E.A.P. Ingeniería Civil – Estructuras
Dedicado a todos aquellos que hicieron de este trabajo una realidad…
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INTRODUCIÓN
Así como en el ser humano, los sistemas sistemas que lo componen componen son formas estructurales estructurales vitales que dan resistencia y rigidez necesaria y que, trabajando en conjunto con otros sistemas, cumplen una función función en común vital para el desarrollo desarrollo del individuo, individuo, así de relevante es la estructura en general para el desarrollo de la infraestructura nacional. En este sentido, la ingeniería civil, específicamente la rama estructural, se presente como una carrera vital no solo para el diseo de tales elementos, sino tambi!n para dar el estudio orientado que se realiza con el fin de obtener construcciones seguras y funcionales.
"or este motivo, en el presente escrito se ahondar# en el tema de las estructuras y todo lo que abarque, haciendo !nfasis en cada una de sus partes de tal manera que el lector tenga una primera noción noción sobre este maravilloso maravilloso tópico. En el te$to, se presentar# el arduo trabajo que se debe realizar, y la responsabilidad que est# dispuesto a tomar el ingeniero estructural, estructural, visto de una directa, de tal manera que el lector se informe y con ello decida dar el paso a su futura especialización en las ramas de la ingeniería civil.
En resumen, se plantea un escrito que informe al lector y le d! una vista panor#mica sobre la ingeniería estructural, y sobre todo las estructuras, tema de nuestra investigación.
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CAPÍTULO I
INGENIERIA ESTRUCTURAL %omo concepto general se entiende que la ingeniería estructural es una especialidad derivada de la &ngeniería %ivil, destinada a realizar el diseo y el c#lculo de los sistemas estructurales, como edificios, puentes, muros de contención, entre otros, y los elementos de estos. . En una de sus obras, el famoso ingeniero civil Ed'ard (ilson, denominó a la ingeniería estructural de la siguiente forma) *Ingeniería estructural es el arte de usar materiales que tienen propiedades las cuales solo pueden ser estimadas para construir estructuras reales que pueden ser analizadas para soportar fuerzas que desconocemos. Esa es nuestra responsabilidad con respecto a la satisfacción de la seguridad pública” +icho de otra manera, es la aplicación de los conocimientos de la ec#nica en el an#lisis y diseo de estructuras, para que !stas sean capaces de soportar su propio peso y las distintas fuerzas y deformaciones a las que se e$pone durante toda su vida útil. Así, el ingeniero estructuralista mantiene una participación activa durante la elaboración del diseo de edificios, puentes, muros, represas, etc., e incluso durante el desarrollo de la obra, con el fin de garantizar un trabajo de calidad, seguro y funcional. -a ingeniería estructural busca objetivos fundamentales)
Objetivo general: +esarrollar estructuras seguras y funcionales, que respondan
ante
determinados
eventos,
bajo
los
principios
de
funcionalidad, economía y seguridad . Objetivo del análisis: +eterminar las posibles fuerzas internas y deformaciones sobre una estructura teniendo en cuenta, la forma de !sta, del tamao y propiedades del material requerido. Objetivos del diseño: %orrecta selección de los materiales y el dimensionamiento que componen al sistema estructural. Estos últimos objetivos se trabajan en forma conjunta. /e puede suponer que ellos se laboran de forma separada, al finalizar la primera etapa, se inicia la búsqueda del siguiente objetivo0 sin embargo es necesario hacer un estudio
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E.A.P. Ingeniería Civil – Estructuras constante de las respuestas de cargas sobre la construcción u otras fuerzas no estimadas, para redisearlo con nuevos materiales u otras formas que ofrezcan una estructura rígida y resistente.
