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Jul 19, 2023

Ultra

El hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC) está emergiendo rápidamente como un material de primera calidad para la construcción de hormigón prefabricado. Introducido por primera vez como “hormigón en polvo reactivo” a principios de la década de 1990, este material ha

El hormigón de ultra alto rendimiento (UHPC) está emergiendo rápidamente como un material de primera calidad para la construcción de hormigón prefabricado. Introducido por primera vez como “hormigón en polvo reactivo” a principios de la década de 1990, este material ha experimentado un uso creciente en los EE. UU. y el extranjero durante la última década.

El UHPC se ha utilizado para construir puentes de carreteras en Francia, Japón y Malasia; puentes peatonales en Canadá y Venezuela; paneles para tejados y fachadas arquitectónicas en Canadá y Francia; y más.

En los EE. UU., el UHPC se ha utilizado para construir vigas de puentes en Virginia e Iowa, superposiciones de plataformas de puentes en Nueva York y Delaware, y juntas fundidas en campo entre miembros de puentes prefabricados en más de 20 estados más. Los esfuerzos continuos de investigación y desarrollo de las agencias de transporte federales y estatales, organizaciones industriales nacionales, propietarios privados y productores de concreto buscan avanzar aún más en esta tecnología para que pueda adoptarse más ampliamente tanto en el sector del transporte como en el de la construcción de edificios.

Una industria clave bien preparada para capitalizar las características de rendimiento únicas de este material es la industria del hormigón prefabricado y pretensado.

UHPC es un material a base de cemento reforzado con fibra. Contiene muchos de los mismos materiales que el concreto convencional (cemento, materiales cementosos suplementarios (SCM), arena fina y aditivos químicos), pero los materiales están proporcionados para crear un empaque denso de materiales desde el humo de sílice hasta la arena, es decir, desde el materiales más finos hasta los más toscos.

El contenido total de materiales cementosos para las mezclas de UHPC puede exceder, y a menudo lo hace, 1,500 libras por yarda cúbica de material, más del doble del contenido de materiales cementosos de la mayoría de las mezclas de concreto convencionales. Sin embargo, la relación agua-aglutinante (w/b) suele ser de 0,20 o menos, lo que se ve facilitado por el uso de reductores de agua especiales de alto rango. El denso empaquetamiento de partículas, combinado con una a/b ultrabaja, crea en el concreto una microestructura altamente refinada que proporciona resistencia y durabilidad excepcionales. Como resultado, los elementos UHPC pueden tener una esperanza de vida de 200 años o más, incluso en entornos exigentes como las exposiciones marinas y de deshielo.

Si bien no existe una definición uniformemente acordada de UHPC, las resistencias a la compresión típicas de UHPC superan los 17 000 psi, y muchos materiales de UHPC disponibles comercialmente pueden alcanzar resistencias de 30 000 psi o más. En comparación con los hormigones convencionales y de alto rendimiento, el UHPC puede proporcionar un aumento de 3 a 5 veces en la resistencia a la compresión. Sin embargo, la resistencia a la compresión no es la propiedad más importante de este material. Un diferenciador clave entre el UHPC estructural y otras clases de concreto, especialmente para aplicaciones estructurales prefabricadas, es el alto rendimiento de tracción del material, que se deriva de una combinación de la microestructura refinada y las microfibras de acero de alta resistencia que se incorporan a la mezcla en dosis entre aproximadamente 1 y 3%, en volumen (aproximadamente 130 a 390 lbs/cu yd).

Las mezclas estructurales de UHPC se pueden diseñar para lograr resistencias a la tracción directa de más de 1000 psi y resistencias a la flexión de más de 2500 psi. Además, una mezcla de UHPC bien diseñada puede exhibir una ductilidad y un endurecimiento por deformación significativos después de la fisuración, lo que aumenta significativamente la resistencia a la flexión residual a medida que el elemento se desvía después de la fisuración.

