¿QUÉ ES EL PRESFUERZO?

El presfuerzo es simplemente la aplicación de fuerzas que compresionan un elemento de concreto. Usualmente, el presfuerzo es aplicado con el fin de contrarrestar la flexión y los esfuerzos de tensión que resultan de la aplicación de cargas sobre el elemento. Aunque sus primeros usos se remontan a 1872, es hasta principios de la década de 1950 que ingenieros estadounidenses revisitaron la aplicación de refuerzo para eliminar el agrietamiento y reducir las deflexiones en losas delgadas para edificaciones. Sin embargo, el instrumento de diseño principal de su aplicación fue presentado por T.Y. Lin a través del concepto del balanceo de cargas (Lin, 1963).

POSTENSADO: ¿QUÉ ES Y CÓMO FUNCIONA?

De acuerdo a Collins and Mitchell (1997), el concepto básico del concreto reforzado, ya sea en elementos presforzados o no presforzados, es que el acero de refuerzo es ubicado en posiciones, dentro de los elementos, donde esfuerzos de tensión puedan ocurrir. En la construcción con concreto presforzado se utiliza un acero de alta resistencia. Este refuerzo es tensionado previo a la aplicación de las cargas externas (cargas muertas sobrepuestas, cargas de uso, entre otros); la tensión del acero de refuerzo provoca, entonces, una precompresión del elemento de concreto y, por lo tanto, le permite resistir cargas mayores.

Existen dos tipos de presfuerzo: el postensado y el pretensado. En el primer caso, el acero de postensado es colocado dentro de un ducto, para evitar adherencia con el concreto, y posicionado, junto con el armado convencional del elemento según normativa, antes de que el concreto sea colado. Una vez el concreto ha fraguado y ha alcanzado cierto porcentaje de resistencia, un gato hidráulico externo genera una fuerza de tensión sobre el acero, que a su vez produce una reacción contraria en el cuerpo del elemento de concreto. Por lo tanto, la tensión en el acero imparte una fuerza de compresión de igual magnitud en el concreto que lo rodea. Cuando el acero alcanza el valor de diseño, el tendón es anclado en los extremos del elemento para bloquear la fuerza de tensión en el acero y la de compresión en el concreto (Aalami, 2014). 

Aalami (2014) establece que, con el paso del tiempo, existen pérdidas de la fuerza de postensado debido tanto a efectos en el concreto como en el acero. En el concreto debido a la contracción natural del material y a la fluencia del concreto que es la deformación de la estructura bajo cargas sostenidas (el término utilizado en inglés es “creep”). También existen pérdidas por la relajación del acero de presfuerzo. Sin embargo, actualmente, existen materiales como el acero de baja relajación donde las pérdidas se reducen a un mínimo. 

Partes y elementos del sistema de postensado
(Fuente: Basak, s.f.)

VENTAJAS DEL POSTENSADO SOBRE EL REFUERZO CONVENCIONAL EN LOSAS

A.   Ventajas en la construcción

  • Losas de menor espesor, menor concreto necesario para la construcción.

Una vez la luz libre de una construcción sobrepasa los 5 m (16 ft), una losa postensada será aproximadamente un tercio más delgada que una losa convencional diseñada para los mismos casos de carga. Esta reducción en el espesor se traduce a menores cantidades de concreto para la construcción de la losa y para las columnas de soporte, muros y cimentación. Además de reducir los costos de materiales de construcción, el uso de postensado también disminuye la huella de carbono de la edificación (Aalami, 2014). 

  • Mayores luces libres.

Las losas postensadas pueden abarcar luces de mayor distancia en comparación de las convencionalmente reforzadas de un mismo espesor (Aalami, 2014). Además de proveer ambientes abiertos más espaciosos, los vanos más largos permiten una reducción en el número de soportes incluyendo la eliminación de elementos secundarios, con los ahorros asociados (material de construcción, formaleta, entre otros). De hecho, la losa postensada es económica a partir de 8 metros de luz según lo estudiado por el departamento técnico de MK4 y como se muestra en el siguiente gráfico:

  • Mejor distribución de soportes en arreglos irregulares.

Las aspiraciones arquitectónicas en conjunto con la mejora de las propiedades de los materiales y los avances en análisis y diseño estructural, producen atrevidas distribuciones de pisos, así como arreglos irregulares de apoyos y geometría. Los elementos postensados se adaptan de mejor manera a las demandas de irregularidad que los elementos reforzados convencionalmente (Aalami, 2014).

  • Velocidad en construcción.

