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Sa
RESPONSE SPECTRUM CURVE
0.30 0.25 0.20
ZUCS/Rx
0.15
ZUCS/Ry
0.10 0.05 0.00 T 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 9.0010.00 10.00
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Con mucho agrado y satisfacción CACP, Corporación de Asesoramiento Asesor amiento y Capacit Capacitación ación Profes Profesional ional,, presenta el material de estudio para el curso “Análisis y Diseño Estructural de un sistema mixto con etabs v16 & safe v16 ” elaborado por el Ing. Ricardo Bermúdez Mejía, quien nos presenta un valioso documento que sintetiza parte de su experiencia profesional y docencia. CACP expresa su reconocimiento al Expositor del curso que contribuyo en la elaboración del presente material de estudio Esperamos seguir contando con sus aportes y sugerencias para la implementación de nuevos programas académicos. Gracias por su interés y participación. DIRECTOR DE CACP
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1. CREACION DE PLANTILLA 2. DATOS GENERALES DEL PROYECTO 3. MATERIALES Y ELEMENTOS ESTRUCTURALES 4. PREDISEÑO 4.1. ESPESOR EFECTIVO 4.2. DENSIDAD MINIMA DE MUROS 4.3. PREDISEÑO DE VIGAS 4.3.1 METODO EMPIRICO 4.3.2 METODO DEL ACI 4.4. PREDISEÑO DE LOSA 4.3.3 LOSA ALIGERADA UNIDIRECCIONAL 4.5. PREDISEÑO DE COLUMNAS 5. MODELACION ESTRUCTURAL 6. CREACION Y ASIGNACION DE ESTADOS O PATRONES DE CARGA 7. PESO SISMICO EFECTIVO SEGÚN LA NTE E.030 8. PARAMETROS DE DISEÑO 8.1. DETERMINAR EL PERIODO FUNDAMENTAL 8.2. COEFICIENTE DE AMPLIFICACION SISMICA 8.3. FACTOR DE REDUCCION SISMICA 8.4. EVALUACION C/R 9. CALCULO DE LOS COEFICIENTES ESTATICOS 10. ANALISIS ESTATICO 11. ESPECTRO DE RESPUESTA (ESPECTRO DE DISEÑO SEGÚN LA E030-14 12. CONTROL DE DESPLAZAMIENTOS -EMPOTRADO EN LA BASE 13. ANALISIS DINAMICO 14. ESCALAMIENTO DE FUERZAS PARA DISEÑO 15. COMBINACIÓN MODAL SEGÚN LA NTE E.030 16. COMPROBANDO EL PERIODO FUNDAMENTAL SEGÚN LA NTE E.030 17. CONTROLES DE ALBAÑILERIA 18. VERIFICACION DEL SISTEMA ESTRUCTURAL 19. CARGAS Y MOMENTOS QUE TRANSMITE CADA ELEMENTO VERTICAL 20. DIMENSIONES INICIALES CONSIDERADAS PARA LA CIMENTACION 21. CONTROL DE DESPLAZAMIENTOS -SIN EMPOTRAR EN LA BASE 22. DISCRETIZAR LOS MUROS 23. AMPLIFICAR LA CARGAS PARA EL DISEÑO 24. DISEÑO 24.1. DISEÑO DE VIGAS 24.2. DISEÑO DE LOSA ALIGERADA UNIDIRECCIONAL-ALTERNACION DE CARGA 24.3. DISEÑO DE COLUMNAS- DIAGRAMA DE INTERACCION 24.4. DISEÑO DE MUROS 25. DISEÑO DE CIMENTACION SAFE 26. PLANOS
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El diseño estructural es el procedimiento mediante el cual se definen los elementos que integran a las estructuras en lo referente a materiales, dimensiones, uniones, detalles en general y su ubicación relativa en los edificios. Estos elementos deberán presentar un comportamiento adecuado en condiciones de servicio y tener la capacidad para resistir las fuerzas a las que estén sometidos sin que se presente el colapso de la estructura.
