Tendones de Pretensado en Estructuras de Hormigón: Definición, Tipos, Propiedades del Material, Corrosión y Evaluación de la Condición

Definición y Tipos de Tendones de Pretensado

Un tendón de pretensado es un elemento de acero de alta resistencia sometido a tracción utilizado para aplicar una tensión de compresión permanente al hormigón en estructuras pretensadas y postensadas. El tendón se tensa — ya sea antes del colado del hormigón (pretensado) o después de que el hormigón haya fraguado (postensado) — y la fuerza se transfiere al hormigón mediante adherencia mecánica, anclajes extremos, o ambos. Esta compresión inducida contrarresta las tensiones de tracción que se desarrollarán bajo cargas de servicio, permitiendo luces más largas, secciones más delgadas y un mejor control de fisuras en comparación con el hormigón armado convencional.

Los tendones de pretensado se fabrican en tres formas principales, cada una regida por normas de material distintas y adecuadas para aplicaciones estructurales específicas.

El cordón de siete alambres es, con diferencia, el tipo de tendón más común. Consiste en un único alambre central recto rodeado por seis alambres exteriores enrollados helicoidalmente. El enrollamiento helicoidal proporciona un bloqueo mecánico con la lechada o el hormigón y ofrece flexibilidad para su manipulación. El cordón se fabrica según ASTM A416 / AASHTO M203 en dos grados: Grado 250 (resistencia mínima a la tracción última de 250 ksi / 1725 MPa) y Grado 270 (270 ksi / 1860 MPa). El Grado 270 es el estándar para casi toda la construcción moderna de puentes y edificios. El cordón se produce en diámetros nominales de 0,375, 0,438, 0,500 y 0,600 pulgadas (9,53, 11,11, 12,70 y 15,24 mm). Los diámetros de 0,5 pulgadas (12,7 mm) y 0,6 pulgadas (15,24 mm) son los más utilizados en el postensado de puentes. Existen dos tipos de cordón: baja relajación (el predeterminado) y aliviado de tensiones (relajación normal). El cordón de baja relajación se somete a un tratamiento termomecánico continuo después del trenzado para lograr un rendimiento de relajación superior, con pérdidas por relajación limitadas a menos del 2,5% a las 1000 horas cuando se tensa inicialmente al 70% de la resistencia a la tracción última. El cordón aliviado de tensiones, que recibe solo tratamiento térmico, debe pedirse específicamente y tiene mayores pérdidas por relajación.

El alambre individual es un alambre de acero de alto carbono trefilado en frío fabricado según ASTM A421. Los alambres son redondos y típicamente tienen diámetros de 0,192 a 0,276 pulgadas (4,88 a 7,01 mm). Los alambres individuales se utilizan en elementos pretensados como losas alveolares, traviesas de ferrocarril y tanques circulares pretensados donde los alambres se enrollan bajo tensión. El alambre puede ser liso, dentado o grapado para mejorar la adherencia con el hormigón. La ASTM A421 define dos tipos: Tipo BA (aliviado de tensiones, trefilado en frío) y Tipo WA (aliviado de tensiones, trefilado en frío, baja relajación).

La barra de alta resistencia es una barra de acero aleado roscada o lisa fabricada según ASTM A722. Las barras tienen diámetros nominales de 0,625 a 3,625 pulgadas (15,875 a 92,075 mm) y están disponibles en Grados 150 y 160 (resistencias mínimas a la tracción última de 150 ksi / 1035 MPa y 160 ksi / 1100 MPa). Las barras se utilizan en la construcción de puentes segmentales, postensado temporal durante el montaje, anclajes en roca y suelo, y reparación estructural. Los tendones de barra generalmente se tensan utilizando gatos hidráulicos que se enroscan en el extremo de la barra, y la fuerza se transfiere a través de placas de apoyo y tuercas en los anclajes.

La configuración del tendón también distingue entre sistemas adheridos y no adheridos. En el postensado adherido, el tendón se instala dentro de una vaina (acero corrugado o plástico) que posteriormente se rellena con lechada cementicia. La lechada proporciona protección anticorrosión a través de su ambiente altamente alcalino (pH > 12,5) y establece una adherencia completa entre el tendón y el hormigón circundante. Si un alambre en un tendón adherido se fractura, la lechada distribuye la liberación de fuerza a lo largo del tendón, evitando una pérdida repentina de capacidad en el anclaje. En el postensado no adherido, el cordón está individualmente revestido de plástico y recubierto con grasa o cera inhibidora de corrosión. No se utiliza lechada, y el tendón puede moverse libremente respecto al hormigón. Toda la fuerza de pretensado se transfiere en los anclajes extremos. Los sistemas no adheridos se utilizan ampliamente en edificios, estacionamientos y losas sobre terreno. Cada sistema presenta desafíos de inspección y requisitos de protección anticorrosión distintos.

