Cada enginyer civil ha de conèixer la resposta a aquesta pregunta perquè es considera la pregunta més important per a l'enginyer civil.
El formigó pretensat és una de les parts més importants de la construcció i hauria de tenir un coneixement adequat. Comprenguem-ho amb detall.
Una estructura de formigó pretesat és diferent d’una estructura de formigó armat convencional a causa de l’aplicació d’una primera càrrega a l’estructura abans de l’ús. La càrrega o pretensió inicial s'aplica per permetre a l’estructura contrarestar les tensions que es produeixen durant el període de servei. El pretensat d'estructures es va introduir a finals del segle XIX. El concepte de pretensat existia abans de les aplicacions en concret.
Es proporcionen dos exemples de pretensat abans del desenvolupament del formigó pretensat
Col·locació forçada de bandes metàl·liques en bótes de fusta Les bandes metàl·liques indueixen un estat de compressió inicial del cèrcol, per contrarestar la tensió del cèrcol causada per l'ompliment de líquid a les bótes
Pre-tensionar els radis en una roda de bicicleta. La pre-tensió d'una roda en una roda de bicicleta s'aplica fins a tal punt que sempre hi haurà una tensió residual al parlar
Per al formigó, es produeixen tensions internes (normalment, mitjançant acer tensat) per les raons següents. La resistència a la tracció del formigó és només del 8% al 14% de la seva força de compressió. Les esquerdes solen desenvolupar-se en les primeres etapes de la càrrega en membres de flexió, com ara bigues i forjats. Per evitar aquestes esquerdes, la força de compressió es pot aplicar adequadament en la direcció perpendicular. El pretensat millora les capacitats de flexió, cisallament i torsió dels membres de flexió. En canonades i tancs d’emmagatzematge de líquids, les tensions de tracció de cercle es poden contrarestar de manera efectiva mitjançant pretensat circular.
El següent esbós explica l’aplicació de la pretensió.
Col·loqueu i estireu barres d’acer lleugeres, abans del formigó
Figura: pretensió de bigues de formigó mitjançant varetes d'acer suau
Les barres d’acer suau s’estiren i el formigó s’aboca al voltant d’ells. Després de l'enduriment del formigó, s'allibera la tensió a les barres. Les barres tractaran de recuperar la seva longitud original, però el formigó circumdant li impedeix afegir-hi la seva longitud. Per tant, el formigó es troba efectivament en un estat de pre-compressió. És capaç de contrarestar les tensions de tracció, com ara la càrrega que es mostra al dibuix següent.
Però els primers intents de pretensat no van tenir un èxit complet. Es va observar que l’efecte de la pretensió es reduïa amb el temps. Les capacitats de resistència de la càrrega dels membres eren limitades. Sota càrregues sostingudes, es va trobar que els membres fallaven. Això es va deure a la següent raó. El formigó es redueix amb el temps. A més, sota càrrega sostinguda, la tensió en formigó augmenta amb l'augment del temps. Això es coneix com a soca de fluència. La reducció de longitud a causa de la fluència i la contracció també és aplicable a l'acer incrustat, la qual cosa resulta en una pèrdua significativa de la tensió de tracció.
Formes d’acer pretensat
Fils: el cable de pretensió és una sola unitat fabricada en acer.
Fils: dos, tres o set cables es bobinen per formar una cadena de pretensió.
Tendó: un grup de filferros o fils s’embolica per formar un tendó de pretensió.
Cable: un grup de tendons forma un cable de pretensat.
Barres: un tendó pot estar format per una sola barra d'acer. El diàmetre d'una barra és molt més gran que el d'un cable.
Naturalesa de la interfície de formigó-acer
Tendó adherit : quan hi ha un vincle adequat entre el tendó de pretensió i el formigó, s'anomena tendó enllaçat. Els tendons post-tensionats pretensats i retinguts són tendons adherits.
