Principales tipos de cargas estructurales y consideraciones fundamentales

Metrado de cargas y su clasificación en la estructuración de edificios

Principales tipos de cargas estructurales y consideraciones fundamentales

Conoce los principales tipos de cargas que deben analizarse en la estructuración de cualquier proyecto constructivo.

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Se dice que una estructura de ingeniería está diseñada satisfactoriamente, cuando se considera en su proceso los distintos elementos, la economía, seguridad, estabilidad, funcionalidad y vida útil. Cuyos tópicos se abordarán en el metrado de cargas y su clasificación en la estructuración de edificios.

Otro factor de suma importancia es la capacidad estructural para soportar las cargas esperadas, entendiendo como estructura al conjunto de partes y componentes que ordenados y combinados entre sí cumplen con su función. 

Lo que deja claro la importancia de la estructuración y el metrado de cargas, porque  gracias a ello es posible predimensionar cada elemento actuante.

Sigue leyendo, no te pierdas los detalles de los principales tipos de cargas estructurales y consideraciones fundamentales del metrado estructural. Aprende todo sobre cómo las cargas actúan, para que tu proyecto sea funcional, seguro y resista mejor el tiempo  mientras ahorras en el proceso constructivo.

¿Qué es el metrado de cargas en una estructura?

En la industria de la construcción civil, la ingeniería y arquitectura, se define como metrado de cargas a la técnica mediante la cual se procede a estimar las cargas que actuarán sobre los distintos elementos estructurales de un proyecto constructivo en general. 

De allí la importancia de estudiar a profundidad el metrado de cargas y su clasificación en la estructuración de edificios.

No obstante, se trata del cálculo de diseño con un proceso estimado o aproximado, puesto que generalmente se suelen desestimar en dicho análisis de cargas los efectos hiperestáticos que producen los momentos flectores. Por regla general, al metrar las cargas hay que pensar cómo será el apoyo de un elemento sobre otro.

La razón de ello, es porque las cargas existentes en un nivel se conducirán por la losa del techo hacia las vigas/muros de soporte, y desde allí hacia las columnas, siendo estas que transferirán su carga a sus elementos de apoyo, compuesto por las zapatas. Por último, las cargas actuarán al mismo tiempo en el suelo o cimentación.

En conclusión, el metrado de carga se refiere a la cuantificación de todas las cargas actuantes sobre los distintos elementos estructurales que componen cualquier tipo de edificación.

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Importancia del metrado de cargas

Las citadas cargas se determinan mediante el método de metrado de cargas, un aspecto de gran importancia en la construcción, toda vez que gracias a estos cálculos iniciales es posible diseñar los cimientos conforme a la magnitud del proyecto arquitectónico. Dicho metrado se lleva a cabo mediante el análisis estructural.

Uno de los motivos para realizar el metrado de cargas, es con la finalidad de determinar o encontrar el ancho de la cimentación como primer elemento constructivo que soportará toda la carga. Pues, será la cimentación que transmita directamente las cargas estructurales al suelo por contacto directo por medio de los muros y/o columnas.

Los cimientos: base de todo proyecto constructivo

Los cimientos son los responsables de distribuir las cargas cuidando que el suelo no resulte sobrecargado, con asentamientos superiores a los determinados en el análisis estructural. Por lo cual, realizar el metrado de cargas requiere de un estricto conocimiento del suelo sobre el cual se ejecutará el proyecto, así como la naturaleza y requerimientos de la estructura.

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Clasificación de cargas que actúan en una edificación

Al comenzar el análisis de una estructura, la tarea principal que debe realizar el profesional a cargo, sea el ingeniero civil o estructurista, es la integración de cargas o metrado de cargas como también se le conoce. 

A tales fines, lo primero es identificar qué tipo de cargas posiblemente actuarán en la estructura que se está analizando o diseñando. Lo siguiente es determinar con la mayor precisión posible, la magnitud probable que tales cargas pueden llegar a presentar.

Como tercera tarea es establecer la extensión de la zona de aplicación de dichas cargas objeto del análisis estructural para proponer un adecuado metrado de cargas de la edificación. 

