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Diseño de Ciemntaciones Con Safe

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RESOLUCIN DE

TRABAJO FINAL

ANLISIS Y DISEO DE
CIMENTACIONES Y LOSAS
Consultora y Capacitacin

CONTENIDO
1. Objetivo...............................................................................................................................1
2. Parte 1 anlisis y diseo de cimentacin....................................................................1
2.1 Importacin a SAFE..................................................................................................1
2.2 Seleccin de unidades de trabajo...........................................................................3
2.3 Definicin de materiales...........................................................................................3
2.4 Definicin de secciones............................................................................................6
2.5 Definicin de las varillas de acero de refuerzo......................................................7
2.6 Definicin del suelo de soporte................................................................................7
2.7 Modelamiento de la cimentacin.............................................................................8
2.8 Asignacin del suelo de soporte a la cimentacin................................................9
2.9 Dibujo de franjas de diseo......................................................................................9
2.10 Definicin de parmetros de diseo......................................................................11
2.11 Combinaciones de diseo......................................................................................12
2.12 Resultados Parte 1...............................................................................................14
2.12.1 Presin 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
3. Parte 2 anlisis y diseo de losa aligerada..............................................................21
3.1. Importacin a SAFE................................................................................................21
3.2. Seleccin de unidades............................................................................................21
3.3. Definicin de varillas de acero de refuerzo..........................................................22
3.4. Definicin de parmetros de diseo......................................................................22
3.5. Dibujo de franjas de diseo....................................................................................23
3.6. Combinaciones de diseo......................................................................................23
3.7. Resultados................................................................................................................23

FIETZEN INGENIEROS S.A.C.


CONTACTO: RPC: 993486968 - 941469953 970989298, BITEL: 931075966
fietzencusco@gmail.com
Docente-Instructor: Ing. Paulo Peralta Carrasco
Consultora y Capacitacin

LISTA DE IMGENES
Imagen 1. Importacin 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. Seleccin de unidades de trabajo........................................................................3
Imagen 5. Mdulo de elasticidad del concreto con SAFE 2016 Calculator.......................4
Imagen 6. Definicin del material concreto 210 kgf/cm......................................................4
Imagen 7. Definicin del material acero de refuerzo fy = 4200 kgf/cm.............................5
Imagen 8. Definicin de materiales.........................................................................................6
Imagen 9. Definicin de seccin de zapata de espesor 60 cm...........................................6
Imagen 10. Definicin de las varillas de acero de refuerzo.................................................7
Imagen 11. Definicin del suelo de soporte (Coeficiente de balasto o mdulo de
Winkler).......................................................................................................................................8
Imagen 12. Modelado de zapata aislada cuadrada..............................................................8
Imagen 13. Asignacin de suelo de soporte..........................................................................9
Imagen 14. Modelado de la franja de diseo de capa A....................................................10
Imagen 15. Dibujo de la franja de diseo de capa B..........................................................10
Imagen 16. Visualizacin de ancho de franjas de diseo..................................................11
Imagen 17. Definicin de parmetros de diseo de acuerdo a la N.T.P. E.060..............12
Imagen 18. Recubrimiento libre mnimo...............................................................................12
Imagen 19. Combinacin de carga Peso de Servicio....................................................13
Imagen 20. Combinacin de carga Combo 1..................................................................13
Imagen 21. Seleccin de combinaciones de carga para el diseo..................................14
Imagen 22. Configuracin de la ventana Reactions para visualizar los esfuerzos en
el suelo......................................................................................................................................15
Imagen 23. Presin en el suelo por cargas de servicio.....................................................15
Imagen 24. Configuracin 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. Verificacin por punzonamiento segn ACI 318-14.......................................17

