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Ing. Carlos Quintini Alizo
Academia Nacional de Ingeniería y Hábitat
Comisión de Infraestructura
Caracas, Octubre 2018
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CONTENIDO
- Introducción
- Literatura Consultada
- Mecanismos de Transferencia del Pretensado Entre el Concreto y el Cable
- Características del Proceso de Cables Postensados
Grados de Acero Utilizados para Cables Pretensados y Postensados
- Grado de Acero y Conformación de Cables Utilizados en el Puente GRU
- Diagrama de Equilibrio Hierro – Carbono
- Propiedades Mecánicas de Cables de Acero Trefilados en Frio a Altas Temperaturas
- Localización del Incendio en el Puente GRU
- Comparación de Curvas de Norma ISO 834 y Curva para Fuegos por Hidrocarburos
- Curvas de Reducción de Resistencia a Altas Temperatura para Tres Tipos de Acero
- Esfuerzo Máximo Residual en Cables Sometidos a Altas Temperaturas
- Isotermas y Gradientes de Temperatura en el Concreto de Losas y Vigas
- Conclusiones
- Recomendaciones
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INTRODUCCION
- Durante un fuego en estructuras de concreto pretensado, las propiedades
mecánicas de los materiales así como la distribución de cargas y esfuerzos
pueden ser afectados.
- En esta exposición se presenta información sobre la posible afectación de
las propiedades antes mencionadas específicamente en relación a los
cables pretensados y postensados utilizados.
- Al final se incluyen conclusiones y recomendaciones.
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Informes y Literatura Técnica Consultada
› Precomprimido C.A. - Libro ilustrativo Sobre Construcción del Puente GRU – 1963
› Ing. Eduardo Paéz-Pumar – Informe Sobre el Incendio – Agosto 2018
› Norma ASTM E119 “Standard Test Methods for Fire Test of Building Construction and
Materials”
› Norma ASTM A 416 “Standard Specification for Low Relaxation Seven Wire Steel
Strands for Prestressed Concrete”
› Norma ISO 834 “Fire Resistance Tests of Elements in Building Construction – Specific
Requirements for Fire Protection to Structural Steel Elements” - 2014
› “Behavior of Prestressing Steels After a Fire”- J.M. Atienza / M.Elices – University of
Madrid -2007
›“Performance of Fire Damaged Prestressed Concrete Bridges” – Master Thesis
Missouri Univesity of Technology - 2008
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Informes y Literatura Técnica Consultada - Continuación
› “Mechanical Properties of Cold Drawn Steel”- Connor Thompson - Master Thesis
Lehigh University – 2015
› “Seven Wire Low Relaxation Prestressing Cable Subjected to Extreme Temperatures:
Residual Properties” – John Myers / Wendy Bailey - International Journal of Reaserch
and Science. -2015
› “Behavior and Structural Design of Concrete Structures Exposed to Fires” – Annelis
De Wit – Master Thesis –Royal Institute of Technology . Sweden – 2011
› “Fire Resistance of Prestressed Concrete” – A.H. Buchanan -1992
› “The Behavior at High Temperature of Steel Strands for Prestressed Concrete”
M.S. Abrams / C.Cruz - 2012
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Mecanismos de Transferencia del Pretensado entre el Concreto y los Cables
› En una viga de concreto pretensada primero se pretensan los cables dentro del molde
a valores de entre 70 y 80% del esfuerzo de cedencia y luego se vacía el concreto.
› Cuando el concreto logra su máximo curado(28 días) se elimina el tensionado exterior.
› En un miembro pretensado, el pre-esfuerzo se transfiere por la adhesión entre el concreto
y los cables mediante tres mecanismos:
• Adhesión efectiva entre el concreto y el acero
• Adhesión mecánica en la interface concreto – acero
• Fricción en presencia de compresión transversal
› El pre-esfuerzo es transferido sobre cierta longitud del miembro(viga) llamada “Longitud
de Transferencia”.
› El esfuerzo en el cable es “cero” en los extremos del miembro y se incrementa sobre la
Longitud de Transferencia hasta obtenerse el esfuerzo efectivo, el cual se mantiene
a lo largo de todo el miembro.
› Para concretos con resistencia no menor a 35 Mpa (5.076 Psi), la “Longitud de Transferencia”
del cable debe ser aproximadamente 60 veces el diámetro.
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Gráfico Relación Esfuerzo Efectivo(fpe) – Longitud de Transferencia(Lt)
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Detalle de Viga de Apoyo Simple Prefabricada y Prestensada del Puente GRU
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Características del Proceso de Cables Postensados
- Los grados de acero son los mismos utilizados en el proceso pretensado.
- Requiere la colocación de ductos en el armado del encofrado.
- Con el concreto vaciado y curado, se introducen los cables por los ductos, se tensionan
manteniéndose la tensión con anclajes en los extremos de la viga.
- Existen dos procesos de postensado:
› Postensado sin adhesión al concreto(unbonded), donde los cables quedan libres
dentro de los ductos.
› Postensado con adhesión al concreto(bonded), donde los ductos son inyectados
con una lechada especial de cemento.|
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Esquema de Proceso de Postensado Sin Adherencia a la Viga de Concreto
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Grados de Aceros Utilizados Para Cables Pretensados
- La norma IS 785(Parte 1)
Permite un acero de alta resistencia trefilado en frío, con % de Carbono entre 0.60 y 0.85
en diámetros de 3, 4, 5, 7 y 8 mm
- La norma ASTM A416 especifica:
› Dos grados de acero para cables de 7 alambres.
