Índice

1. Introducción2. ¿Qué es concreto?3. ¿Qué es compresión y tensión?4. ¿Qué es concreto reforzado y pres-forzado?5. Propiedades del concreto reforzado y pres-forzado.6. Proceso constructivo del reforzado y pres-forzado.7. Tipo de concreto utilizado en el reforzado y pres-forzado.8. Tipo de acero utilizado en el reforzado y pres-forzado.9. Ejemplos de edificios construidos con ambos sistemas.10. Costos de ambos sistemas.11. Conclusiones.

Introducción

Se denomina concreto pres-forzado a la tecnología de construcción de elementos estructurales de hormigón sometidos intencionadamente a

esfuerzos de compresión previos a su puesta en servicio. Dichos esfuerzos se consiguen mediante barras, alambres o cables de alambres de acero que son tensados y anclados al hormigón.

Qué es concreto

El concreto es una mezcla de arena, grava, roca triturada, u otros agregados unidos en una masa rocosa por medio de una pasta de cemento y agua. En ocasiones, uno o más aditivos se agregan para cambiar ciertas características del concreto, tales como la ductilidad, durabilidad y tiempo de fraguado.Al igual que la mayoría de los materiales pétreos, el concreto tiene una alta resistencia a la compresión y una muy baja resistencia a la tensión.El hormigón o concreto convencional, normalmente usado en pavimentos, edificios y otras estructuras, tiene un peso específico (densidad, peso volumétrico, masa unitaria) que varía de 2200 hasta 2400 kg/m³ (137 hasta 150 libras/piés3). La densidad del concreto varía dependiendo de la cantidad y la densidad del agregado, la cantidad de aire atrapado (ocluido) o intencionalmente incluido y las cantidades de agua y cemento. Por otro lado, el tamaño máximo del agregado influye en las cantidades de agua y cemento. Al reducirse la cantidad de pasta (aumentándose la cantidad de agregado), se aumenta la densidad. En el diseño del concreto armado (reforzado), el peso unitario de la combinación del concreto con la armadura normalmente se considera 2400 kg/m³ (150 lb/ft³).

Dependiendo de las proporciones de cada uno de sus constituyentes existen varios tipos de hormigones. Se considera hormigón pesado aquel que posee una densidad de más de 3200 kg/m³, debido al empleo de agregados densos (empleado protección contra las radiaciones), el hormigón normal, empleado en estructuras, que posee una densidad de 2200 kg/m³, y el hormigón ligero, con densidades de 1800 kg/m³.

La principal característica estructural del hormigón es que resiste muy bien los esfuerzos de compresión, pero no tiene buen comportamiento frente a otros tipos de esfuerzos (tracción, flexión, cortante, etc.), y por este motivo es habitual usarlo asociado a ciertas armaduras de acero, recibiendo en este caso la denominación de hormigón armado, o concreto pre-reforzado en algunos lugares. Este conjunto se comporta muy favorablemente ante las diversas solicitaciones o esfuerzos mencionados anteriormente. Cuando se proyecta una estructura de hormigón armado se establecen las dimensiones de los elementos, el tipo de hormigón, los aditivos y el acero que hay que colocar en función de los esfuerzos que deberá soportar y de las condiciones ambientales a que estará expuesto.

A finales del siglo XX, es el material más empleado en la industria de la construcción. Se le da forma mediante el empleo de moldes rígidos denominados: encofrados. Su empleo es habitual en obras de arquitectura e ingeniería, tales como edificios, puentes, diques, puertos, canales, túneles, etc. Incluso en aquellas edificaciones cuya estructura principal se realiza en acero, su utilización es imprescindible para conformar la cimentación. La variedad de hormigones que han ido apareciendo a finales del siglo XX, ha permitido que

existan por ejemplo: hormigones reforzados con fibras de vidrio (GRC), hormigones celulares que se aligeran con aire, aligerados con fibras naturales, autocompactantes.

Que es compresión y tensión

El esfuerzo de compresión es la resultante de las tensiones o presiones que actúa sobre esta o existen dentro de un sólido deformable o medio continuo, caracterizada porque tiende a una reducción de volumen del cuerpo, y a un acortamiento del cuerpo en determinada dirección (coeficiente de Poisson).

