“RESOLUCIÓN DE TRABAJO FINAL”
ANÁLISIS Y DISEÑO DE CIMENTACIONES Y LOSAS
Consultoría y Capacitación
1.
CONTENIDO Objetivo...............................................................................................................................1
2.
Parte 1 – análisis y diseño de cimentación....................................................................1
3.
2.1
Importación a SAFE..................................................................................................1
2.2
Selección de unidades de trabajo...........................................................................3
2.3
Definición de materiales...........................................................................................3
2.4
Definición de secciones............................................................................................6
2.5
Definición de las varillas de acero de refuerzo......................................................7
2.6
Definición del suelo de soporte................................................................................7
2.7
Modelamiento de la cimentación.............................................................................8
2.8
Asignación del suelo de soporte a la cimentación................................................9
2.9
Dibujo de franjas de diseño......................................................................................9
2.10
Definición de parámetros de diseño......................................................................11
2.11
Combinaciones de diseño......................................................................................12
2.12
Resultados – Parte 1...............................................................................................14
2.12.1
Presión en el terreno.......................................................................................14
2.12.2
Asentamiento inmediato por cargas de servicio..........................................16
2.12.3
Punzonamiento................................................................................................17
2.12.4
Acero de refuerzo............................................................................................18
Parte 2 – análisis y diseño de losa aligerada..............................................................21 3.1.
Importación a SAFE................................................................................................21
3.2.
Selección de unidades............................................................................................21
3.3.
Definición de varillas de acero de refuerzo..........................................................22
3.4.
Definición de parámetros de diseño......................................................................22
3.5.
Dibujo de franjas de diseño....................................................................................23
3.6.
Combinaciones de diseño......................................................................................23
3.7.
Resultados................................................................................................................23
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LISTA DE IMÁGENES Imagen 1. Importación a SAFE del archivo *.F2K................................................................1 Imagen 2. Mostrar cargas importadas....................................................................................2 Imagen 3. Valores de carga para el caso de carga «Dead_ABOVE»................................2 Imagen 4. Selección de unidades de trabajo........................................................................3 Imagen 5. Módulo de elasticidad del concreto con SAFE 2016 Calculator.......................4 Imagen 6. Definición del material concreto 210 kgf/cm²......................................................4 Imagen 7. Definición del material acero de refuerzo fy = 4200 kgf/cm².............................5 Imagen 8. Definición de materiales.........................................................................................6 Imagen 9. Definición de sección de zapata de espesor 60 cm...........................................6 Imagen 10. Definición de las varillas de acero de refuerzo.................................................7 Imagen 11. Definición del suelo de soporte (Coeficiente de balasto o módulo de Winkler).......................................................................................................................................8 Imagen 12. Modelado de zapata aislada cuadrada..............................................................8 Imagen 13. Asignación de suelo de soporte..........................................................................9 Imagen 14. Modelado de la franja de diseño de capa A....................................................10 Imagen 15. Dibujo de la franja de diseño de capa B..........................................................10 Imagen 16. Visualización de ancho de franjas de diseño..................................................11 Imagen 17. Definición de parámetros de diseño de acuerdo a la N.T.P. E.060..............12 Imagen 18. Recubrimiento libre mínimo...............................................................................12 Imagen 