SteelComportamiento&Diseño-DrZavala

Dr. Carlos Zavala -

CISMID/FIC/UNI

DISEO Y COMPORTAMIENTO DE

ESTRUCTURAS METLICAS

Dr. Ing. Carlos Zavala

Profesor DAE-FIC-UNI

Investigador CISMID-FIC-UNI

Normativa para el Diseo

NTE- E020 - Cargas

NTE- E030 - Sismo

NTE- E090 Diseo de Estructuras Metlicas (Basada en el AISC - LRFD 1999)

Load and Resistance Factor Design Specification for Structural Steel Buildings, LRFD ANSI/AISC 360-10 2010.

Seismic Provisions for Structural Steel Buildings ANSI/AISC 341-10 2010.

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Cargas & Combinaciones

D : Carga muerta debida al peso propio de los elementos y los efectos

permanentes sobre la estructura.

L : Carga viva debida al mobiliario y ocupantes.

rL : Carga viva en las azoteas.

W

: Carga de viento.

S : Carga de nieve.

E : Carga de sismo de acuerdo a la Norma E.030 Diseo Sismorresistente.

R

: Carga por lluvia o granizo.

Cargas

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La resistencia requerida de la estructura y sus elementos debe ser determinada para la

adecuada combinacin crtica de cargas factorizadas. El efecto crtico puede ocurrir

cuando una o ms cargas no estn actuando. Para la aplicacin del mtodo LRFD, las

siguientes combinaciones deben ser investigadas:

1.4 D 1.4.1

1.2 D + 1.6 L + 0.5 (Lr S R) 1.4.2

1.2 D + 1.6 (Lr S R) + (0.5 L 0.8W) 1.4.3

1.2 D + 1.3 W + 0.5 L + 0.5 (Lr S R) 1.4.4

1.2 D + 1.0 E + 0.5 L + 0.2 S 1.4.5

0.9 D + (1.3 W 1.0 E) 1.4.6

Combinaciones NTE-090

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Consideraciones de Viento NTE-020

Presin Exterior

Presin Interior

Vh-min=75 km/hr

V=Velocidad hasta 10 m.

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Consideraciones de Sismo NTE-030

Fuerza lateral equivalente

Corte Basal

Tabla N1: FACTORES DE ZONA

ZONA Z

3 0,4

2 0,3

1 0,15

Tabla N2: Parmetros del Suelo

Tipo Descripcin Tp (s) S

S1 Roca o suelos muy rgidos 0,4 1,0

S2 Suelos intermedios 0,6 1,2

S3 Suelos flexibles o con

estratos de gran espesor 0,9 1,4

S4 Condiciones excepcionales * *

T

TC

p5,2

Tabla N 3

CATEGORA DE LAS EDIFICACIONES

CATEGORA DESCRIPCIN FACTOR U

A

Edificaciones

Esenciales

Edificaciones esenciales cuya funcin no debera

interrumpirse inmediatamente despus que

ocurra un sismo, como hospitales, centrales de

comunicaciones, cuarteles de bomberos y

polica, subestaciones elctricas, reservorios de

agua. Centros educativos y edificaciones que

puedan servir de refugio despus de un desastre.

Tambin se incluyen edificaciones cuyo colapso

puede representar un riesgo adicional, como

grandes hornos, depsitos de materiales

inflamables o txicos.

1,5

B

Edificaciones

Importantes

Edificaciones donde se renen gran cantidad de

personas como teatros, estadios, centros

comerciales, establecimientos penitenciarios, o

que guardan patrimonios valiosos como museos,

bibliotecas y archivos especiales.

Tambin se considerarn depsitos de granos y

otros almacenes importantes para el

abastecimiento

1,3

C

Edificaciones

Comunes

Edificaciones comunes, cuya falla ocasionara

prdidas de cuanta intermedia como viviendas,

oficinas, hoteles, restaurantes, depsitos e

instalaciones industriales cuya falla no acarree

peligros adicionales de incendios, fugas de

contaminantes, etc.