MECÁNICA ESTRUCTURAL *ec#nica1 hace referencia al campo de conocimiento y *Estructural1 el particular punto de vista desde donde la estudiamos) "unto de vista físico 2ec#nica propiamente dicha3
ec#nica "unto de vista estructural 2Meánia Estr!t!ral" "unto de vista &ngenieril
4tras mec#nicas ingenieriles
-a mec#nica estructural es aquella disciplina que estudia las fuerzas ejercidas sobre un cuerpo adem#s tambi!n estudia los efectos que ella produce generando así modelos matem#ticos que tratan de simular y predecir el comportamiento real de dichas fuerzas y cuerpos. 5iene como objetivo la construcción y el mantenimiento de elementos para el uso humano, en la forma m#s racional posible desde el punto de vista de la seguridad, la calidad y la economía. El punto de vista estructural est# asociado al concepto de estado l#$ite) debido a las fuerzas que actúan sobre los objetos y construcciones realizados por el hombre, !stos pueden dejar de cumplir adecuadamente su función. El estado límite es la frontera entre el funcionamiento aceptable y el inaceptable. "redecir esta circunstancia es el objetivo primordial de la ec#nica Estructural. "odemos concebir a !sta, como parte de la &ngeniería Estructural y conteniendo a su vez otras sub6disciplinas, según el siguiente esquema)
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Est#tica Estructural %inem#tica Estructural 7esistencia de ateriales estructuras de 8arras3
I N G . E S T R U T U R A L
ec#nica del %ontinuo ec#nica Estructural
2ec#nica
de
las
5eoría de la Elasticidad 5eoría de la "lasticidad 7eología etc.
ec#nica de la 9ractura +in#mica Estructural ec#nicas particulares 2etales, aderas, :ormigón Armado, /uelos, 7ocas, etc.3 ec#nica %omputacional /eguridad Estructural An#lisis de %argas +iseo Estructural 2aspectos mec#nicos3 "atología Estructural
Etc. +iseo Estructural 2aspectos no mec#nicos3 7epresentación gr#fica emorias descriptivas &nformes t!cnicos Especificaciones %ómputos m!tricos "resupuestos +irección y supervisión de obras Etc.
%RINCI%IOS &E IN'ENIER(A ESTRUCTURAL Antes de poder hablar de principios definiremos cargas estructurales %arga Estructural. /on aquellas solicitaciones mec#nicas 2%onsecuencia de un sistema de fuerzas aplicado a un cuerpo3 los cuales debe ser incluido en el c#lculo de los
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E.A.P. Ingeniería Civil – Estructuras elementos
mec#nicos
resistentes. -as
cargas estructurales son
generalmente
clasificadas como) Cargas muertas /on aquellas cargas que actúan durante toda la vida de la
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estructura pertenecen a este grupo el peso propio de la estructura, empujes de líquidos o sólidos, tensores 2como en puentes3, preesfuerzo. Cargas vivas /on aquellas debidas al uso u ocupación de la construcción y que
•
la identifican. &ncluyen personas, objetos móviles o divisiones que puedan cambiar de sitio. ;eneralmente actúan durante períodos cortos de la vida de la estructura por ejemplo el tr#nsito en puentes, cambios de temperatura, maquinaria, acumulación de nieve o granizo, etc. Algunos principios b#sicos del c#lculo estructural son)
Aleatoriedad. E$iste una incertidumbre del valor de las cargas actuantes, debido a ello deben ser tratadas como variables aleatorias por lo que un c#lculo estructural seguro se incluir# la determinación de valores estadísticos. Así se define el valor característico de una carga de efecto desfavorable como el valor tal que)
M)todo de estados l#$ites. %onsiste en identificar un conjunto de situaciones potencialmente peligrosas para la estructura, esto se verifica cuando el valor de cierta magnitud supera un cierto umbral. El c#lculo estructural consiste en identificar un conjunto de magnitudes relevantes y comprobar que para todas ellas se cumple que)
*i+,tesis de arga. +adas las incertidumbres, ya mencionadas, e$istentes sobre una estructura y las diferentes condiciones a las cuales est# sometida la estructura no resulta posible determinar mediante un único c#lculo el efecto general de las cargas. "or esa razón la mayoría de instrucciones t!cnicas establecen diferentes combinaciones de carga, que en su conjunto reproducen situaciones cualitativamente diferentes que pueden ocurrir durante la vida útil de una estructura.
