Presentación Análisis y Diseño de Estructuras de Hormigón Armado

ANÁLISIS Y DISEÑO DE
ESTRUCTURAS DE
HORMIGÓN ARMADO
DOCENTE: ING. ANGEL B. ENRIQUEZ SALINAS
LA PAZ - BOLIVIA
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
ETAPAS DEL DISEÑO ESTRUCTURAL
EJECUCIÓN
ESTRUCTURACIÓN
ESTIMACIÓN
DE
ACCIONES
DISEÑO
ESTRUCTURAL
PROCESO DEL
DISEÑO
ESTRUCTURAL
PREDIMENSI
ONAMIENTO
ANÁLISIS
ESTRUCTURAL
IDEALIZACION
ESTRUCTURAL
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
ESTRUCTURACIÓN
Es evidente que la configuración estructural queda en buena parte
definida por el proyecto arquitectónico. Es por ello que en esta etapa es
esencial la interacción entre el responsable del proyecto arquitectónico y
el del proyecto estructural. El segundo debe hacer consciente al primero
de las necesidades mínimas de rigidez, resistencia y regularidad que
requiere la estructura y de las consecuencias que tiene algunas
decisiones arquitectónicas en el comportamiento estructural.
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
ESTRUCTURACIÓN
CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL
Se entiende por configuración estructural de la edificación, no solamente la
forma exterior de ella y su tamaño, sino la naturaleza, las dimensiones y la
localización de los elementos estructurales, y no estructurales, que afecten el
comportamiento de la edificación ante las solicitaciones a la que estará
expuesta.
En este sentido, se debe seguir los siguientes lineamientos:
a)
La estructura debe poseer una configuración de elementos estructurales
que le confieran resistencia y rigidez a diferentes acciones a las que es
sometida. Esto se logra proporcionando sistemas estructurales de
similar rigidez y resistencia en dos direcciones ortogonales.
b)
Siempre que sea posible se debe considerar una configuración
estructural sencilla, regular, simétrica, continua, resistente y altamente
hiperestática. Se recomienda que la estructura pueda presentar varias
líneas sucesivas de resistencia (redundancia estructural) conectando
entre sí a los subsistemas estructurales.
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ESTRUCTURACIÓN
Algunos aspectos de la forma
en planta del edificio propician
una
respuesta
poco
conveniente , por tanto deben
evitarse.
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ESTRUCTURACIÓN
CONFIGURACIÓN ESTRUCTURAL
Vista en Planta
Modelo Estructural
Deformada
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ESTRUCTURACIÓN
Vista en Planta
Deformada
Modelo Estructural
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ESTRUCTURACIÓN
Vista en
Planta
Modelo Estructural
Deformada
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ESTRUCTURACIÓN
JUNTAS DE DILATACIÓN
En las estructuras de hormigón armado con la finalidad de no considerar los efectos de temperatura,
normalmente se colocan juntas de dilatación que permitan la contracción y expansión de la misma. La
distancia a la que se debe colocar es una función del clima. Normalmente solo se tienen en cuenta en el
sentido horizontal.
No considerar la disposición de juntas de dilatación en la estructura, tiene como resultado lo siguiente:
✓ Fisuras por retracción y contracción del hormigón, debido a que la deformación de la pieza esta
coartada ocasionando tracciones importantes en el mismo (*).
✓ Con distancias mayores a las recomendadas se producirán grietas y fisuras en elementos no
estructurales como tabiquería y materiales frágiles.
(*) El curado adecuado del hormigón, las cuantías mínimas de contracción y retracción son condiciones
necesarias en tales casos para evitar la fisuración del hormigón pero no suficientes. La disposición correcta de
juntas de contracción es un complemento imprescindible en la mayoría de los casos.
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ESTRUCTURACIÓN
JUNTAS DE DILATACIÓN
El Código Boliviano del Hormigón CBH – 87 en su Capitulo 10, Articulo 10.4, numeral 10.4.1 Juntas de Dilatación
cita textualmente: “…Se denominan juntas de dilatación, a los cortes que se dan a una estructura, con el objeto de
permitir los movimientos originados por las variaciones de temperatura, la retracción de fraguado, o los asientos
de los apoyos. Su magnitud puede determinarse previamente, con exactitud, mediante el cálculo…”
≤ 25
entre juntas de dilatación, función de las condiciones
climatológicas del lugar en que estén ubicados, no será
≤ 25
Cometario: En el caso de edificios corrientes, la separación
✓ En regiones secas o con gran variación de temperatura
≤ 25
superior a:
✓ En regiones húmedas y de temperatura poco variable
(variación no mayor de 10 ºC), 50 m.
