Determinación Del Módulo de Elasticidad en Viguetas de Concreto Pretensadas Mediante Ensayos No...
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17-1-2016
PROYECTO DE ARTICULO CIENTÍFICO DESCRIPTIVO TALLER DE INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA
Presentado por: CANAZA CAÑAZACA, WILLI IVAN FLORES CHARCA, DONNY JUAN HITO MAMANI, MILTHON ILLANES SOTOMAYOR, WALKER LUQUE MAMANI, ABEL YAPU TICONA, MIGUEL ANGEL
Docente:
ING. SUPO PACORI, WILFREDO DAVID
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UANCV-FICP-EP INGENIERÍA CIVIL CANAZA CAÑAZACA, Willi Ivan
DETERMINACIÓN DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD EN VIGUETAS DE CONCRETO
PRETENSADAS MEDIANTE ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
DETERMINATION OF MODULUS OF ELASTICITY IN PRESTRESSED CONCRETE
BEAMS BY NON-DESTRUCTIVE TESTING
CANAZA CAÑAZACA, Willi Ivan; HITO MAMANI, Milton Homael; LUQUE MAMANI,
Abel; YAPU TICONA, Miguel Angel; FLORES CHARCA, Donny Juan; ILLANES
SOTOMAYOR, Walker
T.I.C. – ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA CIVIL - UNIVERSIDAD ANDINA
NÉSTOR CÁCERES VELÁSQUEZ
JULIACA - PUNO – PERU
I. RESUMEN
Objetivos: Calcular el módulo de elasticidad de las viguetas pretensadas, fabricadas
por las empresa PRETENSA S.A. con un método no destructivo. Métodos: Se
seleccionó 05 viguetas al azar, se utilizó un método basado en la teoría de mecánica
de materiales (FLEXION) con una solución analítica. Para ello se colocó la vigueta
sobre apoyos simples y se cargó de manera puntual en el centro de la luz entre
apoyos, de esa manera se obtuvo deformaciones que fueron utilizados para hacer el
trazo de la curva esfuerzo-deformación. Resultados: Se han obtenidos datos de cada
ensayo lo que se plasmó en cuadros, a partir de estos datos se obtuvieron valores de
referencia (módulos de elasticidad en cada vigueta), para finalmente promediarlos y
llegar a un solo resultado. Conclusiones: Se obtuvo un resultado aceptable puesto
que el valor obtenido es próximo al de las especificaciones del fabricante, un poco
mayor en el resultado final.
Palabras clave: flexión, módulo de elasticidad, viguetas pretensadas.
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ABSTRACT:
Objectives: To calculate the modulus of elasticity of the prestressed beams,
manufactured by the company SA Pretensa with a nondestructive method. Methods:
05 joists were randomly selected, based on the theory of mechanics of materials
(bending) with an analytical solution method was used. For this the beam on simple
supports were placed and loaded in a timely manner in the center of the span between
supports, thus deformations that were used to make the trace of the stress-strain curve
was obtained. Results: We obtained data from each trial that is reflected in paintings
from these data values (modulus of elasticity at each joist), and average them to finally
reach a just result is obtained. Conclusions: an acceptable result since the value
obtained is close to that of the manufacturer's specifications, a bit more in the final
result is obtained.
Keywords: bending, modulus of elasticity, Prestressed.
II. INTRODUCCIÓN
En la actualidad muchas edificaciones se realizan con elementos prefabricados,
dentro de estos elementos se encuentran las viguetas pretensadas lo que nos lleva a
investigar este elemento, en específico determinar su módulo de elasticidad a partir de
la curva de esfuerzo-deformación, las viguetas pretensadas forman parte de una
solución del techado, busca reducir los costos que se tendrían al construir con una
losa aligerada convencional y además optimizar los tiempos.
Las viguetas para este estudio tendrán una sección constante de hormigón y la forma
de una “T” invertida, las cuales tienen mayor demanda en nuestra zona.
El método de pretensado consiste básicamente en dar un esfuerzo al elemento que se
esté fabricando, pre-esfuerzo es otorgarle al elemento esfuerzos contrarios a los que
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va a estar sujeto bajo cargas de servicio. (Guerra Fernandez, 2004) En este caso de
se le someterá a cargas de flexión al elemento ensayado.
