PROTECCIÓN SÍSMICA DE LA INFRAESTRUCTURA EDUCATIVA: LA EXPERIENCIA PERUANA Alejandro Muñoz Muñoz1 , Marcial Blondet2 y Jesús Carpio 3
RESUMEN Este artículo presenta la experiencia peruana en la reducción del riesgo sísmico de las edificaciones educativas, por medio de una modificación importante de la norma de diseño sismorresistente y del desarrollo de planes de intervención técnicamente sencillos y de bajo costo. INTRODUCCIÓN En muchos países sísmicos resulta sumamente preocupante que muchas edificaciones educativas resulten seriamente dañadas o colapsen durante los terremotos (ver, por ejemplo, Alva et al. 1999, López et al. 2003, Malaver et al. 1993). Los colegios o escuelas educativas albergan gran cantidad de estudiantes, profesores y personal durante largo tiempo en el día, y es crucial garantizar que estas estructuras permanezcan en pie luego de un sismo severo para preservar la vida de sus ocupantes y para que el local sirva de refugio a los pobladores afectados por el sismo. En el Perú, y en muchos otros países, las edificaciones escolares son construidas alrededor de un patio central. Los edificios son de pocos pisos y presentan una planta alargada rectangular. Las estructuras están conformadas por pórticos de concreto armado relativamente flexibles en la dirección longitudinal. En la dirección transversal se construyen particiones de albañilería muy rígidas que separan las aulas. Las aulas tienen ventanas altas en los muros de un lado (que dan al exterior) y ventanas bajas en los muros del otro lado (que dan al patio central). Los alféizares de las ventanas son muros de mampostería. Esta configuración arquitectónica y estructural es sísmicamente patológica, pues provoca durante los sismos el comportamiento conocido como “columna corta” o “columna cautiva”, que conlleva daños severos en las columnas y puede puede ocasionar el colapso de la estructura. La Figura 1 muestra un colegio peruano fuertemente dañado por un sismo debido a la combinación perversa de pórticos flexibles con alféizares altos que estrangulan a las columnas.
Profesor Principal, Departamento de Ingeniería de la Pontificia Universidad Católica del Perú (PUCP),
[email protected] Profesor Principal, Departamento de Ingeniería de la PUCP,
[email protected] 3 Asistente de Investigación, Departamento de Ingeniería de la PUCP,
[email protected] PUCP,
[email protected] 1 2
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Figura 1. Colegio peruano típico con daños severos en las columnas cautivas Este artículo presenta la experiencia peruana en la reducción del riesgo sísmico de las nuevas edificaciones educativas de concreto reforzado y albañilería confinada, mediante una adecuada modificación en la reglamentación del diseño sismorresistente. Se describen además algunos resultados exitosos de reforzamiento y reparación de edificaciones educativas existentes en el Perú. LAS EDIFICACIONES EDUCATIVAS PERUANAS En el Perú existen cuatro tipos representativos de los edificios escolares: los locales de tierra (construidos con adobe o tapial), las Grandes Unidades Escolares (GUEs), y los edificios 780 de concreto armado y albañilería confinada, en sus versiones antigua (antes de 1997) y moderna (de 1997 en adelante). La Figura 2 muestra un esquema de las cuatro edificaciones típicas.
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o r u M
Edificio de adobe o tapial
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Planta de edificio 780 antiguo
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Planta de edificio Gran Unidad Escolar
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Planta de edificio 780 moderno
Figura 2. Esquemas estructurales de los edificios educativos típicos peruanos. Los edificios de adobe y tapial se encuentran generalmente en las zonas rurales. Son de planta rectangular, de un piso y con 2 ó 3 aulas. Sus dimensiones y calidad constructiva son muy variables. Los muros suelen ser ortogonales entre sí, de 40 o 50 cm de espesor. El techo es liviano e inclinado. Se estima que en el Perú hay alrededor de 20 mil colegios construidos con adobe o tapial, lo que implica que hay alrededor de 4 millones de niños y personal educativo que utilizan este tipo de infraestructura. Las Grandes Unidades Escolares fueron construidas en los años 50 y se encuentran por todo el país. Tienen dos o tres niveles, con aulas aproximadamente de 10 m de largo. Presentan tres ejes de columnas en el sentido longitudinal y varios muros de albañilería confinada en el sentido transversal. La losa de techo es un aligerado unidireccional de 20 cm de espesor. Debido a la alta densidad de muros y a su configuración robusta, estas edificaciones han sufrido daño moderado en sismos peruanos pasados. El edificio tipo 780 antiguo (en concreto-albañilería) tiene planta rectangular, uno a tres pisos, y dos o más aulas cuadradas de 7,80 x 7,80 m aproximadamente. En el sentido longitudinal tiene dos pórticos con columnas y vigas de pequeñas dimensiones y en el sentido transversal muros de albañilería confinada.
