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Puentes de hormigón preesforzado

Introducción.

El hormigón preesforzado es una de las técnicas modernas en el ramo de la construcción, aunque las primeras proposiciones para aplicar el preesfuerzo al hormigón se hicieron desde 1886 en los estados unidos esta fue patentado el año 1928 por un renombrado ingeniero francés de nombre Eugene Freyssinet como resultado de reflexiones y experimentos a lo largo de varios años.

Esta técnica ha permitido obtener estructuras similares a las que se obtienen con el hormigón armado pero con múltiples ventajas según se describe a continuación:

Ventajas.

a) Una gran ventaja sobre el hormigón armado es que el preesforzado es un material homogéneo e infisurable, porque en ciertas obras en las que se ha sobrepasado la carga máxima para la que han sido diseñadas aparecen fisuras corrientemente microscópicas las que en el hormigón preesforzado se cierran inmediatamente dejada de actuar la sobrecarga excesiva, lo que no acontece con el hormigón armado. Es decir que se tiene un una mejoría del comportamiento bajo carga de servicio para el control de agrietamientos y deflexiones. Siendo estas reflexiones de gran importancia teniendo en cuenta que la fisuración en el pasado ha sido tomada como un índice de mala construcción ya que trae consigo el riesgo de corrosión de los aceros y desagregación del hormigón. Sin embargo es de conocimiento general que la fisuración en el hormigón armado es un fenómeno normal e intrínseco, que aparece inclusive al inicio de su funcionamiento, por lo que es preciso encarar la limitación de las fisuras pero no suprimirlas.

De lo que se trataba era de introducir en el hormigón una compresión previa para impedir la fisuración que se debería a esfuerzos posteriores de tracción idea intuitiva en las bóvedas en las que la compresión previa, proviene de la acción de la gravedad.

Inicialmente trataban de impedir la fisuración introduciendo una tracción previa en las armaduras, pero esto no funcionaba por las siguientes causas importantes:

Nadie discutía el hecho de que el hormigón resiste bien en compresión y la encerradura en tracción. Pero en esa época se ignoraba el fenómeno de fluencia, que no se manifestaba porque las fatigas admisibles en compresión eran mucha mas bajas que en la actualidad.

Igualmente, si se traccionaba al máximo los aceros de esa época su alargamiento era imperceptible. El acortamiento del hormigón debido a la retracción y a la fluencia era del mismo orden por lo que no quedaba la precomprensión previa, es decir que la fisuración se reducía pero no se alcanzaba el objetivo.

Fue Freyssinet quien alcanzó este objetivo y lo explicó de la siguiente forma: "Es necesario introducir en el hormigón fuerzas artificiales aplicadas en forma constante tales que bajo el efecto simultáneo de estas fuerzas, las sobrecargas y las diversas acciones, el hormigón debe permanecer sin fracturas, ni fisuras" Para que este resultado sea alcanzado, no es el acero quien resistirá a los esfuerzos de tracción, será solo hormigón el que resista a todas las solicitaciones, sin ser descomprimido, gracias al pretensazo, en consecuencia el principio de funcionamiento de esta técnica es completamente diferente al del hormigón armado.

Por otra parte, el módulo de elasticidad no es constante porque varía con las fatigas y su duración, hecho que fue esclarecido unos veinte años después por otros investigadores.

b) El hormigón preesforzado es un material muy elástico, es decir que recupera su posición original en cuanto dejan de actuar las cargas. Debido a lo cual puede soportar cargas dinámicas como es el caso de los puentes.

c) El hormigón preesforzado ofrece una gran seguridad, ya que en el momento del tesado se tiene una prueba de carga del material, la cual es una de las máximas sobrecargas.

d) Permite la utilización de materiales de alta resistencia como el hormigón y el acero

e) El hormigón preesforzado permite mejorar la estructura de las obras porque se dispone de elementos mas ligeros y gracias a las posibilidades técnicas que es demasiado largo exponerlas, el hormigón pretensado permite un aumento de luz para una misma altura de viga disponible.

f) El hormigón preesforzado es un material que facilita la prefabricación, permitiendo la múltiple ocupación de los encofrados y reduciendo al mínimo el apuntalamiento. Vale decir que la fabricación de muchos elementos con las mismas dimensiones permite tener mayo rapidez por la fabricación en serie

g) Mayor control de calidad en elementos preesforzados, debido a la existencia de mejores métodos de control de calidad en una planta de los que se dan en las condiciones normales de una obra.

h) La principal ventaja es que para tramos simplemente apoyados con luces mayores a los 20 m. se obtienen estructuras mucho más económicas.

