VIII Congreso Nacional de Propiedades Mecnicas de Slidos, Gandia 2002 641-650

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ANLISIS DE LA INFLUENCIA DEL NIVEL DE TESADO DECORDONES PRETESOS EN EL COMPORTAMIENTO ADHERENTEDURANTE LA TRANSMISIN DEL PRETENSADO Y AL SOLICITAREL ANCLAJE

J.R. Mart, P. Serna, M.. Fernndez, P. Miguel

Departamento de Ingeniera de la Construccin y de Proyectos de Ingeniera CivilUniversidad Politcnica de Valencia. Camino de Vera, s/n. 46071 Valencia

RESUMENSe analiza mediante ensayo en laboratorio la influencia de la variacin de la fuerza de

tesado en los deslizamientos durante la fase de destesado y durante la fase de arrancamiento,as como en la fuerza de arrancamiento alcanzada, puesto que a un menor nivel de tesado lecorresponden menores tensiones en el hormign y menor contribucin del efecto Poisson ydel efecto Hoyer.

Para ello se ha ensayado una serie de probetas prismticas pretensadas con armaduraspretesas mediante un cordn de 7 alambres centrado. Las probetas son de seccin cuadrada de10 cm de lado y todas tienen la misma longitud adherente. Los niveles de tesado del cordnanalizados son (en porcentaje de la carga unitaria mxima caracterstica): 75%, 50%, 25% y13%. Las probetas de la serie proceden de la misma amasada y han sido sometidas acondiciones de compactacin idnticas.

Se emplea el mtodo de ensayo ECADA, puesto que permite reproducir de manerasecuencial sobre una misma pieza de hormign las operaciones de transmisin del pretensadoy de puesta en servicio, de tal modo que es posible analizar el comportamiento adherente portransmisin y por anclaje.

Se analiza la relacin entre los deslizamientos producidos justo al destesar y el nivel detesado, observndose un buen ajuste mediante un acuerdo parablico, aumentando losdeslizamientos a mayor nivel de tesado previo.

En los resultados de la operacin de arrancamiento queda manifiesta la influencia delnivel de tesado en los deslizamientos en ambos extremos del cordn al arrancar. Sin embargo,no se aprecia influencia del nivel de tesado en la fuerza de arrancamiento alcanzada. En todoslos casos se produce la rotura del cordn tras la plastificacin.

Finalmente, se analizan las curvas [fuerza en extremo arrancamiento] frente al[deslizamiento del cordn en uno de los dos extremos (arrancamiento y transmisin,respectivamente)], pudiendo observarse un comportamiento adherente rgido-plstico entodos los casos. As, primeramente se desarrolla una rama marcadamente vertical hasta que sealcanza un determinado valor de fuerza en el cordn, distinto para cada probeta, de forma quecuando se supera este valor el incremento de fuerza en el cordn va acompaado de un grandesarrollo de deslizamientos, finalizando la curva con una rama sensiblemente horizontal.

Tanto la pendiente de la rama inicial como el valor mximo alcanzado en dicha ramason mayores para nivel de tesado mayor, lo que demuestra que el comportamiento adherentedepende considerablemente de la diferente contribucin del efecto Poisson y del efecto Hoyer.

Palabras clavesAdherencia, hormign pretensado, armadura pretesa, tesado

Mart, Serna, Fernndez y Miguel

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1. INTRODUCCIONLa tcnica de pretensado del hormign mediante armaduras pretesas comprende, a

grandes rasgos, las siguientes fases (Calavera (1999) [1]): Tesado de la armadura: es la operacin mediante la cual se aplica una tensin de

traccin a la armadura, quedando sta anclada en sus extremos mediante anclajesprovisionales sobre una mesa de pretensado.

Hormigonado del elemento (vertido y compactacin). Destesado de la armadura: es la operacin mediante la cual se transmite la fuerza de

pretensado de las armaduras pretesas al hormign, y se efecta liberando dichasarmaduras de los anclajes provisionales dispuestos en sus extremos una vez endurecidoel hormign y alcanzada una resistencia suficiente.As, mediante esta tcnica, la transmisin de la fuerza de pretensado al hormign se

realiza por adherencia. No obstante, cabe distinguir dos mecanismos en el comportamientoadherente de los cordones de pretensado (den Uijl (1992) [2] y Vandewalle y Mortelmans(1994) [3]): adhesin y friccin. Primeramente acta el mecanismo de adherencia poradhesin, que se desarrolla por la interconexin fsico-qumica de partculas de pasta decemento con la rugosidad a nivel microscpico de la superficie de contacto de la armaduracon el hormign.