La Norma de Diseño Sismorresistente en el Perú, NTE – E.030, ha sido actualizada el 24 de enero de 2016, en dicha norma se hicieron drásticos cambios respecto a la verificación de las irregularidades torsional y de piso blando, ocasionando que la mayoría de las estructuras presenten irregularidad torsional y en muchos casos irregularidad torsional extrema, lo que no está permitido en las zonas 3 y 4 para edificaciones comunes. Asimismo, con la metodología de la nueva norma se presenta irregularidad de piso blando en los últimos niveles de la mayoría de las estructuras, cuando realmente no existe este tipo de irregularidad, motivo por el cual se hace necesario el cambio de la metodología de verificación de este tipo de irregularidades en la NTE E.030 de acuerdo a las normativas a nivel mundial.
PISO BLANDO Son edificaciones cuya planta baja es más débil que las plantas superiores, esto ocurre por situaciones como: Falta de rigidez por discontinuidad de muros Falta de rigidez por diferencia de altura de columnas en planta baja en relación a los pisos superiores. Un piso blando incrementa la flexibilidad de la estructura. Lo cual provoca grandes deflexiones en el primer piso además, de concentración de fuerzas en las conexiones del segundo piso.
RESUMEN Creación de Grillas Estructurales Creación de Materiales-Concreto Creación de Secciones Creación de Secciones Planas Análisis Sísmico
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“INSTITUCION EDUCATIVA XXX”
1. CONDICIONES INICIALES
Altura de Estructura: Baja Altura Altura Típica: 3.30mts Ni veles: 02 Niveles Tipos de Columnas: Columnas Asimétricas y Simétricas La Institución educativa “XXX”, cuenta con aulas típicas realizando un diseño seguro y económico
Se ha establecido una estructura regular de uso importante, esta estructura será capaz de soportar las fuerzas laterales, teniendo en cuenta en el primer nivel se tomará hasta el empotramiento con el suelo, En su eje longitudinal carece de muros por lo que los pórticos absorberán los esfuerzos inducidos por el sismo en esa dirección y en el eje transversal el sistema tiene el aporte de los muros dando mayor estabilidad a la estructura
Eje longitudinal (x-x): Eje transversal (y-y):
Sistema de Pórticos Sistema de Albañilería Confinada
Los sistemas estructurales iniciales serán comprobados posteriormente Los marcos se amarran con losa aligerada de concreto armado de 20cm de espesor efectivo, formando un supe conjunto, lo cual lo hace resistente fuerzas laterales.
FIGURA 01.-Vista desde el interior en el Segundo Nivel de la Estructura de dos sistemas estructurales.
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FIGURA 02.-Vista desde el interior en el Primer Nivel de la Estructura de dos sistemas estructurales.
1. Los muros ubicados en el perímetro del edifico (aportan mayor rigidez torsional) y todo aquel que se absorba más del 10% del cortante basal será reforzado. 2. Espesor efectivo mínimo h/20 3. Los techos se comportarán como diafragma rígido 4. De preferencia la vigas coplanares con el muro no deben ser chatas ya que las vigas con suficiente peralte son elementos dúctiles capaces de disipar la energía antes que ocurra la falla por corte en los muros, de seguir esta recomendación se reducirá notablemente las dimensiones de la cimentación. 5. Los alféizares de las ventanas deben separarse, con juntas mínima de 1/2"
Estos principios guardan estrecha relación con la Filosofía de Diseño Sismorresistente de la Norma:
Evitar pérdidas de vidas Asegurar la continuidad de los servicios básicos Minimizar los daños a la propiedad
Irregularidad de Rigidez – Piso Blando. No presenta. Irregularidad de Masa. No presenta. Irregularidad Geométrica Vertical. No presenta. Discontinuidad en el Sistema Resistente. No presenta. Irregularidad Torsional. No presenta. Esquinas Entrantes. No presenta. Discontinuidad del Diafragma. No presenta. La estructura clasifica como Regular.