1,0

D

Edificaciones

Menores

Edificaciones cuyas fallas causan prdidas de

menor cuanta y normalmente la probabilidad de

causar vctimas es baja, como cercos de menos

de 1,50m de altura, depsitos temporales,

pequeas viviendas temporales y construcciones

similares.

(*)

Tabla N 6: SISTEMAS ESTRUCTURALES

Sistema Estructural

R

Para estructuras

regulares (*) (**)

Acero

Prticos dctiles con uniones

resistentes a momentos.

Otras estructuras de acero.

Arriostres Excntricos

Arriostres en Cruz

9,5

6,5

6,0

Tabla N 8: LIMITES PARA DESPLAZAMIENTO

Material Predominante ( i / hei )

Acero (Prticos) 0,010

PR

ZUCSV

an

1jjj

iii FV

hP

hPF

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Impacto

(a) Para apoyos de ascensores :100%.

(b) Para apoyos de maquinaria liviana accionada por ejes o motores : 20%.

(c) Para apoyos de mquinas reciprocantes : 50%.

(d) Para tirantes que soportan pisos y voladizos : 33%.

(e) Para vigas de puentes gras con cabina de operador y sus conexiones : 25%.

(f) Para vigas de puentes gras con control colgante y sus conexiones : 10%.

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Requisitos de rea para el diseo en traccin

Areas

Ag: rea de la seccion = S(b.t) An: rea neta = S(bn .t) tal que bn se calcula

- corte y traccin: ancho agujero =Fperno + 2 mm bn = b ancho agujero

- cadena de agujeros en diagonal o zigzag

bn = b - Sancho agujero + s2/4g

b F

t

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REA NETA EFECTIVA PARA MIEMBROS EN TRACCIN

1) Cuando la traccin es transmitida directamente a cada elemento de la

seccin por medio de conectores o soldadura, el rea neta efectiva es

igual al rea neta, .

2) Cuando la traccin es transmitida por conectores o soldadura a travs

de algunos pero no todos los elementos de la seccin, el rea neta efectiva

debe de calcularse como:

Donde A = el rea como

se define a continuacin.

U =

AUAe

9,01 Lx

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Significado de X & L

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(a) Cuando la traccin es transmitida slo por pernos A = An

(b) Cuando la traccin es transmitida slo por soldaduras longitudinales a

elementos que no son una plancha, por soldaduras longitudinales combinadas

con transversales. A = Ag

(c) Cuando la traccin es transmitida slo por soldaduras transversales.

A= rea de los elementos directamente conectados

U= 1,0

(d) Cuando la traccin es transmitida a una plancha a travs de soldaduras

longitudinales a lo largo de los bordes de sta, la longitud de la soldadura

no debe ser menor que el ancho de la plancha.

A= rea de la plancha.

Cuando l 2w : U = 1,00

Cuando 2w > l 1,5w : U = 0,87

Cuando 1,5w >l w : U = 0,75

donde

l = longitud de la soldadura.

w = ancho de la plancha (distancia entre soldaduras).

l w

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Diseo en Traccin

1) Fluencia en el rea geomtrica

fPn= 0.9 Fy Ag

2) Rotura en el rea efectiva

fPn= 0.75Fu Ae

Existen dos estados limites en traccin:

Tomar el menor valor como el estado limite del elemento

En el diseo: Pu fPn

(demanda) (resistencia limite)

Esbeltez Limite

kL < 300

r

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Limitaciones Ancho-Espesor

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Limitaciones Ancho-Espesor (Para Zonas de Alta Sismicidad)

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Diseo de Seccin en

compresin

SECCIN

ELEMENTO

ALA (Flange)

ELEMENTO

ALA (Flange)

ELEMENTO

ALMA (Web)

Los Elementos pueden ser

-No esbeltos (l lr)

- Esbeltos (l> lr)

lf=bf/(2tf)

lw=h/tw

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Diseo en compresin elementos NO ESBELTOS

Cuando

Cuando

En el diseo: Pu f Pn

kL < 200

r

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Sugerencias para la determinacin de K

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Sugerencias para la determinacin de K G=10 G=1

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Diseo en compresin elementos ESBELTOS

Cuando

Cuando

Donde Q= Qs Qa

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Diseo en compresin elementos ESBELTOS

