Torones de Acero

Uno de los elementos importantes en la construcción de puentes presforzados son los torones. Los cuales están diseñados para comportarse flexiblemente, mientras transmiten o soportan cargas axiales. 

Comúnmente un torón se construye al enrollar helicoidalmente varios alambres de acero de alta resistencia alrededor de un alma o núcleo (Gómez y Wilches 2003). Las fuerzas de tensión que actúan en ellos, tienden a enderezar los alambres que se encuentran deformados helicoidalmente, lo cual da como resultado la aparición de esfuerzos de tensión, torsión y compresión entre ellos.

El alambre de un torón se fabrica por estiramiento al reducir el diámetro del alambrón, haciéndolo pasar por dados o matrices mediante la aplicación de una fuerza axial. Las propiedades del alambre dependen básicamente de: su composición química, microestructura, nivel de inclusiones, tamaño de grano, segregaciones y condiciones del proceso de fabricación. Todos los alambres deben cumplir con los requisitos establecidos en alguna de las siguientes normas: 

• American Society For Testing & Materials(ASTM A 1007) 
• Japanese Industrial Standards (JIS G 3525) 
• American Petroleum Institute (API Standard 9A) 
• American Federal Specification (RRW-410-F) 
• International Organization for Standardization (ISO 2232)

Los alambres para torones de acero son de sección circular, con un diámetro que varía de 0.19 mm hasta 5 mm (dependiendo del fabricante), se fabrican en aceros de alto carbono y su elevada resistencia se deriva del proceso de trefilado y de un tratamiento térmico posterior.

Para el control de calidad de los alambres para cables de acero, estos son sometidos a varios ensayos entre los que se encuentran los de: tensión, torsión, doblado, determinación de la adherencia del recubrimiento de zinc y ensayo de uniformidad del recubrimiento de zinc.

Puentes de concreto presforzado

El presfuerzo en una estructura es la aplicación de precargas de tal forma que mejore su comportamiento general. Esto da como resultado que los esfuerzos inducidos previamente se equilibren con los producidos por las cargas externas (Navarro, 2009).

Los elementos de concreto presforzado engloban dos tipos de sistemas, los pretensados y los postensados.

Pretensado

El término pretensado se usa para describir cualquier método de presforzado en el cual los torones se tensan antes de colocar el concreto. Para el control del pretensado se mide el alargamiento de los torones, así como la fuerza de tensión aplicada por los gatos hidráulicos. Con la cimbra en su lugar, se vacía el concreto sobre el torón tensado y después de haberse logrado una adecuada resistencia en el concreto, se quita la tensión que ejercen los gatos hidráulicos. Los torones tienden a recuperar la forma original (ya que se trabaja en la zona elástica del acero), pero no lo hacen por estar embebidos en el concreto; de esta manera los esfuerzos son transferidos al concreto por adherencia.

Postensado

El postensado es un método en el cual los torones de acero, se introduce dentro de ductos. Posteriormente,  los torones se tensan después de que el concreto ha fraguado. Por lo que el presfuerzo es siempre ejecutado externamente una vez que el concreto se ha endurecido, y los torones son anclados contra el concreto después de ser tensados; para este método se requiere de un sistema de anclaje especial. Esté método puede aplicarse tanto para elementos prefabricados como para elementos fabricados en obra.

El concreto presforzado ha demostrado ser técnica y económicamente competitivo tanto para puentes de claros medios donde se emplean elementos pretensados estándar producidos en serie, así como para puentes de grandes claros de más de 40 metros. En la actualidad, una gran cantidad de los puentes se construyen con esta técnica, en donde la rapidez de construcción, la eficiencia de los elementos son algunas de las ventajas que justifican esta tecnología.

Entre los sistemas que se utilizan para puentes de concreto presforzado tenemos: Losas extruidas, trabes T, AASHTO o cajón con losa colada en sitio, trabes postensadas con losa y trabes de sección de cajón de una sola pieza o en dovelas.

Puentes en México

La construcción de puentes en México y en el mundo han evolucionado fuertemente en las últimas décadas, aunado a nuevos diseños, se encuentra el empleo de nuevos materiales y procesos constructivos. Básicamente un puente es una estructura que salva obstáculos, como puede ser un río, un foso, un barranco o una vía de comunicación, y permite el paso de peatones, animales o vehículos. La normativa de la SCT define a un puente como una estructura con longitud mayor de seis metros, que se construye sobre corrientes o cuerpos de agua y cuyas dimensiones quedan definidas por razones hidráulicas. La misma norma define viaducto como una estructura que se construye sobre barrancas, zonas urbanas u otros obstáculos, y cuyas dimensiones quedan definidas por razones geométricas, dependiendo principalmente de la rasante de la vialidad y del tipo de obstáculo que cruce.

Históricamente los puentes se han construido por la necesidad de comunicación debido al ahorro en cuanto al costo y tiempo de trayecto, que se ven reflejados en una mayor productividad de la comunidad, al disminuir el costo de combustible y las emisiones contaminantes, y en otros casos, proveen seguridad a los usuarios al salvar cañadas, ríos o accidentes geográficos. Por tal motivo, en la mayoría de los países desarrollados se invierte en la construcción de puentes de grandes claros, que permitan tener una infraestructura carretera más eficiente y segura.

