el radio de curvatura del tendón sea inferior a nueve metros (9 m). . (Artículo 641-07) Para aplicaciones donde los ductos de polietileno estén expuestos a la luz solar o ultravioleta, deberá incorporarse un compuesto negro de carbón a la resina de polietileno del ducto, para proveer resistencia a la degradación por luz ultravioleta, de acuerdo con la norma ASTM D 1248. 2.2.4 Equipos utilizados Los gatos hidráulicos usados para tensionar el acero deberán ser capaces de proveer y sostener las fuerzas necesarias y deberán estar equipados con manómetros de presión o celdas de carga, para determinar el esfuerzo de gateo. (Artículo 641-07) El manómetro deberá tener una escala apropiada, y deberá estar debidamente calibrado, hecho del cual el Constructor deberá entregar al Interventor la certificación correspondiente. Las celdas de carga deberán tener un indicador que permita establecer la fuerza de tensionamiento. (Artículo 641-07) El rango de lectura será tal, que no se utilice el diez por ciento (10%) inferior de la capacidad certificada por el fabricante, para determinar la fuerza de gateo. (Artículo 64107) Se debe tener una prevención no se deberán usar soldadores de arco eléctrico. (Artículo 641-07) 2.2.5 Pruebas de verificación del anclaje Según la norma se debe realozar una prueba para el acero que se va a usar en el pre tensado estas deben constar de una muestra de dos metros (2 m) de largo, como mínimo, por cada lote de veinte toneladas (20 t) de acero. 2.2.6 Transporte, almacenamiento y protecció n Transporte: tanto el acero de pre esfuerzo como los demás elementos de acero se deberán envolver en papel impermeable u otro material que los proteja de la humedad. (Artículo 641-07) Los alambres y cables no deberán ser enrollados en diámetros pequeños, para evitar la formación de micro fisuras superficiales que propician la corrosión a bajo esfuerzo. (Artículo 641-07) Los ductos se deberán manejar con cuidado durante su carga, transporte y descarga, para evitar lastimaduras y dobleces que los puedan perjudicar posteriormente. (Artículo 641-07) Almacenamiento: se deberá efectuar en locales cerrados y secos, evitando su proximidad a refinerías y plantas industriales. (Artículo 641-07) Protección: El Constructor deberá proteger tanto el acero de pre esfuerzo como los anclajes, ductos y otros accesorios a ser utilizados, cuidando la limpieza de los mismos y tomando las medidas necesarias para preservarlos de la corrosión, con el fin de garantizar que, en todo momento, se mantenga su calidad. (Artículo 641-07) 2.2.7 Instalaciones 2.2.7.1Instalación de pre tensionamiento 1. En el momento de colocar el acero de pre esfuerzo se deberá mantener con una cubierta protectora, para evitar de cualquier manera la corrosión. 2. El acero de pre esfuerzo instalando antes de verter el concreto, deberá tener medidas de aseguramiento y también deberá ser mantenido en un sitio adecuado. 3. Para este procedimiento se necesitara de accesorios como formaletas y de gatos a ancles de manera temporal. 2.2.7.2 Instalación de pos tensionamiento 1. Para el inicio de la instalación del acero se deberá verificar que los ductos no cuenten con presencia de agua o lechada. 2. Los accesorios anteriormente nombrados deberán tener una ubicación que coinicida con el del tendón y las platinas de anclaje sean normales en todas direcciones al tendón. 3. Se habla de que la carga de pre esfuerzo varia hasta un cinco por ciento (5%) respecto de la fuerza teórica requerida por nervio. 2.2.7.3 Instalación de ductos. 1. Uso adecuado de las formaletas mediante el amarre de acero de refuerzo, evitando la salida del concreto. 2. Esta instalación produce unas juntas entre las secciones de los ductos, estas deberán ser unidas por medio de conexiones efectivas que no alteren el ángulo de las juntas. 3. Se deberá realizar una inspección para detectar posibles daños a los ductos 4. Después de instaladas las formaletas, los extremos de ductos deberán ser cubiertos, para prevenir la entrada de agua o lechada. 