VIGAS VIENDEREEL
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8/18/2019 VIGAS VIENDEREEL
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NÁLISIS DEL RENDIMIENTO ESTRUCTUR L DE VIG S
VIERENDEEL
ANALYSIS OF STRUCTURAL EFFICIENCY OF VIERENDEEL BEAM
Javier Estévez Cimadevila, Dr. Arquitecto, Emilio Martín Gutiérrez, Dr. Arquitecto
Escuela Técnica
Superior
de Arquitectura de A Coruña
ESPAÑA
RESUMEN
El presente artículo aborda el análisis del rendimiento
estructural de vigas Vierendeel. Dicha valoración
se
determina a través de dos índices, uno relativo al rendimiento
resistente y otro al rendimiento global, que tíene en cuenta
además la rigidez del conjunto a flexion. Los resultados
mostrados responden al análisis y dimensionado de más de
400 vigas, en las que
se
han utilizado una serie de cinco
modulaciones en combinación con siete valores de canto
diferentes. El estudio
se
completa con el empleo de dos tipos
de perjiles (tubular y abierto) y con la comparación de su
comportamiento con el de las vigas trianguladas. Las
grájicas aportadas constituyen una herramienta de gran
utilidad en orden a valorar la incidencia de los parámetros
de diseño de estas vigas en su rendimiento estructural,
poniendo de manifiesto como conclusión más relevante la
pérdida de ejiciencia que
se
produce, en un dimensionado
optimizado, con la utilización de cantos elevados,
contrariamente a los criterios vigentes en las soluciones de
celosía.
Fecha de recepción: 20 11 03
SUMM RY
This article approaches the analysis
of
the structural
efficiency of the Vierendel beams. This assessment involves
two variables: one relates to the strength-efjiciency and the
other one to the global efjiciency. (The globa l efficiency takes
also into account the bending stiffness
of
the beam). The
results shown rejlect the analysis and dimensioníng ofover
400 beams, where a series
of
jive
different modulations
combined with seven different beam depths have been used.
The case study fini shes using two types ofprojiles (hollow
and open section) and comparing the structural behaviour
between beams and trusses. The graphs shown are a very
useful tool in arder to assess the effect
of
these beams design
parameters on their structural efficiency. The most important
result of the case study
is
the fact that using high beam depths
in an optimized dimension ing involves a decrease of
the
efficiency. This crueria differs from the criteria for latticed
structures.
l.
INTRODUCCIÓN
Los entramados en bastidor, también denominados
Vierendeel por su creador, surgen a partir de las vigas en
celosía, básicamente por la necesidad de permitir el paso
a su través, ya sea de personas o conducciones, y por la
facilidad que otorga esta tipología para la colocación de
carpinterías. En consecuencia, se eliminan las posibles
diagonales, de forma quc los cordones del sistema se vin
culan únicamente mediante montantes. En estas condicio
ncs, las conexiones
deben
ser necesariamente rígidas para
garantizar la adecuada estabilidad del conjunto, y las dis
tintas barras que configuran la estructura se ven someti
das a la acción
simultánea
de esfuerzos axiles, cortantes y
momentos flectores.
Con
frecuencia, la literatura técnica sobre el tema trata
esta tipología como una extensión de los modelos en celo
sía, reseñando las diferencias en términos de solicitacio
nes, de su peor comportamiento resistente y de la comple
jidad
adicional que sup one hacer uniones rígidas. No obs
tante, cabe plantear un estudio comparativo en que se
manifiesten las posibles implicaciones de los parámetros
de diseño habituales, fundamentalmente la dimensión del
recuadro y el
canto
del entramado.
El presente desarrollo viene así a complementar un do
cumento previo 1), en el que se analizaban los rendi
mientos obtenidos con sistemas Pratt, Howe, K
y Warren,
en este último caso, tanto con su formato convencional
como
con la inclusión de diferentes montantes adiciona
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-
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Informesde la Construcción, Yol. 54, n° 483, enero-febrero 2003
les (Figura 1). Sc pretende así no sólo cuantificar de algún
modo la mencionada pérdida de rendimiento, sino deter
minar también en qué medida los criterios de diseño ana
lizados cn cl caso de las celosías pueden resultar aplica
blcs en el proyecto de entramados cn bastidor.
2.
