Definición

    El presfuerzo puede definirse como la imposición de esfuerzos internos que son de carácter opuesto (tensión) a los causados por las cargas de servicio. Significa la creación intencional de esfuerzos permanentes en una estructura o conjunto de piezas, con el propósito de mejorar su comportamiento y resistencia bajo condiciones de servicio y de resistencia. Los principios y técnicas del presforzado se han aplicado a estructuras de muchos tipos y materiales, la aplicación más común ha tenido lugar en el diseño del concreto estructural.

    Una de las mejores definiciones para el concreto presforzado es la de Comité de Concreto Presforzado del ACI (American Concrete Institute):

"Concreto en el cual han sido introducidos esfuerzos internos de tal magnitud y distribución que los esfuerzos resultantes de las cargas externas dadas se equilibran hasta un grado deseado."

        A continuación, en la Figura 1 se muestra un ejemplo de viga presforzada:

Figura 1 - Viga Presforzada

El presforzado se puede clasificar según:

• El momento de tensionamiento de las barras con respecto al vaciado del concreto. Por lo tanto puede ser pretensado o postensado.

• La relación entre el concreto y los cables que generan las fuerzas de presforzado; entonces puede ser: adherido o no adherido.

• La localización de los elementos que generan las fuerzas de presforzado, entonces puede ser exterior o interior.

Tipos

• Pretensado

    El método es simple y económico debido a la ausencia de anclajes, de ductos y de inyección. Otra ventaja es la gran calidad de los elementos cuyas condiciones de fabricación, mano de obra, equipos y materiales son perfectamente controlados durante todo el proceso.

    Una desventaja es que no permite gran concentración de los aceros pues se necesita un recubrimiento importante de los torones para transmitir la fuerza del presforzado por adherencia y tampoco es posible escoger trazados de cables curvilíneos que son mejores para balancear las cargas por gravedad.

    El pretensado se caracteriza principalmente por el hecho de que las barras son tensados antes del vaciado de concreto. Su construcción se hace en un banco de prefabricación donde los aceros son tensados entre apoyos rígidos. Se funde la pieza de concreto y una vez fraguado o alcanzada una determinada resistencia se liberan los torones lentamente, los cuales transmiten su fuerza al concreto por adherencia.

    En la Figura 2 mostrada observamos un tipo de Vigueta Pretensada:

Figura 2 - Vigueta Pretensada

• Postensado

    El método consiste en colocar en los encofrados unos cables de acero al interior de unos ductos, colocando posteriormente el concreto. Una vez este ha fraguado, se tensionan los cables, los cuales pueden deslizarse dentro de los ductos, con ayuda de unos gatos colocados en los extremos y que se apoyan sobre el concreto. En seguida, se bloquean las extremidades y los cables quedan así tensionados.

    Las barras pueden estar en el ducto antes del vaciado del concreto, o, se pueden introducir después del vaciado, antes del tensionamiento, halados o empujados en los ductos.

   El método tiene ventajas como la concentración del acero, la reducción del peso propio, la continuidad de los aceros, diferentes posibilidades del trazado de cables. Además este método puede ser utilizado en estructuras vaciadas in situ o prefabricadas.

    La desventaja se puede presentar durante el proceso de vaciado debido a que existe el peligro de que el ducto o la coraza se deformen o se rompan, generando problemas para introducir las barras, o, si ya estaban colocados, pueden impedir que una parte del cable entre en tensión.

    Los elementos Postensados lucen como en la Figura 3:

Figura 3 - Losa Postensada

• Presforzado adherido o no adherido

    En el pretensado los cables se encuentran íntimamente adheridos al concreto. El comportamiento de este concreto es similar al comportamiento del concreto reforzado en estado fisurado, es decir, que las fisuras se van a repartir a lo largo del elemento.

    En el concreto postensado, una vez tensionados los cables que se encuentran en el ducto, pueden ocurrir dos casos. El primero: que el ducto sea inyectado con un mortero de tal manera que las barras van a quedar adheridos al concreto a través del mortero y del ducto, siempre y cuando éste cumpla con ciertas especificaciones. En el segundo caso no se inyectan los ductos, por lo que las barras no se adhieren al concreto.

    El concreto presforzado no adherido requiere de especial atención pues no se puede permitir la formación de fisuras, es decir, que no puede haber tracciones. También este concreto es sensible a otras solicitaciones tales como incendios.

• Interior

    Es aquel donde los cables o barras que generan las fuerzas de presforzado se encuentran incorporados en el concreto. Es el sistema más empleado para construcciones nuevas. La gran ventaja es la protección de que goza el acero de alta resistencia tan sensible a la corrosión y a los ladrones.

