Métodos de Diseño

7/13/2019 Mtodos de Diseo

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UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRIN INGENIERA CIVIL

1

INTRODUCCIN

Hoy en da en el Per el uso del concreto y por ende el concreto reforzado ha sido

utilizado en diferentes tipos de edificaciones, con esto tambin en el campo de la

ingeniera ha sido de mucho importancia el conocer su comportamiento estructural de

cada uno de los elementos de una construccin.

El concreto es una composicin de muchos materiales y aglomerantes, estudiarlos y

conocerlos ser de mucho nfasis en este traba!o, as como tambin conocer los

factores "ue influenciaran en la resistencia del concreto. Entendemos "ue el hablar de

resistencia, trataremos al concreto en su estado fresco y estado endurecido, dando a

conocer la forma correcta del colocado, mezclado y otros puntos de mucha importancia

en la resistencia del concreto.

En todos los casos "ue se mane!an en estructuras de concreto armado, para el dise#o

de los elementos se hace necesario determinar las reacciones e!ercidas sobre el

elemento, aplicando en algunos casos simples ecuaciones de e"uilibrio esttico y en

otros encontraremos "ue las incgnitas son ms "ue las ecuaciones "ue pudisemos

disponer.

Esto nos conlle$a a conocer propiedades y factores "ue influenciaran en el concreto

%rmado, el conocer la historia tambin ser importante ya "ue nos mostrara como fue la

in$encin de esta y como se traba!aba antes y "ue materiales utilizaban.

CONCRETO ARMADO I


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&

1. HISTORIA

CONCRETO

'(ontrariamente a la impresin "ue uno podra lle$arse al mirar el ambiente hecho por

el hombre en el siglo )), el concreto es un material de construccin relati$amente

reciente. *lo se ha con$ertido en un material de construccin establecido durante el

ltimo siglo. +(mo se desarroll el concreto, +-u factores alimentaron su

progreso, y +(ules fueron algunos de sus puntos cruciales' esde la alborada de la

historia, el hombre ha buscado materiales para pegar piedras y /adrillos en paredes y

fundaciones. /os asirios y babilonios utilizaron materiales bituminosos en sus muros0

los egipcios utilizaron morteros de cal y yeso en la construccin de la Pirmide de

eops y en otras estructuras. /os morteros romanos han tenido una muy buenareputacin debido a la durabilidad de sus estructuras. /os acueductos y el (oliseo lo

confirman. ichos morteros se hacan de cal mezclada con una roca $olcnica

llamada puzolana, hallada cerca del 2onte 3esubio. Esto formaba un material firme,

cementante, "ue endureca ba!o el agua. /os romanos no saban por "u el mortero de

puzolana era superior al de cal, pero desplegaron una gran habilidad en prepararlo y

utilizarlo. /a marcada duracin de estas estructuras se debe en parte a este mortero de

cal y slice y en parte al clima fa$orable en la zona.

ORIGENES DEL CEMENTO

El primer paso para llegar a los morteros de los tiempos modernos fue la manufactura y

uso de canales hidrulicas. urante la reconstruccin del faro de Eddystone en 1456,

7ohn *meaton 814&9 : 14;&< obser$ "ue el mortero de cal ordinaria no se endurecera

ba!o el agua, por lo "ue no sera lo suficientemente durable para resistir las olas y

descubri "ue el me!or mortero pro$ena de las calizas con el ms alto porcenta!e de

arcilla. *meaton tu$o as la primera nocin de los tiempos 2odernos acerca de los

elementos "ue incrementan la resistencia de los morteros de cal y le permiten

endurecerse ba!o el agua. En la historia de la ingeniera ci$il el faro de Eddystone es un

punto decisi$o, ya "ue ilumin el 'oscuridad' de cerca de &.=== a#os.

CONCRETO ARMADO I


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>

Es la base sobre la "ue se ha construido nuestro conocimiento de los morteros

hidrulicos.

