Introducción a la fractura estructural y acero prestablecido

Este material de construcción más utilizado en el mundo, valorado por su resistencia compresiva, durabilidad y versatilidad. Sin embargo, el hormigón es inherentemente débil en la tensión. Bajo cargas de servicio, condiciones ambientales, o reducción de la presión de acero, las tensiones de tracción pueden superar la fuerza de tracción limitada del material, lo que conduce a las grietas.

Comprensión de acero pretresante

El acero de presión consiste en hilos de acero de alta resistencia, alambres o barras utilizados para aplicar una fuerza compresiva sostenida a un miembro de hormigón. El acero se tensiona a un nivel predeterminado —normalmente 70% a 80% de su fuerza de tracción definitiva— y se ancla al hormigón para que la compresión se mantenga durante la vida útil de la estructura. Esta pre-compresión activa contrarresta eficazmente las tensiones de tracción que de otra manera causarían.

Tipos de acero de sujeción

Tres formas primarias de acero prestresing se utilizan en la construcción:

  • Strands:] Las hebras de siete hilos (por ejemplo, de 0,5 pulgadas o 0,6 pulgadas) son las más comunes para las estructuras post-tensioned. Ofrecen alta resistencia y características de unión excelentes.
  • Wires:] Los alambres individuales de alta resistencia, a menudo encolados o endentados, se utilizan en elementos prefabricados pretensionados como losas de núcleo hueco.
  • Bares: Las barras de aleación de alta resistencia, generalmente con extremos roscados, se emplean en aplicaciones que requieren tendones cortos, como en puentes o trabajos de reparación.

Pre-Tensioning vs. Post-Tensioning

El momento y el método de tensión definen dos categorías generales:

  • Pretensión: Los tendones de acero se tensan antes de que se funda el hormigón. Una vez que el hormigón alcanza la fuerza suficiente, se liberan los tendones, transfiriendo la fuerza compresiva al hormigón mediante el enlace. Este método es típico para elementos prefabricados fabricados en una planta.
  • Pos-tensioning: Los tendones se colocan en conductos o vainas dentro del miembro del hormigón. Después de que el hormigón se haya curado, los tendones se tensan y anclan contra el hormigón endurecido. Los conductos son luego resonados para proteger el acero de la corrosión. El post-tensioning es común para las estructuras de laminado, puentes grandes y puentes.

La Mecánica de la Formación Cantada en Concreto No Refuerzado

Para apreciar cómo el acero prestresante reduce las grietas, es esencial entender por qué las grietas de hormigón en primer lugar. El hormigón es un material compuesto con una fuerza de tracción relativamente baja —normalmente alrededor del 10% de su fuerza compresiva. Cuando las cargas externas (como el peso, el viento o las fuerzas sísmicas) inducen tensiones de tracción que exceden este límite, las fracturas de hormigón también forman cambios de volumen seco

En concreto reforzado convencionalmente, se colocan barras de refuerzo de acero donde se espera tensión de tensil. El acero lleva la tensión después de las grietas de hormigón, limitando anchos de grieta a niveles aceptables. Sin embargo, el hormigón se asume que se grieta en servicio; el refuerzo no impide el grieta, sólo lo controla. Esto significa que bajo cargas de servicio, microcrácambios están presentes, exponiendo el acero a humedad, cloruros y otros agentes agresivos que pueden conducir a largos.

¿Por qué el atraco es una preocupación estructural

  • La pérdida de rigidez y el aumento de las deflecciones ] – las grietas reducen el momento efectivo de la inercia, lo que lleva a deformaciones más grandes bajo carga.
  • La durabilidad reducida: las grietas proporcionan vías para el agua, las sales deshidratadas y el dióxido de carbono, acelerando la corrosión del refuerzo.
  • Cuestiones estéticas y de servicio – grietas visibles pueden alarmar a los ocupantes o reducir la calidad percibida de una estructura.
  • Fructuosa potencial de fatiga] – la carga repetida puede propagar las grietas, reduciendo la fatiga de elementos concretos.