Tras un pequeo desplazamiento relativo (deslizamiento) de la armadura en relacincon el hormign se manifiesta el mecanismo de adherencia por friccin. Dicho deslizamientoconlleva la rotura del mecanismo de adherencia por adhesin. El mecanismo de friccindiferencia notablemente el comportamiento adherente de cordones frente al de alambres lisos(figura 1).

El mecanismo de adherencia por friccin slo se desarrolla si se generan tensiones decompresin radiales (Tepfers (1973) [4]), perpendiculares a la superficie de la armadura, lascuales pueden ser originadas por diferentes causas:

Figura 1. Diagrama tensin de adherencia-deslizamiento para alambres lisos y cordones lisos.FIB 2000 [5].

Efecto Poisson: los cambios en la tensin longitudinal de la armadura implicandeformaciones transversales. Con el tesado se produce un alargamiento de la armaduray una reduccin de su seccin transversal. Al destesar (tras el hormigonado) seproducen prdidas de tensin en el cordn, lo que motiva un aumento de su seccintransversal que, al quedar confinado por el hormign circundante, origina tensionesradiales sobre l.

Se denomina efecto Hoyer (Hoyer y Friedrich (1939) [6]) a la manifestacin delefecto Poisson en las zonas extremas de los elementos pretensados, en los que la tensinen la armadura se anula progresivamente (figura 2). Segn Tassi (1992) [7] y den Uijl

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(1992) [8] no es posible estudiar separadamente de otros factores la contribucin delefecto Hoyer en la adherencia.

Figura 2. Efecto Hoyer en el extremo de una armadura. Leonhardt (1980) [9].

Efecto de acuamiento debido a la variacin longitudinal de la forma de la seccin, nocircular, del cordn: el cordn desliza a travs de un canal en el interior del hormigncuya seccin no es congruente con la del cordn.

El trazado helicoidal de los alambres exteriores del cordn: el paso de la hlice varacon los cambios en la tensin longitudinal de los alambres del cordn, contribuyendo aaumentar por contacto las tensiones de compresin.

La existencia de pequeas partculas de cemento que quedan trabadas entre la armaduray el hormign tras la rotura de la adhesin.

Retraccin del hormign. Fuerzas de compresin externas.

1.1. Naturaleza de los deslizamientosSi se produce adherencia la tensin en la armadura variar desde un valor nulo en el

extremo hasta un valor mximo constante a partir de una cierta distancia del extremo. Estatransmisin de esfuerzos conlleva un estado de compresin en el hormign que evolucionadel mismo modo, provocando acortamientos. As, suponiendo que la longitud del elementopretensado es suficiente como para que exista compatibilidad de deformaciones entrearmadura y hormign, la armadura queda con una tensin spi tras el destesado, inferior a sp0debido a las prdidas por acortamiento instantneo del hormign.

La prdida de tensin que se produce en la armadura como consecuencia del destesadoconlleva el correspondiente acortamiento de la misma, siendo ste ms acusado en losextremos del elemento dado que las prdidas de tensin son mayores. As, dependiendo delcomportamiento adherente por adhesin y friccin Tassi (1992) [7], se producendesplazamientos relativos (deslizamientos) entre la armadura y el hormign.

Generalmente la tensin de tesado (spt) de la armadura suele adoptar valores en torno al75% de la capacidad nominal de la misma. Como la tensin de la armadura tras el destesado(spi) es menor que la tensin de tesado, adems de que se van produciendo prdidas diferidasde pretensado hasta llegar a sp (tensin en la armadura a tiempo infinito), se dispone de unareserva de traccin de la armadura hasta agotar su capacidad resistente (anclaje). Esta reservapuede ser solicitada al incrementar la traccin de la armadura mediante la aplicacin deacciones exteriores sobre el elemento pretensado. El aumento de esfuerzos de traccin slo sepuede desarrollar por adherencia, producindose igualmente deslizamientos entre la armaduray el hormign.

