Vol. 1, N° 2 Quehacer Científico en Chiapas Agosto de 1998 Recibido: Diciembre 8 de 1997 Aceptado: Junio 10 de 1998 Zonificación sísmica de la ciudad de Tapachula, Chiapas Robertoni Cruz Díaz~ M. Ramirez": A. Albores* J. Rodríguez* J. Garcia"' F. Rivero** ABSTRACT A proposal for sismic zoning, maps of curves of isoperiods and design spectrum are presented in this work as a first stage of a project for the study of seismic risk for the city of Tapachu- la. The dynamic characteristics of the soil in the area under study are derived from the analysis of information on regional seismicity, geological, geotechnical, and topographic characteristics and, basically, information on the measuring of enviromental vibration in 42 places within the city. Key Words: Regional sismicity, vibration, Tapachula RESUMEN Se presenta una propuesta de zonificación sismica, mapa de curvas de isoperíodos y espectro de diseño, como primera etapa de un proyecto de estudio de riesgo sísmico para la ciudad A' & Autor para correspondencia * Facultad de Ingeniería Civil, Campus 1,Universidad Autónoma de Chiapas. Blvd. Belisario Domínguez.Km. 1081,Tuxtla Gutiérrez, Chiapas. CP. 29000 ** Universidad Autónoma Metropolitana 94
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Vol. 1, N° 2 Quehacer Científico en Chiapas Agosto de 1998
Recibido: Diciembre 8 de 1997 Aceptado: Junio 10 de 1998
Zonificación sísmica de la ciudadde Tapachula, Chiapas
Robertoni Cruz Díaz~M. Ramirez":
A. Albores*J. Rodríguez*
J. Garcia"'F. Rivero**
ABSTRACT
A proposal for sismic zoning, maps of curves of isoperiods and design spectrum are presentedin this work as a first stage of a project for the study of seismic risk for the city of Tapachu-la.
The dynamic characteristics of the soil in the area under study are derived from theanalysis of information on regional seismicity, geological, geotechnical, and topographiccharacteristics and, basically, information on the measuring of enviromental vibration in42 places within the city.
Se presenta una propuesta de zonificación sismica, mapa de curvas de isoperíodos y espectrode diseño, como primera etapa de un proyecto de estudio de riesgo sísmico para la ciudad
A'
& Autor para correspondencia* Facultad de Ingeniería Civil, Campus 1,Universidad Autónoma de Chiapas.
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de Tapachula. Las características dinámi-cas del suelo de la zona en estudio son ob-tenidas partiendo del análisis de informa-ción de sismicidad regional, característicasgeológicas, geotécnicas, topográficas y, fun-damentalmente, de la medición de vibra-ción ambiental en cuarenta y dos sitios den-tro de la mancha urbana.
Tapachula, segunda ciudad de importan-cia en el estado de Chiapas, tanto en lo eco-nómico como en lo social, se encuentra en-marcada en una zona de alta sismicidad,producto de fallas locales y movimientosasociados al fenómeno de subducción enla costa del Pacífico, no obstante, carece detoda información propia que permita el di-seño racional de construcciones resistentesa sismos. En un esfuerzo conjunto, la Uni-versidad Autónoma de Chiapas y la Uni-versidad Autónoma Metropolitana, reali-zan una propuesta de Zonificación Sísmi-ea y parámetros para el diseño sismo-resis-tente, partiendo de un estudio de la zonapor Vibración AmbientaL
Geología regionalTapachula está localizada a los 92°16' delongitud oeste y a los 14°55' de latitud nor-te en la zona aluvial de la planicie costerade la parte más al sur del estado de Chia-pas, a 28 Km del Océano Pacífico. A 3 Kmal norte, se ubican los flujos lejanos del vol-cán Tacaná, último volcán situado al nortede la cadena volcánica del arco centroame-ricano asociada como resultado de la sub-ducción de la placa de Cocos debajo de laplaca Caribe. Entre 40 y 75 Km. de distan-cia al norte de la ciudad, está localizado elborde entre las placas Caribe y Norteamé-rica, marcado por una serie de ramas
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subparalelas de la falla activa Polochic(Burkart, 1978;De la Rosa et al., 1989;Suteret al., 1995). El borde entre las placas Co-cos y Caribe es la trinchera centroamerica-na, donde la placa "Cocos esta subducidadebajo de la placa del Caribe. La subduc-ción, a través de este borde, da como resul-tado la cadena de volcanes del arco cen-troamericano, que incluyendo el volcánTacaná y la zona de sismicidad Beniof-Wadati asociados con la subducción, es laresponsable de la mayor sismicidad queafecta la región. La punta triple que existeen la intersección de las tres placas no estábien definida, y es probable que el movi-miento lateral entre las placas de Cocos yNorteamérica esté distribuido en varias fa-llas de rumbo más al norte del estado(Whitney, 1996) conocido como la «Zonade fallas de rumbo de Chiapas» (Suter etal., 1995).Las rotaciones y fallamientos aso-ciados con la distribución del movimientoentre las placas es muy complicado y toda-vía no conocido, pero si se conoce que ladeformación está pasando al norte de lafalla de Polochic y no afecta la región deTapachula de manera significativa.