≤ 25
(superior a 10 ºC), 25 m.
≤ 25
≤ 25
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
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ESTRUCTURACIÓN
JUNTAS DE DILATACIÓN
En Bolivia se pueden adoptar los siguientes límites:
✓ Zona del Altiplano juntas de dilatación a una distancia máxima de 25 metros.
✓ Zona de los Valles juntas de dilatación a una distancia máxima de 30 metros.
✓ Zona del Oriente juntas de dilatación a una distancia máxima de 40 metros.
Las formas más usuales de materializar las juntas se describen
a continuación:
✓ El usar doble columna es la forma más simple de construir
una junta, pero no siempre es posible, pues el ensanchar
una columna hace desde el costo tanto en la arquitectura
como de la estructura.
✓ Mediante volados en las vigas cuidando los aspectos de
deformación relativa entre ambas partes de cada lado.
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ESTRUCTURACIÓN
EIDIFICIO
Modelo
Estructural
Vista en Planta
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ESTRUCTURACIÓN
SISTEMAS DE PISO
Otro aspecto relevante que se debe considerar en la
etapa de estructuración es precisamente la elección del
sistema de piso, puesto que esta se encargara a recibir
las cargas y transmitirlas a las vigas y/o pilares y, a
través de éstos, a la cimentación y al terreno.
Transferencia de Cargas en Estructuras
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ESTRUCTURACIÓN
SELECCIÓN DEL SISTEMA DE PISO
La selección de un sistema de piso apropiado debe hacerse después de estudiar varias alternativas, y la selección
final debe considerar:
✓ La magnitud de las cargas de las acciones permanentes y
variables.
✓ Geometría del diseño del plano arquitectónico, incluidas
las longitudes de los tramos en ambas direcciones y el
espacio entre ellos.
✓ Presencia de voladizos y su máxima luz y dirección.
✓ Tipo de ocupación o uso.
✓ Materiales disponibles de hormigón y acero de refuerzo.
✓ Comportamiento esperado del sistema de losas y
capacidad para cumplir con los criterios de servicio y
deflexión.
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ESTRUCTURACIÓN
TIPOS DE SISTEMAS DE PISO
El sistema de piso usado por un edificio debe ser uno de los sistemas mostrados en las siguientes figuras o sus
variaciones permitidas. La selección de un sistema de piso apropiado debe hacerse después de estudiar varias
alternativas.
Sistemas de Losa sobre Vigas
Sistema de Losa Llena sobre Vigas
Sistema de Losa Reticular sobre Vigas
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ESTRUCTURACIÓN
Sistemas de Losa sobre Vigas
Sistema de Losa sobre Viguetas
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ESTRUCTURACIÓN
Sistemas de Losa Plana o Entrepiso Sin Viga
Sistema de Losa
Llena Plana
Sistema de Losa
Reticular Plana
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ESTRUCTURACIÓN
Sistema de Losa Reticular Plana
Con Casetón Recuperable
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ESTIMACIÓN DE ACCIONES
Una de las primeras tareas del proyectista es la de hacer una
determinación de todas aquellas acciones que pueden afectar
la estructura en cuestión, ocasionando en ella efectos
significativos.
Pueden hacerse clasificaciones de las acciones de acuerdo
con un sin número de criterios diferentes: según el origen de
las acciones, como cargas muertas, cargas de funcionamiento
y efectos ambientales; según la forma en que actúan las
acciones, estáticas, dinámicas y de impacto. Desde el punto
de vista de la seguridad estructural y de los criterios de diseño,
la más conveniente es la clasificación con base en la duración
con que obran sobre la estructura con una intensidad cercana
a la máxima.
