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Resumen
Siendo el sistema de albañilería el sistema estructural más usado y económico en el Perú para la
construcción de edificaciones o viviendas, se creó el programa Diseño Estructural de Albañilería D. E. A. para
el entorno Windows, con la finalidad de ser una herramienta útil para los ingenieros dedicados al diseño de
estructuras de albañilería.
El programa DEA permite el análisis y diseño de muros no portantes: parapetos, cercos y tabiques, y el
análisis y diseño de muros portantes en edificaciones o viviendas. Así mismo permite considerar muros de
concreto cuando la configuración estructural de la edificación no es la adecuada.
Los alcances del programa DEA están de acuerdo a las exigencias o consideraciones que establecen las
normas peruanas: Norma Sismorresistente E-030 y la Norma de Albañilería E-070:
El análisis y diseño de muros no portantes se puede hacer por albañilería simple arriostrada o albañilería
armada. Usando el sistema de albañilería simple arriostrada, el diseñador puede conocer el espesor mínimo
del muro para resistir las fuerzas perpendiculares a su plano, así como la separación máxima que deben tener
los arriostres verticales y/o horizontales; además el programa permite diseñar los elementos de arriostre, los
cuales pueden ser elementos de concreto armado o pilastras. Si el diseño se hace por albañilería armada
(método de rotura), el usuario puede encontrar el refuerzo vertical y horizontal que debe ser distribuido a lo largo
y alto del muro respectivamente.
Para el análisis de los muros portantes en edificaciones, el programa verifica si la longitud mínima y
densidad mínima de los muros en cada dirección es la adecuada. Posteriormente, el programa hace el análisis
por esfuerzos verticales, es decir, verifica si los esfuerzos de compresión de los muros supera al admisible; y
finalmente hace el análisis sísmico para encontrar la fuerza cortante de diseño de cada muro considerando los
efectos de torsión. Después de realizarse todos estos análisis, el usuario tiene dos alternativas para el diseño de
estos muros: Albañilería Confinada y Albañilería Armada.
Las ventajas más resaltantes que se obtienen con el uso de este software son: permite obtener resultados
rápidos y confiables; la comunicación entre el usuario y el programa es sencilla y atractiva, debido a que el
ingreso de los datos es de manera visual o gráfica; permite al usuario tener seguridad si las coordenadas
ingresadas son las correctas debido a la ubicación gráfica de los muros portantes, esto es importante resaltar
porque la excentricidad existente depende del valor de las coordenadas de cada muro, lo cual permite calcular la
fuerza cortante de diseño de cada muro; y finalmente todos los resultados vistos en la pantalla pueden ser
impresos.
La confiabilidad y precisión de los resultados han sido verificados por el Departamento de Ingeniería Civil de
la Universidad de Piura, por el instituto de la construcción SENCICO y por el Capítulo Peruano de Ingeniería Civil
del ACI.
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XV JORNADAS NACIONALES Y PRIMERAS BINACIONALES
DE INGENIERÍA ESTRUCTURAL
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1.0 INTRODUCCIÓN
El programa Diseño Estructural de Albañilería DEA se creó para el entorno Windows con la
finalidad de ser una herramienta útil para los ingenieros dedicados al diseño de estructuras de
albañilería, siendo este sistema estructural el más usado y uno de los más económicos d el Perú para
la construcción de edificaciones o viviendas.
El programa DEA permite el análisis y diseño de muros no portantes: parapetos, cercos y tabiques, y
el análisis y diseño de muros portantes en edificaciones o viviendas. Así mismo permite considerar
muros de concreto armado cuando la configuración estructural de la edificación no es la adecuada.
Debido a que el ingreso de los datos es de manera visual o gráfica DEA hace que la comunicación
con el usuario sea sencilla y atractiva, de esta manera permite al usuario tener seguridad durante el
ingreso de los datos sobre todo en el caso de ingresar las coordenadas de los muros portantes que
determinan la ubicación gráfica de los muros de una edificación.
Como cualquier otro programa de estructuras, DEA permite obtener resultados rápidos, confiables y
además que pueden ser impresos, permitiendo de esta manera hacer diseños de estructuras de
albañilería en menor tiempo.