Cuando

Cuando

Cuando

Ejemplo: Caso de Alas de perfiles rolados

Ejemplo: Caso de elementos

uniformente comprimidos

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Pandeo Inelastico

Pandeo Elastico (Euler)

Columna Larga Columna

Intermedia

Columna

Corta

200 valor limite

Problema de la Esbeltez

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Arriostres

Ejemplo: Determine la resistencia limite de la seccion W 14x90

arriostrada como se muestra

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Diseo de secciones en flexin

Existen cuatro estados limites:

1. Fluencia de la Seccin (Y)

2. Pandeo Lateral Torsional (LTB)

3. Pandeo Local del Ala comprimida (FLB)

4. Fluencia del Ala en Traccin (TFY)

5. Cortante

6. Deflexin

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Gradiente de Momentos

Estados Limites a verificar

Fluencia

Pandeo Local de ala comprimida

Pandeo Lateral Torsional

Corte

Deflexin

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Elementos en flexin Pandeo Lateral Torsional LTB

(Longitud no arriostrada del ala en compresin)

Comportamiento

Plastico Mp Pandeo

Inelastico

Pandeo

Elastico

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Zona -1

Zona -2

Zona -3

Mn= Mp = Z Fy

Pandeo Lateral Torsional y Fluencia (F2)

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ngulos

Secciones H C=1

Factores Requeridos

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Pandeo Ala comprimida LTB (F3)

- Caso de Alas No Compactas

- Caso de Alas Esbeltas

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Fluencia con alma No compacta (F4)

Si

Si

X

Y

XC

XT

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Pandeo Lateral Torsional Alma No compacta (F4)

Determinacin de FL

a) Si Lb< Lp no aplica

b) Si Lp < Lb < Lr entonces

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c) Si Lb > Lr

Donde:

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Pandeo Ala Comprimida Alma No compacta (F4)

a) Secciones compactas: No aplica

b) Secciones No compactas

c) Secciones Esbeltas

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Fluencia Ala Traccionada Alma No compacta (F4)

- Si

- Si

a) Cuando no aplica

b) Cuando entonces:

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Conexiones

Conexiones Simples

Conexiones de Momento

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10.1.6 RESISTENCIA MINIMA DE CONEXIONES

En conexiones que transmiten esfuerzos de diseo fRn Pu > 45 kN en LRFD

En conexiones de armaduras por cargas de diseo

fRn Pu > 0.5 fPn en LRFD

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Se emplearan soldaduras o pernos de alta resistencia en:

Empalmes de columnas (estructuras de varios pisos de 60m o +)

Empalmes de columnas (estructuras de 30 a 60 m. si dimensin

horizontal mas pequea es menor a 40% de la altura) Empalmes de columnas (estructuras menores a 30 m.si dimensin

horizontal mas pequea es menor a 25% de la altura) Conexiones en vigas y columnas que dependa del arriostre en las

columnas (estructuras de mas de 38 m. de altura)

Todas las estructuras con gras con levante mayor a 45 kN (empal-

mes de techos, conexiones de armaduras a columnas, empalmes de

columnas, arriostres de columnas y soportes de gras).

Conexiones para soporte de maquinaria en funcionamiento o carga

viva que produce impacto o inversin de esfuerzos.

10.1.9 LIMITACIONES EN LAS CONEXIONES EMPERNADAS

Y SOLDADAS

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10.2 SOLDADURAS

10.2.1 Soldaduras Acanaladas

Sin bisel Bisel en V Bisel en UBisel

simple

t1 t2

le

te = (t1 t2)min

Ver tabla 10.2.1,

10.2.2 y 10.2.3

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Sin bisel Bisel en V Bisel en UBisel

simple

t1 t2

le

te = (t1 t2)min

Ver tabla 10.2.1,

10.2.2 y 10.2.3

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Soldaduras de Filete

Lmin = 1.5 tw

> tw

Sw

Sw

te m

in

te m

ax

te

te = 0.707 Sw

Sw mn Sw Sw mx

Sw mnimo: ver tabla 10.2.4

t , t < 6mm

Swmax =

t-2 , t > 6mm

TABLA 10.2.4

Tamao Mnimo de Soldaduras de Filete [b]

Espesor de la parte unida ms gruesa

(en mm)

Tamao mnimo de la soldadura

de filete [a] (en mm)

Hasta 6 inclusive

Sobre 6 a 13

Sobre 13 a 19

Sobre 19

3

5

6

8

[a] Dimensin del lado de la soldadura de filete. Debe emplearse soldaduras en slo

una pasada.

