cables – El blog de Víctor Yepes

Los sistemas de pretensado en las estructuras de hormigón

Figura 1. Viga postesada. https://prodac.pe/edificaciones/soluciones-para-la-industria-de-prefabricados/alambre-pretensado/

El pretensado es una técnica que aumenta la capacidad del hormigón para soportar cargas al someterlo previamente a esfuerzos de compresión. Esta técnica crea una resistencia adicional a los esfuerzos de tracción, lo que permite construir estructuras más resistentes y duraderas. Se utiliza ampliamente en la construcción de puentes, vigas, losas y otros elementos sometidos a cargas significativas, tanto en estructuras prefabricadas como en construcciones in situ.

En esencia, el sistema de pretensado consiste en instalar y tensar armaduras activas, como cables, alambres o cordones de acero de alta resistencia, dentro del hormigón antes de que este se someta a las cargas de servicio. Al tensar estas armaduras, se generan fuerzas internas que comprimen el hormigón y contrarrestan las fuerzas externas a las que estará sometido. De esta manera, el hormigón precomprimido es más efectivo para soportar tensiones, lo que previene problemas como las fisuras y mejora la estabilidad de la estructura.

El proceso comienza con la elección de las armaduras activas y el almacenamiento adecuado del acero para protegerlo de la corrosión y la contaminación. A continuación, se colocan y tesan las armaduras, para lo que se utilizan equipos especializados, como enfiladoras, gatos hidráulicos y centrales de presión. Estos equipos permiten tensar las armaduras de forma controlada y precisa, y aseguran que se logren los niveles de tensión adecuados según el diseño estructural.

Los anclajes cumplen una función fundamental, ya que fijan los extremos de las armaduras tensadas al hormigón y aseguran la transmisión de las fuerzas de compresión. Existen dos tipos de anclajes: activos o móviles, que se colocan en el extremo de tensado, y pasivos o fijos, situados en el extremo opuesto. Los empalmes permiten extender los tendones cuando la estructura lo requiere y garantizan la continuidad y la alineación. Por su parte, los conectadores permiten aplicar tensión en puntos intermedios de tendones cerrados o de acceso limitado.

Las vainas son otros componentes esenciales del sistema, ya que alojan los tendones en el hormigón y permiten inyectar adecuadamente materiales adherentes o protectores. Los productos de inyección, como lechadas de cemento para sistemas adherentes, betunes y grasas para sistemas no adherentes, protegen los tendones contra la corrosión y aumentan la adherencia en el caso de los sistemas adherentes. Esto es esencial para garantizar la durabilidad y eficacia del pretensado.

El sistema de pretensado es muy eficiente, pero requiere precisión en su ejecución y un control estricto de la calidad, ya que cualquier fallo en el tensado o en los materiales puede afectar a la integridad estructural del proyecto. Si se implementa adecuadamente, el pretensado permite construir estructuras seguras y resistentes que maximizan las ventajas del hormigón y lo convierten en un material adecuado para una amplia gama de aplicaciones de ingeniería.

Introducción a los sistemas de pretensado

El pretensado es una técnica avanzada de construcción que consiste en aplicar esfuerzos de compresión al hormigón antes de que el elemento estructural soporte su carga de servicio, con el fin de mejorar su resistencia. En este método, se induce una compresión interna en el hormigón, lo que permite que la estructura soporte mejor los esfuerzos de tracción y aumente su capacidad para resistir cargas elevadas y deformaciones excesivas. Este sistema, ampliamente utilizado en proyectos de construcción como puentes, edificios de gran altura, cubiertas y elementos prefabricados, se basa en el uso de armaduras activas, normalmente de acero, que se tensan y anclan en el interior de la estructura para transferir la fuerza de compresión al hormigón.

En este artículo se describen en detalle los distintos elementos y equipos que intervienen en los sistemas de pretensado. Cada componente, desde los tendones y los anclajes hasta las vainas y los equipos de tesado, cumple una función específica en el éxito del sistema de pretensado y en la calidad final de la estructura de hormigón.

1. Armaduras activas: suministro y almacenamiento

Las armaduras activas son el componente principal del sistema de pretensado y están fabricadas principalmente con acero de alta resistencia. Estas armaduras se tensan previamente para introducir esfuerzos de compresión en el hormigón, lo que aumenta su capacidad para soportar tracciones sin agrietarse ni sufrir otras deformaciones no deseadas.

