14 infraestructura estribos

Ing. Elsa Carrera Cabrera

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INFRAESTRUCTURA


2

Infraestructura

Se denomina infraestructura al conjunto de elementos (estructurales) que soportan a la superestructura. Estaúltima transmitirá todas las cargas actuantes en ella a la infraestructura, y a su vez la infraestructura tendrá que ser capaz de transmitirlas, incluyendo su propio peso, adecuadamente al terreno de cimentación. Dependiendo de su ubicación, en la infraestructura podemos diferenciar dos tipos de elementos de apoyo:


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Tipo de Elementos de Apoyo (con cimentación superficial)

1. Estribos (Apoyos Extremos)2. Pilares (Apoyos Intermedios)

Elevación Longitudinal


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Vista General(con cimentación profunda)


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Tipos de

Estribos:

• Pórticos

• En Voladizo

• De Gravedad

ELEVACION PLANTA

• Celulares

• De muros con Contrafuertes


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3600

5200

800800

300

2400

275

Estribo de Gravedad

ELEVACIÓN FRONTAL ELEVACIÓN LATERAL


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EJE DEL CAMINO INICIO DE ALA

f'c=140 Kg/cm2Cº CICLOPEO




EJE DE APOYO

EXTREMO DE ALA


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Estribo de Muros con Contrafuertes


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1.- Estribos

Para el adecuado diseño de un estribo de un puente, debemos analizar todos los aspectos que involucran la zona del proyecto en estudio, en donde los estudios básicos determinarán los parámetros exactos de diseño y por tanto las características definitivas del mismo.

Son de carácter forzoso y necesario

» Topografía de la zona del proyecto, del cual obtendremos el perfil topográfico con las cotas de rasante en el eje del camino seleccionado, así como también los perfiles topográficos aguas arriba y aguas abajo del puente


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» Estudio de Suelos y/o Geotécnico, del cual obtendremos la profundidad de cimentación y su correspondiente valor de capacidad portante, debemos cimentar a partir de donde el suelo ofrezca la adecuada resistencia.

» Estudio Hidrológico, con el cual se tendrán los niveles de aguas mínimas, máximas y extraordinarias, además del ancho de curso de agua y velocidad de flujo, así como también su capacidad o no de arrastre (caudal sólido).

» Estudio Hidráulico, para realizar los análisis de socavación del cauce natural, por estrechamiento y por apoyos que intervienen en el cauce, obteniendo la socavación total.


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La altura del estribo se determina con los datos anteriores y sevisualiza en el siguiente esquema

(*) La cota de fondo de cimentación debe ser tal, que tenga la resistencia admisible del suelo y a la vez que este libre de la posibilidad de socavación.


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Socavación

Socavación General

Socavación por contracción a la corriente


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Socavación en curvas

Socavación al pie de pilares y estribos


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PredimensionamientoEstribos de Gravedad

B = 0.4 a 0.6 H

h

H

b = 0.45 a 0.50 h

a

c

1/10 a 1/5

La base B varía según:

• la calidad del terreno de cimentación•La altura del estribo•La carga que recibe

≈ 0.45 en terrenos rocosos≈ 0.5 a 0.6 en terrenos

conglomerados≈ 0.65 a 0.75 en terrenos

blandos

B H

hp

B = 0.45 a 0.7


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EJE DE APOYO

Junta deconstrucción

c

hp

Junta de construcción

a


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El empuje de tierras tiene una inclinación producida por el material que trata de asentarse, y se asume su acción con un ángulo formado con la horizontal igual a la mitad del ángulo de reposo, del material (φ ).

EMPUJE DE TIERRAS EN ESTRIBOS

φ /2


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El ángulo de reposo asumido varia según el material

MATERIAL ?

