PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ - ESCUELA DE GRADUADOS - Maestría en Ingeniería Civil CIV-608 DINÁMICA DE ESTRUCTURAS Semestre 2015-2
PROBLEMAS RESUELTOS PROBLEMA 1 Un pórtico de concreto armado en un terreno en pendiente es idealizado con una viga infinitamente rígida. La masa se asume concentrada en la viga y es igual a 70ton. Las columnas tienen secciones transversales de C1 (30cm x 50cm) y la C2 (30cm x 60cm). Asumir un módulo de elasticidad del concreto Ec=2x10⁷ kN/m² y una razón de amortiguamiento de ξ=5%. Calcular la respuesta de desplazamiento (D), pseudo-velocidad (V) y pseudo-aceleración (A), para un terremoto cuyo espectro de respuesta se muestra en la figura para 5% de amortiguamiento. Determine las fuerzas cortantes y los momentos flectores en la base de las columnas en el instante de respuesta máxima.
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SOLUCION El procedimiento para la solución inicia con el cálculo de las propiedades en vibración libre del sistema. Luego haciendo uso del espectro de respuesta se calcularán las solicitaciones del problema.
Para ello asumiremos un valor de m = 70 Ton
Los datos extraídos del problema son:
Columna C1: 0.30m x 0.50m x 5.00m
Columna C2: 0.30m x 0.60m x 3.50m
Elasticidad del concreto: Ec=2x10⁷ kN/m²
Razón de amortiguamiento: ξ=5%
Se asumirá que las columnas están orientadas de tal forma que el lado mayor de su sección aporta a la rigidez lateral del pórtico planteado.
La inercia de las columnas es: b h3 12 0.30 0.50 3 I1 12 I1 0.003125 m 4 I1
b h3 12 0.30 0.60 3 I2 12 I2 0.0054m 4 I2
La rigidez del sistema es: K K1 K 2 K
12 E I1 H1
3
12 E I 2 H2
3
kN kN 12 2 10 7 2 0.003125 m 4 12 2 10 7 2 0.0054m 4 m m K 3 5.00m 3.50m3 kN kN K 6000 29667 .638 m m kN K 35667 .638 m
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1.1 Determinación de Propiedades en vibración libre Frecuencia circular natural n
k 35667 .638kN / m 22.573rad / seg m 70Ton
Periodo natural de vibracion Tn
2 2 0.278seg n 22.573
1.2 Determinación de Pseudo-Aceleración Se tiene que para el periodo natural Tn = 0.278seg se tiene una aceleración máxima de 0.35g = 0.35 x 9.81m/s² = 3.43m/s²
A=0.35g
Tn=0.278seg
Figura 1.1. Espectro de aceleración para el terremoto planteado 1.3 Determinación de respuesta del desplazamiento
D
A
3.43
s2
0.0067m 2 rad 22.573 s de Pseudo-Velocidad 1.4 Determinación n
2
m
V n D 22.573
rad m 0.0067m 0.15 s seg JV / 2015-2
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1.5 Determinación de la fuerza cortante en la base de las columnas VB1 K 1 D kN 0.0067m m 40.20kN
VB2 K 2 D
VB1 6000
VB2 29667 .638
VB1
VB2 198 .77kN
kN 0.0067m m
1.6 Determinación del momento flector en la base MB1 f s1 D
MB 2 f s 2 D
MB1 40.20kN 5.00m
MB2 198.77kN 3.50m
MB1 201kN m
MB2 695.695kN m
Finalmente la respuesta al problema planteado es la siguiente:
El desplazamiento máximo del sistema es D=0.0067m y corresponde a un periodo natural del sistema Tn=0.278seg
La pseudo-velocidad del sistema es V=0.15m/s
La pseudo-aceleración del sistema es A=3.43m/s²
La fuerza cortante para la columna de H=5m es VB1=40.20kN