19. Combinación de carga «Peso de Servicio»....................................................13 Imagen 20. Combinación de carga «Combo 1»..................................................................13 Imagen 21. Selección de combinaciones de carga para el diseño..................................14 Imagen 22. Configuración de la ventana «Reactions» para visualizar los esfuerzos en el suelo......................................................................................................................................15 Imagen 23. Presión en el suelo por cargas de servicio.....................................................15 Imagen 24. Configuración de la ventana «Deformed Shape» para visualizar los asentamientos por cargas de servicio..................................................................................16 Imagen 25. Asentamiento inmediato por cargas de servicio.............................................16 Imagen 26. Ratio Demanda/Capacidad por punzonamiento............................................17 Imagen 27. Verificación por punzonamiento según ACI 318-14.......................................17 FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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Consultoría y Capacitación Imagen 28. Configuración de ventana «Slab Design» para visualizar el acero de refuerzo de capa A..................................................................................................................18 Imagen 29. Número de varillas de refuerzo inferior de capa A.........................................19 Imagen 30. Configuración de ventana «Slab Design» para visualizar el acero de refuerzo de capa B..................................................................................................................19 Imagen 31. Número de varillas de refuerzo inferior de capa B.........................................20 Imagen 32. Importación de losa aligerada...........................................................................21 Imagen 33. Losa 1 importada en SAFE...............................................................................21 Imagen 34. Definición de varillas de acero de refuerzo.....................................................22 Imagen 35. Definición de parámetros de diseño según N.T.P. E.060..............................22 Imagen 36. Dibujo de franjas de diseño para losas aligeradas........................................23 Imagen 37. Combinaciones de carga para el diseño de losa...........................................23 Imagen 38. Acero de refuerzo superior e inferior por vigueta de la losa.........................24 Imagen 39. Resumen de resultados.....................................................................................24
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1. Objetivo. El objetivo del presente trabajo es el de afianzar los conocimientos adquiridos respecto al análisis y diseño estructural de las cimentaciones de edificaciones en concreto armado, así como también de darle un uso adecuado a una excelente herramienta para este fin, en este caso del software de SAFE 2016. 2. Parte 1 – análisis y diseño de cimentación. Para a primera parte se solicita lo siguiente: a. Indicar la presión en el suelo en unidades de kgf/cm² por cargas de servicio para la zapata cuadrada de 3 m de lado y 0.60 m espesor. b. Indicar el asentamiento inmediato producido por cargas de servicio. c. Indicar el ratio D/C (Demanda/Capacidad) por punzonamiento con una combinación de carga de 1.4 Carga Muerta + 1.7 Carga Viva (Combo 1) d. Indicar el acero total en número de varillas de 5/8” mediante un diseño con una combinación de carga «Combo 1». Se recomienda seguir los siguientes pasos: 2.1 Importación a SAFE. Los archivos exportados de ETABS tienen la extensión *.F2K, que en este caso se guardó con el nombre de «04 Cimentación para importar a SAFE», el cual se importará a SAFE. Desde un nuevo archivo de SAFE se va al menú File/Import/SAFE .F2K File, para luego importar el archivo con extensión *.F2K
Imagen 1. Importación a SAFE del archivo *.F2K Una manera de comprobar que se realizó con éxito la importación es verificar las cargas. Para lo cual, dar clic al botón Show Loads (mostrar cargas) que está ubicado por defecto en la barra de herramientas horizontal de la interfaz de SAFE. Luego, en la Show Loads seleccionar cualquier caso de carga y activar la opción Show Loading Values (mostrar valores de carga), después dar clic a OK. FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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Imagen 2. Mostrar cargas importadas. Y en una vista en 3D se puede verificar dichos valores de los diferentes casos y combinaciones de carga en cada punto en SAFE con los respectivos valores de carga en los puntos de base de ETABS.
Imagen 3. Valores de carga para el caso de carga «Dead_ABOVE»
2.2 Selección de unidades de trabajo. FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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Ir al menú Options/Units o dar clic al botón de unidades ubicado en la parte inferior derecha de la interfaz de SAFE . En la ventana Units dar clic al comando Consistent Units y en este caso se recomienda utilizar las unidades de kgf, cm, C.
