Chirajara - Final Presentation - SP (4-24-18).pdf

Investigación del Colapso del Puente Chirajara Una presentación para la AGENCIA NACIONAL DE INFRAESTRUCTURA - ANI Abril 24, 2018

Thomas P. Murphy, PhD, PE, SE Sebastian LoboLobo-Guerrero, PhD, PE Nohemy Galindez, PhD, PE

 Amer ic an Geo tec hn ic al & Environmental Services, Inc.

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Contenido de la Presentación

Introducción y antecedentes Colapso de la Pila B Condición actual de la Pila C Cimentación Ensayos de Materiales Conclusiones

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Pilón superior

Introducción y antecedentes Descripción de la estructura Puente atirantado • Luz princip principal al – 286 m • Luces later laterales ales – 80 m

Torre • Brazos y tabique hechos de concreto

reforzado; losa cabezal es posttensada en ambas direcciones • Interior del pilón superior es una estructura en acero

Superestructura • Vigas principales longitudinales y

transversales en acero, soportando la transversales losa del tablero en concreto reforzado refor zado (fundida en sitio)

Brazo superior sur

Brazo superior norte Superestructura

Contrapeso Contrapeso eje A y Bloque de transición transic ión Losa cabezal Brazo inferior sur

Brazo inferior norte Tabique Dado y caisson

Pila B

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Introducción y antecedentes Condición anterior al colapso Pila B • Avance hasta el tirante T13B:  –  Estructura metálica  –  Tirantes instalados  –  Losa de concreto (Enero 12/18)

Pila C • Avance hasta el tirante T13C:  –  Estructura metálica

Pila B

Pila C

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Introducción y antecedentes Colapso de la Pila B (Enero 15/18) Modjeski and Masters & American Geotechnical and Environmental Services vinculadas para conducir

una inves investigación tigación independiente del colapso Actividades Investigación en el sitio Estudios analíticos Evaluación de las cimentaciones Revisión de diseño Muestreo y ensayos de materiales

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Colapso de la Pila B Evaluación preliminar: Video

1

2 Cambio de brillo y ángulo de brazo inferior sur: separación de tabique

3

4

5

Movimiento importante Cambio de ángulo de de brazo superior norte brazo superior norte, pilón (cambio de sombra), superior empieza a rotación importante en descender y tirantes conexión a pilón pierden tensión superior y brazo inferior

6

7

Luz principal cae, pero luz lateral aun apoyada en losa cabezal y tabique. Brazo inferior norte se ha movido muy poco

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Colapso de la Pila B Evaluación preliminar: Video

8 Brazo superior norte se ha articulado en sus extremos y empuja la base del pilón superior hacia el sur

9 Brazo inferior sur en el suelo, el brazo superior norte está horizontal, la base del pilón superior está por debajo del nivel del tablero

10 Brazos superior e inferior norte se desconectan. Tabique parece estar en pie sosteniendo la luz lateral

11

12

Luz lateral colapsa indicando que tabique y losa cabezal también han colapsado

13

14

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Colapso de la Pila B Evaluación preliminar: Revisión inicial de planos de diseño Acero de post-tensionamiento en la losa cabezal  menor al esperado para un puente de este tipo y longitud Diseñador supuso que el acero de posttensionamiento en la losa cabezal y el acero de refuerzo en el tabique actuarían conjuntamente para resistir la tensión entre los brazos de la torre • Reunión con con diseñador - Feb. 20/18 20/18 • Ve Versión rsión actualizada de la Memoria de

Cálculos (Febrero 2018)

12 cables de un torón φ0.6”

Estribos cerrados, barras Closed stirrups, bars#4 #4@@20cm 20cm

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Colapso de la Pila B Evaluación preliminar: preliminar: Inspección en en el sitio Orientación de los elementos coincide con la secuencia de colapso deducida Brazo inferior sur localizado en el lado opuesto de donde quedó la mayor parte del tabique y de la losa cabezal Articulaciones plásticas verificadas verificad as en las secciones de mayor cambio de ángulo durante el colapso

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Colapso de la Pila B Dado y Caisson Caisson no muestra signos de daño Dado sostuvo un daño superficial debido al impacto por parte de la superestructura colapsada Dado