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Los edificios del tipo 780 modernos se construyen desde 1997 siguiendo la norma peruana sismorresistente que a partir de ese año incrementó significativamente los requerimientos de rigidez lateral. Arquitectónicamente son similares a los edificios 780 antiguos. En el sentido longitudinal tienen dos pórticos con columnas muy robustas y en el sentido transversal muros de albañilería confinada y pórticos de concreto armado. LA NORMA PERUANA DE DISEÑO SISMORRESISTENTE El año 1997 el código de diseño sísmico peruano tuvo una importante revisión (MTCVC 1997, Muñoz 1998). Aunque la demanda de fuerzas de diseño sísmico era muy similar al código previo de 1977 la demanda de rigidez fue significativamente incrementada mediante modificaciones drásticas de los procedimientos para estimar los desplazamientos de respuesta además de una reducción del máximo desplazamiento de entrepiso admisible de 1% a 0.7%. Adicionalmente al incremento de rigidez lateral, el factor de importancia para edificios escolares fue incrementado de 1,3 a 1,5 convirtiéndose así los colegios en edificaciones esenciales, al igual que los hospitales y las centrales de bomberos. Como resultado de los cambios en la norma peruana de diseño sismorresistente la rigidez de las edificaciones escolares se debió incrementar en 5 veces, a pesar de que las fuerzas de diseño sólo se incrementaron en 15%. Las curvas de fragilidad de la Figura 3 pronostican que, para un sismo de la misma intensidad, los colegios 780 modernos tendrían daños mucho menores que los 780 antiguos.
Figura 3. Curvas de fragilidad de los colegios 780 antiguo y moderno
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La Norma actual de diseño sismorresistente para construcción de edificaciones (MVC 2006) no difiere sustancialmente de lo propuesto el año 1997. DESEMPEÑO SÍSMICO DE EDIFICIOS EDUCATIVOS PERUANOS El primer reporte técnico de daños en edificios peruanos se elaboró para comentar los efectos del terremoto de Lima de 1940 (Valencia 1979). Desde entonces en todos los sismos importantes (1966, 1970, 1974, 1996, 2001 y 2007) se han reportado daños en las edificaciones escolares (Lee et al 1967; Silgado 1968, EERI 1970, EERI 74, Zegarra y Repetto 1974, Muñoz et al 1997). Las observaciones de campo indican que las edificaciones de tierra son altamente vulnerables: sufren severos daños bajo intensidades moderadas y bajo intensidades mayores colapsan tan súbitamente que no permiten la evacuación de sus ocupantes. Los edificios de concreto-albañilería que sufren mayor daño son los del tipo 780 antiguo, seguidos por los del tipo Gran Unidad Escolar. El daño se produce por acciones sísmicas en la dirección longitudinal de pórticos. La falla más común se debe al efecto de columnas cautivas. La Figura 4 muestra diferentes niveles de daño para columnas cautivas. En la dirección transversal, conformada por muros de albañilería confinada, las fallas son poco frecuentes o nulas. Sin embargo, se han reportado algunos casos particulares de cizalla horizontal y tracción diagonal.
Figura 4. Columnas cautivas con diferentes niveles de daño. Existen edificios antiguos prácticamente sin daño luego de sismos importantes, gracias a los muros adosados a las columnas en las fachadas longitudinales (Figura 5) o al relleno completo de una de sus fachadas por estar en el límite de propiedad (Figura 6).
