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D E S I G N
I N V E S T I G A
T E
R E H A B I L I T A T
E
Evaluación, Reparación yRehabilitación de Estructuras deConcreto
Gustavo Tumialan
Simpson Gumpertz & Heger, Inc.
Boston, Massachusetts
www.sgh.com
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INTRODUCCION
� Reparación de Concreto: – Ciencia (análisis) + arte (creatividad)
– La combinación de los dos resulta en una estrategia de
rehabilitación exitosa� El costo anual de reparación de edificios y parqueos en
los Estados Unidos es estimado en $2.5 a $3 billones – Fuente: “Vision 2020: A Vision for the Concrete Repair,
Protection, and Strengthening Industry”
� Métodos de evaluación, rehabilitación y reparaciónvarían ampliamente
– Comité 562 del ACI – “Evaluation, Repair, and Rehabilitation of Concrete Buildings” (2006)
– Norma que defina los estándares
© 2009 Simpson Gumpertz & Heger Inc 2
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� Objetivo: desarrollar una norma para la evaluación,reparación y rehabilitación de edificaciones de concreto – Definir los estándares de la industria
– Elevar el nivel de la performance de las reparaciones estructurales:
procedimientos para la evaluación y diseño, selección de materiales,inspecciones
� “Building Code Requirements for Repair of Existing Structural
Concrete”
– Ingenieros, contratistas, fabricantes, investigadores – Listo para el 2012
Trabajo del Comité ACI 562
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� Proyectos de Reparación y Rehabilitación: no se intenta crear una nueva edificación – Lograr que la estructura sea segura, equivalente al de un sistema
estructural nuevo
– Extender la vida útil de la estructura
� Norma prescriptiva no es practica – Difícil que una estructura existente cumpla con normas actuales
– Muchas permutaciones entre materiales nuevos y existentes
� Norma ACI 562: basada en performance – Dar flexibilidad pero asegurando la seguridad de la estructura
– Reconocer la posibilidad de muchas soluciones para un problema
– No limitar la creatividad en el diseño e implementación de lasreparaciones
– La norma enfatizara seguridad mientras que los comentarios citaran otrosdocumentos del ACI, ICRI y otras organizaciones para dar guías ydetalles
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Trabajo del Comité ACI 562
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� Modificación estructural – Reforzamiento para nuevas cargas muertas o vivas
– Reconfiguración estructural: adiciones, escaleras, ascensores
� Deterioro estructural – Refuerzo: corrosión
– Concreto: reacción alkali-silice (ASR), ciclos de congelamiento-
descongelamiento
� Daño estructural
– Físico: impacto vehicular
– Incendios
� Deficiencia estructural
– Errores de construcción
– Errores de diseño
Cuando se requiere rehabilitación o reparación?
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1. Observar y analizar la estructura – Determinar la condición existente
• Trabajo de campo• Ensayos de campo y laboratorio
– Análisis estructural
2. Diagnosticar problemas en la estructura – Encontrar la causa
3. Establecer el tipo y grado de intervención estructural – Flexión, corte, punzonamiento, etc. – Rehabilitación local o global
4. Implementar las acciones para rehabilitar/reparar – Tratar la causa, no solo los síntomas
5. Establecer un programa de mantenimiento – Dependiente del tipo de estructura – Evitar problemas en el futuro
Reparación y Rehabilitación Estructural
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Estructura = “Paciente” de concreto, acero, albañilería o madera
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INVESTIGACION ESTRUCTURAL
� Investigación inicial
� Evaluación de las condiciones existentes
� Revisión estructural
� Diagnostico del problema
� Estrategia para la rehabilitación
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Investigación Inicial
� Revisar información disponible – Planos y especificaciones de la construcción original
– Fotografías
– Reportes pasados
– Proyectos pasados: reparaciones, adiciones
– Historia de mantenimiento
�
Entrevistar personas que conozcan la estructura – Dueños
– Arquitectos o Ingenieros que la diseñaron
– Personal de mantenimiento
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Evaluación de las Condiciones Existentes
�
Observaciones visuales – Que esta tratando de decir la estructura
– Signos de deterioro estructural: grietas, delaminación,desconchamientos, deflexiones o deformaciones excesivas
– Verificar información incluida en planos originales
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Asentamiento
Deficiencia
Temperatura
Grietas
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Deflexión
Delaminación
Desconchamiento
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Evaluación de las Condiciones Existentes
�
Observaciones visuales – Que esta tratando de decir la estructura
– Signos de deterioro estructural: grietas, delaminación,desconchamientos, deflexiones o deformaciones excesivas
– Verificar información incluida en planos originales� Exploración
– Determinar condiciones no ocultas o no visibles
– Obtención de muestras
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Losa Postensada
Losa de Acabado
Extracción de Muestras
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Evaluación de las Condiciones Existentes
�
Observaciones visuales – Que nos esta tratando de decir la estructura
– Signos de deterioro estructural: grietas, delaminación,desconchamientos, deflexiones o deformaciones excesivas
– Verificar información incluida en planos originales� Exploración
– Determinar condiciones no ocultas o no visibles
– Obtención de muestras
� Ensayos en el campo – No destructivos
– Pruebas de carga
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Ensayos no destructivos
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Complejidad Ensayo Respuesta buscada
Simple Visual Cual es la apariencia?
