TRABAJO: ESTRUCTURAS Y CARGAS ETAPAS BÁSICAS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL PROFESOR: SALAZAR HUAMÁN ERLYN ERLYN GYORDANY
ESTUDIANTES: SALAZAR TERRONES, Lesllye. CRUZADO RUIZ, Victor. CALUA CARRASCO, Carlos.
CICLO: 20150ARCAYO E 2012 Cajama!a" 11 #$ %$&$' #$( 201)
RESUMEN: En el presente trabajo se analizará cada una de las etapas de diseño estructural haciendo mención de sus características y de su modo de empleo para mejores resultados. Además se analizará la relación entre cada etapa y la importancia importancia de su bien hecha elaboración elaboración para impedir retrasos y malos cálculos en el diseño.
ABSTRACT OR SUMMARY: In this this pape paperr we have have anal analyz yze e each each of the the sta staes es of stru struct ctur ural al desi desin n with with ment mentio ion n of thei their r characteristics characteristics and method of use for best results. !urthermore !urthermore we have analyzed the relation between each stae and the importance importance of their optimal elaboration elaboration to prevent delays and miscalculations in the desin.
*EY +ORDS: •
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Acciones" #on #on todos los aentes aentes e$ternos e$ternos %ue inducen inducen en la estructura estructura fuerzas fuerzas internas& internas& esfuerzos y deformaciones.
'espuestas" #e representa por un conjunto de parámetros físicos %ue describen el comportamiento de la estructura ante las acciones %ue le son aplicadas.
Estado límite" Es cual%uier etapa en el comportamiento de la estructura a partir partir de de la cual su respuesta se considera inaceptable.
(ipos de estados limite
•
•
•
Estado límite de falla" #on los %ue se relacionan con la seuridad y corresponden a situaciones en %ue la estructura sufre una falla total o parcial o %ue presenta daños %ue afectan su capacidad para resistir nuevas acciones.
Estado límite de servicio" #on los %ue se asocian con la afectación del correcto funcionamiento de la construcción y comprenden defle$iones& arietamientos y vibraciones e$cesivas.
'esistencia" Es la intensidad de una acción hipot)tica %ue conduce a la estructura o aluna sección a un estado límite de falla. *or ejemplo& la resistencia a fle$ión será el momento má$imo %ue es capaz de resistir la sección.
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INTRODUCCION: +a ineniería estructural tiene como objeto el diseño de las estructuras& al diseñarlas se establecen ciertos objetivos %ue refieren a aspectos de seuridad& funcionalidad y economía. *or otro lado el objetivo de todo proyecto es llear a condiciones aceptables& es decir& dar adecuadas condiciones t)cnicas consiuiendo un rado de seuridad apropiado para %ue la estructura pueda soportar todas las caras y deformaciones durante su construcción y vida ,til. -ado %ue las etapas de diseño se relacionarán mutuamente para obtener un producto final adecuado& deberán ser aplicadas con criterio y cuidado de forma %ue el proceso lore su objetivo. Es por ello %ue en el presente trabajo consideramos mencionar y describir cada una de las etapas& identificando su relación y su proceso de empleo para hacer del proceso de diseño más fácil y eficaz.
OBJETIOS: O&j$.-' $/$a(: •
onocer y analizar las etapas básicas del diseño estructural para una edificación específica obteniendo un producto final óptimo.
O&j$.-', $,3$!45!',: • • •
Analizar las características de cada etapa de diseño y su modo de empleo. Identificar la relación entre etapas de diseño para obtener resultados óptimos. Identificar la importancia del empleo adecuado de las etapas de diseño estructural.
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MARCO TE6RICO: ANTECEDENTES HIST6RICOS:
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DISEÑO ESTRUCTURAL: El diseño estructural es un proceso creativo mediante el cual se le da forma a un sistema estructural para %ue cumpla una función determinada con un rado de seuridad razonable y %ue en condiciones normales de servicio tena un comportamiento adecuado.