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Figura 5. Edificio de un colegio con muros adosados al sistema estructural. Sin daño estructural luego del sismo de Pisco del 2007
Figura 6. Colegio con fachada posterior cerrada por un muro de albañilería, Sin daño luego del sismo de Arequipa del 2001 El buen comportamiento observado de estos edificios, solo se explica por la presencia de los muros de mampostería añadidos al sistema estructural. Estos muros incrementan la rigidez y la resistencia lateral del edificio y al reducir los desplazamientos laterales, decrecen las demandas de fuerza y ductilidad sobre la estructura de vigas y columnas. La Figura 7 muestra un edificio educativo en Pisco, zona epicentral del terremoto del 2007 (Mw = 8). En la dirección longitudinal el sistema sismorresistente está formado por columnas con muros adosados y por muros de albañilería sin ningún refuerzo a los que irónicamente se les ha pintado una columna central. A pesar de la precariedad del sistema estructural, el edificio no colapsó ni perdió verticalidad aunque sí quedó seriamente dañado.
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Figura 7. Edificio con pequeños muros longitudinales sin confinamiento como sistema sismorresistente luego del sismo de Pisco del 2007. Las observaciones de campo muestran que los tabiques de relleno adecuadamente dispuestos mejoran sustancialmente el comportamiento sísmico de las edificaciones, reduciendo significativamente el daño y previniendo el colapso (Muñoz y Tinman 2001, Blanco 2005,). ESTUDIO DE DESEMPEÑO SÍSMICO DE LOS EDIFICIOS TIPO 780 Se estudió el desempeño sismorresistente de dos edificios 780, uno antiguo y el otro moderno. Las Figuras 8 y 9 muestran las fachadas de los colegios estudiados. Puede notarse con claridad la mayor dimensión de las columnas del colegio moderno, requerida por el nuevo código sísmico peruano. Se utilizó el marco general de referencia propuesto por la Asociación de Ingenieros Estructurales de California (SEAOC 1999). Se consideraron tres niveles de peligro sísmico, representados por terremotos con períodos de retorno de 75, 475, y 1000 años, referidos como sismos ocasionales, raros y muy raros respectivamente. Para el tipificar el desempeño se usaron los niveles Completamente Operativo, Operativo, Resguardo de la vida, Cercano al colapso y Colapso. Para estimar la respuesta estructural se emplearon procedimientos espectrales demanda – capacidad sugeridos por el ATC (ATC-40 1996). La Figura 10 muestra las curvas de capacidad de ambos edificios con los puntos correspondientes a la formación de la primera rotula (d1, V1), a la fluencia efectiva (dy, Vy) y al colapso (dm, Vm).
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Figura 8. Centro educativo tipo 780 antiguo.
Figura 9. Centro educativo tipo 780 moderno.
