Diseño y Analisis Estructural - Informe

 

 

UNIVERSIDAD NACIONAL D E T R UJ I L L O  O  FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS ESCUELA DE INGENIERÍA AGRÍCOLA TÍTULO

: DISEÑO ESTRUCTURAL DE ALCANTARILLAS  

DOCENTE

: Ing. Carlos Cabanillas Agreda

ALUMNOS

:     

         

Cabrera Burgos, Isaí Jacinto Domínguez, Paola Otiniano Briceño, Daniel Reyes Gerónimo, Efraín Urtecho Ávila, Melany

CURSO

: Diseño y Análisis Estructural

CICLO

:

VIII TRUJILLO  – PERÚ 2017

 

 

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E scuela Pr ofe ofesional sional de I nge ngenie nierí rí a Ag Agrí rí cola cola 

INDICE

Pág.

I. 

INTRODUCCIÓ N……………………………  N………………………………………… ……………....… ….4

II. 

OBJETIVOS…………………………………………..…...... OBJETIVOS………………………………………… ......….5 ….5  

III. 

MARCO TEÓRICO…………………………………… TEÓRICO……………………………………..…... ...… …6 3.1.DEFINICION…………………………………………...… 3.1.DEFINICION …………………………………………...…66 3.2.PARTES DE UNA ALCANTARILA………………… ALCANTARILA …………………..…6 3.3.SISTEMAS DE ALCANTARILLAS…………………..… ALCANTARILLAS…………………..…66 3.4.CLASES DE ALCANTARILLAS………………… ALCANTARILLAS…………………..….…8 3.5.TIPOS DE ALCANTARILLADOS………………..… ALCANTARILLADOS………………..…....… …8

IV.  FINALIDAD Y ALCANCE………………………… ALCANCE…………………………………… …………10 10 V. 

APLICACIONES…………………………………………….…11 APLICACIONES…………………………………………….… 11

VI.  CONCLUSIONES……………………………………………… CONCLUSIONES………………………………………………19 19 VII.  RE REFERENCIAS FERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS………………….………20  BIBLIOGRÁFICAS………………….………20 

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I. 

INTRODUCCIÓN

La lluvia que cae sobre la superficie de la tierra, una parte escurre es curre inmediatamente reuniéndose en corrientes de agua; otra se evapora y el resto se infiltra en el terreno. Cuando el agua de escurrimiento o de infiltración alcanza la carretera, si no se dispone delos elementos necesarios para conducirla o desviarla, puede ocasionar la inundación de la calzada, el debilitamiento de la estructura de la carretera y la erosión o el derrumbe de los taludes, con graves perjuicios para el usuario de la vía y para la economía de la nación. La remoción de las aguas superficiales, ya sea que éstas caigan directamente sobre la  plataforma de la vía o sobre las cuencas tributarias de las corrientes que debe cruzar la carretera, se logra a través de las obras de drenaje superficial; la remoción de las aguas subterráneas, mediante los subdrenajes.  Numerosos factores deben hacerse intervenir en el estudio de los drenajes de una carretera: la Topografía, la Hidrología y la Geología de la zona; variadas ramas de la ingeniería participan en la solución del problema: la estadística, la hidráulica, el diseño estructural, etc. Debido a las diferencias en las características topográficas, hidrológicas y geológicas, los métodos de diseño de los drenajes y los coeficientes que se utilizan en las fórmulas pueden variar mucho de un sitio a otro. Ello obliga, en este texto, a una exposición de carácter fundamental, donde se señalen las prácticas de mayor aceptación. La función delos drenajes superficiales de una carretera es la de proveer las facilidades necesarias para el paso de aguas de un lado a otro de la vía, y para el drenaje de las aguas que caen directamente encima de la  plataforma y de otras áreas que desagüen des agüen en ella. En el orden enunciado, esta función es cumplida por las alcantarillas, los puentes, por las zanjas, cunetas y desagües pluviales. Una alcantarilla es un conducto que lleva agua a través de un terraplén. Es un paso a nivel para el agua y el tráfico que pasa sobre ella. A diferencia con la plataforma de los puentes, la parte superior de las alcantarillas, generalmente no forma  parte del pavimento de la carretera.

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II. 