En elementos de concreto armado es necesario saber de los materiales empleados en
su elaboración.
La resistencia de una estructura depende de las resistencias de los materiales que la
conforman; por esta razón se especifican en forma estándar las resistencias mínimas
de los materiales. Las resistencias reales de los materiales no pueden conocerse en
forma precisa y por tanto también constituyen variables aleatorias. Aún más, la
resistencia de la estructura depende también del cuidado que se tenga en la
construcción, lo cual a su vez refleja la calidad de la supervisión y de la inspección. El
tamaño de los elementos pueden diferir de las dimensiones específicas, el refuerzo
puede estar fuera de su posición, el concreto mal colocado puede presentar
hormigueros, etc. (Nilson, 2001)
En el comportamiento de vigas reforzadas a flexión. La aplicación de fibra de carbón
refuerza a la flexión de vigas de concreto armado constituida en una técnica ya
consolidada.
La fuerza de pretensado es de tal importancia en hormigón estructural que requiere un
capítulo especial en el que se estudiará cómo se introduce y cómo varía su valor a lo
largo del trazado del tendón de pretensado. Dependiendo de que el pretensado sea
posteso o preteso, la fuerza de pretensado tendrá características muy diferentes, tanto
en la forma de ser introducida como en el valor que tenga a lo largo de la viga del
elemento estructural. En la figura 1.1.a podemos ver una bancada de fabricación de
dos vigas mediante pretensado preteso: primero se tensa el tendón y posteriormente
se hormigona. La figura 1.1.b corresponde a una viga simplemente apoyada fabricada
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mediante pretensado posteso, en este caso la viga se ha hormigonado con la vaina y
cuando el hormigón ha endurecido se procede a tesar la armadura activa. (Hernandez
Montes & Gil Martin, 2007)
Ilustració1. Vigas pretesas y postesas, a y b respectivamente (Hernandez Montes &
Gil Martin, 2007)
COEFICIENTE DE ELASTICIDAD (módulo de Young) (E) (Addleson, 1983)
El coeficiente de elasticidad o módulo de Young (E), expresa la proporción entre la
tensión directa y la deformación que produce. Puede escribirse de la siguiente
manera:
MÓDULO DE YOUNG (E)
(ܧ) = ா௦௨௭ (ி) (ఌ) …. (I)
Es la relación tensión/deformación unitaria por debajo del límite proporcional o
elástico (N/mm2: m/m).
Límite proporcional es la tensión máxima que un cuerpo es capaz de soportar sin
mostrar desviación de la proporcionalidad de la tensión respecto a la deformación
unitaria (porción lineal en la curva tension-deformacion unitaria, o fuerza-deformación.
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Este módulo tiene validez únicamente dentro de los límites de la ley de Hooke y, por
tanto, es constante para un material dado. Además, se supone que es el mismo, tanto
a la tracción como a la compresión.
El módulo de Young representa la fuerza necesaria para obtener una deformación
unidad. La comparación de los valores de E para diversos tipos de materiales, indica
la magnitud relativa de la deformación producida, suponiendo la misma carga y la
misma sección en los diversos materiales.
MÓDULO DE ELASTICIDAD EN CONCRETO (Ascanio, 2015)
El concreto no es un material eminentemente elástico, esto se puede observar
fácilmente si se somete a un espécimen a esfuerzos de compresión crecientes hasta
llevarlo a la falla, si para cada nivel de esfuerzo se registra la deformación unitaria del
material, se podría dibujar la curva que relaciona estos parámetros,
El módulo de elasticidad es un parámetro muy importante en el análisis de las
estructuras de concreto ya que se emplea en el cálculo de la rigidez de los elementos
estructurales, estos cambios demandan valores mínimos para el módulo de
elasticidad dependiendo del tipo de concreto que se emplee en la obra, por lo tanto
ahora, además de la f’c se debe garantizar Ec. En algunos estructuritas existe la
tendencia a suponer valores de Ec, para lo cual emplean fórmulas sugeridas por
diversa.