Edificio 780 Moderno
Edificio 780 antiguo
Figura 10. Curvas de Capacidad para los edificios 780 moderno y antiguo. 8/20
La Figura 10 muestra que en el caso del edificio 780 moderno la fuerza máxima resistente Vm es 2 veces mayor que la fuerza lateral V1 asociada a la primera rótula y 1.5 veces mayor que la resistencia de fluencia efectiva Vy. Se observa además que la resistencia del edificio 780 moderno es más del doble que la resistencia del edificio 780 antiguo, tanto en relación a la formación de la primera rótula como a la fluencia y el colapso. Se observa además que aunque ambos edificios alcanzan un desplazamiento máximo similar, el edificio moderno podría desarrollar una ductilidad de desplazamientos (dm/dy) cercana a 15 mientras que el edificio tradicional solo alcanzaría una ductilidad de desplazamiento de 6. La Figura 11 presenta la respuesta estructural a los tres niveles de peligro, por medio de los puntos de demanda. El edificio 780 moderno (izquierda) en un sismo ocasional tendría un comportamiento casi elástico y en sismos raros y muy raros consumiría respectivamente el 8% y el 40% de su ductilidad. En contraste el edificio 780 antiguo (derecha) en un sismo ocasional consumiría aproximadamente el 45% de su desplazamiento inelástico y en un sismo raro o muy raro agotaría su ductilidad y sobrevendría el colapso. 350
350 ∆p=15cm
300
300
cm
250
250 Sismo muy raro
) n 200 T ( e s a b 150 a l n e 100 e t n a t r o 50 C V
∆p=13
) n T ( e s a b a l
Sismo raro Sismo ocasional
Operativo Completamente Operativo
Resguardo de la Vida
Cerca al Colapso
n e e t n a t r o C V
Colapso
200 150 100
Operativo 50
Completamente Operativo
0
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
0
2
4
6
Resguardo de la Vida
8
10
Cerca al Colapso Colapso
12
14
1
Desplazamiento en la azotea (cm)
Desplazamiento en la az otea (cm)
Figura 11. Puntos de demanda para el edificio 780 Moderno y 780 Antiguo. Los resultados de este estudio teórico también indican que en un sismo ocasional los edificios 780 modernos excederían ligeramente el rango completamente operativo, en un sismo raro estarían en un nivel operativo y en un sismo muy raro quedarían en un nivel de resguardo de la vida. Para los edificios 780 antiguos, teóricamente se espera que en un sismo ocasional alcancen un estado de resguardo de la vida y colapsen en un sismo raro. La Tabla 1 resume los resultados del estudio de desempeño desarrollado.
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Tabla 1. Desempeño de edificios escolares 780 moderno y 780 antiguo Desempeño de Edificio ‘780’ Moderno Completamente Operativo
Operativo
Sismo Ocasional
☺
Sismo raro
☺
Sismo muy raro
Resguardo de la Vida
Desempeño de Edificio ‘780’ Antiguo Completamente Operativo
Operativo
Resguardo de la Vida
☺
Aunque los estudios de desempeño indican que los colegios 780 antiguos deberían colapsar ante sismos raros, las observaciones de campo muestran sólo algunos casos de colapso parcial y sin daño severo o extendido. Para los colegios 780 modernos los daños leves esperados según el estudio de desempeño no se han reportado en los últimos sismos. REDUCCIÓN DE LA VULNERABILIDAD DE EDIFICIOS EDUCATIVOS Las observaciones de campo y los estudios teóricos indican que las edificaciones modernas que se construyen desde 1997 tienen un buen comportamiento durante los sismos (Blondet et al. 2005, Muñoz et al. 2001, 2003, 2004 y 2007). Sin embargo, el número de estas edificaciones es solamente el 5% del total de edificios escolares existentes. Por tanto, para reducir la vulnerabilidad de las edificaciones escolares en el Perú es necesario desarrollar un plan nacional con objetivos de protección que se puedan definir de acuerdo a las posibilidades técnicas y económicas de cada comunidad. A continuación se presenta una propuesta para guiar el trabajo de reforzamiento de los centros educativos existentes. Se definen tres grupos de objetivos de protección: de urgencia, G-U; limitados, G-L y mejorados, G-M. Para cada uno de ellos se presentan técnicas de intervención de costos diferentes. Se consideran tres niveles de peligro y tres niveles de desempeño. Los tres niveles de peligro corresponden a terremotos con periodos de retorno de 75, 100 y 475 años. Los tres niveles de desempeño considerados son: Operativo, Resguardo de la vida y Cerca al colapso. Cada grupo de objetivos se define por el comportamiento deseado en cada nivel de peligro. La Tabla 2 muestra los detalles de cada objetivo asociado a un nivel de peligro sísmico.