Caisson

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Colapso de la Pila B Unión de tabique y brazo inferior sur

Brazo inferior sur Refuerzo transversal del tabique fracturado en la unión del tabique al brazo al  brazo inferior sur Falla dúctil en las barras: superficies de falla tipo copa y cono

Brazo inferior sur

Conexión a brazo superior sur

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Colapso de la Pila B Losa cabezal y tabique Falla dúctil de los torones de post-tensionamiento post-tensionamiento en el lado l ado sur Al menos un torón estaba todavía conectado al brazo de la torre en el lado norte Evidencia de deslizamiento de algunos torones en los ductos de plástico liso (falla por adherencia)

Tabique

Borde lado sur

Losa Cabezal

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Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Análisis globales Secuencia de construcción  tensionamiento de tirantes de acuerdo con los datos de campo Comparación de deflexiones medidas durante la construcción construc ción con las obtenidas en el análisis • Losa de mayor espesor (mayor peso)

Estudio de sensibilidad a posibles movimientos de la cimentación Deflexiones en las vigas longitudinales longitudinales – última etapa de construcción 6

2

5

Cambios de pendiente

1.5

Torre

    )    m     ( 1    n     ó    i    x    e     l     f 0.5    e    D

3 2 1

0 0

-0.5

Torre

4

50

100

150

200

0 -1

0

50

100

150

200

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Análisis refinado de la torre Análisis por elementos finitos que incorpora el comportamiento de los materiales y componentes cuando estos están expuestos a esfuerzos que exceden el rango lineal típico de diseño

ANI – ANI  – Abril 24, 2018

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Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Análisis refinado de la torre Análisis por elementos finitos que incorpora el comportamiento de los materiales y componentes cuando estos están expuestos a esfuerzos que exceden el rango lineal típico de diseño • Curva esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación de los torones transversales en la losa

cabezal y el refuerzo transversal en el tabique σ σ

 Cables de post-tensionamient post-tensionamiento o en losa cabezal

 Acero de refuerzo transversal transversal en tabique

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Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Análisis refinado de la torre Análisis por elementos finitos que incorpora el comportamiento de los materiales y componentes cuando estos están expuestos a esfuerzos que exceden el rango lineal típico de diseño • Curva esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación de los torones transversales en la losa

cabezal y el refuerzo transversal en el tabique • Efe Efecto cto de la fuerza inicial de fijación y posterior pérdida de contacto con el concreto de los torones transversales de post-tensionamiento KFIJ

KCAB

KPT

P KCAB = EA/L KPT



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 + 

δ

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Análisis refinado de la torre Análisis por elementos finitos que incorpora el comportamiento de los materiales y componentes cuando estos están expuestos a esfuerzos que exceden el rango lineal típico de diseño • Curva esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación de los torones transversales en la losa

cabezal y el refuerzo transversal en el tabique • Efe Efecto cto de la fuerza inicial de fijación y posterior pérdida de contacto con el concreto de los torones transversales de post-tensionamiento • Articulaciones plásticas en los brazos brazos de la torre y el pilón superior 

φ

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Análisis refinado de la torre Análisis por elementos finitos que incorpora el comportamiento de los materiales y componentes cuando estos están expuestos a esfuerzos que exceden el rango lineal típico de diseño • Curva esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación de los torones transversales en la losa

cabezal y el refuerzo transversal en el tabique • Efe Efecto cto de la fuerza inicial de fijación y posterior pérdida de contacto con el concreto de los torones transversales de post-tensionamiento • Articulaciones plásticas en los brazos brazos de la torre y el pilón superior • Agrietamiento del concreto concreto en el tabique