Tendó no fixat - Quan no hi ha vincle entre el tendó de pretensió i el formigó, es diu tendó sense encaixar. Quan el morter no s’aplica després del post-tensat, el tendó és un tendó no adherit. Etapes de la càrrega L'anàlisi de membres pretensats pot ser diferent per a les diferents etapes de càrrega.
Les etapes de càrrega són les següents.
1) Inicial: es pot subdividir en dues etapes.
a) Durant la tensió de l'acer
b) En el trasllat del pretensat al formigó.
2) Intermedi: inclou les càrregues durant el transport dels membres pretensats.
3) Final: Es pot subdividir en dues etapes.
a) Al servei, durant el funcionament.
b) En definitiva, durant esdeveniments extrems
Avantatges del pretensat
El pretensat del formigó té diversos avantatges en comparació amb el formigó armat tradicional (RC) sense pretensió. Un membre de formigó totalment pretensat sol ser sotmès a compressió durant la seva vida útil. Això rectifica diverses deficiències del formigó. El text següent esmenta els avantatges d’un membre de formigó pretensat amb un membre RC equivalent. Per a cada efecte, es mostren els beneficis.
La secció es manté sense trencament sota càrregues de servei.
Reducció de la corrosió de l'acer. Augment de la seva durabilitat.
S'utilitza una secció completa
Major moment d’inèrcia (major rigidesa)
Menys deformacions (facilitat de servei millorada).
Augment de la capacitat de tall.
Adequat per a ús en recipients a pressió, estructures de retenció de líquids. Millora del rendiment (resiliència) sota càrrega dinàmica i de fatiga.
Ràtings elevats de profunditat entre amplàries més grans possible amb pretensat (ponts, edificis amb grans espais lliures de columnes) A continuació es donen els valors típics de les relacions span-depth en plaques.
Llosa no pretensada 28: 1 forjat pretensat 45: 1 Per a la mateixa extensió, menys profunditat en comparació amb el membre RC.
Reducció del pes propi.
Un atractiu més estètic a causa de seccions esveltes
Seccions més econòmiques.
Adequat per a la construcció de prefabricats
Els avantatges de la construcció de prefabricats són els següents.
Construcció ràpida
Un millor control de qualitat
Manteniment reduït adequat per a la construcció repetitiva. Ús múltiple d’encofrat.
Reducció d'encofrat.
Disponibilitat de formes estàndard.
Postextació
Els sistemes de pretensió s'han desenvolupat al llarg dels anys i diverses empreses han patentat els seus productes. La informació detallada dels sistemes es troba en els catàlegs de productes i fullets publicats per empreses. Hi ha directrius generals sobre pretensions a la secció 12 de IS 1343: 1980. La informació que es dóna en aquesta secció és de caràcter introductori, amb èmfasi en els conceptes bàsics dels sistemes. Es descriuen els sistemes i dispositius de pretensat per separat per als dos tipus de pretensat, pre-tensat i post-tensat. Aquesta secció cobreix el postrenat. Sistemes i dispositius de pretensió, cobreix el pretensat. En el post-tensat, la tensió s'aplica als tendons després de l'enduriment del formigó. A continuació es descriuen les etapes del post-tensat.
Etapes del post-tensat
En els sistemes de post-tensió, els conductes dels tendons (o filaments) es col·loquen juntament amb el reforç abans del buidatge del formigó. Els tendons es col loquen en els conductes després de la fosa de formigó. El conducte prevé el contacte entre el formigó i els tendons durant l’operació de tensat. A diferència del pretensat, els tendons s’abracen amb la reacció contra el formigó endurit. Si els conductes s’omplen de lletada, s’anomena post-tensat unificat. La beurada és una pasta de ciment o un morter de ciment-sorra que conté una barreja adequada .
En el postrenat no subjecte, com el seu nom indica, els conductes no s’introdueixen i el tendó només es manté en tensió pels ancoratges finals. El següent esbós mostra una representació esquemàtica d’un membre post-tensat que s’ha buidat. El perfil del conducte depèn de les condicions de suport. Per a un membre senzill, el conducte té un perfil de fletxa entre els extrems. Per a un membre continu, el conducte s’abandona a l’entorn i s’alça sobre el suport.