BASES
DE CÁLCULO
El estudio ha comprendido el cálculo matricial de más de
cuatrocientas vigas Vicrendeel, siempre en el ámbíto de
luces medias y con soluciones de canto constante. En lo
que respecta a los restantes condicionantes, se han obser
vado los criterios descritos en los siguientes párrafos.
Con objeto de contemplar un espectro de soluciones sufi
cientemente representativo, se divide la luz entre apoyos
en una serie de 5 modulaciones
(L/14, L/12, L/ID, L/8,
L/6),
y se analizan 7 valores de canto diferentes, igual
mente expresados como posibles fracciones del correspon
diente vano
(L/16.00; L/13.33; L/llA3; L/IO.OO; L/8.89;
L/8.00;
LI7.27) (Figura
2).
En relación
con
las acciones consideradas, y al margen
del peso propio de los perfiles resultantes, se estima una
carga permanente de 50 kg/rn , y otro de igual valor para
las correspondientes sobrecargas. Ambos conjuntos se
aplican, de forma independiente, bien como acciones pun
tuales en los nudos del cordón superior (Cp), bien como
YIERENDEEL
PRATI
HOWE
K
fuerzas distribuidas uniformemente sobre el mismo ele
mento (Cu). Con esta última alternativa se pretende cubrir
aqueIlas situacioncs en las que e I apoyo de correas no se
produzca siempre
sobre
las
conexiones
del entramado,
consecuencia lógica del
empleo
de recuadros de cierta
amplitud.
Como se ha indicado con anterioridad, la determinación
de solicitaciones se ha efectuado con arreglo a métodos
matriciales, suplementados con un proceso de optimización
que selecciona, para cada barra, el perfil de menor peso
que, dentro de la serie elegida, cumple con todas las con
diciones de dimensionado en estado límite último. Tam
bién se ha contemplado la posibilidad de mantener la sec
ción constante a lo largo de
ambos
cordones, si bien tra
tando de forma independiente los patines superior e infe
rior. En lo sucesivo, para distinguir ambas opciones, las
referiremos como soluciones de
cordón
estricto (Ce) y
cordón continuo (Cc), respectivamente.
El proceso de dimensionado se ha realizado conforme a
las estipulaciones contenidas en la NBE-EA 95, tanto en
lo referente al establecimiento de hipótesis combinatorias
y aplicación de crite rios de seguridad, como en lo que res
pecta a la valoración de los correspondie ntes coeficientes
de pandeo. En relación con esta última cuestión, cabe apun
tar que se ha considerado impedido el desplazamiento de
todos los nudos en dirección normal al plano de la viga.
WARREN
l l ~
ARREN CON MONTANTES DE CORDÓN SUPERIOR (MS)
WARREN CON MONTANTES DE CORDÓN INFERIOR (MI)
WARRENCON AMBOS TIPOS DE MONTANTES(AM)
Figura 1.- Tipologías analizadas.
L/14 L/12 L/10
L/8 L/6
L/7.27
1 1 1
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Figura 2.- Casuística analizada.
-
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Informes de la Con strucción. Vol. 54. n'' 483 . enero- febrero 2003
Inicialmente, el estudio contempla la utilizaciónde perfiles
tubulares dentro de la serie europea de sección circular.No
obstante, y como se manifiesta posteriormente, se han con
templado secciones alternativas a fin de lograr una mayor
generalidad en las conclusiones.
En todos los casos propuestos se ha verificado una limita
ción de flecha de magnitud
Ll250,
válida según criterios
normativos para soluciones de cubierta. En consecuencia,
se entiende cada viga analizada como la alternativa de me
nor peso que cumple dicha restricción de forma simultánea
con los restantes condicionantes derivados de la considera
ción de estados límites últimos.
