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EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA TRANSMISIÓN DE CARGAS ENTRE FORJADOS Y PUNTALES Isabel GASCH MOLINA Ingeniero de Organización Industrial ICITECH/Universidad Politécnica de Valencia Profesor Ayudante [email protected]

Yezid A ALVARADO VARGAS Dr. Ingeniero Civil ICITECH/Universidad Politécnica de Valencia Investigador [email protected]

Nombre Pedro A CALDERÓN GARCÍA Dr. Ingeniero de Caminos Canales y Puertos ICITECH/Universidad Politécnica de Valencia Profesor Titular de Universidad

Benjamín TORRES GORRIZ Ingeniero de Caminos Canales y Puertos ICITECH/Universidad Politécnica de Valencia Investigador

[email protected]

[email protected]

RESUMEN El presente artículo analiza la influencia que tienen los cambios de temperatura en la transmisión de cargas entre forjados y puntales durante la construcción de forjados de hormigón in situ. Para ello se han llevado a cabo diversos estudios experimentales en los que se ha medido tanto la evolución de las temperaturas en el espesor del forjado como las cargas en puntales. Con la ayuda de los resultados de estos estudios se ha desarrollado un Modelo de Elementos Finitos (FEM) de uno de los edificios monitorizados. Tanto en el FEM como en los estudios experimentales se observa un mismo comportamiento frente a cambios de temperatura. Este comportamiento consiste en que para un aumento de temperatura se presenta una descarga en puntales así como una disminución de la flecha del forjado; y para un descenso de temperatura se produce un aumento de la carga de los puntales y un aumento de la flecha del forjado. PALABRAS CLAVE: Transmisión de cargas, clareado, encofrado, edificios de forjados consecutivos, hormigón, puntales, temperatura, elementos finitos. 1. Introducción En la mayor parte de las obras de edificación que emplean forjados de hormigón in situ, estos se construyen mediante cimbrado y descimbrado de plantas sucesivas. En este tipo de obras, la mejora de los plazos de construcción y la reducción de los costes se basan en gran medida en recuperar, lo más pronto posible, la totalidad o una parte de los componentes utilizados en el proceso de construcción. El plazo de descimbrado depende de muchos factores, especialmente del sistema y del proceso de construcción que se utilice, de las características de la obra en sí (el tipo de hormigón y cargas) e incluso de la temperatura ambiental y la humedad durante la realización del trabajo. En cualquier caso, el factor económico está limitado por la seguridad de la estructura. Cabe señalar que un porcentaje significativo de los colapsos se producen durante el proceso constructivo [1-3]. Un efecto poco estudiado hasta la fecha es el que tienen los cambios de temperatura ambiente en la distribución de cargas entre forjados y puntales durante el proceso constructivo, pese a que Realizaciones: Edificación.

