Introducción a la conducta del arrendador del tiempo en acero prestablecido

Los tendones y barras de presión son la columna vertebral de muchas estructuras modernas, desde puentes de larga duración hasta garajes de alto nivel. Al colocar el acero bajo una fuerza compresiva permanente, los ingenieros pueden contrarrestar las tensiones de tensión que el hormigón no puede resistir. Durante décadas de servicio, sin embargo, dos fenómenos independientes pero interrelacionados dependientes del tiempo extienden la fatiga y la fatiga del acero.

¿Qué es el arroyo en acero prestablecido?

El arduo es la deformación temporal e irreversible de un material bajo constante o lentamente el estrés inferior a la fuerza de rendimiento. Para el acero prestresante, el arnés se manifiesta como una elongación gradual del tendón. Esta alargadura reduce la fuerza de prestreza efectiva (la llamada pérdida de prestreza), que a su vez puede aumentar las tensiones de tensión en el hormigón, más ancho de grietas, y reducir la rigidez estructural.

La cepa de la escrepidad se describe típicamente en tres etapas:

  • Estupendo primario (transiente): La tasa de tensión disminuye rápidamente con el tiempo a medida que se mueven y reorganizan las dislocaciones.
  • Secondary (steady-state) Creep: Prevalece una tasa de tensión constante, gobernada por la subida de dislocación controlada por la difusión.
  • ]Estupenda territorial: La tasa de tensión se acelera debido a la coalidad de cuello, micro-voide, o la cavitación de límites de grano, que conduce a la ruptura.

Bajo los niveles típicos de prestreza (0.6 a 0.8 veces la fuerza de tracción máxima), el acero opera principalmente en los regímenes primarios y secundarios de crep, con estribo terciario insignificante a menos que las temperaturas se elevan.

Factores que influencia desploma en acero prestablecido

La tasa de crecimiento depende de varios parámetros clave:

  • Nivel de tensión: La tensión de los cultivos aumenta sin linealmente con el estrés aplicado. La prestreza inicial más alta acelera las pérdidas de escalofríos.
  • Temperatura: Incluso las subidas de temperatura modestas (por ejemplo, la calefacción solar de los tendones de puente) pueden duplicar o triplicar la tasa de crep. Por cada aumento de 10-15 °C, la tasa de crepcia puede aumentar en un factor de dos a tres.
  • ]Composición y microestructura de los tacos: Los aceros de alta resistencia a la parrilla y templado (por ejemplo, ASTM A416) tienen estructuras de grano más finas que mejoran la resistencia a los escalones en comparación con las calificaciones normalizadas.
  • La relajación del estrés: Mientras que el crep es resistente a la tensión, la relajación del estrés es el fenómeno complementario donde el estrés se descompone bajo una tensión constante. Los sistemas de prestreza experimentan simultáneamente; los estándares a menudo los tratan juntos como una pérdida combinada de prestreza.

Los códigos de diseño internacionales (ACI 318, AASHTO LRFD) proporcionan fórmulas empíricas para estimar pérdidas de escalofríos basadas en la relación entre estrés y fuerza y temperatura ambiente inicial. Por ejemplo, el manual de diseño del PCI (Precast/Prestresed Concrete Institute) recomienda un coeficiente de escalofríos que representa el nivel de temperatura y estrés.

Comprensión de la fatiga en acero prefabricado

La fatiga es el daño estructural progresivo y localizado que ocurre cuando un material es sometido a carga cíclica. En el acero prestresante, el daño de fatiga se manifiesta como la iniciación y el lento crecimiento de una o más grietas, que eventualmente pueden propagarse a un tamaño crítico y causar una fractura repentina y frágil. La fatiga es una causa principal de fracaso en los tendones de puentes y estructuras de estacionamiento que experimentan fluctuación cargas vivas, viento y vibración.

El proceso de fatiga se divide en tres etapas:

  • Iniciación de la corrosión: En puntos de concentración de estrés (por ejemplo, defectos superficiales, pozos de corrosión, rosca de anclajes), se forman microscópicamente pequeñas grietas después de cierto número de ciclos.
  • ]Propulsión de la cadena: La grieta crece progresivamente con cada ciclo de carga. La tasa de crecimiento puede describirse por la ley de París: da/dN = C (ΔK)^m, donde ΔK es el rango de intensidad de estrés y C, m son constantes materiales.
  • Fractura final:] Una vez que la grieta alcanza una longitud crítica, la sección transversal restante ya no puede cargar la carga máxima, y las rupturas del tendón.