OBJETIVOS

2.1.OBJETIVO GENERAL:   Análisis teórico experimental de diseños para alcantarillado de sección en cajón rectangular.



2.2.OBJETIVO ESPECÍFICO: d e alcantarillado en sección rectangular mediante   Observar y explicar los problemas de diseño de



el método de Cross.

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III. 

MARCO TEÓRICO

3.1.DEFINICIÓN: Una alcantarilla es un canal cubierto de longitud relativamente corta diseñado para conducir el agua a través de un terraplén (por ejemplo, carreteras, vías de ferrocarril, presas). Es una estructura hidráulica que puede conducir aguas de creciente, aguas de drenaje, corrientes naturales por debajo de la estructura de relleno en tierras o en rocas. Desde el punto de vista hidráulico, es importante si la alcantarilla fluye llena o no. 3.2.PARTES DE UNA ALCANTARILLA Una alcantarilla consta de 6 partes principales:            

    



Bocatoma: entrada o abanico. Barril: cuerpo central o garganta Difusor: salida o abanico de expansión. Batea: es el fondo del barril o cuerpo central. Corona o Clave: es el techo del cuerpo central o garganta. Muros Aleta: son los muros que permiten la transición del flujo a la entrada y a la salida de la estructura de cruce.

3.3.SISTEMAS DE ALCANTARILLADOS: Los sistemas de alcantarillado pueden ser de dos tipos:   Convencionales    No

Convencionales 6

 

 

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Los sistemas de alcantarillado sanitario han sido ampliamente utilizados, estudiados y estandarizados. Son sistemas con tuberías de grandes diámetros que permiten una gran flexibilidad en la operación del sistema, debida en muchos casos a la incertidumbre en los parámetros que definen el caudal: densidad poblacional y su estimación futura, mantenimiento inadecuado o nulo. Los sistemas de alcantarillado no convencionales surgen como una respuesta de saneamiento básico de poblaciones de bajos recursos económicos, son sistemas poco flexibles, que requieren de mayor definición y control de en los parámetros de diseño, en especial del caudal, mantenimiento intensivo y, en gran medida, de la cultura en la comunidad que acepte y controle el sistema dentro de las limitaciones que éstos pueden tener. 1.  Los sistemas convencionales de alcantarillado se clasifican en:

Alcantarillado separado: es aquel en el cual se independiza la evacuación de aguas residuales y lluvia. a)

 

Alcantarillado sanitario: sistema diseñado para recolectar exclusivamente las aguas residuales domésticas e industriales.

 b) Alcantarillado pluvial: sistema de evacuación de la escorrentía superficial producida por la  precipitación.

Alcantarillado combinado: conduce simultáneamente las aguas residuales, domesticas e industriales, y las aguas de lluvia. 2.  Los sistemas de alcantarillado no convencionales se clasifican según el tipo de tecnología aplicada y en general se limita a la evacuación de las aguas residuales. a)  Alcantarillado simplificado: un sistema de alcantarillado sanitario simplificado se diseña con los mismos lineamientos de un alcantarillado convencional, pero teniendo en cuenta la  posibilidad de reducir diámetros y disminuir distancias entre pozos al disponer de mejores equipos de mantenimiento.  b)  Alcantarillado condominillos: Son los alcantarillados que recogen las aguas residuales de un  pequeño grupo de viviendas, menor a una hectárea, y las conduce a un sistema de alcantarillado convencional. c) Alcantarillado sin arrastre de sólidos. Conocidos también como alcantarillados a presión, son sistemas en los cuales se eliminan los sólidos de los efluentes de la vivienda por medio de un tanque interceptor. El agua es transportada luego a una planta de tratamiento o sistema de 7

 

 

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alcantarillado convencional a través de tuberías de diámetro de energía uniforme y que, por tanto,  pueden trabajar a presión en algunas secciones se cciones

3.4.CLASES DE ALCANTARILLA: El requerimiento del diseño de una alcantarilla tiene su origen en la necesidad de cruzar un torrente o para restituir parte del flujo de una ladera cortado por una vía, es construido como un dren colector de descarga de aguas excedentes. Por ende, las alcantarillas se clasifican según la sección geométrica geométr ica de su barril, la forma en que el agua fluye sobre la batea y por las obras auxiliares de entrada y salida del flujo a la estructura principal. 3.4.1.  GEOMETRÍA DE LA SECCIÓN DE UNA ALCANTARILLA: La sección geométrica de una alcantarilla puede definirse de dos formas:    

Circular o deoTubo Rectangular de Cajón.