Les diferents etapes de l’operació de post-tensor es resumeixen de la manera següent.
Fosa de formigó.
Col·locació dels tendons.
Col·locació del bloc d'ancoratge i de la presa. Aplicació de tensió als tendons.
Assegut de les falques.
Tall dels tendons
El formigó reforçat (RC) és un material compost en què la resistència a la tracció i la ductilitat relativament baixes del formigó són contrarestades per la inclusió de reforços amb major resistència a la tracció o ductilitat. El reforç sol ser, encara que no necessàriament, barres de reforç d’acer (barra de reforç) i normalment s’incrusta passivament al formigó abans dels conjunts de formigó. Els esquemes de reforç es dissenyen generalment per resistir a les tensions en determinades regions del formigó que poden causar esquerdes inacceptables i / o fallades estructurals. El formigó armat modern pot contenir diversos materials de reforç fabricats en acer, polímers o material compost alternatiu juntament amb una barra de reforç o no. El formigó armat també es pot estressar permanentment (en tensió), de manera que es pugui millorar el comportament de l'estructura final sota càrregues de treball. Als Estats Units, els mètodes més habituals de fer-ho són els que es coneixen com a pretensions i post-tensions.
Per a una construcció forta, dúctil i duradora, el reforç ha de tenir com a mínim les següents propietats:
Alta força relativa.
Alta tolerància a la tensió de tracció.
Bona unió al formigó, independentment del pH, de la humitat i de factors similars.
Compatibilitat tèrmica, no causant tensions inacceptables en resposta a canvis de temperatura.
Durabilitat en l'entorn del formigó, independentment de la corrosió o l'estrès sostingut.
Ús en construcció
Rebars del terrat de la construcció de la Sagrada Família (2009)
· Es poden construir diversos tipus d’estructures i components d’estructures mitjançant formigó armat, incloses les lloses, parets, bigues, columnes, fonaments, bastidors i molt més.
El formigó armat es pot classificar com a formigó prefabricat o en lloc de formigó.
Dissenyar i implementar el sistema de sòl més eficient és clau per crear estructures òptimes de construcció. Els petits canvis en el disseny d'un sistema de sòl poden tenir un impacte significatiu en els costos dels materials, el calendari de construcció, la força final, els costos operatius, els nivells d'ocupació i l'ús final d'un edifici.
Sense reforç, no seria possible construir estructures modernes amb material concret.
Característiques clau
Tres característiques físiques donen al formigó les seves propietats especials:
El coeficient d'expansió tèrmica del formigó és similar al de l'acer, eliminant grans tensions internes a causa de diferències en l'expansió o contracció tèrmica.
Quan la pasta de ciment dins del formigó s'endureix, s'ajusta als detalls superficials de l'acer, cosa que permet transmetre de manera eficaç l'estrès entre els diferents materials. Normalment, les barres d'acer són rugoses o corrugades per millorar encara més el vincle o la cohesió entre el formigó i l'acer.
L'entorn químic alcalí proporcionat per la reserva alcalina (KOH, NaOH) i el portlandite (hidròxid de calci) contingut en la pasta de ciment endurit fa que es formi una pel·lícula de passivació a la superfície de l'acer, cosa que la fa molt més resistent a la corrosió del que seria estar en condicions neutres o àcides. Quan la pasta de ciment s’exposa a l’aire i l’aigua meteòrica reacciona amb el CO2 atmosfèric, el portlandita i el silat de calci hidratat (CSH) de la pasta de ciment endurit es progressivament carbonatats i el pH alt disminueix gradualment de 13,5 a 12,5 a 8,5, el pH d’aigua en equilibri amb la calcita (carbonat de calci) i l’acer ja no està passivat.
Com a regla general, només per donar una idea per ordre de magnitud, l'acer es protegeix a pH superior a 11, però comença a corroir-se per sota de 10 depenent de les característiques de l'acer i de les condicions fisicoquímiques locals quan el formigó es fa carbonatat. La carbonatació del formigó i l’entrada de clorurs es troben entre els principals motius per a la fallada de les barres de reforç al formigó.