5. Los ductos de estructuras continuas deberán ser ventilados en los puntos más altos 6. Se deberán instalar drenajes en los puntos más bajos, para prevenir la acumulación de agua. 2.2.8 Tensionamiento Par el tensionamiento existen dos métodos que se han nombrado anteriormente (pre tensado y pos tensado), los dos se realizan por medio de gatos hidráulicos que generan fuerzas que han sido calculadas, para el método de pos tensado se deberá adicionar una perdida por corrimiento del anclaje. 2.2.8.1 Pos tensado Los cables son instalados por medio de ductos y tensado y anclados, esto después de que el concreto haya obtenido su máxima resistencia de diseño, y por último se debe aplicar a presión la lechada. 2.2.8.2 Pre tensado En comparación con el método de pos tensado, el alambre se tensiona antes de que el concreto haya sido vertido, cuando el concreto haya llegado a su máxima resistencia se liberan los anclajes y la fuerza que se transmite es por adherencia. 2.2.9 Protección del acero de pre esfuerzo La normativa habla de una protección que se debe realizar al acero mientras se encuentra sin el concreto debido a que esta exposición al agua y al aire puede generar daños en su resistencia, este debe de protegerse con un inhibidor colocado por medio del ducto. (Artículo 641-07) Cuando se realice la instalación e los tendones en los ductos se deberá tener en cuenta los extremos por donde puede entrar humedad. Todos los elementos se deberán proteger de la caída de chispas o escoria de soldadura. (Artículo 641-07) 2.2.10 Requisitos para el tensionamiento Durante el procedimiento de tensionamiento se deben tomar medidas de presiones y elongación, en donde el cable sobrante del tensionamiento no debe ser cortado hasta que el tensionamiento sea aprobado, las fuerzas deben ser medidas por medio de dispositivos como el dinamómetro el cual mide la fuerza inicial del sistema , y la fuerza siguiente es medida por un manómetro, sin embargo estas dos deben ser verificadas por mediciones, esto se realiza con marcaciones para encontrar la fuente de error para que pueda ser corregida y continuar con el procedimiento sin ningún problema. (Artículo 641-07) Las elongaciones son regidas por el módulo de elasticidad de material, este viene especificado en las especificaciones de los fabricantes. (Artículo 641-07) La fuerza de tensionamiento es un factor muy importante ya que este normalmente varía entre 5% y 25% de la fuerza total o final, estos se debe eliminar de tal manera que se elimine la falla que presente el sistema. (Artículo 641-07) 2.2.11 Accesorios de los ductos La normativa nos indica ciertos parámetro que debemos tener en cuenta a la hora de usar los cutos en el tensionamiento de los cables; el primero de ellos es el cumplimiento del material de los sujetadores de estos ductos pues estos deberán estar hechos de plástico o metal, otro accesorio que debe cumplir con un tipo de material son los acoples, estos deberán está diseñado en materiales ferrosos o polietileno que resistan la entrada a presión de la lechada y la resistencia de los ductos para evitar distorsiones en estos. (Artículo 64107) Los ductos deberán cumplir con orificios en los extremos para la inyección de la lechada, también unos orificios de ventilación en los puntos más altos del diseño y en la parte más baja de drenaje. (Artículo 641-07) 3. Análisis y Conclusiones El concreto pre esforzado es de gran importancia el conocimiento de conceptos elementales del concreto pre- esforzado para el ingeniero civil, este sirve como herramienta fundamental para el criterio del diseño de estructuras, ya que en los últimos años este concreto ha sido muy utilizado por su buen desempeño en los elementos que las componen. Una de las razones de uso de este sistema, es la simplificación de los procesos constructivos ya que en esta se implementan piezas prefabricadas o estructuras con losas. Con este tipo de concreto las estructuras diseñadas podrán soportar esfuerzos y deformaciones que son producidos por las cargas que se le aplicaran a la estructura, y de esta manera este concreto podrá eliminar esfuerzos de tensión en el concreto y así el material pueda soportar cargas indefinidamente. De tal manera este concreto es tensado con el fin de inducir los esfuerzos de compresión por toda el área del elemento así evitando fisuras, por lo tanto se habla de un elemento que trabaja efectivamente