En piezas estructurales suficientemente esbeltas los esfuerzos de compresión pueden producir además abolladura o pandeo.

En general, cuando se somete un material a un conjunto de fuerzas se produce tanto flexión, como cizallamiento o torsión, todos estos esfuerzos conllevan la aparición de tensiones tanto de tracción como de compresión. Aunque en ingeniería se distingue entre el esfuerzo de compresión (axial) y las tensiones de compresión.

En un prisma mecánico el esfuerzo de compresión puede ser simplemente la fuerza resultante que actúa sobre una determinada sección transversal al eje baricéntrico de dicho prisma, lo que tiene el efecto de acortar la pieza en la dirección de eje baricéntrico. Las piezas prismáticas sometidas a un esfuerzo de compresión considerable son susceptibles de experimentar pandeo flexional, por lo que su correcto dimensionado requiere examinar dicho tipo de no linealidad geométrica.

esfuerzos axiales en una probeta de hormigón

Tensión es al esfuerzo interno a que está sometido un cuerpo por la aplicación de dos fuerzas que actúan en sentido opuesto, y tienden a estirarlo.

Lógicamente, se considera que las tensiones que tiene cualquier sección perpendicular a dichas fuerzas son normales a esa sección, y poseen sentidos opuestos a las fuerzas que intentan alargar el cuerpo.Un cuerpo sometido a un esfuerzo de tracción sufre deformaciones positivas (estiramientos) en ciertas direcciones por efecto de la tracción. Sin embargo el estiramiento en ciertas direcciones generalmente va acompañado de acortamientos en las direcciones transversales; así si en un prisma mecánico la tracción produce un alargamiento sobre el eje "X" que produce a su vez un encogimiento sobre los ejes "Y" y "Z". Este encogimiento es proporcional al coeficiente de Poisson (ν):

Cuando se trata de cuerpos sólidos, las deformaciones pueden ser permanentes: en este caso, el cuerpo ha superado su punto de fluencia y se comporta de forma plástica, de modo que tras cesar el esfuerzo de tracción se mantiene el alargamiento; si las deformaciones no son permanentes se dice que el cuerpo es elástico, de manera que, cuando desaparece el esfuerzo de tracción, aquél recupera su longitud primitiva.La relación entre la tracción que actúa sobre un cuerpo y las deformaciones que produce se suele representar gráficamente mediante un diagrama de ejes cartesianos que ilustra el proceso y ofrece información sobre el comportamiento del cuerpo de que se trate.

Observamos que el hormigón es nefasto para este esfuerzo y el material que mejor lo hace es el acero. Por esto mismo, al hormigón se le añade barras de

hierro para aumentar su resistencia a la tracción

Que es concreto pres-forzadoEl pre-forzado puede definirse en términos generales como el precargado de una estructura, antes de la aplicación de las cargas de diseño requeridas, hecho en forma tal que mejore su comportamiento general. Aunque los principios y las técnicas del pres forzado se han aplicado a estructuras de muchos tipos y materiales, la aplicación más común ha tenido lugar en el diseño del concreto estructural.En esencia, el concreto es un material que trabaja a compresión. Su resistencia a la tensión es mucho más baja que a la compresión, y en muchos casos, al diseñar, se deja fuera de

