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Concreto presforzado: una técnica con historia

El concreto resiste los esfuerzos de compresión, no así los de tensión; por lo que debe reforzarse en las zonas tensionadas por medio de la adición de acero de refuerzo; es éste el principio fundamental del concreto armado.

Usualmente, en el cálculo no se considera el aporte del concreto en la parte de la sección sometida a esfuerzos de tensión, que es donde se forman grietas o fisuras. Si se quieren estructuras más ligeras e impermeables, deberán lograrse diseños en los que no aparezcan esfuerzos de tensión o en los que éstos sean mínimos. Lo anterior puede ser logrado mediante el empleo de concreto presforzado.
A partir de la segunda mitad del siglo XX, el concreto presforzado cubrió las expectativas de grandes obras de la ingeniería a nivel mundial. Todas las ramas de las estructuras se vieron representadas al punto de volverse muchas veces necesario e imprescindible su empleo, revelándose excelencias de estudios teóricos y experimentales en su práctica. Un ejemplo distintivo lo constituye el puente que cruza el Valle de Kocher (Kochertal), entre las ciudades de Heibronn y Núremberg, (diseño de Way y Freytag), construido entre octubre de 1977 y junio de 1979. El puente atirantado de referencia tiene una longitud de 1,127.70 m, con dos tramos extremos de 80,50 m de luz y siete tramos intermedios de 138.10 m de luz cada uno, constituyendo una viga continua en toda su extensión.
Con una altura máxima de 185 m, constituye el viaducto más alto de Alemania, y uno de los más altos del mundo (Ver Foto 1).