• Exterior

    Los cables o barras que generan las fuerzas de presforzado se adicionan exteriormente al concreto. Se utilizan principalmente para reparar y repotenciar estructuras, para el balanceo de cargas utilizando mayor altura que la del elemento en concreto y para reforzar tanques y tuberías, entre otros.

Ventajas y Desventajas

Dentro de las ventajas hallamos las siguientes:

• Es recomendable su uso en estructuras impermeables o en aquellas expuestas a agentes agresivos; hecho que tiene lugar por eliminarse las fisuras estando los elementos sometidos a esfuerzos de compresión bajo todas las hipótesis de cargas.

• La escasa o nula fisuración posibilita que la sección del elemento trabaje íntegramente. Por consiguiente toda ella se considera útil o efectiva. –  La sección se desempeña en el rango elástico; lo que de alguna manera redunda en una mayor flexibilidad en el elemento, al limitarse los efectos de fluencia y retracción.

• Posibilita ahorro de acero al utilizar totalmente la armadura hasta cerca de su límite elástico (aceros de elevado límite elástico) y, como consecuencia: una reducción en la cuantía de acero de refuerzo.

• Se consiguen reducciones considerables de las dimensiones de las secciones de los elementos, y por tanto: aligeramiento de la estructura, lo que a su vez redunda en una reducción de la masa dinámica y por tanto de los niveles en los esfuerzos de diseño.

• El uso de concreto presforzado permite que los elementos cubran grandes claros con pequeños niveles de peralte, lo que trae como consecuencia una reducción en el consumo de materiales.

• Al limitarse los niveles de fisuramiento se eleva la durabilidad de la construcción.

Las desventajas que puede presentar:

• Para su fabricación se requieren equipos e instalaciones especiales; que se necesitan materiales (acero y concreto) de altas prestaciones, lo que infiere por este concepto elevados costos; que se requiere personal calificado en el proceso de construcción y montaje; que es necesaria la consideración de elevados procesos de control de calidad, tanto en el proceso de producción como en el de la puesta en obra, y que por lo general se requiere el desarrollo de sofisticados proyectos de ingeniería, en los que se especifiquen a detalle estrictos procesos constructivos.

• Se requiere un control de calidad más estricto en la fabricación.

• Pérdidas en las fuerzas de presfuerzo inicial. Cuando se aplican las fuerzas de compresión al concreto debido al presfuerzo, se presenta un cierto acortamiento que relaja parcialmente los cables. El resultado es cierta reducción en la tensión en los cables con una pérdida resultante en las fuerzas de presfuerzo.

• En el diseño deben revisarse condiciones adicionales de esfuerzo, tales como los esfuerzos que se presentan cuando se aplican por primera vez las fuerzas iniciales de presfuerzo y luego después de que han ocurrido las pérdidas del presfuerzo, así como los esfuerzos que se presentan por las diferentes condiciones de carga.

• El costo de los dispositivos de anclaje terminales y de las placas de extremo de viga que se requieren.

Proceso

    Para fabricar elementos pretensados, es necesario primero colocar el fondo de la cimbra y una vez hecho esto agregar desmoldante. Los cables o barras deben ser colocados y tensados por medio de máquinas y el elemento es vibrado en molde y extrusado. Terminado todo esto se debe cubrir con lonas para ser curado al vapor, luego revisado e inspeccionado, extraído y resanado antes de ser almacenado.     

    En resumen este es el procedimiento de fabricación, pero esto varía dependiendo del tipo de presforzado y se tienen los siguientes procesos:

• Pretensado

    Los tendones, generalmente son de cable torcido con varios torones de varios alambres cada uno, se restiran o se tensan entre apoyos. Se mide el alargamiento de los tendones, así como la fuerza de tensión aplicada con los gatos. 

    Con la cimbra en su lugar, se vacía el concreto en torno al tendón esforzado. A menudo se usa concreto de lata resistencia a corto tiempo, a la vez que es curado con vapor de agua, para acelerar el endurecimiento. 

    Después de haberse logrado la resistencia requerida, se libera la presión de los gatos. Los torones tienden a acortarse, pero no lo hacen por estar ligados al concreto por adherencia. En esta forma la fuerza de presfuerzo es transferida al concreto por adherencia, en su mayor parte cerca de los extremos de la viga.

    Con frecuencia se usan uno, dos o tres depresores intermedios del cable para obtener el perfil deseado. Estos dispositivos de sujeción quedan embebidos en el elemento al que se le aplica el presfuerzo.

• Postensado

    Cuando se hace el presforzado por postensado, generalmente se colocan en los moldes de las vigas ductos huecos que contienen a los tendones no esforzados, y que siguen el perfil deseado, antes de vaciar el concreto. Los tendones pueden ser alambres paralelos atados en haces, cables torcidos en torones, o varillas de acero. 