En general, se definen 5 aspectos claves, sin embargo para nuestro estudio abordaremos las 3 primeras, que resumiendo sería:

  • Tipo de cargas actuantes en la estructura.
  • Magnitud probable de las cargas.
  • Extensión de la zona de aplicación de las cargas estructurales.
  • Trayectoria de las cargas estructurales.
  • Áreas circundantes.

Dicho esto, pasemos a revisar en el siguiente aparte, cómo se clasifican y los tipos del metrado de cargas.

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Según el modo de aplicación

Las cargas conforme al modo o técnica de su aplicación, pueden ser estáticas o dinámicas. La primera es aquella que se aplica de forma gradual, en tanto cuando la carga es de forma súbita, entonces se dice que es una carga dinámica.

Según la permanencia de la carga

En este sentido, se está ante un análisis de cargas estructurales según su permanencia, pudiendo ser momentánea o sostenida

Por ejemplo, un modelo de carga momentánea se puede asociar a un vehículo cuando se desplaza por un puente; mientras que un ejemplo de carga sostenida, se observa en el propio peso de dicho puente por donde transita el coche.

Según la estabilidad de la carga

Cuando una carga se clasifica conforme a su estabilidad, se puede referir a dos formas, una de estabilidad fija y otra fluctuante. La carga fija como lo sugiere su denominación, no cambia con el tiempo, en tanto que la fluctuante si lo hace

Según el origen de las cargas estructurales

Considerando el origen de las cargas, estas se pueden clasificar como aquellas afectadas por distintas acciones, dentro de las cuales se pueden mencionar:

  • Acción de la gravedad.
  • El viento.
  • Los sismos.
  • La presión hidrostática.
  • Por empuje.
  • Por cambios de temperatura
  • Cargas gravitacionales

Las cargas gravitacionales, son aquellos factores capaces de actuar sobre una estructura, como es el caso concreto de la acción de la gravedad. El metrado de cargas de esta índole, se obtiene al multiplicar los volúmenes o superficies estimados en cada caso, por los correspondientes pesos unitarios. En general, siempre actúan sobre la estructura por:

  • Peso propio.
  • Paredes/muros, tabiques, entrepisos, cielorrasos, entre otros. 

A su vez, las cargas gravitacionales se pueden subdividir en cargas muertas y cargas vivas. Donde la carga viva también se subdivide en carga de ocupación, de almacenamiento y de impacto.

  • Cargas ambientales

Las cargas ambientales en metrado son consideraciones en la construcción, donde se estudian aquellos esfuerzos o cargas estructurales que de alguna forma se ven afectadas por fuerzas naturales. En este sentido, se pueden mencionar los siguientes elementos capaces de afectar una estructura:

  • El viento.
  • La lluvia.
  • La nieve.
  • Los sismos o terremotos.
  • Las temperaturas extremas.
  • Entre otros fenómenos.

Los tipos de cargas que actúan sobre las estructuras, se clasifican por su origen o por la acción de los fenómenos naturales, y se tipifican en cargas vivas, cargas muertas y cargas ambientales.

Tipos de cargas estructurales

Ya hemos analizado en otras entradas la importancia y función de las cargas estructurales, quedando claro que son claves y fundamentales en cualquier diseño constructivo. 

Dada su importancia, los códigos de edificaciones prevén que las estructuras cuenten con un diseño y una construcción capaces de resistir con total seguridad todas las acciones recibidas durante su vida útil.

De tal forma, que las cargas o acciones mínimas son bien específicas en los reglamentos, normas y códigos de construcción para los diversos tipos de estructuras, geografía y materiales de construcción.

Las cargas estructurales se dividen conforme a su categoría y a las causas de su origen. En cuanto a la carga real en una estructura, no existe diferencia entre una carga muerta o viva, pero su división si requiere realizar cálculos de seguridad o bien para facilitar el análisis en modelos constructivos más complejos.

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Cargas muertas

Las cargas muertas son aquellas cargas permanentes en la construcción, por lo cual se mantienen en constante magnitud y en posición fija durante toda la vida útil de la estructura. 

Por lo general, gran parte de estas cargas muertas se relacionan con el propio peso de la estructura, aunque no es exclusivo o limitativo.

