Influencia de las variables de operación sobre la eficiencia de

PÓRTICOS PREMOLDEADOS DE H°A° FORMADOS POR
ELEMENTOS “TIPO H” EN PARRALES DE CAÑERÍAS
Ing. Vaquero, Sebastián 1; Ing. Salvatore, Carlos 2; Ing. Mackern, Héctor 3
1
Especialista Civil en AESA. Email: [email protected]
2
Gerente de Planta, PREAR San Pedro.
3
Gerente de Oficina Técnica, PREAR Mendoza.
RESUMEN
La construcción de un parral de cañerías dentro de una refinería en operación
presenta singularidades relacionadas con su diseño, construcción y tipología
estructural. En el caso la Nueva Unidad de Coke “A”, en la Refinería La Plata, se
pueden destacar las siguientes:
 Debido al poco espacio disponible los parrales rondaban los 20m de altura.
 Al ser los tiempos de ejecución muy exigentes, se optó por utilizar hormigón
premoldeado para mejorar los rendimientos.
 La ingeniería básica, elaborada con anterioridad, definió la geometría y
secciones transversales de la estructura. Debido a la alta densidad de
cañerías, bandejas y equipos, el cliente decidió fijar estas medidas para evitar
reingenierías en las demás especialidades (cañerías, instrumentos y
electricidad). Adicionalmente la tipología estructural adoptada demandaba la
materialización de empotramientos en todas las vigas transversales del parral
e incluso en algunas vigas longitudinales.
 Se buscó minimizar los trabajos en altura y colado de hormigón in situ.
En el presente trabajo se desarrolla como se logró materializar la estructura y
cumplir con las condiciones de borde. Para lo cual se decidió utilizar elementos
premoldeados en forma de “H” con vainas en los tramos de columna que permitieron
enhebrar la armadura en segunda etapa.
ABSTRACT
The construction of a pipe rack in an operating petroleum refinery presents
singular issues related to its design, construction and structural typology. In the case
of the New Coke Unit "A", in La Plata Refinery, we can highlight the following:
 Due to limited space the pipe racks were around 20m high.
 Precast concrete was chosen to improve the project execution time.
 The previously developed basic engineering set up the geometry and the
sections of the structure. Due to the high density of piping, cable trays and
equipments the client decided to fix those measures to avoid reengineering in
other specialties (piping, instruments and electricity). The adopted structural
typology demanded the realization of moment connections in all transverse
pipe rack beams and even some longitudinal beams.
 We were asked to minimize working in heights and on-site concrete work.
This paper explains how we managed to develop the structure complying with all
the boundary conditions. With this objective in mind we decided to use H-shaped
precast elements with conduits in the columns for threading second stage
reinforcement.
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1. INTRODUCCIÓN
La construcción de la nueva planta de Coque “A”, ubicada en la Refinería de La
Plata, es actualmente una de las obras industriales más grandes de la República
Argentina. El objetivo de la unidad es convertir los crudos pesados, comúnmente
denominados “fondos de barril”, a combustibles más livianos y de alto valor
comercial a través de una reacción endotérmica. Mediante este proceso se busca
maximizar la producción de combustibles livianos, siendo el coque un subproducto
resultante del mismo. Una vez que la planta entre en funcionamiento, permitirá
aumentar la producción de naftas y gasoil en 600 millones de litros por año. La obra
demandará 21000 m³ de hormigón in situ (incluyendo fundaciones), 3200 m³ de
hormigón premoldeado y 4200 ton de estructura metálica.
Los parrales de cañerías son generalmente estructuras aporticadas
transversalmente cuya función es darle apoyo a las cañerías y cables que viajan de
una unidad a otra. En este caso en particular, los parrales de cañerías plantearon
grandes desafíos a nivel constructivo y estructural, entre los cuales se destacan los
siguientes:
 Al estar limitado el espacio físico disponible en el predio, la mayoría de las
estructuras se desarrollan en elevación superando los 20m de altura.
 La ingeniería, desarrollada enteramente en el exterior por una empresa
especializada en el proceso, definió las secciones transversales y armadura.