Propiedades del Material del Acero de Pretensado

El acero de pretensado es fundamentalmente diferente del acero de refuerzo convencional (barra corrugada) tanto en propiedades mecánicas como en metalurgia. La alta resistencia requerida para un pretensado eficiente se logra mediante una combinación de alto contenido de carbono, trefilado en frío y tratamiento térmico.

El acero de pretensado más común, el cordón de siete alambres Grado 270, tiene una resistencia mínima a la tracción última de 270 000 psi (1860 MPa). Esto es aproximadamente cuatro veces la resistencia a la fluencia de la barra de refuerzo Grado 60 (60 ksi / 420 MPa). La resistencia a la fluencia se define al 1% de extensión bajo carga (no el desplazamiento del 0,2% tradicional utilizado para otros aceros), reflejando la ausencia de una meseta de fluencia bien definida en el alambre trefilado en frío. Para el cordón de baja relajación, la resistencia mínima a la fluencia es del 90% de la resistencia a la rotura especificada. Para el cordón aliviado de tensiones, es del 85%. El módulo de elasticidad del cordón de pretensado es de aproximadamente 28 500 ksi (196 500 MPa) — similar al acero convencional — pero la curva tensión-deformación es casi lineal hasta aproximadamente el 85% de la resistencia última, sin un punto de fluencia definido.

La propiedad de baja relajación es el avance más significativo en el acero de pretensado moderno. La relajación es la reducción dependiente del tiempo de la tensión en el acero mantenido a deformación constante. En el cordón aliviado de tensiones, las pérdidas por relajación pueden alcanzar el 5-8% a las 1000 horas cuando se tensa al 70% de la resistencia última. El cordón de baja relajación, mediante su tratamiento termomecánico continuo (también llamado tratamiento de estabilización), reduce la relajación a las 1000 horas a menos del 2,5% bajo las mismas condiciones. Este tratamiento implica calentar el cordón bajo tensión a aproximadamente 350-400 °C (660-750 °F), lo que estabiliza la estructura de dislocaciones en la matriz del alambre trefilado en frío y reduce drásticamente la relajación a largo plazo. La relajación a largo plazo después de 50 años, extrapolada según ASTM E328, es típicamente del 5-8% para el cordón de baja relajación frente al 10-15% para el cordón aliviado de tensiones.

La metalurgia del acero de pretensado es fundamental para comprender su rendimiento y sus modos de fallo. El alambre de pretensado está hecho de acero de alto carbono con un contenido de carbono del 0,75-0,85%, manganeso del 0,60-0,90% y silicio del 0,15-0,35%. El acero se lamina en caliente formando una varilla, luego se trefila en frío a través de una serie de matrices progresivamente más pequeñas. El trefilado en frío reduce el área de la sección transversal en un 80-90%, produciendo una microestructura perlítica fuertemente deformada con las laminillas de ferrita y cementita alineadas paralelas al eje del alambre. Esta microestructura le da al acero su resistencia excepcional pero también crea un material que es altamente sensible al hidrógeno. Cualquier hidrógeno atómico que ingrese al acero — por reacciones de corrosión, protección catódica o procesos de galvanizado — puede difundirse a lo largo de los límites de grano y acumularse en inclusiones, provocando fragilización por hidrógeno y fractura frágil repentina bajo tensión de tracción sostenida.

Propiedades Mecánicas Típicas del Acero de Pretensado

Configuración y Perfil del Tendón

La geometría y el trazado de un tendón de pretensado dentro de un elemento de hormigón se diseñan cuidadosamente para maximizar la eficiencia estructural. El perfil del tendón es la trayectoria vertical u horizontal que sigue el tendón a lo largo del elemento. En vigas simplemente apoyadas, los tendones típicamente siguen un perfil parabólico o curvado — bajo en el centro de la luz (donde el momento positivo máximo requiere compresión excéntrica en la fibra inferior) y elevándose hacia los apoyos (donde la excentricidad se reduce o invierte para controlar las tensiones en los extremos). En luces continuas, los perfiles de los tendones son a menudo parábolas segmentadas con puntos de inflexión cerca de los apoyos interiores.

