1

=

==

==

=

(T) Plstico Flujo

(T) fraguado de Retraccin(Hormign) Reolgicas

(madera) nContracci ytoHinchamien(T) Trmicas

(T) toasentamien Porgra puentes de lateral empuje yFrenaje

)"earthquake"(E Ssmicas

Indirectas

(F) lquidos de Empujes(F) lquidos de Peso

Liquidos

(H) terreno del Empujes(H) terreno del Peso

Terreno

)Rain""(R hielo o Lluvia)Wind""(W Viento

)Snow""(S NieveClimticas

montaje ynconstrucci Demuebles) (personas, Variables

)Biblioteca (Bodega, Fijas )load" Live"(L uso De

sSobrecarga

tabiques) ,ornamentos (estucos, nesTerminacioa)(estructur propio Peso

)load"Dead"(DsPermanente

Directas

CARGAS

CARGAS E HIPTESIS DE CARGA SOBRE LAS ESTRUCTURAS:

2La sobrecarga de uso puede corresponder a las siguientes situaciones especficas, a las que se le otorga la nomenclatura que se seala:

L = Sobrecarga de ocupacin en edificios y equipos mviles.

Lr = (r=roof) Sobrecarga de techo

La = (a= accidental) Sobrecarga accidental debida a explosiones, cortocircuitos y sobrellenado de tolvas, ductos o recipientes, que se derivan de la ocurrencia del sismo.

Lc = (c=current) Sobrecarga normal de uso.

Lo = (o=operation) Sobrecarga especial debida a efectos dinmicos otrmicos que existen durante la operacin ( impactos, frenajes, golpes de ariete) y que si no se interrumpen durante el sismo, se incluye en las combinaciones que lo consideran.

Las cargas ssmicas pueden corresponder a las siguientes situacionesespecficas, a las que se le otorga la nomenclatura que se seala:

E = Carga ssmica definida de acuerdo a NCh433.Eh= Esfuerzo ssmico horizontal, definido por NCh 2369.Ev= Esfuerzo sismico vertical, definido por NCh 2369.

34.4.3 Cargas de Impacto

Las sobrecargas L, Lc, La, Lo que puedan inducir cargas de impacto, debern incrementarse en las combinaciones 4.4-2 a 4.4-6. A menos que se especifique otra cosa, los incrementos sern:

Apoyos de ascensores y sus equipos ..........................................100%. del peso totalApoyos de maquinaria liviana, no menos de ..................................20% del peso total Apoyos de maquinaria de movimiento recproco o motores, no menos de .................................................................................. 50% de la parte mvil Harneros vibratorios.......................................................................100% de la parte mvil Colgadores que soportan pisos y balcones ......................................33% del peso total Vigas y sus conexiones que soportan gras con cabina .................. 25% del peso total Vigas y sus conexiones que soportan gras con botonera................10% del peso total

44.4.4 Fuerzas horizontales de puentes gras

La fuerza lateral nominal en vas de gras debida a movimiento y frenaje del carro ser como mnimo el siguiente porcentaje de la suma de los pesos de las cargas levantadas y del carro, excluyendo el peso del puente:

Gras de uso general, incluyendo las que mueven metal caliente ....................................20%

Gras de mantencin en salas de mquinas y motores.....................................................15%

Gras operadas con botoneras .........................................................................................10%

Gras manuales...................................................................................................................5%

Gras excavadoras y magnticas.......................................................................................50%

La fuerza se considerar como aplicada en la parte superior de los rieles, actuando en cualquier direccin normal a la de las vas, distribuida entre ambos rieles segn la rigidez de la estructura soportante.

La fuerza longitudinal deber ser como mnimo el 10% de las cargas mximas en las ruedas de la gra y aplicada en la parte superior de los rieles, salvo que se especifique otra cosa.

5Hiptesis de Cargas para el Diseo:

Sobre una estructura puede existir una diversidad de cargas; de stas algunas actan de manera permanente (peso propio, terminaciones), otras lo hacen de manera habitual o normal (sobrecargas de uso) y finalmente, otras lo hacen de manera eventual ( sismo) o porun periodo corto y nico de tiempo (montaje), a las que puede drsele el carcter de eventual.

