capitulo i, ii y iii - maria y clarynes
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ANÁLISIS PARA EL DISEÑO DE PUENTES DE ACUERDO CON DIVERSAS ESTRUCTURAS.TRANSCRIPT
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO” EXTENSIÓN MARACAIBO
COMPARACION DEL COMPORTAMIENTO ESTRUCTURAL DE VIGAS PRETENSADAS Y POSTENSADAS PARA EL DISEÑO DE PUENTES
Propuesta de Trabajo Especial de Grado para optar al Título de
Ingeniero Civil
Autores: María J. Viloria
Clarynes del C. VeraTutor: Orlando Hidalgo
Asesor Metodológico: Marcos Molero
Maracaibo, enero 2016
INTRODUCCION
La presente investigación surge a partir de la necesidad humana de cruzar pequeños arroyos y ríos. Posiblemente el primer puente de la historia fue un árbol que usó un hombre prehistórico para conectar las dos orillas de un río. Los siguientes puentes fueron arcos hechos con troncos o tablones y ocasionalmente con piedras, empleando un soporte simple y colocando vigas transversales.
En el Capítulo I se encontraran el problema el cual se distinguirá como síntomas de la investigación, las causas que provocan esos síntomas las consecuencias asociadas y so posible solución, luego se plantean los objetivos y la justificación de la misma; en el Capítulo II se habla de l.as bases teóricas en el cual se definen algunos antecedentes que servirán de soporte para la actual investigación aunado a esto se define cada uno de los indicadores que se muestran en el cuadro de variable.Finalmente en el Capítulo III se habla de la modalidad, tipo y diseño de la investigación como también las técnicas e instrumentos usados para recolectar datos, muestra unidad de análisis, análisis de datos, la validez y confiabilidad con la que se harán las pruebas en la planta piloto y por último las fases de la investigación con la finalidad de obtener los resultados deseados en las pruebas que se realizaran.
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
Contextualización del Problema
Los puentes tienen su origen en la misma prehistoria desde que le surge
la necesidad humana de cruzar pequeños arroyos y ríos. Posiblemente el
primer puente de la historia fue un árbol que usó un hombre prehistórico para
conectar las dos orillas de un río. Los siguientes puentes fueron arcos
hechos con troncos o tablones y ocasionalmente con piedras, empleando un
soporte simple y colocando vigas transversales.
Muchos de estos primeros puentes eran muy pobremente construidos y
raramente soportaban cargas pesadas. El arco fue usado por primera vez
por el Imperio romano para puentes y acueductos, algunos de los cuales
todavía se mantienen en pie. Los puentes basados en arcos podían soportar
condiciones que antes habrían destruido a cualquier puente. Un ejemplo de
esto es el Puente de Alcántara, construido sobre el Río Tajo, cerca de
Portugal.
La mayoría de los puentes anteriores habrían sido barridos por la fuerte
corriente. Ferrera, (2012) Los romanos también usaban cemento, que
reducía la variación de la fuerza que tenía la piedra natural. Un tipo de
cemento, llamado puzolana, consistía en agua, limo, arena y roca volcánica.
Los puentes de ladrillo y mortero fueron retomados después de la era
romana, ya que la tecnología del cemento se perdió y más tarde fue
redescubierta.
En este mismo orden de ideas, a la caída del Imperio romano, el arte
sufrió un gran retroceso durante más de seis siglos. El hombre medieval veía
en los ríos una defensa natural contra las invasiones, por lo que no
consideraba necesario la construcción de los medios para salvarlos. El
puente era un punto débil en el sistema defensivo feudal. Por lo tanto
muchos de los que estaban construidos fueron desmantelados, y los pocos
que quedaron estaban protegidos con fortificaciones.
Durante el siglo XVIII hubo muchas innovaciones en el diseño de puentes
con vigas por parte de Hans Ulrich, Johannes Grubenmann y otros. El primer
libro de ingeniería para la construcción de puentes fue escrito por Hubert
Gautier con la revolución industrial en el siglo XIX, los sistemas de celosía de
hierro forjado fueron desarrollados para puentes más grandes, pero el hierro
no tenía la fuerza elástica necesaria para soportar grandes cargas. Con la
llegada del acero, que tiene un alto límite elástico, fueron construidos
puentes mucho más largos, en muchos casos utilizando las ideas de
Gustave Eiffel.
En la actualidad, la aparición de nuevos materiales de construcción,
principalmente el acero, además del concreto reforzado requirió una nueva
proyección de la situación. Teoremas y postulados sobre las estructuras y
materiales han ayudado a elaborar nuevos modelos de cálculo para el diseño
de puentes cada vez más grande y de diferentes formas, no obstante esto ha
acarreado diversos factores como características químicas, mecánicas y
físicas como eje de estudio.
Principalmente, los puentes deben fundamentarse en métodos de
resistencia y sobre todo en el comportamiento estructural de los elementos
que lo componen ferrara (2012), es decir, para de esta manera generar
confianza y asegurar el tránsito vehicular así mismo el peatonal. Se puede
decir entonces que la técnica ha pasado desde una simple losa hasta
grandes puentes colgantes que miden varios kilómetros y que cruzan bahías.
También se utilizaron losas de piedra para arroyos pequeños cuando no
había árboles cerca. Fue esta insuficiencia la que llevó al desarrollo de
mejores puentes.
Ahora bien, en Latinoamérica se han construido más de 40.00 puentes
entre ellos basados en técnicas o en elementos pretensado y postensadas,
no obstante estos han presentado significativas fallas que han llevado a la
destrucción de la infraestructura, es relevante mencionar que muchos de
estos puentes carecen de mantenimiento por parte de los entes encargados
para tales obras.
En Venezuela no existen manuales arbitrados y certificados o normas
estandarizadas para la creación de puentes o el diseño de sus elementos,
sin embargo existen cantidades de empresas que desarrollan vigas y
elementos estructurales de flexión como vigas pretensadas y postensadas
para poder llevar a cabo la ejecución de proyectos de gran envergadura,
pues el punto geográfico y poblacional del país, posee referencia sobre la
necesidad para la construcción estas infraestructuras tan importantes.
Por otra parte en la historia de los puentes en Venezuela la
reconstrucción de la memoria de nuestra historia de la ingeniería estructural,
la consideración de las obras de infraestructura es obligada. Entre ellas, la
construcción de vías de comunicación. Prácticamente inexistentes a
mediados del siglo XIX, facilitaron la creación y el desarrollo de lo que poco a
poco se fue conformando como país. Esto pudo lograrse, en buena medida,
con la construcción de puentes.
Se recoge aquí información dirigida a un mejor conocimiento sobre la
evolución de esa parte de nuestra Ingeniería estructural, sus actores y
propulsores. Desde los primeros puentes caraqueños, indispensables para
desarrollar una trama urbana, cruzada por múltiples quebradas e
irregularidades topográficas, hasta los puentes más modernos sobre el río
Orinoco.
Se estima que en Venezuela hay más de 6100 puentes en servicio Torres
(2006). El interés de esta crónica está centrada en cuatro grupos de
estructuras: los primeros puentes para salvar las fuertes irregularidades
topográficas de Caracas y los subsiguientes que acompañaron el crecimiento
urbano; los principales puentes colgantes que comenzaron a cruzar nuestros
grandes ríos, los puentes de hierro de la red ferroviaria de fines del siglo XIX
hasta las primeras décadas del siglo XX, incluidos los primeros puentes de
concreto armado; la expansión de las redes viales urbanas e interurbanas
desde los años 30 hasta finales del siglo XX; (IV) puentes de grandes vanos
desde el primer puente sobre el río Caroní en 1964, en adelante.
Sin embargo a pesar de los esfuerzos que se realizan en Venezuela,
existen un déficit de desarrollo en el área de miembros de flexión, pues no se
realizan estudios continuos sobre materiales que aseguren las cargas de
presión y no causen rigurosas fallas en las estructuras que son de gran
importancia para comunicar a toda una población, lo cual trae como
consecuencia derrumbes y desastres ocasionando pérdidas estructurales de
alto costo, además de amenazar la integridad física del ser humano.
Considerando lo planteado anteriormente se refleja la necesidad de
comparar el comportamiento de las estructuras de vigas pretensadas y
postensadas en puentes, con el fin de estudiar las características mecánicas
de las vigas pretensadas y postensadas, además de idealizar las estructuras
de vigas pretensadas y postensadas para un puente.
Formulación del Problema
¿Cómo se comportan las estructuras de vigas pretensadas y postensadas en
puentes?
Objetivos de la InvestigaciónObjetivo General
Comparar el comportamiento de las estructuras de vigas pretensadas y
postensadas en puentes
Objetivos Específicos
Diagnosticar el comportamiento estructural de vigas pretensadas y
postensadas para el diseño de puentes.
Identificar las fallas en el comportamiento estructural de vigas
pretensadas y postensadas para el diseño de puentes.
Verificar los tipos de vigas en los puentes.
Estudiar las características mecánicas de las vigas.
Idealizar las estructuras de un puente con vigas pretensadas y
postensadas.
Proponer el diseño para el comportamiento de las vigas pretensadas y
postensadas para el diseño de puentes.
Justificación de la Investigación
Considerando el propósito técnico, comparar las estructuras podría
determinar algunas de las condiciones generales de dichos puentes los
cuales sirven de medio de tránsito para personas y vehículos. Es por esto
que se requiere de un diagnostico inmediato para dar solución a los
problemas de deterioro de soldadura, mal estado de uniones, apoyos,
tablero, barandas, fisuras en la base, entre otros elementos. Proponiendo
soluciones que satisfagan los requerimientos apropiados para la estructura
de puentes.