El perfil del tendón afecta directamente la distribución de tensiones en el hormigón. La fuerza de pretensado aplicada con una excentricidad e desde el centroide del hormigón induce tanto compresión axial (P/A) como momento flector (P×e/S) en el elemento. Variando la excentricidad a lo largo de la luz, el diseñador logra un estado de tensiones equilibrado bajo cargas de servicio. El ACI 318 y las Especificaciones de Diseño de Puentes AASHTO LRFD proporcionan procedimientos detallados para seleccionar perfiles de tendones y calcular las tensiones resultantes en el hormigón en la transferencia y bajo condiciones de servicio.

Cada tendón ocupa una vaina — un tubo de metal corrugado o plástico que proporciona un vacío para la instalación del tendón y el posterior relleno con lechada. El diámetro de la vaina es típicamente de 2,5 a 3,5 veces el diámetro nominal del tendón para permitir un espacio libre adecuado para la instalación del cordón y el flujo de lechada. Las vainas metálicas son de acero galvanizado corrugado en espiral; las vainas de plástico son de polietileno de alta densidad (HDPE) o polipropileno. Las vainas de plástico se especifican cada vez más para una mejor protección anticorrosión y aislamiento eléctrico. Las vainas se posicionan y atan a la jaula de armadura antes del colado del hormigón, prestando especial atención a mantener el perfil diseñado, evitar daños durante el hormigonado y asegurar juntas estancas en los empalmes.

El bloque de anclaje o zona de anclaje es la región del elemento donde la fuerza de pretensado se transfiere del tendón al hormigón. En el postensado, el anclaje consiste en una placa de apoyo de acero fundida o mecanizada con orificios cónicos para cuñas (para cordón) o acopladores roscados (para barras). La placa de apoyo distribuye la fuerza concentrada del tendón sobre un área suficiente para mantener las tensiones de apoyo dentro de límites aceptables. El hormigón inmediatamente detrás del anclaje está fuertemente armado con armadura en espiral o reticular para resistir las fuerzas de estallido y desconchado generadas por la concentración de tensiones. El Capítulo 17 del ACI 318 prescribe el diseño de las zonas de anclaje para elementos postensados.

Se proporcionan entradas y salidas de lechada en ubicaciones estratégicas a lo largo de la vaina para inyectar lechada cementicia después del tensado. Los tubos de entrada y salida (típicamente de 1 a 1,5 pulgadas de diámetro) se instalan en los puntos altos del tendón (para ventilar el aire durante la inyección) y en los puntos bajos (para la inyección de lechada). Todas las entradas y salidas deben estar equipadas con válvulas de cierre positivo para contener la presión de la lechada durante la inyección y para evitar la pérdida de protección si el tubo resulta dañado posteriormente. El Manual de Instalación y Lechada de Tendones de Postensado de la FHWA (FHWA-NHI-13-026) proporciona requisitos integrales para el diseño, instalación y prueba de los sistemas de inyección.

Mecanismos de Corrosión de los Tendones de Pretensado

La corrosión de los tendones de pretensado es una condición fundamentalmente más grave que la corrosión de la armadura convencional. Un tendón de pretensado opera al 70-80% de su resistencia última a la tracción. Cualquier pérdida de área de la sección transversal debido a la corrosión aumenta directamente la tensión de tracción en el acero restante, acelerando el proceso de fallo. Además, la microestructura de acero de alta resistencia utilizada en los tendones los hace susceptibles a mecanismos de corrosión especializados que no afectan al acero dulce.

La corrosión por picaduras inducida por cloruros es el mecanismo de corrosión más común y peligroso para los tendones en servicio. Los iones cloruro (Cl⁻) de las sales de deshielo, la niebla marina o el agua salobre penetran la cubierta de hormigón mediante difusión o absorción capilar. Cuando la concentración de cloruros en la profundidad del tendón alcanza un umbral crítico (típicamente 0,2-0,4% en peso de cemento, dependiendo del tipo de acero y las condiciones ambientales), la película de óxido pasiva que normalmente protege al acero en el ambiente alcalino del hormigón (pH 12,5-13,5) se destruye localmente. El resultado es un ataque de picadura altamente localizado. Las picaduras pueden propagarse rápidamente porque la pequeña área anódica en la base de la picadura genera una alta densidad de corriente de corrosión hacia el acero pasivo circundante. Una picadura que penetra solo 1-2 mm en un alambre de 5 mm de diámetro puede reducir la capacidad de carga en un 20-30% porque el efecto de entalla concentra la tensión en la raíz de la picadura. La corrosión inducida por cloruros generalmente va acompañada de manchas de óxido y fisuración del hormigón, pero para cuando aparecen estos síntomas, ya puede haber ocurrido una pérdida de sección significativa.