Clasificación.

Las estructuras preesforzadas se clasifican en los dos grupos siguientes:

a) Las postesadas cuya característica fundamental es de que los cables se colocan dentro de vainas, las que van embebidas en la masa del hormigón, procediéndose al tesado de los cables una vez que el hormigón ha endurecido.

b) Las pretesadas que requieren de bancos o mesas de tesar, son aquellas en las que el acero es tesado y anclado en estribos terminales antes de hormigonar el elemento. Después de endurecido el hormigón, se sueltan los anclajes y debido a la adherencia entre el acero y el hormigón, el primero no puede retomar su longitud normal quedando en tensión y transmitiendo así su fuerza al hormigón. Esta forma de pretensar se la emplea especialmente en la prefabricación maciva de elementos, en cambio en la construcción de puentes es más corriente el empleo del postesado.

Secciones transversales empleadas en puentes de hormigón pretensado.

La sección más simple desde el punto de vista de encofrados y hormigonado viene a ser la sección rectangular que se la utiliza en puentes losa para luces de alrededor de 12 m. , luego vienen las losas alveoladas y las losas nervuradas con objeto de disminuir el peso muerto para luces hasta los 18 m. y para lograr luces mayores se tienen las secciones cajón empleadas preferentemente en estructuras hiperestáticas o en puentes curvos y las secciones de losa y vigas empleadas mas bien en tramos isostáticos de hasta 50 m. de longitud y finalmente para grandes luces y vanas fajas de tráfico se tiene una combinación de estos dos últimos tipos que dan la sección de losa y vigas cajón.

En la figura se resume lo anterior.

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Propiedades geométricas de las secciones.

Tratándose de una técnica en la cual la sección trabaja como material homogéneo, sus propiedades geométricas deberán ser evaluadas sin despreciar ninguna parte de la sección.

Para el cálculo se toma en cuenta el área neta de la sección de hormigón, su momento de inercia, las distancias de su centro de gravedad a las fibras superior e inferior y con ellas los módulos de sección superior e inferior, los radios de giro y el rendimiento de la sección.

Para la fase de tesado, se debe verificar la sección descontando los huecos de las vainas, pero como luego se rellena con lechada de cemento para el resto de los cálculos se verifica con la sección llena. Inclusive, se puede verificar homogeneizando la sección con el acero que llena las vainas

Una suposición aproximativa del área y del momento de inercia pueden cambiar completamente las tensiones provocando daños en la estructura.

La construcción por medio de vigas prefabricadas es frecuente que se la lleve a cabo mediante un pretensado parcial de sus cables hasta el lanzamiento de las vigas para luego de vaciar a losa recién tesar el resto de los cables, con lo que se genera una sección mixta formada por

hormigones de diferente edad y calidad por lo que será necesario calcular las propiedades geométricas homogeneizando a un solo tipo de hormigón en base a la relación de sus módulos de elasticidad.

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Para el cálculo de las propiedades geométricas se toma la notación de la figura cuyo significado es:

A = Área de la sección transversal de la viga.

Vs y Vi = Distancias del baricentro a las fibras superior e inferior.

e = Excentricidad del cable con respecto al centro de gravedad.

c, y c, = Distancias que definen el núcleo límite, o sea la zona en la que debe caer la componente T, de la fuerza de pretensado como resultante de la composición de fatigas cuando la viga está con carga o en vació para evitar tracciones.

I = Momento de inercia respecto al centro de gravedad.

d = Recubrimiento desde el centro de gravedad de los cables.

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Teoría para el diseño.

Los miembros de hormigón pretensado deberán cumplir los siguientes requisitos que se especifican para la resistencia ultima y para las tensiones admisibles.

El diseño se basa en la resistencia ultima y en el comportamiento para las condiciones de servicio correspondientes a todas las etapas que pueden ser criticas durante la vida de las estructuras a partir del momento pretensazo.