1.1 Tipos de armaduras activas

Alambres: suelen entregarse en rollos y su diámetro de bobinado no debe ser inferior a 250 veces el diámetro del alambre para evitar deformaciones.
Barras: se entregan en tramos rectos, lo que garantiza su resistencia y evita daños durante el transporte.
Cordones: existen cordones de 2, 3 o 7 alambres, que se utilizan según el diseño estructural y los requisitos de carga. Los cordones de 2 o 3 alambres se entregan en rollos con un diámetro mínimo de 600 mm, mientras que los de 7 alambres se suministran en bobinas o carretes de 750 mm de diámetro interior o mayor.

Figura 2. Unidades de anclaje de 3 y 5 cordones en forjado postesado. http://www.freyssinet.es/freyssinet/wfreyssinetsa_sp.nsf/sb/soluciones.construccion..pretensado-(cordones)

1.2 Requerimientos de suministro

Para que las armaduras activas mantengan sus propiedades mecánicas y estén protegidas contra factores externos, deben almacenarse y transportarse siguiendo unas medidas específicas. El acero debe protegerse de la humedad y de la contaminación por polvo, grasas y otros agentes que puedan alterar su comportamiento estructural.

1.3 Almacenamiento de armaduras activas

El almacenamiento de las armaduras es esencial para garantizar su durabilidad y su correcto funcionamiento en la obra. Las principales recomendaciones son las siguientes:

Ventilación adecuada: las armaduras deben almacenarse en locales ventilados, lejos de la humedad del suelo y las paredes.
Clasificación y limpieza: es importante que las armaduras estén libres de grasa, aceite, polvo u otras materias que puedan afectar a su adherencia. También deben clasificarse por tipo y lote.
Inspección de la superficie: antes de ser utilizadas, las armaduras deben inspeccionarse para detectar cualquier deterioro en la superficie, y garantizar que cumplen las condiciones de uso.

2. Sistemas de pretensado: componentes y función de los elementos

Un sistema de pretensado es un conjunto de elementos estructurales y dispositivos especializados diseñados para aplicar y mantener la tensión en las armaduras activas y transmitirla de forma segura y eficiente al hormigón.

2.1 Componentes principales del sistema de pretensado

Los principales elementos del sistema de pretensado son los anclajes, los empalmes, los conectadores y las vainas. Estos componentes cumplen funciones específicas, como asegurar los tendones, extender su longitud o permitir la transmisión uniforme de fuerzas.

Los anclajes son dispositivos esenciales en los sistemas de pretensado, ya que aseguran los tendones y transmiten las fuerzas de tensión al hormigón. Existen dos tipos principales de anclajes: el anclaje activo o móvil, que está situado en el extremo del tendón por donde se aplica la tensión, y el anclaje pasivo o fijo, que está situado en el extremo opuesto del tendón, donde no se aplica tensión. Este tipo de anclaje permite que los cables de acero se tensen según el diseño estructural y soporten las fuerzas aplicadas. El otro tipo de anclaje es el pasivo o fijo, que está situado en el extremo opuesto del tendón, donde no se aplica tensión. Este anclaje asegura la estabilidad del tendón y permite que el esfuerzo de compresión se transmita eficazmente al hormigón. Dentro de estos tipos, destacan varios modelos de anclaje adaptados a diferentes necesidades y geometrías, como los anclajes activos tipo L y los anclajes pasivos tipo S, que se emplean en vigas y elementos lineales. Cada anclaje está diseñado para resistir esfuerzos específicos y asegurar una adecuada transmisión de fuerzas al hormigón.

Los empalmes son elementos que dan continuidad a los tendones cuando estos requieren extensiones adicionales debido al tamaño del proyecto o al método de construcción. Los empalmes se clasifican en: empalme fijo, que mantiene los tendones en posición fija y asegura su continuidad sin movimientos adicionales, y empalme móvil, que permite cierta movilidad a los tendones, facilita el alineado de las armaduras y reduce los esfuerzos durante el tensado. Ambos tipos de empalme son esenciales para estructuras de grandes dimensiones y en casos en que el tendón debe dividirse en varias secciones.
Los conectadores permiten aplicar tensión en puntos intermedios o en elementos cerrados (como tuberías o silos) a los que es difícil acceder por sus extremos. Estos conectadores proporcionan puntos adicionales de anclaje en estructuras grandes o con geometrías complejas y aseguran la transferencia uniforme de las fuerzas.
Figura 3. Selección del tipo de anclaje o conector a utilizar en el hormigón pretensado

2.2 Elementos de aseguramiento y distribución

También existen elementos auxiliares que colaboran en la distribución uniforme de las fuerzas y la fijación de las armaduras activas en el sistema de pretensado:

Cuñas: estas piezas metálicas fijan los extremos de las armaduras activas en las placas de anclaje.
Placas de anclaje: placas perforadas con forma cónica donde se alojan las cuñas, lo que permite sujetar el tendón de manera efectiva.
Placas de reparto: dispositivos situados entre la placa de anclaje y el hormigón que distribuyen las fuerzas en la zona de contacto y evitan sobrecargas.
Trompetas de empalme: estas piezas, troncocónicas o cónicas, enlazan las placas de anclaje con las vainas y facilitan la transferencia de tensión en las armaduras activas.

