CONSTRUCCIÓN SISMO RESISTENTE EN ADOBE: UNA ALTERNATIVA PARA EDIFICACIONES PÚBLICAS
ABSTRACT The office building presented here is used by the Project “Natural disaster risk management for food security”, carried out by the German Technical Cooperation (GTZ) and the Regional Government of Arequipa, in the Andean zone of Southern Peru. This building, besides its main objective, is intended to promote external wall reinforcement techniques in adobe buildings, using wire mesh. Moreover, it is used to prove that this reinforcement technique, which has been widely used for small houses in a reconstruction project, can easily be used as well for larger buildings, such as communal buildings, health facilities or schools. By showing the versatility of this reinforcement technique, we want to motivate local governments, governmental institutions, or government-run housing programs, entities which normally prefer the use of concrete buildings, to promote and use this technology; particularly, as it is simple to use, relatively cheap, earthquake resistant, and is based on the use of local materials, which are in perfect harmony with the traditional Andean settings. RESUMEN La edificación que presentamos son las oficinas institucionales del Proyecto “Gestión de Riesgo de Desastres Naturales con enfoque de Seguridad Alimentaria” de GTZ4 y COPASA5, en la Sierra de la región Arequipa, en el Sur del Perú. Su construcción promueve el uso de la tecnología de refuerzo exterior en muros usando mallas electro soldadas, además comprueba que su aplicación en viviendas pequeñas, puede ser replicada con facilidad en locales comunales, postas de salud o colegios. Con esto esperamos también interesar a gobiernos locales y organismos del estado, que promueven construcciones de infraestructura urbana, o programas de vivienda de interés social a aplicar esta alternativa tecnológica en sus proyectos; más aún, conociendo que es un sistema económico, sismorresistente, utiliza materiales locales y es acorde con escenarios andinos tradicionales. 1 INTRODUCCIÓN. El Adobe es uno de los materiales de construcción más antiguos y de uso más difundido en el planeta. Se estima que más del 30% de la población mundial construye sus viviendas con muros de adobe; la permanencia de esta tradición constructiva se debe entre algunos factores a aspectos culturales, tecnológicos y económicos. Sin embargo, es también conocido que existe una lamentable coincidencia geográfica entre las áreas donde se construye viviendas de adobe 1
Consultor GTZ, Coordinador Nacional GTZ Reconstrucción sismo 2001,
[email protected] Asesor Principal GTZ,
[email protected] 3 Pontificia Universidad Católica del Perú. Departamento de Ingeniería,
[email protected] 4 GTZ - Cooperación Técnica Alemana, que actúa por encargo del Ministerio Federal de Cooperación Económica y Desarrollo (BMZ) de Alemania. 5 COPASA - Proyecto Especial del Gobierno Regional de Arequipa (Perú). 2
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con técnicas inapropiadas y las zonas sísmicas del planeta (Fig. 1), esta circunstancia nos hace permanentemente vulnerables a desastres asociados a terremotos, que muchas veces ocasionan perdidas humanas y daños en la economía de las poblaciones afectadas.
Fig. 1 Ubicación de zonas donde se construye con tierra (izq.) y las zonas sísmicas (der.), de Sensi, (2003).
Ante este escenario es necesario construir aplicando tecnología de refuerzo sismo resistente que permita mejorar el comportamiento sísmico de las edificaciones en tierra evitando su colapso súbito, en un terremoto severo o incluso frente a sismos moderados, como el ocurrido en el sur del Perú, el 23 de junio del año 2001, que tuvo una intensidad 6.9 en escala de Richter (Ref. 11) y que llevó a la GTZ a la implementación de 2 Proyectos en la Sierra de la Región Arequipa. El primero se orientó a la reconstrucción post desastre, en el se ha difundido técnicas de refuerzo sísmico exterior al muro con mallas electro soldadas y otros elementos estructurales (Ref. 7), aplicado a 354 viviendas nuevas de adobe (Fig. 2) y 31 módulos de difusión, promoviendo así la aplicación y difusión de esta técnica investigada por especialistas en sismología de la PUCP6 en el Proyecto GTZ-CERESIS-PUCP (Ref. 5) y modificada para el Proyecto de reconstrucción de GTZ-COPASA (Ref. 4).