    El ducto se amarra con alambres al refuerzo auxiliar de la viga (estribos sin reforzar) para prevenir su desplazamiento accidental, y luego se vacía el concreto. Cuando éste ha adquirido suficiente resistencia, se usa la viga de concreto misma para proporcionar la reacción para el gato de esforzado.La tensión se evalúa midiendo tanto la presión del gato como la elongación del acero. los tendones se tensan normalmente todos a la vez ó bien utilizando el gato monotorón. 

    Normalmente se rellenen de mortero los ductos de los tendones después de que éstos han sido esforzados. Se forza el mortero al interior del ducto en uno de los extremos, a alta presión, y se continua el bombeo hasta que la pasta aparece en el otro extremo del tubo. 

    Cuando se endurece, la pasta une al tendón con la pared interior del ducto.

Anclajes

        Los anclajes activos son un conjunto de elementos que reciben la fuerza del tensado de los tendones de pretensado y la trasmiten a la estructura, además de mantener la tensión deseada durante toda la vida útil del tendón.

El anclaje compacto permite: 

• Mejorar la concentración de anclajes en cabeceros.

• Desviación mínima del trazado de cables.

• Disminuir el espesor de las almas de las vigas y cajones.

        Los anclajes pasivos son aquellos desde los que no se realiza la puesta en tensión.  Poseen características similares a los anclajes activos , siendo pasivos por dispersión de la fuerza de pretensado. 

Aplicaciones y Usos

    Dentro de las aplicaciones del concreto presforzado se destacan las superestructuras que puede que cuesten un poco más de lo normal pero pueden brindar mayor seguridad en la estructura. Los ejemplos de la aplicación del concreto presforzado son: 

• Trabes, losas y columnas: Para resistir las flexiones y cortantes.

• Puentes construidos por voladizos: Para rigidizar la fase ya construida y para resistir las flexiones y cortantes en la fase de servicio.

• Puentes Empujados: Para unir dovelas entre si y para resistir las flexiones y cortantes durante el empujado y en servicio.

• Puentes por dovela prefabricadas: Para unir dovelas entre si y para tomar flexiones y cortantes en servicio.

• Puentes y otras estructuras atirantadas: Para soportar el peso de la superestructura con el terreno y evitar hundimientos y colapsos del mismo.

Aplicación del concreto presforzado en una superestructura, mostrado en la Figura 4:

Figura 4 - Superestructura Presforzada

Entre los sistemas que se utilizan para puentes de concreto presforzado tenemos:

• Losas extruidas o alveolares pretensadas con losa colada en sitio.

• Vigas T, I o cajón con losa colada en sitio.

• Vigas pos tensadas con losa, ambas coladas en sitio. Vigas de sección cajón, de una sola pieza o en dovelas, pretensadas o postensadas.

• Las losas extruidas o alveolares pueden ser utilizadas en claros cortos, menores que 8m, aunque tienen una gran desventaja; al no tener acero de refuerzo, pueden presentar una falla frágil por cortante ante cargas extraordinarias. Por ello, deben considerarse factores de carga mucho mayores para evitar que una vez que se rebase el cortante resistente del concreto ocurra la falla del puente.

• Al igual que para las losas extruidas prefabricadas, sobre las superestructuras formadas por vigas pretensadas T, I de AASHTO o cajón, se cuela en sitio la losa. 

• Para claros cortos, menores que 25m, la sección T es muy efectiva, y para claros mayores, las secciones I o cajón con aletas son más eficientes. La trabe cajón con aletas debe su gran eficiencia a tres factores principales: 

• Mayor rigidez tensional que evita, en la mayoría de los casos, el uso de diafragmas intermedios.


• Ancho inferior para albergar más torones y así proporcionar mayor excentricidad al presfuerzo aumentando los esfuerzos y el momento resistente de la sección.


• La presencia de las aletas elimina el uso de la cimbra para colar la losa y permite el empleo de un menor peralte de la misma (15cm) comparado con el requerido para una viga I (18 cm).

• Los puentes con sistemas postensados son cada vez menos empleados, sobre todo en ciudades, por el tiempo que debe permanecer la cimbra obstaculizando el tráfico vehicular. Sin embargo, es un sistema eficiente en zonas de difícil acceso para elementos largos o en sitios lejanos a las plantas de fabricación donde se encarece el transporte y el montaje. Cuando el elemento postensado se fabrica en el sitio, la losa se cuela al mismo tiempo que la trabe; cuando se fabrica a pie de obra, la losa se colara en una segunda etapa sobre el elemento ya montado.

• Por último, secciones prefabricadas tipo cajón de grandes dimensiones de una sola pieza o en dovelas, son muy eficientes debido a su bajo peso y a su rigidez. Estas secciones se usan en puentes atirantados y empujados.

Elaborado por:

Sofía Bericoto Núñez y Jesús Rondón Centeno.