MECANISMO DE REFUERZO (Fernández Cánovas, 1982)
Para entender cómo se realiza el refuerzo del hormigón por las fibras hay que
examinar la curva tensión-deformación frente a flexión Dell hormigón tradicional y del
reforzado con fibras de acero (Figura N° 1.2.). Sí observamos la curva del hormigón
reforzado vemos que ésta es más o menos lineal, hasta llegar al punto que
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corresponde a la “tensión de primera fisura”; luego la curva se mueve buscando un
máximo en otro punto más elevado “ultima tensión de rotura”. En un hormigón
tradicional, una vez alcanzada la tensión de primera fisura, se llega a la máxima
tensión y ocurre la rotura.
Ilustración 2 Curva esfuerzo-deformación (Fernández Cánovas, 1982)
Un hormigón reforzado con fibras tiene una resistencia post-fisuración muy elevada
como puede apreciarse en la curva tensión-deformación. Por otra parte, al ser el área
comprendida bajo la curva proporcional a la cantidad de energía absorbida antes de la
rotura, ésta nos va a dar idea de la gran tenacidad de estos hormigones. (Fernández
Cánovas, 1982)
III. MATERIALES Y MÉTODO
3.1. MATERIALES:
3.1.1. MUESTREO
Población: La información utilizada para el presente artículo fue La producción total
mensual de la empresa PRETENSA del país de BOLIVIA en 125000 ml y con las
siguientes característica: ancho inferior 11cm, ancho superior 5.5 cm, ancho
intermedio 4.5cm, altura total 10cm. Las Cuáles son las más comerciales y utilizadas
para la elaboración de lozas de concreto en viviendas.
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3.1.1.1. TIPO DE MUESTREO
Desarrollando el tipo de muestreo se obtuvo una muestra probabilística (muestreo
estratigráfico) las cual se asemejaba y sería la más certera a nuestro trabajo pero por
motivos que elevaría los cotos y tiempo de desarrollo del ensayo así de esta manera
retrasando el proyecto, a partir de este se llega a utilizar el muestreo no probabilístico
puesto a reducir costos y tiempo
3.1.1.2. MUESTRAS NO PROBABILÍSTICAS:
Muestreo al azar: también llamadas dirigirás suponen un procedimiento de selección
informal y un poco arbitraria. La ventaja que tenemos al utilizar este método para
nuestro estudio fue que no necesitamos mucha representatividad de elementos de
una población, sino la elección de sujetos con ciertas características específicas fue
por ello que se utilizó este tipo e muestra (criterio de investigador).
Para realizar el trabajo en el tiempo previsto se ha optado por seleccionar 05 viguetas
al azar, lo que nos sirvió para los ensayos.
3.1.2. MATERIALES
VIGUETA PRETENSADA.- se usó dos viguetas pretensadas para nuestro ensayo los
cuales sus dimensiones eran las siguientes, tenían un largo de 2.60 metros, y su
sección es de una altura de 0.10 metros y un ancho de 0.11 metros de la base el cual
es mayor que la parte superior. En las especificaciones técnicas de esta vigueta nos
da un valor referencial de 110 N/cm2 (1.1 N/mm2).
Ilustración 3 Perfil de vigueta de ensayo
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TUBO DE ACERO de 3/4 de diámetro con un largo de 25 cm.- Se usaron dos
unidades, estos ubicadas sobre cada apoyo de los extremos de la vigueta. Estas eran
paralelas a la vigueta.
Apoyo de madera (cuartón) de 8¨x4¨.- Es un metro de largo es constante para que
resista la carga que es sometida sobre la vigueta.
Carga.- Usamos cinco sacos de arena con hormigón cada cargada con 30 kilogramos
que utilizamos como peso para para ponerle como caga a la vigueta de ensayo.
Madera de (1½¨x2¨).- Esta se usó para ponerle estabilidad al apoyo ya que se
necesitaba seguridad en él, ya que soporto a las cargas y vigueta.
3.1.3. HERRAMIENTAS:
Calibrador VERNIER o Pie de Rey (Digital).- Es un instrumento de medición que
permite leer con bastante precisión (0.01mm), es un instrumento delicado y se
manipula con habilidad, cuidado y delicadeza.