Figura 4. Placa de anclaje.De Störfix – Fotografía propia, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=296999

3. Vainas y accesorios

Las vainas son conductos de pretensado que albergan los tendones en su interior. Estos conductos pueden estar fabricados de metal, plástico u otros materiales, y son esenciales para proteger y guiar las armaduras postesas en el interior del hormigón, evitando así el contacto directo con este y facilitando el proceso de inyección.

3.1 Vainas metálicas

Las vainas metálicas son las más comunes, especialmente por su resistencia al aplastamiento y su capacidad para soportar el peso del hormigón fresco. Además, la superficie corrugada de las vainas mejora la adherencia con el hormigón y su rigidez estructural. Las características principales de las vainas metálicas son las siguientes:

Resistencia mecánica: deben ser suficientemente robustas para soportar el peso y la presión del hormigón fresco sin deformarse.
Estanqueidad: las vainas deben ser herméticas para evitar la infiltración de agua o lechada de cemento en su interior y mantener las armaduras activas protegidas.
Diámetro adecuado: el diámetro interno de la vaina debe ser el apropiado para permitir una inyección eficaz del producto inyectado y asegurar una cobertura uniforme alrededor de los tendones.

3.2 Otros accesorios en vainas

Separadores: piezas que ayudan a distribuir las armaduras activas dentro de las vainas y aseguran una distancia y una alineación uniformes.
Tubo matriz: tubo flexible, generalmente de polietileno, que se coloca dentro de la vaina para suavizar el trazado y evitar tensiones no deseadas en las armaduras.

3.3 Tubos de purga

Los tubos de purga o respiraderos son pequeñas piezas que se colocan en los puntos altos y bajos del trazado de las vainas. Estos tubos permiten la evacuación del aire y del agua durante el proceso de inyección, lo que asegura que no queden huecos y que el producto inyectado cubra toda el área interna.

4. Equipos para enfilado, tesado e inyección

La tecnología de pretensado requiere equipos especializados que faciliten el enfilado de los tendones, la aplicación de tensión y la inyección de materiales protectores en los conductos. Los equipos esenciales son las enfiladoras, los gatos hidráulicos, las centrales de presión y los equipos auxiliares de manipulación.

Enfiladoras: son máquinas diseñadas para colocar los tendones dentro de las vainas de pretensado mediante un sistema de empuje o estirado, según el diseño de la estructura. Estas máquinas garantizan que los tendones estén correctamente alineados antes de aplicar la tensión.
Gatos hidráulicos: Los gatos son dispositivos hidráulicos que permiten el tesado de los tendones a una fuerza precisa y controlada. Se utilizan en combinación con cuñas para mantener la tensión en los extremos anclados y asegurar que la fuerza de pretensado se transmita de forma uniforme al hormigón.
Centrales de presión: las centrales de presión controlan los gatos hidráulicos mediante válvulas reguladoras y circuitos eléctricos que permiten ajustar la presión aplicada con precisión. Estos sistemas incluyen manómetros o dinamómetros para garantizar que la presión de tesado cumpla con los requisitos especificados en el proyecto.
Equipos auxiliares: Los equipos auxiliares incluyen grúas y otros medios de manipulación que facilitan el posicionamiento de los gatos, las vainas y las armaduras activas. Son especialmente útiles en obras de gran envergadura, donde el peso y el tamaño de los elementos dificultan su instalación manual.

5. Productos de inyección

La inyección de materiales dentro de las vainas es fundamental para proteger las armaduras activas y mejorar la adherencia entre el tendón y el hormigón. Existen dos tipos principales de productos de inyección:

Inyecciones adherentes: consisten en lechadas o morteros de cemento que llenan los conductos de las vainas y mejoran la unión entre el tendón y el hormigón. Algunas características esenciales de estos productos son:

— Uso de cemento Portland CEM-I, que asegura una buena adherencia y resistencia mecánica.
— Aditivos que permiten modificar las propiedades de la lechada para mejorar la protección de las armaduras.
— Relación agua/cemento baja (entre 0,38 y 0,43) para lograr una mayor resistencia a la compresión y una baja porosidad.

Inyecciones no adherentes: los productos de inyección no adherentes, como los betunes, mástiques bituminosos y grasas solubles, protegen las armaduras contra la corrosión sin generar adherencia con el hormigón. Son adecuados para estructuras donde se requiere flexibilidad en los tendones y una menor adherencia al hormigón.

