Analisis Sismico Estatico-02 Pisos

8/19/2019 Analisis Sismico Estatico-02 Pisos

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FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL UNIVERSIDAD NACIONAL DEL

CENTRO DEL PERÚ

A N A L I S I S S I S M I C O E S T A T I C O 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL

“ANALISIS SISMICO ESTATICO DE UNA EDIFICACION DE DOS

NIVELES”

ÁREA DE ESTRUCTURAS

TUTORIAL DEL SAP2000

DOCENTE

ING. RONALD SANTANA TAPIA

HUANCAYO – PERÚ

2014


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Se analizará la estructura de 2 pisos mostrada en la figura, que será destinada a una

vivienda. La distribucion de las fuerzas sismicas aplicadas en elcentro de masas de cada piso

(diafragma rigido) entre los elementos de la estructura (porticos de los ejes), conssierendo

las excentricidades directa y accidental. El anlisis se hara par acada direccion del sismoindependientemente, es decir para la direccion X y para la direccion Y.

Para efectos del analisis sismico por el metodo estatico, la edificacion corresponde a la

categoria de uso C, con U = 1. La estructura estructura se ubica en la ciudad de Huancayo,

considerando como zona sismica 2 (Z = 0.3). Siendo el edificio relativamente bajo (con un

periodo fundamental menor que 0.4 seg), el coeficiente de amplififcacion sismico sera C =

2.5. El factor de suelo S sera 1.2, los principales elementos resistentes a las acciones de

sismo para ambas direcciones son los porticos por lo que se supondra R = 8.


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1. DATOS GENERALES DE LA EDIFICACION:

Vigas principales y secundarias: 25x55 cm

Columnas cuadraras: 30x30 cm

Columnas circulares: Ф 30 cm

Fuerza del sismo en el primer nivel:

Sismo en la direccion X: 11.925 ton

Sismo en la direccion Y: 11.925 ton

Fuerza del sismo en el segundo nivel:

Sismo en la direccion X: 19.505 ton

Sismo en la direccion Y: 19.505 ton

Ubicacion del centro de masas:

Primer nivel: (Xo, Yo) = (4.881 m, 7,830 m) Segundo nivel: (Xo, Yo) = (5.659 m, 8.043 m)


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De la ventana que se nos muestra seleccionamos la plantilla Grid Only , debido a que laestructura que modelaremos tiene elementos en diferentes direcciones.

En la cual debemos de ingresar los parametros geometricos del modelo a analizar, como

la estructura tiene diferentes medidas mas adelante se corrigiran algunas de estas.


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Number of Grid Lines : numero de ejes en la direccion correspondiente.Grid Spacing : espaciamiento entre los ejes.

Para este modelo necesitamos modificar la geometri de los vanos, para ello hacer click

derecho en la ventana principal y elegir Edit Grid Data luego seleccionar Modife/SowSistem.

En esta ventana podemos realizar las modificaciones de los vanos, tambien se puedeeliminar o aumentar ejes.


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Para generar el modelo estructural vamos a utilizar la herramienienta Draw Frame/Cable Element el cual dibuja un elemento barra entre dos nudos, ubicada en la barra deherramientas Draw .

Luego seleccionamos los nudos que deseamos unir y formen un elemento, para graficar todala estructura del modelo.


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2. ASIGNACION DEL TIPO DE APOYO

Para asignar el tipo de apoyo debemos seleecionar todos los nudos correspondiente alnivel Z=0, luego hacemos click en el menu Assing – Joint – Restraints...

Seguidamente nos mostrara el cuadro de restricciones, donde debemos seleecionar lasrestricciones que tendran los nudos elegidos (en este caso correponden a unacimentacion, por lo que se asigna apoyos empotrados).

3. DEFINICION DE LAS PROPIEDADES DE LOS MATERIALES

Luego de haber definido la geometria de nuestro modelo y el tipo de apoyo, debemosdefinir el tipo de material a utilizar, paraello hacemos click en el menu Define – Materials , seguidamente el programa nos mostrara la ventana con los diferentes tiposde materiales con los que trabaja, en este cado debemos seleccionar la opcion Add NewMaterial.


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En la ventana Material Property Data debemos ingresar las propiedades correpondientes aun concreto de resistencia nominal de 210 kg/cm2, por lo cual debemos cambiar losparametros predeterminados,

Ademas para nuestro caso en el metrado de cargas ya se ha incluido el peso propio detodos los elementos estructurales por ello asignaremos un peso unitario igual a cero, paraque el programa no tome en cuenta los pesos de los elementos modelados en el analisis.


