La problemática de las practicas comunes de especificación del postensado y su evolución a una forma correcta mediante las tecnologías de la información

Infraestructura:

La forma correcta de especificar el postensado

Los ingenieros estructurales, no los detallistas de planos de taller, deben determinar el número requerido de tendones.

Cuando se tensionan los tendones postensados (PT), la fuerza en los tendones se reduce debido al deslizamiento en los anclajes (llamadas pérdidas de asentamiento), la fricción entre el tendón y el revestimiento (llamadas pérdidas de fricción) y otras pérdidas a largo plazo debido a contracción del hormigón, fluencia del hormigón y relajación del acero. La contracción es causada por el curado y secado del hormigón después de que se coloca.

El software de diseño de hoy puede calcular fácilmente las pérdidas de asientos y fricción. Sin embargo, en el mundo real, los cálculos de fricción proporcionados por los proveedores del sistema rara vez se consideran al detallar el número y la ubicación de los tendones. Los ingenieros estructurales deben considerar estas pérdidas durante el diseño y no obligar a los detallistas a hacer suposiciones que pueden aumentar el costo y la complejidad de las estructuras postensadas.

Historia: Cómo llegamos aquí

En la década de 1970 y principios de la década de 1980, los proveedores de postensado a menudo realizaron diseños de concreto postensado no enlazado como ingeniería de valor o como presentación diferida. Calcularon la redistribución de momentos en una regla de cálculo y, más tarde, calculadoras de mano. Los sistemas y materiales eran propietarios, con diferentes revestimientos, anclajes y equipos de tensión. Algunos utilizaron una hebra “liberada de estrés” y otros utilizaron una hebra “poco relajada”.

“A mediados de la década de 1980, todos los proveedores principales habían ido a la extrusión del revestimiento de los tendones, y los supuestos de coeficiente de fricción y pérdida se hicieron uniformes”.

Todo este diseño complicado hizo que muchos ingenieros estructurales se sintieran incómodos al especificar un sistema en particular. En su lugar, diseñaron un sistema reforzado de acero suave con una opción de ingeniería de valor o utilizaron un proceso de envío diferido. Pero a mediados de la década de 1980, prácticamente todos los proveedores se habían movido hacia el revestimiento de tendones extruidos, haciendo que las suposiciones de coeficiente de fricción y de pérdida fueran uniformes en toda la industria. Se desarrolló un mejor software de diseño. Hacer crujir los números se volvió menos laborioso y los diseños más eficientes porque los ingenieros podían analizar fácilmente perfiles alternativos y cantidades de tendones.

Se convirtió en una práctica común especificar el postensado al mostrar la fuerza promedio a lo largo del tendón. Esto era perfectamente razonable siempre que se cumplieran ciertos parámetros, especialmente considerando que todos asumían una pérdida de “suma global” que incluía la pérdida de asientos, la fricción y las pérdidas a largo plazo en lugar de realizar los tediosos cálculos de fricción.

Sin embargo, el comentario 318-11 del American Concrete Institute (ACI) (R18.6.1) establece que “los valores de suma global de pérdidas de pretensado para miembros pretensados y postensados que se indicaron antes del comentario de 1983 se consideran obsoletos”. ACI 318 ha recomendado no utilizar las pérdidas a tanto alzado desde la edición de 1985, y la edición actual proporciona referencias a técnicas para calcular la fricción y las pérdidas a largo plazo.

Creo que el Comité 318 espera que los ingenieros aprovechen el potente software de diseño de hoy, pero la mayoría no lo hace. Aquí radica el problema. A pesar de que los proveedores suelen proporcionar cálculos de fricción / pérdida, la mayoría de los ingenieros siguen utilizando el método de suma global y se asume una fuerza efectiva final en el tendón de 175 ksi a lo largo del tendón.

¿Por qué estas prácticas son problemáticas?

Esta larga introducción me lleva a mi principal preocupación: el software de diseño de postensado es tan sofisticado que los cálculos de fricción y pérdida de asientos pueden considerarse fácilmente, y deberían serlo. ¿Por qué no son un motivo favorito para mí por las siguientes razones?

Punto 1: las elongaciones del tendón se calculan en función del valor supuesto de la tensión del tendón de 189 ksi. Esto no es un secreto para toda la industria porque siempre está en la primera hoja de dibujos de la tienda.

Punto 2: las cantidades de tendón de dibujo de la tienda se basan en el número mágico de 26. 8 kips por tendón de tensión post-tensora. Los cálculos de fricción del proveedor del PT rara vez se utilizan para calcular las cantidades de los tendones. Este es otro secreto no industrial.

