El diseño resistente a la plaga se ha convertido en un requisito crítico para la infraestructura que debe permanecer funcional bajo eventos extremos. Los puentes, instalaciones militares, edificios gubernamentales y plantas industriales enfrentan amenazas potenciales de detonaciones accidentales o ataques deliberados. El acero pretensivo ofrece una combinación única de alta resistencia, ductilidad y resistencia a la fatiga que lo convierte en un refuerzo preferido para tales estructuras.

Comprensión de acero pretresante

El acero de presión se refiere a los tendones de acero de alta resistencia, alambres o barras que se tensionan antes (pretensión) o después (post-tensioning) de la colocación de hormigón. El acero tiene una fuerza de tensión que normalmente va desde 1.860 MPa (270 ksi) para los hilos a más de 2.000 MPa para las barras. Esto es aproximadamente fuerza de cuatro a cinco veces la fuerza de rendimiento de acero de compresión de acero convencional.

Propiedades materiales

El tipo más común de acero prestresing es de siete hilos, compuesto de seis alambres exteriores envueltos helicamente alrededor de un alambre central. Esta configuración proporciona un buen enlace con grout en sistemas de post-tensión enlazados. Las barras de fijación, a menudo enlazadas, se utilizan en aplicaciones que requieren alta fuerza en un espacio limitado, como por ejemplo las juntas de segmento de puente.

Protección de la corrosión

La dureza del acero prestresing bajo cargas de explosión es esencial porque el acero está bajo tensión constante de alta tensión. La corrosión puede conducir a la intrusión de hidrógeno o a la corrosión de estrés, lo que reduce la ductilidad. En sistemas de posttensión unidos, el acero está protegido por la grout cementoso inyectado después de la tensión.

Mecanismos de resistencia a la plaga

Las cargas de la explosión se caracterizan por un rápido aumento de la sobrepresión máxima seguida de una fase de decaimiento, que normalmente dura sólo milisegundos. La eficacia del acero prestrechador en resistir tales cargas dinámicas se deriva de varias ventajas mecánicas interrelacionadas.

Pre-compresión y Control de Cuello

El hormigón es débil en tensión. Bajo una carga de explosión, un haz de hormigón armado convencional puede romperse y perder rigidez rápidamente. La presión coloca el hormigón bajo compresión continua, por lo que el estrés tensivo de la explosión debe superar primero esta pre-compresión antes de que comience el grieta. Esto retrasa el inicio de las grietas flexales y reduce su anchura, preservando la rigidez estructural y evitando la pérdida de acción compuesta entre acero y hormigón.

Mejora de la ductilidad y la absorción de energía

El acero de presión, especialmente el hilo de baja relajación, presenta una alargadura significativa (por lo general 3,5-5 por ciento) antes de la fractura. Esta ductilidad permite a los miembros estructurales someterse a grandes deformaciones bajo carga de explosión sin colapso repentino. El área bajo la curva de tensión-estrén, que representa la absorción de energía, es mucho mayor para el acero de prestreñimiento que para las barras de refuerzo ordinario.

Carga dinámica Redistribución

La fuerza compresiva en un miembro preestablecido ayuda a mantener la resistencia al desformación en niveles altos. En un haz de hormigón armado sin prestreza, las grietas de corte inclinadas pueden desarrollarse rápidamente bajo la explosión, lo que conduce a un fallo frágil. La compresión axial del acero preestablecido activa el interconexión agregado y reduce el estrés principal de la tensión, lo que aumenta la capacidad de la grieta.

Reducidas de la rociación y la fragmentación

El despilfarro de hormigón de la cara de tensión es un modo común de falla en elementos cargados por la explosión. Manteniendo el hormigón en compresión, la prestressing reduce la probabilidad de que se eyecten fragmentos grandes, lo cual es crítico para proteger el personal y el equipo dentro de una instalación. La deformación controlada de los miembros pretensados también limita la propagación de grietas a través de la sección.

Consideraciones de diseño para estructuras prefabricadas resistentes a la plaga

El diseño con acero prestresing para la resistencia a la explosión requiere una integración cuidadosa de métodos de análisis estáticos y dinámicos. Los códigos convencionales proporcionan sólo una orientación limitada, por lo que los diseñadores a menudo dependen de documentos especializados como los Criterios de Instalaciones Unificadas (UFC) 3-340-02 para estructuras protectoras.

Parámetros de carga de la explosión

El primer paso es caracterizar la amenaza: cargar peso (TNT equivalente), distancia de desinteresada y confinamiento. De estos, la historia de presión (sobrepresión y impulso más blando) se computa con curvas empíricas o dinámicas de fluidos computacionales. La respuesta de la estructura depende de la relación de la duración de la explosión al período natural del miembro.

Structural Response and Performance Levels

El diseño resistente a la plaga permite una cierta cantidad de daño, pero debe prevenir el colapso. Los niveles de rendimiento comunes para las estructuras críticas son:

  • Respuesta mínima: No hay deformación permanente visible, los miembros siguen siendo elásticos.
  • Respuesta moderada: Reparación de la estructura de la estructura de la estructura y la deformación plástica limitada.
  • Alta respuesta: Grandes rotaciones de plástico, pero la fuerza residual evita el colapso.

El acero de presión puede acomodar niveles de respuesta moderados a altos si se proporciona suficiente ductilidad. La rotación en soportes es a menudo el factor de limitación: para los miembros pretensados, las rotaciones máximas permitibles son típicamente de 2-4 grados para daño moderado y hasta 6 grados para daños altos, dependiendo de la relación de refuerzo y confinamiento.

Detalle de Tendons de Prestancia

La colocación y anclaje de acero prestresing son críticos. Los tendones deben ser dispuestos a producir una precompresión uniforme en toda la sección. En sistemas unidos, la grout debe tener una fuerza y un flujo adecuados para encapsular completamente el acero. Los tendones sin refuerzo ofrecen la ventaja de la concentración de cepa reducida en los lugares de grieta, pero requieren fuertes anclajes finales que pueden resistir fuerzas de tensión durante el alar.

Técnicas de Debonding

En algunos diseños extremos, una parte de la cadena prestresing se desbloquea del hormigón (por ejemplo, envolviendo la cadena con una manga plástica) para permitir una mayor capacidad de deformación. Esta técnica se ha utilizado en columnas de puente para mejorar el rendimiento sísmico y se está adaptando para la explosión. Debonding cambia la región de bisagra de plástico lejos de la articulación, reduciendo las demandas de tensión en el tendón y evitando fractura prematura.

Combinación con Reforzamiento Pasivo

El acero de sujeción por sí solo no puede proporcionar una redundancia suficiente. Un elemento resistente a la explosión bien diseñado incluye generalmente refuerzos de acero suave (tantos, estribos y barras longitudinales) para proporcionar confinamiento y resistencia al derrame. Por ejemplo, en una placa de hormigón pretensado, escaños de corte muy estrechos o refuerzo de confinamiento puede evitar que la zona de trituración de hormigón despale y mantenga la estabilidad del bloque de compresión.

Aplicaciones y estudios de casos

Las estructuras resistentes a la explosión de hormigón prevalorado se han utilizado durante décadas en aplicaciones comerciales de defensa, nucleares y de alta seguridad.

Grupos de los militares y centros de mando

El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de Estados Unidos especifica el hormigón pretensado para muchas instalaciones endurecidas. Un ejemplo es el centro de mando subterráneo de la montaña Cheyenne, que se construye con paredes de hormigón fuertemente reforzadas y pretensadas para soportar una detonación nuclear casi infalible. La prestreza mantiene las paredes en compresión incluso después de que la onda de explosión viaja a través de roca, evitando las grietas de tensión que podrían comprometer la protección contra la radiación.

Edificios y Embajadas del Gobierno

Tras los ataques contra instalaciones diplomáticas, la Oficina de Operaciones de Edificios de Ultramar requiere que todos los nuevos edificios de embajada en lugares de alto riesgo se construyan con marcos y pisos de hormigón preestablecidos resistentes a explosiones. El uso de la postensión permite largos períodos de tiempo, reduciendo el número de columnas y mejorando la flexibilidad arquitectónica al cumplir criterios de explosión estrictos. Estos edificios están diseñados para moderar el nivel de daños en un umbral de bombas de vehículos especificado.

Infraestructura puente

Aunque los puentes no están diseñados principalmente para cargas de explosión, puentes militares estratégicos y nodos clave de transporte pueden requerir endurecimiento de la explosión. Los puentes de empuñadura de caja de hormigón postensionado, como el puente Woodrow Wilson cerca de Washington, D.C., incluyen tendones de prestrecha redundante y refuerzo de la cizallería robusta para mejorar la resistencia contra explosiones accidentales.

Retrofit of Existing Structures

La postensión sin acoplamiento es un método eficaz para mejorar las columnas y vigas de hormigón armado existentes para la resistencia a la explosión. La adición de tendones externos unidos a los lados aumenta la capacidad de compresión y flexión axial sin alterar significativamente la geometría original. Este enfoque se utilizó en la retrofit de los anexos de la embajada de Estados Unidos en El Cairo y Nairobi después de los bombardeos de 1998.

Desafíos y limitaciones

A pesar de sus ventajas, el acero prestresing presenta desafíos únicos en el diseño de la explosión.

Riesgos de la ruptura del tendón de la botella

Bajo tasas de tensión muy altas (tasas de tren superiores a 10-1] s]-1]), el acero preestablecido puede mostrar menor ductilidad. Investigación en el Centro de Investigación y Desarrollo de Ingeniería del Ejército de los Estados Unidos muestra que mientras el límite de preestrestrecha mantiene la mayor parte de su capacidad de alargamiento, la sensibilidad de rendimiento aumenta ligeramente (la)

Anclaje Integridad

En sistemas de unión, la interfaz de ruido puede fallar bajo un alto estrés de tensión, lo que conduce a la pérdida de bonos y la liberación repentina de prestreza. Por esta razón, los tendones de unión son a menudo desbloqueados cerca de los soportes o complementados con anclajes mecánicos. Los sistemas sin acoplamiento dependen de anclajes finales que deben diseñarse con un factor de seguridad contra la retirada.

Costo y Constructibilidad

Para un edificio típico de gran tamaño, el coste adicional para la post-tensión en comparación con el hormigón armado convencional puede oscilar entre el 10 y el 25 por ciento. En muchos casos, esta prima se compensa con tamaños reducidos de los miembros y pesos de acero más bajos, pero requiere coordinación temprana entre el subcontratista de hormigón y el ingeniero de diseño protector.

Futuros desarrollos en acero prestablecido para la resistencia a la plaga

Los avances en materiales y técnicas de análisis prometen ampliar el papel del acero prestresing en las estructuras de protección.

Pólmero reforzado con fibra de alta resistencia (FRP) Tendons

Los tendones de carbono y aramid FRP ofrecen inmunidad de corrosión y alta resistencia a la tensión, pero su baja ductilidad (menos del 2 por ciento de alargamiento) limita actualmente su uso en el diseño de la explosión. Los sistemas híbridos de preestrestres que combinan acero y cadenas FRP pueden proporcionar un equilibrio de fuerza, ductilidad y durabilidad.

Sistemas de control inteligente

Los sensores incrustados en tendones de prestreñimiento o conductos de grout pueden monitorear los niveles de precarga y detectar daños después de un evento de explosión. Los medidores de tensión fiberopticos y sensores de emisión acústica permiten a los ingenieros evaluar la fuerza residual de una estructura sin pruebas destructivas. Estos sistemas se están incorporando en nuevas instalaciones críticas, como el programa de sustitución para el envejecimiento de edificios federales estadounidenses.

Métodos de diseño refinados

Análisis de elementos finitos no lineales (NLFEA) que explica los efectos de la presión en acero y hormigón se está convirtiendo en estándar para el diseño de la explosión de estructuras pretensadas. Modelos que capturan la desbloqueación del tendón, el ablandamiento de la compresión de hormigón y el fallo del corte permiten predicciones estatales límite más precisas.Los diagramas de la presión-impulse (P-I) desarrollados para paneles de laminadosado están ahora incluidos en la herramienta [-020

Referencias y lectura posterior

  • PCI Industry Handbook. Concreto de Prestresed en Estructuras Protectoras. Precast/Prestressed Concrete Institute. Disponible en Internet.
  • ASCE Technical Council on Blast Resistant Design. Protección más reciente de edificios: avances recientes. American Society of Civil Engineers.
  • Ngo, T., et al. (2019). "La resistencia más alta de losas de hormigón post-tensionado: estudio experimental y numérico." Revista Internacional de Ingeniería de Impactos], 126, 70-85.
  • Departamento de Defensa de los Estados Unidos. UFC 3-340-02: Estructuras para resistir los efectos de las explosiones accidentales (con cambio 1, 2018).

La capacidad de prestreñimiento de acero para comprimir hormigón y absorber energía a través de la deformación dúctil hace que sea una herramienta indispensable para la construcción resistente a la explosión. A medida que los entornos de amenaza evolucionan y avanzan las herramientas de diseño, el hormigón pretensado seguirá apoyando la seguridad de la infraestructura crítica en todo el mundo.