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2. DATOS GENERALES DEL PROYECTO Ubicación
: Nuevo Chimbote
Nº de pisos
:
Uso
: Importante (ver tabla en la E030)
Sistema Estructural
: Albañilería Confinada (y-y) A porticado (x-x)
Área Techada
02 Nivel
: Pabellón 01 9.00x16.25=146.25 m2
Resistencia del Terreno
: DPL 01 1.373 kg/cm2 Df.=1.15m B=L=1m DPL 01 1.373 kg/cm2 Df.=1.15m B=0.40m ; L=1m DPL 02 1.180 kg/cm2 Df.=1.15m B=L=1m DPL 02 1.180 kg/cm2 Df.=1.15m B=0.40m ; L=1m
:
Albañilería
1900 kg/m3 (Incluye el tarrajeo)
Concreto
2400 kg/m3
Piso acabado
100 kg/m2
s/c sobre techos
300 kg/m2, 400 kg/m2 (Voladizos)
3. MATERIALES Y ELEMENTOS ESTRUCTURALES Se trabajará con concreto reforzado, cuyas propiedades se muestran a continuación:
Resistencia a Compresión
: f’c = 210 Kg/cm2
Peso Específico
: ϒ m = 2400 Kg/m3
Módulo de Elasticidad
: E’ c = 218819.79 Kg/cm2
Módulo de Corte
: Gc = 91174.91 Kg/cm2
Módulo de Poisson
: 0.20 Rígido
El módulo de Elasticidad del concreto, Ec, se calcula usando la expresión de la sección 8.5 del ACI 318 2011, cuyas unidades en Kg/cm2 se muestran a continuación:
] = [
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El módulo de corte, Gc se calcula mediante la siguiente relación:
[ ] = () Acero: fy= 4200 kg/cm2 con elongación mínima del 9%. No se permite traslapar refuerzo vertical en zonas confinadas en extremos de soleras y columnas. Resistencia a Compresión : f ’m = 55 Kg/cm2 Dimensiones 13x23x09 cm t=13-23 cm espesores efectivos Peso Específico
: ϒ m = 1800 Kg/m3
Módulo de Elasticidad
: E’m = 27,500 Kg/cm2
1900 kg/m3 (Incluye el tarrajeo)
Resistencia al Corte Puro : v’m = 7.416 Kg/cm2 Módulo de Corte
: Gm = 11,000 Kg/cm2
Módulo de Poisson
: 0.25
Mortero
: 1 : 1 : 4 Cemento : Cal : Arena
Dúctil,
Flexible
El módulo de Elasticidad de la Albañilería, Em, se calcula usando la expresión de la sección 8.5 del ACI 318 2011, cuyas unidades en Kg/cm2 se muestran a continuación:
] =′[ El módulo de corte, Gc se calcula mediante la siguiente relación:
[ ] = () Ladrillos clase IV sólidos (30% de huecos), tipo King Kong de arcilla, t=13cm, f'b=14.5Mpa Las rigideces de los componentes deberán tomar en cuenta el comportamiento a flexión, corte, axial y las deformaciones por deslizamiento del refuerzo. ASCE/SEI 41-06 sección 6.3.1.2, se tomarán los siguientes valores para el cálculo lineal del edificio:
TABLA 01.-Valores de rigidez PROPIEDAD INTELECTUAL DEL AUTOR: ING. RICARDO BERMUDEZ MEJIA
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4. PREDISEÑO 4.1. ESPESOR EFECTIVO
FIGURA 03.-Espesor efectivo
TABLA 02.-Tablas para detallado en Vigas
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4.2. DENSIDAD MINIMA DE MUROS
Para compezar los muros en la dirección x-x se requiere 2.44m de concreto de 25cm, por lo tanto, se recomienda poner alas las columnas, llamado también columnas T.
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4.3. PREDISEÑO DE VIGAS 4.3.1. METODO EMPIRICO
4.3.2. METODO DEL ACI
FIGURA 04.-Dimensiones de la Viga Principal PROPIEDAD INTELECTUAL DEL AUTOR: ING. RICARDO BERMUDEZ MEJIA
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4.4. PREDISEÑO DE LOSA
FIGURA 05.-Areas tributarias en toda la losa
FIGURA 06.-Area critica donde se analizará los bordes
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4.4.1. PREDISEÑO DE LOSA EN DOS DIRECCIONES
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4.4.2. PREDISEÑO DE LOSA ALIGERADO UNIDIRECCIONAL
FIGURA 07.-Detalle Típico del Aligerado
4.5. PREDISEÑO DE COLUMNAS
Este prediseño es netamente para sistema aporticado, teniendo en cuenta las dimensiones iniciales propuestas que serán revisadas posteriormente con los diagramas de interacción, también saber que tenemos en una dirección el sistema de muros por lo que los muros cargarían gran porcentaje de área techada.