Los alcances del programa DEA están de acuerdo a las exigencias o consideraciones que establecen
las normas peruanas: Norma Sismorresistente E-030 y la Norma de Albañilería E-070:
Los requerimientos mínimos que necesita la computadora antes de instalar el software son:
El programa se inicia eligiendo desde la barra de Inicio del WINDOWS el grupo que tiene el icono
DEA.
LADRI.ICO
En ese momento aparece la portada del programa en donde el usuario deberá ingresar la clave
asignada para poder continuar.
La ventana principal del programa contiene el menú principal del programa, el cual está formado por
los siguientes menús:
Los muros no portantes son estructuras independientes de albañilería. Estos muros son los
parapetos, cercos y tabiques.
Los parapetos son muros ubicados normalmente al borde y en la parte alta de una edificación y no
están arriostrados por el techo en la parte superior.
Los cercos son muros de albañilería que limitan perimetralmente una edificación o un lote de terreno.
Los tabiques son muros interiores, separadores de espacios, pueden o no estar vinculados o fijados
a la estructura.
Los muros no portantes sólo llevan cargas provenientes de su propio peso y cargas horizontales
generadas por sismo o viento.
La condición crítica de diseño proviene de la acción conjunta de las cargas de peso propio y de las
cargas perpendiculares a su plano; pero para efectos de diseño es usual despreciar el peso propio del
muro.
El tipo de muro no portante se elige desde el menú M - No portante del menú principal.
Para cualquier muro no portante elegido, aparece sobre la pantalla una ventana indicando las
consideraciones de diseño. En esta ventana se podrá elegir el tipo de albañilería para el diseño:
Albañilería Simple
Albañilería Armada
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Caso 2: Si d <= 1.5 h y h > 1.5m el parapeto debe ser armado en toda su longitud.
Caso 3: Si d <= 1.5 h y h <= 1.5m el parapeto puede ser de albañilería armada o albañilería
arriostrada.
donde:
En la ventana de albañilería simple, el usuario debe elegir el método y el parámetro que se quiere
calcular.
Los métodos que considera el programa son:
En este método, la condición crítica de diseño es el diseño por fuerzas sísmicas normales a su plano,
en donde, el espesor mínimo de los muros debe cumplir con la siguiente expresión:
t = Usma2
donde:
1
“Construcción de estructuras – Manual de obra” – HECTOR GALLEGOS V. Pág 153
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s = 6*Z*C1* / f’t
U = factor de uso
Z = factor de zona
C1 = coeficiente sísmico
m = coeficiente de momentos, indicado en la Tabla 2 de la norma.
a = dimensión crítica del muro (m)
b = otra dimensión del muro (m)
f’t = resistencia admisible a tracción de la albañilería (Kg/cm2) y es igual a:
donde:
La condición crítica de diseño que considera este método es el diseño por fuerzas laterales de sismo
o de viento; eligiendo la de mayor importancia.
Para el procedimiento de cálculo se debe tener en cuenta las condiciones de borde; es decir la
ubicación de los apoyos o arriostres y la eficiencia de estos.
El cálculo de la carga de sismo y/o viento se hace como lo descrito en el apartado anterior.
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donde:
Los muros no portantes (parapetos, cercos y tabiques) hechos de albañilería armada usualmente
carecen de elementos de arriostres, trabajando de este modo como muros en voladizo; en
consecuencia, el refuerzo vertical deberá absorber las tracciones que origine el momento flector.
El diseño del refuerzo vertical
(As) se realiza con el método de
la rotura (como si el muro fuese
una viga de concreto armado).
Se trabaja por metro de ancho y
se verifica si el momento
resistente es mayor o igual al
momento actuante.
MR As fy t a / 2 (kg m / m)
a As fy 0.85 f ' m
2
“Albañilería estrucutral: diseño y cálculo de muros” - HECTOR GALLEGOS
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donde:
= factor de reducción
As = refuerzo vertical (cm2/m)
fy = esfuerzo de fluencia del acero (kg/cm2)
a = bloque de concreto comprimido
f’m = resistencia característica en compresión de la albañilería (kg/cm2)
Mu 1.25 w h 2 / 2
donde:
Se considera a estos elementos como apoyos del muro no portante, actuando el muro como losa y
sujeto a fuerzas horizontales perpendiculares a él, según lo indicado en D9 de la norma E -70.