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%ROCESO &E &ISE-O: +urante el desarrollo de una obra de ingeniería civil, se pueden apreciar de forma general los siguientes pasos)
Etapa de concepción) 9ase inicial del proyecto en el cual se aprecian las
necesidades actuales del cliente y la planificación para lograr satisfacerlas. Etapa de elaboración de diseo) 9ase en la cual se analiza y se calcula el *esqueleto1 que define las propiedades del sistema. Etapa de 9abricación) 9ase en la cual se inicia la construcción de la estructura diseada anteriormente. %obra vital importancia el !roceso de dise"o, el cual permitir# la correcta elaboración de la estructura de la obra. &ngenieros civiles me$icanos plantean la división de dicho proceso en partes) <. Estr!t!rai,n: .Etapa en la cual se define el sistema estructural, de forma global, que brindar# resistencia a la obra, ante las acciones $cargas% que la afecten. &sí como determinar el material correcto para su elaboración” $ %olina . y 7amírez del Alba, =>>>3. 7ealizando el an#lisis de las posibles cargas y fuerzas e$ternas, se realiza el primer boceto de la estructura. Así tambi!n se procede a seleccionar los materiales que mejor se adapten al sistema creado. En esta etapa la creatividad del ingeniero estructuralista juega un rol sumamente importante pues la estructuración da el primer gran impacto para el proyecto. =. Análisis: *Etapa en la que se evalúa la respuesta del sistema ante las acciones que se le presenten $'% como, las fuerzas internas de la obra en construcción provocadas por las cargas, o fuerzas e(ternas provocadas por el viento y vibraciones del suelo” $ %olina . y 7amírez del Alba, =>>>3. +urante esta etapa, se estiman las magnitudes y la distribución de las acciones sobre la estructura, aplicado a un modelo 2analítico3. Ello se realiza con el fin de determinar la respuesta del sistema ante dichas fuerzas, de tal manera que una vez construida no se presenten condiciones inadmisibles en t!rminos de seguridad y funcionalidad. Así tambi!n, en esta fase se obtiene información sobre la fuerza que ejerce el sistema sobre el suelo en el cual se encuentra. Esto es útil para desarrollar un buen diseo de la cimentación.
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E.A.P. Ingeniería Civil – Estructuras . &i$ensionalis$o: .Etapa en la que se evalúa las dimensiones y características de los elementos de la estructura, luego de ser analizada correctamente. Con el fin de que estos puedan responder adecuadamente ante las cargas constantes” $ %olina . y 7amírez del Alba, =>>>3. +urante esta fase, no solo se asegura el correcto y seguro dimensionamiento de las partes del sistema estructural, sino tambi!n, que la construcción no pierda mucho su forma original o que termine deform#ndose. "ara la correcta elaboración del sistema, es necesario que se cumplan los procedimientos resueltos anteriormente de tal manera que sigan un orden y coherencia, para ello es necesario el trabajo conjunto de ingenieros estructuralistas, y otros profesionales como arquitectos, maestros de construcción e incluso otros ingenieros especialistas en instalaciones, etc.
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CAPÍTULO II
ESTRUCTURAS ESTRUCTURAS "roveniente del termino latín structura. :ace referencia a un conjunto de elemento imprescindible dentro de un todo. En el campo ingenieril cuando se habla de estructura se hace alusión a los elementos que cumplen la función de resistir las cargas resultantes de su uso y de su peso propio y darle forma a un cuerpo, obra civil o m#quina. "ara ello debe cumplir la condición de estabilidad y equilibrio. -a primera condición se vincula con los movimientos de las edificaciones. Esto evita posibles derrumbes a causas de factores e$ternos. -a segunda condición, el equilibrio, garantiza tambi!n la inmovilidad, pero a su vez no permite que se altere la forma de la edificación. Ejemplos de estructura son) puentes, torres, edificios, estadios, techos, barcos, aviones, maquinarias, presas y hasta el cuerpo humano.