Fig. 2 Viviendas sismo resistentes del Proyecto de reconstrucción de GTZ y COPASA.
El segundo proyecto se llama “Gestión de Riesgo de Desastres Naturales con enfoque de Seguridad Alimentaria”, en este se ha validado la tecnología a través de ensayos de simulación sísmica en el Laboratorio de Estructuras de la PUCP (Fig. 3), hecho que nos permite difundir la técnica de refuerzo. Parte de la estrategia de difusión de este nuevo Proyecto, es promover la construcción de edificaciones nuevas y de mayor envergadura, como estas oficinas (Fig. 4), u otras edificaciones comunales ejecutadas en convenio con los gobiernos locales (Fig. 5). 6
PUCP. Pontificia Universidad Católica del Perú.
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Fig. 3 Pruebas símicas de GTZ y COPASA, ejecutados en los laboratorios de la PUCP, véase el comportamiento del módulo reforzado (izquierda) vs. el módulo sin refuerzo.(derecha) D=100mm.
(Diseño: Arq. E. Chuquimia)
Fig. 4 Oficinas del Proyecto de GTZ y COPASA en la Sierra de Arequipa, construidas aplicando técnicas de refuerzo sísmico con mallas de alambre electro soldado.
(Diseño: Arq. R. Huanqui) n
Fig. 5 Uso de tecnología sismo resistente en postas médicas ejecutadas por los Municipios y GTZ-COPASA.
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Este documento demuestra que contamos con una tecnología sismo resistente que puede ser usada con versatilidad tanto en construcciones de viviendas pequeñas como en edificaciones públicas. Además confirma la nobleza del adobe como material constructivo, confortable, económico, térmico y con mucho potencial respecto de su duración y acabados, constituyendo una alternativa seria para las poblaciones de áreas rurales de la Sierra peruana. Por ello describiremos la técnica de refuerzo sísmico aplicada y los criterios de diseño arquitectónico y estructural que contribuyen a mejorar la seguridad sísmica de esta construcción, disminuyendo la vulnerabilidad tecnológica frente a sismos. 2 PROPUESTA TECNOLÓGICA SISMO RESISTENTE. La tecnología sismo resistente consiste en el uso de un cimiento corrido de concreto ciclópeo y un sobrecimiento de concreto armado (viga de cimentación), que responde a la recomendación propuesta en el estudio de suelos; uso de adobes que han mejorado su proceso de fabricación y estabilizados a la humedad, con dimensiones que permiten un mejor aparejo, mallas electro soldadas cortadas en franjas horizontales y verticales, las cuales se fijan al exterior e interior de los encuentros de los muros, tarrajeo de mallas con mortero de cemento-arena en proporción 1:4, y al final una viga solera de concreto armado anclada al muro por medio de dientes de concreto armado, la viga está reforzada con dos varillas de fierro corrugado de 3/8” y estribos de fierro liso de 8mm, espaciados a 20 cm y con forma de “C”. La cobertura está fijada a la viga collar. 3 DESCRIPCION DEL EDIFICIO. Esta construcción alberga las oficinas del Proyecto: “Gestión de Riesgo de Desastres Naturales con enfoque de Seguridad Alimentaria” de GTZ-COPASA, y está ubicada en el Distrito de Viraco, en la Sierra de la Región Arequipa, tiene un área techada de 300 m2, está distribuida en 1 solo piso, con pisos de ladrillo tratado y cuenta con todas las instalaciones; costo del m2 de construcción USD 90. El edificio responde a las necesidades de la institución: sede administrativa, hospedaje de personal y servicios complementarios. Descripción de zonas: Zona administrativa: 1 Jefatura (Fig. 6), 2 oficinas de personal, servicios higiénicos para el público, salón-directorio y patio multiuso (Fig. 7) donde se llevan reuniones de capacitación a la comunidad. Zona de dormitorios: 4 dormitorios de uso individual, destinados al personal, 2 dormitorios para visitantes con capacidad para 4 personas cada uno. Esta zona se complementa con servicios higiénicos para hombres y mujeres y una circulación distribuidora protegida de la intemperie (Fig. 8).