Debido a la gran densidad de cañerías y equipos, se nos solicitó no modificar
estas medidas bajo ninguna circunstancia para evitar cambios en las demás
especialidades.
 La ingeniería original contemplaba la materialización de empotramientos en
todas las vigas transversales, así como en buena parte de las vigas
longitudinales de la estructura. Los detalles constructivos desarrollados para
estas uniones implicaban contar con elementos que no se manufacturan
localmente (manguitos roscados y elementos de vinculación desarrollados
por la empresa de origen finlandés Peikko [1] y [2]).
 Se buscó minimizar el hormigonado y trabajos en altura, debido a las
dificultades que ello presenta dentro de una refinería en funcionamiento.
 Al ser los tiempos de ejecución muy exigentes, se optó por utilizar hormigón
premoldeado para mejorar los rendimientos.
Al estudiar los detalles de unión propuestos en la ingeniería original se nos hizo
evidente que la misma no era de fácil materialización. La densidad de armadura
presente en las vigas y columnas, la innumerable cantidad de insertos embebidos, la
precisión requerida para la fabricación y el montaje, la colocación de manguitos
roscados en altura y el hormigonado en segunda etapa de la parte superior de las
vigas eran incompatibles con las condiciones de borde anteriormente enumeradas.
Partiendo del concepto de sistemas premoldeados similares [3] y contemplando las
limitaciones locales, se decidió premoldear cada viga transversal junto con un tramo
de las columnas dando lugar a un elemento en forma de “H” (ver Figura 1). Estas
piezas una vez montadas una encima de la otra formarían la estructura final del
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pórtico. En los tramos de columna se colocaron una serie de vainas para enhebrar
en segunda etapa la armadura principal, así como elementos que permitirían
asegurar las piezas una encima de la otra previo al enhebrado de las barras y el
posterior grouteado de las vainas.
Figura 1 – Elemento premoldeado en forma de “H” (recostado).
En la Figura 2 se muestran los elementos individuales que componen la
estructura del parral. A lo largo de este trabajo se procederá a explicar en forma
detallada las particularidades de cada pieza.
Figura 2 – Elementos componentes del parral de cañerías.
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2. ELEMENTOS PREMOLDEADOS TIPO “H”
Antes de comenzar a desarrollar el sistema estructural fue necesario hacerse una
serie de preguntas de índole constructiva y estructural para asegurar el éxito del
sistema. En las siguientes líneas se intentará reproducir el razonamiento que fue
llevado a cabo durante la fase conceptual:
¿Cómo podíamos asegurar que las barras se pudiesen enhebrar en segunda
etapa a través de varias piezas?
Siendo que las barras a enhebrar (10Ø32, ASTM 615 Gr. 70) eran la armadura
principal de las columnas, resolver esta cuestión era fundamental para el éxito o
fracaso del sistema. Dada su importancia se contemplaron todos los puntos de vista
posibles, tanto estructurales como constructivos.
En primera instancia se definió el diámetro interior de las vainas en función del
diámetro de la barra, de las tolerancias de montaje [4] y con el objetivo de facilitar el
posterior grouteo. Adoptando un desplome máximo de 1” (25.4mm) y sabiendo que
si el ánulo alrededor de la barra es mayor a 10-15mm el grouteo se puede realizar
por gravedad sin necesidad de bombear [5], se adoptó una vaina de diámetro interior
70mm.
Luego de haber estudiado en detalle las interferencias entre las vainas propuestas
y los anclajes de las barras de las vigas transversales (necesarias para lograr el
aporticamiento), se buscó una forma de asegurar la verticalidad de las vainas
corrugadas y de evitar que las mismas se dañen o se llenen parcialmente de
hormigón durante su construcción. En este sentido, como se podrá notar en la
Figura 3, lo que se hizo fue generar dos plantillas gemelas a cada lado del encofrado
de los tramos de columna y enhebrar a través de las vainas corrugadas unos caños
hechos a medida. Con ello se aseguraba la correcta posición de las vainas, su
verticalidad, que no se obstruyeran con hormigón, se movieran y/o que se dañaran.
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Figura 3 – Encofrados de las piezas tipo “H”.