Se consideran parte de las cargas muertas, los rellenos, acabados de entrepisos, cielos rasos, escaleras, tabiques fijos y equipos rígidos anclados. Al mismo tiempo hay que considerar las cargas suspendidas como conductos, equipos y sistemas de iluminación, entre otros.

Todos estos elementos, incluyen o suponen un peso para las estructuras basados en las dimensiones del proyecto. Por lo cual debe preverse en el diseño como parte del peso propio los materiales y/o artículos, inherentes a la edificación y su posterior ocupación.

  • Metrado de estas cargas 

Las cargas muertas se pueden metrar con cálculos bien aproximados, porque su formulación está descrita en numerosas normas, reglamentaciones y protocolos estándares aplicables en casi todos los países del mundo. 

De tal manera, que se pueden encontrar los valores mínimos que se pueden usar para calcular dichas cargas muertas.

Uno de ellos es la norma NC2 en su anexo b, sobre las demandas, solicitaciones estructurales y condiciones del sitio, se puede acceder a un listado bien detallado de todo lo que suponen las cargas muertas con sus respectivos valores mínimos de diseño aplicables. 

Su objetivo es ofrecer a los profesionales de la ingeniería civil, la arquitectura y construcción en general, datos bien específicos sobre el peso de los distintos materiales, usualmente usados en la construcción de obras civiles.

Cargas vivas

Las cargas vivas corresponden a las producidas por el uso y la ocupación de la edificación, por ello pueden variar en magnitud y en posición con el transcurso del tiempo.  Este contexto significa que tales condiciones pueden variar y conllevan a un mayor grado de incertidumbre para el proyectista, ingeniero o arquitecto con relación a las cargas muertas.

Su intensidad también está prevista en los respectivos códigos y normas de diseño y de seguridad, establecen los valores mínimos para las cargas vivas según la naturaleza de su ocupación. Por ejemplo, las cargas vivas de piso se han determinado considerando las cargas que producen las personas, muebles y equipos móviles que conlleva la ocupación regular de la edificación.

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  • Metrado de cargas vivas

En virtud de las previsiones anteriores, los aspectos de seguridad previstos en las normativas instan a los profesionales de la construcción a considerar en el diseño arquitectónico, el peor escenario, incluyendo las cargas sísmicas, con el fin de diseñar la estructura  para soportar la máxima carga viva posible. 

Por lo tanto, en el metrado de las cargas vivas debe analizarse, prever y calcular la acción o cargas que se ejercerá a la estructura la fuerza del viento,  sismos, cargas de lluvia/granizo, vibraciones producto de máquinas, mobiliario, materiales y sus ocupantes, además de las fuerzas por los cambios de temperatura, entre otras.

  • Cargas versátiles y flexibles  

Un ejemplo claro de cargas vivas y su previsiones de seguridad estructural, se observa en las edificaciones destinadas a oficinas, donde se construyen espacios abiertos y amplios, cuya división se lleva a cabo por muros provisionales. Por lo tanto, son objeto de cambios, remoción, adiciones, reconfiguraciones, etc  durante toda su vida útil.

Las normas de seguridad estructural señalan que en las cargas de los muros/paredes, se verifique si las cargas vivas del piso es inferior a 80 libras fuerza/pie2, aunque dichos muros no estén indicados en los planos. 

Considerando esto, los ingenieros estructurales suelen incrementar las cargas vivas de diseño especificadas en los respectivos códigos, en 20 libras fuerza/pie2, a fin de estimar el efecto de subdivisiones futuras, ya que son imposibles de anticipar.

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Carga de viento

Las cargas de viento tienen lugar por la acción del flujo de aire ejercido por una fuerza alrededor de una estructura. Tal como ocurre con todo tipo de fluido, el viento presiona las superficies de cualquier cuerpo con el entra en contacto.

Por tanto, la carga de viento ocurre con el paso de este a la atmósfera por una estructura estacionaria adherida a la superficie de la tierra. 

Dicho flujo de aire es tridimensional con un movimiento horizontal superior al vertical, cuyo movimiento es de vital importancia en la metereología, en contraste, para el diseño estructural tiene mayor importancia el movimiento horizontal.