› Los dos tipos de cables pueden ser de “baja relajación”* y de “relajación normal”.
› Los dos grados de “baja relajación” son los estándar, con esfuerzos máximos de
250 Ksi y 270 Ksi, respectivamente basado en el diámetro nominal del cable.
*El grado de “baja relajación” se obtiene calentando el cable a 350°C bajo tensión,
llevando el acero al 90% del Esfuerzo de Cedencia, logrando mejorar el comportamiento
“Esfuerzo – Deformación” al reducir la deformación plástica del punto de Cedencia.
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Configuración del Cable de Siete Alambres(Hilos) Estandarizado en Norma ASTM A 416
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Grado de Acero y Conformación de Cables Pretensados Utilizados en el Puente GRU
- Se utilizó alambre trefilado en frío para fabricar cables de 18 hilos con diámetro de
7 mm (¼ de pulgada).
- El acero fue fabricado por el proceso Siemens - Martin (ya en desuso) para producir
acero al Carbono de alta resistencia de composición Eutectoide(0.80%C).
- El rango de la resistencia a la tracción (esfuerzo máximo) era de 150 – 170 K/mm
correspondiente a 213 – 241 Ksi.
- Estos últimos valores equivalen a 85,2% y 96,4% respectivamente del grado 250
(250 Ksi) especificado en la norma ASTM A 416.
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Diagrama de Equilibrio Hierro - Carbono
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Metalografias de Aceros al Carbono – Aumento de la Resistencia con Mayores Porcentajes de Carbono
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Localización del incendio en la Pila 23 del Puente GRU
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Colocación de las Cimbras que Soportarán las Jaulas de Encofrado de la Viga Mesa
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Detalle del extremo donde se conecta la Viga Mesa
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Columnas de Humo Saliendo por las “Bocas de Visita” de la Viga Mesa
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Interior de la Viga Mesa –Desprendimiento del concreto y exposición de armadura
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Comparacion de Curva de Norma ISO 834 y Curva para Fuegos Por Hidrocarburos
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Propiedades Mecánicas de Cables de Acero Trefilados en Frío a Altas Temperaturas
- En fuegos causados por combustibles(hidrocarburos), la temperatura máxima(aprox.
1.100°C) se alcanza mas rápidamente que en la curva de la norma ASTM E119.
- Las propiedades mecánicas de cables de acero trefilados en frío son más susceptibles
a temperaturas altas y se degradan mas rápido que en cables trefilados posteriormente
tratados térmicamente.
- El endurecimiento por deformación (aumento de la resistencia) utilizado en el trefilado
en frío, se pierde a altas temperaturas al permitir que la microestructura deformada
sea restituida parcial o totalmente por la microestructura original.
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Norma ACI 216- Curvas de Reducción de Resistencia para Tres Tipos de Acero
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Resistencia (Esfuerzo Máximo) Residual en Cables Sometidos a Altas Temperaturas – Graf. 1
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Resistencia (Esfuerzo Máximo) Residual en Cables Sometidos a Altas Temperaturas – Graf. 2
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Gradientes e Isotermas de Temperatura en el Concreto de Losas y Vigas a Altas Temperaturas
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CONCLUSIONES- Las propiedades mecánicas de los cables pretensados comienzan a degradarse en el
rango de temperatura 350 – 450°C.
- A partir del rango de temperatura 450 - 550°C, la reducción del esfuerzo máximo puede
alcanzar un 50 – 60%.
- La duración a la exposición a altas temperaturas es crítica en el esfuerzo máximo residual
luego del enfriamiento.
- El esfuerzo de adhesión del concreto de alta resistencia se reduce significativamente con la
exposición a altas temperaturas. A los 260°C su promedio es 90% y a mayores temperaturas
la pérdida de resistencia aumenta de manera mas acelerada.
-La pérdida de propiedades mecánicas es similar entre cables pretensados y postensados.
- Las curvas e isotermas en secciones internas del concreto de losas y vigas coinciden en
temperaturas internas de 550°C y 400°C para espesores de concreto de 45 y 80 mm
respectivamente.
-El sitio confinado del incendio en el puente GRU genera varios factores de incertidumbre en cuanto a la
concentración y distribución del calor en el espacio del cajón, la temperatura alcanzada al consumirse
el aire, la magnitud de la fuga de aceite y la verdadera duración de las llamas.
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RECOMENDACIONES
- Realizar una prueba de carga en la viga mesa afectada tal como se recomienda en el
informe del lng. Eduardo Paéz-Pumar.
- Estudiar la posibilidad de emplear tecnología de punta en ultrasonido, fuga de flujo
magnético, técnicas de radar y otras para obtener información del estado de los cables.
- Realizar estudios con técnicas computarizadas avanzadas de simulación de varios escenarios
de distribución de temperaturas y pérdida de resistencia tanto de los cables como del concreto
- Cuantificar en las caras de los muros verticales y horizontales de la viga mesa la
pérdida de espesor del concreto debido al desprendimiento o astillado(spalling),
permitiendo obtener el espesor remanente real entre las caras y los cables de prestensado.
- Si en las viga mesas se utilizaron cables postensados del tipo sin adherencia al concreto,
estudiar la posibilidad de extraer varios de diferentes sitios para realizarles ensayos sobre
las propiedades mecánicas remanentes.