y con una alta durabilidad. Este método de estructuras diseñadas bajo métodos de pre tensado o pos tensado, deben tener una buena protección frente al agua, ya que este agente es agresivo y puede generar en los materiales corrosión, llevando a perder muchas de sus propiedades que afectaran en la resistencia de la estructura. Los métodos de anclaje son una de las desventajas que presentan estos métodos debido al requerimiento de equipos o materiales de altas prestaciones, lo que eleva los costos de la construcción, un buen equipo de trabajo especializado en la instalación de todos estos equipos. Uno de los factores más incidentes de esto, es la producción y distribución del acero en Colombia ya que debido a la investigación que realizamos pudimos identificar que no es de fácil acceso a estos datos de costos ye especificaciones de este acero. Se habla de dos sistemas de fuerzas, el pre esfuerzo interno y la carga que será aplicada, como lo nombraba anteriormente los esfuerzos de tensión son resistidos por el pre esfuerzo que genera compresión. Por otro lado podemos ver la eficiencia de este sistema frente al control del fisura miento que puede presentar el elemento, este control está dado por los tendones. La importancia de este control se debe a que las deformaciones y deflexiones que tenga esta estructura podrán ser analizadas cada una respectivamente. Una de las aplicaciones más comunes del concreto pre esforzado es en puentes con mediana y grandes luces. Los materiales de alta resistencia aplicados en las estructuras son de mucha importancia debido a que son necesarios en elementos diseñados de concreto pre esforzado, puesto que ellos cumplen con características que si no se tienen en cuenta la estructura podría llegar a fallar en sus etapas críticas. Un proceso de gran importancia en el método de pos tensionamiento, en la inyección de lechada, ya que se deberá llenar los espacios que deje el acero de pre esfuerzo con el concreto para crear entonces una buena adherencia. Todo esto con lleva a entender que la eficiencia del concreto pretensado está relacionada altamente con los materiales que sean utilizados. En conclusión el sistema de concreto reforzado y pre esforzado tienen ventajas y desventajas, lo que lleva a esto como una decisión de criterio del ingeniero civil. 4. Anexos 4.1 Especificaciones concreto Ficha Técnica (23 agosto, 2019). (ARGOS, 2018) La empresa ARGOS ha desarrollado para estructuras de alta complejidad mecánica, diseños de concreto que alcanzan resistencias iguales o superiores a 7000 psi es decir 48 Mpa. Este concreto tiene un excelente comportamiento bajo diferentes condiciones de exposición, aportando durabilidad a la estructura. (ARGOS, 2018) Información Técnica (23 agosto, 2019).(CEMEX, 2019) Las características más significativas de este concreto de alta resistencia, es que tiene valores a la compresión mayor o igual a 490 kg/cm2 es decir 7000 psi, a una edad de 28 o 56 días. Este concreto es ofrecido por la empresa colombiana CEMEX. Cabe destacar que la edad es criterio del especialista estructural. Ficha Técnica (23 agosto, 2019). (Holcim, 2018) Según la empresa Holcim, este concreto tiene altos estándares de desarrollo de resistencia desde 49 MPa (7000 psi) a 84 MPa (12000 psi), diseñado para cumplir niveles de confiabilidad altos y módulos elásticos a la medida de los diseños estructurales planteados. Su uso mas común es en edificaciones de altura, en proyectos de especificaciones particularmente altas, al igual que en grandes construcciones que requieren el aprovechamiento máximo del área, igualmente es usado en puentes y viaductos de luces amplias. (Holcim, 2018) 4.2 ESPECIFICACIONES ACERO Especificaciones típicas de cables y torones de acero (23 agosto, 2019). (Codima, SAS, 2017) Bibliografía ARGOS. (06 de 03 de 2018). ARGOS. Obtenido de www.argos.co (Artículo 641-07) CEMEX. (2019). CEMEX COLOMBIA S.A. Obtenido de www.cemexcolombia.com Holcim. (2018). Holcim. Obtenido de www.lafargeholcim-awards.org MEZA, L. E. (2017). UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE NICARAGUA. Obtenido de ASPECTOS FUNDAMENTALES DEL CONCRETO PRE-ESFORZADO: http://repositorio.unan.edu.ni/3828/1/51464.pdf