Nivel de mano.- es una herramienta de medición usado para la nivelación en
horizontal, en nuestro ensayo se usara para nivelar la vigueta y apoyos de madera.
Driza de 3/8 de diámetro.- Esta es de nailon y es muy flexible, se usó para sujetar a la
vigueta y las cargas en un solo punto para que dé flexionen las viguetas. Necesitamos
una longitud de 2.00 metros por seguridad.
Candado para cable (abrazadera) de 3/8 de diámetro.- Se usó para sujetar la drisa
como si fuera un gancho.
Cordel de construcción.- esta se usó para confirmar la nivelación, el cual está atado
al tubo de acero que se encuentran en los extremos de la vigueta con referencia a la
base de la misma.
Clavos de 3¨.- estas se usaron para mantener la madera bien estable ya que con estas
se armaron la estabilidad de los apoyos.
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Balanza (plataforma).- Usamos una balanza tipo plataforma con capacidad de hasta
300 kilogramos herramienta de gran utilidad en nuestro ensayo ya que con ella
tendremos el peso para saber a cuantos kilogramos tiene una deformación.
3.2. MÉTODO:
Para la determinación del módulo de elasticidad en la vigueta pretensada, se utilizó un
método particular y para ello necesitamos conocer algunos conceptos básicos de
mecánica de materiales para ingeniería.
3.2.1. TENSIONES NORMALES EN LA FLEXIÓN: (Quintanilla Anyaipoma, 2009)
Teniendo en cuenta las simplificaciones en el estudio teórico de la flexión
considerando por la resistencia de materiales, estudiemos la viga deformada:
3.2.1.1. DEBIDO A LA FLEXIÓN: (EC. II)
Donde:
M: Momento de la Sección en estudio
௬ܫ : Momento de la inercia en estudio
y: Distancia de la línea neutra a la fibra
Ilustración 4 (Quintanilla Anyaipoma, 2009)
La deformación superficial se la sección de interés será medida por un VERNIER en
el punto medio de la vigueta . La carga se aplicará por incrementos y se apuntarán
las correspondientes deformaciones, los esfuerzos (calculados por la ec. II) y las
deformaciones se trazarán para producir un diagrama esfuerzo-deformación, por
medio del cual puede determinarse en módulo de elasticidad.
3.2.1.2. MOMENTO EN EL CENTRO DE LA VIGA
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Debido a que el ensayo se realiza con una vigueta simplemente apoyada
(estáticamente determinadas), el cálculo de los diagramas de esfuerzo cortante y
momento flector son bastante sencillas, de donde se puede obtener el momento en el
centro de la vigueta el cual es el momento máximo generado por la carga puntual
aplicada.
Ilustración 5 Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector (Fuente:
https://es.wikiversity.org/wiki/ProgramacionIngenieriaMecanicaUPB:Grupo_01)
3.2.2. ENSAYO:
3.2.2.1. Instalación de apoyos:
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Cada apoyo deberá constar de un cuartón de madera de sección 8’’x4’’cm y una altura
de 100cm, el cual se colocará en un piso liso de concreto, en la parte baja se fijará al
piso para evitar deslizamientos. En la parte superior se colocará un tubo de acero
(3/4’’) lo que dará libertad para la flexión de las viguetas. Estos apoyos deben estar
nivelados. La distancia entre puntos centrales de los apoyos deberá ser 2.50m
3.2.2.2. COLOCADO DE LA VIGUETA SOBRE APOYOS
Teniendo los apoyos fijados adecuadamente, se coloca la vigueta a ser ensayada con
cuidado y estas a la vez son fijados con una abrazadera a los apoyos para evitar
deslizamientos.
Ilustración 7 Vigueta sobre apoyos
Ilustración 6 Apoyo
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3.2.2.3. USO DE CORDELES (NYLON)
Se hará uso de cordeles para tener un punto de inicio en la medición de la deflexión,
este cordel se atará y se tensará en los tubos de acero colocados en la parte superior
de los apoyos ya que estos están nivelados. De esta manera se tendrá el nivel inicial
lo que coincidirá con la parte baja de la vigueta, a partir de este nivel se podrá medir
con facilidad la flecha en la parte central de la vigueta ocasionada por la carga en
aumento aplicadas.