Geología localLocalmente, en Tapachula existen depósi-tos aluviales correspondientes a las llanu-ras costeras del sur de Chiapas. Estos sedi-mentos de grava, arena y limos fueron de-positados por los tres ríos que cruzan la ciu-dad. Geológicamente, el área en la cual seubica Tapachula, la conforman rocas deedad terciaria superior y material recienteo del cuatemario. El terciario superior com-prende tobas y cuerpos conglomeráticos(boleos) empacados en arcillas de color rojoa naranja y en algunos diques de elastosandesíticos de color gris con matriz piro-elástica (ceniza y arena muy fina) (Figura1). Estos materiales se presentan dentro deuna morfología del tipo de lomeríos de me-diana altura dentro de un marco generalde una planicie costera. El conglomerado
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Figura l. Mapa geológico de Tapachula (INEGI)
«Loma Real» es la unidad estratigráficamás antigua que aflora en el área estudia-da, misma que está cubierto por depósitosdeltaicos más recientes.
SismicidadChiapas, separado del resto del país por elistmo de Tehuantepec, forma parte de laprincipal zona sísmica de México; su su-perficie es una muestra de variada oroge-nia y tectonismo. La carta sísmica de Chía-pas (Figueroa, 1973), muestra que toda lasuperficie del estado se encuentra bajo lainfluencia de focos activos continentales ysubmarinos, donde, según registros (Figue-roa, 1973), se han generado movimientosque han alcanzado la intensidad VIII en laescala de Mercalli.
Es posible observar que la mayor con-
centración de epicentro s se localiza en laregión limítrofe con Guatemala, frente a lascostas del pacífico, en El Soconusco, peroen otras zonas de Chiapas, aunque se ob-servan menos, los movimientos han sidoimportantes. La ciudad de Tapachula estásituada en la zona de mayor riesgo sísmicodel país (Esteva, 1970), y ha sido afectadapor sismos que en su mayoría se originanen la costa del pacífico de México, en la lla-mada zona de subducción. Otras causasque producen actividad sísmica en la re-gión son fallamientos locales o vulcanismo,registrándose generalmente eventos de me-nor magnitud, sin que dejen de ser impor-tantes.
La sismicidad que ha afectado y la quepuede afectar a la ciudad, es significativa.Sismos que ocurren en la zona de subduc-
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cron, en el sistema de fallamiento dePolochic y en las cunas tectónicas del labiode la placa Caribe, pueden producir movi-mientos fuertes en la ciudad. La sismicidadque ocurre en la zona Beniof-Wadati desubducción entre las placas Cocos y Cari-be, tiene el potencial más alto para produ-cir daños en Tapachula. Ésta resulta por-que, primero, la zona de subducción pue-de producir sismos más grandes que lasotras fuentes de sismicidad que afectan laregión y segundo, porque de la geometríade la zona de subducción, los hipocentrosde esta sismicidad pueden ocurrir directa-mente debajo de la ciudad. Históricamen-te, sismos de gran magnitud han ocurridoen la zona Beniof de la trinchera centro-americana en el segmento más al norte,cercana al sitio. Reportes de movimientossísmicos con intensidades Mercalli igualeso mayores de VI, en el período de 1900 a1973 (Figueroa, 1973), muestran que másdel 32% de éstos corresponden a la zonadonde se ubica la ciudad de Tapachula.