La alta resistencia a la tracción y la ductilidad posterior al agrietamiento del UHPC brindan beneficios significativos para el diseño estructural. Primero, la ductilidad posterior a la fisuración y el comportamiento de endurecimiento por deformación pueden permitir la eliminación virtual de las barras de refuerzo mínimas requeridas en el concreto convencional para lograr la ductilidad exigida por el código cuando la falla es inminente.

En segundo lugar, la alta ductilidad del UHPC da como resultado una tremenda tenacidad del material, lo que aumenta la capacidad de absorber energía incluso sin la ayuda de las barras de refuerzo.

En tercer lugar, la alta resistencia a la tracción aumenta la resistencia al corte del material, con la posibilidad de eliminar totalmente los estribos de corte en el diseño de vigas. Al eliminar los estribos, se puede simplificar el diseño y la producción de elementos y se pueden reducir los anchos del alma (vástago) de los miembros. De hecho, las vigas, columnas y otros miembros estructurales de UHPC se pueden diseñar con secciones transversales que tengan mucho menos volumen y, por lo tanto, peso de material y, al mismo tiempo, proporcionen la misma capacidad que los miembros de hormigón armado convencional.

UHPC muestra una promesa considerable para mejorar las capacidades de la industria del hormigón prefabricado y pretensado. Las características de rendimiento de este material pueden permitir el diseño de sistemas estructurales que mantengan una resistencia y capacidad de servicio aceptables al tiempo que tienen pesos reducidos de los miembros, longitudes de luz extendidas y menos refuerzo. Además, con la alta durabilidad que ofrece este material, estos sistemas estructurales se pueden implementar en entornos exigentes, como aplicaciones marinas y exposiciones a climas fríos, como alternativas de baja relación costo-beneficio a los diseños que utilizan acero inoxidable y barras de refuerzo no metálicas.

Para que el UHPC tenga una implementación generalizada en la industria del hormigón prefabricado prefabricado, se deben cumplir dos condiciones: (1) el UHPC debe poder producirse de manera confiable en instalaciones prefabricadas, con costos de materias primas que totalicen menos de $1,000 por yarda cúbica (en comparación con los precios actuales). costos de $2,000 a $3,000 por yd cúbico para materiales preembolsados); y (2) se deben desarrollar procedimientos para permitir el diseño de sistemas estructurales que aprovechen las características de desempeño únicas del UHPC. Estos procedimientos pueden proporcionar un valor tremendo al permitir una reducción de aproximadamente el 50 % en la sección transversal en comparación con los productos de hormigón convencionales.

El Instituto de Prefabricados/Concreto Pretensado (PCI) ha reconocido esta necesidad y ha dedicado recursos para apoyar un proyecto de investigación en beneficio de la industria. El proyecto general y el desarrollo de las directrices de diseño están a cargo de e.construct de Omaha, Nebraska, mientras que los aspectos materiales del proyecto han sido dirigidos por la firma de dos de los autores, Wiss, Janney, Elstner Associates de Northbrook, Illinois.

Los objetivos principales de este proyecto son desarrollar métodos para implementar mezclas UHPC rentables basadas en materiales disponibles localmente en instalaciones de prefabricados en toda América del Norte y desarrollar pautas de diseño y diseños novedosos para miembros estructurales optimizados para edificios y puentes.

Hasta la fecha, el equipo del proyecto ha desarrollado pautas y recomendaciones para diseñar e implementar mezclas de UHPC en instalaciones de producción de concreto prefabricado y pretensado y ha validado estos procedimientos a través de la producción en cinco de dichas instalaciones en los EE. UU. (consulte la Figura 1 para ver un ejemplo de colocación de UHPC en una de las empresas participantes). prefabricados).

