Ejecucion de estructuras de hormigon pretensado. Conceptos teoricos.

Se entiende por hormigón pretensado aquel en el que la estructura resulta solicitada antes que actúen las acciones exteriores sobre ella. El estado de solicitación previo suele introducirse mediante armaduras activas (alambres, barras o cordones) que se tesan previamente a la entrada de las cargas, lo que conducen a dos soluciones habituales:
Hormigón pretensado con armaduras pretesas: utilizado en prefabricación, en el que las armaduras se tesan antes del hormigonado de las piezas y se anclan en unos “estribos” o “macizos” que transmiten temporalmente las cargas al suelo. Posteriormente, se hormigonan las piezas y cuando el hormigón ha adquirido una resistencia determinada [generalmente >25-30 N/mm2], las armaduras se cortan y se anclan por adherencia al hormigón de las piezas. El trazado de las armaduras suele ser recto y en piezas importantes se enfundan algunas de las armaduras en zonas próximas a los extremos de las piezas para anular su adherencia con el hormigón y hacer frente de forma más eficaz a las solicitaciones producidas por las cargas exteriores.
Hormigón pretensado con armaduras postesas: utilizado principalmente en piezas hormigonadas “in situ” o en grandes piezas prefabricadas. Las armaduras se introducen dentro de unos conductos o vainas. Una vez hormigonada la pieza y cuando el hormigón ha adquirido cierta resistencia [generalmente > 25-30 N/mm2], se tesan las armaduras y se anclan en sus extremos contra las piezas mediante unas placas y cuñas de anclaje.
Posteriormente, se inyectan las vainas con lechada para establecer la adherencia entre las armaduras y el hormigón.
El trazado de las armaduras suele ser curvo siguiendo las zonas que resultarán traccionadas bajo la acción de las cargas exteriores.
2.- MATERIALES.
Hormigones
La necesidad de obtener resistencias elevadas a corto plazo para introducir el pretensado hace que estos hormigones tengan resistencias superiores a 35-40 N/mm2 a 28 días. Hormigones habituales: HP35, HP40, HP45, HP50
Armaduras pasivas
Iguales a las utilizadas en hormigón armado: B400 S, B400SD, B 500 S y B500 SD
Armaduras activas
§   Alambre: producto de sección maciza, liso o grafilado, que se suministra en rollos.
§   Barra: producto de sección maciza que se suministra en forma de elementos rectilíneos.
§   Cordón: formado por alambres enrollados helicoidalmente (2, 3 ó 7 alambres)
Habitualmente, en HP con armaduras pretesas (elementos prefabricados) para edificación se emplean alambres como armadura activa de características indicadas en la tabla adjunta, con diámetro nominal de 3, 4, 5, 6 y 7 mm y con un límite elástico fpk comprendido entre 0.85 y 0.95 de la carga unitaria máxima fp,máx.

El módulo de deformación longitudinal de los alambres es Ep = 200.000 N/mm2.
3. BASES DE CÁLCULO (HP con armaduras pretesas)
En líneas generales, las bases de cálculo coinciden con las mencionadas para el hormigón armado, resumidas en el Documento BC2.
Los recubrimientos mínimos de las armaduras pueden reducirse si la resistencia del hormigón fck ≥ 40 N/mm2 (EHE-08, art.37; Documento BC2, apartado 4).
Los valores de los coeficientes de seguridad del pretensado son (Documento BC2, apartado 2):
·         Estados Límites de Servicio: γp = 0.95 o 1.05, según resulte más desfavorable, a los efectos de evaluar el efecto de la acción del pretensado. (EHE-08, Tabla 12.2).
·         Estados Límites Últimos: γs = 1.15 para evaluar la capacidad resistente última de la armadura activa (EHE- 08, tabla 15.3)
La fuerza del pretensado (art.20.2) se obtiene mediante el producto del área de armaduras activas por la tensión de las mismas. La tensión inicial σp0 debe ser inferior al 75% de la carga unitaria máxima fp máx, k y al 90% del límite elástico fpk.
