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XIV CONGRESO NACIONAL DE INGENIERIA CIVIL - IQUITOS 2003 Capítulo de Ingeniería Civil del Consejo Departamental de Loreto del Colegio de Ingenieros del Perú

EXPERIENCIAS RECIENTES DE EVALUACION ESTRUCTURAL DE EDIFICACIONES HISTORICAS

Carlos Zavala Toledo (1) Luis Vásquez Chicata (1)

Rafael Salinas Basualdo (2) Ricardo Proaño Tataje (3)

Guillermo Huaco Cárdenas (4) (1) Investigador, CISMID-FIC-UNI. Profesor Asociado, Facultad de Ingeniería Civil, Universidad

Nacional de Ingeniería. (2) Jefe del Laboratorio de Estructuras, CISMID-FIC-UNI. Profesor Auxiliar, Facultad de

Ingeniería Civil, Universidad Nacional de Ingeniería. (3) Jefe del Centro de Cómputo, CISMID-FIC-UNI. (4)Asistente de Investigación, CISMID-FIC-UNI. Jefe de Prácticas, Facultad de Ingeniería Civil,

Universidad Nacional de Ingeniería.

RESUMEN

Las edificaciones históricas representan un reto muy particular para la ingeniería actual. Mientras

que para las edificaciones modernas, el proceso de evaluación y posterior reforzamiento cuenta con

procedimientos tecnológicos comprobados analítica y experimentalmente, aunque no en todos los

casos, en las edificaciones históricas buena parte de estos procesos se encuentran todavía en una

fase de exploración o de empirismo. En muchos casos, la condición de patrimonio monumental de

estos edificios limita la intervención ingenieril con los métodos comunes a los edificios modernos.

Actualmente, la posibilidad de plantear métodos modernos de intervención estructural debe tomar

en cuenta la necesidad de un control posterior del desempeño estructural, la compatibilidad entre los

materiales existentes y los nuevos, así como la reversibilidad de la intervención, es decir, debe

considerarse el posible cambio de la intervención por otra mejor, de acuerdo al avance tecnológico

y del conocimiento.

El CISMID de la Facultad de Ingeniería Civil de la Universidad Nacional de Ingeniería ha venido

desarrollando una serie de estudios destinados a evaluar el comportamiento sismorresistente de

edificaciones históricas de diferente índole, tales como la Catedral del Cusco, la sede del Tribunal

Constitucional (antigua Casa de Pilatos), el Palacio Legislativo y la sede central del Ex Banco

Popular, en Lima. Cada una de estas evaluaciones tuvo las singularidades propias de la diversidad

de materiales utilizados en la construcción, desde bloques de piedra, adobe, albañilería no Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]

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confinada, concreto ciclópeo, quincha y pórticos de acero. Se presentan algunas peculiaridades de

los aspectos a tener en cuenta cuando se trata de evaluar estas estructuras, así como un resumen de

las últimas experiencias desarrolladas en este campo, considerando las diferentes etapas que

comprende la evaluación estructural con las peculiaridades de las edificaciones históricas. Las

herramientas analíticas disponibles deben ser tomadas con sumo cuidado, debido a las diferencias

entre las hipótesis de análisis estructural de los programas comunes y la condición de continuidad o

monolitismo de las edificaciones reales, así como en el comportamiento de algunos de los

materiales componentes de la edificación.

1. INTRODUCCION

Las edificaciones históricas representan un reto muy particular para la ingeniería actual. Mientras

que para las edificaciones modernas, el proceso de evaluación y posterior reforzamiento cuenta con

procedimientos tecnológicos comprobados analítica y experimentalmente, aunque no en todos los

casos, en las edificaciones históricas buena parte de estos procesos se encuentran todavía en una

fase de exploración o de empirismo. En muchos casos, la condición de patrimonio monumental de

estos edificios limita la intervención ingenieril con los métodos comunes a los edificios modernos.