Cada una de estas cargas no acta aisladamente sobre la estructura, sino que lo hace en combinacin con otras (desde luego, siempre estar actuando a lo menos el peso propio entoda combinacin).

Durante la vida til de la estructura ( 25 a 30 aos ) es posible que se produzcan, en distintas oportunidades, distintas combinaciones de estas cargas.

A las distintas combinaciones de carga que pueden solicitar a la estructura en un instantedeterminado se les denomina Estados de Carga.

El problema del Diseo de una estructura empieza por determinar cul ser la combinacinque controlar el dimensionamiento o verificacin de los elementos estructurales

6ENFOQUES DE DISEO

El diseo de un elemento estructural implica la seleccin de una seccin transversal que resista con seguridad y econmicamente las cargas aplicadas, cumpliendo con las condiciones de servicio que se requieren, La economa significa usualmente peso mnimo, es decir una cantidad mnima de acero. Esta cantidad corresponde a la seccin transversal con el menor peso por unidad de longitud, que es aquella con la menor rea transversal. Aunque otras consideraciones, como la facilidad de construccin, puede finalmente afectar la seleccin del tamao de un elemento estructural, el proceso de diseo comienza con la seleccin del perfil ms liviano que cumpla la funcin deseada.

Una vez establecido el objetivo que debe cumplir el diseo, el ingeniero debe decidir cmo hacerlo con seguridad, que es donde entran en juego los diferentes enfoques del diseo.

En la actualidad, para Disear en Acero existen tres Metodologas, en que cada una se generan Estados de Cargas consecuentes con su respectivo planteamiento de diseo, estas Metodologas, son (de la ms antigua a la ms moderna):

1. Mtodo de Diseo por Tensiones Admisibles

(ASD= Allowable Strength Design)

2. Mtodo de Diseo Plstico

3. Mtodo de Diseo por Factores de Carga y Resistencia

(LRFD= Load and Resistant Factors Design)

7

Diagrama tensin-deformacin en traccin de un acero A42-27 ES, ( A270 ES segn nueva Norma NCh 203-2005 Acero para uso estructural Requisitos) aproximado por los lmites de tensin nominal que lo definen.

81. Mtodo de Diseo por Tensiones Admisibles

(ASD= Allowable Strength Design)

En este Mtodo los elementos estructurales se disean suponiendo una variacin lineal en la relacin tensin-deformacin de los materiales constituyentes (es decir, los materiales se consideran linealmente elsticos, por lo que a este Mtodo se le llama tambin Mtodo Elstico), para ello se impone que bajo las cargas de servicio las tensiones en los materiales no excedern las tensiones mximas permitidas ("tensiones admisibles").

En el caso del acero, estas son menores que la tensin de fluencia ( a excepcin de alguna situacin, como la de aplastamiento de conectores, en que para facilitar los clculos del modelo estructural se toma convencionalmente una tensin mayor de manera apropiada para el ajuste ).

9De esta manera se garantiza que los materiales trabajarn en un rango en que su comportamiento ser linealmente elstico o muy aproximado a l. As ocurre que, cuando existe carga la estructura se deforma, y esta deformacin es mayor en la medida que la carga es mayor; si se elimina la carga, la deformacin desaparece.

Estados de Carga en el Mtodo de Tensiones Admisibles:

Se deben considerar los estados de carga que signifiquen combinar de la manera ms desfavorable las solicitaciones de servicio que puedan actuar sobre la estructura.

En estas combinaciones, sin embargo, se debe tomar en cuenta si acaso contienen solicitaciones de servicio en que todas son de normal ocurrencia, si alguna es de tipo eventual, y si en la combinacin existe ms de una eventualidad.

En relacin a lo anterior, se admite aumentar las Tensiones Admisibles de los materiales cuando en un estado de carga (combinacin) existe una eventualidad o ms de una eventualidad.