El siguiente hombre en e?tender notablemente nuestro conocimiento de los morteros

fue el Eminente ingeniero francs 7. /. 3icat 814@6 : 1@61= la industria americana de cemento

natural estaba en su infancia, los constructores tenan "ue importar de Fnglaterra

cemento natural o el nue$o cemento portland.

EL NACIMIENTO DEL CEMENTO PORTLAND

El 15 de diciembre de 1@&9, 7oseph %spdin 8144; : 1@55


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9

pero gradualmente el cemento domstico desarroll la suya propia. %un"ue al comienzo

el principal uso del cemento era en morteros para pegar ladrillos y piedras en la

construccin de puentes, pilas, contrafuertes, fundaciones y muros, los ingenieros a

$eces usaban una En la ciudad de Aue$a CorD, Gbadiah ParDer construy una casa

renacentista griega de concreto en 1@>50 &1 a#os ms tarde, Horace Ireeley, editor

del 'AeJ CorD Kribune', construy un granero de concreto de tres pisos y medio en

(happa"ua,

Aue$a CorD. 2s tarde, con$ertido en una residencia, este granero ha sido utilizado

durante el ltimo siglo. %lgunas casas grandes de concreto construidas siguiendo el

e!emplo de Ireeley, an sobre$i$en en Aue$a CorD. Para lograr a$anzar en el

desarrollo de puentes de concreto, hubo "ue

Esperar el ad$enimiento del concreto reforzado. El episodio ms dramtico en losanales del concreto ocurri en el Gcano Fndico en 1@@=. Bn irlands, 7ohn enlon,

naufrag en las Fslas (rozet cuando un rayo incendi su $elero. (omo las islas estaban

muy le!os de las rutas transitadas y el rescate era improbable, enlon busc la forma de

construir una embarcacin -ue lo retornara a la ci$ilizacin. Entonces record una

casa de concreto en la "ue haba traba!ado cuando era un muchacho. espus de

algunos e?perimentos encontr ciertas rocas, las moli y las "uem para hacer

cemento.

(onstruy una chalupa de concreto de ;,@ m y na$eg en ella 1.6== millas 8&.545 Dm. Para poder realizar un con!unto de departamentos se emplean estructuras

especiales "ue permiten poder realizar el $aciado y construccin de manera

rpida. Kambin se le puede dar la forma "ue uno desea.9. Es durable a largo tiempo y no re"uiere de una gran in$ersin para su

mantenimiento. Kiene una $ida til e?tensa.5. Es resistente al efecto del agua una $ez est consolidado.6. En incendios de intensidad media, el concreto solo sufre da#os superficiales.

Qesistente al fuego.4. Para su colocacin y curado no re"uiere de mano calificada.@. /as estructuras poseen un carcter monoltico "ue le permite soportar cargas

ssmicas y de $iento.

2.2. Desventajas

% continuacin se mencionan 5 des$enta!as "ue muestra el (oncreto %rmado frente a

otros materialesU

1. Kiene poca resistencia a la traccin, apro?imadamente la dcima parte de suresistencia a la compresin. %un"ue el acero se coloca de modo "ue absorba

estos esfuerzos, la formacin de grietas es ine$itable.&. Qe"uiere de encofrado lo cual implica su habilitacin, $aciado, espera hasta "ue

el concreto alcance la resistencia re"uerida y desencofrado. (on el tiempo "ue

estas operaciones implican el costo del encofrado puede alcanzar entre un tercio

y dos tercios del costo total de la obra.

>. *u relacin resistencia a la compresin $ersus peso est muy por deba!o "ue la

correspondiente al acero, el cual es ms eficiente cuando se trata de cubrir

grandes luces. El concreto re"uiere mayores secciones y por ende el peso propio

es una carga muy importante en el dise#o.9. Qe"uiere de un permanente control de calidad, pues sta se $e afectada por las

operaciones de mezcla, colocacin, curado, etc.

CONCRETO ARMADO I


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;

5. Presenta deformaciones $ariables con el tiempo. Ya!o cargas sostenidas, las

defle?iones en los elementos se incrementan con el tiempo.