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
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ESTIMACIÓN DE ACCIONES
PESO PROPIO DE LA ESTRUCTURA (PP)
ACCIONES
PERMANENTES
PESO CARGAS MUERTAS (CM)
EMPUJE LATERALDEL SUELO (H)
ESTIMACIÓN
DE ACCIONES
ACCIONES
VARIABLES
CARGA VIVA DE ENTREPISOS (CV)
CARGA VIVA DE TECHO (Lr)
ACCIONES
ACCIDENTALES O
TRANSITORIAS
VIENTO (W)
SISMO (S)
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ESTIMACIÓN DE ACCIONES
ACCIONES PERMANENTES
Son aquellas que obran en forma continua sobre la estructura y cuya intensidad puede considerarse que no varía
Intensidad
con el tiempo.
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Tiempo [años]
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ESTIMACIÓN DE ACCIONES
ACCIONES VARIABLES
Son aquellas que obran sobre la estructura con una intensidad variable con el tiempo, pero que alcanzan valores
Intensidad
significativos durante lapsos grandes.
Fracción Variable debida
personas y a funcionamiento
a
Fracción Semipermanente debido
a muebles y equipo
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Tiempo [años]
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ESTIMACIÓN DE ACCIONES
ACCIONES ACCIDENTALES
Son aquellas que no se deben al funcionamiento normal de la construcción y que pueden tomar valores
Intensidad
significativos sólo durante pequeñas fracciones de la vida útil de la estructura.
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
Tiempo [años]
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
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ESTIMACIÓN DE ACCIONES
PESO PROPIO “PP”
El cálculo del peso propio o carga permanente
estructural
de
los
distintos
elementos
estructurales de hormigón armado serán
determinados a partir de la geometría
adoptada en el diseño estructural.
Cabe
resaltar
que
el
valor
de
peso
correspondiente a la carga muerta estructural
es por lo general determinado de manera
automática por el los diferentes software de
análisis y diseño estructural a partir de la
geometría de un determinado elemento
estructural.
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ESTIMACIÓN DE ACCIONES
CARGA MUERTA (ADICIONAL AL PESO PROPIO) “CM”
La carga muerta (adicional al peso propio) o carga
permanente no estructural es la suma de las cargas
correspondientes al REVOQUE DE PISOS (cielo falso y
cielorraso), CONTRAPISO DE NIVELACIÓN, REVESTIMIENTO
DE PISOS (cerámica, porcelanato, piso flotante, entre
otros), TABIQUERÍA EXTERIOR E INTERIOR (muros divisorios
y de fachadas incluyendo sus revestimientos), las
instalaciones y todos aquellos elementos que conservan
una posición fija en la construcción, de manera que
gravitan en forma constante sobre la estructura.
El cálculo de la carga muerta en general es sencillo, ya
que sólo requiere la determinación de los volúmenes de
los distintos componentes de la construcción el peso
específico del material constitutivo.
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
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ESTIMACIÓN DE ACCIONES
CARGA VIVA DE PISO “CV”
Por su carácter, la carga viva es peculiar del uso o servicio a la que está destinada la construcción como
Estadios, Viviendas, Hospitales, Escuelas, Fabricas, Hoteles, entre otros; por lo que dicha carga debe
considerar el peso de las personas, muebles, instalaciones movibles, materias almacenadas, vehículos,
etc.
En la gran mayoría de los casos, las cargas vivas de
diseño especificadas por las normas están fijadas con
bases esencialmente subjetivas se trata de postular
una
condición
de
operación
suficientemente
desfavorable para que la probabilidad de que se
presente una situación más grave sea pequeña y
determinar después una carga uniforme equivalente
cuyos efectos sean similares a los de la acción real.
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
ESTIMACIÓN DE ACCIONES
VIENTO“W”
Los vientos son movimientos horizontales de masas de aire debidos a diferencias de presión en las distintas zonas
de la atmósfera y a la rotación terrestre. Estos movimientos ocurren constantemente; sin embargo, para el diseño
estructural interesan esencialmente los vientos que tienen velocidades muy grandes y que se asocian a
fenómenos atmosféricos excepcionales.
El parámetro básico que se requiere estudiar para fijar la
intensidad de la acción de diseño es la velocidad máxima con
que el viento puede actuar sobre la estructura durante la
existencia de ésta.
La gran mayoría de los países toma como norma base para
estimar las presiones del viento aplicado a edificios la norma
ASCE, ajustando algunos valores en función a sus condiciones
locales.