Para el caso de una sola eventualidad contenida en la combinacin se acostumbra aumentar las Tensiones Admisibles en un 33%. En caso de ms de una eventualidad, las Tensiones Admisibles se aumentan en un 50%.

Como alternativa a lo anterior se admite tambin (y resulta ms conveniente en los anlisis de los resultados), el normalizar los estados de carga que contengan eventualidades, esto se logra multiplicando el total de la combinacin que contenga una o ms eventualidades por el recproco de los factores de aumento de las Tensiones Admisibles (es decir, la combinacin se multiplica por un coeficiente 0.75 si contiene una eventualidad, o por 0.67 si contiene ms de una eventualidad). Con sta forma de proceder los estados de carga resultan directamentecomparables pues se utiliza en todos la misma Tensin Admisible.

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Criterios de Diseo en Mtodo de Tensiones Admisibles:

Llamando:

Tensin de trabajo originada por la carga (QN) i de normal ocurrencia del estado de carga.

Tensin de trabajo originada por la carga (QE) i de eventual ocurrencia del estado de carga.

Criterio1 :

Aumento de tensiones admisibles en caso de que en el estado de carga existan eventualidades.

=QNif=QEif

=

=

==

+ montaje considera si o adeseventualid ms o dos hay si 1.50 F.M.

adeventualid una slo haysi 1.33F.M.

)adeseventualid hay no(0fsi1.M.F

f.)M.F()f(f

Qi

admQEiQNi

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Criterio 2.

Normalizacin de los Estados de carga a travs de un Factor de Reduccin F.R.= 1/F.M. y luego trabajar con el Criterio 1. (Tiene la ventaja que los estados de carga resultan comparables de manera directa, pues con todos se ocupa la misma tensin admisible)

==

==

==

+=+

montaje considera si o adeseventualid ms o dos hay si 0.671.51 F.R.

adeventualid una slo haysi 0.7533.11F.R.

)adeseventualid hay no(0fsi1.R.F

f)'f'f()f(f.)R.F(

Qi

admQEiQNiQEiQNi

En que:

Tensin de trabajo originada por la carga (QN) i normal, del Estado de carga normalizado

Tensin de trabajo originada por la carga (QE) i eventual, del Estado de carga normalizado

=QNi'f

=QEi'f

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2. Mtodo de Diseo Plstico:

A diferencia del Mtodo de Tensiones Admisibles, este Mtodo se basa en condiciones de falla en vez de condiciones de servicio. Un elemento se selecciona usando el criterio de que la estructura de acero fallar bajo una carga considerablemente mayor que la carga de servicio. La falla en este contexto significa el colapso, o bien deformaciones extremadamente grandes.

Se usa el trmino plstico porque en la falla, las partes del elemento de acero sufriran deformaciones muy grandes que introduciran al elemento en el rango plstico. Es decir, se considera que en las zonas de mayor tensin en la estructura la seccin de acero se puede llegar a plastificar totalmente, por ello es que en el anlisis se emplea un diagrama bilineal del material:

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Cuando una seccin transversal entera se plastifica, se produce la llamada rtula plsticaen dicha seccin. En ella, la solicitacin que produjo la plastificacin no puede aumentar de valor, por lo que eventuales aumentos de carga son redistribuidos a otras secciones crticas. En la figura se muestra la evolucin que sufrira una seccin terica de acero sometida a un momento de flexin creciente (Mientras la seccin es totalmente elstica, la condicin que las fuerzas en la seccin tenga resultante nula impone que el eje neutro pase por el centro de gravedad de la seccin, en cambio, cuando la seccin se ha plastificado totalmente, la misma condicin impone que el eje neutro divida a la seccin en dos reas iguales)

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La rtula plstica permite el giro de la seccin de manera similar a una rtula convencional, con lo que si se han producido suficientes rtulas plsticas la estructura se convierte en un mecanismo, llamado mecanismo de colapso.

Como las cargas de servicio sern inferiores a las cargas de falla a travs de un factor de seguridad conocido como factor de carga, los elementos diseados de esta manera no son inseguros, a pesar de ser diseados con base en lo que sucede en la falla. Los miembros diseados por teora plstica alcanzan el punto de falla bajo las cargas factorizadas, pero son seguros bajo las cargas de trabajo reales.