McNally and Minster (1981), anotaneventos de M =7.0 o más como:s
14 de diciembre, 193515 de junio, 194328 de junio, 194429 de abril, 1970
M =7.3sM =7.0sM=7.0
s
M =7.3s
En el estado de Chiapas, durante los me-ses de abril y mayo de 1970,tuvieron lugarvarios sismos en la parte continental del So-conusco, zona del Suchiate y en el océa- .no Pacífico, frente a las costas de la mismaregión. El evento del 29 de abril de 1970hasido descrito por Figueroa (1973)como unevento de ML= 5.2 con 32 réplicas el mismodía. Estemovimiento fue muy fuerte en todoel estado, donde los efectos correspondie-ron a los grados VII y V de la escala deMercalli modificada. El epicentro se locali-zó a 15.3°N, 92.6°W.
Figueroa (1973)también señala que delprimero al 28 de mayo del mismo año ocu-
rrieron otros 29 eventos más grandes queML=4,siendo el mayor de M
L=5.4.Loseven-
tos más fuertes en esta secuencia fueronsentidos en México D.F., con intensidad deIII, y en la región de Tapachula con inten-sidades hasta de VII. Figueroa (1973)tam-bién notó un macrosismo destructor que seoriginó en Chiapas el 25 de Septiembre de1968, con una magnitud de 6.3 grados enla escala de Richter, al cual dio una inten-sidad de VIII en la ciudad de Tapachula, ycuyo epicentro se localizó en las mismas co-ordenadas que el anterior.
El segmento de Tehuantepec, de la trin-chera mexicana, está alrededor dl2110 Kmal noroeste de la ciudad de Tapachula.Aunque es poco conocida la historia de lazona, Nishenko y Singh (1987)indican queprobablemente hay suficiente deformaciónacumulada para producir un sismo deMs=89. Este sismo puede pasar en el su-deste del segmento, entonces suficientemen-te cerca al sitio para producir movimientosfuertes en la superficie.
El sistema de fallamiento asociado conelborde entre las placas Norteamérica y Ca-ribe, el sistema Motagua-Polochic, ha teni-do sismos de grandes magnitudes con da-ños significativos. Ejemplos incluyen el sis-mo del 4 de febrero de 1976, cerca de laciudad de Guatemala.
Medición de vibración ambientalDel análisis de acelerogramas es posibleobtener los espectros de respuesta del te-rreno, mismos que proporcionan con cer-
. teza el período natural de vibración parala aceleración máxima registrada; sin em-bargo, Tapachula no ha contado con equi-po acelerográfico que permita conocer suhistoria sísmica. Otra forma de conocer elperíodo fundamental de vibración es pormedio de modelos empíricos analíticos,paralos cuales se hace necesario la obtención deparámetros del suelo por medio de sondeosy sus respectivas pruebas de laboratorio; sinembargo, la utilización de este procedimien-
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to requiere de recursos económicos impor-tantes.
El terreno siempre vibra con amplitudestan pequeñas como 10-6a 10-7 m. y con pe-ríodos de vibración que varían desde algu-nas décimas de segundo hasta varios segun-dos. Estos microtemblores son causados porel tránsito cercano, máquinas en operacióny otros vehículos en movimiento. Puestoque la forma del espectro de un microtem-blor es similar a la de un sismo real, estatécnica puede ser empleada para predecirlas características dinámicas del lugar(Kanai, 1962).
ASÍ, para obtener los períodos funda-mentales del suelo se procedió a realizarmediciones de campo, ubicando puntos a10 largo y ancho de la ciudad a fin de cu-brir la mancha urbana y algunos lugaresaledaños en donde a futuro se construiránlas nuevas estructuras.