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5. MODELACION ESTRUCTURAL El modelo empleado estará sometido a cargas que representan el peso equivalente de muros, para ello usaremos la tabla 2.3 de la Norma E020 , teniendo él cuenta el procedimiento que está en libro de consulta de San Bartolomé – Análisis de Edificios.
FIGURA 08.-Carga distribuida Dead en Kg/m debido al Peso de Tabiquería
Tabla 03.-Tabla para determinar el Peso equivalente
NOTA: Las cargas distribuidas debido a la tabiquería está en función de la altura, teniendo como altura de parapeto 1.00m, muros altos de 2.10m en la frontera corredizo aulas y muro bajo de 1.50m.
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En la ventana de inicio se especifica el número de ejes en la dirección longitudinal y transversal indicando sus separaciones y la altura típica teniendo en cuenta que el software etabs toma como altura hasta la cara superior de las vigas y no en el centroide como lo hace el sap2000.
Figura 09.-Acotamiento y apreciación de la Altura requerida para el Análisis
Figura 10.-Debido a que las separaciones de ejes en la dirección longitudinal y transversal son distintas editamos y concluyendo con los datos de entrada posteriormente crear elementos frame, Shell y Wall.
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Para obtener una adecuada modelación en columnas de sección no simétrica debernos determinar su centro de gravedad (cuadrado rojo) y mover mediante la opción insertion point hasta el centro deseado (cuadrado verde).
Figura 11.-Al asignar un elemento columna su centroide caera en La interseccion de ejes de muros , modificado con insertion point el eje deseado-Columna T 90ª
Figura 12.-Al asignar un elemento columna su centroide caera en La interseccion de ejes de muros , modificado con insertion point el eje deseado
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6. CREACION Y ASIGNACION DE ESTADOS O PATRONES DE CARGA Peso Propio: Lo proporciona y calcula el programa, llevará como nombre “Peso Propio” y será del Tipo “Dead”; no se asignará carga con este patrón.
Carga Muerta: Proporcionado por el peso de elementos y materiales que forman parte del edificio, tales como luminarias, acabados de cielo raso, piso terminado, tabiquerías internas como muros de subdivisión, etc. Su nombre será “CM” y será del Tipo “Super Dead”
Carga Viva de Entrepiso: Esta dado por los componentes móviles en el edificio, tales como, escritorios, mesas y sil las, estantes, mostradores, nosotros, etc. Su nombre será “Live” y será del Tipo “Reducible Live”
Carga Viva de Techo: Generalmente considera el peso de las personas que intervendrán en la colocación de las luminarias, acabados, colocación de coberturas e instrumentos. Su nombre será “LiveUP” y será del Tipo “Live”
El paso siguiente es la creación de los tipos de carga que actuarán en el edificio que se definen mediante patrones de carga, para esto seguiremos usando el comando Define, por lo que seguiremos la ruta “Define/Load Patterns…”, asi como se muestra en la Figura 09.
Figura 13. Patrones de Carga creados, de acuerdo a la definición. Aquí también podemos crear un patrón de carga sísmico que representará el cortante estático en la base del edificio y se calcula de manera automática. Para hacer esto creamos un patrón de carga del tipo “Seismic” llamado “Sismo X”, que nos representará el cortante estático en la Dirección X d e análisis, asi como se muestra en la Figura 10 .
Figura 14. Patrones de Carga Sísmico Estático. PROPIEDAD INTELECTUAL DEL AUTOR: ING. RICARDO BERMUDEZ MEJIA
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Una vez que tenemos creados los patrones de carga que necesitamos para este proyecto, procedemos a asignar las cargas de acuerdo con el tipo de carga que se tiene. Los valores para cada tipo de carga se detallan en las imágenes.
Figura 15. Asignación de Cargas Estáticas.
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7. PESO SISMICO EFECTIVO SEGÚN LA NTE E.030 El Peso Sísmico Efectivo del edificio se determina en concordancia con el Artículo 16.3 de la NTE E.030 que se presenta.