Se obtiene mayor repetición de piso a piso, lo que se convierte en velocidad, estandarización de detalles simples del refuerzo y detalles de formaleta. Aumento en la velocidad de construcción, acelerando el proceso de desencofrado y retiro de apuntalamiento, derivando en la reducción de tiempos de ejecución y costos. El mismo hecho de postensado rápido de las losas permite reducir la cantidad de niveles que requieren apuntalarse conforme avanza las fundiciones de los pisos.

Construcción de hotel en San Marcos con losa de entrepiso postensada
(Fuente: Grupo Muratori)

B. Ventajas en los requerimientos de resistencia

  • Menor uso de acero para garantizar seguridad y reducción de la huella de carbono en general. 

La alta resistencia del acero de presfuerzo utilizado actualmente en la construcción (270 ksi), provee hasta cuatro y media veces la capacidad del acero de refuerzo convencional (60 ksi). Por lo tanto, reemplazar el acero de refuerzo convencional por el de presfuerzo puede reducir el peso de la armadura en más de cuatro veces (Aalami, 2014). Esta reducción es importante desde la perspectiva de sostenibilidad y cuando la huella de carbono de la edificación es una preocupación.

Comparación de las curvas de resistencia del acero postensado y del convencional
(Fuente: Paul, Kahn y Kurtis, 2015)
  • Menor uso de acero mediante la reducción de refuerzo por contracción y temperatura.

Los códigos de diseño requieren un acero de refuerzo mínimo para controlar el agrietamiento del concreto por contracción y temperatura (ACI 318-14). Este tipo de refuerzo debe estar distribuido uniformemente a través de toda la losa, esto ha generado la práctica común de proveer un mallado de refuerzo en el elemento. En el mejor de los casos solo un pequeño porcentaje de este mallado puede considerarse en el diseño por resistencia. Las losas postensadas no requieren de un mallado ni de varillas estrechamente espaciadas, debido a que la precompresión impartida por los tendones se propaga rápidamente a través de la losa y tiene la magnitud suficiente para prevenir agrietamiento por los cambios de contracción y temperatura (Aalami, 2014).

  • Menor uso de acero mediante la reducción de refuerzo por requerimientos sísmicos.

Las fuerzas sísmicas generadas por la masa de un piso deben ser distribuidas al sistema de resistencia lateral de la estructura como muros de corte, marcos a momento (vigas y columnas), sistemas duales, entre otros. El sistema del piso actúa como un diafragma para transferir esas fuerzas a los elementos verticales que soportan al piso según la rigidez de cada uno. Los códigos de diseño requieren la colocación de un área mínima de refuerzo distribuido en ambas direcciones de la losa (ACI 318-14), de esta manera el elemento tendrá la resistencia necesaria en el plano de acción. La precompresión proporcionada por los tendones postensados en condiciones de servicio, generalmente elimina la necesidad de refuerzo adicional (Aalami, 2014). 

Ubicaciones de tendones en losa postensada
(Fuente: Grupo Muratori)
  • Edificios de concreto más livianos, menor demanda sísmica.

Los edificios de concreto postensado son generalmente un tercio más livianos en comparación a un diseño con refuerzo convencional, por lo tanto, los soportes y cimientos toman ventaja del sistema de piso con menor peso (Aalami, 2014). Sin embargo, es importante mencionar que esta ventaja en el diseño es beneficiosa cuando la estructura es planteada como postensada desde el inicio y todo el sistema de marcos es diseñado reconociendo la reducción del peso de los pisos. La reducción de pesos muertos redunda en reducir las fuerzas inerciales por terremotos en zonas de alta amenaza sísmica.

  • Marcos de concreto de menor altura.

La reducción del espesor de las losas y la eliminación de vigas secundarias puede permitir alturas (piso a piso) reducidas y, por lo tanto, tener una reducción en la altura total de la edificación (Aalami, 2014). Una de los beneficios de marcos de menor altura en el área de diseño estructural es que el brazo de palanca del momento de vuelco creado por las fuerzas sísmicas o del viento es menor en las cimentaciones, lo cual significa ahorro en concreto, acero de refuerzo y en volúmenes de excavación. Además, una menor altura de columnas se traduce en ahorro de acabados, elevadores, escaleras, rampas, aire acondicionado (volumen a ser enfriado o calentado). Para un edificio de apartamentos de 21 niveles, por ejemplo, esto permitió la reducción de alturas de piso de 4.0m a 3.7m manteniendo la altura libre de cada nivel, teniendo una reducción total de altura de columnas de 5.68 m (un nivel y medio).

Cambio de altura total de edificación por marcos de menor altura
(Fuente: Grupo Muratori)
  • Mayor capacidad para resistir fuerzas.

Una de las propiedades destacadas del postensado es que, cuando esforzado, un tendón ejerce una fuerza en la estructura. Cuando el edifico se encuentra en servicio, el postensado actúa como una carga activa en el sistema, en sentido contrario de las demás cargas como la muerta y la viva. La fuerza aplicada por el postensado es generalmente configurada para contrarrestar las fuerzas aplicadas (Aalami, 2014).