La carbonatación de la lechada o del hormigón reduce el pH del entorno que rodea al tendón. El dióxido de carbono (CO₂) de la atmósfera se difunde en el hormigón o la lechada y reacciona con el hidróxido de calcio para formar carbonato de calcio, reduciendo el pH de 12,5-13,5 a aproximadamente 8-9. A este pH, la película pasiva sobre el acero ya no es estable, y la corrosión general puede iniciarse si hay humedad y oxígeno presentes. La carbonatación progresa lentamente en hormigón denso y bien compactado, pero puede avanzar rápidamente en lechada mal consolidada dentro de las vainas de postensado. Una lechada inadecuada — donde quedan vacíos en la vaina después de la inyección — crea vías para que el CO₂ y la humedad lleguen directamente al tendón.

La corrosión por corrientes parásitas ocurre cuando una corriente continua (CC) externa pasa a través del sistema de hormigón y tendón. Las fuentes de corrientes parásitas incluyen sistemas de tránsito ferroviario eléctrico, sistemas de protección catódica en estructuras adyacentes, operaciones de soldadura y fallos de puesta a tierra. El tendón actúa como conductor eléctrico; donde la corriente sale del tendón y entra al electrolito circundante (lechada u hormigón), se desarrollan condiciones anódicas y el metal se disuelve a una velocidad acelerada. La corrosión por corrientes parásitas es típicamente concentrada y puede progresar rápidamente, produciendo picaduras profundas en períodos cortos.

La fragilización por hidrógeno (HE) es el mecanismo de fallo más catastrófico para los tendones de pretensado. El hidrógeno atómico (H) — no el hidrógeno molecular (H₂) — se absorbe en la red del acero, donde se difunde a regiones de alta tensión triaxial, típicamente en puntas de fisuras o inclusiones metalúrgicas. El hidrógeno acumulado reduce la resistencia cohesiva de la red de hierro, causando fractura frágil a tensiones muy por debajo de la resistencia normal a la tracción del acero. Las fuentes de hidrógeno incluyen reacciones de corrosión (donde el hidrógeno se produce en el sitio catódico), sobreprotección de sistemas de protección catódica (potencial negativo excesivo que produce gas H₂ en la superficie del acero), y operaciones de limpieza con ácido o decapado. El alto contenido de carbono y la microestructura trefilada en frío del acero de pretensado lo convierten en uno de los materiales de ingeniería más sensibles al hidrógeno. Un fallo por fragilización por hidrógeno es repentino y completo — el tendón se fractura sin advertencia visible en la superficie exterior del hormigón.

La fisuración por corrosión bajo tensión (SCC) es el crecimiento de fisuras en un material bajo la acción combinada de tensión de tracción sostenida y un ambiente corrosivo específico. Para el acero de pretensado, la SCC típicamente requiere una tensión umbral (a menudo superior al 50-60% de la resistencia última) y la presencia de especies agresivas específicas como nitratos, carbonatos o cloruros. Las fisuras se propagan a lo largo de los límites de grano de la austenita previa (intergranular) o a través de los granos (transgranular), dependiendo de la composición del acero y el ambiente. La superficie de fractura de los fallos por SCC en acero de pretensado muestra características típicas: una zona de fractura frágil con poca o ninguna ductilidad, a menudo con productos de corrosión en las caras de la fisura. La SCC progresa lentamente hasta que la sección transversal restante ya no puede soportar la carga aplicada, momento en el cual la fractura final ocurre instantáneamente.

La fatiga por corrosión es el efecto combinado de la carga cíclica (cargas de tráfico en puentes) y un ambiente corrosivo. La vida a fatiga del acero de pretensado se reduce drásticamente en presencia de incluso una corrosión leve. Un tendón corroído que podría tener una vida a fatiga infinita al aire puede fallar en menos de 10⁶ ciclos en un ambiente corrosivo. Las picaduras de corrosión actúan como concentradores de tensiones que nuclean fisuras por fatiga, y el ambiente agresivo acelera las tasas de propagación de fisuras.

Evaluación de la Condición de los Tendones — Métodos END

La evaluación de la condición de los tendones en estructuras existentes es uno de los problemas más desafiantes en la ingeniería de puentes. A diferencia de la armadura convencional, los tendones a menudo son inaccesibles para una inspección directa, y la corrosión puede progresar sin ser detectada durante años. Un estudio integral del NCHRP (Proyecto 10-53) revisó la tecnología END global e identificó varios métodos con aplicabilidad práctica.