consideración aquélla. Por tanto, el pre forzado del concreto implica naturalmente la aplicación de una carga compresiva, previa a la aplicación de las cargas anticipadas de diseño, en forma tal que se reduzcan o eliminen los esfuerzos de tensión que de otra forma ocurrirían.En efecto, el concepto original del concreto presforzado consistió en introducir en vigas suficiente precompresión axial para que se eliminaran en el miembro cargado todos los posibles esfuerzos de tensión que obraran en el concreto. Sin embargo, a medida que se ha desarrollado el conocimiento de esta forma de construcción, se ha visto claramente que esta concepción es innecesariamente restrictiva, y en la práctica actual de diseño se permite que haya esfuerzos de tensión en el concreto, y hasta cierto agrietamiento limitado haciendo variar la magnitud del presfuerzo compresivo, puede limitarse al grado deseado el número y el ancho de las grietas, igualmente puede controlarse la deflexión del miembro. Se pueden diseñar vigas con deflexión nula para una combinación específica de presfuerzo y cargas externas. Desde el punto de vista de las condiciones dc servicio, tal pres¬forzado parcial presenta una mejoría substancial, no sólo en la construcción convencional de concreto armado, sino también en la forma original del presforzado completo el cual, si bien eliminaba el agrietamiento bajo las cargas de servicio producía a menudo una combadura hacia arriba que causaba problemas, pero no es sólo por las condiciones de servicio mejoradas que el presforzado ha alcanzado importancia. Por el control del agrietamiento y la deflexión bajo las cargas de servicio, el presforzado hace posible emplear el económico y eficaz refuerzo de acero de alta resistencia a la tensión y concreto de alta resistenciaLos anchos de las grietas. en las vigas convencionales de concreto armado, son toscamente proporcionales al esfuerzo que obra en el refuerzo de tensión, y por esta razón tienen que limitarse los esfuerzos en el acero a valores mucho menores que los que podrían usarse si eso no ocurriera. En las vigas presforzadas el alto esfuerzo en el acero no va acompañado por grietas anchas en el concreto. Porque se aplica al acero gran parte del esfuerzo antes de ser anclado al concreto, y antes de que se aplique la carga al miembro.La deflexión de las vigas ordinarias de concreto armado está ligada también directamente a los esfuerzos. Si se permitieran esfuerzos muy grandes. Las deformaciones acompañantes también grandes, que ocurrirían en el concreto y en el acero, producirían inevitablemente grandes rotaciones de las secciones transversales a lo largo del miembro. Las cuales se traducirían directamente a grandes de flexiones predeformando el refuerzo de alta resistencia a la tensión de las vigas presforzadas se evitan las grandes rotaciones y deflexiones que ocurrirían en otras condiciones, además, el miembro de concreto esencialmente libre de grietas. Es más rígido para ciertas dimensiones dadas de la sección, que lo que sería si se permitiera que hubiera agrietamiento basta el grado típico de la construcción de concreto armado.En consecuencia no es sólo por la mejoría del comportamiento bajo la carga de servicio. Por el control del agrietamiento y la deflexión por lo que el concreto presforzado es conveniente sino también porque permite la utilización de materiales eficientes de alta resistencia. Pueden usarse miembros de menores dimensiones y más ligeros. Se reduce la

relación de la carga muerta a la carga viva, se aumentan les claros y se amplía considerablemente la gama de aplicaciones posibles del concreto estructural.

Propiedades del concreto pre-forzadoEl concreto reforzado es empleado para vencer las debilidades naturales del hormigón frente esfuerzos de tracción algunas propiedades son:

Se tiene una mejoría del comportamiento bajo carga de servicio por el control del agrietamiento y la deflexión.

Permite la utilización de materiales de alta resistencia. Elementos más eficientes y esbeltos, menos material. Mayor control de calidad en elementos pretensados (productos en serie). Siempre

se tendrá un control de calidad mayor en una planta ya que se trabaja con más orden y los trabajadores están más controlados.

Mayor rapidez en elementos pretensados. El fabricar muchos elementos con las mismas dimensiones permite tener mayor rapidez.

Algunas desventajas Se requiere transporte y montaje para elementos pretensados. Esto puede ser

desfavorable según la distancia a la que se encuentra la obra de la planta. Mayor inversión inicial Diseño más complejo y especializado (juntas, conexiones, etc.). Planeación cuidadosa del proceso constructivo, sobre todo en etapas de montaje. Detalles en conexiones, uniones y apoyos.