Para aplicar los productos de inyección se utilizan equipos de mezcla e inyección que aseguran la preparación y la distribución uniforme del material dentro de las vainas. Estos equipos deben disponer de sistemas de control de calidad que permitan ajustar la mezcla y supervisar su aplicación durante el proceso de inyección.

Conclusión

Los sistemas de pretensado en hormigón son una solución técnica que aumenta la resistencia y durabilidad de las estructuras. Desde el suministro y almacenamiento de las armaduras activas hasta el tesado y la inyección, cada componente del sistema es crucial para el éxito de la estructura. Estos sistemas no solo aumentan la capacidad del hormigón para resistir esfuerzos de tracción, sino que también contribuyen a reducir el riesgo de deformaciones y a mejorar la calidad estructural general de las obras de ingeniería.

Os dejo algunos vídeos, que espero sean de vuestro interés.

Curso:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Maquinaria y procedimientos de construcción: Problemas resueltos

Os presento el libro que he publicado sobre maquinaria y procedimientos de construcción. Se trata de una completa colección de 300 problemas resueltos, abarcando aspectos relacionados con la maquinaria, medios auxiliares y procedimientos de construcción. Su contenido se enfoca en la mecanización de las obras, costos, disponibilidad, fiabilidad y mantenimiento de equipos, estudio del trabajo, producción de maquinaria, sondeos y perforaciones, técnicas de mejora del terreno, control y abatimiento del nivel freático, movimiento de tierras, equipos de dragado, explosivos y voladuras, excavación de túneles, instalaciones de tratamiento de áridos, compactación de suelos, ejecución de firmes, maquinaria auxiliar como bombas, compresores o ventiladores, cables y equipos de elevación, cimentaciones y vaciados, encofrados y cimbras, fabricación y puesta en obra del hormigón, organización y planificación de obras.

Es un libro, por tanto, muy enfocado a los ámbitos de la ingeniería de la construcción, tanto en el ámbito de la edificación, de la minería o de la ingeniería civil. Además, se incluyen 27 nomogramas originales y 19 apéndices para apoyar tanto a estudiantes de ingeniería o arquitectura, como a profesionales que enfrentan desafíos similares en su práctica diaria en obra o proyecto. La colección se complementa con un listado de referencias bibliográficas que respaldan los aspectos teóricos y prácticos abordados en los problemas. Estos problemas son similares a los tratados durante las clases de resolución de casos prácticos en la asignatura de Procedimientos de Construcción del Grado en Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València (España). Por tanto, el libro resulta adecuado tanto para estudiantes de grado como para cursos de máster relacionados con la ingeniería civil y la edificación.

El libro tiene 562 páginas. Este libro lo podéis conseguir en la propia Universitat Politècnica de València o bien directamente por internet en esta dirección: https://www.lalibreria.upv.es/portalEd/UpvGEStore/products/p_376-7-1

Sobre el autor: Víctor Yepes Piqueras. Doctor Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos. Catedrático de Universidad del Departamento de Ingeniería de la Construcción y Proyectos de Ingeniería Civil de la Universitat Politècnica de València. Número 1 de su promoción, ha desarrollado su vida profesional en empresas constructoras, en el sector público y en el ámbito universitario. Ha sido director académico del Máster Universitario en Ingeniería del Hormigón (acreditado con el sello EUR-ACE®), investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología del Hormigón (ICITECH) y profesor visitante en la Pontificia Universidad Católica de Chile. Imparte docencia en asignaturas de grado y posgrado relacionadas con procedimientos de construcción y gestión de obras, calidad e innovación, modelos predictivos y optimización en la ingeniería. Sus líneas de investigación actuales se centran en la optimización multiobjetivo, la sostenibilidad y el análisis de ciclo de vida de puentes y estructuras de hormigón.

Referencia:

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

A continuación os paso las primeras páginas del libro, con el índice, para hacerse una idea del contenido desarrollado.

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Proceso constructivo de un puente colgante

Figura 1. Gran Puente de Akashi Kaikyō, el puente colgante de mayor vano del mundo. Wikipedia.

El sistema de construcción de puentes colgantes tiene un impacto significativo en su estructura. Las fases principales en la ejecución de un puente colgante pasa por la construcción de las torres y contrapesos, el montaje de los cables principales y la ejecución del tablero.