3. EVALUACIÓN DE RENDIMI ENTOS
Al igualque en
el
estudio precedente, se han manejado dos
parámetros adimensionales con la pretensión de ilustrar
comparativamente las diferencias de rendimiento existen
tes entre las distintas alternativas planteadas. El primero,
denominado rendimiento resistente (Rr) , relaciona el peso
final del entramado con el total de carga soportada; mien
tras que el segundo, designado como rendimiento global
(Rg), modifica al anterior valorando también la rigidez del
conjunto. Con estas premisas, se define:
. endimiento resistente r
raeterístieos propios de esta tipología. La variación de
axiles se asemeja a la de las vigas trianguladas, en la me
dida en que presenta mayores valores en las secciones co
rrespondientes a la mayor flexión de la viga lineal equiva
lente. E11 deriva de que la citada flexión da lugar a pares
de fuerzas aplicados en los cordones. Por el contrario, los
diagramas de cortantes en la viga equivalente, que origi
nan en las celosías esfuerzos axiles en diagonales y mon
tantes, se convierten en este caso, debido a los enlaces
rígidos, en flexiones de magnitud muy acusada, con im
portancia creciente a medida que nos aproximamos a los
apoyos, donde los cortantes adquieren sus valores más ele
vados. Este comportamiento servirá para explicar, tal y
como se muestra en el apartado siguiente, las diferencias
de rendimiento entre las citadas tipologías.
Figura
3.-
Def ormada
a = coeficiente constante de ajuste a la escala de ordenadas.
Q= Carga total aplicada a la estructura.
P = Peso total de la estructura.
.
endimi ento global g
I
I
- - ¡
- - -
I
I
Figura 4. Esf uerzos asi les
= coeficiente constante de ajuste a la escala de ordenadas.
L = Luz del vano.
f = Flecha en el punto medio.
Figura
5.
Esfurrzos cortantes
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
1. 1.
eformada
y so lic itac iones
Enprimer término, se hace necesario ilustrar las diferencias
de comportamiento más evidentes entre los entramados
Vierendcel y las vigas de celosía. En las Figuras 3 a 6 se han
representado la deformada y los diagramas de esfuerzos ca-
¡: ¡
l
l l/ Ó.
omentos
[lectores
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Informes de la Construcción, Vol. 54, n" 48] , ene ro-febrero
200]
4.2. Canto del entramado
Las Figuras 7 a 10 muestran los rendimientos resistente y
global relativos a vigas Vierendecl constituidas por perfi
les tubulares de sección circular.
En primer lugar, se aprecia que las soluciones mediante
cordón estricto implican un mejor rendimiento resistente,
derivado de la optimización desarrollada en términos de
reducción de peso. Por el contrario, la alternativa de cor
dones continuos consigue mejorar la rigidez de la viga a
costa de incrementos de peso propio poco significativos,
10
que se traduce en un rendimiento global netamente su
perior al conseguido con el dimensionado estricto. En con
secuencia, los resultados vienen así a apoyar la técnica
habitual de mantener la sección de los cordones a lo largo
de toda la estructura, opción que, por otra parte, tiende a
Figura 7.- Rendimiento resistente. Rr Cu.
2.5 r -
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simplificar la ejecución de conexiones y mejora la imagen
del conjunto.
Las dos primeras ilustraciones (Figuras 7 y 8) llaman la
atención en la medida en que presentan trazados sensible
mente descendentes, de forma que mayores cantos de en
tramado conducen a menores rend imientos resistente s,
contrariamente a las conclusiones que se extraen del aná
lisis de rendimientos en las vigas de ce losía.
La pérdida de rendimiento estructural con el incremento
de canto supone una singularidad, en principio sorpren
dente, pero fácilmente justifi cable a partir del análisis del
comportamiento resistente de esta tipología. La Figura II
muestra un modelo simplificado consistente en asumir la
existencia de rótulas ficticias en los puntos medios de cor
dones y montantes de cada recuadro, en coincidencia con
Figura 8.- Rendimiento resistente. Rr Cp.
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CANT O DE LA VIGA (H) CANTO DE LA VIGA (H)
Figura 9.- Rendimiento globa l. Rg Cu.
Figura 10. Rendimiento global. Rg Cp.
3.5 3.5
3,4
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3,3.3
3.2 3.2
3,1
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CANTO DE LA VIGA (H)
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3
Informes de la Construcción,
Vol
54, n 483, enero-febrero 2003
n VIGA VIERENDEEL
MODELO SIMPLIFICADO DE CÁLCULO
..
L
DIMENSiÓN DEL RECUADRO D
r
MOMENTOS FLECTORES
V-P .D/4
Figura 11. Modelo simplificado de cálculo.
los valores de momento nulo (2,3). Dicha hipótesis, adop
tada igua lmente en el cálculo simplificado de vigas
alveoladas, muestra una precisión aceptable en los ámbi
tos sometidos a esfuerzos más elevados , originándose una
mayor imprecisión del modelo a medida que los esfuerzos
se hacen menos significativos desde el punto de vista de
dimensionado del perfil.