La fuerza cortante para la columna de H=3.5m es VB2=198.77kN
El momento flector para la columna de H=5m es MB1=201kN-m
El momento flector para la columna de H=3.5m es MB2=695.7kN-m
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PROBLEMA 2 Una viga simplemente apoyada se ha idealizado como el modelo de masas concentradas mostrado en la figura. Se pide: a) Identificar los grados de libertad que representen las propiedades elásticas e inerciales y ensamblar las matrices de rigidez y masa. Despreciar las deformaciones por fuerza axial. b) Formular las ecuaciones del movimiento de la viga. Aplicar condensación estática para reducir el tamaño del problema. c) Calcular los modos y frecuencias naturales de vibración. La viga se tiene una sección de 300x500mm, E=20GPa, m=0,55ton y L=6m
SOLUCION: El procedimiento usual consiste en considerar un sistema de 6 GDL, y luego condensar a los 2 GDL traslacionales. Sin embargo, aquí se plantea solo 4 GDL ya que se conocen las relaciones fuerza-desplazamiento para la viga con articulación en un extremo. Para el planteamiento del sistema de 4GDL se despreciará las deformaciones por fuerza axial. Los datos extraídos del problema son:
Viga: 0.30m x 0.50m x 6.00m
Elasticidad del material: E=20GPa
m=0.55Ton/m
La inercia de la viga es: b h 3 0.30 0.50 0.003125 m 4 12 12 3
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2.1.
Identificación de los grados de libertad
Se colocaron los grados de libertad en los nudos de las masas concentradas y ello nos permite a su vez plantear la matriz de fuerzas externas en los grados de libertad del sistema.
3
1
2
4
Elemento 1
Elemento 2
Elemento 3
L/3
L/3
L/3
Nodo 1
Nodo 2
Figura 2.1. Definición de GDL del sistema
2.2.
Ensamblaje de la matriz de masas
Debido a que solo las fuerzas verticales se aplican a las masas. Entonces la matriz de masa es diagonal y cada elemento de la diagonal representa cada masa en la estructura.
P1(t)
P2(t)
mL/3
mL/3
L/3
L/3
L/3
Figura 2.2. Definición de participación de masas mL 3 m
0.55 6 3 mL 3 0 0
0.55 6 3
1.10 1.10 Ton 0 0 0 0
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2.3.
Ensamblaje de la matriz de rigidez
Para obtener la primera columna de la matriz de rigidez se impone un desplazamiento unitario al 1er. grado de libertad.
K11 K31 K41
1m
L/3
K21
L/3 Nodo 1
Nodo 2
81EI/L³
K 11
81EI/L³ 27EI/L²
L/3
1m
K 21 K 31
L/3
K 41
Nodo 1
81 EI 3
324 EI
L 324EI L3 54 EI 2
L 54EI
3
L
27 EI 2
L
405EI L3
27EI L2
L2
324EI/L³ 54EI/L²
324EI/L³
1m
54EI/L² L/3 Nodo 1
L/3 Nodo 2
Figura 2.3. Diagrama de cuerpo libre (U1=1, U2=0, U3=0, U4=0)
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Para obtener la segunda columna de la matriz de rigidez se impone un desplazamiento unitario al 2do. grado de libertad.
K22 K42 K12
K32
1m
L/3
L/3 Nodo 1
Nodo 2
324EI L3 81 EI 324 EI 405EI L3 L3 L3 54EI L2 27EI 54EI 27EI 2 2 L L L2
81EI/L³
K 12 K 22 K 32 K 42
L/3
81EI/L³ 1m
27EI/L²
L/3 Nodo 2
324EI/L³ 54EI/L²
324EI/L³
1m
54EI/L² L/3
L/3 Nodo 1
Nodo 2
Figura 2.4. Diagrama de cuerpo libre (U1=0, U2=1, U3=0, U4=0)
Para obtener la tercera columna de la matriz de rigidez se impone un giro unitario al en el 3er grado de libertad.