Lo habitual es que el proceso constructivo comience con la ejecución de los anclajes y las torres. Los anclajes implican trabajos importantes de movimiento de tierras. Las torres o mástiles pueden ser de acero o de hormigón, presentando el desafío de la construcción en altura. En el caso del acero, se emplean técnicas bien desarrolladas de unión, como soldadura y tornillos de alta resistencia. Las torres de acero se montan por módulos prefabricados que se elevan mediante grúas trepadoras ancladas a la propia torre. En el caso del hormigón, se utilizan encofrados trepadores o deslizantes. En cualquier caso, se deben considerar los medios necesarios para elevar cargas de peso considerable a grandes alturas. Las grúas pueden ir creciendo a medida que las torres se elevan, estando ancladas a ellas.

Cuando los cables se anclan externamente, los contrapesos se vuelven indispensables y constituyen un elemento fundamental en la ejecución de la estructura. Los contrapesos requieren una precisa colocación de las piezas metálicas que servirán de anclaje al cable. En el caso de los puentes colgantes autoanclados, los cables principales se anclan al tablero, lo que elimina la necesidad de contrapesos. Por tanto, el tablero se convierte en el primer elemento a construir. Sin embargo, esta configuración conlleva la pérdida de una de las principales ventajas de la construcción de puentes colgantes, que es la capacidad de construir el tablero por etapas, sin importar la ubicación del puente.

Una vez ejecutadas las torres y los anclajes, es necesario proceder al montaje del cable principal, el cual constituye el elemento fundamental de la estructura resistente del puente colgante. El montaje de los cables principales es la fase más compleja, pues implica superar el vano existente entre las dos torres, lo que requiere tenderlo en el vacío. Se comienza lanzando unos cables guía, que son los primeros en abarcar la luz del puente y alcanzar los puntos de anclaje. En la mayoría de los puentes colgantes ubicados en áreas navegables, es posible pasar estos cables iniciales utilizando un remolcador. En la actualidad, este proceso ya no representa un problema gracias al uso de helicópteros e incluso drones.

Figura 2. Montaje de los cables en un puente colgante. https://www.ihi.co.jp/iis/en/technology/airspining/index.html

A partir del cable inicial, se instalan las pasarelas que se emplean para devanar los alambres del cable, ya sea mediante alambres individuales “in situ” (air spinning) o por cordones. Durante esta etapa, el viento representa el desafío más significativo, ya que puede ocasionar grandes desplazamientos laterales en la polea móvil. En algunas ocasiones, esto ha llevado a detener el proceso de montaje del puente, generando retrasos significativos en la construcción. Finalmente, se compacta el cable principal de manera discontinua por bandas de presión o de forma continua mediante recubrimiento de alambre.

En cuanto al montaje del tablero, se suele realizar por voladizos sucesivos, avanzando simétricamente desde una torre hacia el centro del vano y hacia los extremos. También es posible llevar las dovelas a su posición definitiva mediante flotación y elevarlas desde los cables principales con cabrestantes, colgándolas en su ubicación final con las péndolas.

Una vez se han montado los cables principales, adoptando la curva catenaria correspondiente a su propio peso, se procede al montaje del tablero. El proceso de montaje del tablero se suele realizar por voladizos sucesivos, avanzando simétricamente desde una torre hacia el centro del vano y hacia los extremos. Este método requiere el uso de grúas ubicadas sobre el tablero ya construido, capaces de elevar piezas de diferentes tamaños. También es posible llevar las dovelas estancas que se transportan flotando hasta su posición y se elevan elevarlas desde los cables principales con cabrestantes, colgándolas en su ubicación final con las péndolas. Este sistema de montaje resulta más económico que el anterior y, en este caso, la secuencia de montaje se ejecuta desde el centro del vano hacia las torres, de manera simétrica.

Os dejo algún vídeo sobre la construcción de este tipo de puentes. También os recomiendo mi artículo sobre la construcción del puente del Estrecho de Mackinac.

Referencias:

JURADO, C. (2016). Puentes (I). Evolución, tipología, normativa, cálculo. 2ª edición, Madrid.

MANTEROLA, J. (2006). Puentes II. Apuntes para su diseño, cálculo y construcción. Colección Escuelas. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, Madrid.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Pavimentos de hormigón pretensado en carreteras y aeropuertos

Figura 1. Pavimento postesado. VSL Sistemas Especiales de Construcción Argentina S.A.

Con objeto de evitar fisuras en el pavimento, las losas de hormigón se tesan para contrarrestar la tracción provocada por el tráfico, la retracción y los gradientes térmicos. El principio de diseño de un pavimento de hormigón pretensado consiste en comprimir el pavimento mediante el tesado de cables de acero insertos en la losa de hormigón. El tesado puede ser unidireccional o bidireccional, siendo este último aconsejable para pavimentos industriales, en cuyo caso, se recomienda que el nivel de tensión sea similar en ambas direcciones.

