The role of residual stresses in the performance and durability of prestressing steel wires

Residual stresses developed during wire drawing influence the mechanical behavior and durability of steel wires used for prestressed concrete structures, particularly the shape of the stress–strain curve, stress relaxation losses, fatigue life, and environmental cracking susceptibility. The availability of general purpose finite element analysis tools and powerful diffraction techniques (X-rays and neutrons) has made it possible to predict and measure accurately residual stress fields in cold-drawn steel wires. Work carried out in this field in the past decade, shows the prospects and limitations of residual stress measurement, how the stress relaxation losses and environmentally-assisted cracking are correlated with the profile of residual stresses and how the performance of steel wires can be improved by modifying such a stress profile

Influencia de las condiciones de almacenamiento sobre la relajación de aceros de pretensado = Influence of storage conditions on prestressing steel relaxation losses

La pérdida de tensión por relajación en las armaduras activas afecta de forma importante a las estructuras de hormigón pretensado. Por ello se realizan ensayos de relajación de los alambres y cordones de pretensado tras su fabricación. Después, el material es enrollado y almacenado durante periodos que en ocasiones pueden superar el año de duración. Generalmente se desprecia la influencia que estas operaciones posteriores a la fabricación pueden tener sobre el material. Sin embargo, diversos fabricantes y suministradores han constatado experimentalmente que, en ocasiones, el material almacenado durante un periodo prolongado presenta pérdidas de relajación mayores que inmediatamente tras su fabricación. En este trabajo se realizan ensayos de laboratorio para comprobar la influencia que el radio de enrollamiento y el periodo de almacenamiento tienen sobre las pérdidas de relajación. También se propone un modelo analítico que permite predecir de manera razonablemente aproximada el valor del ensayo de relajación sobre un alambre sometido a un enrollamiento prolongado. Este modelo explica la evolución del perfil de tensiones durante el proceso de enrollamiento- almacenamiento-desenrollamiento, así como la influencia de las tensiones residuales.Stress relaxation losses on active reinforcement have significant impact on prestressed concrete structures. This is why relaxation tests are carried out on prestressing steel wires and strands after being manufactured. Then, these materials are coiled and stored for a long-term period, sometimes in excess of one year. The influence of these operations, carried out after manufacturing, is usually neglected. Nevertheless, some manufacturers and contractors have noticed that, sometimes, when relaxation tests are carried out after a long-term storage, the relaxation losses found are higher than those measured immediately after manufacturing. In this work, lab tests are performed to check the influence of the coiling radius and the period of storage on the relaxation test. In addition to this, an analytical model is presented to predict the results of a relaxation

La barrera del análisis estructural y la representación gráfica en el desarrollo de los proyectos arquitectónicos: el caso de la Ópera de Sidney