En el caso de puentes y viaductos pequeños en México (con claros menores de 40 m.) el uso del concreto presforzado ha tenido una tendencia a la alza desde hace aproximadamente 30 años, uno de los principales componentes de este tipo de puentes son los torones de acero, por lo que también el uso de éstos va en aumento, mientras que las estructuras de concreto reforzado cada vez son construidas en menor medida.

En la actualidad se tiene estimado que existen aproximadamente más de 6,854 puentes en la red federal de carreteras, de los cuales más del 57% de ellos tendrán para el año 2020 más de 50 años de operación. Estos puentes estarán rebasando la edad de servicio para la que fueron originalmente diseñados, por lo que se prevé una renovación importante de puentes en los próximos años y que de acuerdo con la tendencia es muy posible que estos nuevos puentes estén constituidos por algún tipo de sistema de presfuerzo (Carrión, López y Balankin, Samayoa 2006).

Las Estructuras Nacen con Daño

Cuando escuchamos el término de daño estructural pensamos siempre en estructuras agrietadas, deterioradas o deformadas por alguna causa externa a ella misma, como puede ser las fuerzas de los sismos, el empuje de los vientos, el arrastre de los ríos, ataques terroristas o alguna otra situación desfavorable.

Ésta pude ser una idea un tanto errónea, ya que todas las estructuras presentan un nivel de daño desde su creación, incluso desde que fueron concebidas en proyecto. Es decir, todas las estructuras por muy buenos materiales y procedimientos constructivos que hayamos empleado presentan daño estructural.

Al igual que un ser humano cuenta con un reloj biológico que eventualmente lo llevara a la vejez y hará que su salud se vea disminuida, también en las estructuras se desarrollará el deterioro.

Las variables por las cuales la estructura se ve afectada son múltiples, por ejemplo el diseño en su geometría (muchas estructuras presentan concentraciones de esfuerzos por esta causa), la elección de los materiales, el procedimiento constructivo empleado, entre un sinfín de variables físicas que no pueden ser controladas.

La causa de daño no es única y todas las variables intervienen en mayor o menor medida, todo esto conduce a un problema de probabilidad matemática el cual al ser resuelto podemos saber con cierto grado aproximación, como se comportará una estructura a lo largo del tiempo.

Ahora bien, la mayoría de las estructuras de puentes que existen en el país, cuentan con más de 50 años, por lo que es necesario hacer un análisis de la confiabilidad de éstas y poder tomar una decisión adecuada que permita una infraestructura carretera confiable.

La prognosis permite evaluar el comportamiento de una estructura con el paso del tiempo y definir adecuadamente su nivel de confiabilidad. Pero ese... es otro tema.

Daño y Fatiga en Estructuras

El daño estructural lo podemos definir como la degradación de las propiedades físicas, químicas y estructurales, por la cual un material no se comporta de la forma en que fue concebido inicialmente. El daño afectará adversamente el funcionamiento actual o futuro de un sistema estructural.

Las propiedades mecánicas, resistencia y rigidez, de un material pueden verse afectadas por dos factores principales: la exposición a condiciones ambientales y la acción de cargas cíclicas.

La degradación de las propiedades mecánicas bajo cargas repetitivas o fluctuantes que son de orden inferior a las cargas resistentes estáticamente, se le conoce como fatiga.

Los efectos de la fatiga se presentan inicialmente en las discontinuidades o imperfecciones del material. La existencia de distintas fases con distintas propiedades es, entonces, el desencadenante de los mecanismos de degradación local que inicia el proceso global de daño.

El fenómeno de fatiga lo podemos describir en tres fases. La primera de ellas  se denominanucleación. En esta fase aparecen microgrietas, como ya se había comentado, en los lugares donde el material presenta discontinuidades o anomalías. La segunda es la etapa de propagación de grietas, y ocurre un mecanismo de deformación en la grieta mientras que el resto de la pieza se comporta elásticamente. La tercera etapa fractura final. La grieta está próxima.

La fatiga es un fenómeno sumamente complejo, pero podemos identificar ciertos factores que comúnmente se involucran en el procedimiento de degradación y falla.

1. Concentración de esfuerzos 
2.  Estado de esfuerzos y deformaciones 
3.  Tamaño
4. Microestructura.
5. Propiedades mecánicas
6. Temperatura
7. Ambiente
8. Esfuerzos residuales
9. Combinación de esfuerzos
10. Acabado superficial.

Por lo anterior dicho bien podemos definir a la fatiga como un proceso de agrietamiento de un material bajo cargas repetitivas o fluctuantes.

Para que la fatiga ocurra es necesario que se cumplan tres condiciones, si alguna de éstas no se llegara a cumplir, la fatiga no se presenta.

• ·         La existencia de un esfuerzo a tensión suficientemente alto pero menor que la resistencia última del material.
• ·         Una variación del esfuerzo mayor  a un valor dado llamado límite de fatiga.
• ·         Un número suficiente de ciclos de carga.