3.2.2.4. APLICACIÓN DE CARGAS
La carga se aplica en el centro de luz de la vigueta, esta carga es puntual y
gradualmente en aumento (cada 30kg-f). Estas cargas se cuelgan en una soga de
driza con un gancho bien fijado en las bolsas de carga.
Esta carga será el hormigón de cantera pesada cada aumento con 30kg-f.
Ilustración 8 Aplicación de cargas
3.2.2.5. MEDICIÓN DE LA DEFLEXIÓN
La medición se hará a partir del nivel de cordel tensado, con un VERNIER lo que dará
una precisión a 0.02mm, para esto de ubica con la ayuda de un flexómetro el centro
de la vigueta que también es el punto donde se aplicada la carga.
Para cada carga aplicada en aumento se anota la deformación, con el que se
construirá la curva esfuerzo-deformación.
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IV. RESULTADOS
De los ensayos realizados los valores más relevantes encontrados son:
Momento de Inercia de la vigueta: 605.661 cm4
Módulo de elasticidad en cada viga:
Vigueta 01 : 1.265 N/mm2
Vigueta 02 : 1.290 N/mm2
Vigueta 03 : 1.212 N/mm2
Vigueta 04 : 1.278 N/mm2
Vigueta 04 : 1.240 N/mm2
Módulo de elasticidad promedio (E)
ܧ = 1.257 ܰ/݉݉ଶ
La obtención de datos se muestra en los siguientes cuadros.
4.1. CÁLCULO DE MOMENTO DE INERCIA (I)
De la vigueta siguiente:
Figura Base Altura
Área (cm2) Y A*y Ixx Locales y'-Y
Para X A*(Y'-Y)^2
1 (REC) 11 2 22.000 1.000 22.000 7.333 3.101 211.533 2 (REC) 4.5 8 36.000 6.000 216.000 192.000 -1.899 129.847 3 (TR) 3.25 3 4.875 3.000 14.625 2.438 1.101 5.908 4 (TR) 3.25 3 4.875 3.000 14.625 2.438 1.101 5.908 5 (TR) 0.5 5 1.250 8.333 10.417 1.736 -4.232 22.392 6 (TR) 0.5 5 1.250 8.333 10.417 1.736 -4.232 22.392
70.250 288.083 207.681 397.980 ܫ = 207.681 + 397.980 = 605.661ܿ݉ସ
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4.2. CALCULO DEL MÓDULO DE ELASTICIDAD (E) EN CADA VIGUETA
Viga N° 01
Carga (kg-f)
Carga (N)
Inercia (cm4)
Y (cm)
Esfuerzo (N/cm2)
(N/mm2)
Deformación
E (N/mm2)
0 0 605.660 4.101 0.000 0.000 0.000 30 294.3 605.660 4.101 62.271 0.623 0.500 60 588.6 605.660 4.101 124.541 1.245 1.030 90 882.9 605.660 4.101 186.812 1.868 1.440
120 1177.2 605.660 4.101 249.082 2.491 1.930 150 1471.5 605.660 4.101 311.353 3.114 2.500 1.265
Viga N° 02
Carga (kg-f)
Carga (N)
Inercia (cm4)
Y (cm)
Esfuerzo (N/cm2)
(N/mm2)
Deformación
E (N/mm2)
0 0 605.660 4.101 0.000 0.000 0 30 294.3 605.660 4.101 62.271 0.623 0.51 60 588.6 605.660 4.101 124.541 1.245 1.09 90 882.9 605.660 4.101 186.812 1.868 1.46
120 1177.2 605.660 4.101 249.082 2.491 1.92 150 1471.5 605.660 4.101 311.353 3.114 2.45 1.290
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Viga N° 03
Carga (kg-f)
Carga (N)
Inercia (cm4)
Y (cm)
Esfuerzo (N/cm2)
(N/mm2)
Deformación
E (N/mm2)
0 0 605.660 4.101 0.000 0.000 0 30 294.3 605.660 4.101 62.271 0.623 0.45 60 588.6 605.660 4.101 124.541 1.245 0.94 90 882.9 605.660 4.101 186.812 1.868 1.48
120 1177.2 605.660 4.101 249.082 2.491 2.01 150 1471.5 605.660 4.101 311.353 3.114 2.55 1.212
Viga N° 04
Carga (kg-f)
Carga (N)
Inercia (cm4)
Y (cm)
Esfuerzo (N/cm2)
(N/mm2)
Deformación
E (N/mm2)
0 0 605.660 4.101 0.000 0.000 0 30 294.3 605.660 4.101 62.271 0.623 0.53 60 588.6 605.660 4.101 124.541 1.245 1.01 90 882.9 605.660 4.101 186.812 1.868 1.46
120 1177.2 605.660 4.101 249.082 2.491 1.98 150 1471.5 605.660 4.101 311.353 3.114 2.45 1.278