Sondeo Es el concreto delaminado? (superficialmente)
Esclerómetro Cual es la calidad y resistencia del concreto?
(idea general)
Moderado Pacómetro Donde están la varillas?
De que tamaño son?
Potencial de media celda Esta el refuerzo corroyéndose? Donde?
Complejo Velocidad de Pulso
Ultrasónico
Cual es la resistencia del concreto?
Hay cangrejeras? Hay Grietas internas?
Indice de Corrosión Que tan rápido se esta corroyendo el refuerzo?
Prueba de Impacto-Eco
Prueba de Impulso a la Onda
Cual es el espesor?
Son buenos los apoyos?
Radar de Penetración
Terrestre (GPR)
Donde están las varillas?
Que hay dentro del concreto?
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Ensayos no destructivos
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Impacto-Eco Impulso a la Onda
Indice deCorrosión
Postensado
ParteInferior Losa
ParteSuperior
Losa
Radar
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Pruebas de Carga
0
4
8
12
16
20
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Deflection [in]
L o a d [ k i p ]
1.0 DW+1.6 L
1.2 D+1.6 L
1.15 D+1.5 L
ACI 318
ACI 437
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Evaluación de las Condiciones Existentes
�
Observaciones visuales – Que esta tratando de decir la estructura
– Signos de deterioro estructural: grietas, delaminación,desconchamientos, deflexiones o deformaciones excesivas
– Verificar información incluida en planos originales� Exploración
– Determinar condiciones ocultas o no visibles
– Obtención de muestras
� Ensayos en el campo – No destructivos
– Pruebas de carga
� Ensayos en el laboratorio – Contenido de Cloruro
– Profundidad de Carbonatación
– Petrografía
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Ensayos de Laboratorio
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1.25 lb/yd3
C a r b o
n a t a c i ó n
Cloruro dentro del concreto destruye lacapa “pasiva” de protección del refuerzo
Carbonatación reduce el ambientealcalino alrededor del refuerzo
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Petrografía
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Agrietamiento
Efecto de
Retemplado
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Revision Estructural
� Objetivo: identificar problemas estructurales
� Análisis estructurales considerando: – Como la estructura fue en realidad construida
– Condición actual
– Propiedades reales de los materiales
� Pruebas de carga
– Complementar análisis estructural – Validar modelos estructurales
– Verificar la efectividad del reforzamiento
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Diagnostico del Problema y Estrategia de Rehabilitación
� Evaluación de Alternativas – Ventajas y Desventajas
– Costos iniciales vs. costos a largo plazo
�
Preparación de Documentos – Reportes
– Planos y Especificaciones
� Calendario para la implementación de las reparaciones
– Fondos disponibles, tamaño de la estructura – Fases: una, varias
� Programa de mantenimiento – Inspecciones periódicas
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Métodos de Reforzamiento Estructural
� Flexión
– Ensanchamiento de sección
– Post-tensado externo
– Reducción de la luz
– Apoyos suplementarios
– Sistemas FRP: laminados o varillas
� Corte
– Ensanchamiento de sección
– Refuerzo externo (acero, FRP)
� Punzonamiento – Capiteles nuevos de concreto o acero
� Carga Axial
– Encamisamiento de columnas con concreto, planchas de acero o FRP
� Cargas Laterales
– Reforzamiento de placas existentes
– Construcción de placas nuevas
– Arriostramiento de pórticos
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Flexión
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Vigas Suplementarias
Apoyos Intermedios
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Flexión
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Planchas de Acero
FRP
Ensanchamiento
Post-tensado Externo
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Corte
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FRPEnsanchamiento
Estribos Externos
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Columnas
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Ensanchamiento
FRP
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Punzonamiento
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Acero
Concreto
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Protección contra la corrosión
Reducir o detener deterioro yextender la vida útil de laestructura reparada
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Photo Credits: Vector Corrosion Technologies
� Protección Interna – Capas de antioxidante en
el refuerzo
– Inhibidores de corrosión
– Protección catódica
– Protección galvánica
– Extracción de cloruros
– Re-alcalinización
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Protección contra la corrosión
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� Protección Externa – Selladores
– Membranas impermeabilizantes