La inspección visual sigue siendo la primera línea de evaluación. Las porciones expuestas de los tendones en anclajes, puntos de tensado intermedio y juntas de acoplamiento se examinan en busca de signos de corrosión, fisuración, manchas de óxido y alambres rotos. En los anclajes de tendones no adheridos en edificios y estacionamientos, se puede retirar la tapa de grasa e inspeccionar directamente las cuñas y las colas del cordón. Sin embargo, la inspección visual por sí sola es insuficiente — los estudios del NCHRP confirman que el deterioro en la condición de los tendones embebidos a menudo no se refleja en daños visibles en la superficie del hormigón.

El monitoreo de emisión acústica (AE) detecta roturas de alambres en tendones adheridos y no adheridos al percibir las ondas de tensión elástica liberadas cuando un alambre se fractura. Los sensores (transductores piezoeléctricos) se montan en la superficie del hormigón o en segmentos expuestos del tendón, y el sistema AE monitorea continuamente señales de estallido características asociadas con la fractura frágil del alambre. La técnica se ha aplicado con éxito en tendones de puentes segmentales en Europa y América del Norte. La AE puede localizar la posición aproximada de una rotura de alambre mediante triangulación por tiempo de vuelo entre múltiples sensores. Una limitación es que la AE monitorea solo la progresión activa de daños — no puede detectar corrosión preexistente ni pérdida de sección.

La fuga de flujo magnético (MFL) es el método más prometedor para la evaluación cuantitativa de la condición del cordón en vigas pretensadas. La técnica funciona saturando magnéticamente el cordón de acero y luego escaneando el flujo de fuga que ocurre en puntos de sección transversal reducida (por picaduras de corrosión, fisuración o alambres rotos). Las sondas MFL se desplazan a lo largo de la superficie del hormigón, y las perturbaciones del campo magnético se registran y analizan. El estudio NCHRP 10-53 concluyó que los avances recientes en equipos MFL y en la interpretación de datos podrían permitir END automatizados del cordón en vigas pretensadas estándar, que representan aproximadamente un tercio del inventario de puentes de hormigón. La MFL es más efectiva cuando el tendón es recto y tiene una profundidad de recubrimiento relativamente uniforme.

La radiografía (rayos X o rayos gamma) produce una imagen bidimensional del tendón en película radiográfica o detector digital. La gammagrafía utilizando fuentes de Iridio-192 o Cobalto-60 puede penetrar hasta 600-800 mm de hormigón e imaging los tendones internos, vainas y anclajes. La radiografía puede revelar vacíos en la lechada, alambres rotos, picaduras de corrosión y daños en la vaina. El método requiere acceso a ambos lados del elemento y estrictos controles de seguridad para la exposición a la radiación.

Los ensayos ultrasónicos (UT) utilizando transductores de onda de corte de baja frecuencia pueden detectar picaduras de corrosión, pérdida de sección y alambres rotos en tendones embebidos. Las técnicas incluyen configuraciones de pulso-eco y pitch-catch. La cubierta de hormigón atenúa la señal ultrasónica, limitando la profundidad efectiva de inspección a aproximadamente 200-400 mm. Los alambres estrechamente espaciados en un tendón de múltiples cordones crean múltiples interfaces reflectantes que complican la interpretación de la señal.

El georradar (GPR) con frecuencias de 1,0-2,6 GHz puede localizar vainas e identificar vacíos en tendones con lechada. Los vacíos en la lechada producen fuertes reflexiones debido al contraste dieléctrico aire-lechada. El GPR no puede imagear directamente la condición del acero, pero es valioso para identificar áreas donde la protección anticorrosión se ha visto comprometida por una lechada inadecuada.

Los métodos electroquímicos evalúan la actividad corrosiva del acero embebido. El mapeo de potencial de media celda (ASTM C876) mide el potencial eléctrico del tendón en relación con un electrodo de referencia colocado en la superficie del hormigón. Los potenciales más negativos que -350 mV frente a Cu/CuSO₄ indican una alta probabilidad de corrosión activa. Las mediciones de resistencia a la polarización lineal (LPR) pueden estimar la tasa de corrosión instantánea del tendón. Estos métodos requieren una conexión eléctrica al tendón, que puede ser accesible solo en los anclajes.

La reflectometría en el dominio del tiempo (ETDR) fue investigada por investigadores suizos como un método para detectar corrosión en tendones adheridos. La técnica envía pulsos eléctricos de alta frecuencia a lo largo del cordón y analiza las reflexiones causadas por discontinuidades de impedancia en las ubicaciones de los defectos. El estudio NCHRP 10-53 concluyó que la ETDR no es adecuada para tendones adheridos porque la lechada conductora y el hormigón circundante amortiguan y dispersan la señal, impidiendo una detección fiable de defectos.