Punto 3: Las especificaciones de fuerza introducen ambigüedades. ¿Dónde a lo largo del tendón se supone que se debe tomar esta fuerza mágica? ¿O es la fuerza promedio, el valor que se ha usado históricamente?

Si la especificación requiere que la fuerza sea de 26.8 kips en cualquier punto a lo largo del tendón, se deben agregar tendones adicionales si solo un punto cae debajo de eso. Esto puede sobrepasar la tensión o el desequilibrio se extiende más cerca del extremo estresante. La sección de comentarios de ACI dice que “la sobreestimación de las pérdidas por pretensado puede ser casi tan perjudicial como la subestimación, ya que la primera puede resultar en una inclinación excesiva y un movimiento horizontal”. En un caso, el tendón fue 2% bajo en un solo lapso; la adición de tendones para cumplir con la fuerza requerida aumentó la fuerza efectiva en el tramo adyacente al extremo de tensión a 18% por encima de la fuerza especificada.

“Creo que el comité 318 espera que los ingenieros aprovechen el potente software de diseño de hoy”.

Es por esto que las pérdidas por fricción deben considerarse durante el diseño.

Punto 4: Otro problema con las especificaciones de fuerza es que el número real de tendones no es explícito. ¿Cuál es el número mágico para la fuerza?

Usamos 26.8 kips durante mis años como jefe de un departamento de detalles, pero el problema es el redondeo. Incluso un ligero cambio en el requisito de la fuerza afecta la cantidad de tendones, y eso puede significar la diferencia entre ganar o perder una oferta en esta industria ferozmente competitiva. Cuando tiene tendones de bandas múltiples en pisos múltiples o tendones distribuidos donde la fuerza es muy variable, el redondeo puede aumentar significativamente la cantidad.

No es razonable esperar que el estimador de postensado para resolver todo esto durante el despegue.

Punto 5: Estos cálculos deben ser realizados por el ingeniero estructural y el número requerido de tendones especificado en los planos estructurales. La fuerza efectiva real tiene un efecto directo sobre la capacidad de flexión nominal y las tensiones de tracción en el hormigón. Debido a las pérdidas por fricción, esta fuerza varía a lo largo del tendón. También afecta la carga de equilibrio, que a su vez se refleja en las deflexiones del miembro.

En mi opinión, el ingeniero no ha completado el diseño a menos que se realicen estos cálculos. Los detallistas de dibujo de tiendas son excelentes intérpretes de dibujos estructurales, pero no son ingenieros; no saben nada sobre cargas, desviaciones de miembros o tensiones de miembros. Solo conocen los códigos que afectan directamente a sus dibujos.

¿Por qué se les pide que hagan parte del trabajo del ingeniero estructural?

Punto 6: El otro problema con los planos de taller es el requisito de un sello de ingeniero profesional (P.E.). Esto también está directamente relacionado con las especificaciones de la fuerza.

La definición de ingeniería se cumple cuando las fuerzas se utilizan para calcular el número de tendones requeridos. El software de diseño establece los tendones durante el modelado. Si estas cantidades se transfieren a los dibujos de diseño, no se requiere ingeniería durante la creación del dibujo de taller y, por lo tanto, el sello no debería ser requerido. Sin embargo, creo que todas las jurisdicciones requieren que los dibujos de las tiendas estén sellados, incluso cuando se especifican las cantidades de tendones.

En un mundo perfecto, los ingenieros especificarían las cantidades de los tendones. Los diseños serían más fáciles de retirar para la licitación, más fáciles de detallar para el proveedor, más fáciles para que el ingeniero verifique los dibujos de la tienda, y esto eliminaría la necesidad de que los proveedores tengan sus diseños estampados.

Fuerzas en los tendones post-tensados

• El estrés del gato es el 80% de la fuerza máxima del tendón (Fpu) = 216 ksi.
• Las pérdidas de asientos y fricción llevan el estrés en el tendón hasta un 70% Fpu = 189 ksi.
• Se supone que las pérdidas a largo plazo en el tendón son de 14 ksi.

Por lo tanto, la fuerza efectiva final en el tendón es 189 menos 14 = 175 ksi.

El área de la sección transversal de un tendón de ½ pulgada de diámetro es 0.153 in2. Por lo tanto, la fuerza en cada tendón es de 175 ksi por 0.153 in2 = 26.8 kips por tendón. Este valor se utiliza en toda la industria de postensado al calcular el número real de tendones requeridos durante la creación de planos de taller.

El alargamiento del tendón durante la tensión (D) se considera típicamente como 0.081 pulgadas por pie de hormigón. Este valor proviene de D = sL / AE donde s = 189 ksi, L = 12 pulgadas, A = 0.153 in2 y E = 28,000 ksi.

Agradecimientos a la revista “Construcción de hormigón”- Rick M. Fine, diciembre 2018