Diseño de hormigón pretensado en RFEM

Artículo técnico

El diseño eficiente de componentes estructurales pretensados requiere algunos pasos adicionales que van más allá del diseño de hormigón armado, desde el modelado de tendones hastas el cálculo de las cargas equivalentes y el diseño de la resistencia de la sección. Por tanto, es importante que el software para estos diseños esté estructurado y sea posible la navegación en el programa. RFEM, con los módulos adicionales RF-TENDON y RF-TENDON Design cumple con estos requisitos y permite a los ingenieros realizar el diseño completo de vigas, pórticos, losas, edificios y puentes pretensados según EN 1992-1-1 con los Anejos nacionales y también en SIA 262.

Modelado de la estructura

El modelado estructural es el primer paso del diseño de los componentes de pretensados. En RFEM, es posible introducir de manera simple y rápida vigas, pórticos y losas, o modelar edificios y puentes complejos. RFEM 5 incluye el típico entorno para software CAD por lo que el manejo del programa es intuitivo.

Para modelar estructuras de pórticos y entramados, está disponible una amplia variedad de secciones normalizadas en el programa. Las secciones especiales pueden definirse en el programa SHAPE-THIN y utilizar en el análisis por elementos finitos de RFEM.

La introducción de cargas se facilita por los generadores de cargas incluidos, tales como la determinación de la carga de nieve. Se crea una combinación de cargas automáticamente según la norma seleccionada. También es posible definir situaciones de carga manualmente, por ejemplo en el caso de los estados constructivos específicos. La visualización foto-realista del modelo con una representación en 3D proporciona siempre un control de entrada inmediato.

Figura 01 - Modelo de RFEM de edificio residencial con techo de hormigón armado

Geometría del tendón

La definición de la geometría del tendón con respecto a la forma de la estructura puede ser muy tediosa y difícil, especialmente en el caso de componentes estructurales curvados. Mediante la proyección de estos componentes en el plano XY y XZ, el problema espacial se puede simplificar a una geometría en 2D. En este caso, la viga se muestra directamente en los planos XY y XZ, y la definición de la geometría del tendón, por tanto, está simplificada en gran medida.

Otra dificultad posible podría ser la definición de una forma de tendón en una viga esbelta pretensada. El problema puede estar causado por el hecho que las vigas son habitualmente muy largas y planas. Al mostrar la viga entera, la altura de la sección es muy pequeña y es muy difícil reconocer la distribución del tendón en detalle. En este caso, hay una opción en RF-TENDON para poner a escala la viga de hormigón pretensado vertical y horizontalmente. Por esto, es posible mostrar más grande la altura de una viga esbelta para que la forma del tendón se pueda reconocer mejor.

Figura 02 - Proyección sobredimensionada de una viga de hormigón pretensado

La geometría del tendón se puede generar automáticamente usando la forma normalizada del tendón. El programa genera la geometría del tendón con respecto a los soportes existentes. Si es necesario, es posible ajustar la posición del tendón posteriormente.

El programa crea la geometría en 3D de un tendón fundiendo ambas proyecciones en los planos XY y XZ. El diagrama del tendón en 3D se genera a partir de ambas proyecciones de la viga curvada. De esta manera, es posible obtener fácil y rápidamente la geometría del tendón de la viga curvada de hormigón pretensado. Para las vigas rectas de hormigón pretensado, no es necesario trabajar en dos proyecciones.

Efectos del pretensado

Las cargas equivalentes, las cuales se corresponden con los efectos de pretensado, se determinan automáticamente como las fuerzas resultantes con respecto a la excentricidad y el cambio de dirección del tendón. Estas cargas equivalentes pueden mostrarse gráficamente. También es posible comparar gráficamente las cargas equivalentes desde el pretensado con la carga externa desde la carga constante y variable. De esta manera, el efecto del pretensado puede reconocerse fácilmente en el diseño en RF-TENDON.

El efecto de pretensado en el diseño está controlado por la intensidad de las fuerzas de pretensado. Según el Prof. Tung-Yen Lin, el componente cuasi-permanente de la carga externa debería compensarse por la carga equivalente del pretensado. Este "Método de equilibrio de cargas" puede ser entonces utilizado para el diseño preliminar de los tendones. Tanto las cargas externas como las equivalentes de la precarga pueden mostrarse gráficamente en RF-TENDON.

