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2. SISTEMAS ESTRUCTURALES En la elección del sistema estructural son importantes el tipo y magnitud del esfuerzo a que estará sometida la estructura, las características de las solicitaciones y la geometría de la estructura considerada como un conjunto. Las Estructuras se pueden construir de: - Madera - Mampostería - Concreto - Acero - Combinaciones de estos materiales Muros de Carga La primera forma estructural empleada consistía en un sistema de pisos ( losa y trabe) apoyados sobre muros que transmitian la carga a la cimentación y el suelo. Originalmente los elementos horizontales de carga fueron de madera, hasta principios del siglo pasado en que empezaron a utilizarse las vigas de acero para posteriormente utilizar el concreto reforzado. Este sistema es aún utilizado en edificios de habitación de poca altura en los que los muros son utilizados como muros de carga y además dividen el interior del edificio. Se supone que estos muros no se van a destruir posteriormente ya que forman parte integral de la estructura; en este tipo de estructuración los muros son de block o tabique, confinados por castillos y cadenas, su espesor puede alcanzar valores prácticos máximos de 28 cm. Al aumentar la altura de los edificios, el grosor de los muros de los niveles inferiores aumenta, lo que origina una pérdida de área útil cada vez más grande. Por este motivo este sistema está limitado a edificación de poca altura. Se tienen noticias de que en 1891 la construcción a base de muros de mampostería alcanzó su máximo desarrollo en Chicago con el edificio Monadnock de 17 pisos (64 m) de altura y con muros en planta baja de 2.14 m de espesor. ESTRUCTURACION 11
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Marcos Rígidos El tipo de estructuración más común hoy en día para edificios tanto de concreto como de acero es el que utiliza marcos rígidos. Los marcos formados por columnas y trabes estan unidos formando uniones rígidas capaces de transmitir los elementos mecánicos en la viga sin que haya desplazamientos lineales ó angulares entre sus extremos y las columnas en que se apoya.
Sobre las vigas principales, que además de resistir las cargas verticales ayudan a resistir las cargas laterales, se apoyan en algunos casos las vigas secundarias encargadas de soportar el sistema de piso. El empleo de este sistema se debió al desarrollo de nuevos materiales y sistemas de construcción (concreto armado, acero soldado) y a nuevos métodos de análisis y dimensionamiento. El sistema convencional Losa_Trabe_Columna (Marco Rígido) ha sufrido variaciones, ejemplo: el desarrollo de la losa plana que al no contener vigas o trabes redunda en una mayor economía en cimbra, acabados, peralte, alturas de entrepisos lográndose de esta manera adicionar un entrepiso por cada 10 construidos. Otro sistema reciente es el de muros de cortante que sirve para proporcionar rigidez en el sentido transversal y para resistir las fuerzas laterales del viento y sismo, así mismo puede soportar las cargas verticales. En la actualidad los muros de cortante se recomiendan en todo edificio que exceda una altura de 15 pisos.
ESTRUCTURACION 12
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TIPOS DE SISTEMAS ESTRUCTURALES
SISTEMA DE VIGAS Y COLUMNAS
SISTEMA DE LOSA PLANA CON CAPITELES EN COLUMNAS
SISTEMA DE LOSA PLANA
ESTRUCTURACION 13
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TIPOS DE ESTRUCTURAS LOSA PLANA
LOSA DE CONCRETO
COLUMNAS
MURO DE CARGA
MUROS DE CARGA Y LOSA
COLUMNAS Y LOSA PLANA LOSA PLANA O RETICULAR
LOSA TRABES
COLUMNAS
COLUMNAS
COLUMNAS Y LOSA RETICULAR O PLANA
COLUMNAS TRABES Y LOSA
LOSA RETICULAR O PLANA COLUMNAS
LOSA TRABE
COLUMNA
MURO DE CONCRETO
MURO DE CONCRETO
MUROS DE CONCRETO, COLUMNAS, Y LOSAS
MUROS DE CONCRETO, COLUMNAS, Y LOSA PLANA O RETICULAR ESTRUCTURACION 14
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SISTEMAS ESTRUCTURALES
SISTEMA TUBO DE VARIAS CELULAS
SISTEMA TUBO EN TUBO
SISTEMA DE MUROS DE CORTANTE ESTRUCTURACION 15
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REGLAS DE DISTRIBUCION EN PLANTA HAGASE
EVITESE
COMENTARIOS
Ideal por comportamiento y análisis.
Buena simetría, análisis menos fácil.