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4. DEFINICION DE LAS SECCIONES DE LOS ELEMENTOS ESTRUCTURALES

Para definir las secciones vamos al menu Define - Section - Properties - FrameSetions , se mostrara la ventana de secciones definidas del SAP2000, en la seccion Click

to seleccionamos la opcion Add New Property .

Seguidamente nos mostrara la ventana de definicion de secciones en la cual en la seccionFrame Section Property Tipe seleccionamos Concrete y elegimos Rectangular o Circularsegun sea el caso, para ingresar la geometria de una seccion rectangular o circular.

Donde se ingresara el nombre de la seccion, el material y las dimensiones de los lados delelemento estructural.


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Luego hacemos click en la opcion Concrete Reinforcement con la finalidad de indicarleal programa que la seccion definida se asignara a una viga y las propiedades de lasvarillas a usar como refuerzo longitudinal y transversal.

Definir de manera similar las secciones faltantes, en la ventana Reinforcement Data en laseccion Desing Type para el caso de las columnas se elegira Column.

5.

ASIGANACION DE LAS SECCIONES A LOS ELEMENTOS


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Para asiganar las secciones definidas a los elementos de nuestro proyecto, debemos deseleccionar en primer lugar todos los elementos correspondientes a la viga de 30x55,luego vamos al menu Assing – Frame – Frame Section...

Seguidamente nos mostrara la ventana con las secciones definidas, en la cualseleccionamos la seccion VIGA y hacemos click en ok.

Realizar los mismos pasos para asignar las demas secciones, para ver la volumetria de la

estructura con las secciones asignadas a nuestro modelo hacemos click en el menu View– Set Display Options... y activamos la casilla Extrude View .


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6. ASIGNACION DE BRAZOS RIGIDOS

Para la asignacion de brazos rigidos debemos de seleccionar toda la estructura haciendo

click en el icono all de la barra de herramientas lateral, luego vamos al menu Assing – Frame – End (Length) Offsets...

Seguidamente nos mostrara la ventana de longitud de brazo rigido, en la cual indicaremosal programa que calcule la longitud de brazo rigido automaticamente considerando unfactor de brazo rigido de 1 (este factor consif¡dera que toda la interseccion entre la viga yla columna es rigida, dando como resultado los momentos y fuerzas en las caras de loselementos modelados).


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7. DEFINICION DE ESTADOS DE CARGA

Los tipos de carga a utilizarse para esta estructura sera corresponden a los sistemas decarga muerta D, carga viva L1, carga viva L2, carga de sismo SX, carga de sismo SY. Paradefinir estos sistemas de carga vamos al menu Define – Load Patterns .

En la definicion de cargas estaticas definiremos los tipos de cargas que actuaran sobre laestructura, para ello en la casilla Load Pattern Name esccribimos L1, en la casilla Type desplegar la lista y seleccionar LIVE, luego para añadir dicho estado de carga hacer click

en Add New Load Pattern . Seguir los pasos anteriores para los otros estados de carga(L2, SX, SY), luego de haber definido estos estados de carga hacemos click en ok.


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8. UBICACION DEL CENTRO DE MASAS DE LA ESTRUCTURA

Para ubicar el centro de masas del primer piso en el cual se aplicara la fuerza de sismo yel momento torsor correspondientes al primer piso, primero hacemos click derecho sobre

la ventana principal y seleccionamos Edit Grid Data , seguidamente elegimosModify/Show Sistem , luego en la ventana que aparece aumentamos un eje en ladireccion X y otro en la direccion Y, finalmente hacemos click en ok dos veces.

Luego vamos al menu Draw y seleccionamos Draw Special Joint para crear un nudoen la interseccion de los ejes creados haciendo click en esta interseccion, el cual sera elcentro de masas del primer piso.


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Luego de crear el nudo debemos de darle restricciones e este nudo, el cual puedetrasladarse en la direccion X e Y y rotar elrededor del eje Z, para ello seleccionamos el

nudo y vamos al menu Assing – Joint – Restraints y seleccionar las opciones antesmencionadas, luego hacer click en ok.

De igual manera realizamos los pasos mencionados para crear el centro de masas delsegundo piso (no olvidar que primero debemos de agregar las coordenadas de los ejes enla direccion X e Y).


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9. ASIGNACION DE DIAFRAGMAS PARA CADA PISO

Para asignar los diafragmas por cada nivel, seleccionamos primero todos los nudos delnivel Z = 4.5 incluido el centro de masas, luego hacemos click en el menu Assing –

Joint–

Constraints.