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Imagen 28. Configuracin de ventana Slab Design para visualizar el acero de
refuerzo de capa A..................................................................................................................18
Imagen 29. Nmero de varillas de refuerzo inferior de capa A.........................................19
Imagen 30. Configuracin de ventana Slab Design para visualizar el acero de
refuerzo de capa B..................................................................................................................19
Imagen 31. Nmero de varillas de refuerzo inferior de capa B.........................................20
Imagen 32. Importacin de losa aligerada...........................................................................21
Imagen 33. Losa 1 importada en SAFE...............................................................................21
Imagen 34. Definicin de varillas de acero de refuerzo.....................................................22
Imagen 35. Definicin de parmetros de diseo segn N.T.P. E.060..............................22
Imagen 36. Dibujo de franjas de diseo para losas aligeradas........................................23
Imagen 37. Combinaciones de carga para el diseo 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


anlisis y diseo estructural de las cimentaciones de edificaciones en concreto armado, as
como tambin de darle un uso adecuado a una excelente herramienta para este fin, en este
caso del software de SAFE 2016.
2. Parte 1 anlisis y diseo de cimentacin.
Para a primera parte se solicita lo siguiente:

a. Indicar la presin en el suelo en unidades de kgf/cm 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 combinacin de
carga de 1.4 Carga Muerta + 1.7 Carga Viva (Combo 1)
d. Indicar el acero total en nmero de varillas de 5/8 mediante un diseo con una
combinacin de carga Combo 1.

Se recomienda seguir los siguientes pasos:

2.1 Importacin a SAFE.


Los archivos exportados de ETABS tienen la extensin *.F2K, que en este caso se
guard con el nombre de 04 Cimentacin para importar a SAFE, el cual se importar
a SAFE.
Desde un nuevo archivo de SAFE se va al men File/Import/SAFE .F2K File, para luego
importar el archivo con extensin *.F2K

Imagen 1. Importacin a SAFE del archivo *.F2K

Una manera de comprobar que se realiz con xito la importacin es verificar las
cargas. Para lo cual, dar clic al botn Show Loads (mostrar cargas) que est 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 opcin Show Loading
Values (mostrar valores de carga), despus dar clic a OK.

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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 Seleccin de unidades de trabajo.


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Ir al men Options/Units o dar clic al botn 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. Seleccin 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 botn Show
Undeformed Shape (mostrar forma no deformada) , ambos ubicados por defecto en
la barra de herramientas horizontal de la interfaz de SAFE.

2.3 Definicin de materiales.


Para definir los materiales ir al men 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 mdulo de elasticidad, el cual de acuerdo a la N.T.P. E.030 tiene un
valor de E=15000 f ' c , se utilizar la calculadora de SAFE mediante el
comando Shift + doble clic sobre la respectiva casilla del mdulo de elasticidad o
con la combinacin de las teclas Shift + Enter en dicha casilla. En la ventana SAFE
2016 Calculator introducir el valor del mdulo de elasticidad y colocar las unidades
de la frmula, luego dar clic a Calculate.
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Imagen 5. Mdulo de elasticidad del concreto con SAFE 2016 Calculator.

Finalmente debe quedar definido el material de concreto de la siguiente manera:

Imagen 6. Definicin del material concreto 210 kgf/cm.

b) Acero de refuerzo
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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. Definicin del material acero de refuerzo fy = 4200 kgf/cm.

Despus dar clic OK para terminar de definir los materiales.

Imagen 8. Definicin de materiales.

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2.4 Definicin de secciones.
Para el presente modelo slo se utilizar una zapata de peralte de 0.60 m, segn lo
indicado.
Ir al men Define/Slab Properties. En la ventana Slab Properties, se puede modificar la
seccin que viene por defecto en SAFE con el nombre de SLAB1, dando clic al
comando Show/Modify Property.
La seccin de la zapata de 60 cm debe quedar definida de la siguiente manera:

Imagen 9. Definicin de seccin de zapata de espesor 60 cm.

Finalmente dar en la ventana Slab Properties Data dar clic a OK para terminar de
definir la seccin.