Al respecto, la Carta de Venecia, signada el año 1964 y complementada por diversos documentos,

como la Carta de Cracovia del año 2000, estableció los principios y objetivos básicos de las labores

de reforzamiento de las edificaciones históricas, en el sentido de fomentar la consolidación de estos

bienes con técnicas tradicionales o modernas, garantizadas por la experiencia. Actualmente, la

posibilidad de plantear métodos modernos de intervención estructural debe tomar en cuenta la

necesidad de un control posterior del desempeño estructural, la compatibilidad entre los materiales

existentes y los nuevos, así como la reversibilidad de la intervención.

Una ciudad con un patrimonio histórico valioso se enfrenta al reto de la conservación de ese

patrimonio. En ciudades con un peligro sísmico elevado, este reto resulta mayor. En terremotos

como los del Cusco (1959), Arequipa (1962, 1979, 2001), Chimbote (1970), las consecuencias para

los centros históricos han sido graves. Una de las lecciones poco aprendidas de los sismos pasados

fue la de reconocer que hay edificios antiguos con valor histórico que podían tener daños o colapso,

por lo cual debían ser intervenidos estructuralmente, para hacerlas más resistentes o menos

deformables frente al movimiento del suelo, es decir, hacerlas más seguras. Esta necesidad urbana

ha traído como consecuencia, en ciertos casos, un problema de orden social: el de afrontar los

costos económicos de las intervenciones. No todos los propietarios han estado dispuestos a asumir Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]

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los costos, por razones económicas o por preferencias hacia las construcciones modernas en el

terreno de la edificación antigua. Es posible que los altos costos que implica una intervención

estructural en una edificación histórica se deban a que tales intervenciones generalmente se han

hecho en base a la experiencia y no a métodos ingenieriles como los empleados en las obras

modernas. En los últimos años hay una tendencia general a dar un tratamiento analítico a este

problema, que presenta tantas variantes como sistemas constructivos y materiales se tienen en estas

edificaciones.

2. PECULIARIDADES DE LAS EDIFICACIONES HISTORICAS PARA LA

EVALUACIÓN ESTRUCTURAL

Los monumentos históricos tienen una serie de características que los hacen muy particulares tanto

para el análisis como para los criterios de evaluación de su vulnerabilidad.

Un aspecto importante a tomar en cuenta es la falta de información sobre las construcciones

existentes. En algunos casos existen planos de arquitectura, o de replanteo. En general, los planos

estructurales no existen. Tanto el replanteo geométrico como estructural se hace necesario, para la

llevar a cabo la evaluación de las edificaciones. También hay que hacer notar la poca información

acerca del comportamiento de las edificaciones en eventos sísmicos, asimismo sobre los daños

causados por estos eventos. Posibles evidencias de daños causados por estos eventos habrían sido

cubiertas por reforzamientos estructurales o por simples pintados o tarrajeos que por lo general no

son reportados.

También hay que mencionar los materiales de construcción. En general los materiales de

construcción indican de alguna forma el periodo de construcción así como la localidad donde se

ubica la edificación. Se puede encontrar una gran variedad de materiales estructurales en una sola

edificación, no solo en construcciones de la misma época, sino también en modificaciones

posteriores a la edificación inicial. El conocimiento de las propiedades mecánicas de los materiales,

tales como relaciones esfuerzo-deformación, flujo plástico, rango de esfuerzos admisibles, etc, es

escaso. Las labores de auscultación para la extracción de muestras son importantes para una

asignación adecuada de las propiedades mecánicas de estos.

Los usos de las estructuras van cambiando de acuerdo a las necesidades de los ocupantes. En

algunos casos se les da un uso mayor al de su capacidad original. En general, existe la tendencia de Gerencia XIV CONIC: ICG Instituto de la Construcción y Gerencia Calle Nueve 1056 Urb. Corpac San Isidro, LIMA – PERU / (51 – 1) 225-9066 / www.construccion.org.pe / [email protected]

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usar las azoteas o últimos niveles como lugares de almacenaje. De igual forma, adiciones

posteriores como equipos de aire acondicionado, motores no son colocados con una estructura

adecuada que garantice su estabilidad.

Un aspecto importante son las conexiones de los elementos estructurales en especial cuando se trata

de distintos materiales. Se pueden encontrar columnas de acero apoyadas sobre muros de

albañilería, vigas de acero apoyados en columnas de mampostería, entramados de madera apoyadas

sobre muros sin viga collar.

