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19/04/2016

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NUEVAS TENDENCIAS EN EL DISEÑO DE

CIMENTACIONES PARA EDIFICACIONES.

SISTEMA SUELO-CIMENTACION.

Parte de la estructura que se encuentra en contacto con el suelo y esta encargada de transmitir las cargas de lasuperestructura de forma directa o indirecta al “terreno”. Adicionalmente es la encargada de absorber la energía delterreno y transferirla a la edificación.

El sistema suelo-cimentación se genera como resultado de la interacción entre el miembro estructural y el terrenoen el que se apoya.

Al definir el sistema de cimentación debemos relacionar de forma conjunta el aspecto geotécnico y estructural yverlo como un todo.

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EN EL PASADO..! EN EL PRESENTE…!El ingeniero de suelos propone soluciones que son adoptadas por el ingenieroestructural.

El ingeniero geotécnico conjuntamente con el ingeniero estructural proponenalternativas de solución para el sistema suelo-cimentación.

Se dan dimensiones y profundidades que están en función de la condición delterreno.

Las dimensiones de las cimentaciones estarán en función del terreno, cargasactuantes, comportamiento global de la edificación, factores de riesgo, respuestasísmica, entre otros.

Se dispone de poca información relacionada con fenómenos de amenaza sismo-geotécnica tales como licuación, sensibilidad, suelos colapsables y otros.

Evidencias de sismos pasados han nutrido de información relacionada confenómenos de amenaza sismo-geotécnicas. (Northridge 1994, Kobe 1995, México1985, Niigata 1964, Christchurch 2011, etc)

Se aplican grandes factores de seguridad para garantizar «conservadores»diseños por resistencia.

Las deformaciones asociadas a diseños por resistencia «conservadores» setraduce en la mayoría de los casos en grandes deformaciones que no pueden sersoportadas por la edificación mucho antes de alcanzar los elevados factores deseguridad utilizados.

La verificación de asentamientos (requisitos de rigidez) es una consideraciónsecundaria.

La verificación basada en rigidez (asentamientos) se considera, en la mayoría delos casos, mucho mas importante que los diseños basados en resistencia.

Se considera que la respuesta dinámica de la cimentación no es importante portratarse de un miembro estructural confinado por el terreno.

Se considera en el diseño geotécnico y estructural de la cimentación, los efectosde las fuerzas inerciales y cinemáticas que se generan como consecuencia de larespuesta del terreno y la edificación de forma conjunta.

No se tenia previsto que la dimensión y forma de la cimentación pudiese afectar larespuesta sísmica de la edificación.

Se consideran los fenómenos de interacción suelo-cimentación-estructura yacomo modelos análisis que representan la respuesta mas realista del sistema ennumerosos casos.

¿ A que se dedica la Ingeniería Sismo-Geotécnica?(Geotechnical Earthquake Engineering)

Es la sub-especialidad de la Ingeniería Geotécnica que implica el diseño y construcción de proyectos que seancapaces de resistir los efectos de sismos o terremotos.

Requiere un manejo de los principios de la Ingeniería Geotécnica, así como el manejo de otras áreas tales como:Geologia, Sismología e Ingeniería Sísmica.

Abarca los siguientes aspectos:

1. Exploración, investigación de sitio y muestreo.2. Análisis de Esfuerzos Totales y Efectivos.3. Análisis de Capacidad Portante Admisible.4. Determinación de la aceleración máxima del terreno y la magnitud del sismo de diseño.5. Investigar la posibilidad de Licuación del Terreno.6. Calcular el asentamiento de las cimentaciones causado por el sismo de diseño.7. Evaluar alternativas de cimentación para mitigar efectos de sismos.

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Problema Tradicional

Articulación Apoyo Simple Empotramiento

Nuevas Tendencias

NUEVOS RETOS EN EL PROYECTO DE EDIFICACIONES.

1. Promover técnicas para mejorar el dialogo y la colaboración entre ingenieros geotécnicos y estructurales.

2. Generar un «Checklist» de la información que debería suministrar el ingeniero estructural al ingenierogeotécnico.

3. Generar un «Checklist» de la información que requiere el ingeniero estructural y que debería sersuministrada por el ingeniero geotécnico.

4. Elaborar formatos típicos donde se pueda representar la información referida a parámetros estáticos yparámetros dinámicos.

5. Desarrollar recomendaciones practicas de modelado de cimentaciones para los casos mas comunes.

6. Desarrollar ejemplos de aplicación de fenómenos de interacción suelo-estructura con sus respectivasventajas y desventajas.

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¿ QUE INFORMACIÓN REQUIERE EL INGENIERO GEOTÉCNICO ?