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Tabla 2. Objetivos de reforzamiento para edificaciones educativas peruanas. o v i t a r e p O e d o o c s r i e i g l m e l s e í v P i S N
o a d r d i a v u a g s l e e R d
l o a s a p c a r l e o C c
G-L G-U G-M G-M G-M
Sismos Frecuentes Sismos Ocasionales Sismos Raros
G-U
El grupo G-U corresponde a objetivos de urgencia y resulta apropiado para edificios de alta vulnerabilidad, para los cuales se pretende sólo evitar el colapso súbito y no es aconsejable destinar recursos importantes en su rehabilitación completa. El grupo G-L reúne objetivos limitados de reforzamiento, que pueden lograrse con costos relativamente bajos. Finalmente, el grupo G-M se relaciona con objetivos de reforzamientos mejorados que corresponden a intervenciones más importantes y de costos mayores. Las edificaciones escolares de tierra son altamente vulnerables y a costos razonables no es posible dotarlas de un buen desempeño sismorresistente. El reforzamiento de estas edificaciones se orienta sólo a evitar el colapso súbito, permitiendo un mayor tiempo de evacuación de los maestros y estudiantes. Las técnicas presentadas para las construcciones de tierra corresponden siempre al grupo de objetivos G-U. Para las edificaciones de concreto-albañilería se presentan diferentes técnicas asociadas a los grupos de objetivos G-L y G-M. En estos casos, la reducción de la vulnerabilidad de los edificios educativos se orienta a reforzar la dirección longitudinal de las edificaciones, originalmente conformada por pórticos flexibles de concreto armado. En general no es necesario reforzar la dirección transversal debido a la buena densidad de muros existentes de albañilería confinada. A continuación se describe cada técnica de propuesta para la reducción de la vulnerabilidad de los edificios educativos construidos antes de 1997.
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Grupo de objetivos de protección de Urgencia: G-U Colocación de viga collar de madera
Esta técnica de reforzamiento ha sido desarrollada por el ingeniero Julio Kuroiwa (Kuroiwa, 2002) y contempla la colocación de una viga de madera en la parte superior de los muros a manera de “collar”. La Figura 12 muestra el esquema de intervención.
Figura 12. Esquema del reforzamiento de edificaciones de adobe usando vigas soleras de madera en su perímetro. Colocación de malla de acero
Esta técnica de reforzamiento fue desarrollada para edificaciones de tierra en el marco del convenio de la Agencia de Cooperación Técnica Alemana (GTZ), el Centro Regional de Sismología para América del Sur (CERESIS) y la Universidad Católica (PUCP) entre los años de 1994 y 1997 (GTZ – CERESIS –PUCP, 1997). La técnica consiste en colocar franjas de malla electro soldada sobre ambas caras de los muros conectándolas con alambres y cubriéndolas con mortero de cemento-arena. La malla se coloca horizontal y verticalmente simulando vigas y columnas. La Figura 13 muestra un esquema de esta intervención.
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Figura 13. Esquema del reforzamiento de edificaciones de adobe colocando malla de acero. Colocación de malla de polímero
Un reciente proyecto de investigación para reforzamiento de construcciones existentes ha sido desarrollado en la PUCP (Blondet et. al, 2006). La técnica de reforzamiento consiste en la colocación de bandas de malla de polímero a ambos lados de los muros conectadas por tiras plásticas que los atraviesan. La Figura 14 muestra un esquema de esta intervención.
Figura 13. Reforzamiento de edificaciones de adobe con malla de polímero. Grupo de objetivos de protección Limitada: G-L Cierre de paños con muros de albañilería en edificaciones de dos pisos
Consiste en el cerramiento de algunos vanos en las fachadas longitudinales del edificio con muros de albañilería. Al cerrar los vanos algunas ventanas desaparecen, los ambientes se oscurecen lo que ocasiona que en algunos casos la ubicación de las pizarras y la orientación de las aulas cambien. 13/20
Los muros de cerramiento son de ladrillo de 25 cm de espesor y se enmarcan con columnetas y vigas de concreto armado. Para evitar la volcadura del nuevo muro las columnetas se unen a la columna existente con pasadores (Muñoz et al 2007). La Figura 14 muestra un esquema en planta de este tipo de intervención.
Figura 14. Planta típica de un edificio de un piso reforzado cerrando paños. Colocación de aletas de concreto armado
Esta técnica es útil para edificaciones de hasta dos niveles y consiste en añadir aletas de concreto a las columnas de las fachadas longitudinales del edificio (Muñoz et al 2007). La Figura 15 muestra un esquema en planta de este tipo de intervención.