Adicionalmente, y de acuerdo a las recomendaciones de la bibliografía [6], se
especificó en los documentos que las puntas de las barras deberían ser amoladas
hasta tomar una forma roma para evitar que las mismas se trabasen en el corrugado
de las vainas (ver Figura 4).
Figura 4 – Amolado del extremo de las barras
¿Cómo apoyar las piezas una encima de la otra? ¿Cómo asegurar de que
quedaran alineadas para poder enhebrar las barras en 2da etapa?
Durante la etapa constructiva las piezas estarían apoyadas una encima de la otra,
sin la armadura final de las columnas. Para transferir el esfuerzo axial que baja a
través de los tramos de columna, se adoptó una solución análoga a la que
comúnmente se muestra en la bibliografía norteamericana para vincular las
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columnas premoldeadas a las fundaciones mediante bulones de anclaje [7] (ver
Figura 5). Al colocar una serie de chapas de distintos espesores en el centro de la
pieza se puede contar con un ajuste en altura, así como proveer espacio suficiente
para groutear las vainas y la junta horizontal entre piezas (en este caso se adoptaron
50mm de junta).
Figura 5 – Conexión entre columna y fundación mediante bulones de anclaje.
En la dirección transversal, es decir en el plano del pórtico, la estructura es
estable si se logra materializar una articulación capaz de transferir el corte en la
interfaz entre las distintas piezas. En cambio en la otra dirección, previo a que se
coloquen las vigas longitudinales, la estructura trabaja como una columna en
ménsula. En este último caso se requiere de una interfaz capaz de tomar el
momento y corte producto de las distintas acciones que pueden aparecer durante la
etapa constructiva [8].
Luego de analizar otras alternativas para vincular las piezas entre sí [9] se optó por
dejar cuatro insertos por tramo de columna, dos en cada cara longitudinal tanto
arriba como abajo, de donde se soldaría una ménsula metálica lista para recibir unos
bulones calculados para resistir el momento y el corte existentes en la interfaz. El
sistema resultante, junto con la estructura metálica abulonada desmontable que se
construyó para guiar a las piezas a su posición final, se muestra en la Figura 6. Es
interesante mencionar que la varilla roscada también fue utilizada para hacer la
verticalización fina de la pieza.
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Figura 6 – Elementos para lograr la estabilidad durante la fase constructiva.
Para concretar la transmisión de esfuerzos entre las distintas piezas, a cada uno
de estos inserto se le soldaron 2Ø25 (así como unos pernos tipo “stud” para tomar el
corte y la excentricidad de las fuerzas), los cuales a su vez empalmaban con otros
2Ø25, por lado, dentro de la pieza. De esta forma, durante la fase constructiva, se
logró asegurar que haya una continuidad de armadura en toda la altura de la
estructura.
Dado que la longitud comercial de las barras es de 12m y la estructura
supera los 20m, ¿cómo se podrían materializar los empalmes de las barras a
enhebrar en 2da etapa?
Con el fin de ejecutar el empalme de la armadura principal de la columna se
decidió elaborar una pieza especial, a la cual se denominó “adaptador”. La ubicación
en altura de la misma fue estudiada bajo las siguientes premisas:
 Lograr el menor desperdicio posible en las barras a enhebrar, idealmente
dejando posiciones rectas de 12m de largo.
 Tipificar la altura de las piezas tipo “H” para minimizar el trabajo en los
encofrados.
A esta altura vale la pena aclarar que para definir la posición de las vainas en las
piezas tipo “H”, por debajo y por encima de la pieza tipo “adaptador”, fue necesario
estudiar el empalme de las barras que se enhebrarían por debajo y por encima del
nivel del “adaptador”. El análisis realizado se muestra en la Figura 7.
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PIEZA TIPO H
POR DEBAJO
DEL ADAPTADOR
PIEZA TIPO
ADAPTADOR
PIEZA TIPO H
POR ENCIMA
DEL ADAPTADOR
Figura 7 – Estudio de la posición de las vainas en las distintas piezas [mm]
Por los mismos motivos anteriormente enumerados para las piezas tipo “H”, en
las piezas tipo “adaptador” también se hizo necesario enhebrar unos caños hechos a
medida a través de las vainas y las plantillas en los extremos del molde. En este
sentido, la única particularidad fue que se necesitaron generar unas vainas
especiales con forma ovalada, como se puede ver en la Figura 8.