De esta manera, el hormigón comprimido permite espesores de losa menores que los pavimentos de hormigón en masa o armado. Además, es posible diseñar grandes áreas sin juntas o con juntas que pasan desapercibidas debido a la compresión que recibe el hormigón. De esta forma, se pueden distanciar las juntas hasta 150 m y se reduce el espesor de la losa en un 50 %, debido a la disminución de tensiones. Para ello, se han ensayado diversos sistemas de pretensado, tanto internos —con cables o alambres (postesado)— como externos —con gatos planos hidráulicos y juntas neumáticas—. Las juntas utilizadas están especialmente diseñadas para adaptarse a cambios máximos de apertura, pero en algunos sistemas los estribos están dispuestos para resistir el empuje horizontal.

Los pavimentos pretensados evitan las grietas de retracción y flexión, eliminando las juntas de contracción y reduciendo su mantenimiento. Además, minimizan el alabeo de las losas, ofrecen un comportamiento elástico cuando se sobrecargan y reducen espesores, a la vez que mejoran la planeidad con el tiempo. Sin embargo, su construcción requiere más cuidado y personal más especializado, además de una mayor supervisión para garantizar la adecuada colocación y tesado de los cables. En caso de que falle una zona, hay que sustituir toda el área construida unitariamente, por lo que resulta poco rentable en superficies pequeñas. La rentabilidad de los pavimentos pretensados requiere una longitud de pavimento superior a los 100 m o cuando los suelos tienen unas características mediocres. Se pueden conseguir pavimentos de 10 000 m² sin juntas.

Los requisitos de la plataforma de apoyo o superficie de subrasante son similares a los de los pavimentos de hormigón convencionales. Sin embargo, dado que los pavimentos postesados son más finos, el sistema es más flexible y se generan mayores esfuerzos verticales en la base. Por lo tanto, la calidad y resistencia de la base es aún más importante en este tipo de pavimentos que en los convencionales. Por esta razón, normalmente se especifica que el módulo de reacción de la base o la constante de balasto no sea inferior a 54 MPa/m.

Generalmente, los cables se postesan y anclan después de que el hormigón haya alcanzado una resistencia suficiente para soportar la fuerza del anclaje. El postesado puede ser adherido o no adherido. A pesar de lo anterior, el diseño de este tipo de pavimentos plantea algunas dificultades relacionadas con la reparación en caso de daños. Además, el diseño de las juntas entre las áreas donde se realiza el postesado no es un asunto trivial. Normalmente, se recomienda que el espaciamiento entre los cables longitudinales sea de entre 2 y 4 veces el espesor de la losa y de entre 3 y 6 veces el espesor de la losa para los cables transversales.

Figura 2. Sección de un pavimento de hormigón pretensado

Durante los años 60, varios países europeos desarrollaron técnicas de construcción mediante el pretensado en carreteras. Sin embargo, la geometría de las carreteras provoca más dificultades que ventajas, sobre todo por la dificultad de introducir el pretensado. En España se experimentó en 1963 en el tramo de pruebas de la N-II, pero no se continuó con el uso de esta técnica. Después de unos años de intenso tráfico, se dejó descomprimir y se reforzó con mezclas bituminosas.

Figura 3. Hormigonado de un pavimento postesado. VSL Sistemas Especiales de Construcción Argentina S.A.

La tecnología del hormigón pretensado se emplea sobre todo en pistas de aeropuertos y zonas industriales, donde se pueden encontrar grandes superficies continuas y casi horizontales, sin curvas en planta ni en alzado, como en las carreteras. Esto permite un menor espesor de la losa y una organización diferente de la conservación. La primera aplicación en un pavimento aeroportuario tuvo lugar en Francia, en la pista de Orly. Sin embargo, esta pista falló después de seis años en servicio debido a la rotura de los aceros pretensados por oxidación. Por otro lado, en el aeropuerto de Schiphol, en Ámsterdam, se construyeron más de 700 000 m² de pavimento pretensado a lo largo de 15 años con excelentes resultados.

Una alternativa viable es la construcción de pavimentos con losas pretensadas prefabricadas. En algunos países, especialmente en regiones con condiciones ambientales adversas, como el norte de la antigua Unión Soviética, se ha adoptado el método de las losas prefabricadas para evitar la complejidad de la colada «in situ» y los posibles errores asociados. De este modo, se logra industrializar el proceso, asegurar la calidad y reducir los plazos de obra. Además, esta técnica permite trabajar en cualquier época del año, incluso en condiciones de bajas temperaturas, donde no es posible utilizar hormigón o mezcla bituminosa debido a su enfriamiento instantáneo.