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Es importante considerar ciertas restricciones %ue suren de la interacción con otros aspectos del proyecto lobal/ las limitaciones lobales en cuanto al costo y tiempo de ejecución así como de satisfacer determinadas e$iencias est)ticas. Entonces& la solución al problema de diseño no puede obtenerse mediante un proceso matemático ríido& donde se apli%ue rutinariamente un determinado conjunto de relas y fórmulas.
PROCESO DEL DISEÑO ESTRUCTURAL: Es el procedimiento mediante el cual se establecen los elementos %ue conforman la estructura en cuanto a materiales& dimensiones& uniones& detalles en eneral y su ubicación relativa en la estructura. +a selección de estos elementos se debe basar en su comportamiento adecuado en condiciones de servicio y su capacidad para resistir fuerzas %ue eneren un estado de colapso en la estructura. El principal objetivo del proceso de diseño aplicado a estructuras es cumplir con lo e$puesto en el párrafo anterior junto con la utilización óptima de los materiales y t)cnicas de construcción disponibles& se,n las razones e$puestas a continuación" •
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0n comportamiento adecuado en condiciones de servicio arantiza %ue los elementos estructurales no presenten inconvenientes o deficiencias en situaciones %ue& aun%ue no se pona en jueo la seuridad& afectan el correcto funcionamiento de toda la edificación. +a capacidad de los elementos para resistir caras sin llear al colapso arantiza %ue estos no presenten fallas raves bajo la acción de tales caras& o %ue puedan disminuir su capacidad para resistir nuevas acciones& esto está relacionado con la seuridad de la estructura ante las solicitaciones sobre ella durante su vida ,til.
A su vez el proceso del diseño de estructuras debe cumplir con los siuientes aspectos" • •
•
#euridad" asociado a la resistencia& riidez& peso de los elementos y aspectos de funcionamiento. Economía" asociado con la optimización de los costos de construcción& selección adecuada de los elementos estructurales sin sobredimensionarlos& y con el uso moderado de acabados. Aspectos est)ticos" asociado a todos a%uellos factores relacionados con la mejora de la apariencia e$terior e interior.
El diseño estructural incluye el arrelo y dimensionamiento de las estructuras y sus partes& de tal manera %ue las mismas soporten satisfactoriamente las caras colocadas sobre ellas. En particular el diseño estructural implica lo siuiente"
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1. 2. 3. 4. 5.
+a disposición eneral de las estructuras. Estudio de los posibles tipos o formas estructurales %ue representen soluciones factibles. onsideración de las condiciones de cara. Análisis y diseño preliminares de las soluciones posibles. #elección de una solución& análisis y diseño estructural final de la estructura& incluyendo la preparación de los planos.
ETAPAS DEL PROCESO DE DISEÑO: FASE CONCEPTUAL: • • •
*laneamiento eneral Estructuración Estimación de las solicitaciones y acciones
FASE ANAL7TICA O DE CÁLCULO: Análisis estructural -iseño estructural 'evisión estructural *roducto final
a) Planeamiento general:
omienza con la concepción de la obra& el establecimiento de sus objetivos y criterios enerales de diseño& así como el estudio de la forma de financiación del proyecto.
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b) Etapa de estructuración:
Es la etapa más importante del diseño estructural pues& la optimización del resultado final del diseño depende de ran medida del acierto %ue se haya obtenido en adoptar la estructura es%ueletal más adecuada para una edificación específica.