Las columnas o vigas de concreto se diseñan a flexión para soportar la carga tributaria respectiva. El
momento de diseño es igual a 1.25 veces la suma del momento debido a la carga sísmica
perpendicular al muro (según el área tributaria del muro que le corresponde al elemento de arriostre)
más el momento debido a la carga sísmica perpendicular al elemento de arriostre:
Mu 1.25 Mm Me )
MR As fy d a / 2
a As fy / 0.85 f ' c b
donde:
7.2 Pilastras
Las pilastras son elementos de la misma albañilería. El diseño se basa en encontrar la longitud
mínima que deben tener la pilastra para resistir los esfuerzos a tracción.
Para el diseño de las pilastras se debe tener en cuenta la carga tributaria que le viene de la carga
sísmica perpendicular al muro apoyado y la carga de sismo perpendicular a la pilastra. Por tanto, el
momento actuante es debido a la sumatoria de estas cargas perpendiculares.
Las edificaciones de albañilería son sistemas estructurales en donde los muros son los elementos
que resisten las cargas verticales y
horizontales.
ideal o versátil para edificaciones en donde la ubicación de los muros es la misma en cada nivel de la
edificación.
8.1 Predimensionamiento
En esta ventana se ingresan los datos generales de una edificación y se verifica si la altura total de la
edificación y espesor de los muros está de acuerdo a lo dispuesto por la Norma Sismorresistente y la
Norma de Albañilería.
Los muros de una edificación se identifican de acuerdo a su dirección con respecto al sistema de
coordenadas X-Y; es decir, los muros paralelos al eje horizontal serán los muros de “Dirección X” y
los muros paralelos al eje vertical serán los muros de “Dirección Y”.
De acuerdo a los consideraciones estructurales que se están tomando para el análisis y diseño de
este tipo de edificaciones, la ubicación de los muros es la misma para cada nivel.
Si la estructuración considera muros de concreto, el usuario debe indicar los muros que serán de
concreto armado.
centro
x geométrico
L muro
diagonal
y
LSen
Y
LCos (0,0) X
Componentes de un muro diagonal Centro geométrico de un muro
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Entre los criterios de estructuración que se toman en cuenta para obtener edificaciones altamente
resistentes al sismo son los siguientes:
La longitud total mínima de muros en cada dirección, expresadas en metros lineales, debe ser igual a:
L 0.042 * A * N
donde:
Para cumplir con la densidad mínima de muros en cada dirección debe ocurrir que:
Am / A p N / 150
donde:
El programa permite hacer estas verificaciones para dar un alcance al usuario sobre el
comportamiento de la estructura. Si la edificación a diseñar no cumple con estos criterios, se puede
continuar con el diseño pero se advierte que la configuración estructural no es la adecuada.
El análisis por cargas verticales se hace para los muros del primer nivel, por ser estos los que
soportan los mayores esfuerzos por compresión axial.
Para calcular el esfuerzo vertical de cada muro es necesario tener en cuenta el área tributaria
(porción de la losa de entrepiso o techo) que recibe cada muro.
1. Se calcula la carga muerta debida al peso de las losas de entrepiso, peso de acabados, peso de
alféizares o tabiques que soporta cada muro, según su área tributaria, y peso propio de los
muros.
2. Se calcula la carga viva o sobrecarga en cada nivel que soporta cada muro de acuerdo al área
tributaria que le corresponde.
3. Con las cargas actuantes en cada muro se determinan los esfuerzos de compresión actuantes:
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CM CV
fa
A
donde:
4. Posteriormente se determina
el esfuerzo admisible por
carga axial:
h
2
Fa 0.20 f ' m 1
35t
donde:
Si fa < Fa : entonces la sección del muro es adecuada para resistir los esfuerzos de compresión.
Si fa > Fa : entonces la sección del muro no es suficiente. Habrá que aumentar el espesor del
muro o la resistencia de la albañilería.
Si este análisis es para muros de albañilería armada, el programa previamente a esta ventana
muestra otra ventana en donde el usuario debe indicar si todos los alvéolos de los bloques estarán
rellenos con concreto líquido o sólo parcialmente.