Fractura del Tendón y sus Consecuencias

Una fractura de tendón es un evento repentino, a menudo catastrófico. Cuando un alambre de alta resistencia sometido al 70-80% de su resistencia última se rompe, la energía elástica almacenada en el alambre se libera casi instantáneamente. En los tendones adheridos, la lechada mitiga la liberación de energía transfiriendo la fuerza a lo largo del tendón mediante adherencia. El alambre roto puede retraerse solo una corta distancia antes de ser retenido por la lechada, y los alambres restantes en el cordón continúan soportando la carga — aunque a un nivel de tensión más elevado.

En los tendones no adheridos, una fractura tiene mayores consecuencias. Todo el cordón puede moverse libremente dentro de su revestimiento, y una fractura completa del cordón en un anclaje libera toda la fuerza de pretensado en esa ubicación. El cordón puede latiguear dentro del revestimiento, causando daños localizados al hormigón adyacente. La pérdida abrupta de pretensado en el tendón fracturado puede hacer que la losa o viga se deflecte repentinamente, pudiendo provocar un fallo por punzonamiento en losas planas o fisuración por flexión en vigas.

Las consecuencias de una fractura de tendón dependen del sistema estructural, el número de tendones y la redundancia del elemento. En una viga de puente con 20 tendones, la fractura de un tendón puede reducir la capacidad en un 5-10%, lo que puede ser tolerable si el elemento tiene resistencia de reserva. En una losa de edificio con solo dos o tres tendones por vano, una sola fractura puede representar una pérdida del 30-50% de la fuerza de pretensado, pudiendo desencadenar un colapso. El fallo de tendones postensados no adheridos en estacionamientos ha sido documentado en numerosos estudios de casos, a menudo vinculado a la corrosión en el anclaje donde se acumulan humedad y cloruros.

Pérdida de Pretensado

La pérdida de pretensado es la reducción de la fuerza de tracción efectiva en un tendón desde su valor inicial de gato hasta el valor sostenido que existe en cualquier punto durante la vida útil de la estructura. Las pérdidas se clasifican como inmediatas (que ocurren durante o inmediatamente después del tensado) y dependientes del tiempo (que ocurren a lo largo de años o décadas).

Las pérdidas inmediatas incluyen el acortamiento elástico del hormigón a medida que se aplica el pretensado (en elementos pretensados), las pérdidas por fricción entre el tendón y su vaina durante el tensado (en elementos postensados), y el asentamiento del anclaje (la ligera penetración de las cuñas cuando se libera el gato). Las pérdidas por fricción se calculan utilizando el coeficiente de ondulación (k) y el coeficiente de fricción por curvatura (μ), que dependen del material de la vaina y del tipo de tendón. Las especificaciones de postensado típicamente requieren registros de tensado que muestren tanto la fuerza de gato como el alargamiento medido para confirmar que las pérdidas por fricción están dentro de las hipótesis de diseño.

Las pérdidas dependientes del tiempo resultan de cuatro fenómenos que interactúan:

Retracción del hormigón — a medida que el hormigón se seca durante meses y años, se acorta, reduciendo la deformación del tendón y, por lo tanto, la fuerza del tendón. La retracción depende de la mezcla de hormigón, la humedad relativa ambiente, el tamaño del elemento y el régimen de curado. El ACI 209 proporciona modelos estándar de retracción.

Fluencia del hormigón — bajo tensión de compresión sostenida por la fuerza de pretensado, el hormigón experimenta deformación dependiente del tiempo (fluencia), que acorta progresivamente el elemento y reduce la deformación del tendón. La fluencia es proporcional al nivel de tensión y es mayor en el primer año, alcanzando aproximadamente el 70% de la fluencia última dentro de los 12 meses.

Relajación del acero — la reducción dependiente del tiempo de la tensión en el acero de pretensado mantenido a deformación constante. El cordón de baja relajación limita este efecto, pero nunca se elimina. La pérdida por relajación se calcula basándose en el nivel de tensión inicial, el grado del acero y la temperatura. Las temperaturas elevadas (por calentamiento de la plataforma del puente o exposición al fuego) aceleran significativamente la relajación.

Acortamiento elástico (en postensado) — en sistemas de múltiples tendones, el tensado de un tendón comprime el elemento, lo que reduce la tensión en los tendones tensados previamente. Esta interacción se gestiona mediante la secuencia de tensado.

Las pérdidas totales de pretensado a largo plazo en una viga de puente típica son del orden del 15-25% de la fuerza de gato inicial para cordón de baja relajación. El AASHTO LRFD y el ACI 318 prescriben métodos refinados y aproximados para calcular estas pérdidas, incluyendo la consideración de la interacción entre la retracción, la fluencia y la relajación. El método refinado utiliza un análisis de módulo efectivo ajustado por edad para tener en cuenta la naturaleza simultánea de los fenómenos.