En esta etapa de estructuración se seleccionan los materiales %ue van a constituir la estructura& se define el sistema estructural principal& el arrelo y dimensiones preliminares 6predimensionamiento7 de los elementos estructurales más comunes. El objetivo debe ser el de adoptar la solución óptima dentro de un conjunto de posibles opciones de estructuración.
c) Etapa de estimación de las solicitaciones o acciones:
En esta seunda etapa del proyecto& se identifican las acciones %ue se consideran %ue van a incidir o %ue tienen posibilidad de actuar sobre el sistema estructural durante su vida ,til. Entre estas acciones
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se encuentra& por ejemplo& las acciones permanentes como la cara muerta& acciones variables como la cara viva. Acciones accidentales como el viento y el sismo. uando se sabe de antemano %ue en el diseño se tienen %ue considerar las acciones accidentales es posible seleccionar en base a la e$periencia la estructuración más adecuada para absorber dichas acciones.
d) Etapa de Análisis estructural:
En esta etapa se determina la respuesta del sistema estructural ante solicitaciones o caras a la %ue está sometida& esto es& la determinación de fuerzas internas& esfuerzos y deformaciones en los elementos estructurales& %ue son resultado de la acción de caras e$ternas. *uesto %ue en esta etapa se realizan cálculos& se re%uiere idealizar la estructura real en un modelo teórico el cual sea posible de analizar con m)todos de cálculo favorables/ además tambi)n se re%uiere determinar las acciones de diseño& es decir sus valores y la manera en cómo se aplican a la estructura& esto se lora basándose en los relamentos y códios de diseño/ lueo de esto se procede al análisis propiamente dicho& es decir& la cuantificación de las acciones internas 6fuerza a$ial& cortante& momentos flectores o torsión7& la evaluación de esfuerzos& y el cálculo de las deformaciones en los elementos en base a los esfuerzos a los %ue están sometidos.
Acciones y sus efectos sobre los sistemas estructurales
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lasificación"
Atendiendo los conceptos de seuridad estructural y de los criterios de diseño& la clasificación más racional de las acciones se hace en base a la variación de su intensidad con el tiempo.
#e distinuen así los siuientes tipos de acciones" Acciones permanentes:
#on las %ue act,an en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad pude considerarse %ue no varía con el tiempo. *ertenecen a este rupo las siuientes.
1.8 aras muertas debidas al propio peso de la estructura& terminaciones de pisos y muros& peso de ductos y servicios& peso de tabi%ues y de los elementos no estructurales de la construcción.
2.8 Empujes estáticos de lí%uidos y tierras
3.8 -eformaciones y desplazamientos debido al esfuerzo de efecto del pre8esfuerzo y a movimientos diferenciales permanentes en los apoyos
4.8 ontracción por frauado del concreto& flujo plástico del concreto& etc.
Acciones variables:
#on a%uellas %ue inciden sobre la estructura con una intensidad variable con el tiempo& pero %ue alcanzan valores importantes durante lapsos randes. #e pueden considerar las siuientes"
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1.8 aras vivas& o sea a%uellas %ue se deben al funcionamiento propio de la construcción y %ue no tienen carácter permanente
2.8 ambios de temperaturas
3.8 ambios volum)tricos
Acciones accidentales:
#on a%uellas %ue no se deben al funcionamiento normal de la construcción y %ue puede tomar valores sinificativos solo durante alunos minutos o seundos& a lo más horas en toda la vida ,til de la estructura. #e consideran las siuientes"
1.8#ismos
2.89ientos
3.8:leajes
4.8E$plosiones
*ara evaluar el efecto de las acciones sobre la estructura re%uerimos modelar dichas acciones como fuerzas concentradas& lineales o uniformemente distribuidas.
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e) Etapa de diseño estructural:
uando se tiene definido cuales son las caras %ue soportará la edificación y los esfuerzos má$imos& en base a las normas& %ue pueden soportar los elementos %ue componen la estructuras& es posible iniciar la etapa de ;-iseño Estructural< de cada uno de los elementos %ue conforman la estructura. Es en esta etapa donde se definirán cuáles son las dimensiones de los elementos& además de las características específicas de los mismos& con respecto a su composición particular.
El diseño está basado en %ue cuando la estructura es sometida a las combinaciones de cara apropiadas& nin,n estado límite aplicable& sea resistente o de servicio& será e$cedido. *ara lorar un diseño definitivo es necesario tambi)n definir cuál es el m)todo de diseño a utilizar& para lo cual es importante conocer la filosofía de diseño bajo el cual se desarrolla dicho m)todo.
