Análisis de una losa presforzada a través de modelación numérica por el método de elementos finitos
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Autores
Montoya Naranjo, Luis Miguel
Director
Paredes López, Jairo Andrés
Tipo de contenido
Otro
Idioma del documento
EspañolFecha de publicación
2020-10-18
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Resumen
El concreto preesforzado, es un sistema constructivo más económico y eficiente que el concreto reforzado, utilizado principalmente en construcción de vigas para puentes. El sistema constructivo realizado con concreto preesforzado, permite mayor capacidad de carga, disminuyendo a su vez la sección de los elementos que se construyan bajo estos parámetros; reduciendo los costos en obra, al disminuir la cantidad de materiales, minimizando el uso de equipos requeridos debido a la disminución de las secciones (Ranzi, Leoni, & Zandonini, 2013).
Buscando aprovechar al máximo la capacidad de resistir esfuerzos de compresión del concreto, se utiliza el preesforzado para inducir esfuerzos de compresión antes de cargar la estructura, así cuando las cargas de servicio se impongan a la estructura el concreto nivelará las cargas con el esfuerzo de compresión inducido por el preesfuerzo, con lo cual se quiere lograr que ninguna parte de la sección este sometida a tracción.
Trabajar con concreto preesforzado disminuye los efectos negativos del concreto a corto y largo plazo, como es la deformación por carga permanente “creep”, las deformaciones permanentes y el agrietamiento de los elementos sometidos a cargas (Rana, Uy, & Mirza, 2015).
La implementación del sistema constructivo ha tenido dificultades en cuanto al análisis debido a las pérdidas que se deben contemplar a corto, mediano y largo plazo. A pesar de que la teoría explica las diferentes pérdidas que se pueden presentar en el concreto preesforzado, se dificulta conocer con exactitud el valor de las mismas.
Los esfuerzos de compresión que se generan en el concreto a través del sistema constructivo preesforzado, se logra gracias a la tensión generada en los cables de preesfuerzo; dicha tensión en los cables es trasmitida al concreto, en el momento que se libera la fuerza de los gatos en los cables; cuando se realiza esta transmisión se generan pérdidas inmediatas debidas al desplazamiento que sufren los cables de preesfuerzo dentro del concreto, también el acortamiento que se genera en el concreto debido a los esfuerzos de compresión que se le imponen en el momento del tensado hace que los cables de preesfuerzo pierdan un porcentaje de tensionamiento y finalmente las fuerzas generadas en las zonas de anclajes generando que estos anclajes sufran un desplazamiento al interior del elemento una vez que el cable tiende a encogerse tratando de recuperar su forma original; las perdidas anteriormente nombradas corresponden a las de corto plazo. Sin embargo, los cables a lo largo de la vida de la estructura pierden fuerza al trasmitir la tensión al concreto al estar sometidas a un estado de esfuerzo permanente sufren una elongación lo que se ve reflejado en un relajamiento de los tendones de preesfuerzo, adicional a eso el concreto que contiene los cables sufre cambios volumétricos relacionados con el curado del mismo durante la fase constructiva y por las condiciones climáticas a las que se ve expuesta la estructura durante su vida útil y finalmente el comportamiento del flujo plástico propio del concreto hacen que los cables pierdan tensionamiento dentro de la estructura; estas pérdidas se conocen como pérdidas de largo plazo.
Se realizó el modelo de una losa rectangular preesforzada compuesta por vigas perimetrales preesforzadas igualmente, la losa está constituida por concreto de dos resistencias, acero de refuerzo tradicional y cables de preesfuerzo tanto en la parte de la losa como en las vigas. La losa está sometida a
carga gravitacional, es decir, solamente será afectada por el peso propio de la estructura, la cual será apoyada en las cuatro esquinas con apoyos que restringen movimiento en el plano cartesiano tridimensional, permitiendo la expansión y contracción libre en las direcciones planas y restringiendo el
desplazamiento en la dirección vertical.
Para el modelo numérico de la losa preesforzada en elementos finitos, se utilizó el PLCD (Oller et al, 2011),
programa desarrollado por un grupo de investigación de CIMNE. Para la implementación propia de Elementos Finitos, se utilizará el software GiD (Melendo, 2018), el cual es un pre y post procesador, que permite definir geometrías, condiciones especiales para la misma en preproceso; mientras el post-proceso permite observar los resultados obtenidos después de realizar los análisis correspondientes a elementos definidos.