Figura 15. Planta típica de un edificio de dos pisos reforzado adicionando aletas a las columnas existentes. Relleno parcial de paños con muros de albañilería
Esta técnica es útil para edificaciones de hasta dos niveles y consiste en colocar muretes de albañilería junto a las columnas de las fachadas longitudinales del edificio. Los muretes son de ladrillo y están confinados con columnetas que se anclan a las vigas con pasadores para evitar la volcadura del nuevo muro (Muñoz et al 2007). La Figura 16 muestra un esquema de este tipo de intervención.
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Figura 16. Detalle de la colocación de los muretes de albañilería. Grupo de objetivos de protección Mejorada: G-M Incorporación de muros acoplados
Esta técnica de reforzamiento consiste en incorporar muros y vigas de concreto armado en las fachadas longitudinales de la estructura. Esta intervención estructural no cambia la distribución arquitectónica original, los ingresos a las aulas y la ubicación de pizarras se mantienen (Muñoz et al 2007). La Figura 17 muestra un esquema en planta de este tipo de intervención.
Figura 17. Planta típica de un edificio reforzado con 4 muros y vigas de acoplamiento. Intervención general de columnas
Se puede emplear cuando las vigas longitudinales del edificio son robustas en dimensiones y armadura. El incremento de resistencia y rigidez lateral de la estructura se logra aprovechando las vigas existentes y robusteciendo las columnas en la dirección longitudinal. La técnica considera el enchaquetado de las columnas que soportan las vigas transversales y la construcción de nuevas columnas en lugar de las columnas de confinamiento de los muros de albañilería. En ambos casos, la
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sección de los nuevos elementos es en forma de “T” (Muñoz et al 2007). La Figura 18 muestra un esquema en planta de este tipo de intervención.
Figura 18. Planta típica de un edificio reforzado interviniendo todas las columnas. Inclusión de Pórtico Sísmico Complementario e intervención de columnas
Se usa para edificaciones con un corredor longitudinal en voladizo en el borde del cual se construye un pórtico de concreto armado (Pórtico Sísmico Complementario PSC). Se deben enchaquetar las columnas del eje longitudinal posterior para incrementar su sección transversal y construir nuevas columnas en lugar de las columnas de confinamiento de los muros de albañilería (Muñoz et al 2007). La Figura 19 muestra un esquema en planta de este tipo de intervención.
Figura 19. Planta de un edificio reforzado con un PSC e intervención de columnas. Cierre de Paños con Muros de Albañilería en Edificaciones de un Piso
Esta técnica consiste en el cierre de algunos vanos de las fachadas longitudinales del edificio con muros de albañilería (Muñoz et al 2007). La Figura 20 muestra un esquema en planta de este tipo de intervención.
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Figura 20. Planta típica de un edificio de un piso reforzado La técnica de bajo costo más económica y sencilla consiste en rellenar algunos paños del edificio con muros de albañilería. A pesar que no existe un sustento numérico completo para esta alternativa, la experiencia de campo la justifica plenamente. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES •
El cambio en la norma peruana de diseño sismorresistente de 1997 incrementó severamente los requisitos de rigidez para las edificaciones en general. Este cambio, junto a un ligero incremento en la resistencia requerida, ha hecho posible que los colegios que se construyen en el Perú desde 1997 tengan un excelente desempeño sismorresistente.
•
Es posible mejorar la seguridad las edificaciones educativas mediante técnicas de refuerzo diseñadas para ofrecer diversos niveles de protección sísmica, de acuerdo con las posibilidades económicas disponibles en cada comunidad.
•
La mayoría de los edificios escolares en el Perú se han construido antes de 1997 y son altamente vulnerables. Por tanto, es necesario desarrollar un plan nacional de reforzamiento de los edificios escolares que aunque con objetivos menos ambiciosos, sea factible de materializarse por sus costos razonables y técnicas de fácil ejecución.
•
Es necesario ampliar los estudios de vulnerabilidad reforzamiento en los colegios de adobe y tapial.
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y técnicas de
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