Prefabricados presforzados
Jaime Gomezjurado Sarria M.A. Titan
Los prefabricados presforzados se han utilizado en múltiples aplicaciones desde las primeras décadas del siglo XX, hoy están presentes en todo tipo de proyectos y continúan evolucionando de manera que son una alternativa muy competitiva en la mayoría de las construcciones, especialmente en edificaciones e infraestructura, en donde gracias a la posibilidad de resistir grandes esfuerzos pueden diseñarse con secciones muy eficientes de poco peso y con condiciones de gran durabilidad. En edificaciones, los prefabricados presforzados más ampliamente utilizados son los pilotes de cimentación, los muros para fachadas y los elementos de entrepiso. En infraestructura los prefabricados presforzados que más se utilizan son vigas y losas para construir los tableros de los puentes y puertos, también se utilizan traviesas para contener los rieles de los trenes y secciones segmentadas para construir puentes prefabricados postensados. En el presente artículo se mencionan algunos prefabricados presforzados, los cuales han tenido gran aceptación en el medio colombiano.
Prefabricados para Edificaciones
Los prefabricados presforzados de concreto se utilizan en todo tipo de edificaciones, siendo una aplicación importante la de naves industriales y viviendas en general. En cimentaciones se utilizan pilotes presforzados segmentados, los cuales generalmente son de sección cuadrada y están diseñados con juntas para que durante el hincado se puedan unir varios segmentos para conformar un solo elemento de gran profundidad. La longitud de cada segmento depende de la modulación para llegar a la profundidad requerida y está limitada por la longitud del remolque en que son transportados a la obra. Normalmente los segmentos se fabrican entre 5 m y 14 m. También es común la utilización de pantallas presforzadas, las cuales son instaladas antes de realizar la excavación de los sótanos.
Los muros presforzados para fachadas pueden ser macizos o del tipo sándwich, se pueden diseñar para que soporten cargas del edificio o para que solamente resistan las propias de la fachada. Se fabrican con cualquier color y textura, en algunos casos imitando otros materiales como la arcilla y en otros se integran materiales en la superficie que queda expuesta, tales como piedra o enchape, de manera que combinan el beneficio de tener elementos grandes prefabricados con la apariencia que brindan otros materiales.
Los elementos de entrepiso prefabricados presforzados más comunes, son prelosas, vigas y placas alveolares, las prelosas presforzadas son autoportantes y actúan como encofrado para recibir una capa de concreto vaciado en el sitio para conformar una placa maciza. Las prelosas presforzadas se fabrican con longitud y ancho variable, dependiendo de las características geométricas del proyecto, su espesor es también variable en función del uso del edificio, generalmente para vivienda se fabrican de 4 o 5 cm de espesor, lo que permite una fácil manipulación durante la instalación.
Las vigas se especifican con diferente sección, las más comunes son en forma de I o en forma de Te o doble Te, las vigas en I son muy eficientes en pequeñas luces en donde se pueden construir entrepisos utilizando estas vigas complementadas con bloques aligerados o incluso con losas prefabricadas que se colocan en la parte superior, normalmente su aplicación es en vivienda. Las vigas con sección en Te o doble Te generalmente se especifican para grandes luces con cargas de servicio altas, lo cual es común en centros comerciales, parqueaderos, y terminales de pasajeros, sin embargo también pueden ser especificadas para para cargas bajas de servicio y pequeñas luces.
Las placas alveolares son losas aligeradas presforzadas, que se fabrican con la longitud a la medida de cada proyecto generalmente con un ancho estándar de 1,20 m o 0,60 m, lo que permite hacer modulaciones para cualquier tipo construcción y utilizarlas para aplicaciones tales como, viviendas, oficinas, bodegas, centros comerciales y grandes superficies. Las placas alveolares se fabrican en diferente espesor que normalmente varía entre 10 cm y 50 cm para cubrir distintas luces. Aunque el mayor rendimiento constructivo se logra cuando se utilizan en estructuras prefabricadas de concreto o estructuras metálicas, las placas alveolares disminuyen los plazos de ejecución de obras diseñadas en mampostería estructural y en sistemas de pórticos y pantallas fundidos en sitio.