Del estudio estático del modelo en T definido entre rótu
las se deduce que los esfuerzos de flexión en cordones y
montante dependen únicamente de los cortantes actuantes
en las rótulas fictici as y de la dimensión del recuadro. En
consecuencia, un incremento de canto de la viga no origi
na, en el modelo simplificado, variaciones del momento
Figura 12.
-
Moment os
fle ctores
en cordones .
soportado por las barras. Por tanto, una mayor altura del
entramado da lugar a un incremento de peso derivado del
empelo de montantes de mayor longitud pero de igual sec
ción, lo que se traduce en una pérdida de rendimiento re
sistente .
Las Figuras 2y 3nos muestran, con un cálculo riguro
so, los diagramas de momentos flectores correspondien
tes a tres vigas de d istinto canto . Puede observarse cómo
los valores de flcctor obtenido s no muestran una varia
ción significativa, lo que valida la explicación preceden
te.
En el easo del rendimiento global (Figuras 9 y 10), las
conclusiones son bastante similares, si bien aquí las gráfi
cas siguen una curva escasamente pronunciada, igualmente
con valores ópt imos correspondientes a fracciones relati
vamente bajas (
U J
.3J a L/ I1.43).
Figu ra 1J.•
M
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flcctorcs
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mont antes .
-
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4,3. Dimensión del recuadro
Del análisis de las Figuras 14 a 17 se desprende que las
modulacioncs pequeñas
penalizan
cl
rendimiento
resistente. Al mismo tiempo, la incidencia de dicho
parámetro en el rendimiento global genera diferencias poco
acusadas, Si tenernos cn cuenta que la utilización de
recuadros de reducida dimensión origina un incremento
en el número de uniones y, por tanto, un mayor coste de
ejecución del entramado, la conclusión parece clara en el
sentido de optimizar la solución estructural con recuadros
de dimensión importante en combinación con cantos
reducidos.
Figura 14. Rendimiento resistente. Rr Cu.
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4.4. Series de perfiles
En las Figuras 18 a 21 se analizan comparativamente los
resultados obtenidos considerando perfiles tubulares de la
serie europea con sección circular y elementos HES. Se
aprecia que estos últimos se sitúan por debajo de los
tubulares tanto en términos resistentes como de rigidez,
por lo que resulta oportuno que el diseño tienda a solucio
nes cerradas con inercias principales en el mismo orden
de magnitud, Esta solución aporta la ventaja adicional de
una masividad mucho más favorable para tratamientos
posteriores de la estructura, tanto en lo que respecta a la
protección frente a la corrosión como frente al fuego.
Figura 15.- Rendimiento resistente. Rr Cp.
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Informes de la Construcción Vol. 54 , n 4H3, enero-febrero 2003
Figura 18.- Rendimiento resist ente. Rr-Cu-Cc . Figura I
J.
Rendimiento resisten/e . Rr-C/I-Ce.
2.4 r - - - - - -- - - ; -- - - -
- -,--- - - ,..--;¡ 2,4 . . - - - --,--- - ., -- - -,--- - -,--- - - : -- - - ,
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2,2
2,1
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U 16,00 U13 ,33
Ul
' ,43 U l ,00 U8,89 U8.00 U7 ,27 U16 OO
Ll13,33
U ,43 U l 0 OO U8 .89 U8 ,OO Ul ,27
CANTO DE LA VIGA (H) CANTO DE LA VIGA (H)
Figu ra 20.- Rendimiento global. Rg-Cu-Cc. Figura 21.- Rendimient o glo bal. Rg-Cu-Ce.
2.3
2.2
2,1
2,0
1,9
1,8
o
1.5
1
1,4
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,
2,3
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o
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3,0
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U 16,00 U13,33 Lll
lA3
Lll0.00 U8,89 U8,OO Ll7,27
U16.00
U 13,33 Ull ,43
Ll10.CO
U8.89 U 8 00 U7 ,27
CANTO DE LA VIGA (H)
CANTO DE LA VIGA (H)
Asimismo, los análisis comparativos efec tuados muestran
uniformemente dis tribuidas, el dimensionado estricto de
que las conclusiones relativas a las implicaciones de los
cordones o bien la adopción dc secci ón constante en toda
restantes parámetros de diseño se hacen extensivas a otras
la luz, así como tres CaSOS representativos en relación con
alternativas de sección transversal diferentes de la tubular.
las dimensiones del recuadro (M I=-LlI 4; M2=
L11
0;
M3= L16).
