Pavimentos Rígidos con Losas de concreto Postensado

GENERALIDADES

El estudio del comportamiento de los pavimentos rígidos se ha abordado desde varias teorías que plantean el problema de la determinación de los esfuerzos en una losa de concreto de superficie infinita, apoyada sobre un suelo homogéneo y que soporta cargas verticales repartidas sobre un área circular de radio r, o un área elíptica.

Postensado

El postensado consiste en comprimir el hormigón a través de cables de acero de alta resistencia, los que son colocados dentro del hormigón y tensados con una fuerza de diseño al momento en que el hormigón es capaz de distribuir la fuerza del cable.

RESPUESTA DE LOS PAVIMENTOS ANTE LAS CARGAS EXTERNAS

Se entiende que la función del pavimento es esencialmente la de soportar las cargas y acciones mecánicas de los vehículos, y transmitirlas a la capa de terreno donde se apoya, sin que se produzcan deformaciones permanentes en el terreno ni en el pavimento.

Representación del proceso de carga y descarga cíclica sobre las losas

Concentración de esfuerzos en la junta, en sentido longitudinal

CARACTERISTICAS DE LAS LOSAS POSTENSADAS PARA PAVIMENTOS RIGIDOS.

Piezas prefabricadas o coladas en sitio.Se aplica el presfuerzo después del colado.El anclaje requiere de dispositivos mecánicos.La acción del presfuerzo es externa.La trayectoria de los cables puede ser recta o

curva.La pieza permite continuidad en los apoyos

(elemento hiperestático).

Postensado en Pavimentos

Existen varios métodos para construir grandes superficies en concreto basados en el uso de alto contenido de armadura o fibras de refuerzo (acero o polipropileno) para limitar la fisuración a valores admisibles por el cliente o por normas

Sistema No Adherente

Se aprecia el recubrimiento de los torones con polietileno y la ausencia de refuerzo convencional

Sistema Adherente

Cables colocados por bandas. Se aprecia un tubo curvo perpen-dicular a la placa, por el cual se aplica la lechada que permitir la adherencia entre cables y concreto.

Diseño de pavimentos rígidos Postensados

El objetivo del diseño de pavimentos, es contar con una estructura sostenible y económica que permita la circulación de los vehículos de una manera cómoda y segura, durante un periodo fijado por las condiciones de desarrollo.

Criterios de Diseño• La fuerza del postensado debe vencer la

fricción de la subrasante• La influencia del coeficiente de fricción en

el diseño de pavimentos postensados puede verse en la fórmula básica (Packard 1973, 1993):

ConsideracionesEfecto térmico. Efecto de fatiga. Secuencia constructivaEspesor. Serviciabilidad (inicial y final). Etc.

Análisis de dos criterios básicos

Comprobar que las tensiones en la cara inferior del pavimento no son suficientes para provocar fisuras tanto en la peor combinación de cargas como por diferencia de temperaturas entre la cara superior e inferior.

Comprobar la capacidad del pavimento de soportar cargas repetitivas

Recomendaciones Especiales

Para la fricción del suelos se recomiendan valores de 1 hasta 0.2 y un valor de 0.3 para doble lamina de polietileno.

Precarga a las 24 horas de colocado el concreto.

Carga final del postensado a los 3 o 4 días

PROCESO DE FABRICACIÓN DE UN

PAVIMENTO POSTENSADO

• PASO 1. Preparación del suelo, mejoramiento de base y sub-base granular, estudiadas de acuerdo con las condiciones locales de cada proyecto.

• PASO 2. Colocación o extendido de láminas de polietileno.

• PASO 3. Instalación de cables a media altura y colocación del refuerzo en acero pasivo.

• PASO 4. Preparación del suelo, mejoramiento de base y sub-base granular, estudiadas de acuerdo con las condiciones locales de cada proyecto.

• PASO 5. Vaciado del concreto y acabado de acuerdo con la terminación deseada :

• a) Fundición continua.• b) Fundición por banda.

Proceso de fundición similar a los sistemas convencionales.Durante la fundición debe evitarse alterar la distribución de los cables.

• Vibrado del concreto, mediante regla vibratoria.

• Detalle de un piso fundido por bandas intercaladas. Las juntas de construcción se cierran en el momento en que los cables son postensados.

• PASO 6. Curado del concreto y/o tratamientos superficiales, de acuerdo con las recomendaciones convencionales en el manejo de concretos.

• PASO 7. El primer tensado debe realizarse a las 24 horas de vaciado (para controlar la fisuración) y el tensado final a los 3 o 4 días. Verificación y aprobación de las elongaciones obtenidas en cada cable de acuerdo al diseño.

PAVIMENTOS RIGIDOS

PRETENSADOS.

GENERALIDADES.• El término pretensado se usa para describir

cualquier método de presforzado en el cual los tendones se tensan antes de colocar el concreto.

• 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 por los gatos.