3
NORMA SISMORRESISTENTE E-030
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La fuerza horizontal o cortante total en la base debido a la acción sísmica se determina por la fórmula
siguiente: ZUCS
H P
R
donde:
De acuerdo a las características de sitio, se define el factor de amplificación sísmica por la siguiente
1.25
expresión: Ts
C 2 .5 C 2.5
T
Este factor se interpreta como el factor de amplificación de la respuesta estructural respecto a la
aceleración en el suelo, donde:
CT = 0.60 para estructuras de mampostería y para todos los edificios de concreto armado cuyos
elementos sismo -resistente sean fundamentalmente muros de corte.
donde: F2 V2
La rigidez de un muro se expresa como la relación que existe entre la fuerza aplicada y la
deformación debida a esta fuerza. Esta deformación está compuesta por la deformación por flexión y
la deformación por corte.
El modelo de la edificación supone que los muros se encuentran empotrados en la cimentación, que
están conectados por los diafragmas horizontales, y que actúan como voladizos.
La estructuración para este tipo de edificaciones puede comprender muros de albañilería y muros de
concreto. Estos muros difieren para su cálculo de rigidez debido a que su módulo de corte está en
función del módulo de elasticidad y módulo de Poisson, los cuales varían para cada caso.
Et
Y la rigidez de un muro de concreto es igual a: K conc
4 (h / l ) 2.76 (h / l )
3
donde:
El centro de rigidez lateral (CR), o centro de giro, se define como aquel punto del entrepiso sujeto sólo
a traslación, alrededor del cual rotan y se trasladan el resto de puntos.
Para calcular el centro de rigidez (CR) se considera un desplazamiento unitario al entrepiso en cada
dirección (independientemente), generándose una fuerza cortante en cada muro igual a la magnitud
de su rigidez lateral (ki). Luego, igualando el momento de la fuerza cortante resultante respecto al
origen del sistema de referencia (O) a la suma de los momentos causados por sus componentes, se
determina la posición de CR (Xcr, Ycr).
X cr
K Xiy i
Ycr
K Y
ix i
K iy K ix
donde:
De las expresiones que se obtienen para hallar CR, puede observarse que el centro de rigidez lateral
trata de ubicarse hacia la zona más rígida del edificio.
Las fuerzas de inercia (Fi) proporcionadas por la Norma E-030 actúan en el centro de masas de cada
nivel (CM), el cual prácticamente coincide con el centroide del área en planta debido a que la masa
gobernante (losa, acabados, sobrecarga, tabiques, etc.) se encuentra concentrada en el nivel; sin
embargo, de existir concentración de muros portantes o placas en ciertas zonas de la planta, deberá
calcularse la posición real de CM.
Teniendo en cuenta que la ubicación de los muros portantes es la misma en cada nivel de la
edificación, entonces, el centro de masa es la misma en cada nivel y es igual a:
X cm
P X mi i
Ycm
P Ymi i
P mi P mi
donde:
Como la corrección por torsión se realiza trabajando con los entrepisos, es necesario determinar la
posición del cortante de entrepiso o centro de carga (CQ), de manera que el cortante genere en un
entrepiso determinado el mismo momento torsor Mt que sus componentes que son las fuerzas de
inercia (Fi). Por tanto, el centro de carga (CQ) es igual a:
N
Fx Y
N
Fy X i cmj
j i
i cmj
X cqi
j i Ycqi
Vy i Vx i
donde:
Teniendo en cuenta las expresiones para calcular el centro de carga, se puede observar que cuando
los centros de masas están contenidos en el mismo plano vertical, como ocurre en este tipo de
edificaciones; entonces, el centro de cargas coincide en todos los pisos con el centro de masas (Xcm
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= Xcq, Ycm = Ycg ). Por lo tanto, para encontrar el centro de carga CQ basta con calcular el centro de
masa CM del nivel típico de la edificación.
La rigidez torsional (J) se define como el momento torsor que produce una rotación unitaria en la
planta del edificio. También se le conoce como Momento Polar de Inercia.
La rigidez torsional es necesario calcularla para el cálculo de la cortante de diseño de cada muro
cuando existe torsión.