En numerosas ocasiones a lo largo de la historia la imaginación de los creadores ha ido por delante de las posibilidades técnicas de cada momento. Así, muchas de estas nuevas ideas han requerido largos periodos de tiempo para materializarse como realidad construida, hasta que el desarrollo tecnológico e industrial hubo alcanzado un grado de madurez suficiente. En el campo de la arquitectura, estas limitaciones técnicas se han ido acotando paulatinamente hasta desembocar en la situación actual en la que cualquier planteamiento formal puede ser representado gráficamente y analizado desde un punto de vista estructural, superádose de este modo la barrera existente históricamente en el tratamiento de las formas. A lo largo del presente tesis doctoral se analiza cómo la formulación del Método de los Elementos Finitos en la década de los cincuenta y las curvas de Bézier en la década de los sesenta del siglo pasado y la posterior generalización de los ordenadores personales y de los programas informáticos asociados (C.A.D. y F.E.M. principalmente) en los estudios de arquitectura e ingeniería a partir de la década de los noventa, posibilitó el desarrollo de cualquier propuesta arquitectónica, por compleja que ésta fuese, provocando una verdadera revolución a nivel formal en el mundo de la arquitectura, especialmente en el campo de la edificación singular o icónica. Se estudia este proceso a través de ocho edificios; cuatro anteriores y otros tantos posteriores a la desaparición de la barrera anteriormente referida, establecida de forma simbólica en la década de los años ochenta del siglo XX: Frontón de Recoletos en Madrid, Edificio Seagram en Nueva York, Habitat ’67 en Montreal, Ópera de Sídney, museo Guggenheim de Bilbao, ampliación del Victoria & Albert Museum en Londres, tanatorio “Meiso no Mori” en Gifu y nueva sede de la CCTV en Pekín. De entre ellos, la Ópera de Sídney, obra del arquitecto danés Jørn Utzon, condensa gran parte de los aspectos relevantes investigados en relación a la influencia que los métodos de representación y análisis estructural ejercen en la concepción y construcción de las obras de arquitectura. Por este motivo y por considerarse un hito de la arquitectura a nivel global se toma como caso de estudio. La idea general del edificio, que data de 1956, se enmarca en una época inmediatamente anterior a la del desarrollo científico y tecnológico anteriormente referido. Esta ausencia de herramientas de diseño disponibles acordes a la complejidad formal de la propuesta planteada condicionó enormente la marcha del proyecto, dilatándose dramáticamente en el tiempo y disparándose su coste hasta el punto de que el propio arquitecto danés fue separado de las obras antes de su conclusión. Además, la solución estructural finalmente construida de las cubiertas dista mucho de la prevista por Utzon inicialmente. Donde él había imaginado unas finas láminas de hormigón flotando sobre el paisaje se materializó una estructura más pesada, formada por costillas pretensadas de hormigón con unas secciones notablemente mayores. La forma también debió ser modificada de modo ostensible respecto a la propuesta inicial. Si este edificio se pretendiese construir en la actualidad, con toda seguridad el curso de los acontecimientos se desarrollaría por senderos muy diferentes. Ante este supuesto, se plantean las siguientes cuestiones: ¿sería posible realizar un análisis estructural de la cubierta laminar planteada por Utzon inicialmente en el concurso con las herramientas disponibles en la actualidad?; ¿sería dicha propuesta viable estructuralmente?. A lo largo de las siguientes páginas se pretende dar respuesta a estas cuestiones, poniendo de relieve el impacto que los ordenadores personales y los programas informáticos asociados han tenido en la manera de concebir y construir edificios. También se han analizado variantes a la solución laminar planteada en la fase de concurso, a través de las cuales, tratando en la medida de lo posible de ajustarse a las sugerencias que Ove Arup y su equipo realizaron a Jørn Utzon a lo largo del dilatado proceso de proyecto, mejorar el comportamiento general de la estructura del edificio. Por último, se ha pretendido partir de cero y plantear, desde una perspectiva contemporánea, posibles enfoques metodológicos aplicables a la búsqueda de soluciones estructurales compatibles con la forma propuesta originalmente por Utzon para las cubiertas de la Ópera de Sídney y que nunca llegó a ser construida (ni analizada), considerando para ello los medios tecnológicos, científicos e industriales disponibles en la actualidad. Abstract On numerous occasions throughout history the imagination of creators has gone well beyond of the technical possibilities of their time. Many new ideas have required a long period to materialize, until the technological and industrial development had time to catch up. In the architecture field, these technical limitations have gradually tightened leading to the current situation in which any formal approach can be represented and analyzed from a structural point of view, thus concluding that the structural analysis and the graphical representation’s barrier in the development of architectural projects has dissappeared. Throughout the following pages it is examined how the development of the Finite Element Method in the fifties and the Bezier curves in the sixties of the last century and the subsequent spread of personal computers and specialized software in the architectural and engineering offices from the nineties, enabled the development of any architectural proposal independently of its complexity. This has caused a revolution at a formal level in architecture, especially in the field of iconic building. This process is analyzed through eight buildings, four of them before and another four after the disappearance of the above mentioned barrier, roughly established in the eighties of the last century: Fronton Recoletos in Madrid, Seagram Building in New York Habitat '67 in Montreal, Sydney Opera House, Guggenheim Museum Bilbao, Victoria & Albert Museum extension in London, Crematorium “Meiso no Mori” in Gifu and the new CCTV headquarters in Beijing. Among them, the Sydney Opera House, designed by Danish architect Jørn Utzon, condenses many of the main aspects previously investigated regarding the impact of representation methods and structural analysis on the design and construction of architectural projects. For this reason and also because it is considered a global architecture milestone, it is selected as a case study. The building’s general idea, which dates from 1956, is framed at a time immediately preceding the above mentioned scientific and technological development. This lack of available design tools in accordance with the proposal’s formal complexity conditioned enormously the project’s progress, leading to a dramatic delay and multiplying the final budget disproportionately to the point that the Danish architect himself was separated from the works before completion. Furthermore, the built structure differs dramatically from the architect’s initial vision. Where Utzon saw a thin concrete shell floating over the landscape a heavier structure was built, consisting of prestressed concrete ribs with a significantly greater size. The geometry also had to be modified. If this building were to built today, the course of events surely would walk very different paths. Given this assumption, a number of questions could then be formulated: Would it be possible to perform a structural analysis of Utzon’s initially proposed competition-free-ways roof’s geometry with the tools available nowadays?; Would this proposal be structurally feasable?. Throughout the following pages it is intended to clarify this issues, highlighting personal computers and associated software’s impact in building design and construction procedures, especially in the field of iconic building. Variants have also been analyzed for the laminar solution proposed in the competition phase, through which, trying as far as possible to comply with the suggestions that Ove Arup and his team did to Jørn Utzon along the lengthy process project, improving the overall performance of the building structure. Finally, we have started from scratch and analyzed, from a contemporary perspective, possible structural solutions compatible with Utzon’s Opera House’s original geometry and vision –proposal that was never built (nor even analyzed)-, taking into consideration the technological, scientific and industrial means currently available.

Comportamiento a fatiga por cortante de elementos lineales de hormigón armado sin cercos