Carga de fatiga en estructuras prefabricadas

Las cargas típicas de fatiga incluyen:

  • Vibraciones inducidas por el tráfico y cargas vivas en puentes (cargas de eje, vehículos móviles).
  • oscilaciones inducidas por el viento en puentes de suspensión o con soporte de cable.
  • Ciclismo térmico debido a la radiación solar diaria.
  • Vibraciones inducidas por la máquina en estructuras industriales.

La fuerza de fatiga del acero prestresante se determina por el límite de resistencia ]—la amplitud de estrés debajo de la cual el acero puede soportar teóricamente un número infinito de ciclos. Para los hilos preestrestresantes de alta resistencia, el límite de resistencia es típicamente alrededor del 10-20% de la fuerza de la tensión máxima (UTS) en 2 × disminuyen los ciclos de fatiga del aire.

Fatiga vs. Estrés-Corrosión Cracking

Es importante distinguir la fatiga de la fractura por la corrosión de estrés (SCC). Mientras ambos implican la grieta bajo tensión de tensión, SCC es impulsado por un ambiente específico corrosivo y el estrés estático, en lugar de la carga cíclica. Sin embargo, en la práctica, los dos pueden interactuar: los agujeros de corrosión preexistentes actúan como levantadores de estrés que reducen enormemente la fatiga de la vida, un fenómeno conocido como fatiga de la corrosión.

Diferencias clave entre crep y fatiga

Aunque ambos son mecanismos de fracaso dependientes del tiempo, el estruendo y la fatiga difieren fundamentalmente en sus causas y manifestaciones:

Aspect Creep Fatigue
Loading type Constant or slowly varying stress Cyclic (repeated) stress
Deformation Gradual, permanent elongation (strain increase) Localized crack growth; minimal overall deformation until fracture
Time to failure Often long-term (months to decades) except at high temperatures Can occur in a few thousand cycles (e.g., high-amplitude loading) or many millions
Temperature sensitivity Highly sensitive; rate increases exponentially with temperature Less sensitive, but elevated temperature can accelerate
Failure mode Necking, cavitation, ductile rupture (if tertiary stage reached) Brittle fracture at a localized crack
Primary mitigation Reduce sustained stress, use creep-resistant alloys, control temperature Minimize stress ranges, avoid stress concentrations, protect from corrosion

En aplicaciones prestresadoras, los dos fenómenos pueden actuar simultáneamente, especialmente en puentes donde la carga mortal sostenida (producción de escarpa) se combina con cargas vivas repetidas (producción de fatiga). Estudios de campo indican que las pérdidas de escacielos pueden reducir el estrés medio en tendones, que disminuye un poco la amplitud de estrés y puede extender la vida de fatiga, pero este intercambio es complejo y debe ser evaluado sobre una base de caso por caso.

Impacto en la integridad estructural y vida útil

Tanto el estruendo como la fatiga tienen consecuencias directas en la seguridad y el rendimiento de las estructuras de hormigón prestresado:

  • Pérdida de prestreza: El arcón combinado con la relajación del acero puede reducir la prestreza efectiva en un 10–20% sobre la vida del diseño. Esto conduce a grietas más amplias, mayor deflexión y menor fuerza de esquila.
  • ] Riesgo creciente de corrosión: Las grietas más anchas de la pérdida de prestreza permiten que la humedad y los cloruros alcancen el acero, acelerando el pitting y la fatiga de la corrosión.
  • Frujo repentino, catastrófico:] Las fracturas de fatiga suelen ocurrir sin previo aviso, ya que las grietas crecen internamente hasta que la sección neta restante ya no puede cargar la carga máxima. Un solo hilo roto puede sobrecargar las hebras adyacentes, causando un fallo de cascada.
  • ]Seducción reducida: El arcón puede causar cavitación de límites de grano, embriagiendo el acero y reduciendo su capacidad de deformación antes de la fractura.

Los estudios ilustran estos riesgos. El colapso del puente Mjøsa (Noruega) de 1990 se atribuyó a la fatiga de los tendones prestresantes combinados con la corrosión. Investigaciones revelaron que el drenaje y la sal de deshidratación inadecuada crearon un ambiente corrosivo que acortaba drásticamente la vida de fatiga de los hilos. Más recientemente, varios puentes de hormigón post-tensión en los Estados Unidos han sido retrofiteados después de las inspecciones

Métodos de ensayo y medición

La evaluación fiable de la tracción y la fatiga requiere pruebas especializadas tanto en laboratorio como en campo.