Como el edificio tendrá uso de centro comercial, entonces, de acuerdo con la Tabla N°3 de la NTE E. 030 de Diseño Sismorresistente, la categoría de edificación que le corresponde es del Tipo B. Luego, de acuerdo con lo anterior, debemos usar el ítem a. del Artículo 16.3
A manera de fórmula, el Peso Sísmico Efectivo del Edificio, P, se determinará como: = ( + ) + . + .
En ETABS, se define mediante la ruta del menú Define a través del “Mass Source…”, asi como se indica en la Figura 5-1. Luego en la ventana de Definición de la Fuente de Masa ingresamos los datos calculados recientemente, asi como se detalla en la Figura 5-2.
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8. PARAMETROS DE DISEÑO Para determinar el Cortante estático en la Base, V, del Módulo, debemos recurrir a la expresión que mostramos a continuación:
= La NTE E.030 nos indica que la siguiente expresión:
≥. La manera correcta de determinar el Cortante en la Base del Edificio es el siguiente:
8.1. DETERMINAR EL PERIODO FUNDAMENTAL, T En el programa podemos visualizar el periodo fundamental, T, de la estructura mediante la Tabla “Modal Participación Mass Ratios”, cuya captura se muestra en la Figura 12.
Figura 16. Formas Modales, visualización de la Tabla de PPMM y períodos Fundamentales. El T fundamental, es el tiempo, mayor (más grande) que puede ocurrir en una estructura, para que ésta vibre. Hay varios modos de vibración, pero cada uno de éstos modos dura un tiempo en volver a repetir el ciclo de vibración. El tiempo que demora la estructura en repetir su modo de vibración es el PERIODO (T) para ese modo de vibración. El mayor de éstos T, es el período fundamental. Teniendo un periodo proporcionado por el software dentro de lo establecido En la dirección X tenemos un 89.56% de PPMM y 0.01% participa en rotación RZ.
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= .9(ℎ) √ = .(ℎ) √ = .(ℎ) √
Para estructuras Solamente con pórticos Para estructuras Rígidas con gran cantidad de muros Para estructuras Mixtas
Empírico 0.1N#Story Periodo fundamenta de la estructura, Usar caso III, para estructuras Mixtas
.(∗(.+.)) =0.154 = .(∗(.+.)) =0.1146 = √ . √ 9. 8.2. COEFICIENTE DE AMPLIFICAION SISMICA, C En concordancia con el tipo de suelo, mediante la expresión del Artículo 7 de la E.030 2016.
< << <<
=2.5 ………(1) =2.5 ……… (2) =2.5∗ ………(3)
8.3. FACTOR DE REDUCCION SISMICA, R
4=0.45 =1.30 =1.10 =1.00 =1.60 =8.00 x=8.00 SISTEMA APORTICADO y=6.00 y=6.00 SISTEMA DE ALBAÑILERIA (ESFUERZOS ADM.) SISMO MODERADO Obteniendo el periodo fundamental de la estructura, usaremos la condición (1) siendo menor al Tp T =0.253
<
=2.5
8.4. EVALUAR C/R
= =
. = 0.3125 8 . = 0.4167
= 0.3125 = 0.4167
0.3125 ≥ 0.125 0.4167 ≥ 0.125
9. CALCULO DE LOS COEFICIENTES ESTATICOS
= =
0.451.301.100.3125 =0.201094 0.451.301.100.4167=0.268125
SISTEMA APORTICADO SISTEMA DE ALBAÑILERIA
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En el programa, este dato se ingresa en la ventana “Define Load Patterns”, ingresando el valor calculado en Base Shear Coefficient, C, así como muestra la Figura 13.
Figura 17. Ingresando el coeficiente para el análisis estático
10. ANALISIS ESTATICO Usando la expresión indicada al inicio de este apartado, se calcula el Cortante en la Base del Edificio, pero antes debemos de calcular el peso sísmico efectivo, en el programa se visualiza mediante la Tabla “Center of Mass and Rigidity” cuya captura se mu estra en la Figura 14.
Figura 18. Masas Sísmicas Efectivas del Edificio.