– Recubrimientos de anti-carbonatación
Photo Credit: Portland Cement Association
M t d l R ió
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Muestras de la Reparación
� Reparaciones estructurales tienen riesgos debido acomplejidad y desconocimiento
� Muestras de la reparación son cruciales para evaluar
cuestiones especiales relacionadas a la rehabilitación/reparación – Capacidad del contratista
– Constructabilidad
– Aspecto
– Costo
– Interrupciones
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ESTUDIO DE CASOS
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ESTUDIO DE CASOS
� Edificio de Parqueo
� Estadio de Futbol
� Muro de Contención
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EDIFICIO DE PARQUEO – KANSAS CITY
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� Dos parqueos para complejosde departamentos
� Parqueo en 4 niveles,construido en 1999
� Losas post-tensadas en dosdirecciones (15 cm)
ió i i i
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Evaluación de las Condiciones Existentes
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� Inspección de todos los elementos estructurales – Losas (partes superiores e inferiores)
– Columnas
�
Determinar la ubicación real del refuerzo y el espesor real de las losas usando ground penetrating radar –
GPR
� Medir las deflexiones en las losas
� Extracción de cilindros de concreto para ensayos delaboratorio
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Delaminación
GrietasGrietas
Grietas
R i ió E t t l
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Revisión Estructural
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� Análisis estructural considerando las condiciones existentes:
� Ubicación del refuerzo
� Espesor de losa
Resultados de la Investigación y Diagnostico
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Resultados de la Investigación y Diagnostico
� Profundidad de los tendones mayor que la especificadaen las áreas de momento negativo – 3 cm (especificado) vs 8 cm (construido)
� Capacidad a la flexión significativamente reducida en
muchas áreas de momento negativo y algunas demomento positivo – 70% de las áreas de momento negativo requerían reforzamiento
para satisfacer las demandas de carga
� Resistencia al corte por punzonamiento reducida enmuchas áreas – Areas en columnas interiores e exteriores
�
Petrografía: agrietamiento hasta 8 cm de profundidad� Contenido de cloruro: aceptable
� Problema Estructural
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Estrategia de Reparación y Rehabilitación
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Estrategia de Reparación y Rehabilitación
� Reforzamiento por flexión de áreas de momento negativo – Sistemas FRP
– Capiteles de concreto
� Reforzamiento al corte por punzonamiento – Capiteles de concreto
– Sistemas FRP (solo hasta deficiencias de 30%)
– Nuevas vigas para las rampas
� Pruebas de carga para verificar que el reforzamientofunciona – Capiteles vs. FRP (efectividad, costo)
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Pruebas de Carga
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Pruebas de Carga
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4to. Nivel
3er. Nivel
2do. Nivel
1er. Nivel
Instrumentación
Losa Ensayada
Nivel usado comocontrapeso
Nivel usado comocontrapeso
Método del ACI 437
Pruebas de Carga
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0
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8
12
16
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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
Deflection [in]
L o a d [ k i p ]
1.0 DW+1.6 L
1.2 D+1.6 L
1.15 D+1.5 L
0
4
8
12
16
20
0 0.007 0.014 0.021 0.028 0.035
Crack Opening [in]
L
o a d [ k i p ]
Crack Opened
1.0 DW+1.6 L
1.15 D+1.5 L
1.2 D+1.6 L
1.0 D+1.0 L
Crack Opening
Carga-Deflexión
Carga-Espesor de Grieta
Pruebas de Carga
Reparación y Rehabilitación
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Reparación y Rehabilitación
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Varillas de FRP
Reparación y Rehabilitación
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Reparación y Rehabilitación
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Capiteles de Concreto
Reparación y Rehabilitación
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Reparación y Rehabilitación
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Vigas de Concreto
Laminados de FRP
Reparación y Rehabilitación
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p y
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Reparación de la Losa
Laminados de FRP
ESTADIO DE FUTBOL – UNIVERSITY OF NOTRE DAME
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� Estructura de concreto reforzado
construida entre 1929 y 1930(Capacidad: 59,075)
� Estructura aporticada soportando lasgraderías con rellenos de albañileríaen el exterior.