ELEMENTOS ESTRUCTURALES Así como las estructuras son las partes en las que est# constituido un sistema 2Edificación3. ?na estructura es la unión de muchas partes 25odas ellas imprescindibles3 a las cuales llamaremos elementos estructurales. "odemos clasificarlos) <. /egún sus dimensiones)
-ineales. /on aquellos donde una dimensión es mucho mayor a comparación de las otras =0 esto debido a que estuvo sometido a una tensión constante. Ejemplo. %olumnas, vigas, dinteles, etc
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8idimensionales. /on aquellos en los que una dimensión 2-lamada tambi!n espesor3 es mucho menor que las otras dos. Ejemplo. uros de contención, muros de carga, paredes, etc.
5ridimensionales. 5ambi!n llamado volum!tricos0 en estos elementos no e$iste una diferencia abismal entre sus dimensiones
=. /egún la posición que ocupan y el esfuerzo que soportan)
@iga o vigueta. Es un elemento lineal, es decir dos de sus dimensiones son menores que la restante. -a dimensión mayor es la que soportara la mayoría de las cargas0 esto hace que est! sometido a constantes esfuerzos de fle$ión
"ilar o columna. /on elementos lineales pero a diferencia de las vigas las columnas son verticales 2la dimensión mayor pertenece al eje y3. -as cargas actúan sobre el eje de las ordenadas, es por eso que los principales esfuerzos que soporta son la compresión y el pandeo.
Columna soportando carga a(ial a la izquierda y a la derec)a una columna soportando carga e(c*ntrica
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%imientos. /on los elementos encargados de soportar y repartir en la tierra todo el peso de la estructura, impidiendo que !sta sufra movimientos importantes. /oporta esfuerzos de compresión
Ci$iento Lineal o /a+ata0 Este es el tipo de cimiento m#s común, consiste de una banda continua que soporta un muro de carga a lo largo de su longitud. Esto hace que el soporte se distribuya uniformemente
%able. 5ambi!n llamados elementos tirantes o tensores. Estos elementos est#n sometidos a esfuerzos de tracción ya que no pueden soportar esfuerzos de fle$ión0 tienen como misión dar mayor rigidez y resistencia a la estructura. Cable tensionado, sometido a esfuerzos de tracción
uro. Es un elemento bidimensional 2plano3 las cargas que se ejercen sobre el muro actúan por lo general sobre las dimensiones mayores0 estas a su vez generan esfuerzos perpendiculares a el #rea de contacto y paralelos entre sí. -os muros tambi!n tienen como función soportar las cargas a$iales 29uerza que se efectúan sobre el eje longitudinal3
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SISTEMA ESTRUCTURAL En el campo de la ingeniería civil se busca que la obra en cuestión cubra necesidades específicas de diseo, construcción, funcionalidad y económicas. Así tambi!n, es necesario idealizar un sistema que tome ciertos elementos y los utilice a favor de la seguridad y funcionalidad del proyecto. Es así que nace el concepto de *+istema estructural”. En palabras sencillas, el sistema estructural se define como el conjunto asociado de elementos estructurales que tienen como finalidad soportar a la edificación misma y las cargas a las que se e$ponga envi#ndolas directamente al suelo. +icho de otra forma, el sistema estructural est# compuesto por varios elementos de la estructura que, en su totalidad, son capaces de soportar cargas sin mostrar deformaciones o algún cambio aparente en su forma y diseo. %on ello, se busca ejecutar el !roceso de ise"o, tomando que el sistema no solo cumpla con un buen diseo arquitectónico y la normativa legal de construcción, sino tambi!n, sea capaz de ofrecer las respuestas estudiadas ante las cargas e$ternas e internas, de forma satisfactoria.