Figura 4. Losas prefabricadas pretensadas para pavimentos. https://www.concrete.org/portals/0/files/pdf/webinars/ws_2021_Snyder_Precast.pdf

Existen dos tipos de losas prefabricadas: las que tienen un pretensado longitudinal y transversal y las que solo tienen un pretensado longitudinal. Las dimensiones de las primeras pueden alcanzar los 3,50 m x 6,00 o 7,00 m. Para el pretensado se emplea acero de 3 a 5 mm en dos capas cercanas a cada cara. Los cantos resultantes varían de 14 a 22 cm y se requieren entre 2 y 3 MPa de tensión inicial. El tamaño está limitado por el peso para el posterior traslado y colocación. Por otro lado, las losas pretensadas axialmente son más sencillas y tienen menores dimensiones, de 1,75 o 2,00 m x 6,00 o 7,00 m. En este caso, se opta por un acero de diámetro mayor (14 a 16 mm) y un refuerzo transversal con armadura de barras de 5 a 7 mm. Además, los bordes llevan un armado suplementario.

En las losas se dejan abrazaderas para unirlas mediante soldadura in situ. Las juntas se rellenan dos tercios con un mortero pobre de arena y se sellan con un mástico anticarburante. Cada dos o tres juntas se dejan libres para permitir la dilatación, lo cual depende de la gama de temperaturas ambiente. Las bases en este tipo de pavimento son las tradicionales en los pavimentos rígidos, aunque se recomienda tratarlas con cemento. A veces, se extiende una capa de 3 a 6 cm de arena y cemento para asegurar una mejor superficie de apoyo, en función del tipo de base empleado.

Os dejo un artículo sobre pavimentos prefabricados de hormigón.

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Referencias:

CALO, D.; SOUZA, E.; MARCOLINI, E. (2015). Manual de diseño y construcción de pavimentos de hormigón. Instituto del Cemento Portland Argentino (ICPA).

IECA (2012). Firmes de hormigón en carreteras. Guías técnicas. Firmes y explanadas.

KRAEMER, C. (1965) Pavimentos de hormigón normal y pretensado. Experiencia española en el tramo de ensayo. Publicación n.º 18 del Laboratorio de Transporte y Mecánica del Suelo. Centro de Estudios y Experimentación de Obras Públicas (CEDEX). Madrid

KRAEMER, C.; PARDILLO, J.M.; ROCCI, S.; ROMANA, M.G.; SÁNCHEZ, V.; DEL VAL, M.A. (2010). Ingeniería de carreteras II. McGraw-Hill, Madrid.

RECUENCO, E. (2014). Firmes y pavimentos de carreteras y otras infraestructuras. Garceta grupo editorial, Colección Escuelas, Madrid.

Curso:

Curso de fabricación y puesta en obra del hormigón.

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Optimización heurística de un nuevo tipo de cercha pretensada

Acaban de publicarnos un artículo en Materials, revista indexada en el primer cuartil del JCR. En este caso se ha optimizado, mediante un algoritmo de optimización heurística, un nuevo tipo de cercha metálica pretensada. El trabajo se enmarca dentro del proyecto de investigación HYDELIFE que dirijo como investigador principal en la Universitat Politècnica de València. En este caso, se trata de una colaboración entre nuestro grupo de investigación e investigadores de Georgia.

Este artículo presenta nuevos enfoques para el cálculo, el diseño y la optimización de cerchas pretensadas con un elemento de unión. Los sistemas estructurales con grandes luces, como cerchas, vigas, pórticos, etc., están sometidos a un riesgo considerable de pérdida de capacidad de carga debido a los diferentes tipos de cargas utilizadas. Algunos métodos de diseño tradicionales definen los valores del pretensado en el elemento de unión y las fuerzas internas en los elementos de la celosía para evitar esta pérdida de capacidad de carga. Sin embargo, la precisión y los límites de la determinación de las fuerzas no son necesariamente conocidos. Los autores proponen un nuevo tipo de celosía pretensada y algunos nuevos enfoques en el proceso de diseño y cálculo para resolver estos inconvenientes. Los principales objetivos del estudio fueron diseñar una innovadora y nueva forma geométrica de celosía arqueada pretensada, que permite el desarrollo de una fuerza de pretensado de alto valor, para optimizar una nueva celosía para reducir el peso propio, aumentando la capacidad de carga en comparación con sus análogos. Durante el estudio se empleó el recocido simulado. Un nuevo avance en la optimización de la celosía arqueada pretensada sugerido por los autores reduce el peso propio y mejora la capacidad de carga de la celosía entre un 8 y un 17%, dependiendo de la luz.