Las estructuras de hormigón son susceptibles de sufrir los efectos asociados a las acciones de fatiga cuando estas se ven sometidas a un elevado número de cargas repetidas. Muchas de estas estructuras no requieren armadura transversal para cumplir los condicionantes de dimensionamiento estático como por ejemplo las losas superiores de tableros de puentes, los muros de contención, las losas de transición de puentes, las torres eólicas o las estructuras marítimas. La mayor parte de los códigos de diseño vigentes no incluyen una comprobación específica del nivel de seguridad a cortante de estas estructuras para acciones de fatiga, y aquellas que lo hacen prefieren utilizar expresiones de tipo empírico basadas en curvas S-N que relacionan el número de ciclos resistentes con el valor de la carga aplicada. A pesar de que el empleo de curvas S-N es de gran utilidad desde un punto de vista práctico, estas curvas no permiten comprender el proceso de rotura por cortante para cargas repetidas. El objetivo principal de esta Tesis es el de estudiar el comportamiento a cortante de elementos de hormigón armado sin cercos sometidos a fatiga. Además, el análisis es ampliado al estudio del comportamiento transversal de los voladizos de las losas superiores de tableros de puentes de hormigón que de forma habitual son diseñados sin armadura de cortante. De forma habitual estos elementos se diseñan atendiendo a criterios de dimensionamiento estáticos sin tener en cuenta la resistencia a cortante cuando se ven sometidos a cargas cíclicas. A pesar de que las cargas de fatiga son inferiores a aquellas que producen el fallo estático, es importante tener en cuenta el comportamiento de estos elementos ante cargas repetidas. Los trabajos experimentales existentes en vigas de hormigón armado sin cercos evidenciaron diferencias significativas entre los modos de fallo ante cargas estáticas y cíclicas. Estos trabajos llegaron a la conclusión de que estos elementos diseñados para tener un fallo dúctil por flexión pueden llegar a desarrollar un tipo de fallo frágil por cortante cuando se ven sometidos a cargas repetidas. El proceso de rotura por cortante en elementos de hormigón armado sin cercos sometidos a fatiga es un proceso complejo que debe ser estudiado en profundidad debido al carácter frágil de este tipo de fallo. Los trabajos experimentales permitieron comprobar que el origen de este fallo tiene lugar tras la formación de una fisura de cortante a partir de una fisura de flexión formada durante los primeros ciclos en el vano de cortante. Tras la formación de esta fisura, esta se va propagando hacia la cabeza de compresión hasta que finalmente se produce el fallo como consecuencia de la destrucción de la cabeza de compresión cuando la altura alcanzada por esta es insuficiente para resistir la fuerza de compresión aplicada en esta zona. Por otra parte, la propagación de esta fisura diagonal puede desarrollarse por completo en el instante en el que esta se forma derivando en un tipo de fallo por cortante más frágil que el anterior. El proceso de fatiga es estudiado en esta Tesis mediante un modelo mecánico. Por una parte, se propone un modelo predictivo para determinar el número de ciclos acumulados hasta que se forma la fisura diagonal en función del estado tensional que se tiene en la punta de una fisura crítica de flexión formada en los primeros ciclos. Por otra parte, la resistencia a fatiga tras la formación de la fisura diagonal se analiza teniendo en cuenta el daño por fatiga acumulado en la cabeza de compresión y las variables que afectan a la propagación de esta fisura de cortante. Para la evaluación de la resistencia a fatiga tras la formación de la fisura crítica de cortante en este tipo de elementos, se plantea un modelo teórico basado en conceptos de Mecánica de la Fractura adaptados al hormigón. Este modelo puede ser aplicado a vigas de hormigón armado sin cercos de canto constante o variable siguiendo diferentes procedimientos. Una campaña experimental ha sido llevada a cabo con el objetivo de estudiar el comportamiento a cortante de vigas de hormigón armado sin cercos de canto variable sometidas a cargas estáticas y de fatiga. Se han desarrollado un total de diez ensayos estáticos y de fatiga para diferentes niveles de carga y esbelteces de cortante, teniendo lugar diferentes modos de fallo. Estos elementos fueron diseñados para reproducir, a escala real y de forma simplificada, los voladizos laterales de las losas superiores de tableros de puentes de carretera de hormigón. Los resultados experimentales demostraron que el tipo de fallo desarrollado depende de varios parámetros como por ejemplo el nivel de carga máxima, el nivel de oscilación de tensiones en la armadura longitudinal, la esbeltez de cortante o la calidad del hormigón utilizado entre otros. Para valores similares de esbeltez de cortante, los ensayos de fatiga realizados permitieron comprobar que la rotura por cortante de estos elementos está asociada a niveles de carga máxima elevados, mientras que el fallo por fatiga de la armadura longitudinal tiene mayor probabilidad de ocurrir en elementos sometidos a elevados niveles de oscilación de tensiones en esta armadura. Además, estos ensayos han sido analizados a través del modelo propuesto para tratar de comprender el comportamiento resistente de estos elementos sometidos a cargas de fatiga. Concrete structures are able to suffer fatigue when they are subjected to high number of cyclic loads. Many of these need not shear reinforcement to satisfy static design requirements, such as bridge deck slabs, retaining walls, bridge approach slabs, wind towers or maritime structures among others. Many codes of practice do not include a verification of the shear fatigue safety. Moreover, those which include it still prefer empirical S-N-based approaches that provide the number of cycles as a function of applied forces. S-N models are practical but they do not provide information to understand the shear fatigue process. The main objective of this Thesis is to study shear behaviour of reinforced concrete elements without stirrups subjected to fatigue loads. In addition, the analysis is extended in order to study the transverse behaviour of cantilever slabs of concrete bridges that traditionally are designed without shear reinforcement. These elements usually are designed on the basis of static strength and it is unusual that codes consider fatigue strength of concrete in shear. Accordingly, it is important to take into account the fatigue behaviour of structural members subjected to cyclic loads although these loads are lower than those which produce the static failure. Existing experimental works show important differences between the static and cyclic failure modes of reinforced concrete beams without stirrups. These works concluded that beams without transverse reinforcement, designed to have a ductile failure mode in flexure, can submit a brittle shear failure mode when they are subjected to repeated loads. Shear fatigue failure of reinforced concrete beams without stirrups is a rather complex process from the mechanical viewpoint. Since it leads to a brittle failure mode it should be better understood. Experimental evidence indicates that a diagonal crack first develops from the inclination of flexural cracks in the shear span. Thereafter, the diagonal crack propagates into the compression zone. Failure normally takes place by the destruction of the compression zone when its depth is too small to resist the applied force. The propagation of the diagonal crack can also be instantaneous, leading to sudden diagonal cracking fatigue failure rather than shear-compression failure. Fatigue process is studied in this Thesis on a mechanical basis. On the one hand, a predictive model is derived to obtain the number of cycles up to diagonal cracking, as a function of the stress state at the tip of a critical flexural crack. On the other hand, the residual fatigue strength after diagonal cracking is analyzed taking into account the fatigue damage accumulated by the compression zone and the variables affecting the propagation of the diagonal crack. In order to assess the residual fatigue strength after diagonal cracking of such elements, a theoretical model is proposed based on concepts from fracture mechanics adapted to concrete. This model can be successfully applied for straight or haunched reinforced concrete beams without stirrups following different procedures. In order to achieve a more advanced knowledge in this subject, an experimental campaign has been carried out with the aim of study the shear behaviour of reinforced concrete haunched beams without stirrups subjected to static and fatigue loads. A total of ten static and fatigue tests have been performed with distinct load levels and shear span-to-depth ratios, presenting different failures modes. These elements were designed to reproduce in a simplified form the cantilever slab of concrete bridges at real scale. Experimental results showed that the type of failure depends on several parameters as for example the maximum load level, the stress oscillation level on the longitudinal reinforcement, the shear span-to-depth ratio or the quality of the concrete used among others. For a similar value of the shear span-to-depth ratio, tests evidenced that shear fatigue failure is related to high maximum load levels, while steel fatigue failure is easier to occur in elements subjected to high stress oscillation level on the reinforcement bars. Besides, these tests have been analyzed through the proposed model in order to clarify the structural behaviour of such elements subjected to fatigue loads.