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algunos autores han registrado lo importante de su influencia. Rosowsky et al. [4] registraron la evolución de cargas en puntales durante los días posteriores al hormigonado, obteniendo fluctuaciones cíclicas diarias que atribuyeron a los cambios medioambientales que se produjeron en la obra. Además de estas fluctuaciones, también observaron un carácter decreciente de las cargas durante el proceso de curado del forjado. Fang et al. [5] midieron también las cargas en puntales durante el curado de la losa. Al igual que Rosowsky et al. [4], establecieron que la evolución de cargas en puntales está influenciada por las variaciones diarias de temperatura e igualmente detectaron que durante el curado del forjado se producía un descenso en las cargas. Posteriormente, Fang et al. [6] llevaron a cabo un estudio analítico para conocer la influencia de la temperatura (entre otras variables) en la redistribución de cargas de los forjados. De este estudio concluyeron que las variaciones de la temperatura ambiente provocan fluctuaciones de carga en el forjado, incrementando su carga máxima. En el presente artículo se analiza el efecto que tiene la temperatura en la distribución de cargas en puntales. Se emplea para ello los resultados de un edificio experimental estudiado por Alvarado et al. [7], construido mediante un proceso de cimbrado-clareado-descimbrado. En el experimento llevado a cabo por Alvarado [8], éste ya detectó la importancia que las variaciones de temperatura ambiente tenían sobre las cargas en los puntales durante el proceso constructivo. Estos cambios de temperatura afectan a los diferentes elementos de la estructura durante su construcción (forjados, pilares, puntales, tableros de encofrado y sopandas), afectando finalmente a la variación de carga en los puntales. Para determinar cuáles son las causas principales de las variaciones de carga se ha llevado a cabo una serie de observaciones en distintas obras, destinadas a estudiar los gradientes de temperatura que se producen en una losa de hormigón armado al variar la temperatura ambiente. Los resultados de estas observaciones se han empleado para determinar la influencia de los cambios de temperatura en la variación de carga en los puntales mediante el desarrollo de un modelo teórico de Elementos Finitos. Se ha empleado el modelo de Elementos Finitos desarrollado por Alvarado et al. [9] para modelar el edificio pero introduciendo las variaciones de temperatura que se produjeron en los distintos elementos de la estructura durante su construcción. Los resultados del modelo se han comparado con las mediciones de cargas en puntales del edificio experimental para verificar que reproduce correctamente las pautas de comportamiento. 2. Estudio experimental El estudio experimental ha incluido el edificio descrito por Alvarado et al. [7] y Alvarado [8], situado en Valencia (España) y otros dos edificios en los que se ha medido la evolución de temperaturas en el espesor de la sección del forjado. Uno de estos edificios está situado en Sabadell (España) y el otro está situado también en Valencia, a escasa distancia del edificio experimental. La Figura 1 muestra una vista de los edificios estudiados.

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(a)

(b)

(c)

Figura 1. Edificio (a) experimental, (b) Sabadell, (c) Valencia

2.1. Descripción del edificio experimental En la Universidad Politécnica de Valencia, dentro de las instalaciones del laboratorio de ICITECH, se construyó una estructura de un edificio a escala real con fines únicamente de investigación (véase Figura 1(a)). Dicho edificio está constituido por 3 plantas. En todas las plantas el forjado está formado por una losa de hormigón armado de 0,25 m de canto, siendo la altura entre plantas de 2,75 m. Los forjados se sostienen sobre cuatro pilares de sección rectangular, cuya separación es de 6,00 m, y tienen un voladizo de 1,80 m. El hormigón utilizado para la construcción de todos los elementos del edificio tiene una resistencia característica a compresión de 25 MPa. Para la construcción del edificio experimental se empleó un proceso constructivo de cimbrado, clareado, y descimbrado. Se instrumentó un total de 80 puntales. En cada uno de ellos, a una altura de 1,25 m. de la base del puntal, se colocaron 3 bandas extensométricas, dispuestas con un ángulo de 120º. La carga a la que estaban sometidos dichos puntales se calculó a partir del valor medio de la deformación de las tres bandas. Para poder medir el efecto de la temperatura ambiente sobre los puntales, las galgas extensométricas y el equipo de adquisición de datos, se colocaron tres puntales como referencia. Sobre estos puntales no se impuso ningún tipo de coacción en sus extremos, por lo que no formaron parte del sistema de cimbrado del edificio. Además, se instalaron 5 LVDTs entre cada uno de los forjados, con el fin de conocer las deformaciones provocadas por el proceso constructivo. Para poder determinar la evolución de la temperatura desde el vertido del hormigón, se instalaron 3 termopares embebidos en cada uno de los forjados. Estos termopares medían la temperatura en el centro de la sección de hormigón. Asimismo, se instalaron 2 termopares pegados a la superficie de 2 puntales y otros 2 termopares para medir la temperatura ambiente. Con el fin de poder tratar los datos recopilados por los sistemas de adquisición se utilizaron 2 ordenadores equipados con un software desarrollado por personal de ICITECH. Estos equipos se instalaron en un edificio auxiliar, ubicado junto al edificio.