Fig. 6 Jefatura.
Fig. 7 Patio multiuso.
Fig. 8 Ingreso a dormitorios.
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Zona de servicios del complejo. Compuesta por la cocina - comedor del personal, el depósito de herramientas y equipos, el dormitorio del guardián con baño, la lavandería, el depósito para el grupo electrógeno y el área de parqueo de vehículos público y privado. La edificación propuesta reedita la característica forma y disposición de las casonas de la sierra peruana con patio central (Fig. 9). De esta manera no solo se difunde los avances de ingeniería en la construcción sino también, se recrea un patrón de vivienda característico de estos escenarios Andinos (Fig. 10) y de fácil retención por la población, un complejo ordenado y donde la albañilería determina la dimensión de los ambientes, el ancho y altura de puertas, ventanas, su ubicación respecto a las esquinas, la ubicación de los ambientes y sus dimensiones.
Fig. 9 Esquema de zonificación y accesos al complejo (arriba); plano de distribución por ambientes (abajo).
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Fig. 10 Vistas del patio central, característico de las tipologías de vivienda de la sierra peruana.
4 CRITERIOS DE DISEÑO ARQUITECTÓNICOS QUE OTORGAN MAYOR SISMO RESISTENCIA. 4.1 Topografía, suelo y fundaciones. El terreno tenía una ligera pendiente, la cual se eliminó practicando un corte mayor a la sección longitudinal de la edificación, se consideró siempre mejor fundar el edificio en corte que sobre rellenos. Si bien en la especificación gráfica de la Norma Técnica de edificación E. 080 Adobe (Fig. 11), propone fundar parte del edificio en corte y en relleno (siempre que el fondo de la excavación este en corte), este criterio fue descartado a fin de tener un mayor rango de seguridad en la base del edificio.
Fundación en relleno, y parte en corte. ARRIESGADO.
Fundación en corte OPTIMO
Claves:
Fig. 11 Comentario a lo especificado para la sub. estructura en la Norma.
a) Los terrenos para construir en adobe de preferencia deben tener muy poca pendiente, si la tuvieran, deberá preverse la fundación de preferencia en corte.
4.2 Modulación del edificio en relación con la dimensión de los adobes. Las dimensiones del conjunto y de los ambientes se estructuran siempre a partir de las medidas de las unidades de albañilería, es decir, que el ancho y largo de los ambientes siempre será múltiplo de las medidas en planta del bloque de adobe más el ancho de las juntas, de tal manera que los plantillados par e impar, que van alternados, tienen piezas siempre completas que permiten un buen aparejo en encuentros y muros, otorgando más resistencia a la tracción y al corte en la albañilería. 6
Como se ve en el gráfico (Fig.12) los ambientes de planta cuadrada y modulados a las medidas de los adobes y juntas son ahora las unidades que estructuran el complejo formando una trama, donde la intersección de líneas transversales ubica las esquinas a reforzar y provee al complejo de ambientes y muros en ambos sentidos que se dan soporte mutuo transversal. Unidades de albañilería para modulación
TRAMA MODULAR
AMBIENTE MODULADO
Fig. 12 Modulación de ambientes y trama modulada que ordena el complejo, sirve para tener criterio de la ubicación de los refuerzos; evita ubicaciones y orientaciones casuales en los muros.
Claves:
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El largo y el ancho de los ambientes, deben tener medidas que sean múltiplo de las dimensiones del adobe sumado las juntas verticales. De preferencia los ambientes deben tener una forma regular cuadrada y un ancho de hasta 4m entre arriostres. • El ambiente puede servir como patrón organizador del complejo y a su vez del plantillado par e impar. • Muros diseñados con mal aparejo disminuyen la resistencia al corte y a la tracción.
4.3 Configuración de la planta. El complejo está formado por 4 bloques conectados por la cimentación, muros y la viga collar, con plantas de forma regular, simétricas, volúmenes compactos (con poca perforación de vanos), y con dimensiones regulares. El criterio para configurar la planta de los bloques y ambientes, fue fundamentalmente: disponer gran densidad de muros transversales en ambas direcciones que se otorgan apoyo mutuo y provean mayor estabilidad al complejo arquitectónico (Fig. 13). 7
Fig. 13 Sector de dormitorios en forma de “L” con fuerte densidad de muros transversales, en color verde oficinas y directorio, cocina color azul, guardianía lavandería y demás en color naranja. El volumen final es compacto.