Refuerzo de vigas de hormigón armado mediante la aplicación de fuerzas exteriores introducidas por predeformación de perfiles metálicos

Una técnica de refuerzo de elementos flectados en general y, en particular, de vigas y forjados de hormigón armado, consiste en la disposición de perfiles metálicos por debajo de los elementos a reforzar y retacados a ellos. En muchos casos este refuerzo se diseña con un planteamiento pasivo, es decir, los perfiles no entran en carga hasta que no se incrementan las acciones sobre el elemento reforzado, o lo hacen sólo ligeramente y de forma cuantitativamente no controlada efectuando el retacado mediante cuñas metálicas. En el presente trabajo se estudia la alternativa del refuerzo de vigas de hormigón armado frente a momentos flectores con un planteamiento activo, introduciendo unas fuerzas (por ejemplo, mediante gatos o barras roscadas) entre el perfil y el elemento a reforzar, y retacando posteriormente el perfil a la viga en los puntos de introducción de las fuerzas, mediante cuñas metálicas, mortero, etc. La propuesta que formulamos en el presente trabajo de investigación para el control de las fuerzas introducidas consiste en la medida de las flechas que se producen en el perfil metálico al hacerlo reaccionar contra la viga. Esto permite el empleo de procedimientos sencillos para la predeformación del perfil que no dispongan de dispositivos de medida de la carga introducida, o bien controlar la veracidad de las medidas de las fuerzas que dan tales dispositivos. La gran fiabilidad que tiene el cálculo de flechas en jácenas metálicas hace que con este procedimiento se puedan conocer con gran precisión las fuerzas introducidas. Las medidas de las flechas se pueden llevar a cabo mediante los procedimientos de instrumentación habituales en pruebas de carga, con una precisión más que suficiente para conocer y controlar con fiabilidad el valor de las fuerzas que el perfil ejerce sobre la viga. Los perfiles necesarios para el refuerzo con esta técnica son netamente inferiores a los que se precisarían con el planteamiento pasivo antes indicado. En el trabajo de investigación se recoge un estudio sobre el número, posición y valor de las fuerzas de refuerzo a introducir, en función de la carga para la que se diseña el refuerzo y la capacidad resistente del elemento a reforzar, y se analizan los valores máximos que pueden tener dichas fuerzas, en función de la capacidad de la pieza frente a momentos de signo contrario a los debidos a las cargas gravitatorias. A continuación se analiza la interacción viga-perfil al incrementarse las cargas sobre la viga desde el instante de la ejecución del refuerzo, interacción que hace variar el valor de las fuerzas que el perfil ejerce sobre la viga. Esta variación permite contar con un incremento en las fuerzas de refuerzo si, con las cargas permanentes presentes al reforzar, no podemos introducirlas inicialmente con el valor necesario, o si se producen pérdidas en las propias fuerzas. Este es uno de los criterios a la hora de seleccionar las características del perfil. Por el contrario, dicha variación puede suponer que en algunos puntos a lo largo del vano se supere la capacidad a flexión frente a momentos de signo contrario a los debidos a las cargas gravitatorias, lo que también debe ser tenido en cuenta. Seguidamente se analizan diferentes aspectos que producen una variación en el valor de las fuerzas de refuerzo, como son las deformaciones diferidas del hormigón (fluencia y retracción), los gradientes de temperatura en la pieza, o la actuación de sobrecargas en los vanos adyacentes. Se concluye los efectos de estos fenómenos, que en ocasiones tienen gran influencia, pueden ser cuantificados por el proyectista, recogiéndose propuestas sencillas para su consideración en casos habituales. Posteriormente recogemos una propuesta de metodología de comprobación del refuerzo, en cuanto a cómo considerar la fisuración y evolución del módulo de deformación de la viga, la introducción de la seguridad, la influencia de las tolerancias de laminación en el perfil sobre el valor calculado de las flechas necesarias en el perfil para introducir las fuerzas iniciales proyectadas, o la situación accidental de fuego, entre otros aspectos. Por último, se exponen las conclusiones más relevantes de la investigación realizada, y se proponen futuras líneas de investigación. One technique for strengthening flexural members in general, and reinforced concrete beams and slabs in particular, entails caulking the underside of these members with steel shapes. This sort of strengthening is often designed from a passive approach; i.e., until the load is increased, the shapes are either not loaded or are only slightly loaded to some unquantified extent by caulking with steel shims. The present study explored the possibility of actively strengthening the capacity of reinforced concrete beams to resist bending moments by applying forces (with jacks or threaded bars, for instance) between the shape and the member to be strengthened. The shape is subsequently caulked under the beam at the points where the forces are applied with steel shims, mortar or similar. The proposal put forward in the present study to monitor the forces applied consists in measuring the deflection on the steel shape as it reacts against the beam. With this technique, the shape can be pre-strained using simple procedures that do not call for devices to measure the force applied, or the accurancy of the respective measurements can be verified. As deflection calculations in steel girders are extremely reliable, the forces applied with this procedure can be very precisely determined. Standard instrumental procedures for load testing can be used to measure deflection with more than sufficient precision to reliably determine and monitor the value of the forces exerted on the beam by the shape. Moreover, the shapes required to strengthen members with this technique are substantially smaller than the ones needed in the aforementioned passive approach. This study addressed the number, position and value of the strengthening forces to be applied in terms of the load for which strengthening was designed and the bearing capacity of the member to be strengthened. The maximum value of such forces was also analysed as a function of the capacity of the member to resist counter-gravity moments. An analysis was then conducted of beam-shape interaction when the load on the beam raises since the instant that strengthening is applied, interaction that alters the forces applied to the beam by the shape. This variation can provide an increment in the forces if we cannot introduce them initially with the value calculated as necessary because they were limited by the permanent loads existing when strengthening, or if losses occur in the forces themselves. This is one of the criteria for defining shape specifications. Conversely, such variation may cause the forces to exceed beam counter-gravity bending strength at some points in the span, a development that must also be taken into consideration. Other factors inducing variations in the strengthening force values were then analysed, including deferred concrete strain (creep and shrinkage), temperature gradients in the member and the live loads acting on adjacent spans. The inference drawn was that these developments, which may on occasion have a heavy impact, can be quantified by the design engineer, particularly in ordinary situations, for which simple procedures are proposed. Methodology is likewise proposed for verifying strength in terms of how to appraise beam's cracking and variations in modulus of deformation; safety concerns; the effect of shape lamination tolerance on the calculated deflection necessary for the shape to apply the design forces; and fire-induced situations, among others. Lastly, the most prominent conclusions are discussed and future lines of research are suggested.