Las placas alveolares trabajan como elementos simplemente apoyados en una sola dirección y se diseñan para soportar las cargas verticales y transmitir adecuadamente las fuerzas horizontales al sistema de resistencia lateral de la edificación. Cuando son especificadas con una capa de concreto superior, las placas se fabrican con una rugosidad que permite mejorar la adherencia de este concreto, Así mismo, cuando se especifican conexiones por medio de varillas u otros elementos, las placas se fabrican con las cajas que permiten colocar los conectores en la obra, de manera que no hay que hacer ninguna actividad complementaría antes de usarlas.
Las placas alveolares presentan longitudinalmente cantos biselados o llaves de cortante, los cuales una vez sean vaciadas de concreto, proporcionan una junta longitudinal entre placas, que garantiza una adecuada transmisión de cargas tanto puntuales como distribuidas entre placas adyacentes haciendo que estas trabajen como un sistema de piso integral.
Cuando se utilizan placas alveolares, conviene superponer todos los planos de instalaciones para establecer en las modulaciones de los entrepisos todos los detalles de los pases hidraúlicos, eléctricos y demás ductos que atravesarán los prefabricados para que estos sean realizados en la planta y de esta manera se reduzcan los trabajos en obra.
Prefabricados para infraestructura
Las vigas preesforzadas que se fabrican en diferentes secciones, vigas en forma de I, Te, doble Te y cajón, son apropiadas para cubrir luces entre15m y 50 m, generalmente por debajo de 15 m se pueden especificar vigas en concreto armado con secciones y pesos parecidos a los del presforzado, de manera que el beneficio por utilizar prefabricados presforzados de menor longitud está en que la precompresión de estos elementos evita que en servicio se presenten fisuras que pueden causar efectos adversos en la durabilidad. Por otra parte, vigas con longitud por encima de 50 m tienen un tamaño y peso que dificultan las operaciones de transporte y manipulación. Conviene anotar que para transportar vigas con más de 20 m de longitud, además de requerir vehículos con plataforma extendida, articulados y en algunos casos patines para apoyar en puntos específicos los prefabricados, se requiere un trazado de vía con grandes radios de curvatura y buenas especificaciones desde la planta hasta el sitio de instalación.
Las traviesas son prefabricados pequeños de concreto presforzado, diseñados para aguantar grandes esfuerzos de flexión generados por el paso de los trenes, los cuales deben mantener en posición los rieles y transmitir al balastro las cargas verticales.
Los prefabricados postensionados son elementos formados a partir de segmentos prefabricados que se ensamblan en la obra y se les aplican esfuerzos de tensión para conformar estructuras monolíticas por medio de cables. Aunque la aplicación más importante de prefabricados postensionados es en puentes construidos por dovelas que son lanzadas desde los pilares para salvar grandes luces, también han sido utilizados en la construcción de tanques, silos, torres de enfriamento, túneles, pavimentos y en general estructuras que pueden segmentarse en elementos armados o presforzados de sección igual que una vez instalados son postensionados.
Fabricación
La fabricación de los elementos presforzados se realiza utilizando una pista o un molde de gran longitud con la sección de los elementos a fundir, el cual permite hacer varios elementos de igual o diferente longitud de manera simultánea. La longitud de la pista y/o del molde varía según el rendimiento esperado entre 40 m y 150 m, entre más largo sea la pista o el molde más elementos podrán vaciarse por ciclo de producción. La pista, que puede ser de acero o incluso concreto, está diseñada para una de las caras del prefabricado se forme contra ella y para que se permita la circulación de un dispositivo que sea capaz de vaciar el concreto con la forma deseada. El molde es una estructura de acero, que se diseña con laterales abatibles y tapas que se permitan moldear varios elementos presforzados de la misma sección. En los extremos de la pista o molde hay unas estructuras muy rígidas capaces de resistir sin deformarse la tensión de todos los torones, las cuales normalmente son de gran volumen de concreto reforzado bajo tierra. En algunas ocasiones y cuando se desea tener una planta móvil de presforzado, el molde se diseña de una forma muy robusta con capacidad para que una vez cerrado resista la tensión de todos los torones, de manera que no requiere la construcción de las estructuras bajo tierra.
