Análisis Del Colapso de Edificios de Niigata

Análisis del colapso de edificios de Niigata, Japón, por el sismo de 1964

Gian Carla Armijo Borotto Universidad de Santiago de Chile, estudiante Ing. Civil en obras civiles [email protected] Freddy Muñoz Burgos Universidad de Santiago de Chile, estudiante Ing. Civil en obras civiles [email protected] Francisco Orellana Bascuñán Universidad de Santiago de Chile, estudiante Ing. Civil en obras civiles [email protected] Esteban Jamett Quezada Profesor Departamento de Ing. en Obras Civiles, universidad de Santiago de Chile [email protected]

Resumen

El terremoto ocurrido en Niigata, Japón, el año 1964, marcó un hito en el estudio del comportamiento de los suelos frente a solicitaciones cíclicas. En este terremoto, se manifestó el fenómeno de la licuefacción de los suelos, el cual se define como la pérdida de la resistencia efectiva al corte de éste, debido a que las cargas cíclicas que generan los sismos, causan un incremento en la presión de poros, dándole al suelo una consistencia similar a la de un fluido, lo que conlleva grandes deslizamientos y/o asentamientos. Debido a este fenómeno, el suelo perdió su capacidad de soporte y un gran número de estructuras (edificios, puentes, casas, entre otras) colapsaron o se vieron afectadas. Introducción

El fenómeno de la licuefacción es uno de los temas más interesantes e importantes de investigar en relación con la mecánica de suelos. Sus efectos devastadores han llamado la atención de los ingenieros que han desarrollado una serie de modelaciones intentando explicar este fenómeno. Las investigaciones se han encaminado, tanto a explicar el fenómeno y los múltiples factores que influyen en él, y también a determinar cómo afecta a las edificaciones que se construyen sobre suelos potencialmente licuables. Un caso representativo de la licuefacción de suelos, ocurrió en el terremoto de la ciudad de Niigata en Japón, el año 1964, el cual tuvo una magnitud de 7.5 en la escala de Richter a una profundidad de 40 km. Los principales daños de los edificios en el terremoto de Niigata, se

produjeron debido a grandes asentamientos y deslizamientos del terreno, y no tuvieron una falla estructural en sí, sino que se volcaron y sufrieron desplazamientos. Sin duda, el estudio de este fenómeno representa un desafío para la ingeniería, tanto por su complejidad como por su influencia al momento de diseñar y edificar. Como es bien sabido, Japón en uno de los países más sísmicos del mundo, debido a que se encuentra ubicado en el cinturón de fuego del Pacífico. El cinturón de fuego del Pacífico está situado en las  las  costas del  del  océano Pacífico y se caracteriza por concentrar importantes zonas de subducción, lo subducción,  lo que ocasiona una intensa actividad  actividad   sísmica y  volcánica en las zonas que abarca. Debido a esto, los ingenieros japoneses han ido a la vanguardia del diseño antisísmico. La ingeniería sísmica en Japón se inició aproximadamente en el año 1891 después del terremoto de Nobt. Si bien, desde ese entonces hasta el terremoto de Niigata en 1964 la normativa japonesa se actualizó constantemente, en pos de mejorar la resistencia de la estructura a las solicitaciones sísmicas, en este terremoto el suelo se comportó de una manera que no había sido incluida a cabalidad hasta ese entonces en el diseño de las estructuras. La licuefacción del suelo, había sido un fenómeno que si bien era estudiado por algunos especialistas, no representaba una prioridad al momento de edificar. Sin embargo, tras el terremoto y la consecuente licuefacción de gran parte del suelo de fundación de la ciudad de Niigata, se observó que muchas de las edificaciones colapsaron en la base de fundación. Claro ejemplo de esto, son los edificios de Kawagishi-cho (Imagen 1).  Aunque estos edificios fueron diseñados para soportar las grandes magnitudes y aceleraciones de los potenciales terremotos, las estructuras fueron apoyados con zapatas superficiales, sobre un estrato de arenas saturadas y de baja compacidad, lo que originó un escenario ideal para el desarrollo de la licuefacción. Como se aprecia en la imagen, el suelo perdió su capacidad de soporte, y edificio de desplomó como un bloque.