  • Importancia del metrado de cargas en estructuras altas

La importancia del movimiento horizontal, es porque ocurre más cerca de la superficie terrestre

Aunque en general, las cargas de viento revisten especial importancia en el diseño de estructuras de alturas considerables, como las torres de radios, puentes con grandes luces, rascacielos altos y angostos, tanques de almacenamiento, chimeneas, entre otras.

Las cargas de viento sobre edificios y demás estructuras, se determinan considerando los efectos atmosféricos y aerodinámicos, tales efectos forman la base de las metodologías establecidas en los estándares de cada país y demás normas constructivas, a fin de calcular dichas cargas de viento.

Al considerar las cargas de viento, hay que prever la amenaza eólica existente en la región. Para ello, la norma de seguridad estructural sugiere un mapa que muestra las zonas con mayores vientos según cada país. Su objetivo es que al construir se tomen todas las previsiones de rigor.

  • Magnitud de la fuerza del viento

La magnitud de las fuerzas producidos por el viento en una estructura, dependerá de los siguientes factores: 

  • Velocidad de viento que actúa sobre la estructura, que al mismo tiempo varía con relación a la altura del terreno y la ubicación geográfica.
  • Grado de protección que puede brindar la topografía, orografía, edificaciones cercanas u otras obstrucciones.
  • Las propiedades aerodinámicas del perfil geométrico de la estructura. 
  • Comportamiento de una estructura sometida a cargas de viento

Cuando el viento golpea una edificación cerrada, envuelve sus lados y techos, ejerce presión o succión en las superficies externas del edificio. Mientras que una pared de barlovento (lado de la isla sujeto a vientos dominantes-más húmedo),  perpendicular a la dirección del viento presenta una presión positiva hacia adentro. 

Mientras que cuando el viento fluye alrededor de las esquinas de la pared, la turbulencia producida en la pared de barlovento separa el flujo de aire de las paredes provocando una presión negativa hacia afuera, es decir, origina una succión, tanto en las paredes laterales como en la de sotavento (lado protegido del viento por la elevación de la isla-más seco). 

Las mayores presiones tienen lugar en paredes de barlovento y sotavento, ya que una pared puede ser de barlovento o sotavento según la dirección del viento, siendo importante en todo caso, diseñar una estructura para soportar tanto la presión máxima hacia adentro, como para la presión máxima de succión.

  • Pruebas de túnel de viento

Las pruebas de túnel de viento han demostrado que en una pared de barlovento, la presión del viento varía con la altura, aumentando a medida que lo hace esta (altura). Mientras que en una pared de sotavento no se evidencia un cambio apreciable de presión con respecto a la altura. 

Significa entonces, que una presión uniforme actúa sobre una pared de sotavento, dado que las cargas de viento aumenta con la altura de una estructura y rigidez de esta contra las cargas de viento, tornándose cada vez más crítica a medida que aumenta la altura de la estructura en análisis.

Incluso, el diseño de estructuras altas, está dominado en buena parte por los requisitos de protección contra el viento.

Cargas sísmicas

En sentido general, un movimiento sísmico o temblor que conlleva a una sacudida de la corteza terrestre, de tal forma, que cuando ocurre este tipo de fenómenos naturales, las estructuras sufren una serie de movimientos de un lado a otro. Tales sacudidas son la consecuencia de estas fuerzas sísmicas que actúan sobre la estructura.

Las fuerzas sísmicas actúan por inercia, cuando una edificación experimenta una aceleración, se genera una fuerza de inercia cuando su masa resiste la aceleración. La contínua sacudida de la base hace que el edificio sufra una serie compleja de oscilaciones, y las fuerzas de inercia actúan dentro de una edificación.

Así como la fuerza de gravedad actúa verticalmente y se distribuye sobre elementos como la losa de piso, también lo hace la fuerza de inercia sísmica, sólo que esta actúa horizontalmente. Puesto que los sismos son responsables de introducir las fuerzas de inercia hacia la estructura. 

  • Los sismos

Los sismos se pueden originar por varias acciones, dentro de las cuales se pueden mencionar, explosiones subterráneas, movimiento del magma dentro de los volcanes o impactos de grandes objetos contra el suelo

Sin embargo, los sismos producto de estos eventos, por lo general tienen un bajo impacto, muy pocas veces originan daños importantes.