Suposiciones básicas.-

Para fines de diseño se asumen las siguientes suposiciones:

a) Las deformaciones varían linealmente a lo alto del miembro con los cambios de la sobrecarga total.

b) Antes del agrietamiento, las tensiones son proporcionales a las deformaciones.

c) Después del agrietamiento, se desprecia la tracción en el hormigón.

Tensiones admisibles.

El proyecto de miembros preesforzados se basa en la resistencia característica generalmente del orden de 35 MPa a la rotura en probetas cilíndricas a los 28 días, pudiéndose alcanzar hasta 42 MPa siempre y cuando la obtención de dicha resistencia sea rigurosamente controlada. En proyectos muy particulares es posible diseñar inclusive con fatigas mayores.

Aceros para preesforzado.

Estos aceros son de alta resistencia y sus características deberán ser como las que se dan a continuación:

Su resistencia a la rotura deberá estar comprendida entre 1600 y 2200 MPa con alargamientos a la rotura de 4 a 9 % sobre longitudes iguales a 10 veces el diámetro. El límite de fluencia convencional para este tipo de aceros normalmente está fijado entre 85 y 90 % ce ¡a fatiga de rotura.

Con relación al fenómeno de relajación o sea la caída de tensión en el acero a lo largo del tiempo y para un alargamiento constante no existe aún una teoría fundamentada científicamente. Sin embargo, la mayoría de las investigaciones coinciden en afirmar que la relación del acero en función del tiempo sigue una trayectoria lineal para una escala logarítmica. En las primeras horas de los ensayos, la relajación no sigue muy bien la ley lineal, pero a partir de 10 a 100 horas coincide esta suposición.

Tensión temporal antes de que ocurran las pérdidas

por retracción y fluencia .......................................................... 0.7 fs

Tensión para las cargas de servicio después de las

Pérdidas ........................... ............................. 0.8 fy

Donde:

fs = Resistencia a la rotura del acero para pretensado.

fy = Tensión en el punto de fluencia del acero para pretensado.

Hormigón para preesforzado.

En las estructuras preesforzadas conviene también que el hormigón alcance resistencias altas, porque así la sección elegida podrá ser pequeña, lo que disminuye su peso propio y al mismo tiempo permite la obtención de luces mayores.

Debido a las tensiones altas que provoca el pretensado, las resistencias que se asumen para el hormigón son alcanzadas perfectamente, por ello es que se debe tener un especial cuidado en la preparación de estos hormigones y se puede citar como regla general la relación de agua cemento, no debe pasar de 0.45, siendo una relación aconsejable A/C = 0.38.

Un alto contenido de cemento aumenta la retracción de fraguado y la fluencia lenta del hormigón, por lo que no es conveniente sobrepasar los 3.75 Kn/m3 de dosificación en cemento. En algunos casos se puede emplear plastificantes para evitar el aumento de agua y obtener una mayor trabajabilidad del hormigón.

En los sitios muy fríos especialmente en los meses de invierno se debe tener un especial cuidado ya que las bajas temperaturas disminuyen la resistencia final.

Para el módulo de elasticidad del hormigón bajo cargas instantáneas o de corta duración (inferior a 24 horas) y al cabo de j días, se tiene:

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Donde:

clip_image010 es la resistencia característica del hormigón a los j días expresada en MPa.

Cuando las cargas son de larga duración, se denomina modulo diferido y viene dado por la expresado por:

clip_image012

Tensiones temporales antes de las pérdidas por retracción y fluencia:

Compresión:

Miembros pretesados……………0.60clip_image014

Miembros postesados……………0.55clip_image014[1]

Tracción:

No se especifica fatiga admisible temporal.

Donde:

clip_image014[2] = Resistencia característica del hormigón a compresión en el momento del pretensazo inicial.

Otros sectores:

Áreas en tensión sin armadura adherida 1.4 MPA o 0.253clip_image016

Si las tracciones calculadas exceden este valor, se adicionara acero estructural para resistir la fueraza total de tracción en el hormigón calculada en base a una sección no fisurada.

La máxima tracción no excederá de 0.632clip_image016[1]

Para miembros sin armadura adherida 0.