Imagen 1: Edificios de Kawagishi-cho tras el terremoto y los efectos de la licuefacción. Fuente: Licuación de suelos y resistencia cíclica. (Ver referencias) Para entender este complejo fenómeno, se estudiarán los efectos más características en el desarrollo de la licuefacción y sus efectos sobre las edificaciones.

Antecedentes geológicos y modelación del suelo de fundación

Niigata es la capital de la prefectura de Niigata región de Hokuriku, Hokuriku, Japón. Ubicada en la costa del mar de Japón sobre en una planicie de suelo aluvial originado por el efecto de los ríos Agano y Shinano, los cuales atraviesan gran parte de la ciudad, como se observa en la imagen 2. Los estratos del suelo fueron formados por la erosión y el arrastre que generan los ríos existentes estos son de una profundidad considerable, alrededor de 25 metros. Además, como los ríos existentes tienen las características de ser rápidos y abruptos, son capaces de arrastrar gran cantidad de material en poco tiempo, provocando que el suelo esté muy sedimentado y por consiguiente este poco compactado generando que los estratos sean de arena suelta, la cual por las condiciones de sedimentación se encuentra normalmente consolidada. Otra característica de estas arenas es que tienen una baja permeabilidad, es decir, al agua no le es fácil escurrir por los estratos de arena, haciendo que la presión de poros no sea disipada de forma adecuada.

Imagen 2: Mapa representativo de la ciudad de Niigata. (Ver referencias)

La ciudad está asentada sobre estratos arenosos donde el tamaño máximos nominal que se presenta en el terreno es de 2 mm. (tamiz N° 10), cuyo contenido de fino (limos, bajo el tamiz N° 200) es relativamente bajo, por debajo del 20%, por lo que el suelo presenta una baja cohesión. Las posibles granulometrías que se presentan en el suelo licuable de Niigata se ven representadas en el gráfico 1 en el área descrita por las líneas punteadas. Como el estrato de arena que se observa en esta ciudad es una arena con un muy bajo nivel de compactación la densidad relativa que poseen es bastante baja cercanas al 50%, esto debido a que estas capas de suelo fueron de rápida sedimentación, provocando que el índice de vacíos sea muy alto y por consiguiente formar una arena suelta.

En la tabla N° 1 se aprecian las características de las arenas de Niigata en función de la profundidad, de las cuales los estratos que sufrieron licuación fueron los estratos 2,3 y 4. Estando los valores del ángulo de fricción interna entre 30° y 37°, además un factor destacable que estos estratos presentan la misma densidad de 1.9 t/m^3.

Tabla N°1: Modelación de suelo en función de la profundidad. (Ver referencias)

Gráfico 1: Granulometría de suelos que se han licuado. (Ver referencias) El nivel freático que se presenta en la ciudad de Niigata al ser una ciudad ubicada en la costa, además con la presencia de 2 ríos el nivel que se logra observar es demasiado cercano a la superficie del orden de 1 metro en toda la ciudad. En la imagen 3 se aprecia el perfil transversal del suelo que se encuentra fundado el puente Showa donde se distinguen los distintos valores N del ensayo SPT para los diferentes estratos de arena. Se observa claramente que el nivel freático se encuentra muy cercano al nivel de terreno.

Imagen 3: Perfil transversal de la rivera del río Shinano. (Ver referencias) Características de la estructura

Japón es un país altamente sísmico, que ha sufrido diversos sismos de gran intensidad y algunos con severos daños, tanto en vidas como estructuralmente. En Japón, a finales del 1800 las construcciones eran principalmente de mampostería, lo que ocasionó el colapso de diversas estructuras a causa de sismos de mediana intensidad (1889 en Yokohama de magnitud 5.5), a partir de esto se inició un proceso en el cual se abrieron a la investigación y a la creación de universidades, con el fin de demostrar que las edificaciones de aquel tiempo no poseían un comportamiento sísmico adecuado, demostrado en el terremoto de No-bi en 1891, donde se derrumbaron más de 10.000 edificios y unas 220.000 sufrieron daños graves o moderados. Pero se siguió utilizando la mampostería hasta 1923 en el terremoto de Kwato, donde las estructuras dañadas fueron de 254.000. Estos hechos dieron paso a las estructuras sismorresistentes de hormigón armado. Debido al terremoto de 1964, gran número de estructuras se vieron afectadas por el sismo, dentro de las más representativas que demuestran el gran daño que causó este terremoto, se encuentran los edificios de Kowagashi-cho, el puente de Showa y el aeropuerto internacional de Niigata. Edificios apartamentos de Kowagashi-cho: Estos edificios de uso departamental fueron diseñados en base a estructuras de hormigón armado (losas, vigas y muros) sismorresistentes, a diferencia de las estructuras de mampostería que era el método constructivo utilizado anteriormente, las cuales tienen un mal comportamiento sísmico. Los edificios de Niigata fueron diseñados de forma que presenten un buen comportamiento sísmico, debido a las experiencias de los terremotos anteriores. Pero estas edificaciones fueron construidas con fundaciones poco profundas lo que aumentaba el riesgo de una posible falla por volcamiento.