Imagen 4. Selección de unidades de trabajo. Luego dar clic a OK, podremos observar que los valores de las cargas de actualizaron a los valores con las respectivas unidades seleccionadas. Para regresar nuevamente la vista en planta y sin que se muestre los valores de las cargas dar clic al comando Set Plan View (ajustar vista en planta)
y al botón Show
Undeformed Shape (mostrar forma no deformada) , ambos ubicados por defecto en la barra de herramientas horizontal de la interfaz de SAFE. 2.3 Definición de materiales. Para definir los materiales ir al menú Define/Materials. a) Concreto Se recomienda modificar el material de concreto que viene por defecto con nombre de CSAC30 y dar clic al comando Modify/Show Material. Luego completar los datos brindados para el concreto a utilizarse en este modelo. Para el caso del módulo de elasticidad, el cual de acuerdo a la N.T.P. E.030 tiene un valor de E=15000 √ f ' c , se utilizará la calculadora de SAFE mediante el comando Shift + doble clic sobre la respectiva casilla del módulo de elasticidad o con la combinación de las teclas Shift + Enter en dicha casilla. En la ventana SAFE 2016 Calculator introducir el valor del módulo de elasticidad y colocar las unidades de la fórmula, luego dar clic a Calculate. FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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Imagen 5. Módulo de elasticidad del concreto con SAFE 2016 Calculator. Finalmente debe quedar definido el material de concreto de la siguiente manera:
Imagen 6. Definición del material concreto 210 kgf/cm². b) Acero de refuerzo FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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Se recomienda modificar el material de acero de refuerzo que viene por defecto en SAFE con el nombre de CSA-GR30. 18Gr400 y dar clic al comando Show/Modify Material. Finalmente debe quedar definido el material de acero de refuerzo de la siguiente manera:
Imagen 7. Definición del material acero de refuerzo fy = 4200 kgf/cm². Después dar clic OK para terminar de definir los materiales.
Imagen 8. Definición de materiales. FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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2.4 Definición de secciones. Para el presente modelo sólo se utilizará una zapata de peralte de 0.60 m, según lo indicado. Ir al menú Define/Slab Properties. En la ventana Slab Properties, se puede modificar la sección que viene por defecto en SAFE con el nombre de SLAB1, dando clic al comando Show/Modify Property. La sección de la zapata de 60 cm debe quedar definida de la siguiente manera:
Imagen 9. Definición de sección de zapata de espesor 60 cm. Finalmente dar en la ventana Slab Properties Data dar clic a OK para terminar de definir la sección. 2.5 Definición de las varillas de acero de refuerzo. Ir al menú Define/Reinforcing Bar Sizes. Se procede a cambiar las barras del acero de refuerzo que viene por defecto en SAFE, cuyos diámetros están en unidades de mm, a unidades de pulgadas, las cuales son las que utilizan en nuestro medio. Para ello, es necesario dar clic al botón Clear All Bars (borrar todas las barras) , en la categoría Add Common Bar Set (añadir set de barra común) seleccionar U.S. Customary, luego dar clic al botón Add Bar Set Finalmente dar clic a OK.
(añadir ser de barra).
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Imagen 10. Definición de las varillas de acero de refuerzo. 2.6 Definición del suelo de soporte. Ir al menú Define/Soil Subgrade Properties. En la ventana Soil Subgrade Properties se puede modificar el suelo de soporte que viene por defecto en SAFE con el nombre de SOIL1, dando clic al comando Show/Modify Property. Luego de colocar el valor del coeficiente de balasto o módulo de Winkler dar clic a OK para terminar de definir dicho suelo de soporte.