El valor teórico de la investigación se sitúa en aplicar conocimientos
vistos durante la carrera de Ingeniería Civil en las materias: materiales de
construcción, resistencia de los materiales, construcción, mantenimiento,
proyecto de estructura de acero, fundaciones y muros, técnicas de
construcción y puente. La investigación de estudios para proyectos
posteriores, el cual pudo ser ampliado.
Metodológicamente , es necesario la recolección de todas las
informaciones sobre los puentes tales como: visitas a las estructuras,
recopilación e información de planos, fotografías, estudios preliminares
realizados, tiempo de servicio y la frecuencia de vehículos que transitan
constantemente; esto permitió abordar la investigación. Además el modelo
metodológico aplicado servirá para realizar análisis comparativos referentes
a elementos estructurales de flexión, es decir no solo en vigas.
Desde el punto de vista social, la investigación permite una serie de
ventajas ya que accederá a desarrollar un análisis comparativo en las vigas
ya sean pretensadas o postensadas de un puente, a fin de garantizar la
estabilidad de las estructuras y sus elementos, para de esta manera evitar
fallas que provoquen desastres y afecten tanto la rutina de transeúntes como
su integridad física. Por lo tanto posee un valor social el cual permitirá el
desarrollo urbanístico, comunicacional y sobre todo la seguridad de transitar
por grandes estructuras en una población.
Delimitación de la investigación
Esta investigación se realizará en la Universidad Rafael Urdaneta, en la
ciudad de Maracaibo, en Venezuela. La misma se llevará cabo durante un
periodo de ocho (8) meses, iniciando desde el mes de septiembre de 2015
hasta junio 2016. Enfocado en las estructuras pretensadas y postensadas de
puentes y sustentada bajo los lineamientos teóricos de Quintero (2015),
Nilson (1998), “American Association of State and Highway Transportation
Officials” (AASHTO), entre otros.
CAPITULO II
MARCO REFERENCIAL
Antecedentes de la investigación
Quintero (2015), realizo una investigación denominada “Estudio de vigas pretensadas y postensadas simplemente apoyadas con luces de 15 y 20 metros para puentes”, presentada en ante la Universidad Rafael
Urdaneta para optar al título de ingeniero civil. El propósito principal de la
investigación fue analizar el comportamiento estructural de vigas
pretensadas y postensadas simplemente apoyadas de 15 y 20 metros de
largo.
Se estableció un procedimiento metodológico sustentado con todas las
normas vigentes y aportes teóricos para el diseño y así lograr cada uno de
los objetivos del estudio. El tipo de investigación aplicado es descriptiva
apoyado en un diseño no experimental. Para el análisis, la muestra, el
estudio desarrollado estuvo conformado por las vigas estandarizadas
AASHTO pretensadas y postensadas, las cuales se sometieron para analizar
su comportamiento estructural. Se seleccionaron dos (2) vigas, con luces de
quince (15) metros y otras dos vigas con luces de veinte (20) metros, para
una población total de cuatro (4) vigas.
Para desarrollar el análisis de comportamiento estructural se utilizó el
método a flexión con base en los esfuerzos limites en el concreto siguiendo
la norma ACI, a fin de lograr el diseño de vigas pretensadas y postensadas,
las cuales fueron sometidas a cargas vehiculares, cargas de impacto, peso
del tablero de diseño, y factores como la perdida de preesfuerzo.
Los valores de la resistencia del concreto, el acero de preesfuerzo y los
esfuerzos límites en el concreto fueron analizados para definir cual viga
posee el mejor comportamiento. Una vez establecidas las diferentes etapas
de la investigación, se pudo concluir que la viga pretensada posee mejor
comportamiento en luces de quince (15) metros y la viga postensadas en
luces de veinte (20) metros, asegurando que esfuerzos en el concreto así
ocurra una pérdida de preesfuerzo adicional, dichos esfuerzos no
sobrepasen los esfuerzos últimos.
En este sentido, la investigación sirve de aporte para desarrollar un
esquema metodológico para llevar de manera lógica la investigación,
además sirve para apoyarse en los fundamentos teóricos necesarios para
comprender el comportamiento estructural de las vigas pretensadas y
postensadas, y de esta manera establecer las etapas que necesita la
investigación.
Por otra parte, Galindo (2011), en su trabajo de investigación titulado
“Consideraciones para el diseño de vigas pretensadas simplemente apoyadas, con una luz de 6,15 metros”, para optar al título de Magister en
Estructuras ante la Universidad de San Carlos de Guatemala. Tuvo como
objetivo principal elaborar un documento de las Consideraciones para el
diseño de vigas pretensadas simplemente apoyadas, con una luz de 6. 15
metros, además que sirva para orientar acerca del método de diseño, su
fabricación, el montaje real y puesta en servicio de las vigas.
El estudio se desarrollo metodológicamente como descriptivo, en un
diseño no experimental. Sustentándose en las normas y métodos vigente de
diseño bajo los requerimientos teórico que lo fundamenta a fin de considerar
criterios de diseño. Como método de recolección se elaboró una viga
pretensadas, la cual se desarrollo con la tecnología de MEGAPRODUCTOS;
una fabrica reconocida de pretensado. Además se construyo un proceso de
diseño y su cálculo estructural para una luz de 6.15m, tomando en
consideración cada uno de los elementos de fabricación. En conclusión, la
investigación comprobó que existen más ventajas que desventajas, utilizan
do en concreto pretensado, además se elaboro un documento en el cual se
da, el paso a paso del diseño, su fabricación y la vida útil de una vigueta
pretensada de 6.15 m luz.
En este orden de ideas, la investigación sirvió de apoyo para elaborar el
análisis de acuerdo a los pasos desarrollados según el investigador, además
en este se confían los basamentos teóricos necesario para llevar a cabo el
desarrollo de la investigación, tomando en cuenta que posee como objeto de
estudio solo la variable de vigas pretensadas.
Ahora bien, Barajas y otros (2010), en su artículo arbitrado presentaron un
trabajo de investigación denominado “Método de análisis para vigas pre –flexionadas basado en estándares de Norte América”, tuvo como objetivo
principal establecer un método de análisis para vigas pre flexionadas basado
en estándares de Norte América, Publicado en la Revista Internacional de
Desastres Naturales, Accidentes e Infraestructura Civil Vol. 10 (2). 95.
El artículo presenta una descripción del análisis de vigas pre – flexionadas
con aplicación a superestructuras de puentes. El sistema consiste de vigas
compuestas de acero y hormigón armado que son sometidas a pre –
esfuerzos producidos por momentos flectores inducidos durante la etapa
inicial de una construcción. El método de análisis está basado en la filosofía
de esfuerzos admisibles en los materiales que conforman las viga, se
adoptaron los límites establecidos por las normas “American Association of
State and Highway Transportation Officials” (AASHTO) para sistemas
convencionales de concreto pre esforzado y de acero.
En conclusión, las vigas pre-flexionadas presentan una alternativa viable
con respecto a otros sistemas de vigas que usan el mismo criterio de pre-
compresión como las seis vigas tipo I del código de la AASHTO, entre otras
(Barajas, 2009). Algunas de las ventajas presentadas por sistemas pre
flexionados son: i) versatilidad en el dimensionamiento de las secciones
transversales de las vigas ; ii) la capacidad de las vigas está controlada por
la máxima compresión del hormigón que rodea la aleta inferior de la viga de
acero; iii) el sistema puede ser construido en sitio; iv) el tiempo de aplicación
de la pre-carga es menor al de sistemas pretensados; y v) la pre compresión
necesaria es menor a la de los sistemas de vigas pretensadas.
Además, estudios recientes demuestran que las vigas pre-flexionadas
proveen secciones con razones de altura/longitud (h/L) menores a las
obtenidas con sistemas convencionales de hormigón pretensado y acero
(Portela et al., 2010). Esta característica es útil para las superestructuras de
puentes que requieren mayores alturas libres para el paso de botes y
vehículos militares.
En este sentido, la investigación sirve de aporte para desarrollar un
análisis metodológico para construir los resultados de la investigación,
además sirve para apoyarse en los fundamentos teóricos necesarios para
comprender el comportamiento estructural de las vigas pretensadas, y de
esta manera establecer las etapas que necesita la investigación.
Bases Teóricas
Vigas
Conviene señalar, que las vigas son elementos estructurales que
normalmente se colocan en posición horizontal, que se apoyan sobre los
pilares, destinadas a soportar cargas. Por otra parte, Mokk (1992), explica
que las vigas constituyen el elemento estructural que soporta la losa. En la
actualidad, existen muchos tipos de vigas. Según la forma de sección
transversal, las vigas pueden ser rectangulares, tee, i, cajón, también se
pueden clasificar según el material las vigas más comunes pueden ser de
madera, concreto o acero. A su vez, las vigas de concreto pueden ser armas,
pretensadas o postensadas.
Hormigón pretensado
El término pretensado se usa para describir el método de pretensionado
en el cual las armaduras activas de la pieza se tesan antes del vertido del
hormigón. El hormigón se adhiere al acero en el proceso de fraguado, y
cuando éste alcanza la resistencia requerida, se retira la tensión aplicada a
los cables y es transferida al hormigón en forma de compresión. Este método
produce un buen vínculo entre las armaduras y el hormigón, el cual las
protege de la oxidación, y permite la transferencia directa de la tensión por
medio de la adherencia del hormigón al acero.