Claves: • Las plantas de forma regular cuadradas son más estables frente a fuerzas de inercia sísmica o cargas sísmicas. • Las configuraciones producto de adición de ambientes deben tener gran densidad de muros transversales en ambas direcciones que se otorgan apoyo mutuo y mayor estabilidad; con ambientes modulados dispuestos en intervalos regulares, como la zona en forma de “L”y los demás ambientes. 4.4 Diseño de muros. Antes de diseñar el complejo y disponer las particiones y cerramientos, es necesario conocer que los muros de adobe son muy pesados, frágiles y poco resistentes. La técnica de refuerzo sísmico utilizada ha sido diseñada para retardar el colapso súbito, de las construcciones en adobe cuando son sometidas a cargas sísmicas. Y si bien permite controlar las grietas por tracción directa en las esquinas, las fallas de tracción por flexión en las zonas intermedias superiores de los muros y las fallas por corte, tiene limitaciones respecto del concepto de comportamiento sísmico efectivo, sobre todo en las zonas no reforzadas, por ello es necesario que el diseño arquitectónico contribuya a aumentar la resistencia a la: tracción, corte y torsión, evitando proponer configuraciones irregulares y peligrosas. 8
Claves: • El distanciamiento entre arriostres es de 4m, caso de las oficinas, dormitorios, cocina etc. Tanto en el directorio como en el corredor que da acceso a las habitaciones, los muros tuvieron longitudes superiores a 4m, por lo que se prevén contrafuertes, que se integran al muro reforzado con mallas electro soldadas y a la viga collar en la parte superior (Fig. 14).
Fig. 14 Vista de los contrafuertes reforzados y unidos al largo muro que da acceso a los dormitorios (izquierda). Vista interior del muro, en apariencia no presenta arriostres intermedios (derecha).
La distancia desde el vano hacia la esquina es de 1.47m, poco más de lo que recomienda la Norma Técnica de Edificación E.080 - Adobe (Ref. 2) que indica 1.20 m (Fig. 15).
Fig. 15 Distancia de 1.47m del vano al arriostre reforzado.
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Los vanos de puertas y ventanas deben ser figuras regulares y siempre van centrados (Fig. 16), en este caso sus dimensiones son de 1.07 m de ancho que es la dimensión de 2 ½ piezas de adobe con cuatro juntas.
Fig. 16 Ventanas cuadradas de 1.04* 1.04 m; siempre centrados en todos los ambientes del complejo.
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Se ha previsto un distanciamiento mayor a 3.36m entre vanos, tanto en el caso del bloque de dormitorios y las oficinas, lo que evita movimientos de torsión indeseables en el muro (Fig. 17).
Fig. 17 Fachada posterior de dormitorios nótese el espesor de muros entre vanos, criterio similar se usó en todo el complejo (izquierda). Imagen de la zona de oficinas, en proceso de construcción (derecha).
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En las esquinas de vanos, tanto ventanas y puertas, siempre se forman grietas escalonadas, debido a la concentración de esfuerzos causada por la discontinuidad del vano. Si el movimiento sísmico continúa después de que el muro de adobe se ha fisurado, se forman pedazos de muro que pueden colapsar independientemente ya que pierden estabilidad y colapsan fuera de su plano en una falla por volteo; por ello no se han colocado rejas, ya que el sistema de fijación daña la albañilería (Fig. 18).
Fig. 18 Fallas diagonales de los vanos comprobadas en laboratorio (izquierda), bloque independiente que luego falla por volteo (derecha).
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Todas las instalaciones tanto eléctricas como sanitarias deben ser fijadas en la superficie exterior del muro, nunca se deben empotrar, ya que esto debilita la albañilería. En el caso de las instalaciones sanitarias incluso pueden dañar al muro por filtración de humedad y si los muros están húmedos, el problema se acentúa porque la resistencia de la albañilería disminuye notablemente y por tanto la vulnerabilidad sísmica aumenta (Fig. 20).