3. MTODOS DE DISEO:

% tra$s de los a#os se ha empleados di$ersos tipos de mtodos para el dise#o en

concreto armado, ellos sonU

ise#o plstico ise#o por capacidad ise#o elstico o por cargas de ser$icio ise#o Bnificado ise#o a la rotura o por resistencia ltima (DISEO POR RESISTENCIA)

3.1. DISEO PLSTICO

Es importante resaltar "ue el ise#o por Qesistencia no debe confundirse con el ise#o

Plstico. El ise#o Plstico 8/mite< permite determinar el factor de seguridad global de

una estructura, entendido como el cociente entre la carga de falla 8lmite< y la carga de

ser$icio.

El ise#o Plstico es simplemente un ise#o por Qesistencia en el cual se utiliza elanlisis plstico de estructuras en lugar de anlisis lineal L elstico. /a secuencia es la

siguienteU

a. *e realiza un anlisis plstico en el cual se in$estiga los posibles mecanismos

plsticos de la estructura o elemento estructural.b. *e selecciona el mecanismo plstico probable.c. e pro$een las resistencias utilizando el ise#o por Qesistencia de las

secciones.

d. *e detallan los refuerzos de las rotulas plsticas para "ue puedan desarrollaruna respuesta inelstica.

e. *e in$estigan los modos de falla no deseados 8por e!emplo cortante< mediante el

ise#o por (apacidad.

CONCRETO ARMADO I


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1

Bna de las aplicaciones ms importantes del ise#o Plstico en concreto armado, se

da en el dise#o de losas por el mtodo denominado de las /neas de Oluencia 8Cield

/ine %nalysis


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Mrp

Mn

M

Curvatura

Mrp

Vp


1

c. etallar la distribucin de los refuerzosU acero en traccin, acero en compresin,

ancla!es, empalmes, estribos de confinamiento, etc. Para obtener una respuesta

dctil en fle?in.d. eterminar la Qesistencia Probable 8en este caso 2pr< sobre la base de los

refuerzos realmente colocados. /a Qesistencia Probable puede serconsiderablemente mayor "ue la resistencia de dise#o 8 2n


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1

o ise#o por cargas admisibleso ise#o por tensiones de traba!o 8* orDing *tress esign.& del cdigo %(F:>1@:&==&.

*ecciones controladas por traccin =.;= *ecciones controladas por compresinUa< Elementos con refuerzo en espiral =.45b< Gtros elementos =.4=

(uando la deformacin en el acero a traccin a la resistencia nominal est

en los lmites entre la seccin controlada por traccin o por compresin, el factor se

puede aumentar linealmente entre el $alor de de la seccin controlada por

compresin hasta =.; cuando la deformacin unitaria por traccin tiene un lmite de

=.==5 8$er anlisis de columnas cortas sometidas a fle?o:compresin, diagramas de

interaccin


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Aire = 1 % a %

Ce!ent" = # % a 1$ %

Aua = 1$ % a && %

Area'"()* % a #$ %

A'itiv"( = *+1 % a *+& %


&

En estructuras "ue dependen de prticos especiales o denue$os estructurales para resistir sismos, los factores semodifican como sigueU

a< Para cual"uier elemento estructural "ue se dise#a resistirefectos de sismo, si su resistencia nominal al corte 3u es

menor "ue el corte necesario para desarrollar la resistencianominal a la fle?in, 3e, determinado para las cargas a?ialesamplificadas ms crticas, incluyendo los efectos de sismo. =.6

b< En diafragmas el factor de reduccin del corte no e?ceder elfactor mnimo de reduccin del corte usado para loscomponentes $erticales del sistema primario para resistircargas laterales.

c< Para corte en nudos o uniones o $igas de cone?in =.@5

Para concreto simple estructural, sin armar, para todos losrefuerzosU fle?in, compresin, fuerza cortante o

aplastamiento. =.65

9. MATERIALES:

El concreto est formado por los siguientes materialesU

cemento+agua+agregado( fino y grueso)+aire+aditivos=concreto

e ello podemos decir "ue el concreto es un hibrido y sus propiedades finales

dependern del estado y propiedades de sus componentes.