Influencia de la configuración geométrica de placas prefabricadas para forjados en las tensiones originadas por la transferencia del pretensado en elementos realizados con armaduras pretesas ancladas por adherencia

Las piezas pretensadas de hormigón presentan zonas muy solicitadas correspondientes a la zona de transferencia. En muchos casos se ha detectado figuración en tales zonas cuyo origen está ligado a la transferencia de la fuerza de pretensado, pudiendo llegar a causar el rechazo de la pieza. En el caso de las piezas prefabricadas con armaduras pretesas adherentes, no siempre es posible disponer armado transversal para controlar esta fisuración, ya sea por el proceso constructivo, ya sea por disponer en general de secciones transversales muy optimizadas. Recientemente se desarrolló una nueva tipología de piezas de hormigón prefabricado para forjados unidireccionales pretensadas con armadura activa pretesa y sin armadura transversal. La tipología se asimila a una sección en PI invertida, con alas de gran envergadura en comparación con el ancho de nervio, y armadura activa distribuida en las alas. Este diseño parece propenso a la aparición de fisuración en el momento de la transferencia del pretensado. Así, se han producido fallos de carácter frágil: colapso de piezas ya colocadas en obra, separándose la losa inferior de los nervios y cayendo sobre el piso. Las herramientas de análisis usuales han resultado inútiles al aplicarse a la investigación de esta patología. Para afrontar el estudio de los problemas detectados en la tipología, se ha analizado el fenómeno de las tensiones de tracción en la zona de transferencia, usualmente denominadas exfoliación y estallido, así como los métodos de análisis aplicables a elementos pretesos sin armadura transversal. En algunas ocasiones se trata del resultado de trabajos desarrollados para piezas postesadas, o para calcular cuantías de armadura transversal, adaptados a posteriori. También existen métodos desarrollados específicamente para piezas pretesas sin armadura transversal. Junto a los factores considerados en los métodos existentes se han localizado otros, no tenidos en cuenta habitualmente, pero que pueden ser determinantes en piezas no convencionales, como son: la existencia de pretensado superior e inferior, la falta de simetría de la sección transversal, el ancho variable de las piezas, una relación entre el ancho del ala y el espesor de los nervios elevada, la distribución transversal del pretensado en relación al ancho variable. Además, la mayoría de los métodos se han basado en simplificaciones bidimensionales. Para tener en cuenta la influencia de estos factores, se han modelizado piezas en las que varían tanto la geometría de la sección transversal y la cuantía de pretensado, como la ley de adherencia o la distribución de armadura activa en la sección. Estos modelos se han analizado mediante el método de elementos finitos, efectuándose u análisis elástico lineal tridimensional. En general, los métodos existentes no han predicho adecuadamente las tensiones obtenidas mediante elementos finitos. Sobre los resultados obtenidos por elementos finitos se ha desarrollado un ajuste experimental, que presentan un alto grado de correlación y de significación, así como una reducida dispersión y error relativo. En consecuencia, se propone un método de obtención de la tensión máxima de exfoliación, consistente en varias ecuaciones, que tienen en cuenta las peculiaridades de la configuración de las piezas citadas y permiten considerar cualquier ley de adherencia, manteniendo la coherencia con la longitud de transmisión. Las ecuaciones se emplean para la obtención de la tensión máxima de exfoliación en piezas de la tipología estudiada cuya armadura activa se sitúe fuera del núcleo central de la sección transversal. Respecto al estallido, se propone una modificación de los métodos existentes que, comparado con los resultados del análisis por elementos finitos, mejora el valor medio y la dispersión a valores admisibles y del lado de la seguridad. El método considera la geometría de la sección y la distribución del pretensado en la losa inferior. Finalmente, se ofrecen estrategias de diseño para piezas de la tipología o semejantes. End zones of prestressed concrete members are highly stressed. Cracking have often appeared at end zone, and its beginning is related to prestress release. Some members become rejected because of these cracks. Sometimes it is not possible having transverse reinforcement in order to control cracking, when referring to pretensioned precast members. The reason may be the construction process or highly optimized crosssections. A new typology of precast concrete members designed for one-way composite floors was recently developed. The members, without transverse reinforcement, are prestressed with pretensioned wires or strands. This typology is similar to an inverted TT slab, with a large flange related to the web thickness and prestressing reinforcement spread across the flange. This design is highly susceptible to appear cracking at prestress release. Therefore, brittle failures have been reported: fail of slabs laid in place on a construction site, resulting in the separation of the flange from the webs,, and the subsequent fall on the lower floor. Usual analytical methods have been useless to study the failure. End zone tensile stresses have been analysed to study the detected typology problems. These tensile stresses are usually called spalling and bursting (also called splitting in the U.S.). Analysis methods applicable to pretensioned members without transverse reinforcement have been analysed too. Some methods were originally developed for postensioned concrete or for obtaining the amount of transverse reinforcement. In addition, there are methods developed specifically for pretensioned members without transverse reinforcement. Some factors, frequently ignored, have been found, such as lower and upper prestress, lack of symmetry in the cross section, variable width, a high ratio between flange width and web thickness or prestressing reinforcement location related to variable width. They can play a decisive role in non-conventional members. In addition, most methods are based on 2D simplifications. Finite Element modelling has been conducted in order to consider the influence of these factors. A linear 3D approach has been used. The modelled members vary according to cross section geometry, bond behaviour, or prestressing reinforcement location. In general, the obtained tensile stresses don’t agree with existing methods. An experimental adjustment has been conducted on the obtained results, with a high correlation ratio and significance level as well as a low dispersion and relative error. Therefore, a method to obtain the maximum spalling stress is proposed. The proposal consists on some equations that consider the special features of the typology and bond behaviour. Consistency between transmission length and bond behaviour is considered too. The equations are used to calculate maximum spalling stress for the studied typology members whose prestressing reinforcement is located out of the core of the cross section. In relation to bursting, a modification of existing methods is proposed. Compared to finite element results, the proposal improves mean value and dispersion, whose ranges are considered acceptable and secure. The method takes into account cross section geometry and location of prestressing reinforcement across the lower flange. Finally, strategies to design members of this typology or similar are proposed.