2.5 Definicin de las varillas de acero de refuerzo.


Ir al men Define/Reinforcing Bar Sizes. Se procede a cambiar las barras del acero de
refuerzo que viene por defecto en SAFE, cuyos dimetros estn en unidades de mm, a
unidades de pulgadas, las cuales son las que utilizan en nuestro medio. Para ello, es
necesario dar clic al botn Clear All Bars (borrar todas las barras) , en
la categora Add Common Bar Set (aadir set de barra comn) seleccionar U.S.
Customary, luego dar clic al botn Add Bar Set (aadir ser de barra).
Finalmente dar clic a OK.

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Imagen 10. Definicin de las varillas de acero de refuerzo.

2.6 Definicin del suelo de soporte.


Ir al men 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 mdulo de Winkler dar clic a OK
para terminar de definir dicho suelo de soporte.

Imagen 11. Definicin del suelo de soporte (Coeficiente de balasto o mdulo de Winkler)

Cabe resaltar que el coeficiente de balasto o mdulo de Winkler depende de las


propiedades del suelo sobre el cual se apoyar la cimentacin, para este caso la
capacidad portante del suelo es de 1.75 kgf/cm y se est considerando el valor del
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coeficiente de balasto como 3.55 kgf/cm, segn la tesis de maestra Interaccin Suelo-
Estructuras: Semi-espacio de Winkler, Universidad Politcnica de Catalua, Barcelona-
Espaa. 1993, cuyo autor es el Ing. Nelson Morrison.

2.7 Modelamiento de la cimentacin.


Por cuestiones de facilidad de este trabajo final se modelar slo una zapata aislada en
concreto, tal y como se indic.
Se procede al modelado de la zapata aislada cuadrada de 3m de lado con el comando
Quick Draw Areas Around Points (dibujo rpido de reas alrededor de puntos) o ir al
men Draw/Quick Draw Areas Around Points. Configurar de la siguiente ventana de la
manera a continuacin:

Imagen 12. Modelado de zapata aislada cuadrada.

Y luego dar clic a la interseccin de los ejes C y 3, que es la zapata que se va analizar y
disear.
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 cimentacin luego de ser modelada. Para lo cual ir al men
Draw/Draw Dimensiones Lines o con el botn , ubicado por defecto en la barra de
herramientas vertical de la interfaz de SAFE.

2.8 Asignacin del suelo de soporte a la cimentacin.


Para asignar el suelo de soporte a la cimentacin ya modelada se procede primero a
seleccionar la cimentacin. En la barra de estado, ubicado en la parte inferior izquierda
de la interfaz de SAFE, debe ir el nmero de elementos seleccionados. En este caso,
por ser una zapata aislada, debe indicar .
Luego ir al men Assign/Support Data/Soil Properties. En la ventana Soil Subgrade
Properties seleccionar el suelo de soporte, que se le denomin Suelo.

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Imagen 13. Asignacin de suelo de soporte.

Hasta el momento la cimentacin ya puede ser guardada y analizada. Sin embargo, por
cuestiones prcticas de la presente se procede a los pasos respectivos para su diseo
estructural.

2.9 Dibujo de franjas de diseo.


Para el dibujo de las franjas de diseo dar clic al botn o ir al men Draw/Draw
Design Strips.
a) Franja de diseo de capa A.
La franja de diseo de capa A tendr 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 dibujar 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 diseo de capa A.

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b) Franja de diseo de capa B.
Previamente seleccionar la capa B en la ventana Draw Design Strips (Dibujar
franjas de diseo). La franja de diseo de capa B, tambin tendr 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 dibujar 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 diseo de capa B.

Una vez terminado el dibujo de las franjas de diseo 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 men View/Set Display Option o mediante el comando por defecto de SAFE [Ctrl +
W]. En la ventana Set Display Options, en la categora Design Strip Object activar la
casilla Show Width, y dar clic a OK. Esta visualizacin slo est disponible cuando
existe al menos una franja de diseo dibujada.