ARCILLA 30 - 45°

ARENA SECA 25 - 35°

ARENA HUMEDA 30 - 45°

ARENA SATURADA 15 - 30°

TIERRA COMPACTA 35 - 40°

GRAVA 30 - 40°

CENIZAS 25 - 40°

CARBON 25 - 35°

φ


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Empuje de Tierras en Estribos(Manual de Puentes MTC)

• Es linealmente proporcional a la profundidad del suelo• Fórmula del empuje lateral de suelo:

Donde: p = Empuje básico de tierras (MPa) x 100 = t/m2(presión de suelo)

k = Coeficiente de presión lateral de tierrasγs = Densidad del suelo (kg/m3)H = Altura del estribo (m)g = Aceleración de la gravedad (m/s2)

• La resultante de empujes laterales por peso del relleno se ubicaa H/3 sobre la base del muro (H = altura total de muro)

6s 10Hgkp −⋅⋅⋅γ⋅=


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Coeficiente de Presión Lateral (k)

EMPUJE ACTIVO ( ka )• En muros que van a desplazarse o deflectarse lo suficiente para

alcanzar condiciones mínimas de empuje activo.

Donde: δ = Áng. de fricción entre el suelo y el estribo = Ø/2 ó 3/4Øi = Áng inclinac. de la superficie del relleno respecto eje horiz.β = Áng. del respaldo interno del muro respecto a eje verticalØ = Ángulo de fricción interna

• Para un análisis en condiciones a largo plazo usar esfuerzos efectivos y considerar empujes hidrostáticos (si es el caso).

2

2

2

a

)i(Cos)(Cos)i(Sen)(Sen

1)(CosCos

)(Cosk

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−β⋅δ+β−φ⋅δ+φ+⋅δ+β⋅β

β−φ=


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Coeficiente de Presión Lateral (k)

EMPUJE PASIVO ( kp )

• Para suelos granulares , el Empuje Pasivo se calcula con la fórmula general:

• Para suelos cohesivos el Empuje Pasivo se calcula con:

2

2

2

p


1)(CosCos

)(Cosk

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−β⋅δ−β+φ⋅δ−φ

+⋅δ−β⋅β

β+φ=

p6

sp kc210Hgkp ⋅+⋅⋅⋅γ⋅= −

6s 10Hgkp −⋅⋅⋅γ⋅=


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El empuje pasivo se presenta cuando una fuerza externa trata de empujar el estribo y este reacciona con un empuje al que se denomina pasivo (sentido contrario del activo).

Se deberá despreciar este empuje a menos que la base del estribo se extienda por debajo del nivel máximo de socavación, y sólo se deberá considerar efectiva la longitud embebida debajo de este nivel.


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Coeficiente de Presión Lateral (k)EMPUJE EN REPOSO ( k0 ) • En muros que se considera no se van a deflectar o mover.• Para suelos normalmente consolidados, muro vertical, terreno nivelado

• Para suelos sobreconsolidados

Donde: Øf = Ángulo de fricción interna del suelo drenadoOCR =Relación de sobreconsolidación

(Arenas levemente consolidadas OCR= 1-2, k0= 0.4–0.6)(Arenas fuertemente consolidadas k0= 1 aprox. )

• Materiales de relleno preferibles: materiales drenantes granulares• Puede considerarse en reposo si los muros quedan cerca de estructuras

sensibles a los desplazamientos o les sirven de soporte (ej. Estribos)

f0 Sen1k φ−=

fsenf0 )OCR)(Sen1(k φφ−=


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Simbología

MURORÍGIDOH

E

H/3

p

δ

i

β


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FÓRMULA SIMPLIFICADA DE EMPUJE DE TIERRAS – RANKINE (Para comprobación)

El efecto activo ó pasivo del empuje de tierras por el método de Rankine es.

Ea = 1 γs H2 c ( empuje activo )2

Ep = 1 γs H2 ( empuje pasivo )2c

c = tg2 ( 45° - φ /2 )

H = altura de estriboγs = peso específico del terreno


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Empuje debido al tráfico (LS)• Si se tiene tráfico vehicular cerca al muro, dentro de una distancia

igual a la altura del muro, el incremento de empuje horizontal es:

Donde:Δp = incremento en el empuje horizontal de tierras (MPa)γs = densidad del suelo (kg/m3)k = coef. presión lateral igual a ka para condiciones deempuje activo, y k0 para condiciones de empuje en reposoheq =altura equival. de suelo para camión de diseño (m)

• El empuje es uniformemente distribuido y su resultante se ubica a H/2 (H = altura del estribo)