En cuanto a la cimentación, se puede encontrar algunas veces que están apoyadas sobre estructuras

de construcciones anteriores, con sótanos de muros gruesos de piedra u otro material, con sistemas

de alcantarillado, así como posible existencia de catacumbas.

El análisis y en general el modelamiento juega un rol importante en la evaluación de estas

edificaciones. Algunas particularidades y sobretodo la complejidad de algunas conexiones y

propiedades de los materiales conllevan a una dificultad en el modelamiento de las estructuras. Por

ejemplo: definición de conexiones rígidas o semirígidas, excentricidad de las conexiones,

conexiones entre elementos de distinto material, elementos con materiales con baja o nula

capacidad a la tracción, y condiciones de apoyo como el grado de empotramiento.

En cuanto a la interpretación de los resultados, es importante el conocimiento de los rangos de

deformabilidad en función a los daños posibles en los conjuntos estructurales así como del

comportamiento estructural de toda la edificación.

Un aspecto importante se refiere a los procedimientos de reforzamiento en caso de ser necesario. La

condición de patrimonio histórico reduce las alternativas, limitando la intervención ingenieril

sobretodo en los elementos que se consideran con un mayor valor cultural o histórico. Estas

limitaciones a su vez representan un reto a la ingeniería que implica la exploración de otras

opciones que permitan reducir la vulnerabilidad de las edificaciones históricas.

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3. PALACIO LEGISLATIVO DEL CONGRESO DE LA REPUBLICA

El Congreso de la República posee un conjunto de edificaciones construidas en las primeras

décadas del siglo XX, las cuales, al no haber

sido objeto de un diseño sismorresistente,

requirieron una evaluación de su vulnerabilidad

frente a los sismos de gran magnitud que se

espera ocurran en Lima y que se encuentran

definidas en la normatividad actualmente

vigente. Una de las edificaciones evaluadas fue

el actual Palacio Legislativo.

La construcción del Palacio Legislativo empezó e

arqu

etap

Saló

cons

Barr

del

Dura

mod

Legi

llega

sistemas de techo proporcionan una acción de diaf

hemiciclos se encuentra el área central conocida c

los Pasos Perdidos, que cuenta con una cubierta en

reforzada.

Como parte de los trabajos comprendidos dentro

estructural, se realizaron una serie de inspec

destinadas a realizar un levantamiento del esta

edificación, con fines de evaluación de la vulner

estructural y funcional del edificio. Las vibracion

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Figura 1. Fachada del Palacio Legislativo.

n 1904, en base a los planos diseñados por el

itecto francés Emilio Robert. En esta primera

a fueron concluidos, además del Hemiciclo, el

n de los Pasos Perdidos y la fachada. La

trucción de la actual Sala Raúl Porras

enechea (ex Senado) se inició en 1919, a cargo

Ingeniero Ricardo de Jaxa Malachowski.

nte esta etapa, que concluyó en 1938, se

ificaron los diseños originales. El Palacio

slativo tiene muros principales bastante gruesos,

ndo algunos a tener 1 metro de espesor. Los
Figura 2. Construcción de Fachada
(Foto, El Comercio).

ragma. Entre los

omo el Salón de

forma de bóveda

de la evaluación

ciones técnicas,

do actual de la

abilidad sísmica

es ambientales o

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Figura 3. Trabajos de Inspección Estructural.

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microtrepidaciones de la edificación fueron medidas con el objeto de determinar las características

dinámicas reales del edificio. Asimismo, se desarrolló un programa de extracción de muestras de

materiales para la determinación de sus propiedades mecánicas. En este estudio se preparó un

modelo matemático de la edificación empleando elementos de barras y elementos finitos,

considerando de esta forma los elementos estructurales, así como los principales elementos no

estructurales que incrementan la rigidez lateral del sistema estructural o pueden tener un

comportamiento local de interés para la seguridad de la estructura, como son las coberturas de techo

de los Hemiciclos. La mayor parte de los elementos finitos empleados son tipo cáscara, con

acciones de membrana y de flexión.

Figura 4. Modelo para el Análisis Sísmico Lineal.