La mayoría de los elementos pretensados tienen un tamaño limitado
debido a que se requieren fuertes puntos de anclaje exteriores que estarán
separados de la pieza a la distancia correspondiente a la que se deberán
estirar las armaduras. Usualmente son prefabricados en serie dentro de
plantas con instalaciones adecuadas, donde se logra la reutilización de
moldes metálicos o de concreto y se pueden pretensar en una sola operación
varios elementos. Las piezas comúnmente realizadas con hormigón
pretesado son dinteles, paneles para cubiertas y entrepisos, vigas, viguetas y
pilotes, aplicados a edificios, naves, puentes, gimnasios y estadios
principalmente.
Hormigón postensado
El hormigón postensado se diferencia del hormigón pretesado, por el
retraso de aplicación de la tensión a los tendones en el proceso de ejecución.
El posteado es el método de pre tensionado que consiste en tesar los
tendones y anclarlos en los extremos del elemento después de que el
concreto ha fraguado y alcanzado su resistencia necesaria. En este sistema,
los cables de preesfuerzo serán colocados con la trayectoria deseada, lo que
permite variar la excentricidad dentro del elemento a lo largo del mismo para
lograr las flechas y esfuerzos deseados. Al hacer las trayectorias del acero
de preesfuerzo curvas, se logra diseñar con mayor eficiencia los elementos
hiperestáticos y evitar esfuerzos en los extremos del elemento.
En el proceso de postesado, se colocan en los encofrados de las piezas,
vainas de plástico, acero o aluminio que contienen los tendones sin
tensionar, antes del vertido del hormigón. Los conductos se atan con
alambres a los estribos constructivos auxiliares para prevenir su
desplazamiento accidental, y luego se vierte el hormigón. Cuando éste
alcanza la resistencia necesaria, los tendones son estirados de acuerdo a las
especificaciones de diseño, y mediante cuñas u otros sistemas de anclaje
quedan atrapados en su posición. Después de que los gatos hidráulicos se
retiran, los tendones, que mantienen la tensión aplicada, transfieren la
presión hacia el hormigón.
Vigas pretensadas
Nilson (1998), plantea una estructura del método presforzado en el cual
cables se tensan antes de colocar el concreto. Los cables se estiran o tensan
entre apoyos que forman parte permanentes de las instalaciones o de la
superestructura. Se mide el alargamiento de los cables, así como la fuerza
de tensión aplicada por los gatos. A menudo se usa concreto de alta
resistencia. Luego de lograrse suficiente resistencia se alivia la presión en los
gatos, los cables tienden a acortarse, pero no lo hacen por estar ligados por
adherencia al concreto. En esta forma el preesfuerzo es transferido al
concreto por medio de adherencia, en su mayor parte cerca de los extremos
de la viga.
Vigas postensadas
Nilson (1998), destaca que son estructuras realizadas por el método de
presfuerzo donde el cable que va por dentro de unos conductos es tensado
después que el concreto ha fraguado. De esta manera el preesfuerzo es casi
siempre ejecutado externamente contra el concreto endurecido, y los cables
se anclan contra el concreto inmediatamente después del esfuerzo. Este
elemento estructural puede ser prefabricado como fundido in situ.
Generalmente se colocan moldes de la viga conductos huecos que contienen
a los cables no esforzados, y que siguen el perfil deseado, antes de vaciar el
concreto.
Figura 1. Viga postensada
Fuente: Nilson (1998)
Comportamiento estructural
Los primeras investigaciones sobre el comportamiento de vigas ó
miembros en flexión fueron realizadas por Leonardo da Vinci en el siglo XV.
A principio del siglo XVII, Galileo trabajó en el estudio de los esfuerzos
producidos por las cargas verticales en una viga en voladizo. Pero sólo dos
siglos después, Navier formuló las ecuaciones de la flexión simple. A pesar
de que se han desarrollado a lo largo del tiempo varias teorías más
complejas con base en las investigaciones efectuadas sobre el pandeo
lateral y pandeo lateral por flexo-torsión que las de Navier, su teoría sobre
vigas es aún vigente para el diseño de miembros en flexión o vigas.
Por otro lado, el efecto de la torsión en barras fue investigado a principio
del siglo XVIII por C. A. Coulomb y T. Young. El primer tratamiento riguroso
de la torsión, involucrando el alabeo y la flexión, fue propuesto por St. Venant
en 1853. En 1903 L. Prandtl introdujo la analogía de la membrana, y en
1905, S. Timoshenko presentó los resultados de sus investigaciones sobre la
torsión no uniforme de las vigas de sección transversal “I”, teniendo en
cuenta la resistencia al desplazamiento lateral de los patines. Se planteó la
discusión sobre la torsión de secciones abiertas de paredes delgadas, y el
efecto de la deformación del alma en la torsión de las vigas “I”. Algunos
resultados no han sido aún incorporados en los métodos de diseño
modernos.
La resistencia al pandeo lateral está íntimamente relacionada con la
resistencia a la torsión. L. Prandtl y G. Mitchell publicaron simultáneamente
un estudio teórico sobre la estabilidad lateral en 1899, seguido de S.
Timoshenko, H. Wagner y otros. Consideró que la deformación plástica de
los materiales dúctiles, St. Venant inició un nuevo campo en el de la
mecánica de materiales, que dió origen al análisis plástico de las estructuras.
Un número importante de investigaciones en este campo a partir de la
segunda guerra mundial permitieron plantear el método de diseño plástico.
En los elementos estructurales de hormigón pretesado y postesado, la
combinación del hormigón y el acero traccionado permite producir esfuerzos
y deformaciones que contrarrestan los producidos por las cargas verticales,
lográndose así diseños estructuralmente más eficientes que los de hormigón
armado. Para visualizar esta compensación de esfuerzos, se consideran 4
vigas iguales (figuras 1 y 2), simplemente apoyadas, con una misma carga
vertical (P) y eventualmente una fuerza de compresión (C) que estaría
generada por los tendones tensionados en los correspondientes casos
Figura 2. Diagramas de momento en hormigón armado y pretensado
Fuente: Quintero (2015)
Se puede apreciar, a través de los diagramas de momento de cada pieza,
los diferentes comportamientos estructurales, debido a las distintas
condiciones o ausencia (en el caso del hormigón armado) de la fuerza C. En
la viga I de hormigón armado, el momento resultante es igual al generado por
la carga vertical, ya que no se aplica ninguna tensión horizontal que genere
un momento que lo contrarreste. En la viga II se aplica un esfuerzo de
compresión axial, es decir, que los tendones de acero se encuentran en el
eje neutro de la sección. El esfuerzo así colocado no provoca ningún
momento en la sección, por lo que desde este punto de vista no hay ventajas
al colocar esta fuerza axial.
En la viga III, (caso teórico de una viga pretesada), la tensión aplicada con
una excentricidad (e) produce un diagrama de momento constante a lo largo
del elemento debido a que la trayectoria de la fuerza C es recta y horizontal,
aplicada con una excentricidad. Con esto se logra contrarrestar el momento
máximo en el centro del elemento provocado por la carga vertical. Sin
embargo, en los extremos de la viga el momento provocado por esta fuerza
C resulta excesivo ya que no existe momento por cargas verticales que
disminuya su acción. En este caso, un diseño adecuado deberá corregir este
exceso de momento.
Por último, en la viga IV, (caso teórico de una viga postesada), se obtiene
un diagrama de momentos provocado por la fuerza inclinada C, de igual
magnitud y signo contrario al generado por la carga vertical, debido a que el
esfuerzo de compresión es aplicado de forma similar a la curva del momento
provocada por la carga vertical. De esta manera al multiplicar la fuerza C por
la excentricidad ´e´ que varía a lo largo del elemento de forma proporcional a
la variación del momento generado por P, se obtiene este momento que es
cero en los extremos de la pieza y máximo en su centro, e igual y contrario al
momento de la carga vertical . Se deberá entonces calcular cual será la
magnitud de la fuerza C a aplicar, para obtener estos valores y así
contrarrestar eficientemente el efecto de las cargas en cada sección de la
viga.
Figura 3. Diagramas de tensiones en hormigón armado y pretensado
Fuente: Quintero (2015)
En este cuadro (figura 2) se muestran los diagramas de tensión,
correspondientes a las vigas de la Figura anterior, para las secciones en el
centro de la viga y en los extremos. Se aprecia que, contrario a lo observado
en la figura 1, el comportamiento de la viga II en el centro de la viga sí mejora
al aplicar la fuerza C, aunque ésta sea sólo axial. Esto es debido a que esta
fuerza provoca compresiones que disminuyen las tensiones provocadas por
P en la parte inferior de la sección.
Para las vigas III y IV estas tensiones son todavía menores por el
momento provocado por la excentricidad de la fuerza C. En los extremos, las
vigas II y IV tienen esfuerzos sólo de compresión, mientras que la viga III
presenta esfuerzos de tracción y compresión debidos a la excentricidad de la
fuerza C; estos esfuerzos son mayores que los de las vigas II y IV y en
general mayores también que los esfuerzos permisibles.
La comparación de las 4 vigas en ambas figuras nos permite concluir que
el acero tensionado disminuye tanto los esfuerzos de tracción en la sección,
como los momentos en el centro de la pieza. Los efectos secundarios del
pretensionado, como los momentos y esfuerzos excesivos en los extremos
de la viga III, pueden suprimirse o inhibirse con procedimientos sencillos.