Altura muro (m) heq (m)1.5 1.23.0 0.9

≥6.0 0.6

)10(hgkp 6eqs

−⋅⋅γ⋅=Δ


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H

ET = 1 γs H2c + γs H h’ c 2

ET = 1 γs H (H+ 2h’) c2

d = H ( H + 3h' ) 3 H + 2h’

c = tg2 (45 – Φ/2)

H = altura del estriboh’ = 0.60 m.(altura de relleno)γs = 1800 kg/m3 ó 1900 kg/m3

s/c = 1000 kg/m2

ET = Ea +LS

+

H/2H/3

Ea LS

• Fórmula Simplificada de Empuje con Tráfico (en servicio)


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Empuje Sísmico de Tierras(Método de Mononobe –Okabe)

HIPÓTESIS:

• La cimentación se desplaza lo suficiente para que se desarrollen las condiciones de máxima resistencia o presión activa en el suelo.

• El relleno es granular, con ángulo de fricción φ.• El relleno es no saturado, de modo que no se consideran problemas

de la ecuación (deben colocarse drenajes).


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Empuje Sísmico de Tierras(Método de Mononobe –Okabe)

EMPUJE ACTIVO SÍSMICO

EAE = Fuerza activa del suelo (t) kh = Coef. acelerac. horizontalg = Acelerac. de la gravedad (m/s2) kv = Coef. aceleración verticalγ = Densidad del suelo (kg/m3) KAE = Coef. activo sísmicoH = Altura del estribo (m)

φ = ángulo de fricción interna del suelo ≥ i+qθ = arc tan[kh/(1-kv)]i = inclinación de la superficie de relleno respecto a eje horizontalδ = áng. de fricción entre el suelo y el estribo = Ø/2 ó 3/4Øβ = ángulo del respaldo interno del muro respecto a eje vertical

42 10)1(2/1 −⋅⋅−⋅⋅⋅⋅= AEvAE kkHgE γ

2

2

2

AE


1)(CosCosCos

)(Cosk

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡β−⋅θ+β+δ

−θ−φ⋅δ+φ+⋅θ+β+δ⋅β⋅θ

β−θ−φ=


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Empuje Sísmico de Tierra(Método de Mononobe –Okabe)

EMPUJE PASIVO SÍSMICO

EPE = Fuerza pasiva del suelo (t) kh = Coef. acelerac. horizontalg = Acelerac. de la gravedad (m/s2) kv = Coef. aceleración verticalγ = Densidad del suelo (kg/m3) KPE = Coef. activo sísmicoH = Altura de la cara de suelo (m)

φ = ángulo de fricción interna del suelo ≥ i+θθ = arc tan[kh/(1-kv)]i = inclinación de la superficie de relleno respecto a eje horizontalδ = áng. de fricción entre el suelo y el estribo = Ø/2 ó 3/4Øβ = inclinación del muro respecto a eje vertical

42 10)1(2/1 −⋅⋅−⋅⋅⋅⋅= PEVPE kkHgE γ

2

2

2

PE


1)(CosCosCos

)(Cosk

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡β−⋅θ+β−δ

+θ−φ⋅δ−φ−⋅θ+β−δ⋅β⋅θ

β+θ−φ=


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Finalmente el empuje sísmico actuante es:

Eae = Empuje activo sísmico

•Ea = Empuje activo de tierras

•∆ Eae = Eae – Ea

•Estas dos fuerzas últimas actúan generando el momento de volteo

Mv = Ea x H/3 + ∆ Eae x H/2


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Control de Estabilidad del Estribo

I.- Cuando la superestructura no está construida, sólo se verifica en condiciones de servicio

Altura de Estribo = H - hpH - hp

tWp

ppW

Nota.-

El empuje del terreno se calcula sin el efecto debido al tráfico.


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II.- Cuando la superestructura ya está construida, el control es para los diferentes estados de carga.

Altura del estribo = H

Nota.-

El empuje del terreno se calcula con el efecto debido al tráfico porque ya está en servicio.


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Control de Estabilidad del EstriboCOMBINACIONES DE CARGA (AASTHO LRFD)


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Control de Estabilidad del Estribo1.- Principales Combinaciones de Carga

A las fuerzas que actúan en el estribo se les aplican los factores de cargade acuerdo a las combinaciones del LRFD.