Cómo se acumulan las mitigas de acero

El acero que se mantiene cambia fundamentalmente el estado de estrés en un miembro concreto. En lugar de esperar a que se desarrollen tensiones tensiles y luego controlar los anchos de grieta, preestrestrear proactivamente impone un sobre de estrés compresivo que mantiene el hormigón en gran parte en compresión bajo cargas de servicio. Esta pre-compresión elimina o reduce drásticamente las tensiones de tensión, lo que significa que el hormigón nunca puede alcanzar su fuerza de grieta.

Mecanismo de Pre-Compresión

El acero tensado actúa como una manantial que tira del hormigón. El estrés axial resultante (o compresión axial combinada y flexural en tendones excéntricos) contrarresta las tensiones de tensión de la flexión. Por ejemplo, en un haz simplemente soportado, las fibras inferiores están en tensión bajo cargas de gravedad. La presencia de las fibras inferiores en compresión antes de que se aplique cualquier carga neta.

Control de las Anillos de Cuello Cuando el Atraque Ocurre

En los casos en que las tensiones de tensión son inevitables, por ejemplo, bajo cargas máximas o en puntos de estrés concentrados, el acero de presión todavía proporciona un control superior de ancho de grieta. La alta fuerza de tracción en el tendón permanece constante sobre la longitud sin acoplar (en sistemas post-tensionados) o se distribuye a través de la unión (en sistemas pre-tensionados).

Reducción de la craquedad de la edad temprana

La fijación también es eficaz para controlar la grieta temprana causada por gradientes térmicos, la reducción de secado o la deformación restringida. Al aplicar la compresión temprana, especialmente en losas post-tensionadas, se neutralizan las tensiones de los contracción contenciosa, evitando que las grietas no sean rigurosas y estructuralmente dañinas para formar durante la construcción.

Beneficios más allá de la reducción de la cadena

Mientras que el enfoque principal de este artículo es el cracking, el uso de acero prestresing trae una cascada de ventajas adicionales que refuerzan su papel como material crítico en la construcción moderna.

Mayor capacidad de carga

Debido a que los miembros pretensados están diseñados para permanecer sin atracar bajo cargas de servicio, tienen una rigidez más efectiva y pueden llevar cargas más grandes que secciones de hormigón armado equivalente. La fuerza prestresing en sí añade un momento de resistencia que complementa las cargas muertas y vivas. Por ejemplo, un haz de hormigón pretensado puede abarcar 40–50% más que un haz de hormigón armado de la misma profundidad.

Reducir las deflecciones

Las secciones no agrietadas tienen un momento mucho más alto de inercia que las secciones agrietadas. Por consiguiente, las vigas pretensadas exhiben deflecciones significativamente más pequeñas bajo cargas de servicio. El camber ascendente inducido por prestresing también puede ser diseñado para compensar parcialmente las deflecciones de escaños a largo plazo, lo que resulta en pisos más planos, más útiles y cubiertas de puente.

Mejora de la Durabilidad y la Vida de Servicio más larga

Como el hormigón pretensado sigue sin ser arraigado en condiciones normales de servicio, los tendones de acero están protegidos de agentes agresivos. Además, los materiales de alta calidad utilizados y la cuidadosa grout de conductos (en sistemas post-tensionados) proporcionan protección adicional de la corrosión. Estructuras como el Puente Sutong en China y el Puente de la Confederación en Canadá han demostrado que el hormigón pretensado correctamente puede superar 100 años de vida útil con un mantenimiento mínimo.

Flexibilidad de diseño y Spans más largos

La fijación permite secciones más finas y más ligeras y largas. Esta flexibilidad es esencial para la libertad arquitectónica en los edificios y para reducir el número de muelles en puentes. En las estructuras de estacionamiento y los suelos industriales, los lazos más largos significan menos columnas y más espacio utilizable.

Aplicaciones en Construcción Moderna

El acero de presión es una piedra angular de muchos tipos de estructuras donde el control de grietas y los largos lados son críticos.

Puente de los Girders y Decks

La mayoría de los puentes de mediana y larga capa utilizan el hormigón prestresado. Pre-tensioned precast I-girders y cajas de fijación se levantan rápidamente, y post-tensioning se aplica a menudo a las vigas de empalme o a construir puentes de cántilver equilibrado segmentado. La condición sin grieta asegura que las sales deshidratadas no penetren a los tendones, una causa común de corrosión en puentes.