1. Ubicación del Proyecto..

2. Códigos de diseño a utilizarse en el proyecto.

3. Objetivos de desempeño, criterios de aceptación y niveles de amenaza considerados.

4. Descripción de la edificación. Se sugiere indicar el sistema de cimentación deseado o esperado..

5. Tolerancias de asentamientos diferenciales.

6. Indicar un aproximado del periodo fundamental de vibración.

7. Rango potencial esperado de cargas (con acción sísmica y/o de viento). (Es usual en la practica reportar losvalores de combinaciones de carga para diseño por esfuerzos permisibles, sin embargo, para efectuaranálisis de desempeño o de interacción suelo-estructura se requieren combinaciones en estado ultimo).

8. Indicar si es conveniente para el proyecto considerar los fenómenos de interacción suelo-estructura y si esnecesario conocer los niveles de rigidez dinámica y amortiguamiento esperados del terreno.

9. Indicar si el diseño sísmico será efectuado mediante un espectro de diseño normalizado, un análisisespecifico de sitio o mediante registros tiempo-historia.

¿ QUE INFORMACIÓN REQUIERE EL INGENIERO ESTRUCTURAL ?

1. Descripción del sitio.

2. Registros de Perforación con sus respectivas cotas porestratos.

3. Resultados de pruebas de campo y laboratorio.

4. Información detallada de la sismicidad del sitio.

5. Posición del Nivel Freático.

6. Recomendaciones de sistemas suelo-cimentación.

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a. Para el caso de Cimentaciones Superficiales:

• Presiones de Contacto: valores permisibles ante cargas de servicio y ante cargas

excepcionales (sismo/viento)

• Modulo de reacción del terreno o coeficiente de balasto, en función del nivel de deformación

esperado para cargas a largo plazo.

• Coeficientes de rigidez ante presencia de cargas dinámicas de corta duración para diseño

sísmico. Reportar los limites superiores e inferiores de relación esfuerzo-deformación.

• Coeficiente de fricción suelo-losa.

• Empuje pasivo esperado en los laterales de la losa.


b. Para el caso de Cimentaciones Profundas:

• Capacidades por punta y/o fricción superficial tanto para diseño por esfuerzos permisibles como

por capacidad ultima.

• Diagramas fuerza-deformación para cargas axiales. Coeficientes de rigidez ante presencia de

cargas dinámicas de corta duración para diseño sísmico. Reportar los limites superiores e

inferiores de relación esfuerzo-deformación.

• Profundidad mínima de empotramiento.

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b. Para el caso de Cimentaciones Profundas:

• Graficas carga lateral-deflexión y carga lateral versus momento máximo para

cabezal empotrado y articulado.

• Efectos de grupo ante cargas verticales y laterales.

• Asentamientos totales y diferenciales esperados

• Recomendaciones constructivas y de control de calidad.

Multiplicadores «P» para carga sísmica en dos direcciones.

Influencia de la separación entre pilotes en los multiplicadores «P».


7. Excavaciones:

• Especificar los ángulos máximos de pendientes y el tratamiento delterreno para garantizar una excavación estable.

• Especificar los sistemas de apuntalamiento o contención que seannecesarios y los asentamientos que puedan producirse.

• Recomendaciones de anclajes.

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7. Excavaciones:

• Especificaciones de material de relleno y de compactación y si el material de sitio se consideraaceptable como relleno.

• Recomendaciones de elementos de contención lateral.

• Consideraciones de estructuras existentes.

• Recomendaciones del fondo de la excavación.

Autor: Heredia, 2015.

DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES.

CONSIDERACIONES GEOTECNICAS:

1. Estabilidad Global.2. Capacidad Portante y Asentamientos.3. Verificación al Deslizamiento, Volcamiento y Levantamiento.

PROCESO DE DISEÑO:

1. Estado Limite de Servicio: Asentamientos excesivos, deformaciones laterales excesivas, vibracionesexcesivas o deterioro físico y estético de la fundación.

2. Estado Limite de Resistencia: Exceder la capacidad portante del suelo que la sustenta, fallas pordeslizamiento o falla de alguno de los componentes estructurales.

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VERIFICACIÓN DE ESTADOS LÍMITES.

Estado límite de deformación Estado límite de agotamiento resistente Estado límite de Estabilidad General

Asentamiento Diferencial y Distorsión Angular:

CONSIDERACIONES ESPECIALES DE DISEÑO

CTE-DB-SE-CIMIENTOS. (ESPAÑA)

NSR. 2010 (COLOMBIA)

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Consideraciones de excentricidad en cimentaciones:


Levantamiento en cimentaciones superficiales:


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ASCE 41-13

Deslizamiento:

El deslizamiento es estudiado determinando la fricción existente en la base de la zapata, y elempuje pasivo del suelo desplazado alrededor de la cimentación.