1.2. Investigaciones previasCEB (1982) [10] y CEB (1987) [11] indican que la transmisin del pretensado por

adherencia es un fenmeno complejo que depende de multitud de parmetros como:

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Caractersticas superficiales de las armaduras (lisas, indentadas, oxidadas, ...) Tipo (alambre, cordn) y dimetro de la armadura Resistencia del hormign en el momento de la transmisin Retraccin y fluencia del hormign Grado de compactacin del hormign Procedimiento de destesado (gradual o brusco) Tiempo transcurrido desde el destesado Tipo de cargas aplicadas (estticas, cclicas, impactos, ...) Efectos de confinamiento Recubrimiento de hormign Distancia entre armaduras Posicin de las armaduras en la seccin Tipo de curado del hormign

Vzquez (2000) [12] indica, adems, los siguientes parmetros: Tipo de hormign: tipo de rido y tipo y cantidad de los componentes Orden de destesado de las armaduras de una seccin Tipo de pretensado (centrado / excntrico) Nivel de tesado Tipo de lubricante empleado durante el proceso de trefilado Relacin agua/cemento Consistencia del hormign Rigidez del hormign Enfundado de la armadura Aplicacin de recubrimiento epoxi a la armadura Cercana del elemento de hormign a la zona desde la que se procede al destesado Longitud libre de armadura entre elementos de hormign A efectos de anclaje: resistencia del hormign a la edad de carga, prdidas de

pretensado y tensin del pretensado en rotura.

Existen muchas contradicciones en relacin con la influencia de algunos de estosparmetros en la adherencia. La influencia en la adherencia de las armaduras pretesas deparmetros como el grado de compactacin del hormign, la consistencia del hormign o lautilizacin de aditivos y/o adiciones, entre otros, no ha sido abordada hasta la fecha de formaexplcita. La influencia del nivel de tesado nicamente se ha estudiado de forma experimentalconsiderando la transmisin del pretensado, pero no el anclaje de la armadura. As, FIB(2000) [5] indica que la tensin de adherencia depende considerablemente de la deformacintransversal de la armadura (efecto Poisson) y, por tanto, del nivel de tensiones, pero esto slolo aplica al fenmeno de transmisin del pretensado.

La falta de estudios se explica por la ausencia de un ensayo que permita reproducir demanera secuencial sobre una misma pieza de hormign las operaciones de transmisin delpretensado y de puesta en servicio, de tal modo que sea posible analizar el comportamientoadherente por transmisin y por anclaje.

La puesta a punto del mtodo de ensayo ECADA (Mart [13] y Mart et al. [14]) nos hapermitido analizar estos fenmenos, puesto que este mtodo de ensayo permite reproducir demanera secuencial sobre una misma pieza de hormign las operaciones de transmisin delpretensado y de puesta en servicio, a los efectos de analizar el comportamiento adherente portransmisin y por anclaje. El ensayo ECADA se fundamenta en el control de la fuerza de la

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armadura en un sistema dispuesto en el extremo de probeta opuesto al extremo desde el que serealiza la transmisin del pretensado.

2. PARTE EXPERIMENTALSe pretende analizar la influencia de la variacin de la fuerza de tesado en los

deslizamientos durante la fase de destesado y durante la fase de arrancamiento, as como en lafuerza de arrancamiento alcanzada, puesto que a un menor nivel de tesado le correspondenmenores tensiones en el hormign y menor contribucin del efecto Poisson y del efectoHoyer.

Se ha ensayado una serie de probetas prismticas pretensadas con armaduras pretesasformadas por un cordn de 7 alambres centrado. Las probetas son de seccin transversal de10x10 cm2 y de 45 cm de longitud adherente. La edad de destesado es de 24 h, y tanto eldestesado como el arrancamiento se realizaron de forma gradual.

Los niveles de tesado del cordn analizados han sido (en porcentaje de la carga unitariamxima caracterstica): 75%, 50%, 25% y 13%. Las probetas de la serie proceden de lamisma amasada y han sido sometidas a condiciones de compactacin idnticas.