VELOCIDADES BASICAS DEL VIENTO EN
CIUDADES CAPITALES
Departamento
COCHABAMBA
LA PAZ
ORURO
POT OSI
SANT A CRUZ
SUCRE
T ARIJA
T RINIDAD
COBIJA
Velocidad Maxima
[m/s]
[km/h]
44.30
159.48
29.50
106.20
29.40
105.84
30.20
108.72
42.60
153.36
32.40
116.64
24.00
86.40
40.00
144.00
26.50
95.40
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
ESTIMACIÓN DE ACCIONES
VIENTO“W”
MAPA EOLICO DE BOLIVIA
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ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
PREDIMENSIONAMIENTO
El proceso de diseño es un mecanismo iterativo el cual consiste en ir perfeccionando una propuesta de
elementos inicial, hasta llegar a una propuesta óptima. Por esta razón se suponen secciones iniciales para
los elementos en la estructura, como vigas principales y columnas, y con ellos se realiza un análisis
estructural preliminar. La propuesta inicial de estas secciones no es definitiva, ya que a través del proceso
de diseño se van optimizando las secciones de los elementos estructurales, sin embargo, a partir de una
buena selección inicial, se puede reducir el número de iteraciones necesarias.
En
esta
etapa
se
realiza
un
ESTRUCTUR
ACIÓN
DISEÑO
ESTRUCTURAL
predimensionamiento de los elementos que
conforman la estructura tomando en cuenta el
sistema estructural adoptado y las acciones
ANÁLISIS
ESTRUCTURAL
ESTIMACIÓN
DE ACCIONES
ETAPAS DEL DISEÑO
SISMORRESISTENTE
que inciden sobre la misma, además es
fundamental la experiencia del proyectista ya
que un predimensionamiento óptimo reduce el
tiempo de análisis.
IDEALIZACION
ESTRUCTURAL
PREDIMENSIO
NAMIENTO
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
PREDIMENSIONAMIENTO
✓ Predimensionamiento de Columnas
Columnas de Esquina o de Borde
A: Área bruta de la columna
Columnas Centrales
P: Fuerza de compresión en servicio
fc´: Resistencia Característica del Hormigón
✓ Predimensionamiento de Vigas
Altura de Vigas
Ancho de Vigas
o Diseño Convencional:
h: Peralte de la viga [cm]
bw: Ancho de la viga [cm]
o Diseño Sismorresistente:
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
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PREDIMENSIONAMIENTO
La Norma ACI 314R - 16 “Guide to Simplified Design for Reinforced
Concrete Buildings” en su CAPITULO 10 - COLUMNAS, numeral 10.3.
Dimensiones Limites establece:
“… 10.3.2.1. Dimensiones mínimas de sección transversal para columnas
rectangulares – La sección transversal para columnas rectangulares
deberá cumplir a) y b). a) La dimensión mínima de la sección transversal
no debe ser inferior a 250 mm. b) La relación entre la dimensión de la
sección transversal larga y la corta no debe exceder de 3, excepto en el
sistema de losa plana, donde no debe exceder de 2...”.
“… 10.3.2.1. Dimensiones mínimas de sección transversal para columnas
circulares – La sección transversal para columnas circulares debe tener
un diámetro de al menos 300 mm...”.
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
PREDIMENSIONAMIENTO
La Norma ACI 314R - 16 “Guide to Simplified Design for Reinforced Concrete Buildings” en su CAPITULO 10 - COLUMNAS, numeral 10.3.
Dimensiones Limites. 10.3.3. Distancia entre soportes laterales indica “… 10.3.3.1. Generalidades – Se debe suponer que el sistema de
piso proporciona restricción lateral a la columna en ambas direcciones horizontales y en todos los niveles soportados....”.
10.3.3.2. Columnas Interiores - Para
10.3.3.2. Columnas de Borde - Para las
10.3.3.2. Columnas de Esquina - Para las
columnas interiores, la dimensión de la
columnas de borde, la dimensión de la
columnas de esquina, la dimensión
sección
sección
columna
mínima de la sección transversal de la
paralela a la dirección del soporte no
perpendicular al borde no debe ser menor
columna debe ser menor que 1/8 de la
debe ser menor a 1/10 de la distancia
a 1/9 de la distancia vertical clara entre
distancia vertical libre entre los soportes
vertical libre entre los soportes laterales.
los soportes laterales.
laterales.
transversal
de
la
columna
transversal
de
la
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
PREDIMENSIONAMIENTO
“…Debe usarse el menor número posible de diferentes
tamaños de columnas en un edificio. A este respecto, es muy
poco económico variar el tamaño de una columna de piso a
piso para satisfacer las diferentes cargas que debe soportar.