4.5. Co mparación co n vigas de celosías
Los gráficos son elocuentes
-
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-
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9/11
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lnfonnes de la Construcción, Vol. 54, n" 483, enero-febrero 2003
18,0
17,0
16,0
15,0
14,0
o;
13,0
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Figura 28.- Rendimiento global. Rg-Cp-Cc-MI .
1
1
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---
1
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-
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......
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I
-
18,0
17,0
16.0
15,0
14,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
01 13,0
'
12,0
-c
(IJ
011,0
-
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10/11
--
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Informes de la Cons trucción, Vol. 54, n? 483, enero-febrero 2003
Figura
34.-
Rendimiento resistente.
Rr-Cu-Cc-Mt .
Figura 35.- Rendimiento glo bal. Rg-Cu-Cc-Ml .
6,5
10,0
6,0
9.0
5,5
5,0
8,0
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7.0
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CANTO DE LA VIGA (H)
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1
U16,00
U13 .33 Ul1 4 3
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7
CANTO DE LA VIGA (H)
Figur a 37.- Rendimiento globa l. Rg-Cu-Cc-M2.
6,5
10,0 r r;::= =
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0.0
U 16.00 U13.33 Ul 1.43 U l 0,00 U8.89 U8.00 Ul .27
U 16.00 U13.33 Ul 1.43 Ul 0.00 U8.B9 U8.00 Ul .27
CANTO DE LA VIGA (H)
CANTO DE LA VIGA (H)
Figura
38.-
Rendimiento resistente. Rr-Cu-Cc-M3. Figura 39.- Rendimiento global. Rg-Cu-Cc-M3.
Figura
36.-
Rendimiento resistente. Rr-Cu-Cc-M2.
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HQWE
n
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U13 33 Ul1 43
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7
CANTO DE LA VIGA (H)
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I
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-
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I
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...
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I
I
U16,00
U 13.33 U l1 .43
U l 0,00
U8 89
U8,00 Ul 2
7
CANTO DE LA VIGA (H)
9,0
8.0
7,0
6.0
5.0
4,0
2.0 +--+---:0 '-+ - --j- - --j- - -+ - -+ - ---i----1
1,0
---....L
l
-
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Informes de la Construcción, Vol.54, n 483, enero-febrero 2003
Por otra parte, más
sig
nificativa res ulta la diferente ten
dencia que manifiestan los trazados en re lación co n la re
percusión que tiene el canto en la determinación de rendi
mientos. Mientras que en las vigas trianguladas los rendi
mien tos son sensiblemente ascendentes
con
el incremento
de can to, las Vier endeel presentan la tendencia contraria,
si bien con unas pendi
ent
es notablemente menos acusa
das .
Por último, las Figuras 34 a 39 muestran, con iguales cri
terios, los resultados obtenidos para una luz incrementada
en un 50%. Lógicamente, las magnitudes de los rendimien
tos se modifican, pero tanto los aspectos cualitativos como
las conclusiones que se dedu cen siguen siendo plenamen
te vá lidas en el ámbito de las luces medias y pa ra las esti
maciones de carga consideradas en el present e artículo.
5. CONCLUSIONES
Lo s resultados obt enidos co nstituyen una herramienta de
ut ilidad para most
rar
la in
cid
en ci a qu e tienen lo s
parámetros de diseño en el rendimiento estructural de las
vigas Vierendee l.
Ace ptando un cr iterio de o pti mizac ión entendido co mo la
reso lución del probl ema estructural con mínimo peso pro
pio se
concluye
que el
diseño ópt
imo
correspo
nde a
entramados
con
cantos bajos
en combinación
con
recuadros de elevada dimensión. Este resultado aparece
avalado
por
toda fa cas uística
contemp
lada y se justifica
con el análisis del comportamiento resistente del recua
dro .
Desde el punto de vista de la va loración de secciones al
ternativas, se pu ede apunta r que la utilización de perfiles
tubul ares aúna un notable rendimiento con una favorable
masividad, lo que redunda en beneficio de otros aspectos
construc tivos .
Este trabajo analiza cualitativamente la pérdida de eficien
cia que supone el prescindir de la triangulación del alma .
BIBLIO GRAFÍ A
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J.,
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