Por ejemplo, cuando se usa concreto reforzado convencional, las losas se deflectan y agrietan durante la aplicación de una fuerza antes que el acero de refuerzo es movilizado a resistir la fuerza. Con una losa postensada, el tendón puede ser ubicado de tal manera que aplica una fuerza hacia arriba en una magnitud que, combinada con la precompresión de los tendones, va a contrarrestar la fuerza aplicada sin deflexión indebida o agrietamiento local del elemento.

Esta es la razón por la que el postensado es un método de refuerzo activo, mientras que el refuerzo convencional es clasificado como pasivo (Aalami, 2014). 

C. Ventajas en los requerimientos de servicio

  • Reducción de deflexiones.

Los sistemas de pisos reforzados con elementos postensado usualmente se deflectan menos que diseños reforzados de manera convencional. De hecho, la reducción de las deflexiones ha sido una de las principales razones del incremento de elementos postensados en los Estados Unidos. Existen dos razones que explican este fenómeno: 1) el mayor porcentaje de carga en una losa es su peso propio, el postensado entonces puede ser diseñado para proveer una fuerza hacia arriba que balancea un alto porcentaje del peso del elemento y, así, reducir la fuerza neta hacia abajo que causa la deflexión; 2) debido a que el agrietamiento puede ser reducido y hasta eliminado, las losas postensadas tienen una mayor rigidez a flexión que una losa convencional (Aalami, 2014). 

Deformaciones por carga muerta y por efectos de postensado en losa de entrepiso
(Fuente: Grupo Muratori)
  • Percepción y aceptabilidad de la vibración.

La vibración es un aspecto de serviciabilidad a considerar, estas se pueden controlar y el código de diseño determina un umbral tolerable dependiendo del uso de la edificación. Losas muy delgadas presentan la característica de que al tener una menor masa su frecuencia disminuye y la percepción de vibraciones sobrepasan el límite aceptable. El agrietamiento del elemento puede agudizar el problema debido a que también disminuye la frecuencia natural del elemento (ADAPT TN 290, 2010). A primera vista las losas postensadas tienen un menor espesor y, por lo tanto, estarían más propensas a vibraciones inaceptables. Sin embargo, un beneficio que proveen las losas postensadas es que presentan una mayor rigidez relativa debido al menor agrietamiento del material. Sin embargo, existe un límite de extensión y de espesor de la losa postensada para que pueda cumplir con los requerimientos de servicio. 

  • Reducción de agrietamiento

Debido a que el ACI 318 impone un límite bajo en los esfuerzos permisibles de tensión en servicio, las losas postensadas en dos direcciones diseñadas usando este código prácticamente no se agrietarán bajo las condiciones de servicio (Aalami, 2014). Por el contrario, cuando se usa el código europeo (EC2), el diseñador elije la extensión del agrietamiento permisible y un ancho de grieta de diseño, basado en las condiciones de servicio anticipadas para el sistema de piso. Por lo tanto, el control del agrietamiento, según el Eurocódigo, es de acuerdo a la decisión y criterio de los planificadores.

CONCLUSIÓN

El uso del postensado es una técnica de presfuerzo cuyo objetivo principal es contrarrestar el efecto de las cargas a las que es sometido el elemento. Este efecto se traduce en ventajas en el sistema, estas incluyen: ahorro en material de construcción (aproximadamente 20% en concreto y 13% en acero), reducción de los ciclos de construcción, construcciones más livianas, mayor durabilidad, reducción de juntas de construcción, reducción de las deflexiones y, finalmente, reducción de los costos iniciales del proyecto y de mantenimiento.

FUENTE BIBLIOGRÁFICA

Aalami, Bijan O. (2014) Post-Tensioned Buildings: Design and Construction. (First Edition). US Edition. 

ACI 318-14 (2014) Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary. American Concrete Institute.

ADAPT TN 290 (2010) Vibration Design of Concrete Floors for Serviceability. ADAPT, www.adaptsoft.com, pp. 20.

Basak, Subhajit (s.f.) Post Tension Slab – Working principle, components and construction. Extraído el 09 de agosto, 2021 de: https://civilengineerfriend.blogspot.com/2018/12/post-tension-slab-working-principle.html

Collins, M.P. and Mitchell, D. (1997) Prestressed Concrete Structures. Response Publications. Canada.

Paul, Álvaro & Kahn, Lawrence & Kurtis, Kimberly. (2015). Corrosion-Free Precast Prestressed Concrete Piles Made with Stainless Steel Reinforcement: Construction, Test and Evaluation.

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