Imagen 11. Definición del suelo de soporte (Coeficiente de balasto o módulo de Winkler) Cabe resaltar que el coeficiente de balasto o módulo de Winkler depende de las propiedades del suelo sobre el cual se apoyará la cimentación, para este caso la capacidad portante del suelo es de 1.75 kgf/cm² y se está considerando el valor del FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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coeficiente de balasto como 3.55 kgf/cm³, según la tesis de maestría “Interacción SueloEstructuras: Semi-espacio de Winkler”, Universidad Politécnica de Cataluña, BarcelonaEspaña. 1993, cuyo autor es el Ing. Nelson Morrison. 2.7 Modelamiento de la cimentación. Por cuestiones de facilidad de este trabajo final se modelará sólo una zapata aislada en concreto, tal y como se indicó. Se procede al modelado de la zapata aislada cuadrada de 3m de lado con el comando Quick Draw Areas Around Points (dibujo rápido de áreas alrededor de puntos) o ir al menú Draw/Quick Draw Areas Around Points. Configurar de la siguiente ventana de la manera a continuación:
Imagen 12. Modelado de zapata aislada cuadrada. Y luego dar clic a la intersección de los ejes C y 3, que es la zapata que se va analizar y diseñar. Finalmente dar clic al comando Select Object (seleccionar objeto) , ubicado por defecto en la barra de herramientas vertical de la interfaz de SAFE, para terminar el dibujo y cerrar la ventana de dibujo al mismo tiempo. Es recomendable acotar la cimentación luego de ser modelada. Para lo cual ir al menú Draw/Draw Dimensiones Lines o con el botón herramientas vertical de la interfaz de SAFE.
, ubicado por defecto en la barra de
2.8 Asignación del suelo de soporte a la cimentación. Para asignar el suelo de soporte a la cimentación ya modelada se procede primero a seleccionar la cimentación. En la barra de estado, ubicado en la parte inferior izquierda de la interfaz de SAFE, debe ir el número de elementos seleccionados. En este caso, por ser una zapata aislada, debe indicar . Luego ir al menú Assign/Support Data/Soil Properties. En la ventana Soil Subgrade Properties seleccionar el suelo de soporte, que se le denominó «Suelo».
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Imagen 13. Asignación de suelo de soporte. Hasta el momento la cimentación ya puede ser guardada y analizada. Sin embargo, por cuestiones prácticas de la presente se procede a los pasos respectivos para su diseño estructural.
2.9 Dibujo de franjas de diseño. Para el dibujo de las franjas de diseño dar clic al botón o ir al menú Draw/Draw Design Strips. a) Franja de diseño de capa A. La franja de diseño de capa A tendrá un ancho constante de 300 cm (150 cm al inicio a la izquierda, 150 cm al inicio a la derecha, 150 cm al final a la izquierda y 150 cm al final a la derecha) y se dibujará paralelo al eje X de modo que atraviese por la mitad de la zapata, tal y como se muestra:
Imagen 14. Modelado de la franja de diseño de capa A. FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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b) Franja de diseño de capa B. Previamente seleccionar la capa B en la ventana Draw Design Strips (Dibujar franjas de diseño). La franja de diseño de capa B, también tendrá un ancho constante de 300 cm (150 cm al inicio a la izquierda, 150 cm al inicio a la derecha, 150 cm al final a la izquierda y 150 cm al final a la derecha) y se dibujará paralelo al eje Y de modo que atraviese por la mitad de la zapata, tal y como se muestra:
Imagen 15. Dibujo de la franja de diseño de capa B. Una vez terminado el dibujo de las franjas de diseño dar clic al comando Select Object (seleccionar objeto) . Para visualizar el ancho de las franjas dibujadas o que se van dibujando es necesario ir al menú View/Set Display Option o mediante el comando por defecto de SAFE [Ctrl + W]. En la ventana Set Display Options, en la categoría Design Strip Object activar la casilla Show Width, y dar clic a OK. Esta visualización sólo está disponible cuando existe al menos una franja de diseño dibujada.
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Imagen 16. Visualización de ancho de franjas de diseño. 2.10 Definición de parámetros de diseño. Para definir los parámetros de diseño se deberá ir al menú Design/Design Preferences. Donde se procede a cambiar el valor de phi a compresión a 0.70, puesto que se plantea columnas rectangulares con estribos, según la N.T.P. E.060 Concreto Armado. Además se cambia el valor de phi a cortante a 0.85.
Imagen 17. Definición de parámetros de diseño de acuerdo a la N.T.P. E.060. También se debe definir el recubrimiento libre mínimo de las losas de las zapatas, que según la N.T.P. E.060 Concreto Armado es de 7 cm.