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Aquí podemos ver los pesos sísmicos efectivos calculados para cada piso y, debido a que asignamos un solo diafragma para todos los niveles, en la columna de pesos acumulados vemos los pesos acumulados que llegan a cada piso, siendo el valor del Peso Sísmico Efectivo del Edificio igual a 9,938.65 Kg- s²/m + 16,347.1 Kg- s²/m = 26,285.750 Kg- s²/m = 26,285.750 Kg- s²/m x 9.81m/ s²= 257.863 Tn . Luego, el cortante en la Base del Edificio será: x = 0.201094 × 257.863 Tn . = 51.855 Tn . y = 0.268125 × 257.863 Tn . = 69.140 Tn .
Figura 19. Cortante Estático en Ambas direcciones
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11. ESPECTRO DE RESPUESTA (ESPECTRO DE DISEÑO SEGÚN LA E030-14) Se realizó un Análisis Sísmico Dinámico por Superposición Modal Espectral. Los parámetros empleados para el cálculo d el Espectro de Respuesta fueron los indicados en el apartado…… Deberá considerars e el tipo de perfi l que mejor describa las condiciones locales, utilizándose los correspondientes valores del factor de aplicación del suelo S y de los períodos TP y TL dados en las Tablas Nº 3 y Nº 4 de la E030 DS N° 003-2016-VIVIENDA Espectro de Diseño quedaría graficado tal como se indica en la Figura 17, para los parámetros determinados anteriormente:
SISTEMA APORTICADO EN X-X
SISTEMA DE ALBAÑILERIA EN Y-YY
Figura 20. Ingresando la curva de espectro de respuesta para el análisis dinámico
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12. CONTROL DE DESPLAZAMIENTOS -EMPOTRADO EN LA BASE Cuando no se le da ningún grado de libertad en la fundación, restringiendo tres reacciones y los tres momentos TABLE: MAXIMOS DEPLAZAMIENTOS Sx+e PISO
COMB.
DIREC.
H
MAXIMO
DRIFT
DRIFT
DRIFT
DRIFT
cm
ELASTICA
INELASTICA
INELASTICA
LIMITE
0.000919
0.006247
6.25 º/ºº
7 º/ºº
OK
0.000936
0.006364
6.36 º/ºº
7 º/ºº
OK
0.000000
0.000000
TECHO2
SX+e
X
630
cm 0.584189
TECHO1
SX+e
X
315
0.294826
BASE
SX+e
X
0
0
H
MAXIMO
DRIFT
DRIFT
DRIFT
DRIFT
cm
cm
ELASTICA
INELASTICA
INELASTICA
LIMITE
TABLE: MAXIMOS DEPLAZAMIENTOS Sx-e PISO
COMB.
DIREC.
TECHO2
SX-e
X
630
0.580688
0.000918
0.006240
6.24 º/ºº
7 º/ºº
OK
TECHO1
SX-e
X
315
0.291652
0.000926
0.006296
6.30 º/ºº
7 º/ºº
OK
BASE
SX-e
X
0
0
0.000000
0.000000
H
MAXIMO
DRIFT
DRIFT
DRIFT
DRIFT
cm
ELASTICA
INELASTICA
INELASTICA
LIMITE
630
cm 0.161703
0.000228
0.001550
1.55 º/ºº
5 º/ºº
OK
0.000285
5 º/ºº
OK
TABLE: MAXIMOS DEPLAZAMIENTOS Sy+e PISO TECHO2
COMB. SY+e
DIREC. Y
TECHO1
SY+e
Y
315
0.089905
BASE
SY+e
Y
0
0
H
MAXIMO
cm
0.001941
1.94 º/ºº
0.000000
0.000000
DRIFT
DRIFT
DRIFT
DRIFT
cm
ELASTICA
INELASTICA
INELASTICA
LIMITE
0.000228
0.001551
1.55 º/ºº
5 º/ºº
OK
0.000287
0.001951
1.95 º/ºº
5 º/ºº
OK
0.000000
0.000000
TABLE: MAXIMOS DEPLAZAMIENTOS Sy-e PISO
COMB.
DIREC.
TECHO2
SY-e
Y
630
0.162246
TECHO1
SY-e
Y
315
0.090397
BASE
SY-e
Y
0
0
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