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Puede encontrarse una descripción detallada del estudio experimental en Alvarado et al [7] y Alvarado [8]. 2.2. Descripción del edificio de Sabadell El edificio donde se llevó a cabo el estudio está situado en Sabadell, Barcelona (véase Figura 1(b)). Se trata de un edificio de 5 plantas y 2 sótanos destinado a viviendas. Todas las plantas tienen forjado reticular de casetón perdido de 0,32 m de canto (25+7), con un nervio de 0,15 m y casetón prefabricado de hormigón de 0,70 m. Los balcones se resuelven con losa maciza de hormigón de 0,20 m de canto. El hormigón utilizado para la construcción de todos los elementos del edificio tenía una resistencia característica a compresión de 25 MPa. Para poder determinar la variación de la temperatura en el forjado de hormigón y evaluar el gradiente térmico que se producía, se instrumentó un ábaco instalando termopares a diferentes profundidades. Un total de 5 termopares a una distancia de 0,05, 0,10, 0,175, 0,25 y 0,30 m. de la cara superior del forjado fueron embebidos durante el hormigonado del forjado (véase Figura 2).

Figura 2. Termopares y equipo de adquisición de datos

También se instrumentó la losa maciza correspondiente a uno de los balcones del edificio. En ella se instalaron 3 termopares, a 0,05, 0,10 y 0,15 m de profundidad. Así mismo, se tomaron medidas de la temperatura ambiente mediante un termopar libre. Para la lectura de las medidas, se utilizó una estación de medida (EDM), como la que se muestra en la Figura 3, compuesta por un módulo de red, un módulo de adquisición de datos al cual se conectaban los termopares, y un ordenador portátil equipado con un software desarrollado por personal de ICITECH. 2.3. Descripción del edificio de Valencia También se realizaron mediciones en la última fase de la Facultad de Bellas Artes (véase Figura 1(c)), situado dentro del recinto de la Universidad Politécnica de Valencia. El edificio consta de 6 plantas y un sótano. Todos los forjados son del tipo reticular de casetón recuperable de 0,40m de canto (35+5), nervio de 0,15 m y casetón de 0,80x0,80 m. El hormigón utilizado para la construcción de todos los elementos del edificio tenía una resistencia característica a compresión de 30 MPa. Se instrumentaron 2 nervios de dos forjados consecutivos (Forjado 1 y Forjado 2) para poder estudiar el gradiente térmico que se produce en el forjado de hormigón. En cada uno de estos nervios, se embebieron 4 termopares a 0,05, 0,10, 0,20 y 0,30 m de profundidad. Así mismo, se tomaron medidas de la temperatura ambiente mediante un termopar libre. Realizaciones: Edificación.

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Para la lectura de las medidas, se utilizó el mismo equipo utilizado para el edificio de Sabadell (véase Figura 2). 3. Resumen de las mediciones experimentales 3.1. Edificio experimental

40.00

40.00

35.00

35.00

30.00

30.00

25.00

Hormigón 1 Hormigón 2

20.00

Hormigón 3 Hormigón 4

15.00

Puntales

Temperatura (oc)

Temperatura (oc)

En las Figuras 3(a) y 3(b), se muestra la temperatura del hormigón registrada por los distintos termopares para los forjados 1 y 2, así como la temperatura de los puntales y la ambiente. Se observa que la temperatura de los puntales es prácticamente coincidente con la temperatura ambiente. Sin embargo, la temperatura de la losa de hormigón sigue la misma tendencia que la ambiente, pero con un cierto decalaje en el tiempo y sin llegar a alcanzar las máximas de ambiente.

25.00

Hormigón 1

20.00

Hormigón 2 Hormigón 3

15.00

Puntales Ambiente

Ambiente 10.00

10.00

5.00

5.00

0.00

0.00

Tiempo

Tiempo

(a)

(b)

Figura 3. Evolución de las temperaturas (a) Forjado 1 (b) Forjado 2

Las figuras 4 y 5 muestran la variación del coeficiente de carga en los puntales de los forjados 1º y 2º durante la construcción. El coeficiente de carga (Cp) consiste en la ratio entre la carga media por unidad de superficie del conjunto de puntales y el peso propio del forjado. Del análisis de estas figuras, se puede determinar que la carga media (Qmed) de todos los puntales instalados bajo los forjados disminuía al aumentar la temperatura y aumentaba al bajar ésta. Se entiende como carga media sobre los puntales (kN/m2) la que se obtiene como la suma de la carga total de los puntales instrumentados dividida entre el área de influencia total de dichos puntales. 1.2 27.00

0.4

0.2

0

15.00 13.00

9.00 7.00 5.00

Temperatura ambiente

Figura 4. Coeficiente de carga media en puntales del forjado 1

Realizaciones: Edificación.