BCNEpRf

Kp

KpEp

a

H

*tan

)2/45(tan

*

2/45

3/2__3/

2

2'* 2

Pmin

N

Hmax

N Tan CB Ep

’, C

H B


CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE CIMENTACIONES SUPERFICIALES.

• Dimensionamiento con Consideraciones Sismorresistentes:

En caso de que existan suelos cohesivos cuya resistencia se degrade por la acción sísmica, tales comoarcillas sensibles o suelos licuables, se deberá determinar la resistencia degradada por el efecto de lacarga cíclica y aplicar esas propiedades para la evaluación de la estabilidad estática y lasdeformaciones inmediatamente después del sismo. Este análisis se denomina Postsismico.

Solo se permitirá el uso de fundaciones superficiales en terrenospotencialmente licuables cuando estos hayan sido debidamente tratados y secompruebe que los asentamientos totales y/o diferenciales u otros efectoscomo empujes laterales no comprometan el desempeño de la estructura.

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LICUACIÓN O LICUEFACCIÓN DE SUELOS.

Es causada por un incremento de la presión de poros en el terreno, debido a las vibraciones producidas poracciones sísmicas; originando una reducción de los esfuerzos efectivos, pudiendo llegar a ser prácticamentenulos en los casos mas extremos. Las partículas son liberadas de su condición confinada llegando a flotaren el agua.

LICUACIÓN O LICUEFACCIÓN DE SUELOS.

′ ′ tan ∅′

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FACTORES QUE INFLUYEN EN LA LICUACION DE SUELOS.

1. La Duración e Intensidad del Sismo.2. Presencia de Nivel Freático Elevado.3. Tipo de Suelo: Principalmente Arenas Finas a Medias y Arenas con finos de baja plasticidad, sin

embargo, existen clara evidencia en sismos pasados de casos de licuación en arcillas.4. Densidad Relativa del Suelo: Suelos con baja “Dr” son mas susceptibles de licuar que aquellos de alta

“Dr”.5. Gradación de las partículas de suelo: suelos no plásticos de gradación uniforme tienden a licuar mas que

aquellos bien gradados.6. Condiciones de Sitio: Suelos aluviales, lacustrinos, cercanos a lagos, ríos, mares.7. Condiciones de Drenaje: La mayor capacidad de drenaje disminuye el potencial de licuación.8. Presión de Confinamiento: A mayor presión de confinamiento es menor la posibilidad de licuación.9. Forma de la partícula: Un suelo con partículas de forma redondeada tiende a licuar mas rápidamente que

uno de partículas angulares.

Se presentan a continuación los criterios más utilizados en la práctica para determinar si unsuelo es potencialmente licuable.

Primeramente existe el llamado criterio Chino desarrollado por Wang en 1979:

Fracción fina menor a 0.005 15%Limite líquido, 35%Contenido natural de agua, 0.9Índice de liquidez 0.75

También se utiliza el criterio desarrollado por el US Army:

Fracción fina menor a 0.005 10%Limite líquido, 36%Contenido natural de agua, 0.92Índice de liquidez 0.75

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Métodos Determinísticos para Calcular Potencial de Licuación.

El método de Seed e Idriss permite estimar un factor de seguridad para el inicio de la licuación:

Donde es el esfuerzo cortante cíclico necesario para iniciar el proceso de licuación y es el esfuerzo cortantecíclico inducido por el sismo.

Para valores de menores a 1 existirá riesgo de licuación.

El cálculo debe efectuarse a las diferentes profundidades de suelo reportadas en la estratigrafía.

Prof. (m) ⁄ ⁄

1 3.266 3.3 0.99 2 4.803 6.6 0.73 3 8.201 10.1 0.81 4 11.902 13.6 0.87 5 18.794 17.0 1.10 6 21.601 20.4 1.06 7 26.216 23.6 1.11 8 27.537 26.8 1.03 9 30.378 30.0 1.01 10 33.218 32.6 1.02 11

No licua

36.2

No licua 12 39.6 13 42.8 14 44.6

RECOMENDACIONES PARA SUELOS POTENCIALMENTE LICUABLES.

Técnicas de Mejoramiento y Estabilización.

• Reemplazo del material potencialmente licuable.• Columnas de Grava.• Compactación Dinámica.• Vibroflotación.