La pérdida de pretensado reduce la compresión disponible para contrarrestar las tensiones de tracción por cargas de servicio. Si las pérdidas son mayores de lo asumido en el diseño, el elemento puede experimentar fisuración bajo cargas de servicio, mayores deflexiones, capacidad última a flexión reducida y capacidad a cortante disminuida (ya que el pretensado contribuye a la resistencia al cortante a través del mecanismo de puntal comprimido inclinado).

Inspección de Tendones en Puentes

La inspección de puentes de tendones de pretensado sigue protocolos establecidos por AASHTO, FHWA y las agencias de transporte estatales. Los Estándares Nacionales de Inspección de Puentes (NBIS) requieren inspección bienal de todos los puentes en vías públicas, pero la inspección visual estándar de las superficies de hormigón a menudo no detecta el deterioro interno de los tendones. Reconociendo esta limitación, muchas agencias han desarrollado protocolos de inspección complementarios para puentes postensados.

La inspección de rutina incluye el examen visual de todos los anclajes de tendones accesibles, bolsillos de tensado y tapas de lechada. Los inspectores buscan manchas de óxido en las placas de apoyo, tapas de lechada fisuradas o desplazadas, colas de cordón expuestas que muestren corrosión, y cualquier fuga de agua o humedad cerca de los anclajes. La corrosión en el anclaje es particularmente crítica porque las cuñas crean una zona de concentración de tensiones, y los fallos por fragilización por hidrógeno suelen iniciarse en o cerca del anclaje.

La inspección detallada para puentes postensados puede incluir la remoción de tapas de lechada para la inspección directa de cuñas y colas de cordón, el sondeo de vainas (golpeteo con un martillo para identificar áreas de delaminación o vacíos), y el cribado con END de tendones seleccionados. El Manual de Instalación y Lechada de Tendones de Postensado de la FHWA recomienda que el personal de inspección esté específicamente capacitado en sistemas de postensado y mecanismos de corrosión, ya que los matices del comportamiento de los tendones no se cubren en la capacitación estándar de inspección de puentes.

El monitoreo acústico se instala cada vez más en puentes postensados críticos. Un conjunto permanente de sensores AE montados en la viga proporciona vigilancia continua para detectar roturas de alambres. Cuando se detecta una rotura, se triangula la ubicación y se desencadena una inspección detallada de esa zona.

El muestreo y análisis de lechada se realiza cuando se sospecha de problemas de calidad de la lechada. Se extraen muestras de la vaina a través de puertos de acceso perforados y se analizan para determinar la resistencia a la compresión, el pH, el contenido de cloruros y la detección de vacíos mediante endoscopia.

El principal desafío de inspección para puentes postensados fue destacado en el estudio NCHRP 10-53: la población nacional de puentes de hormigón pretensado, que ahora supera los 100 000 solo en los Estados Unidos, se acerca a la vida útil de diseño común de 50 años. Muchos de estos puentes se construyeron antes de que se establecieran las prácticas modernas de lechada, los estándares de protección anticorrosión y los protocolos de control de calidad. La condición de los tendones dentro de las estructuras más antiguas es en gran medida desconocida, y actualmente no existe ningún método para evaluar cuantitativamente todos los tendones de un puente de manera integral. Esto ha impulsado la investigación de sistemas de sensores de bajo costo preinstalados que podrían incorporarse en nuevas construcciones para permitir el monitoreo futuro de la condición sin necesidad de extensos END.

Reparación y Reemplazo de Tendones de Pretensado

Cuando se identifica deterioro en un tendón, la estrategia de reparación adecuada depende del tipo de tendón (adherido vs. no adherido), la extensión del daño, la criticidad del tendón afectado para la capacidad estructural general y la accesibilidad del sistema de tendones.

Para tendones no adheridos con corrosión localizada en el anclaje, la reparación típica implica la demolición de una pequeña área de hormigón alrededor del anclaje, la remoción de la cola del cordón dañado y las cuñas, y la instalación de una nueva longitud de tensado utilizando un cordón de reparación acoplado. El cordón de reparación se tensa y ancla, luego se protege con grasa inhibidora de corrosión y una nueva tapa de lechada. Este enfoque está bien establecido para edificios y estacionamientos.

Para tendones no adheridos con corrosión extensa del cordón a lo largo del tendón, puede ser necesario reemplazar todo el tendón. El cordón original se extrae de su revestimiento usando una pinza de tracción, y se inserta, tensa y ancla un nuevo cordón. Esto es factible solo si el revestimiento está intacto y el cordón puede deslizarse libremente. Si el revestimiento está dañado u obstruido, puede ser necesario exponer el recorrido del tendón mediante demolición del hormigón.