17.00

11.00

Tiempo (Días) Coeficiente de carga en puntales F1

19.00

Temperatura (ºC)

Clareado forjado 2

21.00

Hormigonado forjado 2

0.6

23.00 Clareado forjado 1

Cp

0.8

25.00 Hormigonado forjado 1

1

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24.00

Clareado forjado 2

0.8 0.6 0.4 0.2 0

20.00 18.00 16.00 14.00 12.00

Hormigonado forjado 2

Cp

1

22.00

Temperatura (ºC)

Descimbrado forjado 1

1.4 1.2

Hormigonado forjado 3

1.6

10.00 8.00 6.00 4.00

Tiempo (Días) Coeficiente de carga en puntales F2

Temperatura ambiente

Figura 5. Coeficiente de carga media en puntales del forjado 2

Este mismo comportamiento se puede deducir de las mediciones obtenidas por los LVDTs. En la Figura 6 se observa la variación de la flecha del forjado 1 en función de los cambios de temperatura ambiente. La pauta de comportamiento de dicha variación, se corresponde a un aumento en la flecha del forjado al descender la temperatura, y a un disminución de la flecha al aumentar la temperatura en las posiciones de los LVDTs 2, 3, 4 y 6. Este comportamiento resulta ser inverso para la posición del LVDT 5 debido a que se encuentra en el borde del voladizo.

25.00

20.00

15.00

1.00

10.00

0.00

5.00

-1.00

0.00

Temperatura (ºC)

Hormigonado del forjado 3

2.00

Descimbrado del forjado 1

3.00

Hormigonado del forjado 2

Deformación (mm)

4.00

30.00

Clareado del forjado 2

5.00

Tiempo LVTD 2

LVTD 3

LVTD 4

LVTD 5

LVTD 6

Temperatura

Figura 6. Deformaciones en el forjado 1

3.2. Edificio de Sabadell En la figuras 7(a) y 7(b) se muestran las mediciones de temperatura de uno de los días de monitorización para la losa de 0,20 m y el ábaco de 0,32 m, respectivamente. En ambos casos se observa que a primera hora de la mañana, cuando la menor temperatura es menor, la cara inferior de la losa tiene una mayor temperatura que la cara superior. Conforme va avanzando el día y va aumentando la temperatura, este fenómeno se invierte, quedando la cara superior de la losa más caliente que la inferior.

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23

23

22

22

21

21

20

20

19

19

Temperatura (oC)

Temperatura (oC)

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18 17 16 15

18 17 16 15

14

14

13

13

12

12

11

11 10

10 8:24

9:36

10:48

12:00

13:12

14:24

15:36

16:48

18:00

8:24

19:12

9:36

10:48

12:00

13:12

0.05 m

0.10 m

14:24

15:36

16:48

18:00

19:12

Tiempo

Tiempo Ambiente Air temperature

0.15 m

0.05 m

0.10 m

0.175 m

(a)

0.25 m

0.30 m

Ambiente Air temperature

(b)

Figura 7. Evolución de las temperaturas en la sección del forjado (a) losa 0,20 m (b) ábaco 0,32 m

Las variaciones de temperatura, máximas y mínimas, entre la cara superior e inferior de los forjados, varían en función de si estos estaban encofrados o ya habían sido desencofrados. Los valores de dichos gradientes pueden verse en la Tabla 1. Forjado encofrado

Forjado desencofrado

Incremento min

Incremento máx

Incremento min

Incremento máx

Losa 0,20 m

-0,35

1,49

-0,77

3,79

Ábaco 0,32 m

-1,21

2,77

-1,87

5,80

Tabla 1. Incrementos de temperatura (ºC), máximos y mínimos, entre la cara superior e inferior del forjado registrados en la obra de Sabadell

3.3. Edificio de Valencia El comportamiento del forjado, en cuanto a temperatura, es el mismo que en el caso del edificio de Sabadell, tal y como se observa en la figura 8. Durante la noche y a primera hora de la mañana, cuando la temperatura ambiente es menor, la parte inferior del forjado tiene una temperatura mayor que la parte superior. Este comportamiento se invierte conforme va aumentando la temperatura. 40 39 38 37 36 35