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La Norma NCh 427 an vigente considera que el colapso de la estructura se alcanza con el estado de cargas de servicio amplificado por un factor 1,7 si las cargas de servicio se originan por peso propio y sobrecarga, o por un factor 1.3 si las cargas se originan por una combinacin de peso propio ms sobrecarga, ms una carga eventual de viento o sismo.

Debido a la falta de investigacin a la fecha de su promulgacin, en aspectos relacionados con los mecanismos de colapso de estructuras complejas, y con la influencia de otros tipos de fallas como volcamiento y fatigamiento, la NCh 427 limit la aplicacin del Mtodo de Diseo Plstico slo a algunos casos bien experimentados, como son:

Vigas contnuas.

Edificios de marco de nudos rgidos de hasta 2 pisos.

Edificios de ms pisos con torres de arriostramiento lateral en base a diagonales que deben resistir las solicitaciones laterales (por ejemplo de viento, sismo etc.)

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3. Mtodo de Diseo por Factores de Carga y Resistencia (MFCR)

( LRFD= Load and Resistance Factor Design, en ingls)

Este Mtodo es conocido tambin corno Mtodo de los Estados Lmites, es similar al Diseo Plstico en tanto que se considera la resistencia ltima, pero adems toma en cuenta la condicin de falla por motivos de serviciabilidad.

Los estados lmite de resistencia estn relacionados con la seguridad y con la capacidad mxima de carga de la estructura, y son los siguientes:

Rotura, Fluencia, Pandeo Local, Pandeo de columnas, Volcamiento de vigas, Fatiqamiento y Rotura Frgil.

Los estados lmite de servicio estn relacionados con el desempeo de la estructura bajo condiciones normales de servicio, y son los siguientes:

Deformaciones Verticales, Deformaciones Horizontales, Vibraciones, Corrosin y Fuego.

En la Norma de Diseo el trmino resistencia se usa tanto para los estados lmite de resistencia como para los de servicio.

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Para llevar la estructura al lmite de resistencia, se deben combinar las cargas ltimas que podran llevarla a esa situacin.

Las cargas ltimas corresponden a las cargas de servicio multiplicadas por factores mayores que la unidad (llamados Factores de Carga), especificados convencionalmente por las Normas, despus de numerosos estudios estadsticos de estructuras ya construidas.

Por otro lado, se establece cul es la resistencia lmite de la estructura tomando en cuenta las caractersticas del material involucrado, las exactitud de los modelos para representar su resistencia, y el tipo de solicitacin. Esta resistencia lmite corresponde a la resistencia de tipo nominal que arrojara el modelo ocupado, multiplicado por un factor menor que la unidad (llamado Factor de Resistencia), que toma en cuenta el resto de los aspectos mencionados recin, y que tambin es especificado convencionalmente por las Normas.

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4.4 CARGAS Y COMBINACIONES DE CARGASSe usarn como cargas nominales de diseo las mnimas especificadas en las NCh indicadas en la seccin 2. Si no hay una norma especfica, se usarn las cargas y combinaciones de cargas del estndar de la Sociedad Americana de Ingenieros Civiles Minimum DesignLoads for Buildings and Other Structures, ASCE 7.

Criterio de Diseo en el Mtodo de Factores de Carga y de Resistencia:

Se debe cumplir:

Carga factorizada < resistencia reducida

La carga puede interpretarse como carga propiamente tal, o como la solicitacin (Traccin, Compresin, Momento de flexin, etc. ) generada por ella.