El programa nos mostrara la ventana de definicion de Constraints , en esta ventana en lacasilla Choose Constraint Type to Add , seleccionamos la opcion Diaphragm y luego hacerclick en Add New Constraint .

En la ventana Diaphragm Constraints , ingresar el nombre del diafragma (TECHO 1) yseleccionar el eje alrededor del cual rotara dicho diafragma, para aceptar los datosingresados hacer click en ok, hacer click una vez mas para asignar el constraint a losnudos seleccionados.


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De esta manera habremos generado el disfragma del primer piso, luego repetimos lospasos mencionados para asignar el diafragma del segundo piso.

10. ASIGANCION DE CARGAS A LA ESTRUCTURA

Las cargas son el resultado del metrado de cargas realizado a a la estructura:

Primer piso:

Vigas principales de los ejes A, B y C, carga muerta 2 ton/m, carga viva 0.5 ton/m.

Vigas secundarias de los ejes 1, 2, 3 y 4, carag muerta 0.4 ton/m, carga viva 0.1ton/m.

Segundo piso:

Vigas principales de los ejes A, B y C, carga muerta 2 ton/m, carga viva 0.375 ton/m. Vigas secundarias de los ejes 1, 2, 3 y 4, carag muerta 0.4 ton/m, carga viva 0.075ton/m.

Para cargar la estructura debemos seleccionar los elementos que tienen el mismo valor decarga distribuida, de acuerdo al eje que le corresponde, se deben elegir elementos

siguiendo el criterio de dameros en el caso de la carga viva. Luego ir al menu Assing –


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Frame Loads – Distributed , correspondiente a la ventana de asignacion de fuerzasdistribuidas sobre los elementos Frames.

Primero debemos seleccionar el estado de carga en el cual estara ubicado la carga aasignar, ssegundo debemos indicar el tipo de carga y la direccion, debido a que es unacarga uniformemente distribuida que sigue el sentido de la gravedad debemos seleccionarForce como tipo de carga y Gravity. En la casilla Uniform Loads debemos indicar el valorde la carga sobre las vigas, para asignar las cargas en los elementos hacemos click en ok.Realizamos estos pasos para la carga muerta y viva.

De esta forma se debe de cargar la estructura con los sistemas de cargas DEAD, L1 y L2,cabe recalcar que los sistemas de cargas vivas L1 y L2 se han considerado mediantecargas de damero con la finalidad de obtener los maximos efectos de momento y corte

positivo y negativo actuante sobre la estructura.


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Para asignar las cargas de sismo seleccionamos en primer lugar el nudo que representa elcentro de masas del diafragma del primer nivel, luego nos vamos al menu Assing – Joint Loads – Forces.

El prigrama nos mostrara la ventana Joint Forces, correspondiente a la ventana de fuerzasen los nudo, en la que cargamos la estructura con un valor correspondiente al nudo delnivel seleccionado, de esta manera contginuamos cargando los demas niveles hastacompletar la asignacion de cargas de sismo en ambas direcciones principales porseparado.

11. VISUALIZACION DE LOS ESTADOS DE CARGAS

Para observar los estados de carga que se han asignado debemos de ir al menuDisplay - Show Load Assigns - Frame/Cable/Tendon , luego nos aparecera laventana Show Frame Loads donde haremos click en ok .


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Finalmente en la parte inferior derecha apareceran flechas en sentido opuesto en formahorizontal con el cual poedmos observar todos los estados de carga haciendo click enuna de las flechas para ver el siguiente estado de carga.


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12. DEFINICION DE COMBINACIONES DE CARGA

Luego de haber cargado la estructura con los sistemas de cargas actuantes debemos derealizar las combinaciones de carga con la finalidad de ejercer los maximos efectos

sobre la estructura, para ello en base a la norma E – 060 se usaran las siguientescombinaciones de carga:

1.4 D + 1.7 L1 1.4 D + 1.7 L2 1.4 D + 1.7 (L1+L2)

1.25 D+ 1.25 (L1+L2) + SX1.25 D+ 1.25 (L1+L2) – SX1.25 D+ 1.25 (L1+L2) + SY1.25 D+ 1.25 (L1+L2) - SY

0.9 D + SX0.9 D - SX0.9 D + SY0.9 D - SY

Para definir las combinaciones de carga a utilizarse vamos al menu Define – LoadCombinations , luego nos mostrara la ventana de definicion de combinaciones de

carga.