Edificios de losas y fundaciones

Las laas postensionadas son ampliamente utilizadas en edificios comerciales y residenciales. Estas laas son más finas que losas reforzados convencionales, reduciendo la altura de los edificios y las cargas de fundición. La ausencia de grietas en la placa mejora el aislamiento térmico y el sonido y elimina las fugas de agua en los garajes y terrazas de estacionamiento.

Productos de hormigón prefabricado

Losas, pilas, lazos ferroviarios y postes de utilidad son normalmente pre-tensionados. El proceso de fabricación garantiza una calidad constante, y el producto libre de crack ofrece una durabilidad superior en entornos agresivos, como zonas costeras o plantas industriales.

Estructuras y tanques de contención

Los tanques circulares con tendones unidos mantienen el hormigón en compresión, evitando fugas y garantizando la integridad a largo plazo. El mismo principio se aplica a los edificios de contención nuclear, donde la prevención de la grieta es crítica a la seguridad.

Consideraciones de materiales y diseño para un control efectivo de los atracos

Para lograr los beneficios previstos de reducción de crack, los ingenieros deben especificar cuidadosamente los detalles de acero y diseño prestresing de acuerdo con códigos establecidos como ACI 318, EN 1992-1-1 y fib Model Code.

Propiedades de acero y relajación

El acero de presión debe tener una alta resistencia a la tensión (típicamente 1,860 MPa para las cadenas), baja relajación (menos de 2,5% después de 1.000 horas a 20°C), y buena ductilidad. El acero de baja relaje conserva la fuerza de prestreñimiento con el tiempo, evitando la pérdida de compresión que podría permitir el crack.

Protección de la corrosión

Debido a que el acero está bajo tensión constante, incluso un pequeño pozo de corrosión puede causar grieta de corrosión de estrés y falla repentina. Las medidas de protección incluyen recubrimiento epoxi, galvanización o encapsulación en conductos plásticos llenos de grieta cementosa. En entornos altamente corrosivos, hebras de acero inoxidable o protección catódica pueden ser especificados.

Anclaje y Detalle

Las zonas de anclaje deben reforzarse para manejar las altas tensiones locales de la fuerza de atraque. Bursting, espaciado y tensiones divididas pueden causar cracking en los extremos del miembro. El refuerzo espiral adecuado y los escaños encabezados son utilizados comúnmente. Para los sistemas de unión, la grout completo es esencial para evitar los vacíos donde la humedad puede acumularse.

Limites de servicio y cheques de ancho de cuello

Incluso con prestreñimiento, algunas estructuras pueden experimentar tensiones de tensión limitadas bajo cargas de servicio extremas. Los estándares de diseño especifican anchos de grieta permisibles (normalmente 0,2 mm para exposición moderada, 0,1 mm para entornos agresivos).Los ingenieros verifican que el estrés de la tensión en el acero en la grieta está por debajo de la fuerza de rendimiento y que el ancho calculado de grieta cumple con los requisitos.

Efectos térmicos y de retrete

En vertidos masivos o estructuras continuas largas, los cambios de temperatura y la moderación de elementos adyacentes pueden inducir tensiones de tensión que superen la compresión inicial. El refuerzo de acero suave complementario se añade a menudo en estas áreas como una segunda línea de defensa. La acción combinada de prestreñimiento y refuerzo ordinario se conoce como "prestresamiento parcial" y se utiliza en muchos diseños prácticos.

Estudios de casos y rendimiento a largo plazo

Las estructuras de protección del mundo real demuestran la eficacia del acero prestresing en el control de las grietas. Puente de la Bahía de Chesapeake en Maryland, Estados Unidos, utiliza segmentos de hormigón post-tensionado para sus grietas de enfoque; inspecciones después de 40 años muestran una grieta mínima a pesar del tráfico pesado y la exposición marina.

Conclusión

El acero pretensivo no es simplemente un material de refuerzo; es una herramienta activa para gestionar estados de estrés en concreto y prevenir la formación de grietas dañinas. Al imponer una pre-compresión que compensa las cargas de tracción, el acero preestrestre efectivamente mantiene a miembros estructurales concretos en compresión bajo condiciones de servicio normales, reduciendo tanto la ocurrencia como el ancho de grietas. Esto conduce a una mayor durabilidad, mayor vida útil, mantenimiento y mayor flexibilidad de diseño.