Puente de Showa: El puente está situado sobre el río Shinano, el cual cruza la ciudad de Niigata. Poseía una longitud total de 307 metros. Cada tramo estaba conformado por 12 vigas dispuestas longitudinalmente en cada tablero dando un ancho total de 24 metros, confeccionadas de hormigón armado. Estos fueron apoyados sobre 9 columnas de acero, cuya luz entre pilares fue de 27 metros. El puente tenía siete palmos a través del río, cada uno apoyado por pilares que consisten en vigas de acero estructurales que llevan una cubierta de hormigón armado. Características del colapso

Los daños ocurridos debido al terremoto pueden ser divididos en tres grupos: (1). Daños asociados a la vibración (2). Daños debidos al movimiento del suelo (arena principalmente) (3). Daños debido al incendio y tsunami (1). Abarcó un radio radi o entre 50 a 60 km desde el epicentro epicent ro y se causó c ausó principalmente principalm ente debido a la vibración de las estructuras y a algunos pocos deslizamientos de tierra en sectores montañosos. Muy pocos edificios de hormigón armado dentro de esa zona sufrieron daños severos. (2). El movimiento causó la licuefacción licuef acción del suelo. s uelo. De cerca cerc a de 1500 edificios edific ios de hormigón armado que había hasta ese entonces, 310 sufrieron daños. Dos tercios de ellos no sufrieron daños apreciables. El tercio restante sufrió mucho daño debido a los asentamientos diferenciales y pérdida de capacidad de soporte del suelo gracias a la licuefacción. (3). Los incendios más grandes se generaron debido a la ruptura de tanques de petróleo que afectó a las fábricas de refinerías. Gran parte de la ciudad quedó inundada, principalmente el puerto, debido al tsunami. Por lo mencionado anteriormente, se concluyó que la mayor cantidad de daños considerables a edificaciones y estructuras de la ciudad de NIigata se debió a la licuefacción del suelo. En base a esto, se procederá a realizar una descripción de dos estructuras características de la ciudad que colapsaron debido a este fenómeno: 

Puente de showa El fracaso de las columnas del puente, fue causado por el efecto combinado de las cargas axiales producto del sismo, y por momentos de segundo orden (originados en la estructura, una vez que esta se ha deformado). Los pilares centrales habrían sido desplazados por una magnitud lo suficientemente grande como para producir momentos de segundo orden. Esto, combinado con una menor capacidad de resistir fuerzas axiales de las columnas centrales debido a la mayor esbeltez que tenían, produjo que el acero acero de refuerzo alcanzara su límite elástico, incurriendo en el rango inelástico, produciendo deformaciones remanentes. En contraste con los pilares extremos que no fallaron debido a que los momentos de segundo orden fueron mucho menores y los efectos de las cargas axiales laterales no fueron tan catastróficos. En base a lo dicho anteriormente, se observó que a medida que avanzaba la licuefacción, se llegó a una profundidad tal que la combinación de la carga que imponía la estructura del puente y el reducido soporte lateral del suelo licuado,

resultaron en el colapso de la estructura debido a la inestabilidad de las columnas centrales. Reportes realizados en base a testimonios de testigos que observaron la caída del puente, relatan que el puente colapsó cerca de 1 a 2 minutos después de haber terminado el terremoto. El fenómeno de que las columnas del puente tuvieran una falla retrasada, es típica de los efectos de la licuefacción. Esto se debe a que las presiones de poros aumentan durante la licuefacción y es transmitida a capas de suelos adyacentes y esto se traduce a que la licuefacción del suelo se produce en un tiempo finito después del movimiento. La viga E fue la primera en caer al agua. Las columnas P5 y P6 colapsaron. Posteriormente y como un efecto dominó las viga F, D, C y B colapsaron. Luego, fallaron las columnas P4 y P3. Mediante estudios realizados posteriormente, Hamada y O’Rourke (1992) concluyeron que la profundidad máxima de la

licuefacción era de 10 m bajo el puente de Showa.