Encamisando el acero en los extremos se evita que la fuerza C actúe en
dicho sector, logrando así tener cero momento y cero tensiones en los
extremos.
Hormigón
Generalmente se requiere un hormigón de mayor resistencia para el
trabajo de pretensionado que para el hormigón armado. Un factor por el que
es determinante la necesidad de hormigones más resistentes, es que el
hormigón de alta resistencia está menos expuesto a las grietas por
contracción que aparecen frecuentemente en el concreto de baja resistencia
antes de la aplicación del preesfuerzo.
Es importante seguir todas las recomendaciones y especificaciones de
cada proyecto a fin de cumplir con las solicitaciones requeridas. Puesto que
con una cantidad excesiva de cemento se tiende a aumentar la contracción,
es deseable siempre un factor bajo de cemento. Con este fin, se recomienda
un buen vibrado siempre que sea posible, y para aumentar la
maniobrabilidad pueden emplearse ventajosamente aditivos apropiados
Acero de refuerzo
El uso del acero de refuerzo ordinario es común en elementos de
hormigón pretensionado. La resistencia nominal de este acero es fy = 4,200
kg/cm2. Este acero es muy útil para:
- aumentar ductilidad
- aumentar resistencia
- resistir esfuerzos de tensión y compresión
- resistir cortante y torsión
- restringir agrietamiento por maniobras y cambios de temperatura
- reducir deformaciones a largo plazo
- confinar al concreto
Acero de preesfuerzo
El acero de preesfuerzo es el material que va a provocar de manera
activa momentos y esfuerzos que contrarresten a los causados por las
cargas. Existen tres formas comunes de emplear el acero de preesfuerzo:
alambres paralelos atados en haces, cables torcidos en torones, o varillas de
acero. Ahora bien es importante señalar que, los alambres se fabrican
individualmente laminando en caliente lingotes de acero hasta obtener
alambres redondos que, después del enfriamiento, pasan a través de
troqueles para reducir su diámetro hasta su tamaño requerido. El proceso de
estirado se ejecuta en frío, lo que modifica notablemente sus propiedades
mecánicas e incrementa su resistencia. Los alambres se fabrican en
diámetros de 3, 4, 5, 6, 7, 9.4 y 10 mm y las resistencias varían desde 16.000
hasta 19.000 kg/cm2. Los alambres de 5, 6 y 7 mm pueden tener acabado
liso, dentado y tridentado.
Así mismo el torón se fabrica con siete alambres firmemente torcidos
cuyas características se mencionaron en el párrafo anterior; sin embargo, las
propiedades mecánicas comparadas con las de los alambres mejoran
notablemente, sobre todo la adherencia. El paso de la espiral o hélice de
torcido es de 12 a 16 veces el diámetro nominal del cable. Los torones
pueden obtenerse entre un rango de tamaños que va desde 3/8” hasta 0.6”
de diámetro, siendo los más comunes los de 3/8” y de 1/2" con áreas
nominales de 54.8 y 98.7 mm2, respectivamente.
En este orden de ideas, La alta resistencia en varillas de acero se obtiene
mediante la introducción de algunos minerales de ligazón durante su
fabricación. Adicionalmente se efectúa trabajo en frío en las varillas para
incrementar aún más su resistencia. Después de estirarlas en frío se les
libera de esfuerzos para obtener las propiedades requeridas. Las varillas de
acero de aleación se producen en diámetros que varían de 1/2" hasta 13/8”.
Fallas en el comportamiento estructural
Definiremos como falla de un elemento estructural a cualquier situación
que impida que el elemento cumpla su función de transmisión de esfuerzos o
de retención de presión como se encuentra previsto en el diseño del
elemento es decir la falla se produce cuando el elemento se torna incapaz de
resistir los esfuerzos previstos en el diseño. Es necesario tener en cuenta
que si bien la función primaria de un elemento estructural es la transmisión
de esfuerzos o la retención de presión, existirán en general requerimientos
adicionales que el elemento deberá satisfacer.
Debe tenerse en cuenta que:
• Los componentes estructurales en general y los fabricados por soldadura
en particular pueden experimentar fallas en servicio de distintos tipos.
• A veces estas fallas en servicio adquieren características catastróficas.
• La presencia de defectos en las uniones son muchas veces la razón de
que se produzca una falla en servicio.
• La naturaleza de la discontinuidad que corresponde al defecto, determina
en general para condiciones de servicio dadas, el tipo de falla que puede
favorecer
. • A veces las fallas en servicio no obedecen a falencias de diseño sino a
factores extrínsecos introducidos durante la fabricación del componente,
particularmente a través de las operaciones de soldadura.
Inestabilidad elástica
El modo de falla por excesiva deformación elástica se produce por
ejemplo cada vez que una pieza que debe mantener sus dimensiones dentro
de ciertos límites, sufre una deformación elástica que hace que aquellas
excedan el valor admisible, conduciendo a problemas de interferencia tales
como atascamiento o a deflexiones excesivas. Este se produce cuando un
elemento estructural esbelto tal como una columna es sometido a una carga
de compresión suficientemente alta según su eje longitudinal.
Puede demostrarse que existe una carga que depende del momento de
inercia de la sección resistente, del módulo elástico del material, Modos de
Falla en Componentes Estructurales de la forma de sujeción del elemento,
por encima de la cual las deflexiones laterales crecen sin límite conduciendo
a la destrucción del componente. El fenómeno de pandeo puede adoptar
una forma global, es decir afectar a todo el componente como en el caso de
una columna, o ser local afectando sólo una parte de la estructura como
ocurriría en el caso de una fabricación con paneles en compresión donde
sólo alguno de tales paneles sufre pandeo.
Deformación Plástica
La excesiva deformación plástica constituye sin duda el modo de falla
mejor comprendido en un componente estructural, y es la base del diseño
clásico de componentes estructurales. En efecto, dicho diseño tiene como
objetivo fundamental establecer las dimensiones de las secciones resistentes
necesarias para asegurar un comportamiento elástico de las mismas. Esto
significa en teoría que en ningún punto de una sección resistente se alcance
una condición de fluencia, es decir de deformación plástica. Sin embargo, en
las estructuras reales, y muy particularmente en las estructuras soldadas, la
presencia de concentradores de tensión más o menos severos es inevitable
y por lo tanto también lo es la existencia de zonas plastificadas en el vértice
de tales concentradores.
Inestabilidad Plástica
La inestabilidad plástica puede ser responsable en otros casos de la
propagación rápida de una fisura, dando así origen a un fenómeno de
fractura dúctil rápida. Hoy se sabe que muchas fallas catastróficas que en el
pasado fueron atribuidas a fracturas frágiles, tuvieron su origen como
inestabilidades dúctiles. El incremento logrado en las últimas décadas en la
resistencia y tenacidad de los materiales, hace que el fenómeno de falla por
inestabilidad dúctil sea objeto de especial atención por parte de ingenieros e
investigadores. Bajo ciertas condiciones que analizaremos más adelante, un
material que ha alcanzado la condición plástica puede inestabilizarse y
conducir rápidamente a un colapso plástico. Un ejemplo conocido de este
fenómeno es la estricción que precede a la rotura en el ensayo de tracción
de un material dúctil.
Fatiga
En presencia de cargas fluctuantes, en el vértice de discontinuidades
geométricas más o menos agudas se produce un fenómeno de deformación
elasto-plástica cíclica a partir del cual se produce la iniciación de la fisura por
fatiga. La condición superficial y la naturaleza del medio cumplen un rol
importante sobre la resistencia a la fatiga, esto es sobre el número de ciclos
necesarios para que aparezca la fisura.
Desde un punto de vista ingenieril, cuando la fisura adquiere una longitud
de aproximadamente 0.25 mm se acepta habitualmente que se ha
completado la etapa de iniciación. A partir de ahí se considera que se está en
la etapa de extensión o de crecimiento estable que eventualmente culmina
en la rotura repentina de la sección remanente.
Fractura
Se puede definir la fractura como la culminación del proceso de
deformación plástica. En general se manifiesta como la separación o
fragmentación de un cuerpo sólido en dos o más partes bajo la acción de un
estado de cargas. En primer lugar, la falla se produce de manera totalmente
sorpresiva y progresa a muy alta velocidad, típicamente entre algunos
centenares y algunos miles de metros por segundo.
Como se ha mencionado, la falla suele ocurrir cuando el componente está
sometido a tensiones compatibles con las de diseño, y muchas veces
inferiores a la máxima prevista. Finalmente, el origen de la falla se debe
muchas veces a factores ajenos al diseño que son introducidos durante
fabricación, muy particularmente a través de las operaciones de soldadura,
no siendo detectados como factores potenciales de riesgo por los
responsables de la construcción e inspección del componente.
Frágil de cortante y tensión diagonal
Estas se presentan debido a elevadas deformaciones en comprensión
debidas a efectos combinados de fuerza axial y momento flector. Con solo
colocar refuerzo transversal estrechamente separado y bien detallado en la
región de la rotula plástica potencial, puede evitarse que el concreto se astille
seguido del pandeo por inestabilidad del refuerzo a compresión. Esto implica
el detallado de las secciones para evitar una falla frágil y proporcionar
ductabilidad.