Téngase cuidado del comportamiento diferencial en los extremos opuestos de edificios largos. Mal, por efectos asimétricos
Aunque simétricas, las alas largas implican problemas en la predicción del comportamiento.
Torres de acceso que se proyectan. Problemas con análisis y detalle
Asimetría de los miembros resistentes del cortante horizontal. Problemas de análisis y torsión.
ESTRUCTURACION 16
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REGLAS PARA FORMAS EN ALZADOS HAGASE
EVITESE
b
b
h > 4b
h < 4b
12345678901234567 12345678901234567 12345678901234567
123456789012345678 123456789012345678 123456789012345678 123456789012345678
12345678901234567 12345678901234567 12345678901234567 12345678901234567
123456789012345678 123456789012345678 123456789012345678
COMENTARIOS
Los edificios muy esbeltos tienen deformaciones horizontales excesivas.
Los efectos de remetimiento de fachadas no pueden predecirse mediante los análisis estáticos equivalentes comunes de los reglamentos.
REGLAS PARA MARCOS VERTICALES
Evitar la baja continuidad de voladizos, no hay mecanismo de falla seguro 1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345
1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 1234567890123456789012345678901212345 12345678 1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345 1234567890123456789012345678901212345
Evitar cambios de rigideces con la altura. Problemas de análisis y detallado.
Muro de cortante 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 12345678 123456789012345678901234567890121234 12345678 123456789012345678901234567890121234 123456789012345678901234567890121234 123456789012345678901234567890121234
1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567 1234567
Comentarios similares a los de arriba. Puede demostrarse que el "piso suave" es vulnerable.
123456789012345678901234567890121234 123456789012345678901234567890121234 123456789012345678901234567890121234 123456789012345678901234567890121234
ESTRUCTURACION 17
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Sistema de Tubo El sistema más reciente para edificios altos es el tipo de Tubo, que consiste en un arreglo perimetral de columnas exteriores colocadas muy cerca entre sí e interconectadas con vigas, lo que proporciona una enorme rigidez a los edificios muy altos. Este sistema evolucionó el sistema denominado Tubo con Tubo, se trata de un núcleo rígido en la parte central del edificio dentro de la estructura tubular, este núcleo generalmente se emplea para elevadores, escaleras, ductos e instalaciones.
ESTRUCTURACION 18
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Tipologías Estructurales: Naves Industriales • Una nave industrial (o un edificio en general) se concibe con el objetivo de cerrar un espacio físico. El papel que juega la estructura es el de proporcionar proporcionar la resistencia y la rigidez necesarias a los elementos del cerramiento. cerramiento. • La estructura debe ser capaz de soportar y transferir (a cimentación) las cargas que recibe. • El diseño estructural debe partir por tanto de la identificación de las cargas, y a partir de ahí escoger aquella tipología estructural que sea capaz capaz de transferir adecuadamente dichas cargas. En general la respuesta nunca será única, ni en lo referente al tipo de estructura ni en lo referente a los materiales materiales a emplear en su construcción.
1
Introducción
Tipologías Estructurales: Naves Industriales
estructuras muy regulares en planta:
• Generalmente: planta rectangular (y en muchos casos, sólo planta baja)
“repetitivas” ² facilidad de cálculo y
• Se busca lograr estructuras de bajo coste y máxima sencillez
ejecución
Elementos estructurales que conforman la nave: ORGANIZACIÓN CONSTRUCTIVA
10 :
4:
8m
30 m 2
1
ESTRUCTURACION 19
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Introducción
Tipologías Estructurales: Naves Industriales
Tipología básica
(
( •con muros de carga: naves de pequeñas dimensiones
•porticadas: naves de mayores dimensiones o si la nave se plantea con cerramientos ligeros en lugar de muros de carga
Nos vamos a centrar en edificios de una nave porticada con estructura metálica
También influyen en la organización de la nave otros factores ligados a su utilización: • Necesidad de iluminación (natural): origen, e.g., de las naves en diente de sierra • Presencia de maquinaria importante: requerirá, e.g., cimentación independiente • Puentes grúa: en el cálculo de la nave se deberán considerar las fuerzas de funcionamiento y frenado de la viga puente 3
etc.