Non prismatic folded roof structure

The design of a prestressed concrete roof is described. A special linear elastic analysis of non-prismatic folded structures has been applied. The obtained results have been compared to the results deducted from a small scale model test. Conclusions about the efficiency of these type of structures are shown.

Doubling the width of the platform of the San Pedro bridge in Spain

The San Pedro Bridge has six spans and is 750 m (2460 ft) long, 88 m (290 ft) high, 12 m (39 ft) wide, and curved with a radius of 700 m (2300 ft). It was built in 1993 using the cantilever method. Its super - structure is a prestressed concrete box girder with main spans of 150 m (490 ft). In 2008 and 2009, the width of the platform was enlarged to 23 m (75 ft) using five movable sets of scaffolding. The bridge remained open to traffic during construction. The original platform was widened 6 m (20 ft) on each side by connecting a new lightweight concrete cantilever to the original upper slab. These cantilevers were supported by steelstruts. The tie into the upper slab was made with new transverse post-tensioned tendons. The original superstructure was strengthened to resist the additional dead load of the expansion and live loads of the extra traffic. An additional new central web and a composite concrete-steel section were constructed and connected to the concrete box and central web using vertical high-strength post-tensioning bars. Also, external post-tensioning cables were implemented. It was also necessary to strengthen the connection of the original concrete box section to the piers. Detailed calculations were performed to evaluate the load distribution transmitted to the piers by the webs and by the original inclined concrete walls of the box girder. Finally, a detailed second-order-analysis of the complete structure was made to guarantee the resistance of the piers compared with actual loads

Espacios máximos con recursos mínimos : edificio Central Lechera CLESA, Alejandro de la Sota