En esta ventana debemos de hacer click en Add New Combo, en la que nos mostrara laventana para generar las combinaciones de carga en funcion de factores de carga dediseño. Primero debemos escribir el nombre de la combinacion (en este caco estamos

dejando el nombre que asigna el programa por defecto). Segundo debemos elegir eltipo de combinacion (las combinaciones COMB1 a COMB11 son del tipo Liner Add,mientras que la ultima es una envolvente). Finalmente debemos ingresar cada uno delos terminos que forman la combinacion. Para aceptar los datos ingresados en laventana hacer click en ok .


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Seguir los procedimiento antes descritos para definir las combinaciones restantes. En elcaso de la envolvente se debe seleccionar en Load Combination Type la opcion Envelopey como terminos de la combinacion las combinaciones antes definidas con un factor deescala 1.

13. ANALISIS DEL MODELO ESTRUCTURAL

Luego de haber definido el modelo y la estructura procedemos al analisis estructural,para ello vamos al menu Analize - Set Analysis Options .


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El programa nos mostrara la ventana de opciones de analisis donde hacemos click en laopcion Space Frame, debido a que estamos realizando un analisis tridimensional, luegohacemos click en ok .

Luego vamos nuavamente al menu Analyze - Set Analysis Cases to Run , donde elprograma nos mostrara la ventana de seleccion de los casos de analisis que deseamosque se ejecuten en el analisis. Como estamos realizando un analisis sismico estatico

seleccionamos el estado de carga llamado MODAL (mediante el cual el programa calculalas propiedades dinamicas de la estructura) y hacemos click en el boton Run/Do Not RunCase , observe como la columna Action cambia de Run a Do Not Run , lo cual indica queel programa no analizara dicho caso de analisis.


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Para ejecutar el programa hacemos click en Run Now , luego aparecera una ventana enel cual debemos de seleccionar una carpeta en el cual deseamos guardar el analisis.

14. VISUALIZACION GRAFICA DE LOS DESPLAZAMIENTOS

Para visualizar la deformada de la estructura debido a los estados de carga de sismo,vamos al menu Display - Show Deformed Shape . El programa nos mostrara laventana Deformed Shape , donde se indica en Case/Combo Name el estado de carga SXo SY y algunas opciones de visualizacion como son un factor de escala de la deformada(Scaling ), Wire Shadow para indicarle al programa que dibuje la estructura nodeformada de color plomo.

Al acercarnos a un nudo para visualizar sus desplazamientos, debemos de hacer clickderecho en tal nudo y el programa nos mostrara los desplazamientos traslacionales yrotacionales de dicho nudo, estos desplazamiento se encuentran expresados encoordenadas locales.


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Los desplazamientos elasticos calculados con el programa deben ser corregidos como lomanda la norma al haberse usado fuerzas sismicas reducidas.

15. VISUALIZACION GRAFICA DE REACCIONES EN LA BASE

Para poder visualizar los valores de las reacciones en la base de la estructura vaya almenu Display - Show Forces/Stresses - Joint . En la ventana Joint Reaction Forcesdebemos seleccionar debido a que estado de carga o combinacion deeseamos observarlas reacciones en la base y ademas activamos la casilla Show Results as Arrows paraque el programa muestre las reacciones indicando sus direcciones con flechas.


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Para observar mas en detalle los valores de la reaccion en el nudo de la base hacer clickderecho sobre uno de ellos, lo cual nos mostrara las fuerzas y momentos en el nudo enejes locales.


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16. VISUALIZACION GRAFICA DE LOS DIAGRAMAS DE FUERZA AXIAL, CORTANTE YMOMENTO FLECTOR

Para visualizar los resultados en forma grafica las fuerzas y momentos, vamos al menu

Display - Show Forces/Stresses - Frames/Cables ; se mostrara la ventana dediagramas de fuerzas en los elementos barra, en la que podemos elegir los resultadosde carga axial, cortantes y momentos.

En la seccion Case/Combo elegimos el estado de carga del cual deseamos ver susdiagramas, en la seccion Component seleccionamos el diaframa que deseamos observar,los numerales (2-2 y 3-3) indican el eje local en el cual se mostraran los diagramas defuerza cortante y momento flector.

DIAGRAMA DE FUERZA AXIAL


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DIAGRAMA DE FUERZA CORTANTE EN EL EJE LOCAL 2

DIAGRAMA DE MOMENTO LFECTOR EN EL EJE LOCAL 3


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Se ha observado los diagramas en forma grafica, para llevarlo a tablas primeroseleccionamos al elemento que queremos analizar, luego vamos al menu Diplay - ShowTables .