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Imagen 16. Visualizacin de ancho de franjas de diseo.

2.10 Definicin de parmetros de diseo.


Para definir los parmetros de diseo se deber ir al men Design/Design Preferences.
Donde se procede a cambiar el valor de phi a compresin a 0.70, puesto que se plantea
columnas rectangulares con estribos, segn la N.T.P. E.060 Concreto Armado. Adems
se cambia el valor de phi a cortante a 0.85.

Imagen 17. Definicin de parmetros de diseo de acuerdo a la N.T.P. E.060.

Tambin se debe definir el recubrimiento libre mnimo de las losas de las zapatas, que
segn la N.T.P. E.060 Concreto Armado es de 7 cm.

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Imagen 18. Recubrimiento libre mnimo.

Finalmente dar clic a OK.

2.11 Combinaciones de diseo.


Para configurar las combinaciones de diseo, previamente deben ser definidas. En este
caso, debido a que se trabaj a partir de un archivo exportado desde ETABS tambin se
export las combinaciones de dicho archivo. En el presente trabajo slo se pide trabajar
con 2 combinaciones de diseo, las cuales son slo por cargas de gravedad.
La primera combinacin de carga a utilizar est constituida de la siguiente manera: CM
+ CV, a la que se denomin Peso de servicio.
La segunda combinacin de carga a utilizar est constituida de la siguiente manera: 1.4
CM + 1.7 CV, a la que se denomin Combo 1
Donde: CV = Carga Viva.
CM = Carga Muerta.

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Imagen 19. Combinacin de carga Peso de Servicio

Imagen 20. Combinacin de carga Combo 1

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Para poder verificar el punzonamiento con la combinacin de carga de 1.4 Carga
Muerta + 1.7 Carga Viva se debe ir al men Design/Design Combos y en Design Load
Combinations deben ir las combinaciones con las que se va a realizar el diseo, en
este caso solamente se utilizar el Combo 1 (1.4 CM + 1.7 CV).

Imagen 21. Seleccin de combinaciones de carga para el diseo.

2.12 Resultados Parte 1.


Para poder ver los resultados es necesario guardar y correr el modelo.

2.12.1 Presin en el terreno.


Ir al men Display/Show Reactions Forces o dar clic al botn , ubicado por
defecto en la barra de herramientas horizontal de la interfaz de SAFE.
En la ventana que se genera, Reactions, en la seccin Load Case/ Load
Combination (Caso de carga/Combinacin de carga) se debe seleccionar la
combinacin Peso de Servicio. En la seccin Type of Reaction (Tipo de
reaccin) se debe seleccionar Soil Pressures (Presin de suelo). Las dems
secciones se pueden ir configurando de acuerdo a las necesidades de
visualizacin que se requiera.

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Imagen 22. Configuracin de la ventana Reactions para visualizar los esfuerzos en el suelo.

Se puede verificar que la presin en el terreno es de 1.707 Kgf/cm para cargas


de servicio.

Imagen 23. Presin 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 men Display/Show Deformed Shape o dar
clic al botn , ubicado por defecto en la barra de herramientas horizontal de la
interfaz de SAFE.

Imagen 24. Configuracin de la ventana Deformed Shape para visualizar los asentamientos
por cargas de servicio.

Se puede verificar que el asentamiento inmediato mximo es de 0.481 cm.

Imagen 25. Asentamiento inmediato por cargas de servicio.

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2.12.3 Punzonamiento.
Para la verificacin por punzonamiento o cortante bidireccional, ir al men
Display/Show Punching Shear Design o dar clic al botn .
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 qu combinacin de carga SAFE realiz el punzonamiento, es


necesario dar clic derecho al punto donde se encuentran las cargas y se puede
visualizar la siguiente ventana.

Imagen 27. Verificacin por punzonamiento segn ACI 318-14.