� Estadio ampliado en 1995 conestructura de concreto precolado.(Capacidad: 21,150)
Condiciones Existentes
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1. Deterioro del concreto:
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Ciclos de congelamientoy descongelamiento
Condiciones Existentes
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2. Posible debilitamiento del sistema resistente a fuerzas laterales
del estadio por renovaciones de 1995 – Estudio anterior: reforzamiento debido a cargas laterales causadas por
el movimiento del público: 24 lb/ft (36 kg/m) – IBC 2003
– Ensanchamiento de elementos estructurales, construcción dearriostres – $$$
Section 9 Section 8
Alteración de Muros
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Ensanchamiento deVigas y Columnas
Instalación de
Arriostres
Antecedentes de la Carga Lateral (Sway Load = 24 lb/ft)
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Basado en la fuerza desarrollada por nueve o tres personas “a las que les
pidieron desarrollar su máximo esfuerzo al unísono para crear la máximafuerza horizontal posible”
Evaluación de las Condiciones Existentes
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� Inspección de todos los elementos estructurales – Graderías (partes superiores e inferiores)
– Vigas, columnas y muros de albañilería
� Determinar el deterioro interno en las graderías deconcreto usando Impulse Response
� Revisión Estructural – Análisis Estructural
– Pruebas de carga:
• Carga Vertical: relacionar el deterioro a la seguridad de la
estructura
• Carga Lateral: evaluar la resistencia a cargas laterales
Resultados de la Investigación y Diagnostico
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� Los ensayos no destructivos mostraron un grado de deterioro
variable. – Algunas secciones con areas extensas de deterioro
Resultados de la Investigación y Diagnostico
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� Pruebas de carga vertical demostraron que las graderías podían
soportar la carga de diseño.
Pruebas de Carga Lateral
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98
Gatos
Hidráulicos
8 9
� Pruebas de carga lateral demostraron que las graderías podían
resistir la carga lateral de diseño.
0.000
0.010
0.020
0.030
0.040
0.050
0.060
0.070
D E F GColumn Line
D i s p l a c e m e
n t ( i n )
Load Test Results
Analytical (With Wall)
Analytical (Without Wall)
Estrategia de Reparación y Rehabilitación
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�
Graderías de concreto – Reparación de espesor parcial y total
– Protección:
• Membrana impermeabilizante en la parte superior
• Capa de anti-carbonatación en la parte inferior
� Muestras de Reparación (Mockups) – Investigar procedimientos para demolición del concreto, métodos
de reparación
– Afinar los costos y programa de construcción
� Desarrollar una estrategia de reparación y mantenimientopor 65 años
– Estimar cantidades a reparar y costos para los siguientes 65 años – Desarrollar varios tipos de reparación
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Reparación y Rehabilitación
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Reparación – espesor total
Hydrodemolition
Reparación y Rehabilitación
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Reparación – espesor parcial
Ensayos de Adherencia
Reparación y Rehabilitación
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Impermeabilización
MURO DE CONTENCION – WORLD TRADE CENTER, NEW YORK
� Muro original parte del nuevo
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� Muro original parte del nuevo
complejo� Museo a la Memoria mostrara
una sección del muro
Construcción Original
M t ll t id i d t 1970 Sl W ll
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� Muro pantalla construido aproximadamente en 1970 – Slurry Wall
Method � Contención de suelo y agua para la construcción de las Torres Gemelas
� Soportado lateralmente por las losas de los parqueos.
Condiciones Existentes
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� Muro en malas condiciones después del 11 de Setiembre del 2001
– Incendios
– Fuerzas equivalentes a un sismo de magnitud 2.3
� Soporte lateral de las losas del parqueo desapareció por el colapso
� Expuesto a la intemperie desde el 2001
� Instalación de anclajes temporales (tiebacks) en 2003
– Anclajes sin protección contra la corrosión
Evaluación de las Condiciones Existentes
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� Inspección del muro – Deterioro
– Indicación de movimiento lateral
– Ensayos de la adherencia entre el refuerzo
� Ensayos no destructivos – Ensayos de corrosión del refuerzo y el concreto
� Pruebas de laboratorio
– Contenido de cloruro
� Petrografía – Daños debido al fuego y la intemperie
Resultados de la Investigación y Diagnostico
� Muro estable pero con bastante deterioración
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Muro estable pero con bastante deterioración
�
Muro no era adecuado para resistir las cargas laterales – Vida de servicio del museo = 100 años
Estrategia de EstabilizaciónVista en Planta
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� Sección no expuesta a la vista:(60 m.) – Construccion de un muro delante
(1.20 m de espesor), anclado al
terreno (roca) con tiebacks y – Muro soportado verticalmente con
pozos de cimentación (caissons)
� Sección expuesta a la vista:
(20 m.) – Construcción de muro detras
– Excavación para instalar pilastras deconcreto anclados a la roca.
– Construcción de muros entre laspilastras
– El muro es soportado verticalmentecon caissons
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Sección noexpuesta
Secciónexpuesta
Estrategia de Estabilización
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Sección no expuesta
S ió t
Estrategia de Estabilización
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Sección expuesta
Vista en Planta
Construcción – Sección Expuesta a la Vista
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Instalación decolumnas de acero
Colocación delconcreto en alzadas
Construcción – Sección Expuesta a la Vista
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Instalación de anclajes
Muro acabado
Construcción – Sección No Expuesta a la Vista
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Liner Wall
Third lift underway
26 June 2008
Excavación para laspilastras (20 m. aprox.)
Encofrado
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Construcción – Sección No Expuesta a la Vista
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Third lift underway
26 June 2008
Concreto colocado
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PREGUNTAS ?