Proceso constructivo del concreto pre-forzado

Aunque se han empleado muchos métodos para producir el estado deseado de precompresión en los miembros de concreto, todos los miembros de concreto presforzado pueden considerarse dentro de una de dos categorías; pretensado o postensado. Los miembros de concreto pretensado presforzado se producen restirando o tensando los tendones entre anclajes externos antes de vaciar el concreto. Al endurecerse el concreto fresco, se adhiere al acero. Cuando el concreto alcanza la resistencia requerida se retira la fuerza presforzante aplicada por gatos, y esa misma fuerza es transmitida por adherencia del acero al concreto. En el caso de los miembros de concreto postensado presforzados, se esfuerzan los tendones después de que ha endurecido el concreto y de que se ha alcanzado suficiente resistencia, aplicando la acción de los gatos contra el miembro de concreto mismo.

La mayor parte de la construcción de concreto presforzado que se hace en los Estados Unidos es de concreto pretensado. 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 con los gatos.

Con la cimbra en su lugar, se vacía el concreto en torno al tendón esforzado. A menudo se usa concreto de alta resistencia a corto tiempo a la vez que curado con vapor de agua, para acelerar el

endurecimiento del concreto. Después de haberse logrado suficiente resistencia, se alivia la presión en los gatos. Los torones tienden a acortarse, pero no lo hacen por estar ligados por adherencia al concreto. En esta forma, la fuerza de presfuerzo es transferida al concreto por

adherencia, en su mayor parte cerca de los extremos de la viga, y no se necesita de ningún anclaje especial.

Métodos de pretensado. a) Viga con tendón recto. b) Viga con excentricidad variable del tendón. c) Esforzado y vaciado de línea larga

Cuando se hace el pretensado, puede hacerse esto sosteniendo los torones en los puntos intermedios y manteniéndolos sujetos hacia arriba en los extremos del claro. Con frecuencia se usan uno, dos o tres depresores intermedios del cable para obtener el perfil deseado. Para poder minimizar la pérdida de tensión por fricción, una práctica común es restirar el cable recto, y luego deprimido hasta el perfil final utilizando gatos auxiliares.

El pretensado es bastante adecuado para la producción de vigas en masa, usando el método de presforzado de línea larga. En la práctica actual, los apoyos de anclaje y los de aplicación de los gatos pueden estar separados hasta por 600 pies.

El pretensado es un método particularmente económico de pres forzar no solo porque la

estandarización del diseño permite el uso de formas de acero o de fibras dc vidrio reutilizables, sino que también porque el presforzado simultáneo de muchos miembros a la vez tiene como resultado una gran economía de mano de obra además se elimina el costoso herraje de anclaje de los extremos.

Tipo de concreto utilizado en pre-forzado

Generalmente se requiere un concreto de mayor resistencia para el trabajo de presforzado que para el reforzado. La práctica actual en puentes pide una resistencia a los cilindros de 28 días de 280 a 350 Kg/cm² para el concreto aproximadamente. Un factor por el que es determinante la necesidad de concretos más resistentes, es que 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 de refuerzo.

Es importante seguir todas las recomendaciones y especificaciones de cada proyecto a fin de cumplir con las solicitaciones requeridas. Por lo general para obtener una resistencia de 350 Kg/cm², es necesario usar una relación de agua-cemento no mucho mayor que 0.45. Con el objeto de facilitar el colado, se necesitara 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. Si es posible un vibrado cuidadoso, se puede emplear concreto con un revenimiento de 1.2 cm o 0, y serían suficientes poco menos de 9 sacos por metro cubico de concreto, puesto que con una cantidad excesiva de cemento se tiende a aumentar la contracción, es deseable siempre un factor bajo de cemento. Con este fin, se recomienda un buen vibrado siempre que sea posible, y para aumentar la maniobralidad pueden emplearse ventajosamente aditivos apropiados.

Tipo de acero utilizado en el pre-forzado

Existen tres formas comunes en las cuales se emplea el acero como tendones en concreto presforzado: alambres redondos estirados en frío, cable trenzado y varillas de un acero de aleación. Los alambres y los cables trenzados tienen una resistencia a la tensión de más o menos 250,000 lb/pulg2 (1720 N/mm2), tanto que la resistencia de las varillas de aleación está entre los 145,000 Lb/pulg2 y 160.000 Lb/pulg2 (1000 N/mm2 y 1100 N/mm2) dependiendo del grado.