Uso de cimentaciones profundas: La cimentación profunda (pilotes o pilas) debeatravesar el estrato potencialmente licuable y se deberá tomar en cuenta que en laextensión de dicho estrato se desprecien los efectos de fricción o adherencia a lo largodel fuste.

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SENSIBILIDAD EN ARCILLAS.

CONSIDERACIONES DE DISEÑO DE CIMENTACIONES AISLADAS

• Dimensionamiento con Consideraciones Sismorresistentes:

• El esfuerzo de compresión máximo transferido al terreno (q) para las combinaciones de carga de servicioincluyendo la acción sísmica, debe cumplir con lo siguiente:

Donde:

q = Esfuerzo de compresión máximo impuesto por la cimentación al terreno.qu= Capacidad de soporte última del suelo utilizando factores de

capacidad de carga estáticos.Se = Sensibilidad del suelo a considerar solo en el análisis postsísmico.

q ≤ 0.6 ( qu / Se )

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DISEÑO DE CIMENTACIONES PROFUNDAS.

COMPORTAMIENTO GEOTÉCNICO DE PILOTES.

Pilotes de carga de punta Pilotes de fricción.

DISEÑO DE CIMENTACIONES PROFUNDAS.

COMPORTAMIENTO SISMICO.

Fuerzas de tracción y compresión resultantes en la cimentación debidas al momento de volcamiento

Empuje pasivo del suelo sobre lacimentación para resistir fuerzas laterales

Pilotes inclinados para resistir fuerzas laterales. USO LIMITADO.

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Comportamiento de Pilotes Cargados Lateralmente.

Pilotes Cargados Lateralmente. (Métodos de Análisis)

METODO DE BROMS.

El método fue desarrollado con la finalidad de determinar la capacidad lateral ultima del pilote. El pilote seasume corto y rígido.

Se considera únicamente traslación y rotación en condición rígida y el calculo de capacidad lateral del pilotees únicamente en condición ultima.

El método permite estimar distribuciones de esfuerzos laterales tanto para suelos arenosos como cohesivos.

En función de los criterios asumidos por el método, en la practica se utiliza para estimados preliminares decapacidad lateral ultima de pilotes.

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Suelos Cohesivos. Suelos Granulares.Pilote Rígido.

Suelos Cohesivos.

´ 2 ´ ´ 0.5 ´

´ 1.59

Suelos Granulares.. ´

L = Longitud de empotramiento del pilote.H = Distancia de la fuerza lateral resultante por encima de la superficie del terreno.B = Diámetro del pilote.L´ = Longitud de empotramiento del pilote medido desde una profundidad de 1.5 B por debajo de la superficie del terreno o (L’ = L – 1.5 B)

= Profundidad hasta el centro de rotación = (H + 23 L) / (2H + L).′ = Profundidad hasta el centro de rotación medido desde una profundidad de 1.5 B por debajo de la superficie del terreno o (Lo’ = Lo – 1.5 B)

METODO DE BROMS.

Capacidad Ultima en Pilotes Rígidos de Cabeza Libre

METODO DE BROMS.

Capacidad Ultima en Pilotes Rígidos de Cabeza Empotrada

Suelos Cohesivos. Suelos Granulares.Pilote Rígido.

Suelos Cohesivos.9 1.5

Suelos Granulares.

1.5 ´

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Pilotes Cargados Lateralmente.

Con base en el análisis de equilibrio para una sección de pilote se puede derivar la ecuación diferencial para unelemento sujeto a flexo compresión y carga axial dentro de una masa de suelo.

Dicha expresión tiene la forma siguiente:

EI (d4y/dx4) + Q (d2y/dx2) + Es y = 0Q, es la carga axial en el pilote,y, es la deflexión lateral del pilote en un punto x a una profundidad dada del pilote,EI, rigidez a la flexión del pilote, yEs, es el módulo de elasticidad secante de la curva de respuesta del suelo.

Modelo de Winkler. (Solución Elástica)

k = p’ (KN/m) / x (m)

K = Modulo de la reacción del suelo.P’ = Presión sobre el suelo.X = deflexión.


Diferencia en la rigidez y respuesta delpilote en función de la restricción existente

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La respuesta del suelo ante una carga lateral cualquiera es no lineal.

Esto implica que el valor de, Es, no es constante con la profundidad ni con el nivel de carga que actúa sobreel suelo.

En consecuencia, ambos aspectos deben ser considerados adecuadamente cuando se hacen análisis derespuesta lateral de pilotes.

Se debe establecer el rango apropiado dedeformaciones asociadas con el nivel decarga esperado para la adecuadaselección del módulo de elasticidad delsuelo.

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Consideraciones asociadas al calculo del Coeficiente de Balasto Horizontal.