Falla por adherencia
Con frecuencia, en las conexiones entre los distintos elementos
estructurales se presentan elevadas concentraciones y complejas
condiciones de esfuerzos, mismos que han conducido a distintos y
numerosos casos de falla especialmente entre vigas y columnas. Llamados
también falla por desencajamiento del concreto debido a un anclaje
defectuoso entre viga y columna.
Falla por vibración torsional
La asimetría de los elementos resistentes estructurales existentes causa
una vibración torsional ante la acción sísmica y genera fuerzas elevadas en
elementos periféricos. La vibración torsional ocurre cuando el centro de masa
no coincide con su centro de rigidez.
Tipos de vigas pretensadas y postensadas
Vigas I
Mokk (1992), explica que la viga en forma de I no es más que una viga
rectangular con depresiones en ambos lados, paralelas al peralte de la
sección. Este ahorro de material en la sección se debe, fundamentalmente, a
que las fuerzas internas pertenecientes a esas zonas no contribuyen
directamente a aumentar la capacidad de la viga a resistir cargas, puesto
que, teoricamente, los esfuerzos máximos a compresión y a tensión se
encuentran en los puntos extremos superior e inferior de la sección, es decir,
los puntos críticos donde se concentran los esfuerzos mayores, tras la
solicitación generada por la aplicación de cargas, son los puntos más
alejados al eje neutro.
Ahora bien, esta vigas representan la formalidad, ya que se conocen
como las básicas y mayor utilidad, posee características físicas de
comprensión y tensión que aumentan su resistencia concentrando los
esfuerzos en sus puntos de superioridad e inferiodad, no obstante esta
representación refleja desperfecto que permiten su cambio o
desplazamiento.
Figura 4. Viga tipo I
Fuente: AASHTO (2000)
Vigas T
Son vigas que tienen un solo eje de simetría. Cuando la carga está
aplicada en este eje, la resistencia nominal en flexión está dada por los
estados límite de plastificación y pandeo lateral por flexo-torsión. De igual
manera para Mokk (1992), estas vigas reflejan un solo eje simétrico para qu
la carga se desplace sobre y obtenga mayor flexibilidad tanto en la viga como
en la estructura, además de sus estados limites de plastificación y pandeo
como características física, la resistencia se visualiza en sus puntos bases e
inferiores.
Figura 5. Viga tipo T
Fuente: HIERROBECO (2015)
Vigas U
Elemento constructivo lineal que trabaja principalmente a flexión o a
flexocompresión (columnas), resistiendo también momentos torsionales.
Estas vigas debido a su forma generalmente son fabricadas de acero.
Figura 4. Viga tipo U
Fuente: HIERROBECO (2015)
Características mecánicas de las vigas pretensadas y postensadas
Una estructura tiene que soportar su propio peso, el de las cargas que
sujetan y también fuerzas exteriores como el viento, las olas, etc. Por eso,
cada elemento de una estructura tiene que resistir diversos tipos de fuerzas
sin deformarse ni romperse. Los tipos de fuerza más importantes que
soportan son:
Tracción: Si sobre los extremos de un cuerpo actúan dos fuerzas
opuestas que tienden a estirarlo, el cuerpo sufre tracción.
Compresión: Si sobre los extremos de un cuerpo actúan dos fuerzas
opuestas que tienden a comprimirlo, el cuerpo sufre compresión.
Flexión: Si sobre un cuerpo actúan fuerzas que tienden a doblarlo, el
cuerpo sufre flexión.
Torsión: Si sobre un cuerpo actúan fuerzas que tienden a retorcerlo, el
cuerpo sufre torsión.
Cortadura o cizalladura: Si sobre un cuerpo actúan fuerzas que
tienden a cortarlo o desgarrarlo, el cuerpo sufre cortadura.
Vigas pretensadas Vigas postensadas
Pieza prefabricada. El preesfuerzo se aplica antes que las
cargas. El anclaje se da por adherencia. La acción del preesfuerzo es interna. El acero tiene trayectorias rectas. Elemento estático (simplemente apoyadas).
Prefabricadas o fundidas en sitio. Se aplica el preesfuerzo después del
fundido. El anclaje requiere de dispositivos
mecánicos. La acción del preesfuerzo es externa. La trayectoria de los cables puede ser recta
o curva. Permite continuidad en los apoyos
(hiperestático).
Tabla 1. Características de vigas pretensadas y postensadasFuente: Viloria y Vera (2015).
Diseño de vigas pretensadas y postensadas
Requisitos de diseño
Refuerzo mínimo por flexión
El refuerzo mínimo será al menos 1.2 la resistencia a la rotura de la
primera grieta.
Refuerzo longitudinal de membrana
Si la profundidad del alma excede 900mm, el reforzamiento longitudinal
de membrana (Ask) será distribuido a lo largo de las caras laterales en la
altura de la viga de d/2 más cercana a la tensión. Es decir, el la fuerza que se
ejerce a lo largo de la estructura de membrana será tratado a lo largo de las
caras según la altura o profundidad de la viga.
Ask ≥ 0.001(de-760) ≤ (As + Aps)/1200 (mm2/mm)
Donde:
Aps = Área de acero preesforzado (mm2).
de = Profundidad efectiva en flexión de la cara en compresión al centroide del acero (mm2).
Refuerzo por retracción de fraguado y temperatura
Todos los elementos de espesor menor 1200 mm que estén expuestos a
cambios de temperatura serán suministradas de un refuerzo adicional. El
área de refuerzo podrá ser estimada así:
As≥ 0.75Ag/fy
Ag = Área bruta de la sección (mm2).
fy = La resistencia (MPa).
As = Área de acero (mm2/mm).
Refuerzo de la losa de tableros en vigas T y vigas vaciadas in situ
El refuerzo de la losa del tablero de vigas T y vigas cajón será
determinado por métodos tradicionales. Cuando la losa del tablero no se
extienda más allá del alma exterior, al menos 1/3 de la capa inferior será
prolongado a la cara exterior del alma y anclado con un gancho estándar de
90º. Si la losa se prolonga más allá del alma exterior, al menos 1/3 de la capa
inferior será prolongado en el volado.
Cálculo de deflexión y contra flecha
Para las vigas el cálculo de la deflexión es opcional, en caso de ser
requerida por el propietario se puede escoger como criterio L/800 para
deflexiones permitidas de con cargas vehiculares.
Puentes
Es una estructura construida con el fin de permitir a una vía de
comunicación cruzar un obstáculo natural, como ríos, valles, lagos o brazos
de mar, etcétera. o bien atravesar obstáculos artificiales, como vías férreas o
carreteras, sin que existan problemas de mezcla de los tráficos de ambas. En
su construcción, se deben cuidar muchos e importantes aspectos, tales
como: estabilidad, resistencia al desplazamiento y a la rotura, entre otros. El
diseño de cada puente varía dependiendo de su función y la naturaleza del
terreno sobre el que el puente es construido.
Figura 6. Puente simplemente apoyado
Fuente: Quintero (2015)
Partes de un puente
Superestructura
La superestructura o conjunto de los tramos que salvan los vanos
situados entre los soportes; consiste en el tablero o parte que soporta
directamente las cargas dinámicas (tráfico), y las armaduras constituidas por
vigas, cables, o bóvedas y arcos que transmiten sus tensiones (cargas) a las
pilas y los estribos; Las armaduras pueden ser, placas, vigas, entre otras;
que transmiten las cargas mediante flexión o curvatura principalmente;
cables, que las soportan por tensión; vigas de celosía, cuyos componentes
las transmiten por tensión directa o por compresión; y, finalmente, arcos y
armaduras rígidas que lo hacen por flexión y compresión a un tiempo.
Infraestructura.
Está formada por los estribos o pilares extremos y las pilas o apoyos
centrales. Estos son soportados por las fundaciones, que forman la base de
ambos. Los estribos van situados en los extremos del puente y sostienen los
terraplenes que conducen a él; a veces son remplazados por pilares
hincados que permiten el desplazamiento del suelo en su derredor. Las pilas
son los apoyos intermedios de los puentes de dos o más tramos. En la
mayoría de los casos, éstas se encuentran por encima del terreno hasta una
altura considerada, de aguas máximas en el caso de puentes sobre ríos, o
máxima en pasos elevados.
Definición de Términos Básicos
Concreto presforzado: es el concreto en el cual han sido introducidos
esfuerzos internos de tal magnitud y distribución que los esfuerzos
resultantes debido a cargas externas son contrarrestados a un grado
deseado. (Burnm, 1996).
Concreto prefabricado: son los elementos que se enfocaran y preparan en
un taller, en el emplazamiento, o cerca de este, para después transportarlos
al lugar adecuado. (Burnm, 1996).
Anclaje: es un dispositivo que sirve para sujetar el acero especial (Tagger,
1994).
Resistencia: es el esfuerzo máximo que un material es capaz de soportar.
(Tagger, 1994).
Sistema de Variables
Definición nominal: Comportamiento estructural de variables pretensadas y
postensadas para puentes.
Definición conceptual: se refiere al comportamiento estructural que poseen
las vigas pretensadas y postensadas, tomando en cuentas sus
características mecánicas, donde el acero se tensa o se postensa a fin de
evitar un estiramiento exagerado en la carga.
Definición operacional: Esta se define a través de el desarrollo de todas las
dimensiones e indicadores que sustentan la variable objeto de estudio. Ver
cuadro de operacionalización de variables.
Tabla 2. Operacionalización de la variable.Objetivo General
Comparar el comportamiento de las estructuras de vigas pretensadas y postensadas en puentes.