Esto quiere decir que el proyectista puede seleccionar un
tamaño de columna para el piso superior de un edificio de
varios pisos (usando el menor porcentaje de acero posible) y
luego continuar usando el mismo tamaño verticalmente
hacia abajo en tanto pisos como sea posible aumentando el
porcentaje de acero piso por piso según se requiera.
Además, es conveniente usar el mismo tamaño de columna
lo más posible en cada nivel. Esta consistencia de tamaños
proveerá ahorros considerables en los costos de mano de
obra…”.
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
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PREDIMENSIONAMIENTO
MONOBLOCK
TORRES DEL POETA
TORRE PARCK CENTRAL
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
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PREDIMENSIONAMIENTO
CALLE ONDA
EDIFICIO YPFB
MINISTERIO
DE ECONOMÍA Y FINANZAS
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PREDIMENSIONAMIENTO
CONDOMINIO WHIPALA
LA CASA GRANDE DEL PUEBLO
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PREDIMENSIONAMIENTO
✓ Predimensionamiento de Losas
Losas Macizas
h: Altura de losa [cm]
Losas Aligeradas
L: Luz de cálculo mayor [cm]
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
PREDIMENSIONAMIENTO
“…El canto de los forjados depende de los siguientes
factores: luces entre pilares, luces de voladizo, grado de
empotramiento
de
las
placas
en
bordes,
cargas
gravitatorias a soportar y empujes horizontales a tener en
cuenta.
Es francamente arriesgada la recomendación de las
normas de aconsejar para las placas aligeradas que se
tome el canto igual a la Luz Max/28 (Instrucción EHE-08).
La recomendación que efectúa la Norma, se hace
siguiendo el espíritu de la modulación ideal y siempre
pensado en cargas convencionales de edificaciones, y aun
así nos parece una recomendación muy peligrosa bajo el
punto de vista de las deformaciones que se forman en las
placas…”
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
PREDIMENSIONAMIENTO
“…En general las obras no poseen la modulación ideal, las cargas
frecuentemente superan los 200 [kg/m2] considerados en viviendas,
existen acumulaciones verticales de carga por tabiquería al construirse las
mismas de forma ascendente y, por ello, el proyectista debe medir
cuidadosamente los cinco puntos mencionados en el comienzo de
apartado para acertar con la elección del canto de la placa.
El éxito del comportamiento de las estructuras con forjados reticulares
descansa más en la elección del canto adecuado de la placa, que adoptar
un método u otro de análisis (de cálculo) en la misma.
La experiencia en patología que poseemos de este tipo de estructuras, y el
comprobar que las modulaciones arquitectónicas varían mucho de ser las
ideales y aconsejables, nos obliga a que seamos más prudentes en la
elección de los cantos que las propias normas. El canto recomendado
puede obtenerse de dividir la luz por un valor comprendido entre 20 y 25
dependiendo de los parámetros inicialmente expuestos…”
Ing. Angel Bladimir Enriquez Salinas
ANÁLISIS Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS DE HORMIGÓN ARMADO
PREDIMENSIONAMIENTO
“…El espesor mínimo de la placa si esta es maciza no será inferior a
12 cm ni a 1/32 de la luz del vano mayor. No obstante, dicho
espesor podrá bajarse a 10 cm, o a 1/35 de dicha luz (el mayor de
ellos), si la placa va provista de ábacos cuyo resalto sea ho ≥ h/4,
en la dirección de cada vano, sea igual o superior al tercio del vano
correspondiente.
Si la placa es aligerada, su espesor no será inferior a 15 cm ni a
1/28 de luz mayor vano, debiendo llevar además una capa de
compresión continua. El espesor de esta capa de compresión no
será inferior a 5 cm ni a 1/10 de la mayor dimensión del
aligeramiento bx o by, con moldes recuperables, debiendo llevar
además una malla de Φ 6 a 15 cm en cada dirección.
Los espesores mínimos mencionados no son recomendables en la
práctica por que dan lugar a cuantías antieconómicas y a
problemas de deformaciones. Los espesores mínimos usuales son
de 15 cm o 1/30 de la luz del vano mayor en placas macizas, y de
20 cm o 1/25 de la luz del vano mayor en placas aligeradas…”