La tesis aborda el estudio de la Central lechera CLESA, uno de los edificios industriales de Alejandro de la Sota más significativos de la década de los años cincuenta en España. Las centrales lecheras fueron abordadas por Sota en distintas ocasiones entre 1955 y 1969, siendo CLESA la única de todas ellas que llega a construirse. Se trata de uno de los exponentes más brillantes de la arquitectura moderna industrial española de la posguerra, incluido en "La arquitectura de la industria, REGISTRO DOCOMOMO IBÉRICO”1 entre la veintena de edificios seleccionados de la arquitectura madrileña de este periodo. Plantea una solución singular para alcanzar la diafanidad exigida en la implantación del proceso de producción. La estructura de las naves se realiza con hormigón pretensado, siendo uno de los pioneros en la utilización de esta técnica. La hipótesis de partida considera la realidad del proyecto construido como respuesta desde la arquitectura a un programa industrial resuelto con sencillez, que partiendo de una economía de recursos que le es inherente, consigue desde la coherencia del planteamiento, soluciones donde la complejidad espacial constituye una respuesta eficaz y del máximo interés. Los objetivos de esta tesis son contribuir a un conocimiento riguroso del edificio, que permita descubrir la particularidad de su entramado espacial y el interés de las soluciones adoptadas en su configuración final, en aras de contrastar su calidad arquitectónica. El edificio de la Central Lechera CLESA, si bien es un edificio muy conocido, lo es de una manera superficial. Aparece en numerosas publicaciones, en muchas ocasiones formando parte de un relato extenso de la obra de su autor. El libro monográfico publicado en 2007 por la Fundación Alejandro de la Sota, cuya edición está a cargo de Teresa Couceiro, es la única publicación específica sobre él. Tras una breve introducción, en la que se destaca la intensa dedicación de Sota a esta obra, reúne una colección de planos, fotografías y croquis, junto a la memoria del proyecto. Ofrece una visión fragmentada, que permite vislumbrar el interés de esta obra, pero no facilita comprenderla en su integridad. Es importante destacar la publicación de CLESA en el libro editado por Pronaos (1989), que incluye una selección, realizada por el autor, de plantas, alzados y secciones que corresponden al proyecto construido junto a fotografías de la obra terminada, además de un breve texto tan conciso como esclarecedor. Sobre Alejandro de la Sota se han escrito, tesis doctorales, numerosos artículos, varios libros así como realizado exposiciones que recogen su obra global, reflejados en este documento en las consiguientes bibliografías específicas. Cabe destacar la exposición realizada en la sede del COAM en 2014, con ocasión de su centenario, que el edificio CLESA protagoniza en cierto modo, por su riesgo de desaparición.2 La tesis se estructura en cuatro capítulos: descripción, análisis, síntesis y conclusiones. El primer capítulo contempla la descripción del edificio objeto de la tesis, con una introducción que nos sitúa en el contexto histórico, económico, cultural y social en el que se desarrolla el encargo, proyecto y obra de la central lechera. La descripción propiamente dicha del conjunto industrial, partiendo del encargo de la central lechera al autor del proyecto, pasando por el anteproyecto, el proyecto visado y llegando a la obra realizada. Se compara el proyecto visado, la obra terminada y la CLESA publicada, así como el devenir del edificio. La segunda parte corresponde al análisis, en primer lugar desde el programa como planteamiento general, estudiando las circulaciones, relaciones espaciales, geométricas, esqueléticas, geográficas -parte a parte- que integran el conjunto de la central. La estructura, introducción explicativa de las soluciones adoptadas por Alejandro de la Sota; análisis del sistema esquelético del edificio por partes, operaciones geométricas y espaciales. Construcción, análisis de la materialización de la obra, sistemas constructivos empleados en cerramientos, cubiertas, lucernarios; de lo general a lo particular, estudiando los sistemas. Finalmente a través de la pequeña escala se compendian elementos singulares que forman parte de sistemas complejos, como las múltiples escaleras, barandillas, carpinterías, miradores. Se recapitula en una síntesis que configura un todo con la suma de las partes, mediante la utilización de recursos de enlace de esa arquitectura aditiva, como es el módulo, los recorridos y los enlaces visuales. El capítulo final de Conclusiones contrasta la hipótesis de partida de la tesis en cuanto a una arquitectura de espacios máximos con recursos mínimos. Recoge también diversas reflexiones como la dialéctica entre el espacio fragmentado y el espacio único; crecimiento expansivo o inclusivo; imagen singular y representación; escala doméstica y escala industrial; renuncias estructurales o limitaciones de medios. Quizás, el mayor interés de esta tesis reside los dibujos realizados en axonométrica del complejo CLESA, que han permitido restituir y reconstruir idealmente la fábrica al inicio de su actividad. Teniendo en cuenta su posible desaparición total o parcial, esta restitución cobra relevancia como testimonio de lo que fue. ABSTRACT The thesis deals with the study of CLESA's Dairy Plant, one of the most significant industrial buildings of the Decade of the fifties in Spain, by Alejandro de la Sota. The Dairies were addressed by Sota at various occasions between 1955 and 1969, being the CLESA plant the only one that is has been built. This is one of the most brilliant exponents of Spanish industrial post-war modern architecture, included in "The architecture industry, IBERIAN DOCOMOMO RECORD"3 between the score of selected buildings of Madrid architecture of this period. It poses a singular solution to achieve the openness of the space required in the implementation of the manufacturing process. The structure of the nave is done with prestressed concrete, being one of the pioneers in the use of this technique. The initial hypothesis considers the reality of the project built from the architecture in response to an industrial program solved with simplicity, that from a resource economy that is inherent, gets from the consistency of the approach, solutions where the space complexity is an effective response of great interest. The objectives of this thesis are to contribute to a rigorous knowledge of the building, which allows to discover the particularity of its space lattice and the interest of the solutions adopted in its final configuration, in order to contrast its architectural quality. The building of the Central Lechera CLESA, despite it is a well known building, is in a superficial way. It appears in several publications, often as part of an extensive account of the work of its author. The monograph published in 2007 by the Foundation Alejandro de la Sota, whose edition is run by Teresa Couceiro, is the only specific publication about it. After a brief introduction, in which Sota's intense dedication to this work stands out, it brings together a collection of drawings, photographs and sketches, along with the project report. It offers a fragmented view, which enable to glimpse the interest of this work, but not helps to understand it in full. It is important to highlight the publication of CLESA in the book edited by Pronaos (1989), which includes a selection made by the author of plants, elevations and sections corresponding to the project built, next to photographs of the finished construction, in addition to a brief text as concise as enlightening. About Alejandro de la Sota have been written doctoral thesis, numerous articles, several books as well as held exhibitions collecting his global work, which have been reflected in this document in the resulting specific bibliographies. It should be noted the exhibition in COAM headquarters in 2014, on the occasion of its Centennial, where the building CLESA has a leading role, in a certain way, because of its risk of disappearance.4 The thesis is structured in four chapters: description, analysis, synthesis, and conclusions. The first chapter provides the description of the building object of this thesis. Includes an introduction that puts us in the historic, economic, cultural and social context in which it is developed the commission, the project and construction of the dairy building. The description itself of the industrial complex, starts with the order of the dairy to the author of the project, moves through the draft, the visa project and reaches the completion of the work. The visa project, CLESA's finished and published work, as well as the future of the building is compared. The second part corresponds to the analysis, first from the program as a general approach, studying the circulations, geometric, spatial, skeletal, geographical relations - bit by bit - comprising the manufacturing plant ("la central"). The structure, explanatory introduction of the solutions adopted by Alejandro de la Sota; analysis of the skeletal system of the building by parts, geometric and spatial operations. Construction, analysis of the realization of the work, constructive systems used in the building enclosures, roofs, skylights; from the general to the particular and studying the systems. Finally through small scale unique elements that are part of complex systems, such as multiple stairs, railings, carpentry, viewpoints are summarized. It is recapitulated in a synthesis which forms a whole with the sum of the parts, using linking resources that belongs to the additive architecture, such as the module, tours and visual links The final chapter of Conclusions contrast the hypothesis of the thesis regarding the maximum space architecture with minimal resources. It also includes various reflections as the dialectic between the fragmented space and the single space; expansive or inclusive growth; unique image and representation; domestic and industrial scale; structural abandonment or limitation of means. Perhaps the greatest interest of this thesis lies in the axonometric drawings made of the CLESA complex, which ideally have allowed to restore and rebuild the factory back to the beginning of its activity. Considering its potential full or partial disappearance, such recovery becomes relevant as a testimonial evidence of what it was.

Avaliação da integridade estrutural de elementos de concreto armado a partir das propriedades modais obtidas por técnicas de excitações aleatórias e transientes

A análise dinâmica experimental tem sido amplamente pesquisada como uma ferramenta de avaliação de integridade de estruturas de concreto armado. Existem técnicas de identificação de danos baseadas em propriedades modais como frequências de ressonâncias, deformadas modais, curvaturas modais e amortecimento. Há também técnicas baseadas na não linearidade da resposta dinâmica, que apesar do grande potencial na detecção de danos, têm sido pouco exploradas nos últimos anos. Este trabalho tem por objetivo avaliar a integridade estrutural de vigas de concreto armado através do comportamento da resposta dinâmica. Foram realizados ensaios dinâmicos em duas vigas de concreto armado com 3,5 m de comprimento, 25 cm de largura, 35 cm de altura e idênticas taxas de armaduras, mas configuradas com barras de aço de diferentes diâmetros, 2 ϕ 16 mm e 8 ϕ 8 mm, respectivamente. Tais vigas, inicialmente íntegras, foram submetidas a ciclos de carregamento e descarregamento com intensidades crescentes até atingir a ruptura do elemento. Após cada ciclo, as propriedades dinâmicas foram avaliadas experimentalmente, com o emprego de técnicas de excitação por sinais do tipo aleatório e tipo transiente, respectivamente, visando determinar parâmetros que indiquem a deterioração gradativa do elemento. Nesses ensaios dinâmicos aplicaram-se diferentes amplitudes da força de excitação. Verificou-se que o aumento da amplitude da força dinâmica de excitação provocou reduções nos valores das frequências de ressonância de 1,1% e 2,4%, associadas, respectivamente, às excitações aleatórias e transientes; e um comportamento não linear dos índices de amortecimento, associados às excitações aleatórias, mantendo um crescimento linear com as excitações transientes. Constatou-se, ainda, que os valores das frequências de ressonância decrescem com a redução de rigidez mecânica, diminuída com o aumento do nível de fissuração induzido nos modelos. Já os valores dos índices de amortecimento, após cada ciclo, se comportaram de forma não linear e assumiram diferentes valores, conforme a técnica de excitação empregada. Acredita-se que esta não linearidade está relacionada aos danos provocados no elemento pela solicitação estrutural e, por consequência, ao processo de como a dissipação de energia é empregada no processo de instauração, configuração e propagação das fissuras nos elementos de concreto armado.