TI%OS &E SISTEMA ESTRUCTURAL +ependiendo de la magnitud y la disposición de las cargas de una estructura, así como la forma de la estructura, se han logrado ubicar los siguientes principales tipos de sistemas estructurales) /. Estructural 7eticular /. Estructural -aminar /. Estructural asivo /. Estructural i$to A. SISTEMA ESTRUCTURAL RECTICULAR 8#sicamente son estructuras compuestas por elementos, en los cuales una de sus dimensiones es mucho mayor que las otra dos. /e encuentran construidos en un mismo espacio. En este sistema se encuentran) o
Siste$a de ar$ad!ras: /on estructuras las cuales toman una forma de prisma, generalmente regular, cuyos elementos est#n unidos por articulaciones o nudos sin fricción, formando caras triangulares. ;eneralmente, a este sistema le
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E.A.P. Ingeniería Civil – Estructuras afectan fuerzas de comprensión y tensión, tendiendo a soportar grandes cargas, pese a ser muy livianos. Entre las principales ventajas, se tiene) ;racias a la forma triangular que posee, permite mayor distribución de cargas, es decir, hace la estructura m#s liviana, de forma m#s económica. +ebido a su forma, es recomendable para la cubierta de edificios como iglesias, estadios, etc. Es muy utilizado para la construcción de puentes.
o
Siste$a de %,rtios
%onocido tambi!n como sistema de -arco ígido o "órtico resistente, es el tipo de sistema estructural m#s común en la actualidad, sea para edificios de concreto o acero. "osee marcos formados por columnas y vigas formando uniones rígidas capaces de transmitir las cargas hacia las columnas, sin que haya desplazamiento del lugar. El problema con esta estructura radica en la fle$ibilidad de sus materiales y la poca resistencia que ejerce frente a fuerzas laterales. Entre las principales ventajas que se pueden contar es) "ermite mayor distribución en los espacios libres de la estructura. "ermite una amplia diversidad en su diseo. ;eneralmente es económico para edificios menores a => pisos. 8. SISTEMA ESTRUCTURAL LAMINAR: /on estructuras que se caracterizan por estar principalmente compuestas de elementos cuyo espesor es mucho menor a las otras dos dimensiones. En este caso se tiene) o
Siste$a de $!ros Este sistema es cl#sico. %onsiste en una serie de losas y vigas 2o trabes3 que transmitir#n las fueras verticales de la estructura a los muros, los cuales a su vez transmitir#n dichas fuerzas 2o cargas3 hacia la cimentación de la construcción. -os materiales destinados para esta clase de muros pueden ser) aturales 2piedras en distintos tipos y formas3 o Artificiales 2%oncreto armado, adobe, etc3.
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E.A.P. Ingeniería Civil – Estructuras Estos muros deber#n tener un espesor que est! dirigido en relación directa con el peso que soporta de la estructura, es decir, mientras mayor sea la altura del edificio, mayor ser# su peso y por ende, mayor espesor de los muros, lo que conllevaría a una reducción del #rea de los primeros pisos. &nicialmente, estos muros se hacían de mampostería, dirigidos a obras cuya altura de edificios en general no pasaba de B. :oy se conoce que es mejor utilizar concreto. -as ventajas de utilizar este sistema son múltiples, siendo las m#s resaltantes) 7#pida ejecución de obra, mayor rendimiento de este. ;racias a la rigidez lateral del sistema, permite a la obra resistir el colapso o desplazamientos horizontales, así como la construcción de hasta edificios de > pisos. %. SISTEMA ESTRUCTURAL MASI1O /on aquellas estructuras en las cuales sus elementos componentes poseen las tres dimensiones sin mucha diferencia. "ara realizar estos sistemas se necesitan grandes cantidades de material. 5ambi!n se le conoce como estructura masiva a aquellos sistemas sólidos y macizos que se construyen con bloques sin dejar espacios huecos o vacíos. En este sistema se encuentran los muros de contención, las represas, etc.
+. SISTEMA ESTRUCTURAL MI2TO 3SISTEMA &UAL" Este sistema se usa principalmente en zonas de actividad sísmica, ya que sobre el edificio actuar#n distintas fuerzas en distintas direcciones, es decir, fuerzas de comprensión, tracción o fle$ión. %onsta en la combinación de un tipo de pórtico simple que resiste fuerzas verticales con las de pórticos con diagonales de tal manera que ofrezcan mayor resistencia a fuerzas laterales.