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2.12.4 Acero de refuerzo.
El diseo del acero de refuerzo se realizar, como se indic, con la combinacin
de carga Combo 1 (1.4 CM + 1.7 CV).
Para la cual, ir al men Display/Show Slab Design con el modelo ya analizado o
dar clic al botn . Configurar la ventana Slab Design de la siguiente manera
para poder visualizar el nmero total de acero de refuerzo inferior para la capa A
(acero de refuerzo distribuido paralelo al eje X):

Imagen 28. Configuracin 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 5/8"

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Imagen 29. Nmero de varillas de refuerzo inferior de capa A.

Se observa que se requiere 20 5/8 (#5) para la capa A.

De manera similar para la capa B:

Imagen 30. Configuracin 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 5/8"

Imagen 31. Nmero de varillas de refuerzo inferior de capa B.

Se observa que se requiere 21 5/8 (#5) para la capa A.

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3. Parte 2 anlisis y diseo de losa aligerada

Para la segunda parte se solicita lo siguiente:

a. Indicar el acero de refuerzo inferior (en varillas de ) y superior (en varillas de 5/8) para la
losa aligerada segn las combinaciones de diseo desde ETABS (Combo 1, Combo 2,
Combo 3, Combo 4 y Combo 5) que ya estn definidas segn NTP. 060.

Se recomienda seguir los siguientes pasos:


3.1. Importacin a SAFE.
Desde un nuevo archivo de SAFE se va al men File/Import/SAFE.F2K para importar
el archivo de extensin *.F2K que contiene la losa aligerada exportada desde ETABS y
que se guard con el nombre de 05 Losa 1 para importar a SAFE.F2K .

Imagen 32. Importacin de losa aligerada.

Dar clic a Abrir.


Aqu se observa la losa 1 ya importada en SAFE:

Imagen 33. Losa 1 importada en SAFE.

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Se recomienda guardar el modelo con un nombre adecuado.

3.2. Seleccin de unidades.


Configurar las unidades de manera similar como se hizo con el modelo de la
cimentacin. Tambin se utilizar las unidades de kgf, cm, C.

3.3. Definicin de varillas de acero de refuerzo.


Como se hizo anteriormente Ir al men Define/Reinforcing Bar Sizes. Se procede a
cambiar las barras del acero de refuerzo que viene por defecto en SAFE, cuyos
dimetros estn en unidades de mm, a unidades de pulgadas.

Imagen 34. Definicin de varillas de acero de refuerzo.


Dar clic a OK.

3.4. Definicin de parmetros de diseo.


Para la definicin de parmetros de diseo, ir al men Design/Design Preferences y
definir los factores de reduccin de materiales de acuerdo a la N.T.P. E.060 Concreto
Armado.

Imagen 35. Definicin de parmetros de diseo segn N.T.P. E.060.

Dar clic a OK.


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3.5. Dibujo de franjas de diseo.
Para el dibujo de las franjas de diseo dar clic al botn o ir al men Draw/Draw
Design Strips y dibujar las franjas de diseo de la siguiente manera:

Imagen 36. Dibujo de franjas de diseo para losas aligeradas.

Se dibuja las franjas de diseo con un ancho de 40 cm, tal y como se indic, por ser
ste el espaciamiento entre viguetas.

3.6. Combinaciones de diseo.


Verificar las combinaciones de diseo en el men Design/Design Combos, la cual
debe mostrarse de la siguiente manera:

Imagen 37. Combinaciones de carga para el diseo de losa.

3.7. Resultados.
Guardar el modelo, dar clic al botn Run Analysis & Design para analizar el modelo
y luego dar clic al botn Show Slab Design para que SAFE muestre el diseo 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 1/2" (#4).
Acero de refuerzo superior: 1 5/8" (#5).

Finalmente se tiene a continuacin un resumen de los resultados:

Imagen 39. Resumen de resultados

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