Los orígenes
La idea original del concreto presforzado surgió aproximadamente en 1888 con el concepto de precompresión de Doehring. Según ésta, las placas y las vigas se fabricaban vertiendo el concreto fresco en cofres donde previamente se presforzaban barras de acero. Esta idea desafortunadamente fue abandonada a principios del siglo XX pues al descuidar las calidades de los materiales (concreto y acero), los elementos se comportaban de forma similar a los del concreto armado. No es hasta 1928 que el ingeniero francés Freyssinet retoma el fundamento original del concreto presforzado y justifica la necesidad de su uso a partir del empleo de materiales de alta calidad. Comienza así su desarrollo como parte de la ingeniería estructural. Entre los investigadores más significativos pueden citarse a Freyssinet, Guyón y Dossier (Francia); Mijailov y Gvosdev (Unión Soviética); Magnel (Bélgica) y Leonhardt (Alemania).
Una definición muy difundida del concreto presforzado parte de eliminar los esfuerzos de tensión en el concreto mediante la introducción de esfuerzos artificiales de compresión antes de la aplicación de cargas externas y que, superpuestas con éstas, los esfuerzos de tensión totales permanentes; y para todas las hipótesis consideradas,
queden comprendidas entre los límites que el material puede soportar indefinidamente. En resumen, el presforzado se lleva a cabo tensando acero de alta resistencia para inducir esfuerzos de compresión en la sección de concreto.
Mediante un detallado estudio de repartición de los aceros de presfuerzo en la sección transversal, es posible garantizar que toda la sección se encuentre solicitada a esfuerzos de compresión. Al entrar en servicio el elemento debido a la flexión, tienen lugar en éste, esfuerzos de tensión y compresión que sumados con los esfuerzos resultantes del pretensado aplicado previamente, resultan en un diagrama de esfuerzos; en el que la sección transversal íntegramente trabaja a compresión (Ver Fig. 1).
En general, el concreto presforzado se constituye de los mismos materiales que el armado: concreto y acero. Asimismo, la diferencia fundamental entre ambos radica en que en el concreto armado sólo trabaja a compresión la parte de la sección transversal que se ubica en la zona comprimida; y es el acero de refuerzo el que soporta los esfuerzos de tensión. Por esta razón, el acero de refuerzo en el concreto armado puede considerarse como un “concreto ficticio” de elevada resistencia, concebido desde un principio, para absorber los esfuerzos de tensión que se originan en la sección transversal debido a las diferentes acciones que se pueden generar (Ver Fig. 2).
En el caso del concreto presforzado, la armadura de refuerzo se concibe para crear artificialmente niveles de fuerza o de esfuerzos a fin de que toda la sección transversal se encuentre sometida íntegramente a esfuerzos de compresión; eliminándose o limitándose así los esfuerzos de tensiones; y por ende, la fisuración o agrietamiento asociado.
Las fuerzas compresoras se inducen en la sección de concreto presforzado a través de la aplicación de tensiones (alargamiento) en el acero de refuerzo antes (concreto pretensado) o después de que se endurezca el concreto (concreto postensado). Una vez que el concreto se ha endurecido alrededor de estos refuerzos tensados, se sueltan estos últimos y se acortan, induciéndose así por adherencia, esfuerzos de compresión en toda la superficie que conforma la sección de concreto. En el caso del concreto postensado, la adherencia se garantiza por medio de la inyección, por lo general, de materiales cementicios en el interior del conducto, por donde se hace circular el acero de refuerzo una vez que el concreto ha quedado suficientemente endurecido. Especial importancia en la inducción de esfuerzo de compresión por adherencia, tiene la estimación de la resistencia del concreto a la compresión al momento de la transferencia, pues se debe garantizar que el concreto absorba por sí solo los grandes esfuerzos de compresión concentrados que se generan alrededor de los aceros de refuerzo (presfuerzo).
Fue Freyssinet quien reveló las directrices a seguir para su empleo en la construcción y aclaró el comportamiento
plástico del concreto bajo la acción del presforzado. Igualmente recomendó el uso de concretos de buena calidad
(altos niveles en la resistencia a la compresión y en el módulo de elasticidad) y aceros de elevado límite elástico.
Si se compara un elemento de concreto armado con otro de concreto presforzado, las ventajas de este último son muy evidentes. Entre las ventajas más importantes se pueden citar las siguientes:
1. Es recomendable su uso en estructuras impermeables o en aquellas expuestas a agentes agresivos; hecho que tiene lugar por eliminarse las fisuras estando los elementos sometidos a esfuerzos de compresión bajo todas las hipótesis de cargas.
2. La escasa o nula fisuración posibilita que la sección del elemento trabaje íntegramente. Por consiguiente toda ella se considera útil o efectiva.
3. La sección se desempeña en el rango elástico; lo que de alguna manera redunda en una mayor flexibilidad en el elemento, al limitarse los efectos de fluencia y retracción.
4. Posibilita ahorro de acero al utilizar totalmente la armadura hasta cerca de su límite elástico (aceros de elevado límite elástico) y, como consecuencia: una reducción en la cuantía de acero de refuerzo.
5. Se consiguen reducciones considerables de las dimensiones de las secciones de los elementos, y por tanto: aligeramiento de la estructura, lo que a su vez redunda en una reducción de la masa dinámica y por tanto de los niveles en los esfuerzos de diseño.
6. El uso de concreto presforzado permite que los elementos cubran grandes claros con pequeños niveles de peralte, lo que trae como consecuencia una reducción en el consumo de materiales.
7. Al limitarse los niveles de fisuramiento se eleva la durabilidad de la construcción.
Asimismo, el concreto presforzado tiene algunas desventajas respecto al concreto armado, aunque es importante referir que en general no minoran su importancia y extendido uso en la construcción. Entre las desventajas están que para su fabricación se requieren equipos e instalaciones especiales; que se necesitan materiales (acero y concreto) de altas prestaciones, lo que infiere por este concepto elevados costos; que se requiere personal calificado en el proceso de construcción y montaje; que es necesaria la consideración de elevados procesos de control de calidad, tanto en el proceso de producción como en el de la puesta en obra, y que por lo general se requiere el desarrollo de sofisticados proyectos de ingeniería, en los que se especifiquen a detalle estrictos procesos constructivos.