Esta elección va a depender de las condiciones cond iciones geomorfológicas del lugar y el hidrograma del Flujo. Por ejemplo una alcantarilla por debajo de un terraplén es una estructura “larga”, que opera llena (es decir como flujo en tuberías).en cambio una alcantarilla por debajo de un puente o plataforma de una carretera es una estructura corta de sección rectangular que opera con flujo a superficie libre. 3.5.TIPOS DE ALCANTARILLADOS:   Alcantarilla multicelda de cuatro cajones de sección circular.



8

 

 

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  Alcantarilla multicelda de tres cajones de sección rectangular.



  Alcantarilla de sección rectangular de dos cajones.



  Alcantarilla de sección rectangular.



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IV. 

FINALIDAD Y ALCANCE

Es una obra necesaria para permitir el acceso y la circulación interna del flujo y externa de vehículos y animales. La solución alternativa y más costosa es la ejecución de un puente de hormigón armado. Un sistema de alcantarillado puede ser diseñado para diversos propósitos: a)  Puede dejar pasar toda el agua que llega a la alcantarilla sin ningún tipo de retención.  b)  Puede restringir el paso del agua, dejando solo pasar un caudal máximo igual a su capacidad máxima. En estas condiciones la alcantarilla también cumple una función reguladora, por lo que esta opción se aplica en obras de retención con descargas semipermanentes. c)  Permite la instalación de los instrumentos hidráulicos de aviso y control de escurrimientos, propios de la investigación científica.

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V. 

APLICACIONES

El diseño de alcantarillas que cruzan la Vía, tienen la característica de tener contacto más directo con el peso de loa vehículos que pasan por caminos vecinales y tramos en donde estas son necesarias, además su carga máxima la encontramos en un vehículo conocido, es decir tendrán un eje sobre estas de un camión H20 S16, cuyo peso en una de sus ruedas es de 8 toneladas.

A.  DATOS DE CÁLCULO      

 



     

f’c= 175.00 kg/cm2 kg/cm2 Resistencia del concreto a los 28 días Fy=4200 kg/cm2 Resistencia del acero S/C = 8.00 ton H20 S16 16,000 lbs si 01 LB=

 



ø K

0.45 kg

= 1900 kg/m3 Peso especifico del suelo = 30° 30.00° Ángulo de reposo  = 0.33 tan2(45º- /2) = 0.33

1.30    h H= = 1.50 mm    b = 0.90 m   B= 1.30 m   e = 0.20 m   h1 = 0.20 m   = 2,400 kg/m3





 

espesor de la losa de concreto de las paredes altura del sardinel peso específico del concreto Suponiendo que se llegaran a pavimentar las via de cruce, se tiene.  





   

 

= 2,000 kg/m3 peso específico del concreto concreto asfaltico asfaltico e = 0.0526 espesor del concreto asfaltico

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B.  METRADO DE CARGAS 1. 

CARGA SOBRE LOSA SUPERIOR   1.1.Cargas Muertas (CM) Peso de la viga sardinel = e x h x peso. concreto = 0.20x0.20x1900 = 96 kg/m Peso propio de la losa superior = e x B x peso. concreto =1.30x0.20x2400 =624kg/m Peso del Concreto Asfaltico = e1 x B x peso tierra = 0.0526 x 1.30 x 1900 =130 kg/m TOTAL, CM = 850.00 kg/m  Efecto como carga distribuida = WCM Efecto como carga distribuida = 850.00 kg/m  kg/m 

1.2.Carga Viva (CV) La carga transmitida por el Vehículo hacia la Vía P cv = 7,264.00 kg TOTAL,, CV = 7,264 TOTAL 7,264.00 .00 kg kg Efecto como carga distribuida = WCV  Efecto como carga distribuida = 5,587.69 k g

CV/B

1.3.Carga de Diseño (W1) Según el R.N.C. W1= 1.5(CM) + 1.8( C.V ) W1= 1.5(850.00) + 1.8 (5,587.69) 11,332.85kg/m W1= 11,332.85 kg/m Carga distribuida en losa superior

2. 