Testing Creep

Las pruebas estándar de estruendo (por ejemplo, ASTM E139) implican aplicar una carga constante de tensil a un espécimen de acero a temperatura controlada mientras monitorea continuamente el alargamiento. Para los hilos prestresantes, los fabricantes prueban rutinariamente la relajación del estrés (el fenómeno relacionado) cargando un hilo a una fuerza de destino y luego lo sostienen a la longitud constante mientras miden la fuerza des más de 1000 horas.

Probando de fatiga

Las pruebas de fatiga (ASTM E466, E468) someten el acero a un ciclo de estrés sinusoidal (normalmente entre una carga mínima y máxima) a una frecuencia de 1–20 Hz. Para las cadenas preestrestres, se realizan pruebas en cadenas de 7 hilos con anclajes para reproducir condiciones reales de transmisión de carga.

Evaluación no destructiva (ECM) en el campo

Para las estructuras en el servicio, la medición directa de los daños de la tracción y la fatiga es difícil.

  • Emisión acústica (AE): Detección del sonido de alta frecuencia de las roturas de alambre o el crecimiento de las grietas en tiempo real durante la carga.
  • filtración de flujo magnético: Detectando áreas de alambres rotos en tendones sin acoplamiento escaneando el conducto con un imán.
  • Manómetros de tren y sensores de fibra óptica: Monitoreo de cepas de arrastrar a largo plazo en el hormigón adyacente a los tendones.
  • Impact-echo y tomografía ultrasónica: Identificando los vacíos en los conductos agrietados que pueden conducir a la corrosión y la fatiga.

Estrategias de mitigación en diseño y mantenimiento

Para abordar el estruendo y la fatiga se requiere un enfoque multicapa de la selección de materiales mediante el monitoreo a largo plazo.

Medidas de alcance material

  • Usa el acero con un grado de baja relajación (LR) probado. Los hilos ASTM A416 “low relax” se someten a un tratamiento termo-mecánico que reduce las pérdidas a largo plazo hasta un 60% en comparación con los hilos resistentes al estrés.
  • Especifique aceros microaleados finos (con vanadio, niobio o titanio) para mejorar la resistencia al estruendo.
  • Aplicar revestimientos protectores (vacunización de zinc, recubrimiento epoxi o aleaciones resistentes a la corrosión) para mitigar la fatiga de la corrosión.

Medidas de diseño y desarrollo

  • Limite el máximo estrés sostenido a menos del 70% de UTS para permanecer dentro del régimen de crep primario.
  • Proporcionar cubierta y drenaje de hormigón adecuado para prevenir la acumulación de humedad en los anclajes de tendón.
  • Use perfiles de tendones parabólicos o encubiertos para reducir los rangos de estrés en secciones críticas.
  • Para los miembros del puente crítico de fatiga, diseña el rango de estrés de carga en vivo para estar por debajo del límite de fatiga de la fuerza de la fuerza (CAFL) para el grado de acero.
  • Anclajes y acopladores de cola para minimizar las concentraciones de estrés; transiciones suaves y superficies de tiro puede mejorar la vida de fatiga por un factor de 2–5.

Inspección y mantenimiento

  • Implementar un programa de inspección basado en el riesgo con intervalos basados en la edad, el volumen de tráfico y la exposición ambiental.
  • Realizar inspecciones visuales periódicas para la tinción de oxidación, grieta de hormigón cerca de los fondeos o alambres expuestos.
  • Use métodos de prueba no destructivos como se describe anteriormente, especialmente en zonas de alto riesgo como el lado inferior de cubiertas de puente y juntas de expansión.
  • Cuando se encuentran los alambres rotos, el tendón afectado debe ser detenido y reemplazado si es posible, o complementado con prestresamiento externo.
  • Mantener documentación de pérdidas prestrezadoras a lo largo del tiempo mediante la vigilancia de las fuerzas de toma y las pruebas periódicas de carga.

Tendencias e Investigaciones futuras

La investigación continua pretende mejorar nuestra comprensión y gestión de la escarpada y fatiga en el acero prestresante:

Conclusión

El arduo y la fatiga son dos de los mecanismos de degradación a largo plazo más importantes para los componentes de acero prestresing. El arcónomo erosiona lentamente la fuerza de precompresión, mientras que la fatiga puede nuclear y crecer las grietas que conducen a fracturas repentinas. Sus efectos se amplifican por factores ambientales como la temperatura y los agentes corrosivos.

Para más lectura, consulte ACI 209.2R-08] sobre crep y contracción, AASHTO LRFD Bridge Design Especificaciones para el diseño de fatiga, y la ] Guía de lucha contra la fatiga del Instituto de Post-Tensioning Especificación para la mitigación de la tensión[LT]