Ms detalladamente:

(Cargas x Factores de Carga) < Factor de Resistencia x Resistencia Nominal

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4.4.1 Cargas nominales:Se debern considerar las siguientes cargas nominales: D Peso propio y otras cargas permanentes. L Sobrecargas de ocupacin en edificios y equipos mviles. Lr Sobrecarga de techo. La Sobrecarga accidental debida a explosiones, cortocircuitos y sobrellenado de tolvas, ductos o recipientes, que se derivan de la ocurrencia deL sismo. Lc Sobrecarga normal de operacin o uso. Lo Sobrecarga especial debida a efectos dinmicos o trmicos que existen durante la operacin (impactos, frenajes. golpe de ariete) y que si no se interrumpen durante el sismo, se incluye en las combinaciones que lo consideran. W Carga de viento. S Carga de nieve. E Carga ssmica, definida de acuerdo a NCh 433. Eh Esfuerzo ssmico horizontal, definido segn NCh 2369. Ev Esfuerzo ssmico vertical, definido segn NCh 2369. R Carga inicial debida al agua de lluvia o hielo. Para edificios con techos horizontales (i < 5%) ubicados en zonas lluviosas, se deberconsiderar adems el peligro de apozamiento por deflexin del techo

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4.4.2 Combinaciones de cargas

La resistencia de la estructura y sus elementos debe ser determinada para la combinacin ms crtica de cargas mayoradas. El caso critico puede ocurrir cuando una o ms cargas no estn actuando. Se analizarn a lo menos las siguientes combinaciones:

1.4D (4.4-1)

1.2D + 1.6L+ 0.5 (Lr S R) (4.4-2)

1.2D +1.6 (Lr S R)+ (0.5 L 0.8 W) (4.4-3)

1,2D + 1,3W + 0.5 L+ 0.5 (Lr S R) (4.4-4)

En edificios: 1.4D + 1.4L 1.4E (4.4-5)

En industrias: 1,2D + a Lc + Lo + La 1,1 Eh 1,1 Ev

En edificios: 0.9D 1.4 E 1.3 W (4.4-6)

En industrias: 0,9D + La 1.1 Eh 0.3 Ev

0.9D 1.3W

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en que:

a Factor que toma en cuenta la probabilidad de ocurrencia simultnea de Lc y E. ....Vale normalmente 1.0, pero tiene los siguientes mnimos:

....Bodegas y zonas de acopio con baja rotacin..... 0.50

....Zonas de uso normal, plataformas de operacin.. 0.25

....Diagonales que soportan cargas verticales........ ..1.00

....Pasarelas de mantencin, techos..........................0

En las combinaciones 4.4-2, 4.4-3 y 4.4-4 el smbolo L representa tambin a (Lc+Lo).

En las combinaciones 4.4-3 y 4.4-4 el factor de L ser 1.0 para garajes. lugares pblicos de reunin y cualquier rea donde la sobrecarga sea mayor de 5000 N/rn2.

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4.5.1 Resistencia requerida para cargas factorizadas La resistencia requerida en los elementos estructurales y sus uniones deber determinarse por medio del anlisis estructural para la o las combinaciones de cargas mayoradas que controlen el diseo. Se permite el diseo mediante anlisis elstico o plstico. En el anlisis plstico las relaciones ancho/espesor y las esbelteces de los elementos comprimidos deben limitarse a valores que impidan el pandeo loca! y permitan la rotacin adecuada de las rtulas plsticas, como se especifica ms adelante. Las vigas de secciones compactas definidas en la seccin 5.5.1 y que satisfacen los requerimientos de apoyo lateral para anlisis plstico especificado en 9.1.2.4, continuas o empotradas en columnas, podrn disearse para el 90% de los momentos elsticos negativos de apoyo producidos por las cargas gravitacionales. A su vez, al momento mximo positivo del tramo deber agregrsele un 10% del promedio de los momentos negativos. Esta reduccin no es aplicable a vigas hbridas o elementos en voladizo. Si el momento negativo es resistido por una columna rgidamente conectada a la viga, puede usarse la reduccin del 10% en el diseo a flexin compuesta de la columna, siempre que la fuerza axial de compresin no exceda Fc veces 0.15 AgFy, donde: Ag : Area bruta de la seccin. mm2. Fy : Tensin de fluencia especificada. MPa. Fc : Factor de resistencia para compresin.