~NI
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Para estas mediciones se utilizó un sis-tema de registro sismológico integrado porel equipo siguiente:
Grabadora digital de estado sólidoKINEMETRICSSSR-l, con resolución de16 bits, tres canales de acceso y mues-treo de 200 mps por canal.Dos sensores sismológícos de campoKINEMETRICS WR-l, con frecuencianominal de 20 Hz. y un intervalo de res-puesta eficiente de 0.05 a 5.0 s de perío-do.Computadora portátil para establecercomunicación entre la grabadora y lossensores.
La comunicación y la adquisición de da-tos se realizaron por medio de los progra-mas Quick talk y Quick look, de Kinemetrics.
Se ubicaron 42 puntos distribuidos entoda la ciudad, con especial cuidado de
4.
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,.• 11
Figura 2. Puntos de medición de vibración ambiental estudiados
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cubrir la mancha urbana y zonas de desa-rrollo futuro (Figura 2),procurando, asimis-mo, que estos puntos correspondieran a lu-gares en donde se ubican estructuras im-portantes, sitios notables o bien lugares endonde se cuenta con estudios de mecánicade suelos.
En cada sitio se registraron veinte even-tos continuos por cada componente hori-zontal, de treinta segundos cada uno, endirección ortogonal, lo que representa diezminutos de medición en cada punto, utili-zándose, en todos los casos, un filtroButterworth que elimina las frecuenciassuperiores a 15 Hz.
Con base en los registros obtenidos se ela-boraron los espectros de Fourier, mismosconsiderados para la construcción delmapa de isoperíodos de la ciudad (Ver Fi-gura 4).
Cabe mencionar que para obtener di-chos espectros se aplicó la técnica propues-ta por Nakamura, mediante la cual se sua-vizan los espectros con el fin de rectificarlas perturbaciones captadas en la mediciónambiental y que puedan no corresponder
0.002 .--,----,--,---,--.--.----r-.,---,---,I I 1 1 I I I
.} 0.0015 --,-- -r--,--..,---,--r--,--t I I I I I I I
Figura 3. Espectro de Fourier promedio para Tapachula
A'
a la forma natural de vibrar del suelo. Enla Figura 3 se muestra el espectro prome-dio representativo para el suelo de la man-cha urbana de Tapachula, señalándose unperíodo natural de vibración T=0.28 s. Enla Tabla 1 se resumen la ubicación de lospuntos en la mancha urbana, así como los
valores de periodo correspondientes obte-nidos.
En la Figura 4 se presenta el mapa deisoperíodos de la ciudad, en el que se plas-man los resultados obtenidos por medio delas mediciones de vibración ambiental. Seobserva que el valor más alto en la ciudadse localiza en el punto 21, con un períodonatural de vibración de 0.35segundos, mis-mo que corresponde a la zona de depósitosaluviales, en donde los períodos suelen sermás largos dadas las características de estematerial; en tanto que el valor más bajo, de0.13 segundos, se registró en los puntos 1,2 Y14. El registro del punto 3 fue elimina-do por encontrarse contaminado.
En forma adicional, y a fin de compro-bar los resultados obtenidos en campo, secalculó el período natural de vibración delterreno en el único punto que se dispusode información geotécnica proveniente delsondeo profundo localizado en el lugardonde se ubicará el Tribunal de Justicia(punto 41). El cálculo se efectuó utilizandoel modelo elástico de propagación de on-das de corte, suponiendo incidencia verti-cal de ondas S. De acuerdo con este mode-lo y considerando los depósitos como for-mados por un solo estrato, el período delterreno puede obtenerse mediante la expre-sión:
T=4~ (HJVs1)
en que:V.=(Gjp)donde:G = [3230 (2.97-e)20"0'h]jl +e0"0=(0"1+0"2+O"Jj30"1=H(y)0"1=0"2=0"3(KJKo=l-sen $
H=Espesor del iésimo estrato, en mV.=Velocidad de ondas de cortanteenmjsG= Módulo de cortantep= Densidad del materiale= Relación de vacíos0"10"20"3=Esfuerzos en el sueloy= Peso específico del material, kgj m"
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Tabla l. Períodos obtenidos por Vibración Ambiental
Ne;>. Localización ;T (se!!.) No. LQc;al!?:-ªJ:iá.n T(se~J1 1" sur entre central oteo V 2" oteo 0.13 22 Hotel Loma Real 0.292 Av. central oteo V base militar 0.13 23 Fracc. El Porvenir 0.293 Av. Tuxtepec. Panteón Jardín 24 IMSS - 0.304 Seminario. Fracc. Los Laureles 0.24 25 Fracc. Las Américas 0.275 C. Jacaranda y Priv. Las Palmas 0.25 A6 . Fracc. Xochimilco 0.296 Col. Santa Clara 0.28 27 · Carro Nva. Alemania, Club Campo 0.29'1 ..