L'àrea relativa de la secció transversal de l'acer necessària per al formigó armat típic sol ser bastant petita i varia de l'1% per a la majoria de bigues i forjats al 6% per a algunes columnes. Les barres de reforç són normalment rodones de secció i varien de diàmetre. Les estructures de formigó armat de vegades tenen disposicions com ara nuclis buits ventilats per controlar la seva humitat i humitat.
La distribució de les característiques de resistència del formigó (malgrat les armadures) al llarg de la secció transversal dels elements de formigó armat vertical és inhomogènia
Reforç i terminologia de bigues
Dues bigues de creuament que s’incorporen a la llosa d’estacionament, que contindran tant acer de reforç com el cablejat, caixes de connexió i altres components elèctrics necessaris per instal·lar la il·luminació de capçalera per al nivell del garatge.
Un feix es doblega en un moment de flexió, resultant en una petita curvatura. A la cara exterior (cara de tracció) de la curvatura, el formigó experimenta un esforç de tracció, mentre que a la cara interna (cara de compressió) experimenta una tensió de compressió.
Un feix reforçat individualment és aquell en què l'element de formigó només es reforça a prop de la cara de tracció i el reforç, anomenat acer de tensió, està dissenyat per resistir la tensió.
Un feix doblement reforçat és aquell en què a més del reforç de tracció també es reforça l'element de formigó a prop de la cara de compressió per ajudar a resistir la compressió del formigó. Aquest darrer reforç es denomina acer de compressió. Quan la zona de compressió d'un formigó no és adequada per resistir el moment de compressió (moment positiu), cal proporcionar un reforç addicional si l'arquitecte limita les dimensions de la secció.
Un feix de baix reforç és aquell en què la capacitat de tensió del reforç de tracció és menor que la capacitat de compressió combinada del formigó i de l’acer de compressió (sota-reforçat a la cara de tracció). Quan l'element de formigó armat està subjecte a un moment de flexió creixent, l'acer de la tensió es produeix mentre que el formigó no arriba a la seva condició de falla definitiva. A mesura que s’aconsegueix i s'estén l’acer de la tensió, un formigó "poc reforçat" també es dota de forma dúctil, mostrant una gran deformació i advertència abans del seu últim fracàs. En aquest cas, l'estrès de rendiment de l'acer regeix el disseny.
Un feix de sobre-reforçat és aquell en què la capacitat de tensió de l'acer de tensió és superior a la capacitat de compressió combinada del formigó i de l'acer de compressió (sobre-reforçat a cara de tracció). Per tant, el feix de "formigó sobre-reforçat" falla per trituració del formigó de la zona de compressió i abans de la zona de tensió de l'acer, que no proporciona cap advertència abans de fallar ja que la fallada és instantània.
Un feix reforçat equilibrat és aquell en què tant les zones de compressió com les de tracció arriben a produir-se a la mateixa càrrega imposada a la biga, i el formigó triturarà i l'acer de tracció es rendirà al mateix temps. Tanmateix, aquest criteri de disseny és tan arriscat com el formigó sobredimensionat, ja que el fracàs és sobtat a mesura que el formigó triturarà al mateix temps dels rendiments d'acer de la tracció, cosa que dóna un advertiment molt de perjudici en la fallida de la tensió.
Normalment, els elements portadors de formigó reforçat amb acer haurien de ser dissenyats per a ser menys reforçats perquè els usuaris de l’estructura rebin un avís de col·lapse imminent.
La força característica és la resistència d’un material on menys del 5% de l’espècimen mostra una resistència més baixa.
La força de disseny o la força nominal és la força d'un material, incloent un factor de seguretat material. El valor del factor de seguretat sol oscil·lar entre 0,75 i 0,85 en el disseny d’estrès admissible.
L’estat límit últim és el punt de fallada teòric amb certa probabilitat. S'indica sota les càrregues factoritzades i les resistències factoritzades.