La interfaz del PLCd (Oller et al, 2011) con la cual se pretende implementar la teoría de mezclas, se carga en la interfaz del GiD (Melendo, 2018), con lo que es posible definir las condiciones del problema en un solo programa, trabajando sobre la geometría establecida, definiendo los materiales compuestos con los cuales se van a trabajar y asignándolos a las entidades que definen la geometría.
Abstract
Prestressed concrete is a more economical and efficient construction system than reinforced concrete, used mainly in the construction of beams for bridges. The constructive system made with prestressed concrete, allows greater load capacity, reducing in turn the section of the elements that are built under these parameters, reducing costs, minimizing the use of required equipment (Ranzi, Leoni, & Zandonini, 2013). Seeking to take full advantage of the ability to resist compressive stresses of concrete, prestressing is used to induce compressive stresses before loading the structure, so when service loads are imposed on the structure the concrete will level the loads with the compressive stress induced by prestressing, which is intended to ensure that no part of the section is subjected to traction. Working with prestressed concrete reduces the negative effects of concrete in the short and long term, such as deformation due to permanent "creep" load, permanent deformations and cracking of elements subjected to loads (Rana, Uy, & Mirza, 2015). The implementation of the construction system has had difficulties in terms of analysis due to the losses that must be considered in the short, medium and long term. Although the theory explains the different losses that can occur in prestressed concrete, it is difficult to know exactly their value. The compression forces that are generated in the concrete through the prestressed construction system are achieved thanks to the tension generated in the prestressed cables; said tension in the cables is transmitted to the concrete, at the moment the force of the jacks in the cables is released; When this transmission is carried out, immediate losses are generated due to the displacement suffered by the prestressing cables within the concrete, also the shortening that is generated in the concrete due to the compression forces imposed on it at the time of tensioning makes the cables of prestressing, they lose a percentage of tension and finally the forces generated in the anchoring areas, causing these anchors to undergo a displacement inside the element once the cable tends to shrink trying to recover its original shape; the aforementioned losses correspond to short-term ones. However, the cables throughout the life of the structure lose strength when transmitting the stress to the concrete when subjected to a state of permanent stress, they suffer an elongation which is reflected in a relaxation of the prestressing tendons, in addition to The concrete that contains the cables undergoes volumetric changes related to its curing during the construction phase and due to the climatic conditions to which the structure is exposed during its useful life and finally the behavior of the concrete's own plastic flow make the cables lose tension within the structure; These losses are known as long-term losses. The model was made of a prestressed rectangular slab composed of prestressed perimeter beams, the slab is made of two-strength concrete, traditional reinforcing steel and prestressing cables both in the part of the slab and in the beams. The slab is subjected to gravitational load, that is, it will only be affected by the structure's own weight, which will be supported in the four corners with supports that restrict movement in the three-dimensional Cartesian plane, allowing free expansion and contraction in the plane directions and restricting the displacement in the vertical direction. For the numerical model of the prestressed slab in finite elements, the PLCD was used (Oller et al, 2011), program developed by a CIMNE research group. For the own implementation of Finite Elements, the GiD software (Melendo, 2018) will be used, which is a pre and post-processor, which allows defining geometries, special conditions for it in pre-processing; while the post-process allows observing the results obtained after carrying out the analyzes corresponding to defined elements. The PLCd interface (Oller et al, 2011) with which it is intended to implement the mixture theory, is loaded into the GiD interface (Melendo, 2018), with which it is possible to define the problem conditions in a single program, working on the established geometry, defining the composite materials with which they are going to work and assigning them to the entities that define the geometry.
Palabras clave
FEM ; Método elementos finitos ; Preesfuerzo ; Concreto preesforzado ; Teoría de mezclas ; Materiales compuestos ; Teoría Serie-Paralelo ; Losa preesforzada ; Losa concreto ; FEM ; Finite Elements Method ; Prestressing ; Prestressed concrete ; Theory of mixtures ; Composite materials ; Series-Parallel theory ; Prestressed slab ; Concrete slab