Figura 03 - Gráfico resultante de cargas equivalentes del pretensado

La tensión en el tendón y en las cargas equivalentes del pretensado se calcula con respecto a las pérdidas del tendón. El deslizamiento del anclaje y las pérdidas de rozamiento se determinan por integración directa de la deformación a lo largo de la longitud del tendón. El método de cálculo considera completamente todos los cambios angulares de la geometría del tendón en 3D. Las pérdidas de tensión debidas a la deformación del hormigón elástico se determinan usando las propiedades de sección ideal. Las pérdidas a largo plazo se calculan según la normativa de cálculo, considerando las pérdidas de deformación debidas a la fluencia y retracción del hormigón sujeto a las cargas permanentes y a las pérdidas de tensión en el acero de pretensado debido a la relajación bajo tracción. Al determinar el efecto de la fluencia, se considera el historial de carga.

Análisis estructural

Los efectos de pretensado se aplican automáticamente a la estructura y se puede realizar el análisis estructural usando el método de los elementos finitos. Los efectos de pretensado se calculan con respecto a los efectos primarios y secundarios. Los esfuerzos internos de las franjas de diseño de la losa pretensada se pueden integrar en los esfuerzos internos de una barra resultante virtual y usar posteriormente para el diseño de la sección. Los esfuerzos internos, incluyendo los efectos de pretensado, se calculan en RFEM y exportan a RF-TENDON Design.

Diseño de secciones pretensadas

El paso final en el diseño de componentes pretensados es verificar la sección de hormigón pretensado. Para esto, se utiliza el módulo adicional RF-TENDON Design. En este programa, están disponibles los cálculos según el Eurocódigo 2 y SIA 262. Los parámetros y métodos de determinación nacional pueden considerarse según ocho Anejos Nacionales, incluyendo DIN EN 1992-1-1/NA y ÖNORM EN 1992-1-1.

Cada forma de sección y disposición de armadura puede comprobarse calculando la distribución de tensiones en 3D en la sección. Además, están disponibles las plantillas de armaduras predefinidas para las formas típicas de sección. La posición de los tendones y conductos en la sección se toman automáticamente de la geometría del tendón en 3D.

RF-TENDON Design comprueba si la sección cumple con los requisitos del Eurocódigo 2 ó SIA para el cálculo de tanto el estado límite último como de servicio, incluyendo los requisitos para puentes de EN 1992-2. Incluso, RF-TENDON Design puede considerar las interacciones de todos los esfuerzos internos tales como los esfuerzos axiles, momentos flectores, cortante y torsión. Los valores del estado límite de servicio se comprueban durante el cálculo de tensiones, anchos de fisura, descompresión y flechas.

Proporcionando la posibilidad de un análisis ampliado con la respuesta tensión-deformación de las secciones, el cálculo de la rigidez y la posibilidad de mostrar el diagrama de momento-curvatura, RFEM es un software potente para el análisis estructural según el Eurocódigo y SIA. Debido a la interfaz gráfica de usuario moderna, la información clara sobre el estado del diseño, la opción de obtener resultados resumidos rápidamente o el realizar el cálculo detallado así como también el sistema con avisos y recomendaciones, el programa es extremadamente fácil de manejar y universal.

Figura 04 - Diagrama de reacción tensión-deformación de una viga en ELU

Conclusión

Todos los pasos necesarios para realizar el diseño del pretensado en RFEM 5 pueden ser accesibles por el usuario. RF-TENDON es un programa eficaz, fácil de entender y utilizar para vigas y estructuras pretensadas, así como también para losas y estructuras complejas. Por otra parte, el programa ofrece una entrada de datos fácil e intuitiva, lo cual permite realizar cálculos preliminares de manera muy eficiente. RF-TENDON y RF-TENDON Design proporcionan la solución completa y ayuda al usuario en la realización del diseño del pretensado y en el trato con el Eurocódigo 2.

Referencia

[1]   Navrátil, J. (2014). Prestressed Concrete Structures (2nd ed.). Ostrava: Universidad Técnica de Ostrava, Facultad de Ingeniería Civil.

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