Imagen 4: Detalle del puente de Showa Fuente: Falla del puente de Showa durante el terremoto de Niigata de 1964: Desplazamiento lateral o pandeo por inestabilidad. (Ver referencias)

Imagen 5: Falla del puente de Showa tras el terremoto de Niigata, 1964 Fuente: Falla del puente de Showa durante el terremoto de Niigata de 1964 (Ver referencia r eferencias) s)

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Edificios Kowagashi-cho  Aunque los edificios habían sido diseñados y construidos en base a los requisitos sismorresistentes, el suelo que se encontraba bajo las fundaciones, se licuó y perdió su capacidad de soporte. Estos edificios de hormigón armado se hundieron en la tierra y se volcaron. Además, los edificios fueron construidos con fundaciones poco profundas, las cuales se inclinaron a causa de la disminución de la resistencia al corte de la arena licuada durante el terremoto. La falla por volcamiento se presenta cuando la carga a transmitir al suelo viene acompañada de momentos o es excéntrica con respecto a la fundación. Este tipo de falla se controla el criterio de no admitir tensiones en el suelo.

Imagen 6: Vista de fondo del edificio Kowagashi-cho, Niigata Fuente: Presentación Licuación de Suelos. Disponible en World Wide Web: Análisis de las causas posibles de la falla Licuefacción

El término licuefacción (también llamado licuación), habría sido acuñado por primera vez por Hazen (1920), al referirse a la falla que sufrió la presa Calaveras, en California, el año 1918, donde se refirió al efecto que tiene el aumento de la presión de poros sobre la capacidad de soporte del suelo.  Años más tarde, terzaghi acuñó el término de “licuefacción espontánea”, espontánea”, refiriéndose refiriéndose a la

transformación repentina de arenas sueltas en un flujo viscoso, que se origina por un movimiento de la masa de suelo. Posteriormente, Youd (1973) dijo una de las definiciones más aceptadas hoy en día: “La

licuación, es la transformación de un material granular, desde un estado sólido a un estado licuado, como consecuencia de un incremento de la presión de poro y una reducción del esfuerzo efectivo”. La relación que describe dicha afirmación, está explícita

en la ecuación 1, de la cual se infiere que al aumentar la presión de poros, se disminuye el esfuerzo normal efectivo.                  

Bajo esta amplia gama de de definiciones, se determinó que la licuefacción licuefacc ión depende de una serie de factores: La licuación es el fenómeno en el cual la resistencia y la rigidez de ciertos suelos son reducidas por la acción sísmica o otro tipo de cargas rápidas. Esto ocurre en suelos que se encuentran teóricamente saturados, es decir, los espacios entre partículas se encuentran llenos de agua. Factores que determinan las ocurrencias de licuefacción

Existen múltiples factores que determinan la ocurrencia del fenómeno de la licuefacción. Muchos estudios han determinado la manera en que dichos factores determinar el potencial de licuefacción del suelo, dentro de los cuales cabe destacar: 

Magnitud del movimiento sísmico El movimiento telúrico, producirá una aceleración máxima en la roca basal, que se transmitirá hasta la superficie. La propagación de las ondas a través del suelo, producirá una distribución de esfuerzos de corte que determinarán deformaciones en la masa del suelo que dependen de la magnitud del sismo.

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Duración del movimiento sísmico La mayoría de los terremotos tienen una duración relativamente corta, por lo que predomina la condición no drenada, es decir, se generan grandes presiones de poros que no son liberadas y al ir aumentando, van anulando la tensión efectiva del suelo, y por tanto la resistencia al esfuerzo de corte es menor, produciendo licuefacción.