K13 K33
K43
K23
1 1
L/3
L/3 Nodo 1
L/3 Nodo 2 JV / 2015-2
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27EI/L²
27EI/L²
54 EI 27 EI 27EI 2 L2 L2 L 54EI 2 L 9EI 12EI 21EI L L L 6EI L
K 13
9EI/L
K 23
1
K 33
L/3
K 43
Nodo 1 54EI/L²
54EI/L² 6EI/L
1
12EI/L L/3 Nodo 1
L/3 Nodo 2
Figura 2.5. Diagrama de cuerpo libre (U1=0, U2=0, U3=1, U4=0)
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Para obtener la cuarta columna de la matriz de rigidez se impone un giro unitario al en el 4to grado de libertad.
K33
K13
K23
K43
1 1
L/3
L/3
L/3
Nodo 1
Nodo 2
54EI L2 27 EI 54 EI 27EI L2 L2 L2 6EI L 9 EI 12 EI 21EI L L L
27EI/L²
K 13 K 23 K 33 K 43
27EI/L² 1
9EI/L L/3 Nodo 2
54EI/L²
54EI/L² 1
6EI/L L/3
12EI/L
L/3 Nodo 1
Nodo 2
Figura 2.6. Diagrama de cuerpo libre (U1=0, U2=0, U3=0, U4=1)
Finalmente la matriz de rigidez queda de la siguiente manera:
K 11 K K 21 K 31 K 41
K 12 K 22 K 32 K 42
K 13 K 23 K 33 K 43
405EI L3 K 14 324EI K 24 L3 K 34 27EI 2 K 44 L 54 EI 2 L
324EI L3 405EI L3 54EI L2 27EI L2
27EI L2 54EI L2 21EI L 6EI L
54EI L2 27EI L2 6EI L 21EI L
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9L 18L 135 108 108 135 18L 9L 3EI K 3 9L 18L 7L2 2L2 L 9L 2L2 7L2 18L 108 96 18 6 135 kN 3 20 10 6 2 0.003125 m 4 135 18 6 9 6 m 108 K 9 6 18 6 7 6 2 2 62 6.00m3 2 62 7 62 18 6 9 6 54 108 135 108 15625 108 135 108 54 kN K 18 54 108 252 72 m 54 72 252 108
2.4.
Ensamblaje del vector de cargas externas
Las cargas externas coinciden con los grados de libertad planteados, por lo tanto su valor es colocado directamente el vector de cargas externas P1( t ) P2 ( t ) kN P( t ) 0 0
2.5.
Ecuación matricial del movimiento
Una vez determinadas las propiedades de masa y rigidez, se plantea la ecuación matricial del movimiento estático.
m u(t ) k u(t ) P(t )
1.10 u1 ( t ) 1 . 10 u 2 ( t ) 15625 0 u ( t ) 18 3 0 u 4 ( t )
54 108 u1 ( t ) P1 ( t ) 135 108 108 135 108 54 u ( t ) P ( t ) 2 2 54 108 252 72 u 3 ( t ) 0 54 72 252 u 4 ( t ) 0 108
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2.6.
Condensación estática
Se tienen grados de libertad rotacionales sin masa ni carga aplicada, por lo tanto se puede dividir las matrices de masa y rigidez considerando solo grados de libertad traslacionales de la siguiente manera. k k tt k ot
1.10 m 1.10
k to k oo
Donde la nueva matriz de rigidez condensa los grados de libertad rotacionales.
k k tt k ot
^
9L 18L 135 108 k to 3EI 108 135 18L 9L k oo L3 9L 18L 7L2 2L2 9L 2L2 7L2 18L 1
k k tt k to k oo k ot 3EI 135 L3 108 ^ 3EI 135 k 3 108 L 432 ^ 3EI 5 k 3 378 L 5 ^ 162EI 8 k 5L3 7 ^
k
108 9L 18L 7L2 135 18L 9L 2L2 3 108 9L 18L 5L 135 18L 9L 12 5L
1 9L 18L 2L2 18L 9L 7L2 12 5L 3 5L
378 5 432 5 7 8
kN 162 20 10 6 2 0.003125 m 4 8 7 m k 3 5 6.00m 7 8 ^ 8 7 kN k 9375 7 8 m ^
Finalmente la ecuacion del movimiento sin los grados de libertad rotacionales es:
m u( t ) k u( t ) P( t ) 1.10 u1 ( t ) 8 7 u1 ( t ) P1 ( t ) 9375 1.10 u ( t ) 7 8 u 2 ( t ) P2 ( t ) 2 1.10 u1 ( t ) 75000 65625 u1 ( t ) P1 ( t ) 1.10 u ( t ) 65625 75000 u 2 ( t ) P2 ( t ) 2 JV / 2015-2
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2.7.