Solicitaciones
Tipologías Estructurales: Naves Industriales
FV : Fuerzas verticales
• Carga permanente • Viento • Nieve
se traduce en acciones:
deben ser absorbidas por los pórticos transversales
• Sismo • Temperatura: ±20ºC • ( Puentes grúa )
FT : Fuerzas transversales son resistidas en general por los pórticos transversales sin necesidad de arriostramientos adicionales (sólo en el caso de pórticos no estables frente a FT habría que disponer riostras que transmitieran la carga hasta los pórticos hastiales)
OBJETIVO: ESTRUCTURA ESTABLE FRENTE A CUALQUIER SOLICITACIÓN EXTERIOR
FL : Fuerzas longitudinales en general los pórticos hastiales no tienen rigidez suficiente frente a FL Y hay que transmitir los esfuerzos a los pórticos laterales mediante vigas contraviento y/o arriostramientos en faldones de cubierta
4
2
ESTRUCTURACION 20
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Solicitaciones
Puentes grĂşa
Sa~Pa/10 Ha~Pa/7 5
Correas
q *y
q '*y w*
q *x
q '*x
p * cos D w*
p * senD 6
3
ESTRUCTURACION 21
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Correas Disposiciones constructivas para reducir la influencia de la flexi贸n respecto al eje d茅bil
7
Correas
8
4 ESTRUCTURACION 22
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Correas Apoyo y continuidad de correas
Pórticos Transversales (cómo lograr la estabilidad frente a acciones verticales (FV) y acciones horizontales transversales (FT)) • Los pórticos transversales deben absorber los empujes horizontales transversales y recibir las cargas que actúan sobre la cubierta
Tipología básica
Con cerchas
Con perfiles • naves más diáfanas pero de mayor peso (hasta un 20%) • es habitual disponer elementos de sección variable, ya • El dimensionado frente a acciones verticales que las mayores solicitaciones suelen presentarse en los nudos extremos, no resultando económico es inmediato mantener la sección constante en toda la barra (Además: las zonas reforzadas incrementan sus • Para lograr la estabilidad transversal existen solicitaciones, disminuyendo en el resto)
dos formas:
(
1. Con ayuda de vigas de arriostramiento que transmitan las cargas a los pórticos hastiales hay que disponer vigas contraviento a todo lo largo de la nave hasta transmitir la carga a los pórticos hastiales, que deben dimensionarse para resistir y transmitir a cimentación los empujes horizontales (este sistema resulta especialmente antieconómico en caso de naves largas y, en general, resulta poco empleado)
MECANISMO
) 10
5 ESTRUCTURACION 23
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Pórticos Transversales 2. La estructura transmite directamente los empujes horizontales a cimentación sin
necesidad de vigas de arriostramiento
e.g., disposiciones habituales para el caso de pórticos a dos aguas aguas son:
GHT=3 EMPOTRADO: EMPOTRADO: este esquema reduce los momentos máximos en las barras y proporciona mayor rigidez frente a acciones horizontales, pero las cargas en cimentación son mayores y puede requerir sistemas de anclaje relativamente complejos. Es la disposición más desfavorable frente a 'T por ser la más hiperestática 11
Pórticos Transversales
GHT=1
BIARTICULADO: BIARTICULADO: este esquema produce menores cargas en cimentación, pero mayores momentos máximos en las barras que en el caso empotrado.
GHT=0
TRIARTICULADO (isostático): los isostático): momentos máximos en las barras son mayores que en el caso biarticulado. Los 'T no provocan esfuerzos
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6 ESTRUCTURACION 24
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Pórticos Transversales
Arriostramientos en ala inferior del dintel
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Pórticos Transversales
Tipologías Estructurales: Naves Industriales
Pórticos con dintel de celosía
14
7 ESTRUCTURACION 25
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Pórticos Transversales
Tipologías Estructurales: Naves Industriales
Pandeo transversal del cordón superior de la celosía
Arriostramiento transversal del cordón inferior
Pórticos Transversales
15
Tipologías Estructurales: Naves Industriales
Pilares
16
8 ESTRUCTURACION 26
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Pórticos Transversales
Pilares Longitudes de pandeo en pórticos de piezas de alma llena