El cortante de cada nivel es distribuido entre los muros proporcionalmente a sus rigideces laterales. A
esta carga se añade el cortante por torsión producido por el momento torsor que surge cuando el
centro de carga (CQ) no coincide con el centro de rigidez lateral.
Cortante por traslación
La cortante de cada nivel se distribuye proporcionalmente a la rigidez Ki de cada muro. Por tanto, el
cortante por traslación en cada muro se determina aplicando la siguiente expresión:
Ki
Vi tras Vn
Ki
donde:
La torsión se presenta cuando el centro de cargas (CQ = CM) no coincide con el centro de rigidez
lateral (CR), en este caso, la losa de entrepiso o techo rota como un sólido rígido (si es que es un
diafragma rígido) alrededor de CR, generando desplazamientos y, por tanto, fuerzas cortantes en
todos los ejes que componen al edificio (X, Y); es decir, el momento torsor produce un incremento en
los cortantes de los muros portantes, estos incrementos deben ser considerados para efectos de
diseño.
De acuerdo a la Norma E-030, el momento torsor debe contemplar a la excentricidad accidental e acc.
El momento torsor se evalúa para cada nivel y para cada dirección de sismo.
Sismo en la dirección X:
e y Ycm Ycr e (excentricidad )
e’1 : representa una amplificación de la excentricidad real (e) y debe utilizarse siempre.
e’2 : representa una posible inversión en el sentido del momento torsor y se le emplea sólo
cuando la excentricidad real es pequeña (|e| <= eacc).
1. En cualquier dirección, el cortante por torsión deberá ser menor que el 75% del cortantes por
traslación; de lo contrario, el edificio estará mal estructurado.
2. El cortante por torsión deberá sumarse (recarga) con el debido a traslación, nunca deberá
restarse (descarga).
K iy . X i .Vy n .e'
Vi tors
J
donde:
Adicionalmente, si el sismo
ocurriese en sentido contrario (-X
ó -Y), son los mismos ejes los que
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se recargan o descargan y tan sólo ocurrirá una inversión en el sentido de los esfuerzos
manteniéndose sus magnitudes.
La cortante total de diseño en cada muro sería igual a:
Vd i Vi tras Vi tors
donde:
Un muro confinado es aquel que queda enmarcado en sus cuatro lados por elementos de refuerzo
verticales y horizontales, aceptándose la cimentación de concreto como elemento de refuerzo
horizontal para el caso de muro del primer piso.
El diseño establecido por la actual Norma de Albañilería (E-070) para la albañilería confinada es
elástico y por valores admisibles.
Según la norma de albañilería la distancia entre los confinamientos verticales debe ser menor o igual a dos veces
la altura del nivel (2*h).
En caso que la longitud del muro sea mayor, se debe dividir el muro en dos o más paños en donde la
lpi
cortante de diseño de cada paño sería igual a: Vpi Vd
l
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donde:
El espesor mínimo de los confinamientos debe ser igual al del muro bruto o del techo según
corresponda y su sección (en cm2) no será menor que el valor dado por la expresión:
0.9 V
Ac 20 t
f 'c
El refuerzo longitudinal del
elemento horizontal (cm2) es igual
a:
1.4 V
ASH
fy
El refuerzo longitudinal del
confinamiento vertical (cm2) es
igual a:
1.4 V h l
ASV
fy
El área mínima (en cm2) de acero
de los confinamientos es igual a::
f 'c
ASmin 01
. Ac
fy
AV 15
. V
s d fy
El espaciamiento “s” no debe ser mayor que d / 2.
donde:
Si la longitud de cada muro de ambas direcciones es mayor a dos veces la altura del nivel (2*h), el
programa presenta previamente la ventana de División de muros en donde el usuario debe indicar el
número de paños que debe dividir cada muro que necesita ser dividido.
Con los valores de cortante de cada muro y distribución de cargas horizontales se determina el
momento máximo de flexión. Por ejemplo para un muro i en el primer piso:
F h F2 h2 F1h1
Mi n n * Vi
Fn F2 F1
Para evaluar los esfuerzos de compresión y de tensión se considera la acción simultánea de cargas
verticales y sismo y la acción del sismo se considera en dos sentidos (Sismo + y Sismo-) porque se
considera la intervención de los muros transversales que interceptan al muro en estudio.