La dosificacin empleada es:Cemento CEM I 52.5 R: 500 kg/m3

Relacin agua /cemento: 0.3Aditivo Isocron FM-206: 2% sobre peso de cementorido 5/10 calizo machacado: 984 kg/m3

Arena 0/4 caliza rodada lavada: 907 kg/m3

Se han empleado cordones de acero de pretensar UNE 36094:97 Y 1860 S7 13.0,fabricados por Emesa-Trefilera, S.A. El cordn ensayado corresponde a la colada 131173,bobina 201118305, suministrada al Grupo Prevalesa. Las principales caractersticas recogidasen el certificado de calidad del fabricante son: seccin 99.92 mm2, carga de rotura 196.7 kN,lmite elstico a 0.2% 174.4 kN, mdulo de elasticidad 194200 N/mm2.

La designacin de las probetas se realiza del siguiente modo:NN_LA_NT

con:NN nmero de identificacin de la probetaLA longitud adherente de la probeta, en cmNT nivel de tesado en %fpmxk (carga unitaria mxima caracterstica)

3. RESULTADOS Y DISCUSINEn la designacin de las probetas se indica el nivel de tesado nominal, en porcentaje

sobre la carga unitaria mxima caracterstica, si bien en algunos grficos se ha representado elnivel de tesado justo al inicio del ensayo.

En primer lugar en el grfico 1 se presenta la prdida de fuerza de pretensado en elcordn durante el destesado. Puede apreciarse que se produce transmisin completa delpretensado en todos los casos y que las prdidas de fuerza en el extremo de arrancamiento trasel destesado son menores a menor nivel de tesado.

En el grfico 2 se muestra la relacin entre los deslizamientos producidos al destesar yel nivel de tesado. Puede observarse el buen ajuste que se obtiene mediante un acuerdoparablico.

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Grfico 1

SERIE 9DESLIZAMIENTOS EN EXTREMO TRANSMISIN

AL DESTESAR vs NIVEL DE TESADOy = 0,0001x2 + 0,0019x + 0,01

R2 = 0,9987

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Tesado (% sobre carga unitaria mxima caracterstica)

Desl

izam

iento

(m

m)

Grfico 2

En el grfico 3 se muestra: la fuerza de arrancamiento, definida como la mxima fuerza alcanzada en el cordn

durante la fase de arrancamiento; los deslizamientos en ambos extremos del cordn, en el instante en el que se alcanza la

fuerza arrancamiento (instante de arrancamiento), producidos exclusivamente durante la

SERIE 9PRDIDAS DE FUERZA EN EXTREMO ARRANCAMIENTO

0

2

4

6

8

10

25_45 26_45_50% 27_45_25% 28_45_13%

PROBETA [N_longitud en cm_distintivos]

Fuerz

a (

kN

)

Prdida de fuerza justo al destesar Prdida de fuerza tras intermedio con registro Indicador de Transmisin

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fase de arrancamiento, es decir, descontando los deslizamientos registrados hasta elinicio de la fase de ensayo de arrancamiento;

el indicador de transmisin, en caso de transmisin incompleta del pretensado; el indicador de tipo de rotura: rotura del cordn y rotura por hendimiento,

correspondiendo la ausencia de indicador a los casos de rotura de la adherencia; la velocidad media de aplicacin de la carga en la fase de arrancamiento.

Grfico 3

Queda manifiesta la influencia del nivel de tesado en los deslizamientos en ambosextremos del cordn al alcanzarse la mxima fuerza de arrancamiento. En todos los casos seproduce la rotura del cordn tras la plastificacin, por lo que es evidente que la longitud deanclaje es inferior a 45 cm en todos los casos.

Finalmente, en los grficos 4 y 5, se representan las curvas [fuerza aplicada en extremoarrancamiento durante la fase de arrancamiento] frente al [deslizamiento del cordn en losextremos (arrancamiento y transmisin, respectivamente)].

En estos grficos se muestra la evolucin de los deslizamientos durante la operacin dearrancamiento, pero el valor representado corresponde al deslizamiento total tomando comocero la posicin antes del destesado. Por ello las curvas no parten del origen de coordenadas.Evidentemente el deslizamiento inicial es tanto mayor cuanto mayor es el nivel de tesadoprevio.

Puede observarse un comportamiento adherente rgido-plstico en todos los casos. As,primeramente se desarrolla una rama marcadamente vertical hasta que se alcanza undeterminado valor de fuerza en el cordn, distinto para cada probeta, de forma que cuando sesupera este valor el incremento de fuerza en el cordn va acompaado de un gran desarrollode deslizamientos, finalizando la curva con una rama sensiblemente horizontal.