[b]

Ver la Seccin 10.2.2b para el tamao mximo de soldaduras de filete.

[Cap 10

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10.1.5 RECORTES DE VIGAS Y HUECOS DE ACCESO(soldaduras)

Lmin = 1.5 tw

> tw

Sw

Sw

te m

in

te m

ax

te

te = 0.707 Sw

Sw mn Sw Sw mx

Sw mnimo: ver tabla 10.2.4

t , t < 6mm

Swmax =

t-2 , t > 6mm

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Lmin = 2 Sw

Lmin = 2 Sw

Lw max 70 Sw

Lw min = 4 Sw

u u

L > 4 Sw

Lmin = 40 mm

Q Q

t1

t2

LT 5 tmin > 25mm

CORTE

Q-Q

Limitaciones de Soldadura de Filete

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10.2.3 Soldaduras de Tapn

CORTE

R-R

d

RRd

u

u

t

4*

2 dAe

t + 8 mm < d 2.25 Sw

emin =

4d

t , t < 16mm

Sw

> t/2 > 16mm , t > 16mm

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t + 8 mm < d 2.25 Sw

2

t

u

u

S S

d

CORTE

S-S

LR 10 Sw

t + 8 mm < a < 2.25 Sw

4a

2 LR

t , t < 16mm

Sw

> t/2 > 16mm , t > 16mm

10.2.3 Soldaduras de Ranura

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10.2.4 Resistencia de Diseo

Usando el Mtodo LRFD

fRn = { fFBM A BM , fFw Aw } min.

Los valores f , FBM , Fw se obtienen de Tabla 10.2.5.1

donde:

FBM = Resistencia nominal de material base Fw = Resistencia nominal del electrodo

A BM = rea de la seccin recta del material base

A w = rea efectiva de la seccin recta de soldadura

f = factor de resistencia

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Acciones Tpicas en Conexiones

Referencia: L.Zapata

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Metal Base y Soldadura Compatible

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Ejemplo: Diseo de Soldadura de Filete

Perfil y Plancha Fy=250 Mpa Fu=400 Mpa

Electrodo E70XX Fexx=490 Mpa.

Plancha 3/8

L 2.5x2x5/16

P2

P1

P3

Pu = 377.6 kN

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A) Tamao mnimo de Soldadura

Plancha 3/8 t= 9.52 mm.

Angulo 5/16 t= 7.94 mm. tmax= 9.52 mm. TABLA 10.2.4

Swmin= 5 mm.

B) Tamao mximo de Soldadura (10.2.2b)

material con espesor 9.52 > 6 mm. Swmax= t - 2 =9.52 - 2 = 7.52 mm.

Swmin< Sw< Swmax

5 mm< Sw < 7.52 mm.

Tomamos Sw = 6.35 mm. = 1/4 Plancha 3/8

L2.5x2x5/16

L2

L1

L3

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fRn = { fFBM A BM , fFw Aw } min. f , FBM , Fw de la Tabla 10.2.5.1 tal que

FBM = Resistencia nominal de material base Fw = Resistencia nominal del electrodo

A BM = rea de la seccin recta del material base =Sw.Lw

A w = rea efectiva de la seccin recta de soldadura = (0.707 Sw).Lw

f = factor de resistencia

C) Resistencia de la Soldadura de Filete

5 mm< Sw < 7.52 mm.