Detalle de una losa para pavimento pretensado

• 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 forma 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.

Características Pieza prefabricada o colada in situ.

El presfuerzo se aplica antes que las cargas

El anclaje se da por adherencia y por anclaje de los cables a bancos de pretensado previamente diseñados.

La acción del presfuerzo es interna

El acero tiene trayectorias rectas

MATERIALES UTILIZADOS PARA PAVIMENTOS RIGIDOS PRETENSADOS.

ACERO PARA PRETENSADO. Para llevar a cabo lo que acaba de describirse en la práctica real, se requiere un acero de resistencia extremadamente alta. El preesfuerzo es el único método en el que se pueden utilizar de modo eficaz estos tipos de aceros para reforzar un pavimento con estructura de hormigón.

El acero que se usa para pretensar el hormigón se puede dividir en tres clases: torones, hilos y barras. En todos los casos, el acero para pretensado debe tener una resistencia considerablemente más alta que la de las barras estándar para refuerzo del hormigón.

Varilla. Refuerzo de sección entera de diámetro mucho mayor que los alambres de sección lisa o corrugada que se suministra siempre en longitudes recta.

Hilo para Pres-forzado (ASTM A421). Se fabrica por un proceso de estirado en frío. El proceso de estirado reduce el diámetro y aumenta la resistencia a la tensión del hilo. La resistencia del hilo se incrementa por el trabajo en frío de cada estirado; en consecuencia, entre menor sea el diámetro del hilo final, mayor es su resistencia última. Para mejorar las propiedades físicas del hilo, se somete a un tratamiento térmico continuo con un control preciso.

(Los hilos para pretensado, según la ASTM 421, tienen una resistencia máxima a la tensión de 1620 MPa y 1725 MPa.)

Torón para Pres-forzado (ASTM A416). Es un cable formado por varios hilos para presforzado que se han torcido juntos. Los torones para presforzado constituyen la forma más popular del acero para este fin. Casi en todos los casos, los torones que se emplean para pretensar son de siete hilos, en los que seis hilos se tuercen helicoidalmente en torno a un séptimo hilo recto.

El torón de siete hilos está disponible en dos grados según la ASTM 416: grado 250 (resistencia máxima a la tensión de 1725 Mpa,) y grado 270 (resistencia máxima a la tensión de 1860 Mpa).

Barras de alta Resistencia (ASTM 722). Para usarse en el hormigón presforzado postensado, existen barras de acero de aleación, de alta resistencia, en la forma lisa (tipo I) o corrugado (tipo II). Las barras se fabrican a partir de barras redondas de acero de alta aleación laminado en caliente que se tratan térmicamente y, a continuación, se alargan en frío al cargarlas con no menos del 80% de su resistencia última mínima a la tensión. Al alargar en frío se produce una alta resistencia en el punto de fluencia.(Las barras de alta resistencia, según la ASTM 722, tienen una resistencia máxima a la tension de 1035 Mpa).

EQUIPO PARA EL TENSADO. El equipo que se utiliza para el pretensado consta de

tres partes fundamentales: la bomba, el gato y las mangueras de conexión:

La bomba hidráulica para pretensar. La bomba es un compresor hidráulico tradicional que envía líquido a alta presión al gato para generar la fuerza necesaria para el tensado. La presión llega al gato a través de una manguera de alta resistencia. Y la lectura de la presión se lee en un manómetro que se encuentra en la bomba. La medida de la presión manométrica se utiliza sólo como referencia, ya que la fuerza dada al cable se comprueba siempre a través de la elongación.

Tiene que existir una clara correspondencia entre la presión que proporciona la bomba, que se lee en un manómetro ubicado en el panel de control de la bomba, y la fuerza que entrega el gato para esa presión de lectura. Para lograr esa correspondencia se realizan las calibraciones de gatos y bombas.

El Gato Monotorón. Un gato monotorón tal coma su nombre lo indica, es aquel que solo puede tomar un cable o torón para tensarlo.

Modo de funcionamiento. El gato se apoya en el cono hembra y lo comprime

contra la placa de anclaje. Una mordaza en el interior del gato adosada a un embolo, toma el cable.

Al entrar el líquido a presión en la cavidad trasera, empuja el émbolo hacia atras y las mordazas tiran del cable.

AI llegar a la fuerza necesaria, en la cavidad delantera del

gato un émbolo más chico aprisiona la cuña del cono macho contra el cono hembra, liberándose entonces el cable de la mordaza del gato, siendo capturado por el cono macho que queda fuertemente apretado dentro del cono hembra que es el que transmite la fuerza a la placa de anclaje.

Como la fuerza ejercida por el gato sobre el cable queda registrada hasta que este se suelta, el movimiento que se produce en las cuñas al introducirse el cono macho en la hembra no queda registrado y se conoce corno "pérdida por penetración de las cuñas en el anclaje". Esta pérdida se evalúa conociendo la longitud de penetración que usualmente varía entre los 6 y 9 mm en los conos de uso común.