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Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Análisis refinado de la torre Análisis por elementos finitos que incorpora el comportamiento de los materiales y componentes cuando estos están expuestos a esfuerzos que exceden el rango lineal típico de diseño • Curva esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación de los torones transversales en la losa • • • •

cabezal y el refuerzo transversal en el tabique Efecto Efe cto de la fuerza inicial de fijación y posterior pérdida de contacto con el concreto de los torones transversales de post-tensionamiento Articulaciones plásticas en los brazos brazos de la torre y el pilón superior Agrietamiento del concreto concreto en el tabique Pérdidas en el concreto dependientes del tiempo: flujo plástico y 30 retracción     ) 20

   m    m     ( 10    Y    D

0

300

320

340

360

Días

380

400

420

DY

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

P

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Análisis refinado de la torre Análisis por elementos finitos que incorpora el comportamiento de los materiales y componentes cuando estos están expuestos a esfuerzos que exceden el rango lineal típico de diseño • Curva esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación de los torones transversales en la losa • • • • •

cabezal y el refuerzo transversal en el tabique Efecto Efe cto de la fuerza inicial de fijación y posterior pérdida de contacto con el concreto de los torones transversales de post-tensionamiento Articulaciones plásticas en los brazos brazos de la torre y el pilón superior Agrietamiento del concreto concreto en el tabique Pérdidas en el concreto dependientes del tiempo: flujo plástico y P retracción Efectos Efe ctos de segundo orden (no linealidad geométrica) 0



Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Análisis refinado de la torre Análisis por elementos finitos que incorpora el comportamiento de los materiales y componentes cuando estos están expuestos a esfuerzos que exceden el rango lineal típico de diseño • Curva esfuerzo-deformación esfuerzo-deformación de los torones transversales en la losa • • • • • •

cabezal y el refuerzo transversal en el tabique Efecto Efe cto de la fuerza inicial de fijación y posterior pérdida de contacto con el concreto de los torones transversales de post-tensionamiento Articulaciones plásticas en los brazos brazos de la torre y el pilón superior Agrietamiento del concreto concreto en el tabique Pérdidas en el concreto dependientes del tiempo: flujo plástico y retracción Efectos Efe ctos de segundo orden (no linealidad geométrica) Secuencia de construcció construcción n

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Análisis refinado de la torre

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Resultados Falla empieza con la separación del brazo inferior sur del tabique  consistente con video y evidencia física Brazos inferiores son flexibles con respecto respecto al tabique Solo una corta longitud en la parte superior del tabique participa en la resistencia de la carga horizontal Grietas son desarrolladas en la junta de los brazos de la torre y el tabique, lo que afecta las longitudes de adherencia e incrementa las deformaciones en los torones (losa cabezal) y el refuerzo (tabique) Cuando el flujo plástico del concreto es considerado en el modelo, se presenta un retraso en la falla con respecto al momento en que la última carga es aplicada

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Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Comparación con diseño 40

    )    m     (    e    u    q    i     b    a    t     l    e     d    a    r    u    t     l    A

Diseño

40

35

35

30

30

25

25

20

20

15

15

10

10

5

5

0

0

-0.2 0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

Deformación normalizada del brazo inf.

-500

Diseño

0

500

Fuerza distribuida (kN/m)

1000

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Comparación con diseño 40

Diseño Análisis

35     )    m     (    e    u    q    i     b    a    t     l    e     d    a    r    u    t     l    A

40 35

30

30

25

25

20

20

15

15

10

10

5

5

0

0

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

Diseño Análisis

0.8

1.0

1.2

Deformación normalizada del brazo inf.

-500

0

500

Fuerza distribuida (kN/m)

1000

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Comparación con diseño 40

Diseño Análisis

35     )    m     (    e    u    q    i     b    a    t     l    e     d    a    r    u    t     l    A

40 35

30

30

25

25

20

20

15

15

10

10

5

5

0

0

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

Diseño Análisis

0.8

1.0

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Deformación normalizada del brazo inf.

-500

0

500

Fuerza distribuida (kN/m)

1000

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Conclusiones El Puente Chirajara colapsó debido a un error er ror de diseño La capacidad suministrada en la parte superior del tabique t abique y en la losa cabezal fue insuficiente para resistir las fuerzas de tensión generadas entre los brazos de la torre, las cuales se concentran en esta región El diseño supuso incorrectamente que las fuerzas se podían distribuir a lo largo de la altura del tabique El uso del tabique en lugar de la losa cabezal para resistir las fuerzas de tensión es bastante inusual para este tipo de torres El video, la evidencia física, y las evaluaciones analíticas son todos consistentes y concluyentes No se encontró otro aspecto en la construcción que haya sido determinante en el colapso Movimientos hipotéticos en la cimentación de la magnitud planteada por terceros, no habrían resultado en el colapso del puente