No obstante, casi todos los terremotos serios y dañinos tienen un origen tectónico, es decir, ocurren a consecuencia de movimientos abruptos producidos en el interior de la tierra. Siendo importante realizar un buen análisis estructural para garantizar edificaciones seguras y resistentes.

  • Origen gravitacional del sismo

La capa rocosa externa de la tierra, se puede describir como una superposición rocosa superpuesta flotante en el núcleo fundido del planeta. Dicha capa tiene un conjunto de enormes grietas que dividen la corteza en una serie de placas más grandes denominadas tectónicas, producto de fuerzas de naturaleza gravitacional.

Finalmente, toda esa energía de deformación acumulada por años es liberada en forma de energía cinética que irradia hacia el exterior desde el interior donde ocurre el movimiento diferencial, sacudiendo el suelo y demás efectos sísmicos en forma de ondas vibratorias que se propagan a grandes distancias. Lo que supone un peligro para las estructuras cimentadas sobre el suelo.

Cargas de lluvia

A pesar de que todos los techos de las edificaciones se diseñan para que ofrezcan un buen drenaje y evitar las cargas accidentales por acumulación de agua en esta superficie, producto de nieve derretida o agua de lluvia, ya que puede ser posible y aplicable dentro del diseño, análisis o metrado estructural.

Ocasionalmente, los drenajes se pueden bloquear por escombros u otros arrastrados por el viento o hasta granizo acumulado en techos próximos a los desagües.

Aquellos techos planos que abarcan grandes claros son potencialmente más vulnerables a acumular agua de lluvia, puesto que al ser flexibles se deflectan con el peso del agua. Tal deflexión conlleva a una mayor acumulación de agua.

  • Efectos de la deflexión en techos

La consecuencia será una deflexión adicional de la estructura, convirtiéndose así en un ciclo, es decir, a mayor deflexión más acumulación de agua, y mientras más agua se acumule mayor deflexión se producirá. Por lo tanto, estas deflexiones suponen una carga excesiva en el techo, por ende, en la estructura.

Lo ideal de los techos planos, es aportar la mayor rigidez posible o permitida, con el objetivo de evitar estas deflexiones y acumulación excesiva de agua, es decir, de cargas. Algo que no ocurre en los techos de 2 aguas o con pendientes, ya que ofrecen por lo general un buen drenaje pluvial, salvo que se obstruyan los drenajes.

  • ¿Por qué se obstruyen los drenajes de los techos?

Por lo general, los sistemas de drenaje de los techos planos o inclinados no funcionan en su mayoría, por la colocación de objetos en ellos, pues de no existir esta obstrucción, el agua no suele acumularse, en cuyo caso no es necesario recurrir a drenajes secundarios.

Empuje de líquidos

Otro tipo de cargas que deben analizarse en la estructuración de cualquier proyecto constructivo es el empuje de líquidos, una carga conocida como presión  hidrostática, por su relación directa con la presión ejercida por cualquier fluido. Una fuerza de líquidos horizontales en estructuras, se pueden analizar en piscinas, tanques de almacenaje y presas.

Lo que interesa en este tipo de fuerzas es su relación con la densidad y profundidad del líquido. Se sabe por la física, que la presión en un líquido a cualquier profundidad es la misma en todas las direcciones, lo que se conoce como presión hidrostática.

  • ¿Cómo aumenta la presión de un líquido?

La presión aumenta linealmente con la profundidad del líquido, siendo proporcional a su densidad, lo que se puede describir con la siguiente expresión:    P = y x z.

Donde la fuerza real se distribuye proporcionalmente en toda la pared, aunque para fines de su análisis es necesario determinar la fuerza resultante y la ubicación de su actuación, lo que se conoce como fuerza de presión.

El centro de presión en este caso, se encuentra en el eje que mide la distribución de la presión, lo que es un tercio de la distancia desde la parte inferior del muro. Por ejemplo, la presión puede variar desde 0 en la superficie del líquido hasta un máximo en la parte posterior de dicha pared.