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INCORRECTO
MUY PELIGROSO
Fig. 20 Imagen de muro dañado para empotrar la red de instalaciones eléctricas y el medidor de luz (izquierda). Imagen de instalaciones exteriores, sin protección o forradas con plástico, muy peligroso (centro), foto de las oficinas propuestas, con instalaciones exteriores protegidas y fijadas al muro (derecha).
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ASPECTOS DE INGENIERIA.
Las construcciones en base a muros de adobe sin reforzamiento son muy vulnerables a los sismos. Los colapsos de estas construcciones con muchas pérdidas de vidas y de infraestructura han ocurrido en numerosos sismos ocurridos en el Perú y el resto del mundo. En la PUCP se ha investigado diversas formas de cómo proveer resistencia sísmica a las construcciones de adobe, mediante la inclusión de refuerzos internos o externos a los muros, los cuales están contemplados en la Norma Técnica de Edificación E.080 - Adobe (Ref. 2). En un proyecto previo, varias viviendas existentes de adobe fueron reforzadas externamente con franjas de mallas electrosoldadas sobre los muros (en ambas caras, conectándolas con alambres colocados en perforaciones hechas a los muros), y al poco tiempo, ocurrió el sismo de junio del 2001 en la zona sur del Perú. La observación post sismo mostró un excelente comportamiento de estas viviendas, sin ninguna fisura, lo cual constituyó una prueba efectiva de la bondad del sistema, que está considerado dentro de la Norma E.080. Para apoyar la reconstrucción de viviendas de familias afectadas por el terremoto del 2001, la PUCP desarrolló una variante del sistema aplicado anteriormente a viviendas existentes, para las nuevas viviendas. El fin era aprovechar las posibilidades del proceso constructivo, desde la fabricación de adobes mejorados (dimensiones 0.40x0.40x0.10m), la construcción de una cimentación de concreto, evitando perforar los muros para conectar las mallas, adicionando una viga solera de concreto armado, entre otros aspectos. El personal técnico fue adiestrado previamente y en general, la construcción fue fácilmente asimilada por los albañiles locales. La sede materia de este artículo se proyectó con la misma idea conceptual, es decir muros de adobe reforzados con malla de alambre y viga de concreto armado.
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Dado que el estudio de suelos efectuado indicó un suelo de baja calidad (tipo II de la Norma E.080), además de la cimentación de concreto ciclópeo se especificó el uso de sobrecimientos de concreto armado (f´c =140 kg/cm2). El tipo de edificación se consideró como especial, con un factor de uso U=1.3 (ver la Norma E.080). El diseño sísmico de los muros requirió la presencia de contrafuertes, a los cuales se les reforzó con franjas verticales de malla de alambre electrosoldada, lo mismo que a los muros, básicamente en las esquinas y encuentros en L o T. Para proteger las mallas, éstas fueron tarrajeadas con un mortero de cemento. Se especificó un plantillado de las hiladas de los muros adecuada al tamaño de las unidades. Las franjas verticales de malla electrosoldada a ambos lados de los muros se interconectaron con alambres colocados en las juntas durante el asentado de los adobes. La viga solera de concreto armado fue de 0.40mx0.10m, con refuerzo longitudinal de 2 varillas de 3/8”, en la cima. En los vanos más largos la sección se amplió a 0.40mx0.20m, con 4 varillas de 3/8” y estribos cerrados de ¼”. Se dispuso de canaletas para la evacuación de aguas pluviales. 6 REFLEXIONES SOBRE EL USO DE LA TECNOLOGÍA. •