Col. Esmeralda 28 39 pte. Col. 5 de Febrero0.24 0.308 28 oteo V 13 av. Sur 0.31 29 ••27 pte. Col. 5 de Febrero 0.13'Q' Col. Indeeo CebadilIa 0.22 30 · 15 pte. y 6" norte (centro) 0.30J!Í . 40 oriente V 11 sur 0.29 31 Parque Central 0.28i1l1 Fraccionamiento Las Palmas 0.30 32. S" Av. norte 3" calle oriente 0.28'1l:22~jEstadio Olímpico 0.27 3'3 · 15 calle oriente S" A V. norte 0.32:á:t ....Internado. Carretera Pto. Madero 0.31 34 · Colonia Aceves 0.2&1~..~~Feria Tapachula 0.13 3[;. ... Fracc. Lomas del Tacaná 0.33.~ ... COBACH (Plantel 8) 0.29 36 Col. Lomas de Savula 0.29.~~ -. , Teatro de la Ciudad 0.28 37 .. Fracc. Bonanza. Carro Talismán 0.31:vtS'~c Fracc. El Carmen 0.29 ~~::. Col. Feo. Villa 0.32'lª.'· Prol. 12 Av. Sur V Río de la Plata 0.30 _39.· .. ····Col. Barrio Nuevo 0.30J9 18 pte. V calle Río Papaloapan 0.19 40 Parque Niños Héroes 0.27.2Q 4" calle pte. V 4" calle sur 0.28 '41 Cam. del Zapato v 22 calle pte. 0.1421 4" ealle pte. V 18 av. sur 0.35 42 Frace. Villa las Flores 0.31
Figura 4. Mapa de isoperíodos propuesto para Tapachula.
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Figura. 5. Mapa de zonificación sísmica de Tapachula (suelo tipo 1)
$= Ángulodefriccióninternadelmaterial,engrados.Elmodelo analítico empleado reporta un
período natural de vibración de 0.17segun-dos, mientras que por medición de vibra-ción ambiental el período es de 0.14segun-dos, 10 que representa una muy buena pre-cisión, sobre todo si se considera la hipóte-sis en que se fundamenta el modelo analíti-co.
Zonificación sísmicaComo se señaló, el período natural de vi-bración más alto encontrado fue de 0.35se-gundos. Si se considera el mismo criterioque en el Distrito Federal, donde valoresinferiores a 0.4 segundos corresponden aterreno firme, entre 0.4 y 1.0 segundos a
--......,.QTNAD[fIM3.A
(AM1)1lTS.