La primera operación consiste alistamiento de las pistas o del molde, que incluye el aseo y la aplicación de desmoldante. Cuando los presforzados llevan armaduras, estas son ensambladas utilizando matrices y guías que permiten colocar cada varilla en la posición correcta, de manera que una vez están listas se colocan en la pista o en el molde en donde se verifica su posición para asegurar que no hay interferencia con los pases y/o conexiones, así como para garantizar los recubrimientos del acero y la correcta localización de los elementos de izaje. Posteriormente se extienden los torones para pre-esfuerzo y en el caso del molde se cierran los laterales. Luego se realiza el tensionamiento de los torones utilizando un gato hidráulico que indica el esfuerzo aplicado, el cual es verificado mediante la medición de la elongación de los torones, para luego iniciar el vaciado del concreto, el cual puede ser transportado desde la mezcladora vagonetas, bandas transportadoras, baldes o equipo convencional de obra como camiones agitadores o bombas.
Inmediatamente después de colocado el concreto se protegen los prefabricados con carpas para prevenir la deshidratación. La resistencia del concreto, se puede acelerar mediante la aplicación de temperatura con vapor o calentando la pista o el molde. Cuando se aplica vapor se controla que la temperatura máxima sea de 65 oC con un gradiente de 22 oC por hora, de acuerdo con las recomendaciones del ACI 517.
Una vez el concreto alcanza la resistencia para la transferencia de pre-esfuerzo, las carpas son retiradas y si se están utilizando molde, este puede ser abierto. Posteriormente se distensan los torones permitiendo que uno de los cabezotes que mantienen la tensión de los torones en uno de los extremos de la pista o del molde se recoja un poco y se procede a cortar los elementos de pista a la longitud requerida o a cortar los torones de los elementos fabricados en molde, en este caso el corte se realiza de acuerdo una secuencia establecida por el diseñador estructural para que el concreto se pre-esfuerce sin que se presenten deformaciones o movimientos que puedan causar desportilladuras. Es usual que los prefabricados con relación longitud/espesor alta presenten a partir de este momento contraflechas – deformación contraria a la que se presenta con las cargas de servicio -, las cuales se incrementan hasta el momento de la instalación. La contraflecha es un buen síntoma de que el concreto se ha pre-esforzado, pero debe estar dentro de valores razonables para evitar que las fibras superiores del concreto presenten fisuración.
Los prefabricados se levantan de la pista o de los moldes utilizando pinzas y/o elementos de izaje dispuestos desde antes del vaciado y con ayuda de puentes grúa se trasladan a la zona de almancenamiento, donde permanecen hasta completar la resistencia para el despacho.
Durante las diferentes etapas de producción de los prefabricados presforzados se deben realizar mediciones y controles para asegurar el cumplimiento de las especificaciones y tolerancias descritas en la especificación ACI-ITG-07, en la cual dependiendo del tipo de prefabricado se establecen los requisitos y tolerancias para la instalación.
Materiales
El concreto para prefabricados presforzados, que puede tener desde consistencia seca cuando se emplean equipos moldeadores o extrusores para formar los elementos hasta consistencia muy fluida o autocompactante cuando se utilizan moldes, se caracteriza porque tiene alta resistencia a edades tempranas, normalmente se requiere que entre 8 horas y 24 horas se alcance una resistencia mínima entre 20 MPa y 35 MPa, para poder hacer la transferencia de esfuerzos y reutilizar la pista o molde en el menor tiempo posible. La resistencia característica a 28 días de edad está entre 40 MPa y 60 MPa, aunque dependiendo de la aplicación puede especificarse una mayor resistencia. La relación agua/material cementante de los concretos empleados es muy baja, generalmente oscila entrte 0.3 y 0.5, por lo que el desempeño de los prefabricados es muy bueno desde el punto de vista mecánico y de durabilidad.
El cemento más usado en los prefabricados presforzados es el tipo III, por su bondad de tener alta resistencia inicial, sin embargo en algunos casos en que se preeveen condiciones de exposición al medio ambiente severa, como es el caso de elementos para puertos marinos, se pueden utilizar otros tipos de cemento, e incluso es posible adicionar materiales cementantes que permiten tener textura superficial cerrada y mejorar las características de durabildad, tales como humo de sílice, ceniza volante, escoría de alto horno o metacaolín.
El acero utilizado para los prefabricados presforzados tiene una resistencia de 1725 kN o 1860 kN. Según la sección del prefabricado y el nivel de presforzado que sea requerido se puede utilizar alambre con diámetro entre 3 m y 5 mm o torón conformado por 3 hilos o 7 hilos con diámetro de 6.4 mm a 17.78 mm.