Frecuencias naturales de vibración
Implica resolver en primer lugar la siguiente determinante k n m 0 2
75000 65625
65625 2 1.10 n 75000 1.10
Sea λ=ωn² k n m 0 2
75000 65625
65625 1.10 75000 1.10
75000 65625
65625 1.10 75000 1.10
65625 75000 1.10 65625 75000 1.10
La determinante del sistema nos da la siguiente ecuación cuadrática: 121 2 165000 1318359375 100
La solución de la ecuación cuadrática planteada es: 1 8522 .727 2 127840 .909
Finalmente la frecuencia circular de vibración es: n1 1 8522 .727 92.319rad / seg n2 2 127840 .909 357 .548rad / seg
Periodo natural de vibracion Tn1
2 2 0.068 seg n1 92.319
Tn2
2 2 0.018 seg n2 357 .548
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Frecuencia natural de vibracion fn1
1 1 14.71Hz Tn1 0.068
fn 2
1 1 55.56Hz Tn2 0.018
MODO 1 Para ello usaremos los siguientes datos: ωn1=92.319rad/se y λ1=8522.727 Reemplazamos en la ecuación característica: k n1 m 1 0 2
75000 65625
65625 1.10 1 11 1.10 1 21 75000
65625 75000 1.10 (8522 .727 ) 11 65625 75000 1.10 (8522 .727 ) 21 65625 65625 11 65625 65625 21 65625 11 65625 21 0 65625 11 65625 21 0
Procedemos a normalizar asumiendo Φ11=1 65625 11 65625 21 0 65625 1 65625 21 0 21 1
MODO 2 Para ello usaremos los siguientes datos: ωn2=357.548rad/se y λ2=127840.909 Reemplazamos en la ecuación característica: k n 2 m 2 0 2
75000 65625
65625 1.10 2 12 1.10 2 22 75000
65625 75000 1.10 (127840.909 ) 11 65625 75000 1.10 (127840.909 ) 21 65625 65625 12 65625 65625 22 65625 12 65625 22 0 65625 12 65625 22 0 JV / 2015-2
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Procedemos a normalizar asumiendo Φ12=1
65625 11 65625 21 0 65625 1 65625 21 0 21 1
1m
1m
Figura 2.7. Modo de Vibración 01
1m 1m
Figura 2.8. Modo de Vibración 02
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PROBLEMA 3 La figura muestra un pórtico de 3 pisos. Todas las columnas son de sección rectangular de 0.30m x 0.90m (Ec=2.30x10⁶Tonf/m²). Asumir que las vigas tienen rigidez a la flexión infinita. El peso total de los 2 primeros pisos se ha estimado en Q=70 tonf en los dos primeros niveles, y 25 tonf en el último nivel. Se pide: a) Calcular las matrices de rigidez y masa b) Calcular los periodos, frecuencias y modos naturales de vibración. Normalizar y graficar respecto al desplazamiento del último nivel.
SOLUCION Debido a las condiciones del problema, estamos frente a un edificio de corte que es gobernado solo por grados de libertad debido a la traslación. El sistema de 3GDL presenta un grado de libertad traslacional por cada nivel de entrepiso.
Los datos extraídos del problema son:
Columna: 0.30m x (0.01*90)m = 0.30m x 0.90m
Elasticidad del material: E=2.30x10⁶Tonf/m²
Pesos de entrepiso: W 1=70Tonf, W 2=70Tonf, W 3=25Tonf
Alturas de entrepiso: h1=3.20m, h2=2.90m, h3=2.90m
La inercia de la columna típica es:
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b h 3 0.30 0.90 0.018225 m 4 12 12 3
I
Las masas concentradas son: W1 g 70Tonf m1 m 9.81 2 s Tonf s 2 m1 7.136 m m1
3.1.