En la ventana Choose Tables for Display , selesccionamos en la seccion ANALISISRESULTS: Element Forces-Frames para ver las fuerzas al interior de los elementos Frame ,luego debemos seleccionar debido a que combinaciones queremos observar las fuerzas ymomentos, para ello hacemos click en el boton Select Load Cases de la seccion LoadCases (Results) , finalmente hacer click en ok .

El programa mostrara las fuerzas en diferentes secciones del elemento, la primera seccionse encuentra en la cara de las cloumnas debido a que se ha considerado brazo rigido al100%, dichas fuerzas y momentos estaran indicados en sus ejes locales.


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17. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA

Luego de analizada la estructura el siguiente pado es el diseño, para ello primerodebemos definir el codigo de diseño, que en este caso correpondera al del ACI-318-05,luego seleccionamos las combinaciones que se utilizaran en dicho diseño, finalmennteobtendremos las cuantias de acero requeridas para la estructura.

17.1. Definicion Del Codigo De Diseño

Para definir el codigo de diseño vamos al menu Desing-Concrete Frame Design - View/Revice Preferences .

En la ventana de preferencias de diseño debemos de seleccionar el codigo dediseño en la casilla Design Code , tambien se pueden modificar algunos factores dediseño y parametros de diseño como las superficies de interaccion, hacer click enok para aceptar los parametros seccionados.


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17.2. Seleccion De Las Combinaciones De Diseño

Para selccionar las combinaciones de diseño vamos al menu Design - ConcreteFrame Desing - Select Design Combos .

En la columna List of Load Combinations debemos seleccionar las combinaciones autilizar en el diseño para ello las movemos a la columna Design Load Combinations con el boton Add . Para evitar que el programa añada combinaciones de diseñoprovenientes del codigo de diseño seleccionamos desactivar la casilla AutomaticallyGenerate Code - Based Design Load Combinations , una vez seleccionada lascombinaciones a utilizar hacemos click en ok .


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17.3. Cuantias De Refuerzo En Los Elementos Estrcuturales

Para determinar las cuantias deacero primero seleccionamos todala estructura, luego vamos al menuDesign - Concrete Frame

Design - View/Revise

Overwrites .

En la ventana que

aparece debemosde seleccionar eltipo de elementopara el diseño enla casilla FramingType , desplegar lalista y seleccionarSway Special .


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Para observar las cantidades de acero en cada elemento vamos nuavamente almenu Design - Concrete Frame Design - StartDesign/Cchech of Structure .El programa mostrara el area de acero longitudinal requeridas por todos loselementos, para observar con mayor presicion las cantidades desplegar la lista de

unidades en la parte inferior derecha de la ventana principal y seleccionar Tonf- cm .

Para ver el detalle del diseño de una viga hacer click derecho sobre dichoelemento, el programa mostrara la siguiente ventana.


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El programa muestra el diseño de cada seccion que compone el elemento vigaseleccionada para todas las combinaciones seleccionadas, en el caso de las vigasobservar la envolvente, se observa que la primera seccion se encuentra a 15 cmdel punto inicial ya que hemos considerado 100% de brazo rigido y en el cual el

acero longitudinal en la parte superior de la seccion es 5.12 cm 2 (Top Steel) mientras que en la parte inferior se requiere 4.54 cm2 (Bottom Steel) , la ultimacolumna muestra la cantidad de acero por corte requerido por la seccion (ShearSteel) y esta dado en unidades de area/longitud.

Para ver el detalle del diseño de una columna hacer click derecho sobre talelemento.

El programa muestra el diseño de cada seccion que compone el elemento vigaseleccionada para todas las combinaciones seleccionadas, en el caso de lascolumnas observar cada una de las combinaciones excepto la envolvente; sepuede observar que la primera seccion se encuentra a 0 cm del punto inicial yaque hemos seleccionado una columna del primer nivel, resulta que para lacombinacion 7 es la que mayor area de acero requerida la seccion requiere un

area de 36.29 cm2

de acero longitudinal (Longitudinal Reinforcement) , tambien semuestra la cantidad de refuerzo por corte para los ejes locales 2 y 3 de la seccionde la columna en unidades de area/longitud (Major Shear Reinforcement y MinorShear Reinforcement).

El programa tambien nos puede proporcionar la superficie de interaccion de lacolumna haciendo click en el boton Interaction .


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Para llevar los resultados de la superficie de interaccion al Excel debemos ir almenu Edit - Copy All , luego abrir un libro de Excel y copiar los datos (Ctrl+V).

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