=El proceso de diseño estructural se puede interpretar como un proceso de apro$imaciones sucesivas& en la %ue una primera solución se va mejorando en la medida %ue los =datos= mismos se van precisando o perfeccionando.=
Métodos del diseño estructural:
-iseño por medio de modelos:
0no de los pasos más importantes en cual%uier análisis& es el proceso de formulación de un modelo de la estructura real& susceptible a un tratamiento matemático relativamente sencillo. Este paso consiste en adoptar una cantidad de idealizaciones y simplificaciones con la intención de reducir la complejidad del problema& así como retener las características ;primarias< importantes del comportamiento.
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Estas idealizaciones tratan directamente con descripciones eom)tricas y del comportamiento del material. En resumen modelar la estructura es idealizar la estructura real por medio de un modelo teórico factible de ser analizado con los procedimientos de cálculo disponibles.
#e recomienda en el diseño de elementos estructurales de forma muy compleja %ue no son fáciles de analizar por medio de los modelos matemáticos usuales.
>odelo de las condiciones de apoyo"
En el modelo de la estructura tambi)n es necesario idealizar la forma en %ue los elementos individuales de una estructura están conectados entre sí y como estos están sujetos entre sí los elementos de la frontera a los soportes del sistema.
Esta condición depende de las restricciones a la %ue está sometida el apoyo& el tipo de construcción real del apoyo y la herramienta de análisis %ue se va utilizar.
ondiciones de apoyo y representación simbólica"
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Apoyo fijo
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Apoyo rotulado
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Apoyo simple
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>odelo estructural"
*ara realizar este análisis se debe construir primero un diarama de líneas. +as líneas del diarama por lo eneral siuen el centroide de la sección transversal de cada uno de los elementos.
En la fiura se muestra un diarama de líneas razonable& anotando las áreas y los valores de momento de inercia de cada semento y la representación de la condición de apoyo asumida.
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-Método de los esfuer!os de traba"o o de esfuer!os permisibles o teor#a elástica:
onsiste en limitar los esfuerzos en todos los puntos de la estructura& cuando está sometido a las caras de servicio& a valores admisibles& por debajo del límite elástico del material y suficientemente alejados del esfuerzo de falla para %ue pueda arantizarse un maren de seuridad adecuado.
+os esfuerzos admisibles se obtienen dividiendo los esfuerzos de falla del material por factores de seuridad& escoidos más o menos arbitrariamente. +os factores comunes varían desde 1.5 para el acero hasta ? para mampostería.
El considerar %ue el material falla al llear al límite elástico y el no tener en cuenta la naturaleza probabilística tanto de los materiales como de las caras hacen %ue el diseño para esfuerzos permisibles no ofrezca una medida precisa de su confiabilidad.
@oy en día se considera %ue el diseño elástico es aceptable cuando no se dispone de otra interpretación del comportamiento estructural. *or eso se utiliza parcialmente en el diseño de mampostería y en el de estructuras de madera& ante la ausencia de datos suficientes %ue permitan un mejor tratamiento. (ambi)n se usa en el diseño de hormión preesforzado y aun se permite en el de estructuras de acero& a pesar de la amplísima información disponible sobre el comportamiento de estas ,ltimas.
+as normas #'8BC estipulan %ue los siuientes materiales pueden diseñarse de acuerdo con esta metodoloía.
@ormión preesforzado en condiciones de servicio
>ampostería
Edificaciones de madera
-iseño elástico de estructuras de acero.
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-Método de la resistencia o método de factores de carga y de reducción de resistencia o teor#a plástica:
*arte de la premisa de %ue& como la e$istencia de un maren predeterminado entre la resistencia de los miembros estructurales y los esfuerzos causados por las caras de trabajo no dan una indicación precisa del maren de la seuridad disponible& es más lóico adoptar como referencia el estado límite de la falla y fijar la relación entre la cara ,ltima y la de trabajo. En este caso el factor de seuridad se aplica a las caras& mayorándolas mediante coeficientes de cara.