Figura 8 – Plantilla en los extremos del molde utilizada para los elemento tipo
“adaptador” y la pieza una vez hormigonada.
En estas piezas también se hizo necesario dejar insertos para lograr la estabilidad
durante la fase constructiva, pero en esta oportunidad en las cuatro caras.
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3. PIEZA DE ARRANQUE
Para respetar la altura libre debajo de las vigas transversales, el primer nivel de
piezas tipo “H” se apoyó sobre columnas premoldeadas. Como se puede desprender
de la Figura 9, dichas piezas cuentan con las siguientes particularidades:
 En correspondencia con cada una de las vainas de las piezas tipo “H”, se
colocó una vaina idéntica con un largo igual a la longitud de empalme de las
barras a enhebrar en 2da etapa. Una vez colocadas las barras y grouteadas
las vainas, estas empalman con otras barras que fueron convenientemente
colocadas al lado de cada vaina previo al hormigonado de la pieza tipo
columna. De esta forma se aseguraba la transmisión de los esfuerzos hasta
la fundación. En este caso también fue necesario generar una plantilla en el
molde.
 Para ser capaz de tomar la pieza tipo “H” que apoyaría sobre las columnas,
en la parte superior de esta pieza se previó el mismo sistema de vinculación
que fue anteriormente mencionado.
 En lo que respecta a la vinculación entre las columnas y las fundaciones se
resolvió respetar la ingeniería básica para evitar interferencias con la
ingeniería ya elaborada de drenajes, cámaras y cañeros. En este caso se
utilizaron cuencos de fundación con las características que ya han sido
ampliamente discutidas en la bibliografía de consulta [10].
Figura 9 – Piezas tipo columna ya montadas y previo al montaje.
4. VIGAS LONGITUDINALES
Como se explicó anteriormente, la tipología estructural adoptada durante la
ingeniería básica requería la materialización de empotramientos en algunas de las
vigas longitudinales. Debido a la dificultad de generar el empotramiento en dos
direcciones perpendiculares en la misma pieza, se evaluó la utilización de
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arriostramientos metálicos similares a los ya utilizados en otras obras donde
intervinieron los autores [11], pero las interferencias con las cañerías hicieron inviable
este tipo de alternativa.
Para resolver el empotramiento de las vigas longitudinales se adaptaron las
uniones soldadas que se encuentran en la bibliografía [7] para que fueran de utilidad
en este caso de estudio. Si bien el detalle utilizado se puede apreciar en la Figura
10, a continuación de describen algunas de sus principales características:
 La armadura longitudinal de la viga (superior e inferior) se soldó a unos
insertos en los extremos de la misma. Vale resaltar que para la armadura
inferior se resolvió hacer la unión en los laterales de la viga, para que la
unión no interfiriera con la armadura de la ménsula corta y para evitar la
soldadura sobre cabeza.
 En el tramo de columna de la pieza tipo “H” se previeron placas metálicas en
caras opuestas, vinculadas entre sí mediante barras de acero soldadas.
 Una vez apoyada la viga se soldarían unas chapas de transferencia mediante
soldadura de filete (a los insertos previstos en los extremos de las vigas) y
soldadura a tope (en los insertos laterales de las piezas tipo “H”) para
asegurar la continuidad de esfuerzos.
 El espacio libre entre la viga y la columna se rellenaría con grout, una vez
finalizados los trabajos de soldadura.
Figura 10 – Detalle de la unión soldada.
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En la Figura 11 se muestran fotos del encofrado y armadura de la viga en
cuestión. Cabe destacar que fue necesario generar rehundidos en los bordes de la
viga para poder respetar el recubrimiento de la armadura principal (50mm) y también
para poder groutear en 2da etapa los rehundidos con el objetivo de proteger la unión
soldada ante la corrosión y el fuego, ambos trascendentes en este tipo de
ambientes.
Figura 11 – Viga longitudinal empotrada.