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Condición actual de la Pila C Inspección en el sitio Acceso limitado por razones de seguridad Fotografías tomadas por un drone y suministradas por contratista (Gisaico) Entrevistas con personal de obra

Evaluación analítica Diferencias con respecto a la Pila B • Losa de concreto entre los tirantes T12C

and T13C no fundida • Tirante T13C no instalado

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Condición actual de la Pila C Grietas de longitud y ancho considerable en la parte superior del tabique a lo largo del brazo de la torre

N

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Condición actual de la Pila C Aberturas fueron observadas entre los extremos de la losa cabezal y los brazos de la torre

N

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Condición actual de la Pila C Movimiento relativo entre los brazos superiores y las riostras temporales temporales de un elevador  evidencia de los braz brazos os moviéndose en dirección opuesta

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Condición actual de la Pila C Evaluación analítica

25000

96% Pila B

20000

    )    N     k     (    P

15000 Pila B 10000

Pila C

5000

0 0

5

10

15

Etapa de Construcción

El diseño de la torre de la Pila C es esencialmente idéntico al de la Pila B ∴ la resistencia a las cargas de tensión originadas por la geometría de la torre es la misma que la de la Pila B

20

25

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Condición actual de la Pila C Conclusiones La Pila C se encuentra en un estado inicial de colapso La carga actual en la Pila C es aproximadamente 96% de la carga presente en la Pila B al momento del colapso La Pila C es efectivamente idéntica a la Pila B, y se puede esperar que colapse a una carga aproximadamente igual a la de la Pila B Existe riesgo de que la torre colapse en cualquier momento Para minimizar el riesgo, se recomienda una demolición de la Pila C

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Cimentación Durante la inspección en el sitio no se observaron señales que indicaran movimiento en la cimentación Todas las caras del dado B se encontraron dentro de 1° de la vertical

El interior del caisson B fue examinado posteriormente, y no se encontraron señales de daño o movimiento

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Cimentación Revisión de datos adicionales de monitoreo en el sitio Topografía (Gisaico) • Movimientos reportados después del colapso » 35-40 mm dirección norte » 15-21 mm dirección este » 44-48 mm dirección vertical

• Existe una incertidumbre de cómo estas mediciones fueron tomadas y calculadas • Falta de tendencia en los datos antes del colapso sugiere que no hay movimiento que

haya podido ser la causa del colapso

Topografía (RG Ingeniería) • Validac Validación ión de los resultados resultados del inclinómetro inclinómetro de la torre torre B • Se explican los errores errores que Gisaico tiene en sus puntos de referencia referencia

Inclinómetros • Datos obtenidos antes y después del colapso • Un movimiento movimiento máximo de 0.5 mm fue registrado registrado

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Cimentación Evaluación analítica De acuerdo con la Norma Colombiana de Diseño de Puentes, CCP 14 Estados limites de Resistencia y Evento Extremo Índices de capacidad capacidad a demanda: demanda: Valores mayores a uno uno son satisfactorios Condición de estabilidad

Resistencia I

Evento Extremo I

Deslizamiento

2.35

1.94

Volcamiento

1.30

1.03

Capacidad portante

2.02

3.30

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Cimentación Conclusiones: No se observaron señales de daño o movimiento apreciable en la cimentación Gisaico reportó movimientos de la cimentación de acuerdo con datos de topografía. topogra fía. Sin embargo, embargo, los inclinóme inclinómetros tros y la nueva nueva topografía topografía de RG RG Ingeniería no indican movimiento entre las mediciones tomadas antes y después del colapso Una revisión del diseño de los elementos de la cimentación indica que es adecuada para las cargas de diseño La cimentación es adecuada para ser reutilizada en la reconstrucción de un puente con cargas similares al original

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Ensayos de Materiales de la Estructura Colapsada Resultados

Ensayo a tensión del acero Elemento

Resistencia a compresión del concreto Elemento Brazo inferior norte Tabique Losa cabezal

* Plan de control ** ASTM A416

Espec. de Diseño

Resultados de ensayos

35 MPa 35 MPa 35 MPa

40.2 MPa 48. 6 MPa 47.4 MPa

Tabique Acero de refuerzo (#4) Losa cabezal Torones de postensado

Carrete de torones tomado de los talleres

Propiedad

Especificaciones de Diseño

Resultados de ensayos

Esfuerzo fluencia Esfuerzo máx. Alargamiento

420 MPa 550 Mpa* 14%*

490 MPa 645 MPa 15.3 %

Esfuerzo fluencia

1674 MPa*

1548 MPa

Esfuerzo max.