Objetivos Específicos Variable Dimensión Indicadores
Diagnosticar el comportamiento estructural de vigas pretensadas y
postensadas para el diseño de puentes.
Vigas pretensadas y postensadas
Comportamiento estructural de vigas pretensadas y
postensadas
HormigónAcero de refuerzoAcero de preesfuerzo
Identificar las fallas en el comportamiento estructural de vigas pretensadas y postensadas para el
diseño de puentes.
Fallas en el comportamiento estructural de vigas
pretensadas y postensadas
Inestabilidad elásticaDeformación plástica o pandeoInestabilidad plástica o pandeo lateralFatigaFrágil cortante y tensión diagonalFallas por adherenciaFalla por vibración torsional
Verificar los tipos de vigas en los puentes Tipos de vigas
Vigas IVigas TVigas U
Estudiar las características mecánicas de las vigas pretensadas
y postensadas.
Características mecánicas de vigas pretensadas y
postensadas
TracciónCompresiónFlexiónTorsiónCortadura
Idealizar las estructuras de vigas para un puente con vigas
pretensadas y postensadas.Requisitos de diseño
Refuerzo mínimo por flexiónRefuerzo longitudinal de membranaRefuerzo por retracción de fraguado y temperaturaRefuerzo de la losa de tableros en vigas T y vigas vaciadas in situCálculo de deflexión y contra flecha
Proponer el diseño para el comportamiento de las vigas
pretensadas y postensadas para el diseño de puentes
Este objetivo se logra, a través del desarrollo previo de los indicadores anteriormente indicados.
Fuente. (Viloria y Vera, 2015)
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
En el presente capítulo se muestra la información metodológica para el
cumplimiento de los objetivos trazados para llevar a cabo la investigación. En
el marco metodológico se encuentra la modalidad y el tipo de investigación,
así mismo las técnicas de recolección de datos y procedimientos que se
llevaron a cabo para el presente estudio; además se identifica la población y
muestra estudiada e instrumentos, para de esta manera darle objeción y
solución al problema planteado con anterioridad.
Modalidad de la investigación
Hurtado (2010), el diseño de modalidad de investigación es aquel que
hace los aspectos mas explícitos, los cuales lo define con respeto a un
procedimiento de estudio y a la recolección de datos, todo esto con el
propósito de dar validez a la investigación. Así mismo, el autor explica que la
investigación no experimental es aquel diseño donde el investigador quiere
verificar hipótesis, además no tiene la posibilidad de manipular las variables
independientes, ya que se encuentran fuera de su alcance o ya ocurrieron.
Dentro de este contexto, Hernández y col (2006), afirman que estos
estudios se realizan sin manipular deliberadamente variables, es decir, no se
hace variar en forma voluntaria o premeditada las variables de primer grado,
entendiéndose esta como la supuesta causa de una relación de variables
con sus respectivas dimensiones e indicadores. De igual manera, Palella y
Martins (2010), detallan que la investigación no experimental observa los
hechos tal como se presentan en su contexto real o no, para luego ser
analizados, por lo que no manipula intencionalmente ninguna de las variables
en estudio.
Conviene señalar que, el estudio del comportamiento estructural de vigas
pretensadas y postensadas para el diseño de puentes, se enmarca en la
modalidad de investigación no experimental ya que las variables que
identifican la investigación no fueron manipuladas. Ahora bien, para su
desarrollo se emplearon procesos de cálculos matemáticos para la
determinación del comportamiento estructural de las vigas, además se
comparo y analizó sobre sus fallas estructurales de comportamiento.
Tipo de la investigación
Tamayo y Tamayo (2004), plantean que la investigación es el proceso
mediante el cual se procura obtener información útil y relevante para
entender, corregir o aplicar el conocimiento. Igualmente destaca que la
investigación científica como base fundamental de las ciencias, parte de la
realidad, investiga, analiza y formula hipótesis. Ahora bien, esta parte se
representa al nivel de profundidad con el cual el investigador buscar abordar
un conocimiento u objeto. En su alcance general, y basado en la
conceptualización trazada por autores como Hernández y col (2003), la
investigación “es un conjunto de procesos sistemáticos y empíricos que se
aplican al estudio o fenómeno”.
Hernández, y col (2006), definen que es una investigación descriptiva la
cual consiste en describir situaciones, eventos y hechos. Esto manifiesta un
determinado fenómeno. Además se busca especificar las propiedades, las
características y perfiles relevantes de personas, grupos, comunidades o
cualquier otro fenómeno que se somete a un análisis. Por lo tanto, el estudio
desarrollado es una investigación descriptiva desde el punto de vista
metodológico, ya que consiste en comparar el comportamiento de las
estructuras de vigas pretensadas y postensadas en puentes. Además de
estudiar las características mecánicas de las vigas y diseñar para el
comportamiento de las vigas pretensadas y postensadas para el esquema de
un puente.
Población de estudio
Para Hernández y col (2006), la población puede ser personas,
comunidades, situaciones o eventos, es el “que” o “quienes”. Por lo tanto si
se procura elegir una muestra, lo primordial que debe realizarse es delimitar
a la población, es decir, definir la unidad de análisis, ya sea como situaciones
o elementos. De igual manera, Balestrini (2006), plantea que la población es
un conjunto finito o infinito de casos o elementos, los cuales se pretenden
indagar y además presentan ciertas características comunes para dar
confiabilidad a las conclusiones obtenidas en la investigación.
Para Tamayo y Tamayo (2003), en una investigación científica la
población “está determinada por sus características definitorias, por tanto el
conjunto de elementos que posea esta característica se denomina población
o universo”. Es decir, la población es todo el fenómeno a estudiar, donde las
unidades ya sean estas de información o análisis de la misma poseen una
característica común. Así mismo, Según Bavaresco (2013), la población del
objeto es la realidad centrada en un conjunto total de unidades de
observación que se consideran en el estudio (nación, estados, grupos,
comunidades, objetos, instituciones, actividades, acontecimientos,
individuos), es decir, es la totalidad de los elementos que forman un
conjunto.
Muestra del estudio
Según Tamayo y Tamayo (2004), la muestra es representativa de la
población cuando esta población no es posible medir, la muestra se
determina de una población cuantificada. Es decir para hacer un
generalización exacta de una población, es necesaria una muestra
totalmente representativa para tener validez en la investigación. Hernández y
col (2006, p. 236), definen una muestra como un subgrupo de la población de
interés sobre el cual se recolectarán datos, y que tienen que definirse o
delimitarse de antemano con precisión. Similarmente Salkind (1998, p. 96) en
su publicación, define la muestra como un sub grupo de la población.
Dentro de este contexto, para Hernández y col (2006), argumentan, y
para efecto de este estudio, que en una muestra no probabilística la elección
de los elementos no dependen de la probabilidad, sino de las características
de la investigación. Como muestra de esta investigación, se seleccionó una
muestra de la población de dos (2) vigas pretensadas, también dos (2) vigas
postensadas para el diseño de puentes, de un total de 4 unidades, de la
población total compuesta por 10 elementos. Ahora bien, a los elementos
seleccionados se les aplicaron diferentes tipos de distribuciones de cargas,
seleccionando las situaciones más desfavorables que se pueden presentar.
Instrumento y técnicas de recolección de datos
Como técnica e instrumento de recolección de datos en la
investigación de campo que se realizará por el presente estudio, se aplicará
la observación estructurada y la lista de cotejo. Al respecto, Arias (2006)
explica que la observación estructurada es aquella que además de realizarse
en correspondencia con unos objetivos, utiliza una guía diseñada
previamente, en la que se especifican los elementos que serán observados.
Sobre la lista de cotejo o de chequeo, éste mismo autor señala que
también es denominada lista de control o de verificación, es un instrumento
en el que se indica la presencia o ausencia de un aspecto o conducta a ser
observada. Se estructura en tres columnas: a) En la columna izquierda se
mencionan los elementos o conductas que se pretenden observar; b) La
columna central dispone de un espacio para marcar en el supuesto de que
sea positiva la presencia del aspecto o conducta; c) En la columna derecha,
se utiliza el espacio para indicar si el elemento o la conducta no está
presente.
Así mismo, en ésta investigación, para dar respuesta a las interrogantes
planteadas así como a los objetivos propuestos, se utilizarán técnicas e
instrumentos propios de la investigación documental, utilizando para ello la
técnica del fichaje, el subrayado y la matriz de análisis; técnicas que
permitieron la obtención de información al efectuar la revisión de la
bibliografía, acumulando de manera metódica y ordenada diversos datos e
ideas de fuentes localizadas para el apoyo del estudio.
Por otra parte, Arias (2006) define…”los instrumentos son los medios
materiales que se emplean para recoger y almacenar la información”. Los
instrumentos y técnicas que se utilizarán en el presente trabajo de
investigación tenemos: La Observación Directa, Mediciones.
La Observación
Se emplea con el objeto de constatar la ejecución de actividades que
implican riesgos para la seguridad y salud de los trabajadores, permitiendo
reconocer quienes y como la realizan. Posteriormente, se efectúa en
diversos momentos la observación sistemática, llevando un registro de la
misma. Como instrumentos o herramientas de trabajo para la aplicación de la
técnica de observación se utilizaran, guía de observación, registro de notas,
cámara fotográfica.
Por otra parte Méndez (2006), define la observación como el proceso
mediante el cual se perciben deliberadamente ciertos rasgos existentes en la
realidad por medio de un esquema conceptual previo y con base en ciertos
propósitos definidos generalmente por una conjetura que se quiere
investigar”. En el presente estudio se usó como instrumentos o medios para
la recolección de información, guías de observación, y la toma de muestra de
las estructuras se tomó en el sitio donde se lleva a cabo la obra.