Para el análisis sísmico lineal, se desarrolló el modelo tridimensional con elementos finitos, el cual

permitió observar la distribución de esfuerzos normales, de corte, etc. en los muros principales y los

desplazamientos laterales de la estructura. El modelo tuvo 26890 nudos, con 1153 elementos de

barra y 28178 elementos de cáscara. Además, se desarrolló un modelo para el análisis sísmico no-

lineal, usando un modelo unidimensional de cortante con masas concentradas a cada nivel de piso,

para estudiar el comportamiento general de la estructura en el rango inelástico. Los resultados

fueron consistentes con el comportamiento relativamente aceptable que ha tenido la edificación

frente a los sismos moderados o leves a que ha estado expuesta desde que empezó a ser utilizada.

En general, no existe información relativa a daños ocurridos en los últimos eventos sísmicos de

regular magnitud.


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Figura 5. Esfuerzos de Corte. Sismo de Diseño.

4. EDIFICIO DEL EX-BANCO POPULAR DEL PERU

El edificio fue construido en 1905 y empezó sus funciones como la oficina principal del Banco

Popular y Londres. La obra fue diseñada por el

arquitecto Julio Lattini. Tiene un valor patrimonial

declarado oficialmente mediante R.J.159 – 90 – INC/J

del 22 de marzo de 1990. Aunque uno de los

principios de la intervención estructural de los

edificios históricos es el de no cambiar los materiales,

de acuerdo a las prospecciones efectuadas y los planos

de unas ampliaciones realizadas en el edificio, ha sido

modificado con la inclusión de muros de albañilería,

así como la inclusión de elementos de concreto armado y

objetivos puramente utilitarios ligados a las funciones del ant

La construcción está compuesta estructuralmente por un sis

vigas metálicas recubiertas con una capa de mortero con m

cubiertos por muros de albañilería. Presenta muros exteriores

forma de arcos; hasta de 0.70 m de espesor y están formados

de arcilla cocida, trenzadas en cada hilada para dar estab

consiste en un entablado de madera apoyado sobre viguetas

cuando las distancias entre columnas son grandes, sobre v

vigas metálicas principales, que transfieren su carga a las col

en el último piso

de soporte a un v

Figura 7. Modelo de Análisis Estructural

Desde el punto

áreas intangible

valor patrimoni

transcurso de lo

han logrado man

calidad dentro

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Figura 6. Fachada del Edificio.

la adición de pórticos de acero, con

iguo banco.

tema mixto aporticado de columnas y

alla de alambre, con algunos vanos

de albañilería con ventanas grandes en

por bloques de albañilería con huecos,

ilidad a los muros. El techo original

de madera y éstas a su vez se apoyan,

igas metálicas intermedias soldadas a

umnas o los muros. El edificio cuenta

con una estructura metálica que sirve

itral amplio.

de vista arquitectónico, se consideran

s aquellas que contengan el mayor

al del edificio, aquellas que con el

s años y las modificaciones realizadas

tener espacialmente su originalidad y

del edificio, de manera que se

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consideraron como tales las fachadas y los ambientes colindantes a ellas, los espacios adyacentes al

Hall Principal, patios interiores, hall de circulación y ascensores, que se reconocen además por su

estructura de muros de mampostería.

El comportamiento dinámico de las estructuras se determinó mediante el modelo de la edificación

empleando elementos tales como vigas, columnas y muros. Se ha usado el programa SAP2000 para

llevar a cabo el análisis de la estructura. En la figura 6 se presenta el modelo matemático de la

estructura analizada. La estructura ha sido modelada con 3,845 elementos de barra y 19653

elementos de cáscara, teniendo un total de 20,561 nudos. El número de grados de libertad del

modelo matemático es de 120,090. Los resultados revelaron el comportamiento flexible que se

esperaba que tuvieran algunas zonas de la edificación frente al sismo de diseño, principalmente en

los elementos de acero y las columnas esbeltas, aunque se carece de información sobre los daños

que sismos pasados ocasionaron en el edificio.

Figura 8. Primer Modo de Vibración Figura 9. Segundo Modo de Vibración


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5. CATEDRAL DEL CUSCO

La Catedral del Cusco se encuentra ubicada en la Plaza de Armas de la Ciudad del Cusco. Como

antecedentes históricos podemos mencionar

que la Catedral se ubicó en un buhío o galpón

incaico perteneciente al antiguo

Quishuarcancha o Palacio del Inca Wiracocha.