El Gato Multitorón. El gato multitorón toma varios cables de una sola vez por

lo que su estructura es diferente a la del monotorón con los siguientes elementos.

(a) Placa de anclaje de cuñas.(b) Apoyo delantero. (c)Placa de tope. (d)Carcaza central.(e) Placa de tensado de cables.

Los cables pasan por el interior de la carcaza central donde se aloja el émbolo de tensado. Esta carcaza se apoya en la placa de anclaje de los cables mediante el apoyo delantero (b), con posterioridad se coloca la placa de anclaje de cuñas (c) que se mantiene fija en su interior y evita que las cuñas de los cables se muevan de su posición mientras se está halando el cable. La placa de tensado (e) es la que se fija al émbolo y se mueve hacia atrás en el acto del tensado.

DISEÑO DE PAVIMENTOS RIGIDOS DE CONCRETO

PRESFORZADO .

Consideraciones de Diseño.• En la fabricación de elementos presforzados y

parcialmente presforzados, se usará concreto clase l.

• Se permitirá el uso de tendones de presfuerzo no adheridos.

• En elementos de concreto presforzado y parcialmente presforzado deben revisarse los estados límite de falla y los de servicio.

Presfuerzo parcial y presfuerzo total• Se podrá suponer que una sección tiene

presfuerzo total, si su índice de presfuerzo, Ip, está comprendido entre 0.9 y 1.0, incluyendo los valores extremos.

• Si el índice de presfuerzo es menor que 0.9 pero mayor o igual que 0.6, se podrá suponer que la sección tiene presfuerzo parcial.

• Si el índice de presfuerzo es menor que 0.6, se podrá suponer que la sección no tiene presfuerzo.

El índice de presfuerzo se define como la relación siguiente:

Donde MRp y MRr son los momentos resistentes suministrados por el acero presforzado y por el acero ordinario, respectivamente.

Por sencillez, el índice de presfuerzo podrá evaluarse con la expresión siguiente:

Donde:Asp área de acero presforzado;As área de acero ordinario a tensión;fsp esfuerzo en el acero presforzado cuando se alcanza la resistencia a flexión del miembro; yfy esfuerzo de fluencia del acero ordinario.

Estados límite de fallaSe revisarán los estados límite de: Flexión Flexocompresión Fuerza cortante Torsión PandeoEfectos de la fatiga.

Flexión y flexocompresión

La resistencia a flexión o flexocompresión de elementos presforzados y parcialmente presforzados se calculará con base en las condiciones de equilibrio y en las hipótesis generales, tomando en cuenta la deformación inicial del acero debida al presfuerzo.

Esfuerzo en el acero de presfuerzo en elementos a flexión• En elementos total y parcialmente

presforzados, el esfuerzo en el acero de presfuerzo fsp, cuando se alcanza la resistencia, deberá evaluarse como dice la diapositiva anterior, es decir, a partir del equilibrio y las hipótesis generales.

PROCESO DE FABRICACIÓN DE UN

PAVIMENTO PRESFORZADO

• Preparación del suelo, mejoramiento de base y sub-base granular.

Una “Barrera de vapor” es una capa retardante de vapor, es un material que minimizará la transmisión de vapor de agua de la subrasante a las losas de concreto

•Colocación o extendido de láminas de polietilenoLa utilidad de esta lámina es proteger a la base y sub base granular , y hacer de separación para la siguiente capa.

• Instalación de cables a media altura.

• Tensado y anclado de los cables

Gatos: son la parte con la que se realiza

físicamente el tensado.

Permite la incorporación de un contador digital que

fija la carga requerida, asegurando un tesado

preciso.

• Vaciado del concreto y acabado de acuerdo con la terminación deseada (Textura).

• Inyección para la protección definitiva en las juntas.

• Corte de puntas y resanes de anclajes

CONTROLES AL PROCESO DE FABRICACIÓN DE UN ELEMENTO PRETENSADO.Banco de pretensar. Es el principal elemento que interviene en el proceso

de pretensado. Un banco de pretensado es un dispositivo mediante el cual quedan anclados los cables previamente tensados a dos elementos fijos, estos elementos, llamados cabezales, permiten mantener la fuerza hasta que se realice el vaciado del elemento y más tarde se pueda proceder a transferir la fuerza de los cables al hormigón.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS PAVIMENTOS

DE CONCRETO PRESFORZADO.

Ventajas • Se tiene una mejoría del comportamiento bajo la 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

(producción en serie). • Mayor rapidez en la construcción elementos

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

Desventajas

Se requiere transporte y montaje para elementos pretensados. Esto puede ser desfavorable según la distancia a la que se encuentre la obra de la plantaMayor inversión inicialDiseño más complejo y especializado (juntas, conexiones, etc.)Planeación cuidadosa del proceso constructivo, sobre todo en etapas de montaje.Detalles en conexiones, uniones y apoyos