+.1. Ce,ent!:

El cemento es el ingrediente acti$o "ue inter$iene en menor cantidad, sin embargo es

el "ue define las tendencias del comportamiento. /a mayora de beneficios "ue

obtenemos del concreto pro$ienen del cemento y la mayora de problemas tambin.

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&

El cemento portland, es el producto resultante de la pul$erizacin muy fina de (linDer, el

cual se obtiene de la calcinacin de materiales calcreos y arcillosos. %l (linDer no se

le agrega ningn producto despus de calcinado, con e?cepcin de agua y yeso,

pudiendo estar este ltimo, a su $ez calcinado o no.

C,,&''!"%

/uego del proceso de formacin del (linDer y molienda final, se obtiene los siguientes

compuestos, los cuales definen el comportamiento del cemento hidratadoU

- *ilicato KriclcicoU (3CaO)SiO2C3 S : %lita

efine la resistencia inicial 8en la primera semana< y tiene mucha importancia

en el calor de hidratacin.

- *ilicato iclcicoU (2CaO )SiO2C2S L Yelitaefine la resistencia a largo plazo y tiene incidencia menor en el calor de

hidratacin.

- %luminio KriclcicoU (3CaO) Al 2O 3C3 A

%isladamente no tiene trascendencia en la resistencia, pero con los silicatos

condicionales el fraguado $iolento actuando como catalizador, por lo "ue es

necesario a#adir yeso en el proceso 8>:6< para controlarlo.

- %luminio Oerrito KetraclcicoU (4CaO ) Al 2O3C4 AF L (elita

Kiene trascendencia en la $elocidad de hidratacin y secundariamente en el

calor de hidratacin.

- G?ido de 2agnesio 8 MgO


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&

/os tipos de cemento portland "ue podemos calificar de estndar ya "ue su fabricacin

esta normada por re"uisitos especficosU

Kipo FU e uso general, donde no se re"uieren propiedades especiales 8Para

$i$iendas


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&

Qesistencia a la compresin 8%*K2 ( 1=;:5@


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&

&. Proporcionar una masa de partculas capaz de resistir las acciones mecnicas,

de desgaste, o de intemperismo, "ue puedan actuar sobre el concreto.>. Qeducir los cambios de $olumen resultantes de los procesos de fraguado y

endurecimiento0 de humedecimiento y secado0 o de calentamiento de la pasta.

A$*#, 8'",%

*e les llama arenas 8agregado fino< al con!unto de partculas o granos de rocas,

reducidas por fenmenos mecnicos o "umicos naturales acumulados por los ros y

corrientes acuferas en estados L alu$iales y mdano o "ue se forman in situ por

descomposicin0 y al con!unto de piedras producidas por accin mecnica artificiales.

/as primeras son arenas naturales y las segundas las arenas artificiales.

C*&'8'*'!" *"/,'*

/a siguiente clasificacin es una propuesta de la (omisin de Aormalizacin de la

*ociedad de Fngenieros del PerU

- %rena flor de roca =.==5 a =.=5 mm- %rena fina =.5 a =.5 mm- %rena media =.5 a & mm- %rena gruesa &.= a 5.=5 mm

P,'$#*#$& 8:&'*&

Oorma y tama#oU el agregado fino debe consistir en una mezcla de granos duros,

compactos y de diferentes tama#os. *i los granos fueran de la misma dimensiones,

apro?imadamente, son preferibles los redondeados a los de forma alargada, por"ue

a"uellos a igualdad de tama#o producen mezcla ms compactas, conteniendo menos

$acos "ue los de forma alargada.