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4.5.3 Diseo por resistenciaLa resistencia de diseo de cada componente o conjunto estructural debe ser superior o igual a la resistencia requerida, basada en las cargas factorizadas. La resistencia de diseo FRn se calcula para cada estado lmite aplicable, multiplicando la resistencia nominal R por el factor de resistencia F. La resistencia requerida debe determinarse para cada una de las combinaciones de cargas aplicables estipuladas en 4.4. La resistencia nominal Rn y el factor de resistencia F se indican en los captulos 7 a 14 de esta norma.

4.5.4 Diseo para condiciones de servicio y otras consideraciones Tanto la estructura en su conjunto como sus elementos componentes, uniones y conectores deben ser verificados para las condiciones de servicio. El captulo 15 estipula los requisitos de diseo para dichas condiciones.

4.5.5 Diseo alternativo de miembros formados en fro Para el diseo de miembros plegados en fro se podrn utilizar, alternativamente a las disposiciones de esta Especificacin, las provisiones de la Especificacin para el diseo de miembros estructurales plegados en fro - Mtodo de Factores de Carga y Resistenciadel American Iron and Steel institute, AISI, edicin de 1996.

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Establezca al menos 3 diferencias entre los Mtodos de Diseo por Tensiones Admisibles y el Mtodo de Diseo por Factores de Carga y Resistencia.R:

Mtodo por Tensiones Admisibles Mtodo por Factores de Carga y Resistencia 1. Los materiales trabajan en rango elstico 1. Los materiales trabajan en situacin ltima 2. Considera situaciones de servicio 2.Considera situaciones lmite de resistencia 3. Considera igual exactitud de las cargas 3. Distingue diferencias de exactitud de cargas 4. Emplea factores de normalizacin 4. Emplea factores de carga y resistencia.

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Explique lo que entiende por efecto P-delta. R: Fenmeno que se produce en elementos sometidos a la accin simultnea de flexin y carga axial. En ellos la deformacin por flexin generada en un anlisis de primer orden origina que la carga axial quede excntrica con respecto al eje del elemento, producindose un aumento de segundo orden de los momentos de flexin. Lo anterior explica su nombre: P (carga axial), delta (deformacin del eje del elemento debido a la flexin).

Seale en qu caso es obligatorio considerar los efectos de segundo orden generados por cargas que producen desplazamientos laterales significativos. R: De acuerdo a la Norma propuesta en ICHA 2002 (Artculo 5.4) , es obligatorio considerar estos efectos en columnas que experimentan una deformacin lateral relativa entre sus extremos igual o superior a H/250, en que H es la longitud de la columna. Lo anteriort no puede ocurrir en edificios convencionales ya que la Norma NCh 433 de Diseo sismico de edificios lo impide, y slo en determinados casos de edificios industriales la Norma de Diseo NCh 2369 Diseo ssmico de estructuras e instalaciones industriales admite deformaciones iguales o mayores a 1/250. Por tanto, slo en esos casos habra que determinar B2 que es el coeficiente de amplificacin de momentos originados por cargas que producen desplazamientos laterales significativos.

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NOTA:La Norma NCh433-Of 96 Diseo ssmico de edificios especifica un desplazamiento relativo horizontal mximo entre centros de masas de dos niveles consecutivos de 0.002h, es decir de 1/500 de h, por lo que en edificios no se dara la situacin de tener que considerar el efecto PD .La Norma NCh2369-2002 Diseo ssmico de estructuras e instalaciones industriales, en cambio,tiene las siguientes limitaciones:1. Estructuras de hormign prefabricado con sistema sismorresistente constitudo por muros, la deformacin no debe exceder de 0.002 h, es decir 1/ 250.2. Estructuras de muros de albailera no deben tener deformaciones mayores que 0.003 h, es decir 1/333.3. Marcos no arriostrados con rellenos de albailera separados por junta de dilatacin no deben tener deformacin mayor que 0.0075 h, es decir 1/133.4. Otras estructuras, no deben tener una deformacin mayor que 0.015 h, es decir 1/67 h.Por lo tanto el efecto PD ser necesario considerarlo en las dos ltimos tipos de estructuras industriales.

(ICHA2002)

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(ICHA2002)

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