El 11 de marzo de 1560, se colocó la piedra

angular de la actual Basílica Catedral dando

con esto el inicio a la construcción de los

cimientos de la Catedral, desde el inicio de la

construcción hasta nuestros días, la Catedral

ha sufrido sismos importantes que han

provocado inclusive colapso parcial de sus

estructuras. El sismo del 31 de marzo de 1650

Catedral, en pleno proceso constructivo, resist

desplomándose 17 arcos aún sin bóvedas y una b

de estos daños, la Catedral fue uno de los pocos e

desarrollada por Fr. Juan Alonso de Ocón permitió

julio de 1654 la culminación de la Catedral. Un

produjo daños considerables en las torres, fachad

sismo, ocurrido el 5 de abril de 1986, volvió

campanario de la torre de la Epístola fue interven

presupuesto impidió continuar los trabajos en la

1991 agravó los daños existentes en el campanari


Figura 10. Vista panorámica de la Catedral del

Cusco.

prácticamente destruyó la ciudad del Cusco. La

ió en pie, pero sufrió daños en su estructura,

óveda de crucería detrás del altar mayor. A pesar

dificios que resistió. Finalmente, la intensa labor

dar el impulso final a los trabajos, lográndose en

fuerte sismo ocurrido el 21 de mayo de 1950

a principal y bóvedas de la Catedral. Un nuevo

a comprometer las bóvedas y campanarios. El

ido entre 1987 y 1989. Sin embargo, la falta de

otra torre. Finalmente, el sismo del 9 de julio de

o del Evangelio. Debido a la situación crítica del

campanario quedaron definitivamente en silencio

sus campanas en prevención de aumentar con su

vibración los daños existentes.

El actual conjunto de la Catedral del Cusco esta

constituido por tres iglesias: la Basílica

Figura 11. Planta principal de la Catedral

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Catedral propiamente dicha y las iglesias del Triunfo (Templo) y de la Sagrada Familia, ubicadas a

ambos lados de la Catedral. La Basílica Catedral es una construcción de clara inspiración española.

Su planta se inscribe en un rectángulo (86 x 46 m). En el crucero se abren dos grandes puertas que

comunican con las iglesias laterales. El peso del techo de la catedral esta soportado por muros y

pilares. Estos elementos son básicamente de material compuesto, piedra labrada en el perímetro

exterior y en el interior es de piedra sin labrar embebida en un conglomerado. Los techos están

compuestos por arcos y bóvedas de material compuesto y son de grandes dimensiones. Estos

elementos se caracterizan por la heterogeneidad de los materiales de construcción utilizados piedra,

ladrillo, adobe, morteros, etc. La estructura de la Catedral muestra una gran solidez. Se aprecian

contrafuertes bien equilibrados en los muros de las capillas laterales.

El material estructural predominante en la catedral es la piedra. Las caras visibles tienen una

mampostería con aparejo, es decir, organizada. En zonas no visibles y sometidas a esfuerzos menos

importantes se empleó un conglomerado de piedra sin labrar, de forma irregular, en una matriz de

mortero. Este conglomerado tiene mucha menor resistencia que la mampostería con aparejo. Cabe

anotar que los arcos y bóvedas tienen una diversidad de materiales y hay evidencias de que han sido

reconstruidos modificando en parte las características originales. Es evidente que se tuvo que hacer

un compromiso, seleccionando un material de resistencia intermedia. Aunque no ha sido factible

realizar ensayos con muestras de distintas partes de la estructura, sí se observa un material más

poroso, de menor densidad y resistencia, en los elementos ubicados en la parte superior y

particularmente en los elementos más labrados.

Para el estudio se plantearon tres distintos modelos de elementos finitos. El primer modelo

corresponde a un pilar aislado, para el cual se usaron 5755 elementos sólidos, 7429 nudos y más de

22 000 grados de libertad, se empleó para estudiar la distribución de esfuerzos en los pilares, para

distintas razones de módulos de elasticidad entre el revestimiento exterior y el núcleo.