+os elementos mecánicos se determinan por medio de un análisis elástico8lineal. +as secciones se dimensionan de tal manera %ue su resistencia a las diversas acciones de trabajo a las %ue puedan estar sujetas sean iual a dichas acciones multiplicadas por factores de cara& de acuerdo con el rado de seuridad deseado o especificado. +a resistencia de la sección se determina prácticamente en la falla o en su plastificación completa.
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9entajas"
-esventajas"
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-Métodos basados en el análisis al l#mite:
En este criterio se determinan los elementos mecánicos correspondientes a la resistencia de colapso de la estructura. 6!ormación de suficientes articulaciones plásticas para llear a la falla total de la estructura7.
+a filosofía de diseño está relacionada con los estados límites %ue se aplican para la evaluación estructural. Es posible definir un estado límite como una condición %ue representa un límite de utilidad estructural más allá de la cual la estructura deja de cumplir con una función proyectada/ dichos estados límite pueden estar dictados por re%uerimientos funcionales de la estructura o pueden ser arbitrarios.
+os estados límite pueden dividirse en dos tipos" estados límite de resistencia6o estado limite ,ltimos7 y estados límite de servicio 6funcionales7. En el siuiente es%uema se muestran los dos tipos de estados límites y los criterios a tomar en cuenta en cada estado límite.
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$os estados l#mite de servicio: Están relacionados con los re%uerimientos funcionales de la estructura bajo condiciones normales de servicio& es decir son formulados con el fin de evitar funcionamientos indebidos en la estructura por el uso diario. o está directamente relacionado con fallas en la estructura& pero si tiene implicaciones con elementos no estructurales %ue pueden sufrir daños o la molestia %ue puede ocasionarle a los usuarios. #e puede llear al mismo por medio de"
a7 -eformaciones e$cesivas para el uso normal de la estructura& %ue conlleven a fisuras prematuras y e$cesivas. *uede ser visualmente inaceptable y puede causar daños en elementos no estructurales.
b7 -esplazamientos e$cesivos aun%ue no impli%uen p)rdida de e%uilibrio.
c7 -años locales como corrosión y ata%ue %uímico a la estructura producido por ambientes aresivos.
d7 9ibraciones e$cesivas producidas por elementos móviles o caras cíclicas.
e7 -año local evitable con la construcción de juntas de e$pansión y control o con la disposición adecuada del refuerzo.
•
$os estados l#mite de resistencia: (ambi)n llamados estados límites ,ltimos& están relacionados con la seuridad contra caras e$tremas durante la vida proyectada de la estructura& dichos estados límite dependen de la resistencia de los elementos& de los miembros o de la estructura.#e puede llear a este estado cuando"
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a7 +as fuerzas sean mayores %ue la resistencia de diseño de la estructura.
b7 *erdida de e%uilibrio en al,n sector o toda la estructura debido a la deradación en la resistencia y rotura de alunos o la ran mayoría de los elementos& lo %ue puede conducir al colapso de la estructura. En alunos casos un problema local menor puede afectar elementos adyacentes y estos a su vez afectar sectores de la estructura %ue determinen el colapso parcial o total.
c7
(ransformación de la estructura en un mecanismo y la consiuiente inestabilidad %ue conlleve a cambios eom)tricos incompatibles con las hipótesis iniciales de diseño.
d7 !alta de interidad debido a la ausencia de amarres adecuados entre los diferentes elementos %ue conforman la estructura.
e7 !atia en la estructura y fractura en elementos debido a ciclos repetitivos de esfuerzos por caras de servicio.
riterio de diseño para los límites"
El criterio de diseño para estados límites se puede e$presar matemáticamente de varias formas. 0na de ellas& %ue utiliza coeficientes de cara y resistencia& se puede e$presar mediante la siuiente fórmula eneral"
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El lado iz%uierdo de la ecuación se refiere a la resistencia de la estructura y el lado derecho al efecto de las caras %ue act,an sobre ella.