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E.A.P. Ingeniería Civil – Estructuras Este sistema posee ciertas ventajas las cuales son)
/e genera una estructura con mayor resistencia y rigidez a fuerzas laterales a comparación del sistema de pórticos
común. 5ambi!n ofrece amplia diversidad en el diseo. Ejerce mayor resistencia por lo cual permite la construcción de una mayor cantidad de pisos.
CAPITULO III
ESTRUCTURAS DE TIERRAS LINEALES -as obras de infraestructuras lineales tales como las carreteras de ferrocarriles, transporte pesado, transporte liviano, etc., se pueden considerar como *estructuras1 artificiales diseadas principalmente para soportar las cargas móviles, es decir el transporte, sobre dichos sistemas sin el riesgo de perjudicar a los elementos que transcurren a trav!s de ellos. /in embargo, para la e$istencia de dichos sistemas estructurales hechos a base de material artificial, es necesaria la e$istencia de *estructuras de tierra1 propiamente dichas, las cuales permitir#n el desarrollo y construcción de las carreteras. Entre estas estructuras lineales encontramos )
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Terra+l)n %oncepto relacionado con la &ngeniería civil, un terrapl!n es aquella porción de tierra destina a rellenar un terreno con la finalidad de poder levantar su nivel y servir como un plano de apoyo para la construcción de una obra. "or lo general un terrapl!n es utilzado para la construcción de carreteras /u ejecución comprende las operaciones siguientes)
"reparación de la superficie de apoyo del relleno tipo terrapl!n. E$tensión de una capa. :umectación o desecación de la capa. %ompactación de la capa.
Conas de un terrapl!n. En los rellenos tipo terrapl!n se distinguir#n las cuatro siguientes zonas, cuya geometría se definir# en el "royecto) •
%oronación) Es la parte superior del relleno tipo terrapl!n, sobre la que se apoya el firme, con un espesor mínimo de dos capas y siempre mayor de cincuenta
•
centímetros 2B> cm3. úcleo) Es la parte del relleno tipo terrapl!n comprendida entre el cimiento y la
•
coronación. Espaldón) Es la parte e$terior del relleno tipo terrapl!n que, ocasionalmente, constituir# o formar# parte de los taludes del mismo. o se considerar#n parte del espaldón los revestimientos sin misión estructural en el relleno entre los que se
•
consideran,
plantaciones,
cubierta
de
tierra
vegetal,
encachados,
protecciones antierosión, etc. %imiento) Es la parte inferior del terrapl!n en contacto con la superficie de apoyo. /u espesor ser# como mínimo de un metro 2< m3.
/errapl*n de carretera se"alando las diferentes capas que contiene
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%E&RA%L4N
/egún la normativa A+&9, se define pedrapl!n como *el e(tendido y compactación de materiales p*treos idóneos, procedentes de e(cavaciones en roca”. Es frecuentemente utilizado para la construcción de rellenos que sean de gran altura o sean inundables, y est# principalmente formado de rocas de gran tamao que oscilan entre los 0122 y los 322 mm” A diferencia de los terraplenes, los pedraplenes son mucho m#s resistentes a la erosión 2meteorización3 y a la inundación. Es por ello que la principal diferencia entre terraplenes y pedraplenes se encuentra a trav!s de pruebas de ensayo de granulometría y estabilidad del material frente a agua.
"ara la realización del pedrapl!n, se comprenden los siguientes pasos)
"reparación de la superficie de apoyo del pedrapl!n.
E$cavación, carga y transporte del material p!treo que constituye el pedrapl!n.
E$tensión y compactación del material en tongadas. Este proceso se realizar# cuantas veces sea necesario.
+e forma an#loga al terrapl!n, el pedrapl!n comprende las siguientes zonas)
Transii,n: Es conocida como la parte superior del pedrapl!n y tiene como mínimo un metro de profundidad.
N5leo: "arte comprendida entre la zona de transición y el cimiento.
Ci$iento: Es la parte inferior del pedrapl!n la cual se encuentra adyacente al terreno de apoyo, con un espesor mínimo de un metro.
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Es+ald,n: "arte e$terior del pedrapl!n cuya función es homóloga al terrapl!n.
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