Para tendones adheridos con daño de corrosión menor, la reparación puede implicar la remoción de la lechada de la vaina alrededor del área afectada, la limpieza de la superficie del cordón y el reinyectado. Esto rara vez se realiza debido a la dificultad de eliminar la lechada de entre los siete alambres del cordón.

Para tendones adheridos con pérdida de sección significativa o alambres rotos, se requiere una intervención más extensa. El enfoque más común es el postensado externo — instalar nuevos tendones en el exterior del elemento, anclados en diafragmas o vigas transversales. Los tendones externos típicamente se componen de cordón de siete alambres en vainas de HDPE con lechada cementicia, o barras con anclajes roscados. El postensado externo añade capacidad para compensar la pérdida de pretensado y puede inspeccionarse visualmente durante toda su vida útil.

El refuerzo con polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) es una alternativa para estructuras donde añadir tendones de acero es impracticable o donde la resistencia a la corrosión es primordial. Las tiras o varillas de CFRP se adhieren a la superficie del hormigón con adhesivo epoxi y pueden pretensarse utilizando marcos de gato especializados. El refuerzo con CFRP añade capacidad a flexión pero no reemplaza directamente la función del tendón de pretensado deteriorado tan efectivamente como un nuevo postensado de acero.

El reemplazo completo del tendón es la reparación más invasiva y se reserva para los casos más críticos. Requiere apuntalar la estructura, demoler porciones de hormigón para acceder al recorrido del tendón, retirar el tendón antiguo, instalar una nueva vaina y tendón, retensar, inyectar lechada y reemplazar el hormigón. Este enfoque es extremadamente costoso y disruptivo, pero puede ser necesario para estructuras con deterioro generalizado de tendones donde el postensado externo por sí solo no puede restaurar la capacidad adecuada.

Todas las operaciones de reparación de tendones deben realizarse en una secuencia controlada que considere la redistribución de tensiones durante la intervención. Las operaciones de gato adyacentes a tendones deteriorados pueden sobrecargar tendones aún intactos o inducir tensiones inesperadas en el hormigón. Un ingeniero estructural con experiencia en diseño de hormigón pretensado debe supervisar el diseño y la ejecución de la reparación.

Resumen de Opciones de Reparación

Normas y Especificaciones

El diseño, los materiales, la instalación y la inspección de los tendones de pretensado se rigen por un conjunto integral de normas internacionales y nacionales:

Estas normas constituyen el marco técnico dentro del cual se realizan la selección, el diseño, la instalación y la evaluación de la condición de los tendones. Los inspectores de puentes y los ingenieros estructurales responsables de estructuras de hormigón pretensado deben mantener un conocimiento práctico actualizado de los códigos aplicables.

Conclusión

Los tendones de pretensado son los elementos estructurales más altamente tensionados en la construcción moderna de hormigón. Su función — mantener fuerzas de tracción permanentes al 70-80% de la resistencia última — impone exigencias extraordinarias a la protección anticorrosión y la evaluación de la condición. La evolución del cordón aliviado de tensiones al de baja relajación, y de los sistemas simples de alambre desnudo a los sistemas de protección multicapa (vaina + grasa/lechada + conducto de plástico), ha mejorado drásticamente la durabilidad de las estructuras de hormigón pretensado. Sin embargo, el envejecimiento del inventario de puentes construidos antes de estos avances presenta un desafío creciente para los gestores de infraestructura.

La evaluación efectiva de la condición de los tendones requiere un enfoque multimodal que combine la inspección visual de los componentes accesibles, el cribado avanzado con END de los segmentos embebidos, la evaluación electroquímica de la actividad corrosiva y — cuando esté justificado — la investigación directa mediante puertos de acceso expuestos o muestreo destructivo. Ningún método END por sí solo puede evaluar integralmente todas las condiciones de los tendones en todas las configuraciones estructurales. La estrategia práctica selecciona la combinación adecuada de métodos basándose en el tipo de tendón, el sistema estructural, las restricciones de acceso y los mecanismos de degradación específicos sospechados.

A medida que la población de puentes de carretera continúa envejeciendo, el desarrollo de tecnología de evaluación de tendones confiable y rentable sigue siendo una prioridad para la comunidad de ingeniería de puentes. Los sensores preinstalados, los sistemas permanentes de monitoreo AE y los equipos de escaneo MFL refinados representan las direcciones más prometedoras para satisfacer esta necesidad.