Análise de confiabilidade de estruturas com paredes portantes de concreto pré-moldado

O método construtivo com painéis portantes de concreto é economicamente viável, porém relativamente novo no cenário nacional, sobretudo no caso dos pré-moldados. As incertezas referentes às peculiaridades desse método, bem como a nova norma brasileira de painéis pré-moldados, ainda em elaboração, vem a motivar uma análise probabilística dos critérios de projeto disponíveis. Utilizando-se a técnica da confiabilidade estrutural, é possível propagar as incertezas referentes às variáveis a uma resposta final no índice de confiabilidade, sendo um cálculo totalmente probabilístico. Neste trabalho, emprega-se tal técnica com informações estatísticas referentes a lajes de concreto moldadas in loco para verificar, de maneira mais verossímil, a segurança dos critérios de projeto impostos pelo Precast Concrete Institute Design Handbook - Precast and Prestressed Concrete - 7th Edition (2010) às fases transitórias (desforma, transporte e içamento) e pela Norma Brasileira ABNT NBR 6118: 2014 - Projeto de estruturas de concreto, à fase em uso. Prossegue-se a uma análise crítica dos resultados bem como sugestões para diminuir a variação dos resultados, sobretudo pela calibração de novos coeficientes parciais de segurança, processo para o qual este trabalho pode servir de base.

Hormigón Armado y Pretensado. Presentaciones (curso 2011-2012)

Presentaciones de los temas que integran los contenidos de la asignatura "Hormigón Armado y Pretensado", impartida en las titulaciones de Ingeniería Técnica de Obras Públicas, Ingeniería Geológica y Grado en Ing. Civil.

Tabellen für die rasche und sichere Berechnung von Platten, Balken und Plattenbalken aus Eisenbeton: nebst Beispielen über alle möglichen Aufgaben /

Mode of access: Internet.

Development of thresholds for surface preparation in repair systems with wet lay -up fiber reinforced polymers

Bonded repair of concrete structures with fiber reinforced polymer (FRP) systems is increasingly being accepted as a cost-efficient and structurally viable method of rapid rehabilitation of concrete structures. However, the relationships between long-term performance attributes, service-life, and details of the installation process are not easy to quantify. Accordingly, there is currently a lack of generally accepted construction specifications, making it difficult for the field engineer to certify the adequacy of the construction process. ^ The objective of the present study, as part of the National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) Project 10-59B, was to investigate the effect of surface preparation on the behavior of wet lay-up FRP repair systems and consequently develop rational thresholds that provide sufficient performance. ^ The research program was comprised of both experimental and analytical work for wet lay-up FRP applications. The experimental work included flexure testing of sixty-seven (67) reinforced concrete beams and bond testing of ten (10) reinforced concrete blocks. Four different parameters were studied: surface roughness, surface flatness, surface voids and bug holes, and surface cracks/cuts. The findings were analyzed from various aspects and compared with the data available in the literature. As part of the analytical work, finite element models of the flexural specimens with surface flaws were developed using ANSYS. The purpose of this part was to extend the parametric study on the effects of concrete surface flaws and verify the experimental results based on nonlinear finite element analysis. ^ Test results showed that surface roughness does not appear to have a significant influence on the overall performance of the wet lay-up FRP systems with or without adequate anchorage, and whether failure was by debonding or rupture of FRP. Both experimental and analytical results for surface flatness proved that peaks on concrete surface, in the range studied, do not have a significant effect on the performance of wet lay-up FRP systems. However, valleys of particular size could reduce the strength of wet lay-up FRP systems. Test results regarding surface voids and surface cracks/cuts revealed that previously suggested thresholds for these flaws appear to be conservative, as also confirmed by analytical study. ^

Dynamic Behavior and Fatigue Life of Highway Bridges Due to Doubling Heavy Vehicles

An increase in the demand for the freight shipping in the United States has been predicted for the near future and Longer Combination Vehicles (LCVs), which can carry more loads in each trip, seem like a good solution for the problem. Currently, utilizing LCVs is not permitted in most states of the US and little research has been conducted on the effects of these heavy vehicles on the roads and bridges. In this research, efforts are made to study these effects by comparing the dynamic and fatigue effects of LCVs with more common trucks. Ten Steel and prestressed concrete bridges with span lengths ranging from 30’ to 140’ are designed and modeled using the grid system in MATLAB. Additionally, three more real bridges including two single span simply supported steel bridges and a three span continuous steel bridge are modeled using the same MATLAB code. The equations of motion of three LCVs as well as eight other trucks are derived and these vehicles are subjected to different road surface conditions and bumps on the roads and the designed and real bridges. By forming the bridge equations of motion using the mass, stiffness and damping matrices and considering the interaction between the truck and the bridge, the differential equations are solved using the ODE solver in MATLAB and the results of the forces in tires as well as the deflections and moments in the bridge members are obtained. The results of this study show that for most of the bridges, LCVs result in the smallest values of Dynamic Amplification Factor (DAF) whereas the Single Unit Trucks cause the highest values of DAF when traveling on the bridges. Also in most cases, the values of DAF are observed to be smaller than the 33% threshold suggested by the design code. Additionally, fatigue analysis of the bridges in this study confirms that by replacing the current truck traffic with higher capacity LCVs, in most cases, the remaining fatigue life of the bridge is only slightly decreased which means that taking advantage of these larger vehicles can be a viable option for decision makers.