Esta tensión disminuye con el tiempo debido a:
– Pérdidas instantáneas: debidas al acortamiento elástico del hormigón,…
– Pérdidas diferidas: debidas a la fluencia y retracción del hormigón y a la relajación del acero
A título orientativo y a falta de datos más precisos, se indica que el orden de magnitud de las pérdidas instantáneas es del 5-10% y el de las diferidas del 20-25%, lo que conlleva una pérdidas totales del orden de 20-35%. Estas pérdidas explican que el hormigón pretensado solo fue posible cuando se pudo fabricar acero de alto límite elástico, que a largo plazo permitiera mantener una tensión significativa (65-80% de la inicial)
Fuerza de pretensado
Limitación de la fuerza
En general, la fuerza de tesado P0 ha de proporcionar sobre las armaduras activas una tensión p0 no mayor, en cualquier punto, que el menor de los dos valores siguientes:



Siempre que, al anclar las armaduras en el hormigón, se produzca una reducción conveniente de la tensión para que se cumpla la limitación del párrafo anterior.
En el caso de elementos pretensados con armadura pretesa o de elementos postesados en el que el tanto el acero para armaduras activas como el aplicador del pretensado, o en su caso el prefabricador, presenten un nivel de garantía adicional conforme al artículo 81º de la instrucción EHE 08, se acepta un incremento de la tensión hasta el menor de los siguientes valores:
Pérdidas de fuerza por rozamiento
Las pérdidas teóricas de fuerza por rozamiento entre las armaduras y las vainas o conductos de pretensado, dependen de la variación angular total α, del trazado del tendón entre la sección considerada y el anclaje activo que condiciona la tensión en tal sección; de la distancia x entre estas dos secciones; del coeficiente μ de rozamiento en curva y del coeficiente K de rozamiento en recta, o rozamiento parásito. Estas pérdidas se valorarán a partir de la fuerza de tesado P0.
Las pérdidas por rozamiento en cada sección pueden evaluarse mediante la expresión:
Sistemas de pretensado
En el caso de armaduras activas postesadas, sólo podrán utilizarse los sistemas de pretensado que cumplan los requisitos establecidos en el documento de idoneidad técnica europeo, elaborado específicamente para cada sistema por un organismo autorizado en el ámbito de la Directiva 89/106/CEE y de conformidad con la Guía ETAG 013 elaborada por la European Organisation for Technical Approvals (EOTA).
Todos los aparatos utilizados en las operaciones de tesado deberán estar adaptados a la función, y por lo tanto:
·   Cada tipo de anclaje requiere utilizar un equipo de tesado, en general se utilizará el recomendado por el suministrador del sistema.
·    Los equipos de tesado deberán encontrarse en buen estado con objeto de que su funcionamiento sea correcto, proporcionen un tesado continuo, mantengan la presión sin pérdidas y no ofrezcan peligro alguno.
·    Los aparatos de medida incorporados al equipo de tesado, permitirán efectuar las correspondientes lecturas con una precisión del 2%. Deberán contrastarse cuando vayan a empezar a utilizarse y, posteriormente, cuantas veces sea necesario, con frecuencia mínima anual.
Se debe garantizar la protección contra la corrosión de los componentes del sistema de pretensado, durante su fabricación, transporte y almacenamiento, durante la colocación y sobre todo durante la vida útil de la estructura.
Dispositivos de anclaje y empalme de las armaduras postesas
Características de los anclajes
Los anclajes deben ser capaces de retener eficazmente los tendones, resistir su carga unitaria de rotura y transmitir al hormigón una carga al menos igual a la máxima que el correspondiente tendón pueda proporcionar. Para ello deberán cumplir las siguientes condiciones:
a) El coeficiente de eficacia de un tendón anclado será al menos igual a 0,95, tanto en el caso de tendones adherentes como no adherentes. Además de la eficacia se verificarán los criterios de no reducción de capacidad de la armadura y de ductilidad conforme a la Guía ETAG 013 elaborada por la European Organisation for Technical Approvals (EOTA).
b) El deslizamiento entre anclaje y armadura debe finalizar cuando se alcanza la fuerza máxima de tesado (80% de la carga de rotura del tendón). Para ello: Los sistemas de anclaje por cuñas serán capaces de retener los tendones de tal forma que, una vez finalizada la penetración de cuñas, no se produzcan deslizamientos respecto al anclaje.