Longitudes de pandeo en pórticos con dintel cercha en el plano del pórtico
E=1 en caso de unión rígida (pilar biempotrado desplazable) E=2 en caso de unión articulada 17
Entramados Frontales
Tipologías Estructurales: Naves Industriales
• Los pórticos hastiales reciben además cargas de viento normales a su plano (FL) que transfieren a cimentación y a las vigas contraviento encargadas de transmitir dichas cargas a los pórticos laterales 18
9 ESTRUCTURACION 27
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Entramados Frontales
Tipologías Estructurales: Naves Industriales
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Pórticos Laterales
Tipologías Estructurales: Naves Industriales
(cómo lograr la estabilidad frente a acciones horizontales longitudinales (FL))
• Los paredes laterales deben absorber : • los empujes del viento sobre los muros hastiales • las fuerzas de frenado longitudinal de los puentes grúa (Para ello puede que baste con el propio cerramiento o con que los los pilares esté estén empotrados en esta direcció dirección) En caso contrario habrá habrá que disponer arriostramientos que lleven hasta cimentació cimentación dichas acciones
20
10 ESTRUCTURACION 28
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Métodos de Análisis El análisis estructural implica un conocimiento de las solicitaciones que obran sobre la estructura y de las dimensiones de sus elementos. Estos datos son imprecisos cuando se inicia el diseño, ya que solo se conocen en forma aproximada las dimensiones que tendrán los elementos. Mediante un proceso cíclico el proyectista va ajustando los datos iniciales (dimensiones de los elementos) a medida que va precisando el análisis. Solamente en la fase final de este proceso se hace un cálculo numérico relativamente refinado. Resumiendo lo anterior, tenemos que la finalidad del análisis estructural es conocer los elementos mecánicos a que estarán sujetos los elementos de la estructura y el comportamiento que este presentará debido a las solicitaciones. Métodos de Análisis
Método de las Fuerzas
Método de las flexibilidades
Método de las Deformaciones
Método de las Rigideces Método de Cross Método de Kani
Métodos Aproximados (Cargas Horizontales)
Método del Portal Método del Cantilever Método de Bowman Método del Factor
ESTRUCTURACION 29
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Análisis Estructural Datos necesarios para resolver un problema
típico de estructuras:
1. Geometría de la estructura: Se refiere a las dimensiones de los elementos y a las dimensiones entre ejes (esto se obtiene de un prediseño).
2. Propiedades mecánicas de los materiales: Módulo de Elasticidad (E) Ec = 10,000 √ f'c kg/cm2 - concreto Es = 2 X 106 kg/cm2 -acero
3. Solicitaciones: Se considera el peso propio de los elementos, Carga Viva, Sismo y Viento.
* Las incognitas son:
a). Desplazamientos en puntos críticos de la estructura. b). Deformaciones en las barras c). Esfuerzos internos en los elementos Generalmente, en lugar de esfuerzos se obtienen los elementos mecánicos:
ESTRUCTURACION 30
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Métodos de Diseño 1. Método de los esfuerzos de trabajo o esfuerzos Permisibles (Método Elástico) Consiste en el proceso siguiente: Las acciones internas (carga axial, momentos, fuerzas cortantes y torsiones) inducidas en los distintos elementos de las estructuras por las solicitaciones de servicio o de trabajo que actúan sobre estas, se calculan por medio de un análisis elástico. Se determinan despues los esfuerzos producidos en las distintas secciones por las acciones internas, por métodos también basados en hipótesis elásticas. Los esfuerzos de trabajo así calculados deben mantenerse por debajo de ciertos valores de esfuerzos permisibles que se consideran aceptables. 2. Método de Resistencia Ultima (Método Plástico) Las acciones internas que las solicitaciones externas producen sobre las estructuras, se determinan por medio de un análisis elástico, como en el caso anterior. Los elementos de la estructura se dimensionan de tal manera que su resistencia a las diversas acciones de trabajo a las que puedan estar sujetas sea igual a dichas acciones multiplicadas por un factor de carga de acuerdo con el grado de seguridad deseado.
