Análisis del pretensado residual en vigas mediante el método experimental "saw-cut"

Abstract

[ES] Los elementos estructurales de hormigón pretensado, ya sean con armadura postesa o pretesa, arrojan en la actualidad una notable incertidumbre acerca del estado tensional real que se da en el elemento, consecuencia directa del desconocimiento del nivel de pretensado actuante en la estructura.

El procedimiento para el diseño y ejecución de estos elementos según las normativas consiste en seleccionar el nivel de fuerza de pretensado a introducir, para posteriormente estimar el nivel tensional de la estructura a partir de la consideración de diversas pérdidas que contribuyen a una disminución de la fuerza con el tiempo. Estas pérdidas son debidas a: pérdidas instantáneas de pretensado debido a la fricción, acortamiento elástico del hormigón y pérdida por penetración de cuñas, y pérdidas de pretensado dependientes del tiempo debido a la fluencia y contracción del hormigón y la relajación de la armadura. Sobreestimar las pérdidas de pretensado puede conducir a una curvatura excesiva y diseños ineficientes, mientras que subestimar las pérdidas de pretensado puede resultar en una deflexión excesiva y fisuras inesperadas. En consecuencia, resulta de vital importancia determinar la fuerza de pretensado efectiva en cualquier instante para poder realizar predicciones de vida útil y acometer mantenimientos adecuados en estos elementos.

En la actualidad, las estructuras de nueva construcción suelen disponer de elementos de monitorización continua, ya sea mediante dispositivos internos en el hormigón (por ejemplo, galgas extensométricas de hilo vibrante) y/o dispositivos en la armadura activa (por ejemplo, sensores de fibra óptica). Sin embargo, la gran mayoría de los elementos de pretensado ya existentes no disponen de este tipo de dispositivos, por lo que resulta necesario aplicar técnicas experimentales para poder obtener la fuerza de pretensado residual en la estructura a partir de métodos indirectos como son: (a) aplicación de carga para obtener la tensión de compresión disponible en la fibra inferior de un elemento mediante la determinación de la respuesta estructural asociada a la iniciación de fisuras (¿crack openning¿) o fenómenos de reapertura de fisuras (¿crack re-openning¿); (b) cortar una longitud de la armadura activa, la cual se instrumenta (por ejemplo, mediante el uso de galgas extensométricas en su superficie) (¿tendon cutting¿); (c) analizar la respuesta de una longitud expuesta de la armadura de pretensado en términos de deformabilidad cuando se somete a una fuerza externa (¿exposed tendon¿); (d) liberar tensiones a través de un agujero cilíndrico perforado en el hormigón (¿hole/core drilling¿); y (e) realizar entallas mediante corte con sierra en la fibra inferior de un elemento de hormigón pretensado y medir las deformaciones liberadas (¿saw-cut¿).

Tras el estudio bibliográfico relativo a las técnicas antes presentadas, se constata que la técnica ¿saw-cut¿ constituye una opción viable y con suficiente potencial para poder avanzar y evaluar una viga de hormigón pretensado bajo condiciones experimentales. El fundamento del ensayo se basa en la descompresión local del hormigón mediante la introducción de pares de cortes superficiales que permiten conformar una banda de hormigón aislado. Las medidas de deformación resultantes obtenidas por extensometría en el bloque de hormigón aislado se analizan y computan contextualizándolas junto con la consideración de posibles incertidumbres asociadas al pretensado inicial, las propiedades de los materiales y su evolución en el tiempo. Los conocimientos adquiridos servirán para una mejor comprensión de la técnica de corte con sierra y para facilitar futuras aplicaciones in situ para determinar la fuerza de pretensado residual.

[EN] The structural elements of prestressed concrete, whether post-tensioned or pre-tensioned, currently present a significant uncertainty about the actual stress state in the element, a direct consequence of the unknown level of prestressing acting on the structure.

The procedure for the design and execution of these elements according to regulations consists of selecting the level of prestressing force to be introduced and then estimating the stress level of the structure by considering various losses that contribute to a decrease in force over time. These losses are due to: instantaneous losses of prestress due to friction, elastic shortening of the concrete, and losses due to wedge penetration, as well as time-dependent losses due to concrete creep and shrinkage and relaxation of the reinforcement. Overestimating prestress losses can lead to excessive curvature and inefficient designs, while underestimating prestress losses can result in excessive deflection and unexpected cracks. Consequently, it is vital to determine the effective prestressing force at any given time in order to make predictions of service life and carry out proper maintenance on these elements.

Currently, newly constructed structures often have continuous monitoring elements, either through internal devices in the concrete (e.g., vibrating wire strain gauges) and/or devices on the active reinforcement (e.g., fiber optic sensors). However, the majority of existing prestressed elements do not have this type of monitoring, so it is necessary to apply experimental techniques to obtain the residual prestressing force in the structure through indirect methods, such as: (a) applying load to obtain the available compressive stress in the bottom fiber of an element by determining the structural response associated with crack initiation or crack reopening phenomena; (b) cutting a length of the active reinforcement, which is instrumented (e.g., using strain gauges on its surface); (c) analyzing the response of an exposed length of prestressing reinforcement in terms of deformability when subjected to an external force; (d) releasing stresses through a cylindrical hole drilled in the concrete; and (e) creating notches by saw-cutting the bottom fiber of a prestressed concrete element and measuring the resulting deformations.

After a literature review of the aforementioned techniques, it is confirmed that the "saw-cut" technique is a viable option with sufficient potential to advance and evaluate a prestressed concrete beam under experimental conditions. The basis of the test relies on the localized decompression of the concrete by introducing pairs of surface cuts that allow for the formation of an isolated concrete strip. The resulting deformation measurements obtained by strain gauges on the isolated concrete block are analyzed and computed in conjunction with the consideration of potential uncertainties associated with initial prestressing, material properties, and their evolution over time. The knowledge gained will contribute to a better understanding of the saw-cutting technique and facilitate future in situ applications to determine the residual prestressing force.