Alambres redondosLos alambres redondos que se usan en la construcción de concreto presforzado postensado y ocasionalmente en obras pretensadas se fabrican en forma tal de que cumplan con los requisitos dc la especificación ASTM A42 1, “Alambres sin Revestimiento, Relevados de Esfuerzo, para Concreto Presforzado”. Los alambres individuales se fabrican laminando en caliente lingotes de acero hasta obtener varillas redondas. Después del enfriamiento, las varillas se pasan a través de troqueles para reducir su diámetro hasta el tamaño requerido. En el proceso de esta operación de estirado, se ejecuta trabajo en frío sobre el acero, lo cual modifica grandemente sus propiedades mecánicas e incrementa su resistencia. A los alambres se les libera de esfuerzo después dc estirado en frío mediante un tratamiento continuo de calentamiento hasta obtener las propiedades mecánicas prescritas.

Los alambres se consiguen en cuatro diámetros tal como se muestra en la tabla

Cable trenzado

El cable trenzado se usa casi siempre en miembros pretensados y a menudo se usa también en construcción postensado. El cable trenzado se fabrica de acuerdo con la Especificaci6n ASTM A 416, "Cable Trenzado, Sin Revestimiento, de Siete Alambres, Relevado de Esfuerzos, Para Concreto Presforzado" - 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.

Para los cables trenzados se usa el mismo tipo de alambres relevados de esfuerzo y estirados en frío que los que Se usan para los alambres individuales de presfuerzo. Sin embargo, las propiedades mecánicas se evidencian ligeramente diferentes debido a la tendencia de los alambres torcidos a enderezarse cuando se les sujeta a tensión, debido a que el eje de los alambres no coincide con la dirección de la tensión. Al cable se le releva de esfuerzos mediante tratamiento térmico después del trenzado. Los cables de bajo relajamiento o estabilizados se pueden conseguir mediante pedido especial.

A continuación una tabla muestra las propiedades del cable de siete alambres sin revenimiento que se deben cumplir:

Varillas de acero de aleaciónEn el caso de varillas de aleación de acero, la alta resistencia que se necesita se obtiene mediante la introducción de ciertos elementos de ligazón, principalmente manganeso, silicón y cromo durante la fabricación de acero. Adicionalmente, se efectúa trabajo en frío en las varillas al fabricar estas para incrementar aún más su resistencia. Después de estirarías en frío, a las varillas Se las releva de esfuerzos para obtener las propiedades requeridas. Las varillas se fabrican de ma nera que cumplan con los requisitos de la Especificación ASTM A722, “Varillas de Acero de Alta Resistencia, sin Revestimientos, Para Concreto presforzado”.

Ejemplos de edificios construidos con presforzado

Proyecto: Marbella Tower I Proyecto: Costa del mar

Tipo: Condominio Tipo: Condominio

Pisos: 25 Piso: 38

Arquitectos: George Moreno Arquitecto: Clement & Medina

Servicio: Diseño estructural Servicio: Diseño de Losas

Losas de 15000m² Losas: 25000m²

Fecha 1992 Fecha: 1993

Costo de proyectos presforzados

Conclusión

La teoría del presfuerzo es bastante simple y se ha usado durante muchos años en varios tipos de estructuras. Por ejemplo, los barriles de madera se construyen con cinchos metálicos, que comprimen las dovelas entre sí formando un recipiente hermético con resistencia a las presiones de los líquidos contenidos.

El presfuerzo se usa principalmente en las vigas de concreto para contrarrestar los esfuerzos de tensión causados por el peso propio del miembro y las cargas sobrepuestas. Si esas cargas causan un momento positivo en una viga, es posible presforzarla para introducir un momento negativo que contrarreste en parte o totalmente el momento positivo. Una viga ordinaria debe tener la suficiente resistencia para soportarse tanto a sí misma como a otras cargas, pero es posible producir una carga negativa con el presfuerzo que elimine el efecto del peso de la viga, generando así una “viga sin peso propio”.

Del análisis anterior, es fácil ver por qué el presfuerzo se ha adueñado de la imaginación de tantos ingenieros y por qué tiene todo tipo de posibilidades tanto ahora como en el futuro.