Tomamos Sw = 6.35 mm. = 1/4

P1

P2

P3

Pu

Corte

Corte

Pu Traccin

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Soldaduras L2 y L3 ( en CORTE) para Lw=1 mm

* Base (nota [f] use apndice 10): f Rn = 0.75 Fw Aw = 0.75 (0.60 FEXX {1.0 +0.5 sen 1.5 q})(Lw te)

= 0.75(0.60x490x{1.0 + 0.5 sen 1.5 0}Lw x 0.707x 6.35) = 989.9 N/mm

* Electrodo: f Rn = 0.75 Fw Aw = 0.75 (0.60 FEXX Lw te )= 0.75 x 0.6 x 490 x 1 x 0.707 x 6.35 = 989.9 N/mm

Soldadura L1 (en TRACCION)

* Base : f Rn = 0.90 Fw Aw = 0.90 Fy Lw Sw = 0.90 x 250 x 1 x 6.35 = 1428.7 N/mm

f Rn = 989.9 N/mm = 0.9899 kN/mm

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d) Arreglo Balanceado Por equilibrio: f Rn x (63.5 + L2 + L3) = 377.6 kN 0.9899 x (63.5+L2+L3) = 377.6 kN

L2+L3 = 317.95

Por Momentos en L3:

63.5 P2 +31.75 P1 = 42.95 x 377.6

63.5x f Rn L2+ 31.75x f Rn L1 =42.95 x 377.6 63.5x f Rn L2+ 31.75x f Rn 63.5 =42.95 x 377.6 63.5x 0.989 L2 + 31.75x 0.989x63.5=16217.92

L2= 226.2 mm 228 mm = 9 L3= 91.75 mm 100 mm = 4 Lmin= 4Sw = 4x 6.35= 25.4 mm.

Plancha 3/8

2Ls 2.5x2x5/16

L2

L1

L3

20.55 mm

42.95 mm

Pu

P2

P3

P1

31.75 mm

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A-307 Elementos secundarios

A-325 Pernos de alta resistencia

A-490 para estructuras principales

F H Longitud del perno H W

10.3 PERNOS Y PIEZAS ROSCADAS

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10.3 PERNOS Y PIEZAS ROSCADAS

Todos los pernos A325 y A490 deben ajustarse hasta conseguir

una traccin no menor a la indicada en la Tabla 10.3.1

El ajuste ser por: - Mtodo de giro de la tuerca

- Indicador directo de traccin

- Llave de torque calibrada

Los valores de resistencia nominal en la Tabla 10.3.2.1 y la

Tabla 10.3.2.2 para conexiones de aplastamiento se usaran

para pernos ajustados sin requintar ( pernos no sometidos a

carga de traccin).

En las conexiones de deslizamiento critico con direccin de carga

hacia el borde de la parte conectada, debe existir una adecuada

resistencia al aplastamiento( Seccin 10.3.10)

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Junta de contacto Junta sin deslizamiento

Transmisin de Fuerzas en Conexiones


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Modos de Falla Tpicas en Uniones con Pernos


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Esfuerzos en Conexiones de aplastamiento

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10.3.2 Tamao y uso de Huecos (Tabla 10.3.3)

Smax = 24 tmin 300 mm, cuando el

elemento no est sujeto a corrosin.

Smax = 14 t 180 mm, cuando el elemento

est sujeto a corrosin.

Lmin (tabla 10.3.4 10.3.6 y 10.3.7)

Lmax = 12t < 150mm

dmax(tabla 10.3.3)

L

Sm

in=3d

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10.3.3 Espaciamiento Mnimo

10.3.4 Distancia Mnima al borde

10.3.5 Mximo Espaciamiento y Distancia al Borde

Smax = 24 tmin 300 mm, cuando el

elemento no est sujeto a corrosin.

Smax = 14 t 180 mm, cuando el elemento

est sujeto a corrosin.

Lmin (tabla 10.3.4 10.3.6 y 10.3.7)

Lmax = 12t < 150mm

dmax(tabla 10.3.3)

L

Sm

in=3d

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10.9 BASES DE COLUMNAS Y APLASTAMIENTO EN EL CONCRETO

Usando el mtodo LRFD

fPp = 0.60 (0.85 fc A1 ) > Pu

fPp = 0.60 (0.85 fc A1( (A2/A1) ) ) > Pu

A2 A1

A2

A1

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