CARGA SOBRE LOSA INFERIOR   2.1.Cargas Muertas (CM) Pesos de la losa Superior = 850.00 kg/m Peso propio de la losa inferior = e x B x peso. concreto 12

 

 

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=1.30x0.20x2400 =624kg/m Peso propio de las paredes = e x H x peso concreto = 0.20 x 1.50 x 2(2400) =1440 kg/m TOTAL, CM = 2,914.00 kg/m

Efecto como carga distribuida = WCM  Efecto como carga distribuida = 2,914.00 kg/m

2.2.Carga Viva (CV) La carga transmitida por el Vehículo hacia la Vía se considera P cv = 7,264.00 kg TOTAL, CV = 7,264.00 kg WCV

Efecto como como carga carga distribuida   Efecto distribuida = = 5,587.69 kg

CV/B

2.3.Carga de Diseño (W2) Según el R.N.C. W2= 1.5(CM ) + 1.8( C.V ) W2= 1.5(2,914.00) + 1.8 (7,264.00) W2= 14,428.85 kg/m Carga distribuida en losa inferior

3. 

CARGA SOBRE LAS PAREDES LATERALES  3.1.Cargas Muertas (CM) Las Cargas Muertas que actúan sobre las paredes laterales de la estructura son los empujes de la tierra. Estos empujes de tierra pueden calcularse por cualquier método conocido, recomendándose recomendándose el método gráfico o el método analítico de RANKINE. E= 1/2 g h² x C Donde: E= Empuje en (Kg) Densidad del suelo o peso específico en (kg/m³) h = A l t u r a del materi material al actuan actuante te contra contra la estruc estructura tura en (m) (m) K= Coeficiente de Balastro 13

 

 

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Cuando la parte superior del relleno es horizontal, el valor de K está dado por la formula K = TAN² (45-θ/2) (45-θ/2)   Donde: θ es el ángulo de reposo del material actuante actuante..   Cuando la parte superior del relleno forma un ángulo α con la horizontal, el valor de K  está dado por la siguiente tabla.

 

  45º  1:1

α

 

θ

  25°  30°  35°  40°  45°  50°  55° 

1:2

33º41

26º34

 

20°

 

1:1.5

  21º48  1:2.5

 

  0.38  0.29  0.22  0.16  0.12 

0.54

  0.36  0.26  0.18  0.13 

  0.18 

0.29

19º2

     0.52  0.40  0.31  0.24  0.19  0.14  0.11 

1:4

  0.44  0.33  1.00  0.20  0.15  0.11 

  0.58  0.46  0.37  0.29  0.23  0.18  0.14  0.14 

Como el relleno es horizontal tenemos que, K = TAN² (45-θ/2) (45-θ/2)   Donde ø= tan2(45º-ø/2) = 0.33

30.00°

Según se sabe se está usando los valores máximos en cada Alcantarilla, donde se ha obtenido: Donde hacen que exista dos cargas o valores: uno Superior: Ps otro Inferior: Pi Altura considerable Total:

= = H

x h1 x K = 0 xHxK >=0

Donde: Ps Pi

= =

0.00 kg/ 950.00 kg/m

En esta zona no existe carga Viva para p ara diseño por lo que la combinación Según el R.N.C. W3 = 1.50(C.M.) W3 = 1.50(950.00) W3 = 1425.00 kg/m Carga distribuida parte inferior

14

 

A NIVEL

14º02

0.72 0.60

0.48

 

1

    0.33  0.27  0.22  0.17  0.13  0.10 

0.48

0.40

 

 

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4.  SISTEMA ESTÁTICO

4.1.Cálculo de las inercias

Donde:

I

=

 b

=

h

=

I1

=

b x h³/12 Ancho de losa e I2

=

1.00

m

(analizamos solo para 1 ml)

0.20

m

(espesor de losa)

0.0007

m3

4.2.Cálculo de las rigideces K ij K 12

= =

K 14

=

K23

=

K34

=

I ij / L ij 0.0007

 

=

0.00061

m2

 

=

0.00051

m2

 