Los sistemas de anclaje por adherencia serán capaces de retener los cordones de tal forma que, una vez finalizado el tesado no se produzcan fisuras o plastificaciones anormales o inestables en la zona de anclaje,
a) Para garantizar la resistencia contra las variaciones de tensión, acciones dinámicas y los efectos de la fatiga, el sistema de anclaje deberá resistir 2 millones de ciclos con una variación de tensión de 80 N/mm2 y una tensión máxima equivalente al 65% de la carga unitaria máxima a tracción del tendón. Además, no se admitirán roturas en las zonas de anclaje, ni roturas de más del 5% de la sección de armadura en su longitud libre.
b) Las zonas de anclaje deberán resistir 1,1 veces la carga de rotura del anclaje con el coeficiente de eficacia indicado en el punto a) del presente artículo.
El diseño de las placas y dispositivos de anclaje deberá asegurar la ausencia de puntos de desviación, excentricidad y pérdida de ortogonalidad entre tendón y placa.
Los ensayos necesarios para la comprobación de estas características serán los que figuran en la UNE 41184.
Los elementos que constituyen el anclaje deberán someterse a un control efectivo y riguroso y fabricarse de modo tal, que dentro de un mismo tipo, sistema y tamaño, todas las piezas resulten intercambiables. Además deben ser capaces de absorber, sin menoscabo para su efectividad, las tolerancias dimensionales establecidas para las secciones de las armaduras.
Elementos de empalme
Los elementos de empalme de las armaduras activas deberán cumplir las mismas condiciones exigidas a los anclajes en cuanto a resistencia y eficacia de retención.
Vainas y accesorios
Vainas
En los elementos estructurales con armaduras postesas es necesario disponer conductos adecuados para alojar dichas armaduras. Para ello, lo más frecuente es utilizar vainas que quedan embebidas en el hormigón de la pieza, o se recuperan una vez endurecido éste.
Deben ser resistentes al aplastamiento y al rozamiento de los tendones, permitir una continuidad suave del trazado del conducto, garantizar una correcta estanquidad en toda su longitud, no superar los coeficientes de rozamiento de proyecto durante el tesado, cumplir con las exigencias de adherencia del proyecto y no causar agresión química al tendón.
En ningún caso deberán permitir que penetre en su interior lechada de cemento o mortero durante el hormigonado. Para ello, los empalmes, tanto entre los distintos trozos de vaina como entre ésta y los anclajes, habrán de ser perfectamente estancos.
El diámetro interior de la vaina, habida cuenta del tipo y sección de la armadura que en ella vaya a alojarse, será el adecuado para que pueda efectuarse la inyección de forma correcta.
Tipos de vainas y criterios de selección
Los tipos de vainas mas utilizados son:
·   Vainas obtenidas con flejes metálicos corrugados enrollados helicoidalmente. Se presentan en forma de tubos metálicos con resaltos o corrugaciones en su superficie para favorecer su adherencia al hormigón y a la lechada de inyección y aumentar su rigidez transversal y su flexibilidad longitudinal. Deberán presentar resistencia suficiente al aplastamiento para que no se deformen o abollen durante su manejo en obra, bajo el peso del hormigón fresco, la acción de golpes accidentales, etc. Asimismo deberán soportar el contacto con los vibradores interiores, sin riesgo de perforación. El espesor mínimo del fleje es 0,3 mm. Cumplirán lo estipulado en las normas UNE EN 523 y UNE EN 524. Son las más frecuentemente utilizadas en pretensado interior para soportar presiones normales, para trazados con radios de curvatura superiores a 100 veces su diámetro interior. En elementos estructurales de pequeño espesor (losas o forjados pretensados) este tipo de vainas se pueden utilizar con sección ovalada para adaptarse mejor al espacio disponible.