Tensiones bajo cargas de servicio, después de producidas las perdidas:

Compresión 0.40clip_image018

Tracción:

Para miembros con armadura adherida 0.506clip_image016[2]

Para severas condiciones de exposición relacionadas con las corrosión tales como las que presentan las zonas de la costa 0.235clip_image016[3]

Perdidas del preesforzado.

Se distinguen dos tipos:

Por fricción de los cables.

La cual se presenta en estructuras postesadas, en las que los cables deben tener libertad de movimiento en la dirección del tesado, el cual es afectado provocando una disminución del esfuerzo de pretensazo.

Perdidas por pretensado.

Las cuales se pueden subdividir en:

Contracción

Acortamiento elastico

Fluencia del hormigón

Relajación del acero de pretensado

Datos para el predimensionamiento.

En hormigón preesforzado, se puede solucionar con losa las luces comprendidas entre 10 y 15 m. Vigas pretensadas por adherencia para luces de 8 a 25 m. Vigas postesadas para luces entre 20 y 45 m.

Las alturas económicas son del orden de L/25 para las losas y de L/16 a L/20 para las vigas. La altura económica en las vigas está próxima a L/16 pudiéndose llegar a L/22 con un suplemento de precio del orden de 20 %.

Para luces comprendidas entre 20 y 45 m. el tablero está constituido por dos, tres o más vigas de altura constante y alma relativamente delgada, con una separación entre ejes comprendida entre 2.5 y 3.5 m.

En el sentido transversal, la losa puede ser en hormigón armado o también pretensado. Una forma alternativa consiste en construir las vigas con el cabezal superior dispuesto para que sirva de losa mediante un tesado de la misma luego del lanzado de las vigas.

Las vigas pueden ser prefabricadas o vaciadas en sitio, prefiriéndose las prefabricadas cuando su número así lo justifique o cuando no es posible encarar la construcción sobre encofrados y puntales.

La luz económica de este tipo de tableros está comprendida entre 30 y 35 m., sin que ello limite el llegar a los 45 m. y como el precio sube rápidamente en proporción a la luz para puentes de mayor luz habrá que analizar otras soluciones.

Los diafragmas no deben ser suprimidos a pesar de que representan carga muerta puntual, porque de hacerse la losa debe ser reforzada en forma apreciable.

Para luces comprendidas entre 50 y 100 m. (campo de aplicación de los tramos isostáticos en acero), por razones de estética se emplea de preferencia tableros constituidos por una o más secciones cajón y cuyas longitudes económicas oscilan entre 60 y 90 m.

En casos excepcionales con bielas inclinadas en los extremos es posible alcanzar 100 m. de luz con tramo isostático. Su altura económica esta entre L/30 y 1733.

Las vigas continuas vaciadas en sitio pueden estar formadas por dos o varias vigas y losa o por una o varias secciones cajón, siendo la altura económica aconsejable para el primer caso L/18 y para el segundo comprendida entre L/25 y L/30.

Para luces comprendidas entre 50 y 300 m. se construyen puentes preesforzados en volados sucesivos, los que en su mayoría tienen la luz principal comprendida entre 70 y 100 m. con la luz mas económica próxima a los 90 m.

Los tramos de borde tienen luces del orden de L/2 + 10 a 15 m. o 0.65 L (siendo L la luz central). La altura económica en correspondencia con las pilas es de L/16 pudiéndose llegar en casos necesarios a L/20. El espesor en la clave es de L/30 a L/40 con un mínimo de 1.5 m.

El tablero va empotrado ó simplemente apoyado, en función de la flexibilidad de las pilas. En sección transversal se compone de un solo cajón con dos almas y rara vez con res o más almas, lo que si cuando al ancho libre de calzada es muy amplio, se utilizan varios cajones.

Su construcción es mediante dovelas que pueden ser prefabricadas o vaciadas en sido.

A partir de los 100 m. y especialmente alrededor de 200 m. cuando es necesario limitar el espesor del tablero una solución bastante empleada desde hace pocos años es la del puente a obenque

Diseño.

La parte de diseño propiamente dicha no será tocada debido a que esta corresponde a la materia de presforzado para la cual ya existe un texto guía.