5. PIEZA TIPO TT
Debido a que en el nivel superior se debía generar una plataforma para acceder a
los aeroenfriadores dispuestos en la cima de la estructura, las vigas transversales de
este nivel fueron elaboradas desde la ingeniería básica con voladizos a ambos
lados. A esta condición se le sumaron dos cuestiones: i) el requisito estructural de
lograr la continuidad de todas las vigas longitudinales superiores; ii) en la sección
extrema de la viga se requerían embebidos en el hormigón para vincular las
columnas de los aeroenfriadores al parral. Para poder satisfacer todas las
condiciones de borde enumeradas se desarrolló una pieza superior en forma de “TT”
(ver Figura 12), cuya ingeniería fue elaborada contemplando que:
 En correspondencia con cada una de las vainas de las piezas tipo “H”, se
debería colocar una vaina idéntica para poder enhebrar las barras en 2da
etapa. Estas barras son las que empalmarían en la pieza tipo “adaptador”
con las barras inferiores.
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 En la parte inferior del tramo de columna fue necesario agregar insertos para
lograr la estabilidad durante la fase constructiva.
 Se colocaron embebidos similares a los utilizados en la pieza tipo “H” para
generar la continuidad de las vigas longitudinales superiores. La única
diferencia con respecto al anterior detalle fue que en este caso los insertos
debían estar a tope de hormigón para poder soldar las columnas de los
aeroenfriadores (las cuales por desgracia no siempre caían en la cima de la
columna). En la Figura 13 se muestra el detalle de unión utilizado, con todas
las particularidades del caso.
Figura 12 – Pieza tipo “TT” (recostada).
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Figura 13 – Detalle de la unión soldada superior.
6. CUESTIONES RELACIONADAS AL MONTAJE
Debido a que esta solución nunca antes había sido utilizada se decidió
elaborar documentos destinados a explicar paso por paso el procedimiento de
montaje de la estructura, el cual a su vez estaba muy relacionado con el diseño
de las piezas. A continuación se resume el procedimiento (ver Figura 14 a modo
de complemento):
1) Montar las piezas tipo columna en los cuencos de fundación, teniendo
especial cuidado de respetar la alineación, verticalidad y la distancia
transversal entre las mismas. Para ello se utilizan chapas de nivelación en
el fondo del cuenco y plantillas metálicas en la cima de las columnas.
2) Colocar las chapas de nivelación en la cima de la columna, nivelar y luego
montar la primer pieza tipo “H” sobre las columnas (la cual ya debe tener
soldada la ménsula metálica). Para guiar las piezas a su posición definitiva
se utilizó una estructura abulonada especialmente construida para la
ocasión que hacía de guía minimizando los trabajos en altura (ideada para
poder ser reutilizada).
3) Con la pieza aún sostenida por la grúa, y con la ayuda de dos operarios
trabajando desde un JLG, se ajustan las varillas roscadas y se hace el
verticalizado fino.
4) Este procedimiento se repite con las demás piezas tipo “H” hasta llegar a
la pieza tipo “adaptador”.
5) Una vez montado el “adaptador” enhebrar desde arriba la armadura
principal de la columna a través de las vainas.
6) Una vez que estén todas las barras se deben groutear una por una las
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vainas de la pieza tipo columna (hasta el nivel superior de la columna),
trabajando desde la junta horizontal entre las piezas..
7) En la junta horizontal inferior se coloca un anillo perimetral estanco,
también reutilizable, y se groutean las vainas desde la junta horizontal
superior. Cabe mencionar que en la pieza tipo “H” se colocó un caño de
PVC de 50mm, paralelo a las vainas, para evitar que quede aire atrapado
durante el grouteo.
8) Este procedimiento se repite con las demás piezas tipo “H”, siempre con el
cuidado de no groutear las vainas de la pieza tipo “adaptador” ya que aún
deben recibir a las barras superiores.
9) Una vez que el grout está en condiciones de trabajar (generalmente a las
72hs), se comienzan a montar las vigas longitudinales.