W2 g 70Tonf m2 m 9.81 2 s Tonf s 2 m 2 7.136 m m2
W3 g 25Tonf m3 m 9.81 2 s Tonf s 2 m 3 2.548 m m3
Identificación de los grados de libertad
U3 m3 U2 m2 U1 m1
Figura 3.1. Definición de GDL del sistema
3.2.
Ensamblaje de la matriz de masas
m1 m m2
7.136 2 Tonf s 7 . 136 m m 3 2.548
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3.3.
Ensamblaje de la matriz de rigidez
Primero se calculará la rigidez de cada entrepiso.
Tonf 4 12 2.30 10 6 0.018225 m 2 12 E I Tonf m K1 2 2 30701 .29 3 3 m 3.20m h1 Tonf 4 12 2.30 10 6 0.018225 m 2 12 E I Tonf m K2 2 2 41248 .92 3 3 m 2.90m h2 Tonf 4 12 2.30 10 6 0.018225 m 2 12 E I Tonf m K3 2 2 41248 .92 3 3 m 2.90m h3
La matriz de flexibilidades para un edificio de corte de 3 grados de libertad queda de la siguiente manera: 1 K 1 1 f K 1 1 K 1
1 1 1 1 K1 K 2 K1 K 2 1 1 1 1 1 K 1 K 2 K 1 K 2 K 3 1 1 30701 .29 30701 .29 1 1 1 f 30701 . 29 30701 . 29 41248 .92 1 1 1 30701 .29 30701 .29 41248 .92 1 K1
0.000033 f 0.000033 0.000033
1 K1
0.000033 0.000057 0.000057
1 1 30701 .29 41248 .92 1 1 1 30701 .29 41248 .92 41248 .92 1 30701 .29
0.000033 0.000057 0.000081
Finalmente la matriz de rigidez del sistema será la inversa de la matriz de flexibilidades.
K f 1
0.000033 0.000033 0.000033 0.000033 0.000057 0.000057 0.000033 0.000057 0.000081
1
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0 71950 .21 41248 .92 Tonf K 41248 .92 82497 .84 41248 .92 m 0 41248 .92 41248 .92
3.4.
Frecuencias y modos
Implica resolver en primer lugar la siguiente determinante k n m 0 2
0 71950 .21 41248 .92 7.136 41248 .92 82497 .84 41248 .92 2 7.136 n 0 41248 .92 41248 .92 2.548
Sea λ=ωn² k n m 0 2
0 71950 .21 41248 .92 7.136 41248 .92 82497 .84 41248 .92 7.136 0 41248 .92 41248 .92 2.548 0 71950 .21 41248 .92 7.136 41248 .92 82497 .84 41248 .92 7.136 0 41248 .92 41248 .92 2.548 41248 .92 0 71950 .21 7.136 41248 .92 82497 .84 7.136 41248 .92 0 41248 .92 41248 .92 2.548
La determinante del sistema nos da la siguiente ecuación cuadrática: 129 .7513 4908753 .957 2 4.411 * 10 10 5.224 * 10 13
La solución de la ecuación cuadrática planteada es: 1 1391 .961 2 11682 .392 3 24757 .895
Finalmente la frecuencia circular de vibración es: n1 1 1391 .961 37.309rad / seg n2 2 11682 .392 108 .085rad / seg n3 3 24757 .895 157 .346rad / seg
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Periodo natural de vibracion 2 2 Tn1 0.168 seg n1 37.309 Tn2
2 2 0.058 seg n2 108 .085
Tn3
2 2 0.040 seg n3 157 .346
Frecuencia natural de vibracion 1 1 fn1 5.95Hz Tn1 0.168 fn2
1 1 17.24Hz Tn2 0.058
fn2
1 1 25.00Hz Tn2 0.040
MODO 1 Para ello usaremos los siguientes datos: ωn1=37.309rad/seg y λ1=1391.961 Reemplazamos en la ecuación característica: k n1 m 1 0 2