Las principales combinaciones son:

a) Resistencia 11,25DC + 1,5DW + 1,5EH + EV + 1,75LL + 1,75 BR + 1,75 LS

b) Evento Extremo 11,25DC + 1,5DW + 1,5EH + EV + 0,5LL + 0,5BR + EQ + 0.5 LS

b) Servicio 1DC + DW + EH + EV + LL + BR + LS

Para cada combinación se calcula el total de:

- Fuerzas Verticales (FV) - Momentos Resistentes (MR)- Fuerzas Horizontales (FH) - Momentos de Volteo (MV)


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LL

0,0

Eje de apoyo

BR

1.8m sobresup. rodadura

H/3

EaH

H/2

DC (Infra)

ΔEaH

EaV, ΔEaV

FUERZAS RESISTENCIA I Y SERVICIO I

ΔEAEH

0,0

Eq

H/3

EaH

H/2

EAEV

FUERZAS EVENTO EXTREMO I

DC y DW (Super)

DC (Infra)

LL

Eje de apoyo

1.8m sobresup. rodadura

DC y DW (Super)

BR


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Control de Estabilidad del Estribo1.- Condición de Volteo.-

El estribo es sometido a fuerzas que lo hacen estable y también a fuerzas que lo procuran desestabilizar (voltearlo) por lo tanto hay que verificar y asegurar su estabilidad

ØMR > MVSiendo Ø (AASHTO 10.5.6):

– Para E.L. Resistencia I:• Arcilla, resistencia obtenida por ensayos CPT 0.50• Arcilla, en el resto de casos 0.60• Arena, resist. obtenida por ensayos SPY y CPT 0.35-0.45• Arena, resist. obtenida por ensayo de penetración 0.55

(cono)• Roca 0.60

– Para E.L. Evento Extremo I : 1.00

– Para E.L. Servicio I : 0.50


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2. DeslizamientoLa fuerza que se opone al Empuje horizontal es el peso de la infraestructura y las cargas verticales actuantes afectadas por la fricción que se presenta en la base del estribo.Para asegurar la estabilidad del estribo, debe cumplir:

ØT FV Tan δ > FH

ØT = Factor de resistencia al corte entre suelo y cimentaciónTanδ = TanØ (vaciado en sitio) ó 0.8TanØ (prefabricado)Ø = Ángulo de fricción interna del suelo (35º suelo compactado)

Valores de ØT para Resistencia I:– Concreto prefabricado vaciado sobre arena 0.90– Concreto vaciado en obra sobre arena 0.80– Sobre arcilla, con resistencia al corte menor a 0.5 veces la presión

normal, estimada por ensayos CPT 0.80– Sobre arcilla, en el resto de casos 0.85– Sobre suelo 1.00

Valor de ØT para Evento Extremo I : 1.00


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R

Z

X

e

B/2

FH

FV

3. Control de Presiones

Para cimentación en suelo:σ t= ∑ FV

B-2ePara cimentación sobre roca:

σ t= ∑ FV ( 1 + 6e )A B

A = Área de la base = B* 100 (Para el cálculo por metro lineal de estribo)

e = B - ( x - z ), 2

x = ∑ MR , z =∑ MV∑ FV ∑ FV


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3. Control de Presiones (continúa)

No se aceptan tracciones, por lo cual la excentricidad está limitada de la siguiente manera:

E.L. Resistencia I:• Al cimentar en suelo: e ≤ B/4• Al cimentar en roca: e ≤ 3B/8

E.L. Evento Extremo I:• Si γEQ = 0 : e ≤ B/3• Si γEQ = 1 : e ≤ 2B/5• Si γEQ = 0.5 : e ≤ 11 B/30 (interpolando)

E.L. Servicio I:• En todos los casos: e ≤ B/6


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Cuerpo central

Alas

Terraplen

Estribos en planta


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Estribos en Voladizo

d = Junta + distancia de extremo de superestructura

b = Base de la elevación

b ≈ ( 0.10 a 0.15)h

B ≈ ( 0.4 a 0.7)H

C≈ ( 0.10 a 0.15)H

B

(2/3 a 1/2)B (1/3 a 1/2)B

d

Hh

C

c

hp

Eje de Apoyo

b

( De Concreto Armado )


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Estribos con Contrafuerte

H

Min 0.20 cm

hp = depende de altura de viga, neopreno y otros.