PesoU el peso especfico de la arena $ara segn su composicin mineralgica entre &.5

a &.@. En la prctica se usan las siguientes cifras como pesos unitarios de las arenasU

- %rena secas de 19== a 14== gm>- %renas hmedas de 14== a 1;== gm>

C,,&''!" /:'*%es $enta!osa la presencia en el agregado fino de una

proporcin apreciable de partculas minerales densas, e inalterables a la accin

de los agentes atmosfricos. Estos materiales no debern ser fcilmente rayados

CONCRETO ARMADO I


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&

con un corta plumas. %dicionalmente el ni$el de lcali o slice no deber ser

mayor a lo permitido. G*"/,$:*

*e recomienda la siguiente granulometra para los agregados finos "ue sern

empleados en la mezcla del concretoU

2alla "ue pasa>@T 1==Aj 9 ;5 L 1==Aj @ @= L 1==Aj 16 5= L @5Aj >= &5 L 6=Aj 5= 1= L >=Aj 1== & L 1=

Para el mdulo de finesa se deber de mantener un $alor entre &.>5 y >.150 caso

contrario el agregado no cumpla con dichos $alores se demostrara "ue no alterara el

resultado final del concreto.

A$*#, /$&,%

*e define como agregado grueso al material retenido en el tamiz Aj 9. Esta constituido

de gra$a natural o triturada, piedra partida o agregados metlicos naturales oartificiales. El agregado grueso "ue se emplea para la preparacin del concreto puede

ser artificial 8proceso de chancado< o natural 8de canteras


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&

*e debe de recordar "ue el agregado grueso y fino deber estar separado antes del

proceso de mezclado, y en climas e?tremos se deber de considerar su proteccin.

I"$$*'!" #$ *$*#, < ,"$,

/as propiedades del concreto resultante del empleo de un agregado determinado

depende deU

a. /a composicin mineral de las partculas de agregado, la cual influye

fundamentalmente sobre la resistencia, durabilidad y elasticidad del concreto.b. /as caractersticas superficiales de las partculas, las cuales influyen

especialmente sobre la traba!abilidad, fluidez y consistencia del concreto0 as

como sobre la adherencia entre la pasta y el agregado.c. /a granulometra de los agregados, definida por s mismo, as como por la

superficie especfica, mdulo de fineza, y tama#o m?imo del agregado grueso.

Estas propiedades influyen fundamentalmente sobre las propiedades del

concreto al estado no endurecido, sobre su densidad y sobre la economa de la

mezcla.d. El $olumen de agregado por unidad de $olumen del concreto, el cual influye

especialmente en los cambios de $olumen debidos a los procesos de

calentamiento y enfriamiento0 as como en el costo de la unidad cubica de

concreto.e. /a porosidad y absorcin del agregado, las cuales influyen sobre la relacin agua

L cemento efecti$o, as como sobre las propiedades del concreto al estado no

endurecido.

+.+. A%itiv!s:

/os aditi$os del concreto son productos capaces de disol$erse en agua, "ue se

adicionan durante el mezclado en porcenta!es no mayores del 5 de la masa de

cemento, con el propsito de producir una modificacin en el comportamiento dekconcreto en su estado fresco yo en condiciones de traba!o. Esta definicin e?cluye, por

e!emplo, a las fibras metlicas, las puzolanas y otros. En la actualidad los aditi$os

permiten la produccin de concretos con caractersticas diferentes a los tradicionales,

han dado un creciente impulso a la construccin y se consideran como un nue$o

ingrediente, con!untamente con el cemento, el agua y los agregados.

CONCRETO ARMADO I


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&

U&,

/os aditi$os utilizados como componentes del concreto se a#aden durante el mezclado

a fin deU

1. modificar una o algunas de sus propiedades "ue sean ms adecuados al traba!o

"ue se est efectuando.&. Oacilitar la colocacin del concreto.>. Qeducir los costos de operacin.