0 71950 .21 41248 .92 7.136 1 11 7.136 1 41248 .92 82497 .84 41248 .92 21 0 41248 .92 41248 .92 2.548 1 31 41248 .92 71950 .21 7.136 1 41248 .92 82497 .84 7.136 1 0 41248 .92
0 11 41248 .92 21 41248 .92 2.548 1 31
41248 .92 0 71950 .21 7.136 1391.961 11 41248 .92 82497 .84 7.136 1391.961 41248 .92 21 0 41248 .92 41248 .92 2.548 1391.961 31
0 62017 .176 41248 .92 11 41248 .92 72564 .806 41248 .92 21 0 41248 .92 37702 .203 31 62017 .176 11 41248 .92 11
41248 .92 21 72564 .806 21 41248 .92 21
0 41248 .92 31 0 37702 .203 31 0
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Procedemos a normalizar asumiendo Φ31=1 62017 .176 11 41248 .92 11 11 0.608 21 0.914 31 1.000
41248 .92 21 72564 .806 21 41248 .92 21
0 41248 .92 1 0 37702 .203 1 0
1.000
0.914
0.608
Figura 3.2. Modo de Vibración 01
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MODO 2 Para ello usaremos los siguientes datos: ωn2=108.085rad/seg y λ2=11682.392 Reemplazamos en la ecuación característica: k n 2 m 2 0 2
0 71950 .21 41248 .92 7.136 2 41248 .92 82497 .84 41248 .92 0 41248 .92 41248 .92 71950 .21 7.136 2 41248 .92 0
41248 .92 82497 .84 7.136 2 41248 .92
71950 .21 7.136 11682.392 41248 .92 0
7.136 2
12 22 2.548 2 32
0 12 41248 .92 22 41248 .92 2.548 2 32
41248 .92 82497 .84 7.136 11682.392 41248 .92
0 12 41248 .92 22 41248 .92 2.548 11682.392 32
0 11415 .339 41248 .92 12 41248 .92 867 .709 41248 .92 22 0 41248 .92 11482 .185 32 0 11415 .339 12 41248 .92 22 867 .709 22 41248 .92 32 0 41248 .92 12 41248 .92 22 11482 .185 32 0
Procedemos a normalizar asumiendo Φ32=1 11415 .339 12 41248 .92 12 12 1.006 22 0.278 32 1.000
41248 .92 22 867 .709 22 41248 .92 22
0 41248 .92 1 0 11482 .185 1 0
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1.000
0.914
1.006
Figura 3.3. Modo de Vibración 02
MODO 3 Para ello usaremos los siguientes datos: ωn3=157.346rad/seg y λ3=24757.895 Reemplazamos en la ecuación característica:
k n3 m 3 0 2
0 71950 .21 41248 .92 7.136 3 41248 .92 82497 .84 41248 .92 0 41248 .92 41248 .92 71950 .21 7.136 3 41248 .92 0
41248 .92 82497 .84 7.136 3 41248 .92
71950 .21 7.136 24757.895 41248 .92 0
7.136 3
13 23 2.548 3 33
0 13 41248 .92 23 41248 .92 2.548 3 33
41248 .92 82497 .84 7.136 24757.895 41248 .92
0 13 41248 .92 23 41248 .92 2.548 24757.895 33
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0 104722 .129 41248 .92 13 41248 .92 94174 .499 41248 .92 23 0 41248 .92 21834 .196 33 0 104722 .129 13 41248 .92 23 94174 .499 23 41248 .92 33 0 41248 .92 13 41248 .92 23 21834 .196 33 0
Procedemos a normalizar asumiendo Φ33=1 104722 .129 13 41248 .92 13 13 0.208 23 0.529 33 1.000
41248 .92 23 94174 .499 23 41248 .92 23
0 41248 .92 1 0 21834 .196 1 0
1.000
0.529
0.208
Figura 3.4. Modo de Vibración 03
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