B = 0.4 a 0.7 H

B/2 a B/3

2B/3 a B/2

Zapataposterior

Zapataanterior

- Pantalla .- El espesor mínimo en la pantalla recomendado es de 50 cm

- Zapata .- El espesor mínimo es ≈ H/10

Contrafuerte:Espesor mínimo = 0.50Separación ( l ) = de 2 @ 3.00 m.

y por criterio


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Acción de CargasContrafuertes

e

l

e

Pantalla

Estribos con Contrafuerte (Continuación)


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Consideraciones del Diseño

El control de estabilidad de esta clase de estribo es similar al del estribo voladizo. Hay que considerar la acción de las cargas entre contrafuertes.

El diseño de los estribos con contrafuerte se realiza teniendo en cuenta el comportamiento diferente de sus elementos por la presencia de otros componentes estructurales.



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- Zapata DelanteraSe diseña con los mismos criterios que en el caso del estribo en voladizo.-Zapata PosteriorSe diseña como una losa continua apoyada en los contrafuertes por metro de ancho ó como losa empotrada en 3 bordes.-Pantalla del cuerpo centralLa pantalla vertical del estribo tiene armadura principal horizontal debido a que se diseña como una losa apoyada en los contrafuertes, sometida al empuje del relleno. Como el empuje varia con la altura, se deben analizar varias secciones para distribuir el refuerzo requerido en cada nivel. Por otro lado, también se puede diseñar como una losa empotrada en los contrafuertes y en la zapata.



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Diseño de Estribos de Pórticos

h = hp + h vigaC + h”Ea = ½ w.h (h + 2h’)cEp = 1 w (h”)²

2ch’ = 0.60 m.

(Rankine)

Tiene que existir un equilibrio en los empujes en la pantalla superior para mantener estable el relleno del terraplén de acceso. Entonces:EA =EP y resolviendo se encuentra el valor de h’’

1

h viga

h ''

1.5

h p

Ep

h'

H

hEA

B aprox. 0.5 H

SECCION TRANSVERSAL EJE MENOR

a Cajuela


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Ejemplo: Superestructura de 4 Vigas

Se recomienda que las columnas tengan una separación S en donde:

3a > S > aSe recomienda que en la sección transversal, el ancho de las columnas sea igual por lo menos al ancho de la cajuela.

a a a

S

A

ELEVACION

ANCHO DE LA PANTALLA

h viga


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Para el control de la estabilidad del estribo con una altura H se considera el empuje actuante en todo el ancho de la pantalla y para su altura correspondiente (h).

Se determina la posición de la acción del empuje y de allí a la base del estribo tendremos una distancia d’ para hallar el Momento de Volteo por el efecto del empuje en la pantalla superior.

H d'

d

O

hEA H

DL


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Estribo CelularAcción de Cargas

E2

E1

Asfalto

D

LF

EQ

W t

W p

L

Super.


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SismoAplicación Simplificada

En las regiones donde pueda ocurrir movimiento sísmicos deberáconsiderarse una fuerza lateral de:

EQ = kh (DC+DW).EQ = Fuerza lateral aplicada longitudinalmente en el centro de gravedad del peso de la estructura.Según prácticas y otros reglamentos se recomienda para el Perúlos siguientes valores cuando no se requiere un estudio especializado.

kh SISMICIDAD

.07 0.08 a 0.10 0.11 a 0.20

En zonas de baja sismicidad y de terreno de buena capacidad En zonas de mediana sismicidad y según el terreno de cimentación En zonas de alta sismicidad y según el terreno de cimentación


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Estos coeficientes vienen del Reglamento Japonés, y varían de acuerdo a:

Ground Condition*Regions* Weak Ordinary Firm

Where severe earthquakeshave been frequentlyexperienced

0.35 – 0.30 0.30 – 0.20 0.20 – 0.15

Where severe earthquakehave been occurred 0.30 – 0.20 0.20 – 0.15 0.15 –0.10

Other regions 0.20 0.15 0.10

Table 4.3 Horizontal Design Sismic Coefficiente (Out of Date)

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