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Imagen 18. Recubrimiento libre mínimo. Finalmente dar clic a OK. 2.11 Combinaciones de diseño. Para configurar las combinaciones de diseño, previamente deben ser definidas. En este caso, debido a que se trabajó a partir de un archivo exportado desde ETABS también se exportó las combinaciones de dicho archivo. En el presente trabajo sólo se pide trabajar con 2 combinaciones de diseño, las cuales son sólo por cargas de gravedad. La primera combinación de carga a utilizar está constituida de la siguiente manera: CM + CV, a la que se denominó «Peso de servicio». La segunda combinación de carga a utilizar está constituida de la siguiente manera: 1.4 CM + 1.7 CV, a la que se denominó «Combo 1» Donde: CV = Carga Viva. CM = Carga Muerta.
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Imagen 19. Combinación de carga «Peso de Servicio»
Imagen 20. Combinación de carga «Combo 1»
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Para poder verificar el punzonamiento con la combinación de carga de 1.4 Carga Muerta + 1.7 Carga Viva se debe ir al menú Design/Design Combos y en Design Load Combinations deben ir las combinaciones con las que se va a realizar el diseño, en este caso solamente se utilizará el Combo 1 (1.4 CM + 1.7 CV).
Imagen 21. Selección de combinaciones de carga para el diseño. 2.12 Resultados – Parte 1. Para poder ver los resultados es necesario guardar y correr el modelo. 2.12.1 Presión en el terreno. Ir al menú Display/Show Reactions Forces o dar clic al botón , ubicado por defecto en la barra de herramientas horizontal de la interfaz de SAFE. En la ventana que se genera, Reactions, en la sección Load Case/ Load Combination (Caso de carga/Combinación de carga) se debe seleccionar la combinación «Peso de Servicio». En la sección Type of Reaction (Tipo de reacción) se debe seleccionar Soil Pressures (Presión de suelo). Las demás secciones se pueden ir configurando de acuerdo a las necesidades de visualización que se requiera.
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Imagen 22. Configuración de la ventana «Reactions» para visualizar los esfuerzos en el suelo. Se puede verificar que la presión en el terreno es de 1.707 Kgf/cm² para cargas de servicio.
Imagen 23. Presión en el suelo por cargas de servicio.
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2.12.2 Asentamiento inmediato por cargas de servicio. Para verificar los asentamientos ir al menú Display/Show Deformed Shape o dar clic al botón , ubicado por defecto en la barra de herramientas horizontal de la interfaz de SAFE.
Imagen 24. Configuración de la ventana «Deformed Shape» para visualizar los asentamientos por cargas de servicio. Se puede verificar que el asentamiento inmediato máximo es de 0.481 cm.
Imagen 25. Asentamiento inmediato por cargas de servicio.
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2.12.3 Punzonamiento. Para la verificación por punzonamiento o cortante bidireccional, ir al menú Display/Show Punching Shear Design o dar clic al botón . Se puede verificar que la zapata analizada cumple por punzonamiento con un ratio de Demanda/Capacidad de 0.7359.
Imagen 26. Ratio Demanda/Capacidad por punzonamiento. Para verificar con qué combinación de carga SAFE realizó el punzonamiento, es necesario dar clic derecho al punto donde se encuentran las cargas y se puede visualizar la siguiente ventana.