=

0.00051

m2

=

0.00061

m2

1.10 0.0007 1.30 0.0007 1.30

0.0007 1.10

 

4.3.Factor de distribución F ij

=

K/ K/ΣK  ΣK   15

 

 

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F 41 =

41 41 + 43

F 14 =

14 14 + 12

= 0.458

 

= 0.458

 

12

F 12 =

12 + 14

F 21 =

21 21 + 23

F 23 =

23 23 + 21

F 32 =

23 23 + 43

F 34 =

32 32 + 23

F 43 =

43 43 + 41

= 0.542 = 0.542

   

= 0.458

 

= 0.458

 

= 0.542

   

= 0.542

4.4.Momentos de empotramiento perfecto

4.5.Método de Cross 1-2 FD Momentos

1-4

2-1

2-3

3-2

3-4

4-3

4-1

0.543

0.457

0.543

0.457

0.457

0.543

0.543

0.457

1142.729

-80.275

-1142.729

80.275

-120.413

1454.909

-1454.909

120.413

Desequilibrio

1062.454

-1062.454

1334.496

-1334.496

Equilibrio

-1062.454

1062.454

-1334.496

1334.496

Transporte

-576.913

-485.541

576.913

485.541

-609.865

-724.631

724.631

609.865

288.456

304.932

-288.456

-304.932

242.771

362.316

-362.316

-242.771

16

 

 

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Desequilibrio

593.389

-593.389

605.086

-605.086

Equilibrio

-593.389

593.389

-605.086

605.086

Transporte Desequilibrio Equilibrio Transporte Desequilibrio Equilibrio Transporte

-322.210

-271.179

322.210

271.179

-276.524

-328.562

328.562

276.524

161.105

138.262

-161.105

-138.262

135.589

164.281

-164.281

-135.589

299.367

-299.367

-299.367 -162.556 -136.811 81.278

68.520

299.870

299.367 162.556 136.811 -81.278

-68.520

-299.870

-299.870 -137.041 -162.830 68.405

81.415

299.870 162.830 137.041 -81.415

149.799

-149.799

149.820

-149.820

-149.799

149.799

-149.820

149.820

-81.341

-68.458

81.341

68.458

-68.468

-81.352

81.352

68.468

40.670

34.234

-40.670

-34.234

34.229

40.676

-40.676

-34.229

Desequilibrio

74.904

-74.904

74.905

-74.905

Equilibrio

-74.904

74.904

-74.905

74.905

Transporte

-40.673

-34.231

40.673

34.231

-34.232

-40.673

40.673

34.232

20.336

17.116

-20.336

-17.116

17.116

20.337

-20.337

-17.116

Desequilibrio

37.452

-37.452

37.452

-37.452

Equilibrio

-37.452

37.452

-37 -37.452 .452

37.452

Transporte Desequilibrio Equilibrio Transporte Desequilibrio Equilibrio Transporte Desequilibrio Equilibrio Transporte Desequilibrio Equilibrio Transporte Desequilibrio Equilibrio Transporte Desequilibrio Equilibrio Transporte Desequilibrio Equilibrio

-68.405

-20.337

-17.116

20.337

17.116

-17.116

-20.337

20.337

17.116

10.168

8.558

-10.168

-8.558

8.558

10.168

-10.168

-8.558

18.726

-18.726

18.726

-18.726

-10.168

-8.558

10.168

8.558

-8.558

-10.168

10.168

8.558

5.084

4.279

-5.084

-4.279

4.279

5.084

-5.084

-4.279

9.363

-9.363

9.363

-9.363

-5.084

-4.279

5.084

4.279

-4.279

-5.084

5.084

4.279

2.542

2.139

-2.542

-2.139

2.139

2.542

-2.542

-2.139

4.682

-4.682

4.682

-4.682

-2.542

-2.139

2.542

2.139

-2.139

-2.542

2.542

2.139

1.271

1.070

-1.271

-1.070

1.070

1.271

-1.271

-1.070

2.341

-2.341

2.341

-2.341

-1.271

-1.070

1.271

1.070

-1.070

-1.271

1.271

1.070

0.636

0.535

-0.636

-0.535

0.535

0.636

-0.636

-0.535

1.170

-1.170

1.170

-1.170

-0.636

-0.535

0.636

0.535

-0.535

-0.636

0.636

0.535

0.318

0.267

-0.318

-0.267

0.267

0.318

-0.318

-0.267

0.585

-0.585

0.585

-0.585

-0.318

-0.267

0.318

0.267

-0.267

-0.318

0.318

0.267

0.159

0.134

-0.159

-0.134

0.134

0.159

-0.159

-0.134

0.293 -0.159

-0.293 -0.134

0.159

0.293 0.134

17

-0.134

-0.293 -0.159

0.159

0.134

 