Adicionalmente se realizaron mediciones lo cual permitió determinar la
longitud y diámetro de las vigas para idealizar las estructuras de un puente
con vigas pretensadas y postensadas.
Mediciones
Para Hernández y col (2006), medir significa asignar números, símbolos
o valores a las propiedades o eventos de acuerdo con reglas. De igual
manera, para Salkind (1998), la medición “es la asignación de valores a
resultados”. Para autores como Hernández y col (2006), los instrumentos de
medición no son más que recursos que utiliza el investigador para registrar
información o datos sobre las variables.
REFERENCIA BIBLIOGRAFICAS
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Noriega Editores. Editorial Mc Graw Hill. México.
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McCormac. Estados Unidos.
CAPITULO IV
RESULTADOS
4.1.- Diagnosticar el comportamiento estructural de vigas pretensadas y
postensadas para el diseño de puentes.
Para el estudio del comportamiento estructural de cada viga aplicando las
distintas solicitaciones de cagas se seleccionaron dos vigas pretensadas y
dos vigas postensadas de 15 y 20 metros respectivamente.
La resistencia que debe tener el concreto antes del tensado, estará dada con
respecto a los esfuerzos admisibles en el concreto, la cual debe satisfacer el
modulo de sección de la viga estandarizada y la excentricidad del tendón.
El acero de preesfuerzo dependerá de la fuerza de preesfuerzo de diseño
necesaria para absorver los momentos aplicados en la viga, de la cual se
obtendrá los tendones de presesfuerzo y la excentricidad para el
direccionamiento de los perfiles de los tendones.
El comportamiento estructural de la viga estará definido por los esfuerzos en
el concreto, actuando la perdida de preesfuerzo y las solicitaciones de carga
en la viga, donde los esfuerzos producidos deben estar por debajo de los
admisibles para un comportamiento apropiado.
4.1.1-Procedimiento de la investigación:
4.1.1.1-Diseñar una viga pretensada simplemente apoyada de 15 y 20
metros de largo.
4.1.1.1.1- Cargas actuantes:
Siendo las cargas permanentes el peso propio de la estructura , es decir el
peso por encima de la viga, y se determinara utilizando el método de las
secciones para así estimar la carga que se aplica, de igual forma se le añade
el peso propio de la viga, para obtener el peso total aplicado en dicho
elemento.
Para las cargas variables de la especificación AASTHO se selecciono el
camión de diseño con el sistema de cargas tipo HS-20, que representa un
camión de dos ejes; se evaluara la condición de carga más desfavorable
para conseguir el momento máximo de diseño. Adicionalmente se
implementará una fuerza de impacto para disminuir la vibración producida en
la viga, utilizando la siguiente ecuación 1:
I=(15,24/(L + 38));
Donde:
I= es el coeficiente de impacto (I nunca excederá de 30%)
L= longitud del claro
El factor mayoración (F.M) de las cargas de las ruedas en las vigas de
concreto preesforzado se estima mediante la siguiente ecuación:
F.M= (Ancho del tablero/N° de vigas)/5,5
4.1.1.1.2- Pérdida de preesfuerzo
La ACI recomienda los valores de las pérdidas de preesfuerzo dependientes
de la resistencia del concreto de diseño, donde para concreto 280 Kg/cm²,
350 Kg/cm², 420 Kg/cm², la perdida de preesfuerzo corresponde a 21%, 18%
y 15% respectivamente.
4.1.1.1.3- Dimensionamiento
Diseño de una viga pretensada con base en limites en el esfuerzo del
concreto.
-Viga Tipo AASHTO
Los esfuerzos en el concreto inmediatamente después de la transferencia del
preesfuerzo, antes de las pérdidas de preesfuerzo dependientes del tiempo,
no deben exceder lo establecido en la tabla 1., para los distintos limites de
esfuerzos en el concreto.
TABLA 1. Esfuerzos admisibles en el concreto en elementos preesforzados
sometidos a flexión
1. Los esfuerzos en el concreto inmediatamente después de la
transferencia del presesfuerzo, antes de las pérdidas de preesfuerzo
dependientes del tiempo, no deben exceder lo siguiente:
*Esfuerzo extremo en la fibra extrema a compresión………..0,60 f’ci
*Esfuerzo en la fibra extrema a tensión, excepto por lo permitido en (C)
………………….…………………………………………………………3 √ f ’ ci
*Esfuerzo en la fibra extrema a tensión en los extremos de elementos
simplemente apoyados………….. … …….……………………………6√ f ’ ci C
*Cuando los esfuerzos de tensión calculados excedan estos valores, debe
proporcionarse esfuerzo auxiliar adherido (no preesforzado) en la zona de
tensión, para resistir la fuerza total de tensión en el concreto calculada con
el supuesto de una sección no fisurada.
2. Los esfuerzos en el concreto para las cargas de servicio, después de
tener en cuenta todas las pérdidas de preesfuerzo, no deben exceder lo
siguiente:
*Esfuerzo en la fibra extrema a compresión……………………...0,45 f’ci
*Esfuerzo en la fibra extrema a tensión en la zona de tensión
precomprimido………………………………………………………….6√ f ’ ci
*Esfuerzo en la fibra extrema a tensión en la zona de tensión precomprimida
de los elementos, excepto para los sistemas de losa en dos direcciones, en
los cuales el análisis basado en las secciones fisuradas transformadas y en
las relaciones bilineales momento-deflexión demuestren que las deflexiones
instantáneas y a largo plazo cumplen con las restricciones establecidas en
otras secciones del Código ACI………………………………….... 12√ f ’ ci
3. Los esfuerzos admisibles en concreto, determinados anteriormente,
pueden excederse si se demuestra mediante ensayo o análisis que el
comportamiento de las tensiones no causa daños estructurales.
Norma ACI 18.4
Los esfuerzos en el concreto para las cargas de servicio, después de tener
en cuenta todas las pérdidas de preesfuerzo, no deben exceder de lo
indicado en la tabla anterior.
Aplicando la ecuación se calcula los momentos por carga permanente para
una viga simple apoyada:
Mo=℘∗L ²8
Los módulos requeridos de la sección respecto a la superficie superior e
inferior de la viga de concreto se encuentran a partir de las ecuaciones:
S1≥ Mo+Md+MIR∗fti−fcs ; S2≥ Mo+Md+MIfts−fci∗R
Con estos valores requeridos en la superficie superior e inferior de la viga de
concreto, se adopta el tipo de viga a utilizar, que cumplirá con los
requerimientos y propiedades para las solicitaciones de diseño.
Para este diseño se consideraran las vigas estandarizadas por la norma
AASHTO, como se observa en la figura 1.
Figura 1. Viga I AASHTO, 2000
Figura 4.4 Tipos de vigas
4.2.- Identificar las fallas en el comportamiento estructural de vigas pretensadas y postensadas para el diseño de puentes.
A partir de la fuerza de tensado original, en un elemento de concreto
preesforzado, se presentarán pérdidas que deben considerarse para calcular
la fuerza de presfuerzo de diseño efectivo, que deberá existir cuando se
aplique la carga.
De cualquier modo, la fuerza efectiva no puede medirse fácilmente; sólo se
puede determinar, convencionalmente la fuerza total en los cables, en el
momento de presforzarlos (presfuerzo inicial). El presfuerzo efectivo es
menor que el presfuerzo inicial y a la diferencia entre estos dos valores, se le
llama pérdida de la fuerza de presforzado.
Las pérdidas en la fuerza de presfuerzo se pueden agrupar en dos
categorías:
Aquellas que ocurren inmediatamente durante la fabricación del elemento,
llamadas pérdidas instantáneas y aquellas que ocurren a través de un
extenso periodo de tiempo, llamadas pérdidas diferidas o dependientes del
tiempo. La fuerza de presfuerzo o fuerza de tensado del gato Pt, puede
reducirse inmediatamente a una fuerza inicial Pi debido a las pérdidas por
deslizamiento del anclaje, fricción, relajación instantánea del acero, y el
acortamiento elástico del concreto comprimido. A medida que transcurre el
tiempo, la fuerza se reduce gradualmente, primero rápidamente y luego
lentamente, debido a los cambios de longitud provenientes de la contracción
y el flujo plástico del concreto y debido a la relajación diferida del acero
altamente esforzado.
Después de un periodo de varios meses, o años, los cambios posteriores en
los esfuerzos llegan a ser insignificantes, y se alcanza una fuerza pretensora
constante, definida como la fuerza pretensora efectiva o final Pf.
Para calcular las diferentes pérdidas de preesfuerzo:
.
Las pérdidas de presforzado en miembros construidos y preesforzados en
una sola etapa, pueden tomarse como el código ACI 318:
En miembros pretensados:
D PT = D AE+ D CC + D FP + D RE 1En miembros postensados:
D PT = D FR + D DA + D AE + D CC + D FP + D RE 2
Donde:
D = Delta
D PT = pérdida total (kg/cm2)
D FR = pérdida debido a fricción (kg/cm2)
D DA = pérdida debido al deslizamiento del anclaje (kg/cm2)
D AE = pérdida debido al acortamiento elástico (kg/cm2)
D CC = pérdida debido a la contracción (kg/cm2)
D FP = pérdida debido al flujo plástico del concreto (kg/cm2)
D RE = pérdida debido a la relajación del acero (kg/cm2)
En la Tabla A, se muestran los diferentes tipos de pérdidas que existen y en
que etapa ocurren.