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Granulometría del suelo Los suelos potencialmente licuables, son las arenas uniformemente graduadas, con pocos granos finos (arenas limpias y sueltas), debido a su baja cohesión y a la presencia de un alto índice de vacíos. También se ha demostrado que las arenas limosas y gravas son susceptibles a sufrir licuefacción bajos la acción de sismos de gran intensidad.

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Densidad relativa La licuefacción ocurre principalmente en suelos sueltos, saturados y no cohesivos, ya que debido a la presencia de una carga cíclica (como un sismo), estos suelos tienden a densificarse y compactarse, reduciendo su volumen, con un consecuente aumento de la presión del agua que está en los espacios

intersticiales (presión de poros). Cuando esta presión aumenta a tal punto que pueda igualar la tensión total del suelo, se pierda la tensión efectiva (resistencia) y el suelo le licua (ecuación 1). Hoy en día, se ha desarrollado múltiples estudios de diversos autores que determinaron una relación directa entre el SPT (Standar Penetration Test, para medir la resistencia a la penetración del suelo) y el potencial de licuefacción de un suelo. Según Denys Parra Murrugarra, en su ensayo Licuación de suelos y resistencia cíclica: “Una arena con un

valor de resistencia a la penetración estándar de 40 golpes/30cm (con una densidad relativa de 70 a 80%) puede mostrar evidencias de licuación en la forma de volcanes de arena, pero no es probable que experimente más del 10% de deformación por corte bajo la influencia de la vibración sísmica, aún después de que se hayan desarrollado altas presiones de poros. En contraste con ello, arenas con valor de 20 golpes/pie (densidad relativa de 30 a 60%), pueden desarrollar relaciones de presiones de poro de 100% y experimentar deformaciones por corte muy grandes del orden del 25-30%, bajo la acción de los esfuerzos de corte aplicados”. 

Profundidad del nivel freático Es determinante la posición del nivel freático, ya que determina los estratos de suelo que están saturados, en donde el agua ocupa los espacios entre partículas. Si el nivel freático es poco profundo, mayor será la posibilidad de que ocurra la licuefacción.

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Origen del estrato de suelo El suelo de origen fluvial se caracteriza por tener una fácil sedimentación y sus granos tienen poca probabilidad de compactarse. De manera similar actúan los rellenos artificiales no compactados. Por lo tanto, los suelos que posean ese origen serán potencialmente licuables.

Todos estos factores son decisivos al momento de determinar el potencial de licuefacción de un suelo. Por lo añadido en el inciso iii.a, el suelo de Niigata constituye un depósito fluvial de los ríos que cruzan la ciudad, conformado por arenas saturadas y con un nivel freático a una altura de 1 m aproximadamente. Sumado a esto, se da que el terremoto de 1964 fue de una intensidad de 7.5 en la escala de Richter. Todo esto, generó escenario sumamente apto para el desarrollo de la licuefacción. Efectos dañinos producidos por la licuefacción

Según Youd (1973), se proponen tres tipos de falla: 

Desplazamiento lateral Uno de los tipos de falla más comunes en terrenos a causa de la licuefacción de suelos. Este tipo de falla involucra el movimiento lateral de las capas superficiales del terreno por la licuefacción y a causa de la pérdida de resistencia. Existen condiciones normales y anormales de desplazamiento las cuales van de un rango de pocos metros a decenas de metros respectivamente. Estos tipos de fallas se acompañan de grietas en el terreno y asentamientos diferenciales. Las técnicas

para estabilizar esta falla poseen un costo muy alto incluyendo remoción, compactación, inyección, drenaje, entre algunos. 

Falla de flujo Son las fallas del terreno más catastróficas causadas por el fenómeno de licuación. Los flujos pueden movilizarse a grandes distancias (decenas de metros) a altas velocidades (decenas de Km/h). Los flujos pueden involucrar suelo completamente licuado o bloques de suelo firme viajando sobre una capa de suelo licuado. La mayor parte de las fallas de flujo se desarrollan en bajo agua en áreas costeras. Otro de los efectos de falla por flujo por licuación inducida por sismo, han sido los evidenciados en depósitos y presa de relaves antiguas, construidas por el método de aguas arriba, algunas de ellas con consecuencias catastróficas para los recursos humanos y económicos y para el medio ambiente. Este tipo de fallas han sido muy comunes en décadas pasadas obligando a mejorar las técnicas de construcción de presas de relaves en áreas de alta actividad sísmica.