·   Vainas de fleje corrugado de plástico. Las características morfológicas son similares a las anteriores, con espesores mínimos de 1 mm. Las piezas y accesorios de material plástico deberán estar libres de cloruros (véase 37.3). En el caso de pretensado interior, cuando se desea conseguir un aislamiento eléctrico para los tendones, bajo presiones y con radios de curvatura similares a las de fleje metálico, pueden emplearse:
o   Tubos metálicos rígidos. Con un espesor mínimo de 2 mm, presentan características resistentes muy superiores a las vainas constituidas por fleje enrollado helicoidal y se utilizan tanto en pretensado interior como exterior. Debe tenerse en cuenta, en pretensado interior, la escasa adherencia del tubo liso con el hormigón y con la lechada. Admiten, por sí solas, presiones interiores superiores a 1 bar, en función de su espesor y por lo tanto son recomendadas para conseguir estanquidad total en estructuras con alturas de inyección considerables. También son apropiadas para trazados con radios de curvatura inferiores a 100 Φ (Φ = diámetro interior del tubo). Son doblados con medios mecánicos apropiados, pudiendo llegarse hasta radios mínimos en el entorno de 20 Φ siempre que se cumpla:
a) La tensión en el tendón en la zona curva no excede el 70% de la de rotura.
b) La suma del desvío angular a lo largo del tendón no excede de 3π/2 radianes, o se considera la zona de desvío (radio mínimo) como punto de anclaje pasivo, realizándose el tesado desde ambos extremos.
·   Tubos de polietileno de alta densidad. Deben tener el espesor necesario para resistir una presión nominal interior de 0,63 N/mm2 en tubos de baja presión, en PE80, y de 1 N/mm2 para tubos de alta presión en PE80 ó PE100. Se suelen utilizar para la protección de los tendones en pretensado exterior.
·   Tubos de goma hinchables. Deben tener la resistencia adecuada a su función y se recuperan una vez endurecido el hormigón. Para extraerlos, se desinflan y se sacan de la pieza o estructura tirando por un extremo. Pueden utilizarse incluso para elementos de gran longitud con tendones de trazado recto, poligonal o curvo. Salvo demostración contraria, no se recomienda este tipo de dispositivo como vaina de protección, ya que desaparece la función pantalla contra la corrosión. Está recomendada en elementos prefabricados con juntas conjugadas, estando en este caso el tubo de goma insertado dentro de las propias vainas de fleje metálico, durante el hormigonado, con el fin de garantizar la continuidad del trazado del tendón en las juntas, evitando puntos de inflexión o pequeños desplazamientos.
Accesorios
Los accesorios auxiliares de inyección más utilizados son:
·    Tubo de purga o purgador: Pequeño segmento de tubo que comunica los conductos de pretensado con el exterior y que se coloca, generalmente, en los puntos altos y bajos de su trazado para facilitar la evacuación del aire y del agua del interior de dichos conductos y para seguir paso a paso el avance de la inyección. También se llama respiradero.
·    Boquilla de inyección: Pieza que sirve para introducir el producto de inyección en los conductos en los que se alojan las armaduras activas. Para la implantación de las boquillas de inyección y tubos de purga se recurre al empleo de piezas especiales en T.
·    Separador: Pieza generalmente metálica o de plástico que, en algunos casos, se emplea para distribuir uniformemente dentro de las vainas las distintas armaduras constituyentes del tendón.
·    Trompeta de empalme: Es una pieza, de forma generalmente troncocónica, que enlaza la placa de reparto con la vaina. En algunos sistemas de pretensado la trompeta está integrada en la placa de reparto.
·    Tubo matriz: Tubo, generalmente de polietileno, de diámetro exterior algo inferior al interior de la vaina, que se dispone para asegurar la suavidad del trazado.
·    Todos estos dispositivos deben estar correctamente diseñados y elaborados para permitir el correcto sellado de los mismos y garantizar la estanquidad bajo la presión nominal de inyección con el debido coeficiente de seguridad. A falta de especificación concreta del proveedor, estos accesorios deben resistir una presión nominal de 2 N/mm2.
Productos de inyección
Con el fin de asegurar la protección de las armaduras activas contra la corrosión, en el caso de tendones alojados en conductos o vainas dispuestas en el interior de las piezas, deberá procederse al relleno de tales conductos o vainas, utilizando un producto de inyección adecuado.
Los productos de inyección pueden ser adherentes o no, debiendo cumplir, en cada caso, las condiciones que se indican en 35.4.2 y 35.4.3.
Los productos de inyección estarán exentos de sustancias tales como cloruros, sulfuros, nitratos, etc., que supongan un peligro para las armaduras, el propio material de inyección o el hormigón de la pieza.