 

Transporte Desequilibrio Equilibrio Transporte Desequilibrio Equilibrio Transporte Desequilibrio Equilibrio

Uni ver ver sida si dad d N ac acii onal onal de Tr Truji ujillo llo

0.079

E scuela Pr ofe ofesional sional de I nge ngenie nierí rí a Ag Agrí rí cola cola 

0.067

0.146

-0.079

-0.067

-0.146

0.067

0.079

0.146

-0.079

-0.067

-0.146

-0.079

-0.067

0.079

0.067

-0.067

-0.079

0.079

0.067

0.040

0.033

-0.040

-0.033

0.033

0.040

-0.040

-0.033

0.073 -0.040 0.020

-0.073 -0.033 0.017

0.037

0.040 -0.020

0.073 0.033 -0.017

-0.037

-0.033 0.017

-0.073 -0.040 0.020

0.037

0.040 -0.020

0.033 -0.017

-0.037

-0.020

-0.017

0.020

0.017

-0.017

-0.020

0.020

0.017

Transporte

0.010

0.008

-0.010

-0.008

0.008

0.010

-0.010

-0.008

Desequilibrio

0.018

Equilibrio

-0.018

0.018

-0.018

-0.010

-0.008

0.010

0.008

-0.008

-0.010

0.010

0.008

Transporte

0.005

0.004

-0.005

-0.004

0.004

0.005

-0.005

-0.004

Desequilibrio

0.009

Equilibrio Transporte SUMATORIA

-0.009

0.009

-0.009

-0.005

-0.004

0.005

0.004

-0.004

-0.005

0.005

0.004

0.002

0.002

-0.002

-0.002

0.002

0.002

-0.002

-0.002

530.549

-530.544

-530.549

530.544

18

-765.546

765.551

-765.551

765.546

 

 

Uni ver ver sida si dad d N ac acii onal onal de Tr Truji ujillo llo

E scuela Pr ofe ofesional sional de I nge ngenie nierí rí a Ag Agrí rí cola cola 

VI. 

CONCLUSIONES

 

Se pudo obtener las rigideces y los factores de distribución de cada tramo  por el método de Cross.   Mediante el método de Cross se pudo pu do obtener la sumatoria de los momentos 



de cada tramo.

19

 

 

Uni ver ver sida si dad d N ac acii onal onal de Tr Truji ujillo llo

E scuela Pr ofe ofesional sional de I nge ngenie nierí rí a Ag Agrí rí cola cola 

VIII.  REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS - 

http://gis.proviasnac.gob.pe/Expedientes/2011/LP002/ http://gis.proviasnac.gob.pe/Expedien tes/2011/LP002/DVD1/componentes DVD1/componentes/Componente%20d /Componente%20d e%20Ingenier%C3%ADa/Volumen%20n e%20Ingenier%C3%AD a/Volumen%20n%C2%B01/Anexo%20d %C2%B01/Anexo%20de%20Estructuras_M e%20Estructuras_Memoria emoria %20de%20C%C3%A1lculo%20%20(000 %20de%20C%C3%A 1lculo%20%20(0001_0491)/(1)%20 1_0491)/(1)%20%20Anexo%20de%20 %20Anexo%20de%20Estructuras% Estructuras% 20_Memoria%20de%20C%C3%A1lcul.

- file:///C:/Users/USUA file:///C:/Users/USUARIO/Downloads/q RIO/Downloads/quispe_po.pdf. uispe_po.pdf. - https://es.scribd.com https://es.scribd.com/doc/98586662/Ti /doc/98586662/Tipos-de-Sistemas-de-Alcantari pos-de-Sistemas-de-Alcantarillado. llado.

20