Al diseñar la estructura se debe plantear la ecuación anterior para cada combinación de caras %ue re%uiera estudio en los estados límites especificados. #i para cual%uiera de ellas no se cumple la ecuación& se considera %ue la estructura ha fallado o %ue se ha e$cedido en límite claramente establecido de utilidad estructural.
-Métodos probabil#sticos:
+as solicitaciones %ue act,an sobre las estructuras& así como las resistencias de estas son cantidades en realidad de naturaleza aleatoria& %ue no pueden calcularse por m)todos determinísticos como se supone en los criterios de diseño anteriores. Esto nos conduce a pensar en m)todos basados en la teoría de las probabilidades.
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+as principales limitaciones %ue se tienen en la actualidad son %ue no se tiene suficiente información sobre las variaciones tanto de las solicitaciones %ue deben de considerarse como la resistencia de los materiales y de las estructuras construidas con ellos.
El modelo conceptual de diseño probabilístico está basado en la teoría de confiabilidad clásica 6ver por ejemplo& !reudenthal& et al.& 1B??/ #hinozouDa& 1BC37. El objetivo eneral de diseño basado en la confiabilidad es tomar en cuenta la incertidumbre de las variables involucradas& utilizando los principios de la teoría de probabilidad& y dimensionar la estructura para permitir un rieso tolerable de fallas en su comportamiento.
f)
Etapa de revisión estructural%
Luego de obtener las dimensiones de los elementos primarios y secundarios de la estructura es necesario hacer una revisión de cada uno de estos, basándose en criterios no necesariamente estructurales. Se evalúan en esta etapa las deflexiones de los elementos estructurales en condiciones de servicio y compararlo con las deflexiones allí sugeridas. En caso de existir una diferencia apreciable entre la deflexión obtenida y la sugerida se procede a realiar cambios, ya sea en las dimensiones del elemento o en las secciones !ue componen sus miembros, con el ob"etivo de cumplir con la deflexión limite.
g) Producto final: #na ve detallado los pasos anteriores y teniendo claridad de los costos, posibles cambios !ue se realiaron posterior al cambio en las especificaciones, se obtiene un producto final, acabado. En este se detallan todos los pasos anteriores, teniendo la claridad de la serviciabilidad, de las resistencias, esfueros, costos, etc. para dar un dise$o terminado.
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: CONCLUSIONES: •
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#e loró conocer y analizar las etapas básicas del diseño estructural para una edificación identificando la importancia del empleo adecuado de las etapas de diseño estructural& ya %ue esta definirá el resultado del proyecto. a %ue el proceso de estructuración comprende etapas de trabajo complejo& es importante tratar de realizar en lo posible el diseño de una estructura sencilla ya %ue esta nos facilitará el proceso de trabajo y además tendrá un mejor comportamiento.
RECOMENDACIONES: •
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#e,n lo analizado en el tema se loró apreciar la importancia de emplear cada etapa de diseño de forma ordenada y cuidadosa para evitar posibles correcciones y así poder evitar fallas en la estructura y posibles retrasos. *or el complejo proceso de análisis %ue se necesita realizar a una edificación necesitaremos un prorama tal como es el #A* 2FFF para verificar nuestro análisis y así tener resultados más eficaces.
BIBLIOGRAFIA: • •
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http%&&'''.uae.edu.sv&()*+-/L/)0E*1&(ocumentos&02-3*4E.pdf 0esis% Estructuración, análisis y dise$o estructural de elementos de techo, *ru 4ovira *arlos, #niversidad de el Salvador. 1nálisis Estructural, /ng. )mar 0ello 5alpartida. 1nálisis Estructural, )scar 6onále *uevas.
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