Productos de inyección adherentes
En general, estos productos estarán constituidos por lechadas o morteros de cemento conformes con 35.4.2.2, cuyos componentes deberán cumplir lo especificado en 35.4.2.1, Podrán emplearse otros materiales como productos de inyección adherentes, siempre que cumplan los requisitos de 35.4.2.2. y se compruebe que no afectan negativamente a la pasividad del acero.
Materiales componentes
Los componentes de las lechadas y morteros de inyección deberán cumplir lo especificado en los Artículos 26, 27, 28 y 29 de esta Instrucción. Además, deberán cumplir los requisitos que se mencionan a continuación, donde los componentes se expresan en masa con la excepción del agua que se puede expresar en masa o volumen. La precisión de la mezcla debe de ser de ± 2% para el cemento y los aditivos y ± 1% para el agua.
Cemento: El cemento será Portland, del tipo CEM I. Para poder utilizar otros tipos de cementos será precisa una justificación especial.
Agua: No debe contener más de 300 mg/l de ión cloruro ni más de 200 mg/l de ión sulfato.
Áridos: Cuando se utilicen áridos para la preparación del material de inyección, deberán estar constituido por granos silíceos o calcáreos, exentos de iones ácidos y de partículas laminares tales como la de mica o pizarra.
Aditivos: No pueden contener sustancias peligrosas para el acero de pretensado, especialmente tiocianatos, nitratos, formiatos y sulfuros y deben además cumplir los siguientes requisitos:
contenido < 0,1%
Cl- < 1 g/l de aditivo líquido
El pH debe estar entre los límites definidos por el fabricante
El extracto seco debe estar en un ± 5% del definido por el fabricante.
Requisitos de los productos de inyección.
Las lechadas y morteros de inyección deben cumplir:
el contenido en iones cloruro (Cl-) no será superior a 0.1% de la masa de cemento,
el contenido en iones sulfato (SO3) no será superior a 3.5 % de la masa de cemento,
el contenido en ion sulfuro (S2-) no será superior a 0.01% de la masa de cemento,
Además, las lechadas y morteros de inyección deben tener las siguientes propiedades determinadas mediante UNE-EN 445.
La fluidez medida mediante el método del cono de Marsh, de 100 mm de diámetro, deberá ser menor que 25 s en el rango de temperaturas especificado por el fabricante, tanto inmediatamente después del amasado como 30 minutos después o hasta terminar la inyección o el tiempo definido por el fabricante o prescrito por el proyectista. En el caso de
lechadas tixotrópicas su fluidez se debe medir con un viscosímetro y debe esta comprendida entre 120 g/cm2 y 200 g/cm2.
La cantidad de agua exudada después de 3 h debe ser menor que el 2% en el ensayo del tubo de exudado en el rango de temperaturas definido por el fabricante.
La reducción de volumen no excederá del 1%, y la expansión volumétrica eventual ser inferior al 5%. Para las lechadas fabricadas con agentes expansivos, no se admite ninguna reducción de volumen.
La relación agua/cemento deberá ser menor o igual que 0,44.
La resistencia a compresión debe ser mayor o igual que 30 N/mm² a los 28 días.
El fraguado no debe empezar antes de las 3 h en el rango de temperaturas definida por el fabricante. El final del fraguado no debe exceder de las 24 h.
La absorción capilar a los 28 días debe ser menor que 1g/cm2.
Corrosión de las armaduras activas.
En el caso de estructuras pretensadas, se prohíbe el uso de cualquier sustancia que catalice la absorción del hidrógeno por el acero.
Además de la limitación específica del contenido de iones cloruro para cada uno de los materiales componentes, el contenido total de cloruros en un hormigón pretensado no deberá superar el 0,2% del peso del cemento.
Se prohíbe la utilización de empalmes o sujeciones con otros metales distintos del acero, así como la protección catódica.
Con carácter general, no se permitirá el uso de aceros protegidos por recubrimientos metálicos. La Dirección Facultativa podrá permitir su uso cuando exista un estudio experimental que avale su comportamiento como adecuado para el caso concreto de cada obra.
Resistencia de cálculo del acero en las armaduras activas
Como resistencia de cálculo del acero en las armaduras activas, se tomará:
siendo fpk el valor del límite elástico característico y γs el coeficiente parcial de seguridad del acero dado en el Artículo 15º.

Fuentes: Intruccion EHE 08.


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