Esta tecnología de construcción en adobe contribuye a la preservación de la imagen urbana tradicional de ámbitos alto andinos, condición que fortalece las potencialidades de desarrollo económico asociado al turismo en estas comunidades; tiene implicancias positivas en la ecología y en la preservación del medio ambiente. Sus costos de construcción son muy bajos y constituirían una alternativa de vivienda para las familias de la sierra peruana y de otros lugares donde mayoritariamente se construye con adobe. • Las construcciones de adobe, muy populares en las zonas rurales del Perú, pueden ser dotadas de adecuada resistencia sísmica, mediante la inclusión de refuerzos adecuados. Las mallas de alambre electrosoldadas cubiertas con tarrajeo de cemento han demostrado ser un refuerzo eficaz a los muros de adobe en un terremoto real reciente. Su inclusión en el proceso constructivo es sencilla y fácilmente asimilada por los albañiles. Debe difundirse las bondades de este sistema constructivo a las autoridades y personal técnico a fin de darle una alternativa económica y segura a la población. • Es importante que el estado se interese por promover programas de vivienda en áreas rurales con riesgo sísmico haciendo uso de tecnologías sismorresistentes en adobe y orientado a poblaciones con escasos recursos económicos, a fin de evitar perdidas económicas y humanas cuando ocurren desastres asociados a terremotos. 7 CONCLUSIONES. •
Son muy pocos los profesionales de ingeniería y arquitectura que están involucrados en procesos de construcción en adobe y entienden las: vulnerabilidades mecánicas del material y la albañilería, los mecanismos de falla, y así también sus potencialidades y limitaciones cuando presentan sistemas de refuerzo, es por ello que se hace necesario socializar las investigaciones realizadas y los procesos de diseño y construcción. • El buen comportamiento sísmico observado en el terremoto del 2001 en varias viviendas reforzadas con mallas de alambre y tarrajeadas con mortero de cemento, indicó que este sistema puede ser utilizado en forma segura en construcciones nuevas (viviendas u otras edificaciones de mayor importancia).
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La sede materia de este artículo se analizó y diseñó de acuerdo a los conceptos y criterios sismorresistentes de la Norma E.080 – Adobe, por lo que cuenta con refuerzo externo en los muros (franjas de malla y viga solera de concreto) y arriostres igualmente reforzados.
REFERENCIAS. 1. Zegarra L, Quiun D, San Bartolomé, Giesecke A, 2001, “Comportamiento ante el terremoto 23-06-2001 de las viviendas reforzadas en Moquegua, Tacna, Arica”, XIII Congreso Nacional de Ingeniería, Puno. Perú. 2. SENCICO-MTC, Norma Técnica de Edificación NTE 0.80, 2001. Lima. Perú. 3. Gutiérrez L, Manco T, Loayza C, Marcial Blondet M. 2003.“Características sísmicas de las construcciones en tierra en el Perú: Contribución a la enciclopedia mundial de las construcciones de vivienda”, Colegio de Ingenieros del Perú, XIV Congreso Nacional de Ingeniería Civil, Iquitos. Perú. 4. Castañeda M.E, Chuquimia E, Wamsler C. 2003. GTZ “Perú, Proyecto de reconstrucción con inclusión de la Gestión de Riesgo”, Eschborn. Alemania. http://www.gtz.de/de/dokumente/es-riesgo-peru.pdf. 5. CERESIS, “Reforzamiento Sismo-Resistente de Viviendas de Adobe Existentes en la Región Andina” . http://www.ceresis.org/proyect/padobe.htm 6. Zegarra L, Quiun D, San Bartolomé A. 1995. GTZ-CERESIS-PUCP, “Estabilización de las construcciones de adobe existentes en países andinos”. Lima. Perú. 7. Haider J, Chuquimia E, Huerta J. 2005 “Retos en la adopción de la tecnología sismoresistente para viviendas de adobe en la Sierra peruana”. Ponencia oral presentado en el Seminario Internacional SismoAdobe2005. PUCP, Lima, Perú. 8. Chuquimia E, GTZ, COPASA, PUCP, “Manual de construcciones sismo resistentes en adobe”, Arequipa, Perú. 2005. 9. Chuquimia E. GTZ, COPASA, PUCP, “Manual para elaborar adobes mejorados”, Arequipa. Perú, 2005. 10. Ottazi G, Yep J.F, Blondet M, Villa García G, Ginocchio J, 1989, “Ensayos de Simulación Sísmica de Viviendas de Adobe” PUCP, Departamento de Ingeniería, Lima. Perú. 11. Instituto Nacional de Defensa Civil-INDECI.2001 “Informe sobre el terremoto ocurrido en el sur del pías el 23 de Junio del 2001”. INDECI, Lima, Perú.
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