Abstract:

This paper represents new approaches for calculating, designing, and optimizing prestressed arched trusses with a tie member. Structural systems with long spans, such as trusses, beams, frames, etc., are subjected to a considerable/substantial risk of losing load-carrying capacity because of the different types of loads used. Some traditional design methods define the values of prestressing force in the tie member and internal forces in the truss elements to avoid this load capacity loss. However, the accuracy and limits of the determination of the forces are not necessarily known. The authors offer a new type of prestressed arched truss and some new approaches in the design and calculation process to solve these disadvantages. The study’s main objectives were to design an innovative and new geometric form of prestressed arched truss, which allows the development of high-value prestressing force, to optimize a new truss for reducing self-weight, increasing load-carrying capacity compared to its analogs. The force, stiffness matrix, and simulated annealing methods were used during the study. A new advance to the optimization of prestressed arched truss suggested by the authors reduces the self-weight and improves the load capacity of the truss by 8–17%, depending on the span.

Keywords:

Prestressed truss; stiffness matrix method; tensile element; compressed element; optimization; simulated annealing.

Reference:

PARTSKHALADZE, G.; ALCALÁ, J.; MEDZMARIASHVILI, E.; CHAVLESHVILI, G.; SURGULADZE, B., I.; YEPES, V. (2022). Heuristic Optimization of a New Type Prestressed Arched Truss. Materials, 15(22): 8144. DOI:10.3390/ma15228144

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Cálculo de la duración de un cable de acero

https://blog.bextok.com/guia-cable-de-acero/

Para la máxima duración de un cable, interesa que las solicitaciones se aproximen al límite de fatiga, pero se alejen del límite elástico, evidentemente, para conseguir una mayor seguridad. Que se cumplan ambos requisitos a veces es complicado.

Por eso, para estimar la vida útil de un cable, Gustav Niemann proporciona la siguiente expresión (Larrodé y Miravete, 1996) que intenta aunar estos dos criterios:

Donde W es el número de flexiones sufridas por el cable hasta su rotura (plegado sobre la polea y desplegado); D es el diámetro de la polea (m); d es el diámetro del cable (m); σ_e es el esfuerzo de extensión (MPa). Este valor suele variar entre 30.000 flexiones para el caso de polipastos y 150.000 en el caso de grandes grúas.

El coeficiente n presenta los siguientes valores:

1 flexión en el mismo sentido

1,5 flexión en sentido contrario, cable cruzado

2 flexión en sentido contrario, cable Lang

El coeficiente b₁ depende de la forma de la garganta

para radio de garganta, r = 0,54 d

b₁ = 1 cable cruzado y Lang

para radio de garganta, r = ∞

b₁ = 0,72 cable cruzado

b₁ = 0,65 cable Lang

para garganta en V a 45º

b₁ = 0,72 cable cruzado

b₁ = 0,60 cable Lang

El coeficiente b₂ depende de la forma del cable

b₂ = 1,04 cable cruzado 6 x 37, 1600 MPa

b₂ = 1,11 cable Lang 6 x 37, 1600 MPa

Os dejo un problema resuelto por si os resulta de interés.

PROBLEMA. Se quiere estimar la vida de un cable de un puente grúa que tiene que elevar una carga total de 120 kN. El diámetro de las poleas es de 1200 mm, el cable es cruzado, su resistencia es de 1770 N/mm² y su diámetro es de 30 mm. Se supone que la flexión siempre se realiza en el mismo sentido.

Solución:

Utilizamos la fórmula de Niemann,

donde D = 1200 mm; d = 30 mm, h₁ = 1 (para un radio de garganta r = 0,54d), b₂ = 1,04.

Por otra parte, el esfuerzo de extensión σ_e (MPa) se calcula de la siguiente forma (son dos ramales):

Por tanto,

Este valor es muy superior al límite inferior de 150.000 flexiones requerido para las grandes grúas.

Referencias:

LARRODÉ, E.; MIRAVETE, A. (1996). Grúas. Servicio de Publicaciones, Centro Politécnico Superior, Universidad de Zaragoza, 554 pp.

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

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Ecuación de Euler-Eytelwein: tensión de la correa en una polea

Mecanismos tales como el freno de cinta o las bandas transportadoras utilizan el rozamiento entre la correa y el disco sobre el que giran. La tensión fundamental que describe la tensión de la correa sobre una polea se denomina ecuación de Euler-Eytelwein.

A continuación os paso la demostración de esta ecuación y la resolución de un problema. Son apuntes sobre este tema que suelo impartir a mis estudiantes de la asignatura de Procedimientos de Construcción. Además, os dejo un vídeo de canalfdet para obtener las condiciones de carga que sacan a un sistema del equilibrio. Espero que todo os sea de interés.

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El vídeo es el siguiente:

Referencias: