El acero pretensivo es una piedra angular de la infraestructura moderna de carreteras y carreteras, permitiendo la construcción de puentes, sobrepesos y pavimentos que son más fuertes, duraderos y más duraderos que las alternativas convencionales. Al introducir tensiones compresivas en miembros concretos antes de que sean sometidos a cargas de servicio, preestableciendo las carreteras de acero contrarresta a las fuerzas tensivas que causan cracking y falla estructural.

Comprensión de acero pretresante

El acero de presión consiste en hilos de acero de alta resistencia, alambres o barras que se tensionan para crear una precarga compresiva en estructuras de hormigón. El principio fundamental es directo: el hormigón es fuerte en la compresión pero débil en la tensión. Pre-compresorando el hormigón, las tensiones de tensión inducidas por las cargas de tráfico y los efectos ambientales son contrabalanceados, reduciendo o eliminando las grietas.

El acero utilizado en la prestreñimiento es significativamente más fuerte que el acero de refuerzo ordinario. Las cadenas de preestrestres típicos tienen una fuerza mínima de tensil de 1860 MPa (270 ksi) y rendimiento alrededor del 90% de la máxima fuerza. La alta resistencia es necesaria porque la fuerza de prestreza inicial debe mantenerse sobre la vida de la estructura, contando pérdidas debido a la reducción elástica, el estribo, la reducción y la relajación.

El aplazamiento puede aplicarse de dos maneras principales: pretensión y postensión. En pre-tensión, los tendones se tensionan antes de colocar el hilo. Una vez que el hormigón alcanza la fuerza suficiente, los tendones se liberan, transfiriendo la fuerza compresiva a través de la unión.

Tipos de acero de presión usado en infraestructura

El acero de sujeción está disponible en varias formas, cada una adaptada a diferentes aplicaciones y métodos de construcción. La elección depende de factores como la fuerza necesaria, la protección de la corrosión, la flexibilidad y el presupuesto.

Strands

Las hebras de siete hilos (ASTM A416) son el tipo más común utilizado en la construcción de carreteras y puentes. Consisten en seis alambres exteriores envueltos helicamente alrededor de un alambre central. Los hilos van de diámetro de 9,53 mm a 15.24 mm (0,375 a 0,6 pulgadas) y proporcionan alta resistencia y buena ductilidad. Las hebras de baja relaje (LR) se prefieren porque minimizan las pérdidas de prees.

Wires

Los cables individuales de alta resistencia (ASTM A421) se utilizan en algunos miembros de hormigón pretensado más antiguos y en cables de estancia para puentes con techo de cable. Los alambres ofrecen flexibilidad en el diseño pero son menos comunes que los hilos para aplicaciones típicas de la carretera.

Bares

Las barras de fijación (ASTM A722) son barras de acero de alta resistencia con hilos en los extremos para anclaje. Se utilizan en aplicaciones post-tensioned donde se necesitan tendones más cortos, como en los abutos de puente, muros de retención y anclas de roca. Los bars proporcionan sencillez en el manejo y pueden ser fácilmente estresados y anclados.

Pre-Tensioning vs. Acero post-Tensioning

Mientras que el acero en sí es similar, la aplicación difiere. Pre-tensioning utiliza tendones largos y rectos que se cortan después de los endurecimientos de hormigón. Acero post-tensión se suministra a menudo en bobinas y se puede curvar para seguir perfiles estructurales. Post-tensioning también permite tendones sin acoplamiento (verde y derramado) que pueden ser reemplazados o detenidos si es necesario.

Propiedades materiales y control de calidad

El acero de sujeción debe cumplir con estándares de calidad estrictos para garantizar el rendimiento a largo plazo.

  • La resistencia a la tensión alta – típicamente 1860 MPa para las cadenas, permitiendo un uso eficiente del acero.
  • Relajación de la tierra – mínima pérdida de estrés con el tiempo bajo tensión constante. El acero de baja relajación tiene pérdidas de relajación de menos de 2,5% después de 1000 horas al 70% final.
  • Ductility] – suficiente elongación (al menos 3,5% para las hebras) para proporcionar advertencia antes del fracaso y acomodar la deformación.
  • Resistente a la fatiga – capacidad para soportar millones de ciclos de carga sin fractura. Los anclajes y perfiles curvados diseñados adecuadamente reducen los rangos de fatiga.
  • Resistencia a la corrupción] – en entornos agresivos se utilizan hilos galvanizados o de revestimiento epoxi, o el acero está protegido por grout de cemento o grasa dentro de la vainadura.

El control de calidad implica pruebas de tracción, pruebas de relajación y controles dimensionales por los estándares ASTM. Para infraestructura crítica, se pueden requerir pruebas complementarias para la incrustación de hidrógeno y la corrosión de estrés. Las inspecciones regulares durante la construcción aseguran que los tendones estén correctamente colocados, protegidos y estresados a la fuerza especificada.

Beneficios de usar acero de presión en carreteras y autopistas

La incorporación del acero prestresing en infraestructura de transporte produce numerosas ventajas técnicas y económicas.

Mayor capacidad de carga y más largas espinas

Los puentes de hormigón pretensados pueden abarcar más de 50 metros sin soportes intermedios, reduciendo el número de muelles y fundaciones. Esto es especialmente valioso sobre las vías fluviales, valles y zonas urbanas congestionadas. La profundidad más efectiva y la reducción de las grietas permiten que la estructura lleve cargas de camiones más pesados con menos deflexión.

Durabilidad mejorada y bloqueo reducido

Manteniendo el hormigón en compresión, prestresing elimina o controla las grietas de tracción que conducen a la entrada de agua, la corrosión y el espaciamiento. El resultado es una estructura con una vida útil de 75 a 100 años o más, que requiere un mantenimiento mínimo. Los pavimentos pretensados muestran menos articulaciones y menor defectuo, proporcionando una calidad de viaje más suave.

Costo-Efectividad sobre el ciclo de vida

Aunque los costos iniciales de material y equipo pueden ser mayores, la reducción de mantenimiento, los intervalos de inspección más largos y la vida útil ampliada a menudo producen un menor costo total de propiedad. Para las carreteras, los cierres de carriles reducidos para reparaciones se traducen en menos congestión y perturbación económica.

Mejor seguridad

Las estructuras pretensadas tienen mayor resistencia a la fatiga y redundancia. En terremotos, los puentes post-tensionados pueden disipar la energía mediante el roce controlado y el re-centrado. Los pavimentos del sofocamiento reducen el desgaste del vehículo y mejoran la eficiencia del combustible.

Sostenibilidad

Es necesario menos material para la misma capacidad de carga – hasta un 30% menos de hormigón y acero en comparación con hormigón armado. Esto reduce las emisiones de carbono y transporte encarnados. La vida más larga significa menos reemplazos, conservando recursos naturales.

Aplicaciones en Construcción de Carreteras y Carreteras

El acero de sujeción se utiliza en una amplia gama de componentes de autopista, desde puentes principales hasta pavimentos cotidianos.

Puentes

Los puentes de hormigón pretresados representan una gran parte de puentes de mediana y larga superficie construidos hoy. Ejemplos típicos incluyen:

  • Prefabricado I-girders y cajas de jergas] – pre-tensionado en fábricas, luego erected lado a lado y post-tensioned transversamente para formar una cubierta.
  • Giradores de cajas segmentales] – pos-tensionados en la erección de la cántilera, permitiendo lapsos de más de 200 metros.
  • puentes de techo] – los cables de estadía consisten en hilos de prestreñimiento (sistemas de múltiples vías) que soportan la cubierta.
  • puentes móviles] – los contrapesos y cubiertas pretensados reducen el peso.

Pavimentos

El pavimento de hormigón armado continuo (CRCP) y el pavimento de hormigón armado conjunto (JPCP) son comunes, pero pavimentos de hormigón armado ofrecen un mejor rendimiento. Prestresando la losa, el espaciamiento conjunto puede aumentarse a 100–200 metros, reduciendo el mantenimiento y mejorando la calidad del viaje.

Retención de muros y abonos

Las anclas de tierra postensionadas restringen las paredes y los abutos de puente, proporcionando estabilidad en suelos pobres. Las atañas pretensadas y las uñas del suelo son alternativas rentables a las fundaciones profundas.

Pases e Intercambios

Las vigas de caja curvadas post-tensioned son comunes en intercambios complejos, permitiendo alineaciones suaves sin soportes intermedios que obstruyan el tráfico debajo.

Barreras de sonido y Barreras

Los paneles prestrechados prefabricados se utilizan para barreras de ruido a lo largo de las carreteras. Su sección transversal y largos lapsos reducen el número de puestos requeridos.

Case Studies

Millau Viaducto, Francia

El viaducto de Millau es uno de los puentes más altos y largos de cable en el mundo. Su cubierta de hormigón es post-tensionada con hilos de 1860 MPa para alcanzar una longitud de 2,46 km con sólo siete muelles. Los cables de estancia multi-extremo consisten de cadenas de siete hilos individualmente desgastadas y resonadas para la protección de la corrosión.

Confederation Bridge, Canada

A 12,9 km del estrecho de Northumberland, el puente de la Confederación utiliza segmentos prefabricados de hormigón pretensado que fueron fundidos en coincidencias y postensionados in situ. El entorno marino duro exigía una protección de la corrosión de alta calidad: las cadenas fueron galvanizadas y los conductos fueron aumentados por presión. El puente tiene una vida de diseño de 100 años.

Puente de Osorreund, Dinamarca–Suecia

El puente Øresund combina un soporte para cable con puentes de aproximación hechos de cajas de hormigón pretensado. El uso de acero preestrestresing de alta resistencia redujo el peso de la cubierta, permitiendo el lazo principal de 490 metros. Los tendones fueron instalados utilizando un sistema de post-tensión que permitió la construcción escenificada sobre el agua.

Pavimento prefabricado de la autopista estadounidense

Varios DOTs estatales han experimentado pavimentos de hormigón prestrezado. Por ejemplo, el Wisconsin DOT construyó una sección de prueba de 250 metros sobre US 45 utilizando paneles pre-tensionados. La vigilancia durante 20 años mostró una mínima grieta y defectuación en comparación con el pavimento conjunto adyacente, demostrando los beneficios a largo plazo.

Consideraciones de diseño

El uso efectivo del acero prestresing requiere un diseño cuidadoso para abordar varios factores críticos.

Tendon Layout

Los tendones deben ser colocados para maximizar la excentricidad a mediados de la primavera (para compensar los momentos positivos) y en soportes (para momentos negativos en los lados continuos). En estructuras post-tensionadas, las curvas de perfil de conducto son de tamaño para evitar pérdidas de fricción que reducen la fuerza de prestreza.

Zonas de anclaje

Las altas tensiones localizadas en el anclaje requieren refuerzo de acero y a menudo refuerzo local especial. El entierro, el espaciado y las tensiones de rodamiento deben ser verificadas por AASHTO o Eurocode provisiones.

Pérdidas de Prestress

Las pérdidas se clasifican como inmediatas (acortamiento elástico, fricción y anclaje) y dependientes del tiempo (agujero, encogimiento y relajación del acero). Los diseñadores deben estimar estas pérdidas con precisión para garantizar que la prestreza efectiva permanezca por encima de un umbral mínimo durante toda la vida útil.

Escalofríos y escabullición

El arroyo concreto bajo prestreza sostenida aumenta la curvatura y las deflecciones. El alcantarillado conduce a un acortamiento adicional. Ambos afectan a la madera a largo plazo y necesitan ser contabilizados en el diseño, especialmente para puentes de larga duración.

Fatiga y comportamiento sismico

El acero resistente es sensible a la fatiga; los rangos de estrés tendones deben ser limitados. En zonas sísmicas, el postensión sin acoplamiento puede permitir el comportamiento autocentrante. Los tendones bonados proporcionan más ductilidad pero pueden fracturarse si la tensión excede la capacidad.

Protección de la corrosión

Para la fijación posterior a la suspensión, la grout de cemento inyectado en el conducto proporciona un entorno altamente alcalino que pasa el acero. Para tendones sin acoplamiento, el acero se recubre con grasa de la corrosión y se encasilla en una vaina de plástico. En ambientes extremos, se utiliza protección adicional como galvanización o revestimiento epoxi.

Protección de la corrosión y Durabilidad

La corrosión del acero prestresing es una preocupación grave porque el alto estrés de la tensión hace que el acero sea susceptible a la inmersión de hidrógeno y a la corrosión de estrés.

  • Sheathing] – conductos de polietileno o polipropileno para post-tensión.
  • Grouting – Gripa de cemento de baja sangre y alta alcalinidad con una relación adecuada de cemento y a veces con admixturas anti-abigarre.
  • Grease] – para tendones sin abonar, grasas con base de litio o calcio con inhibidores de la corrosión.
  • Galvanizing – Las hebras galvanizadas de dip caliente se utilizan en entornos marinos.
  • Recubrimiento de epoxi – El recubrimiento de epoxi de fusión proporciona una barrera contra los cloruros.
  • Protección católica] – los ánodos actuales o sacrificiales impresionados pueden aplicarse en condiciones altamente corrosivas.

El detallar adecuado en el anclaje, como el sellado y el drenaje, evita la acumulación de agua. La inspección y vigilancia regulares, incluyendo emisiones acústicas o radar de captación terrestre, ayudan a detectar problemas potenciales a la temprana edad.

Sostenibilidad y costo de vida

El acero de pretensado contribuye a la infraestructura sostenible reduciendo el consumo de materiales. Un puente de hormigón pretensado típico utiliza 20–30% menos concreto y 30–40% menos de acero que una alternativa de hormigón armado para el mismo lapso. Esto reduce directamente las emisiones de CO2 de la producción de cemento y acero. Además, la larga vida útil y los bajos requisitos de mantenimiento minimizan el uso de recursos durante la vida de la estructura.

Los análisis de costos del ciclo de vida muestran que, si bien los costos iniciales pueden ser mayores en un 10–15%, los costos de inspección, mantenimiento y reparación reducidos suelen dar lugar a economías netas de 20–30% en 75 años.

Conclusión

El acero de pre-estreno es un material esencial para construir infraestructuras de carretera y autopistas duraderas. Su capacidad para mejorar la capacidad de carga, durabilidad y seguridad al reducir el uso material y los costos de ciclo de vida hace que sea una opción preferida para puentes, pavimentos, estructuras de retención, y más. Los avances en calidad de acero, protección de la corrosión y metodologías de diseño continúan expandiendo sus aplicaciones.

Para más lectura sobre el acero prestresing y sus aplicaciones, véase Concreto de prestreza (Wikipedia) y FHWA Structures Research. En AASHTO se dispone de detalles técnicos adicionales en especificaciones y estándares ASTM.