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Viga N° 05
Carga (kg-f)
Carga (N)
Inercia (cm4)
Y (cm)
Esfuerzo (N/cm2)
(N/mm2)
Deformación
E (N/mm2)
0 0 605.660 4.101 0.000 0.000 0 30 294.3 605.660 4.101 62.271 0.623 0.49 60 588.6 605.660 4.101 124.541 1.245 0.97 90 882.9 605.660 4.101 186.812 1.868 1.4
120 1177.2 605.660 4.101 249.082 2.491 2.01 150 1471.5 605.660 4.101 311.353 3.114 2.51 1.240
4.3. CALCULO DE MÓDULO DE ELASTICIDAD PROMEDIO
Se han tomado los valores de módulo de elasticidad obtenidos en cada viga para
promediarlo, de manera que solo se tenga un valor de módulo de elasticidad (E).
ܧ =1.265 + 1.290 + 1.212 + 1.278 + 1.240
5= 1.257 ܰ/݉݉ଶ
V. DISCUSIÓN
Se ha determinado un módulo elástico en un rango aceptable un poco mayor al valor
referencial que indica el fabricante 1.1 N/mm2, el método utilizado fue uno basado en
conocimiento básico de mecánica de materiales para ingeniería.
Esta propiedad calculada nos da mayor conocimiento acerca de cómo se comporta
una vigueta a solicitaciones de cargas externas.
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VI. AGRADECIMIENTO
Primeramente agradecemos a DIOS por brindarnos la vida y a nuestros padres
por el apoyo constante en nuestra vida académica, muy particularmente
también a nuestro docente por compartirnos sus amplios conocimientos en el
área de investigación ya que este aprendizaje nos será de mucha utilidad
durante nuestra vida profesional.
Referencias Addleson, L. (1983). materiales para la construccion V1. barcelona: Reverte S.A.
Ascanio, M. I. (08 de 07 de 2015). DOCUMENTS. Recuperado el 06 de 01 de 2016, de DOCUMENTS: http://myslide.es/documents/modulo-de-elasticidad-559ca333a99ec.html
Fernández Cánovas, M. (17 de 5 de 1982). Informes de la Construcion. Obtenido de Informes de la Construcion: http://informesdelaconstruccion.revistas.csic.es/index.php/informesdelaconstruccion/article/view/2079/2281
Guerra Fernandez, E. (2004). Prefabricados De Concreto En La Industria De La Construccion (Tesis). MEXICO, D.F.: Instituto Tecnológico De La Construccion.
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UANCV-FICP-EP INGENIERÍA CIVIL CANAZA CAÑAZACA, Willi Ivan
Ilustració1. Vigas pretesas y postesas, a y b respectivamente (Hernandez Montes & Gil Martin, 2007) 4 Ilustración 2 Curva esfuerzo-deformación (Fernández Cánovas, 1982) ................................ 6 Ilustración 3 Perfil de vigueta de ensayo ........................................................................................ 7 Ilustración 4 (Quintanilla Anyaipoma, 2009) ............................................................................. 9 Ilustración 5 Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector (Fuente: https://es.wikiversity.org/wiki/ProgramacionIngenieriaMecanicaUPB:Grupo_01) ............... 10 Ilustración 6 Apoyo ...................................................................................................................... 11 Ilustración 7 Vigueta sobre apoyos ............................................................................................... 11 Ilustración 8 Aplicación de cargas ................................................................................................. 12
Correos electrónicos:
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