Empuje de suelo

En cuanto a las fuerzas por empuje de suelos y/o presión lateral de tierras, se tiene que se producen dondequiera que una estructura soporte un cambio vertical a nivel del suelo. Se les conoce como muros de contención o retención.

Un ejemplo de este tipo de fuerzas por empuje de suelo, son los que forman parte de un sótano de un edificio. Estos muros se deben diseñar para que sean capaces de resistir adecuadamente las cargas laterales originadas por la presión del suelo adyacente.

  • Forma para determinar esta carga 

Para determinar con mayor precisión la magnitud de esta carga de empuje de suelo, es necesario disponer de un estudio geotécnico del suelo donde se ejecutará el proyecto arquitectónico. 

No obstante, no siempre es posible acceder a este tipo de estudio de suelo, en cuyo caso el método de obtener datos confiables o cálculos para estimar la presión, se puede recurrir a la tabla que a tales fines proporcionan los códigos, reglamentos o normativas disponibles en cada país, incluso, algunos están disponibles en la internet.

  • Distribución de presión de carga

La fórmula que describe la distribución de presión por la carga de empuje en el metrado de cargas ejercida por el suelo sobre el muro, se presenta como: p = Kyz. Donde K representa el coeficiente de presión lateral de tierra. Cuando se trata de una presión activa, generalmente se usa un valor K sub A = 0,33;  de no existir datos de pruebas reales.

En cualquier caso, se puede acceder a más datos sobre este tema en textos de mecánica de suelos o ingeniería geotécnica, incluso, en webs especializadas en este tema.  

Un elemento de gran importancia que hay que tener en cuenta en el empuje de suelos o  presión lateral de tierras, salvo que se cuente con un sistema de drenaje adecuado, por tanto, los muros deben diseñarse no sólo para soportar las presiones laterales del suelo, sino también para resistir los efectos de la presión hidrostática, debido a un relleno no drenado.

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El metrado de cargas busca determinar el peso de una edificación, lo que requiere estimar cada solicitación, sumar cada elemento estructural (columna, placa, losa, muro, viga, entre otros). Y este peso se obtiene calculando el volumen de cada elemento multiplicado por su peso específico (conforme al reglamento aplicable).

En esta etapa del proyecto, es donde entra en escena 3G Aceros Monterrey, México, una empresa líder en la fabricación, distribución y comercialización de acero de óptima calidad, con resistencia y durabilidad garantizada. Contamos con más de 30 años de experiencia en la industria del acero, nuestro principal aval.

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Conclusiones de metrado de cargas en la estructuración de edificios

Del interesante desarrollo del metrado de cargas y su clasificación en la estructuración de edificios, se concluye que la forma más expedita para llevar a cabo este proceso, es fundamental conocer y aplicar las normas, reglamentos y códigos constructivos aplicables en cada país, así como las reglamentaciones estandarizadas a nivel internacional que regulan las cargas estructurales.

El objetivo es disponer de los pesos específicos de cada elemento estructural y los materiales para determinar con la mayor precisión posible el peso de las cargas. Con este conocimiento es posible desarrollar un adecuado metrado de cargas de los elementos estructurales que intervendrán en el proyecto, tanto en las cargas muertas como en las vivas de acuerdo al uso que tendrá la edificación.

Se sugiere además, recurrir y consultar diversos proyectos de predimensionamiento estructural de edificaciones de distintos niveles y regiones, con el propósito de ampliar las nociones sobre cómo metrar y tipo de valores de cargas a considerar.  

Igualmente, es importante revisar y/o consultar otras fuentes, como  webs, textos y vídeos especializados en metrado de cargas en distintos elementos estructurales para cargas vivas y muertas en estructuras acorde al uso que se dará a la edificación.

Conocer el metrado de cargas en estructuras es de gran utilidad, puesto que ayuda a abordar y ejecutar el trabajo con mayor seguridad y rapidez. Además de determinar adecuadamente el metrado de cargas de cada elemento estructural, como vigas, placas, losas, cimientos, etc, acorde al tipo y condición específica del suelo, región y uso del edificio. ¡Manos al metrado, y éxitos en tu proyecto constructivo!

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Tipos de cargas estructurales y consideraciones fundamentales
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