Tabla 2. Tipos de pérdidas de presfuerzo
TIPO DE PERDIDA ETAPA DE OCURRENCIA
ETAPA DE OCURRENCIA
Elementos pretensados Elementos postensados
Deslizamiento del anclaje ------ En la transferencia
Acortamiento elástico del
concreto
En la transferencia Al aplicar el postensado
Relajación instantánea del
acero
Antes de la transferencia
------
Fricción ------ Al aplicar el postensado
Contracción del concreto
Después de la transferencia
Después de la transferencia
Flujo plástico del concreto
Después de la transferencia
Después de la transferencia
Relajación diferida del acero
Después de la transferencia
Después de la transferencia
Se deberá hacer, todos los chequeos que sean necesarios dictados por el
ACI 318 para que la vigueta cumpla y pueda ser utilizada.
Además se desarrollará el procedimiento paso a paso, que dicta el ACI 318,
para la fabricación de una vigueta pretensada.
Tabla 3. Rango de luces según el tipo de estructura
TIPO DE ESTRUCTURA
MATERIAL RANGO DE LUCES
(m)
LOSAS
C. ARMADO
C. PREESFORZADO
0 – 12
10 - 40
VIGAS
C. ARMADO
C. PREESFORZADO
ACERO
12 – 25
25 – 325
30 - 300
ARCO
CONCRETO
ACERO
ACERO RET.
80 – 390
130 – 400
240 - 520
RETICULADO ACERO 100 - 600
ATIRANTADO
CONCRETO
ACERO
50 – 450
100 - 1000
COLGANTE ACERO 300 - 2000
En el método de presfuerzo los cables se tensan antes de colar el concreto.
El objetivo es el aumento de la resistencia del concreto a tracción,
introduciendo un esfuerzo de compresión interno que contrarreste en parte el
esfuerzo de tracción que producen las cargas de servicio en el elemento
estructural.
El concreto pretensado consiste en eliminar los esfuerzos de tracción del
concreto.
En el concreto pretensado la armadura es una fuerza creada artificialmente
con el único fin de conseguir que la sección entera trabaje a compresión,
eliminándose los esfuerzos de tracción y por tanto la fisuración es menor.
PRETENSADO EN BANCO O PRETENSADO CON ADHERENCIA INMEDIATA
Es aquel que lleva a cabo en las piezas pre-fabricadas. Como dijimos
anteriormente, se requieren plantas donde se coloca el cable en el molde de
la pieza; se pone en tensión; luego se fragua y cuando el hormigón está seco
y ha endurecido se cortan los extremos del cable.
En general los cables son rectos, pero podemos formar torones en forma
helicoidal o poligonal, dependiendo del tipo de resistencia, ya que esto
aumentará la fuerza de soporte obteniéndose un estado de pretensión
circunferencial.
PRETENSADO CON ADHERENCIA POSTERIOR
Se basa en un método del postensado, ya que requiere que la estructura de
concreto tenga tubos por donde circularan los torones; dichas vainas
incluidas en la pieza de concreto, permitirán la inserción de los cables para
pretensado.
Estos se ponen en tensión mediante gatos. Alcanzada la tensión se anclan
los cables a la estructura a través de anclajes. Ahora lo que lo hace
pretensado es que el espacio entre la vaina y el cable se rellena inyectando
mortero.
VENTAJAS DEL SISTEMA PRETENSADO
.-Eliminación de fisuras por estar sometido a esfuerzos de compresión bajo
todas las hipótesis de carga.
.-Comportamiento elástico y utilización de la sección total.
.-Permite salvar grandes claros. .-Ahorro de acero.
.-Aligeramiento de la construcción y, por tanto, reducción de las secciones de
elementos sustanciales como pilares y cimientos.
.-Eleva la durabilidad de la construcción.
.-Problemas con el transporte de los elementos preforzados puede encarecer
el montaje.
.-La inversión inicial es mayor por la disminución en los tiempos de
construcción.
.-Es necesario un diseño relativamente especializado de conexiones, uniones
y apoyos.
.-Se debe planear y ejecutar cuidadosamente el proceso constructivo, sobre
todo en las etapas de montaje y colados en obra.
PROCESO CONTRUCTIVO DE POSTENSADO Y PRETENSADOS
.-Encofrado de losa
.-Se traza la ubicación de cada cable.
.- Instalación de la malla inferior de losa.
.-Se coloca el ducto plano sobre apoyos de acero para dar la curvatura
respectiva al cable según el tipo de anclaje del diseño.
.-Se introducen los torones en cada ducto.
.-Se instalan en los extremos, las cajuelas de madera, así como también los
accesorios y refuerzos que van en los extremos.
.-Instalación de la malla superior de losa.
.-Se tensa el cable con una fuerza de 195 KN (por cable).
.-Se inyecta la lechada a través de una manguera ubicada en los extremos.
.-Se procede a rellenar con grout los agujeros dejados por las cajuelas de
madera y se le da el acabado.
.-Se realiza el vaciado de la losa.
.-Se desencofra las cajuelas.
Nota: el proceso constructivo del postensado es similar, la diferencia es que
el tensado es después del fraguado del concreto y también se tendría que
checar si es con sistema adherente o no adherente
- De acuerdo a los estudios realizados para el comportamiento
estructural y las características estructurales con vigas estandarizadas
AASHTO y que serán comprobados en este proyecto, las fallas en el
comportamiento estructural de vigas pretensadas y postensadas va a
depender de la longitud de luz de las mismas para su utilización
constructiva, como se muestra en la siguiente comparación entre
ellas:
Comparación del comportamiento estructural entre viga pretensada y postensada:
Viga postensada < 20 mts :
- Su puesta en servicio en mas rápida, ya que su valor de resistencia
del concreto es menor que el de la viga pretensada, con respecto a la
aplicación de la fuerza de preesfuerzo.
- Requiere menor fuerza de preesfuerzo y mayor excentricidad, lo que
resulta más económica en su utilización.
- El área de preesfuerzo requerida para satisfacer la fuerza de
preesfuerzo es menor, lo que permite definir una menor cantidad de
tendones para menor cantidad de alambre, lo cual la hace más
eficiente. la viga postensada satisface todos los requerimientos con
menor área de preesfuerzo.
- De acuerdo con los esfuerzos mínimos y máximo admisibles para este
tipo de diseño son menores a los estipulados para este tipo de diseño,
por lo cual la viga postensada tiene un mejor comportamiento
estructural, lo que le permite que en caso de ocurrir una pérdida de
preesfuerzo adicional aun esta se mantenga dentro de los valore
límites permisibles.
Viga pretensada >20 mts:
- La puesta en servicio de vigas pretensadas para una determinada
sección de diseño, presenta una resistencia del concreto menor al que
presenta la viga postensada, de allí que su utilización sea en menor
tiempo.
- Los valores de la fuerza de preesfuerzo y de excentricidad para este
tipo de viga pretensada es menor que el que se obtiene con la viga
postensada, de allí que resulte más económica su utilización para las
mismas.
- El área de preesfuerzo requerida para satisfacer la fuerza de
preesfuerzo en la viga pretensada es menor a la que se requiere en
vigas postensadas, lo que al momento de definir la cantidad de
tendones que se requieren para cada caso resulta en menor número
en su distribución, de allí que la viga pretensada satisfaga estos
requerimientos con menor área de preesfuerzo.
- La viga pretensada presenta un mejor comportamiento estructural con
relación al comportamiento de la viga en base a los esfuerzos del
concreto, y en el momento de producirse las perdidas en las fuerzas de
preesfuerzo, donde actúan el propio peso de la viga, la carga variable y
la carga permanente, manteniéndose por debajo de los límites
permisibles para estos esfuerzos.
La vigas deberán ser diseñada de tal forma que al ponerla en servicio se
deberá cargar de tal forma que las cargas a la que se le somete no deben
ser excesivas para que las deflexiones no le causen daños posteriores y
que las pérdidas sean mínimas.
Comportamientos esperados de la viga después de haberla puesto en servicio.
Para cargas no excesivas el comportamiento es elástico, las deformaciones
son recuperables y sensiblemente proporcionales según estudios realizados
Más allá de un cierto valor, que marca el estado límite de fisuración las
deformaciones crecen más rápidamente, al mismo tiempo que aparecen
fisuras en las fibras extremas de la viga tensionadas por la flexión, la rigidez
a la flexión disminuye.
El aplastamiento no es la causa de la rotura esta se produce porque el
hormigón no es capaz de seguir el alargamiento del acero.
También es posible, en el caso de los tirantes, que aparezca la rotura frágil
si la resistencia a tracción del hormigón que envuelve las armaduras.
Representan una parte suficiente de su fuerza de ruptura. En el momento
de la fisuracion del hormigón, el acero no puede soportar el aumento de
tensión a que queda sometido, y se rompe bruscamente, los elementos que
presentan tal fragilidad son peligrosos, pues no avisan su rotura.
A continuación se muestra un diagrama de rotura de una viga pretensada:
En lo referente a la vida útil de las vigas pretensadas, se ha considerado, que
cuando se diseña y fabrica bajo los más estrictos controles, la vida útil
esperada puede ser mayor de los treinta años.
Lo anterior es únicamente una aproximación ya que cada vigueta tendrá
condiciones diferentes dependiendo del tipo de carga a que va ser sometida.