Además, el equipo del proyecto diseñó, produjo y probó prototipos de puentes de gran luz y elementos de construcción, y las resistencias últimas de los miembros excedieron las cargas de servicio de diseño. Se anticipa que a pesar del alto costo inicial de los materiales UHPC, los diseños optimizados y las secciones transversales reducidas de los miembros harán que estos productos UHPC sean competitivos con las alternativas convencionales de concreto y acero en términos de costo inicial. El progreso hasta la fecha se ha resumido en un informe de la Fase I publicado en febrero.

Figura 1. Colocación de UHPC, demostrando consistencia de autoconsolidación.

Usando UHPC, ahora es posible diseñar pisos de edificios de oficinas con tramos sin columnas de 60 pies por 60 pies, lo que permite una gran flexibilidad en el diseño interior del espacio alquilado. También es posible desarrollar vigas de puente de hasta 250 pies de largo, dentro de límites aceptables de envío y montaje, y sin necesidad de apuntalamiento o empalme en el campo. Los dos ejemplos siguientes ilustran el gran potencial de las aplicaciones UHPC.

La Figura 2 muestra un concepto de diseño para uso en edificios. La sección transversal en forma de “π” es un panel de piso prefabricado y pretensado que permite un tramo de 60 pies con una profundidad de 22 pulgadas. Para este diseño no se necesita ningún acero, aparte de los cordones pretensados. El reborde superior tiene sólo 1 pulgada de grosor y los tallos tienen sólo 2 pulgadas de ancho. El peso total corresponde a una losa sólida de menos de 3 pulgadas de espesor. Una vez instalado, el plafón se cerraría con vigas de calibre liviano que se extenderían entre los vástagos y se cubrirían con paneles de yeso, y los vástagos tendrían aberturas para permitir la integración de los servicios públicos. Con este producto de luces largas, los edificios residenciales de varios pisos pueden tener estacionamiento sin columnas en los pisos inferiores, lo que mejora la eficiencia en la utilización del espacio y la seguridad de los residentes. La profundidad estructural relativamente poco profunda, que incorpora los sistemas mecánicos, eléctricos y de plomería, proporciona un uso eficiente del espacio y una altura de piso rentable.

Figura 2. Concepto de un sistema de losa UHPC para aplicaciones residenciales

La Figura 3 muestra una viga de losa de concreto convencional utilizada para tramos de 40 a 60 pies en aplicaciones de construcción acelerada de puentes (ABC). La figura también muestra una losa cajón hueca UHPC optimizada usando la misma profundidad, ancho y capacidad de carga. El producto UHPC tiene aproximadamente un 52 % de hormigón y menos de un 4 % de varilla de refuerzo, en comparación con una viga de hormigón convencional similar. Las pruebas a escala real realizadas por el Laboratorio Estructural del DOT de Florida demostraron que este diseño de viga tiene una capacidad de flexión, corte, punzonamiento y transversal mucho mayores que las requeridas para el puente. Mayores mejoras en el diseño del elemento podrían justificar una reducción en el número de cordones utilizados, que se mantuvieron igual que para el producto de hormigón convencional para esta demostración.

Figura 3. Losa cajón para aplicaciones de puentes. Izquierda: losa cajón de hormigón convencional que muestra el refuerzo (antes de la instalación del encofrado); Derecha: losa tipo cajón de UHPC optimizada (con encofrado y bloqueo de espuma para la formación de huecos colocados).

UHPC tiene el potencial de revolucionar la industria del hormigón prefabricado y pretensado, especialmente en aplicaciones a gran escala, donde las luces largas o la mayor durabilidad son beneficiosas. Con diseños novedosos y procedimientos de diseño emergentes, UHPC tiene la capacidad de ser competitivo en costos con las alternativas convencionales de concreto y acero desde el primer costo, y puede proporcionar valor adicional en el costo del ciclo de vida a largo plazo. Al aprovechar las propiedades clave del UHPC, los elementos de construcción y puentes prefabricados y pretensados ​​de gran luz revolucionarán la industria mediante un uso más eficiente de los materiales, una mejor utilización del espacio y un mejor rendimiento a largo plazo.