En el extremo de arrancamiento se detecta un tramo intermedio en el que la curvamuestra una pendiente grande, y que corresponde con el proceso de extraccin del cordndesde una tensin ligeramente superior a la del nivel de tesado hasta la correspondiente al

SERIE 9 FUERZA Y DESLIZAMIENTOS AL ARRANCAR

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

25_45 26_45_50% 27_45_25% 28_45_13%

PROBETA [N_longitud en cm_distintivos]

Desl

izam

iento (m

m)

Fuerz

a (%

carg

a n

om

inal de r

otu

ra)

Deslizamiento en extremo transmisin Deslizamiento en extremo arrancamiento Fuerza de arrancamiento Indicador de Transmisin incompleta Indicador de rotura del cordn Indicador de rotura por hendimiento Velocidad media de carga al arrancar (kN/s) [x100]

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final del tramo rgido en el extremo de transmisin.Tanto la pendiente de la rama inicial comoel valor mximo alcanzado en esta rama son mayores para nivel de tesado mayor.

SERIE 9ARRANCAMIENTO

FUERZA vs DESLIZAMIENTO EN EXTREMO ARRANCAMIENTO

0102030405060708090

100110120130140150160170180190200210

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Deslizamiento (mm)

Fuerz

a (

kN)

28_13%

27_25%

26_50%

25_75%

Grfico 4

SERIE 9ARRANCAMIENTO

FUERZA vs DESLIZAMIENTO EN EXTREMO TRANSMISIN

0102030405060708090

100110120130140150160170180190200210

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Deslizamiento (mm)

Fuerz

a (

kN)

28_13%

27_25%

26_50%

25_75%

Grfico 5

Asimismo, se observa que el final de la rama rgida en el extremo de arrancamiento(grfico 4) coincide con la fuerza a partir de la cual se inician los deslizamientos en elextremo de transmisin durante la operacin de arrancamiento (grfico 5).

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En todos los casos, la mxima fuerza alcanzada en esta rama es mayor que la fuerza delcordn al inicio de la operacin de arrancamiento, tal y como se muestra en la tabla 1.

Tabla 1. Comparativa de fuerzas en el cordn

PROBETATesado

(% fpmxk)Fuerza al inicio de la operacin

de arrancamiento (kN)Mxima fuerza alcanzada

en la rama rgida (kN)

25 75 131 153.7

26 50 94.1 132.5

27 25 41.6 117.5

28 13 21.8 119.2

4. CONCLUSIONESEl estudio realizado permite confirmar que:

La longitud adherente ensayada ha sido suficiente para asegurar el anclaje de laarmadura independientemente del nivel de tesado.

Los deslizamientos en el extremo de transmisin durante la fase de arrancamiento sonsensiblemente parecidos entre s, si se tiene en cuenta el deslizamiento previo producidoen el proceso de destesado.

Los deslizamientos en el extremo de arrancamiento muestran claras diferenciasrelacionadas con el efecto de extraccin del cordn durante los primeros tramos decarga en las probetas en las que el nivel de tesado previo ha sido menor.

Superado este efecto, la adherencia se produce fundamentalmente por efecto de la formahelicoidal del cordn.

El comportamiento adherente en la fase de arrancamiento depende considerablementedel nivel de tesado previo introducido en el cordn.

5. AGRADECIMIENTOSEl contenido del presente trabajo se enmarca en una lnea de investigacin que est

llevando a cabo el grupo de investigacin ADITEC en el Departamento de Ingeniera de laConstruccin de la Universidad Politcnica de Valencia en colaboracin con las empresasPREVALESA e ISOCRON. Este trabajo cuenta con la financiacin del IMPIVA (ProyectoIMTEIE/2000/85) y del Ministerio de Ciencia y Tecnologa (Proyecto MAT2000-0346-P4-03). Agradecemos la colaboracin de las empresas y entidades arriba indicadas.

6. REFERENCIAS1. CALAVERA, J. Proyecto y Clculo de Estructuras de Hormign, Ed. Intemac, Madrid,

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10. CEB Bond Action and Bond Behaviour of Reinforcement. State-of-the-Art Report,Bulletin dInformation N 151, 1981.

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13. MART VARGAS, J.R. Estudio experimental de la adherencia de cordones pretesos enhormigones de altas prestaciones iniciales, Tesis doctoral, Universidad Politcnica deValencia, 2001.

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