ESTRUCTURACION 31
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Características de los materiales CARACTERISTICAS DEL ACERO. Comportamiento mecánico
Las características más importantes del acero se desprenden de las curvas esfuerzo(σ) deformación (ε) obtenidas mediante ensayos de Tensión estandarizados. Es importante referir los ensayes a probetas y métodos estándar, puesto que los resultados difieren según el tamaño y la forma de las muestras y los procedimientos de prueba. Para obtener una gráfica σ−ε (nominal) se calculan los esfuerzos correspondientes a distintos niveles de carga, dividiendo la fuerza aplicada (F) entre el área original de la sección(A): σ=F/A Las deformaciones unitarias se obtienen dividiendo el alargamiento (∆ L) entre la longitud original de medición(L). ε=∆L/L Los aceros utilizados en la construcción se pueden dividir en 2 grupos: 1. Los que tienen un límite de fluencia definido (aceros laminados en caliente) 2. Los que no tienen límite de fluencia definido (aceros trabajados en frío)
ft fy
No exhiben zonas de fluencia horizontal
ε 1
2 ( ESQUEMÁTICO )
ESTRUCTURACION 32
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El punto donde el acero cambia del estado elástico al estado plástico, esto es donde empieza a fluir el acero, se denomina: límite de fluencia (fy). La resistencia al esfuerzo cortante (fv) es importante y puede considerarse que es del orden del 75% de la resistencia a la tensión. El módulo de elasticidad correspondiente a las porciones rectas en la zona elástica de las curvas esfuerzos-deformación varía poco entre los diversos tipos de acero por lo que se puede tomar como: Es = 2 x 106 kg/cm2 La relación de Poisson ( µ ) es el cociente entre las deformaciones transversales a horizontales. (εt/εv), en el acero, este parámetro varía entre 0.25 y 0.33 El peso volumétrico del Acero se puede tomar como: 7.8 t/ m3 Ventajas del acero como elemento estructural 1. Bajo peso volumétrico 2. Alta resistencia a la tensión y compresión 3. Posibilidad de prefabricación de sección o perfiles. Desventajas:
1. Costo 2. Mantenimiento 3. Baja resistencia a la corrosión. Los aceros utilizados para la fabricación de varillas se utilizan tanto de acero laminado en caliente como aceros trabajados en frío.
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CURVA ESFUERZO - DEFORMACION DE UN ACERO LAMINADO EN CALIENTE
f ↑ 1
2 3 4
→ ε A
B
C
D
E
1.- ESFUERZO MAXIMO 2.- LIMITE DE FLUENCIA SUPERIOR 3.- LIMITE DE FLUENCIA INFERIOR 4.- LIMITE DE PROPORCIONALIDAD A.- RANGO ELASTICO B.- FLUJO PLASTICO RESTRINGIDO C.- FLUJO PLASTICO NO RESTRINGIDO D.- ENDURECIMIENTO POR DEFORMACION E.- ESTRANGULAMIENTO Y FRACTURA
ESTRUCTURACION 34
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CARACTERISTICAS DEL CONCRETO El concreto simple es el material que se obtiene al mezclar cemento portland - agregados petreos - agua en cantidades convenientes. El concreto es uno de los materiales de construcción más usados en ingeniería civil y entre sus principales ventajas se pueden señalar: * Alta resistencia a la compresión * Durabilidad * Resistencia al intemperismo * Facilidad de fabricación Desventajas: * Alto peso volumétrico ( 2.2 T / m³ ) * Baja resistencia a la tensión * Baja resistencia a los cambios volumétricos que sufre con el tiempo * Permeabilidad, aún el mejor concreto no es enteramente impermeable porque contiene compuestos que pueden dejar pasar en mayor o menor grado el agua. La calidad de un concreto se define como su resistencia a la compresión de un cilindro de 15 cm de diámetro por 30 cm de altura.
30 cm
forma de falla
15 cm
Y este índice de resistencia del concreto se define como ( f ´c )
σ = f ´c = P / A kg / cm ² ESTRUCTURACION 35
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La resistencia a la tensión del concreto se obtiene mediante la prueba brasileña ó ensaye brasileño, que consiste en someter un cilindro a compresión lineal diametral.
←→
C
↓ ↑ Los valores que se obtienen en ésta prueba son aprox. del 10 % de la resistencia a la compresión. La resistencia al cortante del concreto, representa aprox. un 20 % del valor de la resistencia a la compresión. Resumen:
Compresión : f ´c =
{
f ´c (kg/cm²) 100 150 200 250 300,400
Usos estructurales Firmes Dalas, cadenas Trabes, losas Columnas Concreto presforzado
Tensión : 0.10 f ´c Cortante : 0.20 f ´ c
ESTRUCTURACION 36
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Módulo de elasticidad del concreto P / A = f ´c
↑ 300
El concreto no es un material elástico lineal
200 100
→ Ec = ∆ / L
0.001 0.002 0.003 0.004
Cargas de corta duración → no es válido usar módulo de elasticidad El módulo de elasticidad es función de la resistencia del concreto y de su peso volumétrico. ACI propone Ec = W 1.5 (4270) √f´c para valores de 1.4 < w < 2.5 Donde:
w = peso volumétrico del concreto en t / m³ f´c = resistencia a la compresión en kg / cm²
RDF propone Ec = 10,000
√ f´c
G = 0.40 Ec
Módulo de elasticidad al esfuerzo cortante
µ = 0.12 - 0.20
Coeficiente de Poisson
ESTRUCTURACION 37