Como cargas verticales se considera la carga muerta (CM) o permanente y sólo un 25% de la
sobrecarga o carga viva.
La carga sísmica vertical se considera como una fracción de la carga permanente y puede darse de
dos formas:
P M I
i i S
A S l 2
fa fm
donde:
Para calcular el incremento de área y del módulo de la sección se debe encontrar el ancho efectivo de
los muros interceptados4.
4
“Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry buildings” - T. PAULAY, M.J.N PRIESTLEY
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Compresion befectivo hw bw b
hw = altura de nivel
bw = espesor del muro
b = longitud del muro que se intercepta
Verificación de la flexocompresión
donde:
La condición crítica para verificar la flexocompresión es cuando la fuerza sísmica vertical aumenta la
compresión; es decir: P = 1.33 CM + 0.25 CV
Si aún así, se observa que la sección es insuficiente para los esfuerzos actuantes, el usuario debe:
Para calcular el refuerzo por tensión se considera como caso crítico, cuando la fuerza sísmica
disminuye la compresión; es decir: P = 0.7 CM + 0.25 CV
c fa fm
t fa fm
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Se evalúa el valor de la fuerza de tensión (T) como el volumen del diagrama de esfuerzos de tensión
sobre el muro.
t x t t l
T ; x
2 t c
donde:
Al final del diseño se presenta una ventana resumen del refuerzo y sección de los confinamientos.
En la tabla se indica los muros que han sido divididos en tramos, el usuario debe dar clic sobre la
posición de cada muro para ver el detalle del refuerzo de los tramos.
Se determina el esfuerzo cortante actuante en cada muro y se compara con el admisible, de la misma
manera que para la albañilería confinada.
Para muros de sección rectangular, la capacidad resistente a flexión “Mn” se calcula aplicando la
siguiente fórmula de rotura (Priestley):
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2 V
Mn = 1 As * fy * d + Pgu * l Mu
donde:
Pgu = 0.9 Pg
donde:
El factor de reducción de
resistencia se calcula de acuerdo a
las siguientes expresiones:
Si Pgu 0.1 f' m t l = 0.85 0.20 Pgu 0.1 f ' m t l
La verificación por flexocompresión es similar a lo descrito para Albañilería Confinada, pero además
en este análisis se debe verificar la necesidad de colocar planchas de acero estructural con
perforaciones en las juntas horizontales a fin de evitar la falla por flexocompresión.
Estas planchas se colocarán en los bordes libres (sin muros transversales) de aquellas zonas donde
el esfuerzo axial último exceda de 0.4 f’m. El esfuerzo axial último se calcula de acuerdo a la siguiente
P M
expresión: u u u
A S
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Las planchas de acero estructural que se consideran en este análisis son del tipo A-36 de 3mm de
espesor, con perforaciones de ½ pulgada de diámetro por donde penetre el mortero. Estas planchas
de acero tendrán la forma de la cara de asiento de la unidad respectiva.
Mn 1
2
Asv * fy * d Pmul
Vm = fuerza cortante en el mecanismo de falla por flexión
Pmu
Mn 11.25 * Pm
1/Mu = factor de amplificación de la fuerza cortante, se calcula en el piso 1
Mn = momento flector nominal máximo
Pm = carga axial gravitacional máxima en condición de servicio, con 100% de
sobrecarga
En cada nivel, el área del refuerzo horizontal (Ash) se calculará con la siguiente expresión:
Vm * s
As h
fy d
donde:
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11.0 CONCLUSIONES
El programa DEA tiene características que lo hacen muy fácil de operar, lo cual hace que el
diseño de edificaciones de albañilería resulte ser sencillo, rápido y por tanto económico.
Se ha demostrado que representar por pantalla la ubicación de los muros permite tener seguridad
en el momento de ingresar las coordenadas de cada muro, lo que no se puede tener con las
hojas de cálculo.
Los resultados obtenidos han demostrado que el programa sigue el análisis y diseño antes
descrito, es decir va de acuerdo a lo establecido por las normas peruanas, la que en su mayoría
coincide al procedimiento de análisis y diseño de otros países.
La informática y la tecnología siguen siendo herramientas útiles para la programación que permite
abreviar muchas veces el trabajo de los ingenieros civiles.
12.0 REFERENCIAS