Temperatura (oC)

34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 07/07/2010 16:48

07/07/2010 21:36

08/07/2010 2:24

08/07/2010 7:12

08/07/2010 12:00

08/07/2010 16:48

Tiempo 0.05 m

0.10 m

0.20 m

0.30 m

Ambiente Air temperature

Figura 8. Evolución de las temperaturas en la sección del forjado

En la Tabla 2 se muestran las variaciones de temperatura entre la cara superior e inferior del forjado registradas en el edificio de Valencia. Dichas variaciones están en función de si el forjado Realizaciones: Edificación.

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está encofrado o desencofrado. También se produce variación dependiendo de si la insolación es directa o si por el contrario el forjado donde se están realizando las mediciones tiene un forjado superior que no permite la insolación directa. Forjado encofrado

Forjado desencofrado

Con insolación directa Sin insolación directa Incremento Incremento Incremento Incremento Incremento Incremento min máx min máx min máx -2,96 6,94 -3,86 9,56 -1,31 7,32 Tabla 2. Incrementos de temperatura (ºC), máximos y mínimos, entre la cara superior e inferior del forjado registrados en la obra de Valencia

4. Modelo de Elementos Finitos Basándose en el modelo de Elementos Finitos de Alvarado et al [9], se plantea un modelo que pretende simular el edificio experimental descrito en el Apartado 2.1, considerando los cambios de temperatura que se producen tanto en el ambiente, como en la losa, puntales y pilares. Para realizar dicho modelo se ha empleado el software comercial ANSYS 11.0. Se han considerado las características geométricas y mecánicas de cada uno de los elementos que intervienen en la construcción del edificio. Además, se ha tenido en cuenta el proceso constructivo seguido mediante un cálculo evolutivo. Para simular el proceso constructivo del edificio en el modelo de FE se considerará que las distintas condiciones de apoyo (puntales, sopandas y encofrado), las características mecánicas del hormigón, así como la temperatura de los distintos elementos, son cambiantes con el tiempo. ANSYS 11.0 permite realizar un cálculo evolutivo a través de diferentes pasos de carga, tal y como se explica en Alvarado et al [9]. Los pasos de carga seguidos en el modelo de FE se corresponden con las diferentes fases constructivas y las variaciones de temperatura máximas y mínimas que se produjeron entre dichas fases. 4.1. Temperaturas consideradas en los distintos elementos de la estructura En el caso de los puntales el incremento de temperatura considerado es igual al de la temperatura ambiente. Mientras que en los pilares, tal y como muestra Fang et al [6], la temperatura presenta un comportamiento similar a la temperatura ambiente, pero con incrementos menores y con un retraso en el tiempo. En los forjados, las variaciones de temperatura se han estimado a partir de las temperaturas medidas en el edificio experimental (véase Fig. 3(a) y 3(b)) y analizando los incrementos de temperatura, máximos y mínimos, entre la cara superior e inferior del forjado medidos en las obras de Sabadell y Valencia (véase Tablas 2 y 3). Se ha tenido en cuenta que la losa del edificio experimental era de 0,25 m de espesor y que la construcción de éste se llevó a cabo en invierno, mientras que los otros dos edificios se construyeron en primavera y verano. 4.2. Resultados del FEM y comparación con las mediciones del edificio experimental Analizando los resultados obtenidos con el modelo de elementos finitos, se observa que las pautas de comportamiento frente a los cambios de temperatura son las mismas que las medidas experimentalmente. Es decir, un aumento de temperatura produce un descenso de carga en los Realizaciones: Edificación.

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puntales mientras que una reducción en la temperatura produce un aumento de carga en los puntales. En las Figuras 9 y 10 se muestra una comparación de la evolución del incremento del coeficiente de carga en puntales medido experimentalmente y el obtenido con el método de elementos finitos para los forjados 1 y 2, respectivamente. Además dichas figuras muestran la evolución diaria de los máximos y mínimos de la temperatura ambiente registrada en la obra.