10) Antes de continuar con el montaje de las piezas que van por encima de la
pieza tipo “adaptador”, se requiere que las vigas longitudinales
empotradas rigidicen el conjunto. Para ello se debe soldar las chapas de
transferencia con soldadura de filete y con soldadura a tope, como fue
anteriormente mencionado. Una vez que la estructura esté completa, se
procederá a puntear una malla a dichas chapas (para evitar que el grout
que se coloca en los rehundidos de los extremos de la viga se encuentre
con una superficie lisa), y se tratará a la unión con pintura anti óxido para
finalmente groutear los rehundidos.
11) Con las piezas que le siguen el procedimiento es análogo, con la salvedad
que la pieza superior no es una pieza tipo “H”, sino que es una pieza tipo
“TT”.
Figura 14 – Procedimiento de montaje.
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Figura 14 (cont.) – Procedimiento de montaje.
Es interesante añadir que el responsable de las maniobras del montaje nos
hizo notar algunas cuestiones para mejorar, de las cuales se enumeran
exclusivamente las más relevantes:
 Para evitar que durante los días de lluvia entre agua dentro de las vainas, se
tuvo que tapar con una lona la cima de la pieza superior.
 La verticalización de las piezas llevó más trabajo de lo que originalmente
habían previsto y requirió de un topógrafo dedicado tiempo completo.
 Para el posicionamiento de la pieza tipo columna, hubiera sido conveniente
preveer en el fondo del cuenco de fundación algún elemento que evitara que
el fondo de la columna se desplace horizontalmente.
7. CONCLUSIONES
Este trabajo presenta una metodología innovadora para resolver estructuras
aporticadas en ambas direcciones, sin la necesidad de hormigonar en altura. Si bien
este diseño se utilizó para resolver parrales de cañerías, puede ser adaptado con
facilidad para otro tipo de estructuras. También es destacable notar que durante la
construcción se presentaron oportunidades de mejora, sobre todo desde el punto de
vista al procedimiento de montaje.
Los trabajos de armadura, enconfrado y el posterior hormigonado de las piezas se
realizaron de forma exitosa. Solamente fueron necesarios algunos cambios menores
en el armado debido a la cantidad de embebidos requeridos para soportes de
cañerías, bandejas y estructuras metálicas. En ese sentido es importante destacar el
gran trabajo realizado desde la Ingeniería de PREAR para detectar y resolver
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interferencias desde la elaboración de los documentos. En las Figuras 15-18 se
muestran varias fotos de las distintas etapa de la obra.
Figura 15 – Avance de la obra
Figura 16 – Avance de la obra
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Figura 17 – Avance de la obra
Figura 18 – Avance de la obra
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8. REFERENCIAS
1. Paakkinen, R. “Lubricant Giant Constructs Production Plant in Spain”. Peikko
Concrete Connections 1/2014.
2. Vimmr, V. “Construction of Pipe Rack in Spain Employs Peikko Products”.
Peikko News 2/2009
3. Yee, A. “New Precast Prestressed System Saves Money in Hawaii Hotel”. PCI
Journal. Mayo - Junio 1973.
4. Precast/Prestressed Concrete Institute. Tolerance Manual for Precast and
Prestressed Concrete Construction. MNL 135-00, 1th Edition.
5. Elliott, K. S. “Precast Concrete Structures”. Butterworth-Heinemann, Oxford,
UK, 2002.
6. Precast/Prestressed Concrete Institute. Erectors’ Manual. Standards and
Guidelinesfor the Erection of Precast Concrete Products. MNL 127-99, 2th
Edition.
7. Precast/Prestressed Concrete Institute. PCI Connection Manual for Precast
and Prestressed Concrete Construction, 1th Edition.
8. American Society of Civil Engineers. SEI/ASCE 37-02 Design Loads on
Structures during Construction
9. Hanlon, Dolan C., Figurski, Deng y Dolan G. “Precast concrete building
system components for the Westlin Resort Hotel, part 1: Experimental
validation”. PCI Journal. Primavera 2009.
10. Leonhardt, F. y Mönning, E. (1977). “Estructuras de Hormigón Armado, Tomo
III, Bases para el armado de estructuras de Hormigón Armado”. El Ateneo.
11. Vaquero, Correa y Wolkomirski “Precast Concrete Steel-braced Hybrid Pipe
Racks Structure”. PCI Journal. Otoño 2013.
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