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terreno intermedio y períodos superiores a1.0 a terreno blando, se puede concluir,desde el punto de vista dinámico, que lamancha urbana de la ciudad está desplan-tada sobre terreno firme o terreno tipo uno.En la Figura 5 se muestra el mapa que de-fine la propuesta de zonificación sísmicapara la ciudad de Tapachula,
Propuesta de coeficiente sísmicode diseñoTomando en cuenta los resultados antesdescritos y considerando las expresiones tra-dicionales para la construcción de espec-tros de diseño, es posible proponer un va-lor de coeficiente sísmico para el tipo deterreno que se tiene en la ciudad. Dado queel Reglamento de Construcciones de Tapa-
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chula (1971) no especifica parámetros dediseño para confiar en la seguridad estruc-tural y no existen registros disponibles desismos importantes, ni evidencias de dañoscausados en construcciones que permitanestimar la intensidad sísmica; se presentauna propuesta basada en la relación Inten-sidad de Mercalli y Coeficiente de resistenciaK, (Jara, 1989), obtenida a partir del estu-dio de daños producidos por los sismos de1985 en la ciudad de México (Iglesias,1989). Se establece la relación entre estosvalores (Tabla 2), donde el coeficiente decortante basal, correspondiente a la falla,puede igualarse al coeficiente sísmico redu-
Tabla 2. Escala de Mercalli Modificada vs Coeficientede Resistencia
cidO por ductilidad cjQ=K. Cabe agregarque dicha relación, asociada al método deanálisis estático, genera resultados del or-den de 72% de los obtenidos con el métodode análisis dinámico para edificios de con-creto de mediana altura (Gómez et al.,
6050
Ü 40z~ 30o::3 20o
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v VI VII VIII
INTENSIDAD MERCALLI
IV
",.
Figura 6. Ocurrencia de sismos en el Soconusco1900-1993 (Figueroa, 1973)
1989).De información obtenida del catálogo de
macrosismos de Figueroa (1973), se dedu-ce que el 62% de los sismos ocurridos enTapachula y lugares cercanos han tenidointensidades de V, y el 28%, intensidadesde VI (Figura 6). Aunque la ocurrencia deeventos con intensidad VI o mayor es rela-tivamente baja, para cubrir incertidumbres,dada la escasez de registros, se adopta estevalor como el de diseño, para el que K=0.06. Si se considera un factor de reducciónpor ductilidad Q=4, se tiene:
c= 4 x 0.06 = 0.330.72
De acuerdo con 10 anterior, el coeficientede diseño propuesto para Tapachula es de0.33, correspondiente a terreno tipo 1.
Para la construcción del espectro de di-seño se manejan las mismas expresionesque tradicionalmente se usan para terrenofirme, donde la ordenada espectral «a»,como porcentaje de la aceleración de la gra-vedad, está dada por:
a=c. si T < Tb
si T > Tb
«T» es el período estructural de interés,«T
b», es el valor que resulta de multiplicar
por 1.50 el máximo período obtenido convibración ambiental, a fin de considerar,
O~~:l ===0.15
o --+1 -+1 -1-1 -+-1 -I1--I-1--+-+-1--+--+---+------J1
§U)wzo
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5i o ..•.d
••• CIIci o"!o •..•..
PERIODOS (Seg)
Figura 7. Espectro de respuesta propuesto
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I '.
".
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conservadoramente, posibles errores en laestimación del período natural de las es-tructuras. Por lo que se tiene: 1.5xO.35=0.52segundos.
De las consideraciones anteriores, sepropone para la ciudad de Tapachula unespectro de diseño, para intensidad máxi-ma de VI, que se muestra en la Figura 7, enel cual la aceleración máxima es de 0.33g.,misma que es constante desde cero hastaun período del terreno de 0.52 segundos.Con valores de período mayores a 0.52 se-gundos, esta aceleración varía en formadescendente a razón de (TJT)o.5.
CONCLUSIÓN
Los resultados de este trabajo deben consi-derarse como un primer intento de incor-porar información propia al diseño sismo-resistente de estructuras en ciudades impor-tantes de Chiapas. Para mejorarlos seránecesario obtener registros del movimientolocal del terreno, para lo cual se requierede la instalación de acelerógrafos a fin deposibilitar estudios con mayor detalle. Laescasa información geotécnica existente noha permitido hacer una comprobacióncompleta de los resultados obtenidos, es porlo tanto recomendable la realización de son-deos profundos que facilite la confirmaciónde éstos.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece el valioso apoyo de la Secreta-ría de Desarrollo Urbano, Comunicacionesy Obras Públicas y la constructoraKukulcán por la información proporciona-da para la realización de este trabajo.
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