 

 

 

 

 

 

 

 

Estas desventajas están vinculadas con la economía no sólo en su tecnología de fabricación; sino también en la concepción de sus instalaciones; fundamentalmente si se trata de obras pequeñas y de mediana importancia. Son numerosas las aplicaciones del concreto presforzado, no sólo en edificios, sino también en grandes e importantes obras de ingeniería en general. El concreto presforzado se ha empleado fundamentalmente en la construcción de: trabes (AASHTO, cajón), viguetas (alma libre o alma llena para el sistema de piso de vigueta y bovedilla), losas de entrepiso (alveolar, T y doble T), tuberías de alta presión, durmientes para ferrocarril, pisos industriales y pistas para aeropuertos, depósitos, postes para la conducción de energía eléctrica, pilotes, entre otros; para los que se han generado gran variedad de secciones típicas (Ver Fig. 3).
En el caso de los pilotes presforzados, sobradas ventajas garantizan su difundido uso frente a los del concreto armado. Resistencia, durabilidad y economía los caracterizan, y fundamentalmente en obras marítimas sustituyen provechosamente a los de otros materiales; estando sometidos a grandes impactos y a la acción corrosiva del medio. Se hace notar que desde que se experimentó la técnica del concreto presforzado por primera vez, ésta se ha desarrollado ampliamente; siendo cada día más numerosas sus aplicaciones. En un inicio se construían sólo elementos presforzados de tamaño mediano; pero hoy sus usos se amplían a obras de gran importancia y dimensiones como es el caso de hangares, estructuras de cubiertas laminares, puentes, grandes depósitos, entre otros.
La propiedad del concreto presforzado de eliminar la posibilidad de formación de fisuras, le hace apto para la construcción de estructuras que requieren una total estanqueidad; tal y como sucede con las tuberías de conducción de agua. Igualmente numerosos estudios han arrojado resultados satisfactorios referidos al comportamiento del concreto presforzado bajo la acción de altas temperaturas.
El concreto presforzado puede clasificarse de diversas maneras, de acuerdo a:
1. Ubicación del acero de preesfuerzo en la sección transversal (interior y exterior).
2. Grado de pretensado (total o parcial).
3. Momento con que se aplica el presfuerzo (pretensado o postensado).
4. Condiciones de adherencia entre el concreto y el acero (adherente y no adherente)
5. Posición del refuerzo en la sección, tomando en consideración la resultante de todas las fuerzas y el centroide de la sección de transversal (centrado y excéntrico).
De igual manera, deben vigilarse los materiales componentes del concreto presforzado. A continuación se exponen algunas generalidades de éstos.

Concreto
En cuanto al concreto, como ya se dijo, se requieren aquellos con altas resistencias siempre logrando que la retracción y la fluencia sean las menores posibles, pues ambas propiedades disminuyen con el tiempo la fuerza inicial de pretensado. Es importante por consiguiente su resistencia, granulometría, naturaleza de los agregados, relación agua/cemento y métodos de compactación y vibrado. Al aprovecharse íntegramente toda la sección, se hace necesario contar con hormigones de elevada resistencia mecánica. Como ya se expresó, la retracción resulta un fenómeno peligroso y conviene reducirlo al máximo. Además del estado higrométrico del ambiente, este fenómeno puede verse incrementado con el empleo de altas dosificaciones de cemento, gran cantidad de agua, arenas muy absorbentes y elevado porcentaje de finos. Del mismo modo se cuidará la fluencia, la cual depende de los mismos factores que la retracción, y sumado a ellos: la edad del hormigón a partir de la actuación de la carga y el intervalo de tiempo durante el cuál actúa la carga.

Acero
Referido al acero utilizado en el concreto pretensado, ya se ha expuesto la necesidad de que sea portador de alta resistencia y elevado límite elástico. Las fuerzas de preesfuerzo son ejercidas por medio de alambres, barras, cordones, torones o cables de alta resistencia. c

Ingrid N. Vidaud Quintana

 

 

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