0.2

45

40

35

30 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34

25

-0.2

Temperatura (ºC)

Incremento de Cp

0.4

50

Clareado del forjado 2

0.6

Hormigonado del forjado 2

Clareado del forjado 1

0.8

20 -0.4 15

-0.6

10

-0.8

5

Paso de carga ΔCp,exp

ΔCp,FEM

Temperatura

Figura 9. Evolución del coeficiente de carga en puntales del forjado 1

0.20

35

30

25 0.00 18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

41

42

43 20

-0.20

15 -0.40

10

-0.60

-0.80

5

Pasos de Carga ΔCp,exp

ΔCp,FEM

Temperatura

Figura 10. Evolución del coeficiente de carga en puntales del forjado 2

Realizaciones: Edificación.

Temperatura (ºC)

Incremento de Cp

0.40

40

Hormigonado del forjado 3

0.60

Descimbrado del forjado 1

Clareado del forjado 2

0.80

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5. Conclusiones El presente artículo recoge los resultados de las medidas experimentales realizadas en tres edificios. En ellos se ha estudiado el efecto de la variación de temperaturas en las cargas sobre los puntales durante la construcción. Se ha medido tanto la evolución de la temperatura ambiente como las variaciones de temperatura que se producían a lo largo del espesor de los forjados. Como pauta general, se aprecia que por la noche y a primera hora de la mañana, cuando la temperatura ambiente es menor, la cara inferior del forjado tiene mayor temperatura que la superior. Conforme va aumentando la temperatura ambiente, este fenómeno se invierte, quedando la cara superior del forjado con una temperatura mayor que la cara inferior. Se aprecia asimismo que las variaciones de temperatura son distintas dependiendo de si el forjado se encuentra encofrado o no. Los resultados básicos de estas mediciones se han empleado junto con los resultados experimentales de las cargas en puntales y el modelo de Elementos Finitos del edificio construido en los laboratorios del ICITECH (ver Alvarado [8]) para estudiar la influencia de los cambios de temperatura en las cargas en puntales y forjados durante la construcción. Con ello se ha observado que tanto el modelo de FE como los resultados obtenidos experimentalmente, muestran las mismas pautas de comportamiento frente a cambios de temperatura. 6. Referencias [1]

KAMINETZKY D, STIVAROS P. “Early-age concrete: construction loads, behavior, and failures”, Concrete International, Vol. 16, No. 1, 1994, pp. 58-63.

[2]

KAMINETZKY D. Design and construction failures: Lessons from forensic investigations, MacGraw-Hill, New York, 1991.

[3]

EPAARACHCHI D, STEWART M, ROSOWSKY D., “Structural reliability of multistory buildings during construction”, Journal of Structural Engineering, Vol. 128, No. 2, 2002, pp. 205-213.

[4]

ROSOWSKY DV, PHILBRICK JR. TW, HUSTON DR, “Observations from shore load measurement during concrete construction”, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 11, No. 1, 1997, pp. 18-23.

[5]

FANG DP, ZHU HY, GENG CD, LIU XL., “On-site measurements of structural characteristics of reinforced concrete buildings during construction”, ACI Structural Journal, Vol. 98, No. 2, 2001, pp. 157-163.

[6]

FANG DP XI H, WANG X, ZHANG CH., “Influences of shrinkage, creep, and temperature on the load distributions in reinforced concrete buildings during construction”, Tsinghua Science And Technology, Vol. 14, No. 16, 2009, pp. 756-764.

[7]

ALVARADO YA, CALDERÓN PA, ADAM JM, PAYÁ IJ, PELLICER T, PALLARES FJ, MORAGUES JJ., “An experimental study into the evolution of loads on shores and slabs during construction of multistory buildings using partial striking”, Engineering Structures, Vol. 31, No. 9, 2009, pp. 2132-2140.

[8]

ALVARADO YA., Estudio experimental y numérico de la construcción de forjados hormigonados in situ mediante procesos de cimbrado, clareado y descimbrado de plantas consecutivas, PhD Thesis, Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, 2009.

[9]

ALVARADO YA, CALDERÓN PA, GASCH I, ADAM JM., “A numerical study into the evolution of loads on shores and slabs during construction of multistorey buildings. Comparison of partial striking with other techniques”, Engineering Structures, Vol. 32, No. 10, 2010, pp. 3093-3102.

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