R*=,"$& #$ /&, $" $ $&*#, 8$&,%o Qeducir la cantidad de agua de la mezcla.o Fncremento de la traba!abilidad sin la modificacin del agua o reduccin del

agua sin la modificacin de la traba!abilidad.o

Fncremento o reduccin del */B2P.o %celeracin o retardo del tiempo de fraguado.o 2odificacin de la $elocidad yo magnitud de e?udacino Qeduccin o pre$encin de la segregacin.o 2e!ora en la facilidad de colocacin yo bombeo de las mezclas.R*=,"$& #$ /&, $" $ $&*#, $"#/$'#,%o Qetardo en el desarrollo del calor de hidratacin o reduccin de su magnitud.o %celeracin en la $elocidad de desarrollo de la resistencia inicial yo final y el

incremento de la misma.o isminucin de la permeabilidad del concreto.o

(ontrol de la e?pansin debida a la reaccin lcali:agregados.o (ontrol de la corrosin de los elementos metlicos embebidos en el concreto.o Fncremento en las resistencias de impacto yo abrasin.o Fncremento de la durabilidad.

C*&'8'*'!" $"$* #$ ,& *#'',&

Kipo escripcin

% Qeductor de agua

Y Qetardadores de fragua

( %celerantes

Qeductores de agua y retardadores de

fragua

E Qeductores de agua y %celerantes

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>

O *uper reductores de agua

I *uper reductores de agua y %celerantes

%*K2(&6=

Fncorporadores de aire

%*K2

(61@%diti$os minerales 8Puzolana y cenizas= $eces espesor.

Te!peratura T,pi-a( V( .u!e'a' Re/ativa 0ue Pue'en Pr"'u-irFiura-in

24 27 29 32 35 38 410

20

40

60

80

100

Te!peratura

.u!e'a' Re/ativa

II. /?, , 8/$"'*- eformacin sin incremento de carga

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>

- ependiente del tiempo- Proporcional a la deformacin elstica

III. E8$,& ',&- Fnternos

*istema adiabticoU no entra ni sale calorEl concreto puede desarrollar en un periodo de &9 y 4& horas una

temperatura pico proporcional a la cantidad y tipo de cemento ms la

temperatura de colocacin.

Kipo de

cemento

Fncremento promedio de

temperaturabolsa de cemento en un

ciclo de &9 a 4& horas en un sistema

adiabtico

Kipo F 6.= j(Kipo FF 5.@ j(Kipo 3 5.9 j(

Kipo FP2 5.5 j(Kipo FP 5.= j(

- E?ternos2a#anaU alto ni$el de calorKardeU mediano ni$el de calorAocheU ba!o ni$el de calor

IV. A$&''#*# /:'* '"$"* >@, $$"*- Qeacti$idad lcali:*lice- *ulfatos, cloruro- (orrosin

Patrones de fisura miento tpicos

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>

%, Y, (U %sentamiento plstico

, E, OU (ontraccin plstica por secado

I, HU efectos trmicos internos o e?ternos

FU (ontraccin por secado diferida

7, U %grietamiento

/, 2U (orrosinAU Qeaccin lcali:*lice

C,", *;',& ,/',& , ,"*'!"

7untas de contraccin &9 a >= $eces espesor Planificar proceso constructi$o y curado 2enor contenido cemento (urado eficiente y oportuno en fase plstica

/ibertad de deformacin

C,", *;',& ,/',& , $$*/*

7untas de dilatacin Planificar proceso constructi$o (ontrolar temperatura en el concreto 2onitoreo permanente

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>

C,", *;',& ,/',& , *$&''#*# /:'*

2aterial calificado Qelacin %( ba!a %diti$os minerales

2onitoreo condicional de ser$icio

Qetraccin de un elemento de concreto simple.

Olu!o plstico 8(reep< en un elemento de concreto simple en compresin.

/?, B&', (C$$)%

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El creep se define como una deformacin inelstica del concreto ba!o esfuerzos

sostenidos. Gcurre adicionalmente a las deformaciones elsticas producidas por los

esfuerzos aplicados y se manifiesta como un aumento continuo de las deformaciones

ba!o carga sostenida. Gcurre nicamente cuando el elemento del concreto est

sometido a esfuerzos de compresin o de traccin 8en este caso cuando el elemento no

se encuentra fisurado

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