Adicionalmente, este modelo permitió establecer equivalencias para reemplazar cada pilar por un

simple elemento de barra en el modelo global. El segundo modelo corresponde a un módulo de

pilar, arcos y bóvedas, el modelo incluyó 23 364 elementos sólidos, con 27 861 nudos y más de 80

000 grados de libertad. Se empleó este modelo para estudiar la interacción entre pilares y arcos, e

igualmente para establecer un equivalente, más simple, a ser usado en el modelo global. El tercer

modelo corresponde a un Modelo Global de la Catedral en 3D, no siendo posible hacer un modelo

de la estructura completa con el mismo nivel de detalle de los dos primeros modelos, se

sustituyeron las diversas componentes por un total de 273 elementos de barra y 25,106 elementos de


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cáscara. Se consideraron un total de 29,949 nudos, con 145,634 grados de libertad. Este modelo

permitió observar la distribución de esfuerzos debidos a acciones de sismo, las deformaciones de

los arcos y elementos de bóveda, su poca capacidad para transferir las fuerzas de inercia a los

muros, y otros aspectos del comportamiento de la estructura en conjunto.

En el modelo global de la estructura, el primer modo de vibración, que se muestra en la Figura 12,

es esencialmente en dirección

longitudinal (Y). Vibran

principalmente las torres y las bóvedas

adyacentes a la fachada. Este modo

tiene una masa efectiva de 11.6% de la

masa total, lo que indica su

importancia en la respuesta.

El décimo modo es el más importante para la

respuesta frente a las componentes de sismo en

dirección transversal. Su período es 0.13 s. En este

modo vibra casi toda la estructura en la dirección X,

como se observa en la Figura 13. Tiene una masa

efectiva en la dirección X igual a 41.8% de la masa

total.

El duodécimo modo de vibración tiene un periodo

de 0.13 s. Vibran las cúpulas de la catedral en
Figura 13. Décimo Modo de Vibración di
modo en importancia para la componente de sismo

17.4%.

6. CONCLUSIONES

- Se ha presentado un resumen de las últim

históricas llevadas a cabo por el CISM

singularidades propias de la diversidad de m

de los sistemas estructurales.


Figura 12. Primer Modo de Vibración

rección longitudinal (Y). Este es el segundo

en dirección longitudinal, con masa efectiva de

as experiencias de evaluación de edificaciones

ID. Cada una de estas evaluaciones tuvo las

ateriales utilizados en la construcción, así como

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- Labores de replanteo estructural y arquitectónico así como labores de auscultación para la

extracción de muestras es importante para una evaluación adecuada de la vulnerabilidad

estructural de las edificaciones históricas.

- Algunas particularidades y sobretodo la complejidad de algunas conexiones y propiedades

de los materiales conllevan a una dificultad en el modelamiento de las estructuras.

- Las edificaciones históricas representan un reto muy particular para la ingeniería actual. La

condición de patrimonio histórico reduce las alternativas, limitando la intervención

ingenieril sobretodo en los elementos que se consideran con un mayor valor cultural o

histórico.

REFERENCIAS

1. Applied Technology Council (1989). ATC-20 Procedures for Post Earthquake Safety

Evaluation of Buildings. California, EE.UU.

2. Applied Technology Council (1989). Addendum to the ATC-20 Post Earthquake Building

Safety Evaluation Procedures. California, EE.UU.

3. Meli, R. (1999) Ingeniería Estructural de los Edificios Históricos. Ed. Fundación ICA. Ciudad

de México, México.

4. Meli, R. (2001) Comportamiento Sísmico de Inmuebles Históricos. Lecciones de Eventos

Recientes. Congreso Mexicano de Ingeniería Sísmica, SMIC. Guadalajara, México.

5. UNDP (1984). Building Contruction under Seismic Conditions in the Balkan Region. Volume

6: Repair and Strengthening of Historical Monuments and Buildings in Urban Nuclei. United

Nations Industrial Development Organization. Viena, Austria.

6. UNDP (1983). Building Contruction under Seismic Conditions in the Balkan Region. Volume

5: Repair and Strengthening of Reinforced Concrete, Stone and Brick-Masonry Buildings.

United Nations Industrial Development Organization. Viena, Austria.


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