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Pérdida de la Capacidad Portante Cuando el suelo que soporta una edificación licua y pierde su resistencia, pudiendo ocurrir grandes deformaciones en el suelo, que ocasionan que la edificación se asiente, se incline o sumerja en este suelo que se comporta como líquido. Aunque esta es una falla espectacular, es la menos común producida por licuación. Quizás la falla por pérdida de capacidad portante más publicitada ha sido la de los edificios Kawagishi-cho durante el terremoto de Niigata, Japón en 1964. Los edificios rotaron hasta 60° y se hundieron en la arena licuada. El subsuelo en dicha zona consiste de 15 m de arena suelta. El nivel freático se encontraba a 1 metro por debajo de la superficie. Aparentemente la licuación inicialmente se desarrolló en las partes media e inferior del depósito de arena suelta, después se propagó hacia la superficie debilitando el suelo de las fundaciones. El daño estructural de las edificaciones no fue grave.

En el terremoto de Niigata en 1964, la principal falla que se produjo fue de pérdida de la capacidad portante, ya que los edificios Kawagishi-cho asentaron, se inclinaron e incluso uno de ellos cae a causa de la pérdida de resistencia del suelo, el cual presentó en aquel instante un comportamiento líquido. Los edificios de hormigón armado no presentaron daños estructurales, estos daños fueron principalmente en las fundaciones, las que se encontraban a poca profundidad, lo que facilitó el colapso a causa de la licuación del terreno. Lo ocurrido fue principalmente debido a lo superficial del nivel freático y al tipo de suelo en el cual se encontraban fundados los edificios. Posibles soluciones

Si bien en esa época no había tanta tecnología ni había un estudio acabado de la licuefacción, hoy en día se pueden extraer lecciones de lo ocurrido. Como futuros ingenieros, es fundamental hacer un análisis de lo sucedido y posteriormente plantear soluciones al problema. Para este caso, dentro de las soluciones que han tenido mejores resultados para reducir el potencial de licuación de un suelo están: 

Sistema de mechas drenantes: Consiste en un geotextil que rodea un núcleo de plástico, y que permite el flujo vertical ascendente de agua. Las mechas son colocadas por un mástil de empuje que se monta sobre una retroexcavadora que

inserta la huincha en el suelo y va formando un sistema de mallas. A nivel de terreno se coloca un manto drenante (que puede ser grava o arena) que facilita la compensación de la presión de poros con la presión atmosférica. Las ventajas que posee este sistema son que facilita el drenaje del suelo, con lo que disminuyen las presiones de poros originadas por el sismo, aumentando la resistencia al corte y disminuyendo los asentamientos, ya que densifica el suelo. Aplicar este sistema a suelos potencialmente licuables, reduciría notablemente los efectos que generan las altas presiones de poros durante un sismo, en suelos saturados.

Imagen 7: Proceso de instalación de mechas drenantes Fuente: Galería de imágenes, Sistema de Mechas Drenantes, Pilotes Terratest S.A. (ver referencias)

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Vibrosustitución: Vibrosustit ución: Consiste en un sistema vibrador que va perforando el suelo a la vez que se deposita grava en su interior para formar columnas. Se basa en el principio de redistribución de esfuerzos, concentrando las tensiones en las columnas del material granular denso, mejorando de esta forma la capacidad de soporte del suelo. Un sistema vibrador se inserta en el suelo (con ayuda de un inyector de agua a presión) y va realizando la perforación hasta la profundidad deseada. Luego se introduce la grava, la cual va siendo compactada en capas de 30 cm. Las principales ventajas que presenta este sistema es que permite acelerar el proceso de consolidación, reduciendo los asentamientos y mejorando la capacidad de soporte del suelo. Este sistema ha dado muy buenos resultados en suelos como arenas saturadas con bajo grado de compactación (que representa un suelo potencialmente licuable).

Imagen 8: Procedimiento de ejecución, Sistema Vibrosustitución. Fuente: Cimentaciones GBC. (Ver referencias)

Referencias

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