Imagen 27. Verificación por punzonamiento según ACI 318-14. FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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2.12.4 Acero de refuerzo. El diseño del acero de refuerzo se realizará, como se indicó, con la combinación de carga «Combo 1» (1.4 CM + 1.7 CV). Para la cual, ir al menú Display/Show Slab Design con el modelo ya analizado o dar clic al botón . Configurar la ventana Slab Design de la siguiente manera para poder visualizar el número total de acero de refuerzo inferior para la capa A (acero de refuerzo distribuido paralelo al eje X):
Imagen 28. Configuración de ventana «Slab Design» para visualizar el acero de refuerzo de capa A. Luego dar clic a OK y se puede verificar que es necesario 20 varillas de Φ 5/8"
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Imagen 29. Número de varillas de refuerzo inferior de capa A. Se observa que se requiere 20 Φ 5/8” (#5) para la capa A. De manera similar para la capa B:
Imagen 30. Configuración de ventana «Slab Design» para visualizar el acero de refuerzo de capa B.
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Luego dar clic a OK y se puede verificar que es necesario 21 varillas de Φ 5/8"
Imagen 31. Número de varillas de refuerzo inferior de capa B. Se observa que se requiere 21 Φ 5/8” (#5) para la capa A.
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3. Parte 2 – análisis y diseño de losa aligerada Para la segunda parte se solicita lo siguiente:
a. Indicar el acero de refuerzo inferior (en varillas de ½”) y superior (en varillas de 5/8”) para la losa aligerada según las combinaciones de diseño desde ETABS (Combo 1, Combo 2, Combo 3, Combo 4 y Combo 5) que ya están definidas según NTP. 060. Se recomienda seguir los siguientes pasos: 3.1. Importación a SAFE. Desde un nuevo archivo de SAFE se va al menú File/Import/SAFE.F2K para importar el archivo de extensión *.F2K que contiene la losa aligerada exportada desde ETABS y que se guardó con el nombre de « 05 Losa 1 para importar a SAFE.F2K ».
Imagen 32. Importación de losa aligerada. Dar clic a Abrir. Aquí se observa la losa 1 ya importada en SAFE:
Imagen 33. Losa 1 importada en SAFE. FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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Se recomienda guardar el modelo con un nombre adecuado. 3.2. Selección de unidades. Configurar las unidades de manera similar como se hizo con el modelo de la cimentación. También se utilizará las unidades de kgf, cm, C. 3.3. Definición de varillas de acero de refuerzo. Como se hizo anteriormente Ir al menú Define/Reinforcing Bar Sizes. Se procede a cambiar las barras del acero de refuerzo que viene por defecto en SAFE, cuyos diámetros están en unidades de mm, a unidades de pulgadas.
Imagen 34. Definición de varillas de acero de refuerzo. Dar clic a OK. 3.4. Definición de parámetros de diseño. Para la definición de parámetros de diseño, ir al menú Design/Design Preferences y definir los factores de reducción de materiales de acuerdo a la N.T.P. E.060 Concreto Armado.
Imagen 35. Definición de parámetros de diseño según N.T.P. E.060. Dar clic a OK. FIETZEN INGENIEROS S.A.C. CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 – 970989298, BITEL: 931075966
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3.5. Dibujo de franjas de diseño. Para el dibujo de las franjas de diseño dar clic al botón o ir al menú Draw/Draw Design Strips y dibujar las franjas de diseño de la siguiente manera:
Imagen 36. Dibujo de franjas de diseño para losas aligeradas. Se dibuja las franjas de diseño con un ancho de 40 cm, tal y como se indicó, por ser éste el espaciamiento entre viguetas. 3.6. Combinaciones de diseño. Verificar las combinaciones de diseño en el menú Design/Design Combos, la cual debe mostrarse de la siguiente manera:
Imagen 37. Combinaciones de carga para el diseño de losa. 3.7. Resultados. Guardar el modelo, dar clic al botón Run Analysis & Design para analizar el modelo y luego dar clic al botón Show Slab Design para que SAFE muestre el diseño de la losa.
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Imagen 38. Acero de refuerzo superior e inferior por vigueta de la losa. De donde se observa que se requiere: Acero de refuerzo superior: 1 φ 1/2" (#4). Acero de refuerzo superior: 1 φ 5/8" (#5). Finalmente se tiene a continuación un resumen de los resultados:
Imagen 39. Resumen de resultados
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