1890 MPa*

1915 MPa

Alargamiento

3.5%**

5.8%

Esfuerzo fluencia

1674 MPa*

1582 MPa

Esfuerzo max.

1890 MPa*

1888 MPa

Alargamiento

3.5%**

5.2%

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Resumen de conclusiones principales La causa del colapso del Puente Chirajara fue un error de diseño del tabique y la losa cabezal La torre de la Pila C está en un estado inicial de colapso. Se recomienda la demolición de de esta Pila Con la información disponible, no hay evidencia de daño de la cimentación durante el colapso, y puede ser reutilizada reutilizada en la reconstrucción del puente

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Preguntas?

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Secuencia probable de colapso 1. Agri Agrieeta tami mien ento to se sevver ero o del del tab tabiq ique ue 2. Pe Peque queños ños mov movimi imien entos tos pro produc ducido idoss con con el tiem tiempo po de los los braz brazos os de la torre en dirección opuesta 3. Ev Even entua tuall fract fractur uraa del ref refuer uerzzo trans transve vers rsal al superio superiorr en el tabi tabique que 4. Fa Falla lla rápi rápida da del del acero acero de de refue refuerz rzo o rest restant antee que cone conecta cta el el tabiqu tabiquee al brazo inferior sur, así como de los torones de post-tensionamiento en la losa cabezal 5. Des Despla plaza zamie mient nto o consider considerabl ablee de los bra brazzos sur haci haciaa el sur, sur, forman formando do articulaciones plásticas 6. Des Despla plaza zamie mient nto o verti vertical cal del del pilón pilón super superior ior haci haciaa el suel suelo o debido debido a la pérdida de soporte proporcionado por los braz brazos os sur 7. Co Cola laps pso o fin final al de lo loss ele eleme ment ntos os res resta tant ntes es

Investigación del Colapso del Puente Chirajara

Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Comparación con diseño 40

40

40

35

35

35

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30

30

25

25

25

20

20

20

Diseño

    )    m     (    e    u    q    i     b    a    t     l    e     d    a    r    u    t     l    A



 700



−



600 500 400 300

15

15

15

10

10

10

5

5

5

0 0 0 0 500 100-00.025 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 -500 Deformación normalizada del brazo inf. Fuerza distribuida (kN/m)

200 100 0 0

0.025 0.075 0.125 Deformación en acero

0.02

0.04

0.06

0.08

Curva esfuerzo (MPa) vs deformación (mm/mm) del refuerzo en el tabique

0.1

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Colapso de la Pila B Evaluación analítica: Comparación con diseño 40

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35     )    m     (    e    u    q    i     b    a    t     l    e     d    a    r    u    t     l    A

Diseño Análisis



 700



−

−



600 500 400 300

15

15

15

10

10

10

5

5

5

0 0 0 0 500 100-00.025 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 -500 Deformación normalizada del brazo inf. Fuerza distribuida (kN/m)

200 100 0 0

0.025 0.075 0.125 Deformación en acero

0.02

0.04

0.06

0.08

Curva esfuerzo (MPa) vs deformación (mm/mm) del refuerzo en el tabique

0.1

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Actividades adicionales de la investigación investigación Evaluación del diseño original Con la excepción del tabique, losa cabezal, y el bloque de transición, los demás componentes del puente que se evaluaron fueron adecuados para las cargas consideradas (muerta, viva, posibles asentamientos de la cimentación)

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Actividades adicionales de la investigación investigación Revisión documentación del control de calidad de la construcción

Losa cabezal

Tabique

Brazo Inferiores