1. Los coeficientes horizontales aumentan considerablemente con la profundidad.

2. Existen variaciones muy importantes del coeficiente de balasto horizontal para el mismo tipo desuelo dependiendo de la deflexión del pilote, es decir, a menor deflexión mayor será la respuestadel suelo sobre el pilote.

3. Si se utilizan valores de balasto correspondientes a pequeñas deformaciones, las fuerzascalculadas sobre el pilote serán mayores que las reales y se estaría sobredimensionando.Contrariamente, si se diseña con balastos correspondientes a niveles de deflexión muy elevados,las fuerzas sobre el pilote estarían subestimadas para deflexiones pequeñas.

4. Recuerde que el balasto no es un parámetro intrínseco del suelo, sino que depende devarias condiciones geométricas externas asociadas con las soluciones para capacidadportante de las fundaciones.


Forma Típica de representar los cálculos.

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COMPORTAMIENTO DE PILOTES EN SUELOS LICUABLES.Algunos de los modos de falla en pilotes asociados a licuación de suelos observados en sismos registrados son:

Pérdida de la capacidad lateral del suelo de soporte. Observada en sismos como los de San Francisco 1906,Alaska 1964, Loma Prieta 1989 y Kobe 1995.

Daño estructural y pérdida de resistencia lateral por acción de fuerzas inerciales y desplazamientos lateralessignificativos. Observado en los sismos de Alaska 1964, Niigata 1964, Costa Rica 1991 y Kobe 1995.

Falla por flexión y cortante debido a grandes diferencias de rigidez entre las capas de suelo bajo cargas sísmicas,como en el de Niigata 1964.

Modos potenciales de falla en grupos de pilotesdebido a efectos de licuación (Meymand, 1998)

COMPORTAMIENTO DE PILOTES EN SUELOS LICUABLES.

Valsamis et al, 2012

Nikolaou et al, 2001

Poulos, 2013.

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DISEÑO ESTRUCTURAL DE PILOTES CON CONSIDERACIONES SIMORRESISTENTES.

Mecanismo de transferencia de carga sobrepilotes sometidos a acción sísmica

Resistencia pasiva lateral del sistemasuelo-cimentación

Curva de movilización de presiónpasiva. (ASCE 41).

DISEÑO ESTRUCTURAL DE PILOTES CON CONSIDERACIONES SIMORRESISTENTES.

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Nuevas Tendencias.

Considerar los desplazamientos esperados de las cimentaciones.

FENOMENO DE INTERACCIÓN SUELO-ESTRUCTURA.

Análisis de modelos estructurales apoyados sobre soportes que consideren la rigidez del terreno decimentación.

El conocer si los efectos de considerar la interacción suelo-estructura pueden ser conservadores o noconservadores para el diseño de estructuras y de su respectivo sistema de fundación, va a depender de laparticularidad de cada caso y del nivel de detalle del problema analizado.

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¿Puede ser importante considerar los efectos de la interacción suelo-estructura en el análisis de edificaciones?

BASE RIGIDA.

¿Puede ser importante considerar los efectos de la interacción suelo-estructura en el análisis de edificaciones?

BASE FLEXIBLE

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ASPECTOS DE IMPORTANCIA EN EL ANALISIS CON INTERACCION SUELO-ESTRUCTURA (ISE).

La respuesta esta determinada por la interacción entre:

• Estructura.• Fundación.•Terreno de soporte.

En el fenómeno intervienen los siguientes aspectos:

• INERCIA.

Cortante Basal (V) y Momento de Volcamiento (M).

Desplazamiento relativo entre campo libre y la cimentación. (uf)

Rotación relativa entre campo libre y la cimentación. (f)

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http://www.acs.psu.edu/drussell/demos/waves/wavemotion.html

ONDAS P. (LONGITUDINALES)

ONDAS S. (TRANSVERSALES)

http://www.acs.psu.edu/drussell/demos/waves/wavemotion.html

ONDAS DE SUPERFICIE.ONDAS RAYLEIGH.

SON LAS ONDAS QUE OCASIONAN MAS DAÑOS EN UN EVENTO SISMICO.

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(uf y f) La fundación se transforma en una fuente de amortiguamiento para el sistema.


El amortiguamiento de la cimentación se genera de dos fuentes:

La fundación actúa como un generador de ondas. Amortiguamiento histerético del suelo.

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YO CREO QUE ESO DEL SISMO ES ALGO ASI COMO…….. EXAGERADO!!!.

Japón, 2011. Chile, 2010.

Haití, 2010.

Christchurch, Nueva Zelanda. 2011.

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