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Alternativas estructurales en fondos suspendidos de tanques tubulares de metal con dos celdas para almacenamiento de agua

RC: 69588
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CONTEÚDO

ARTÍCULO ORIGINAL

RASI, José Roberto [1], CAUNETTO, Donizete [2], BROETTO, Jonathan Figueiredo [3]

RASI, José Roberto. CAUNETTO, Donizete. BROETTO, Jonathan Figueiredo. Alternativas estructurales en fondos suspendidos de tanques tubulares de metal con dos celdas para almacenamiento de agua. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Año 05, Ed. 06, Vol. 12, páginas 111-135. Junio de 2020. ISSN: 2448-0959, Enlace de acceso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/ingenieria-civil/alternativas-estructurales

RESUMEN

Con la creciente demanda de reserva de agua debido a la implementación de nuevas asignaciones y condominios horizontales, que satisfacían la necesidad de la presión dinámica mínima de 100 kPa, los tanques comenzaron a tener divisiones físicas internas (células verticales) cuya célula superior tiene la cuota inferior suspendida a una altura que garantizaba la presión manométrica necesaria para cumplir con este estándar. Debido a la falta de normas técnicas brasileñas específicas para el almacenamiento de agua en un depósito de metal, se ha utilizado como parámetro de tamaño para depósitos metálicos con varias células de almacenamiento de agua verticales, el AWWA D100 en su totalidad o sólo parcialmente, principalmente debido a los esfuerzos axiales en las costas (virolas) para determinar las tensiones admisibles al pandeo (FL). Este artículo aborda el problema de elegir el tipo más adecuado de fondo de metal vertical suspendido y recoge los resultados de cinco tipos diferentes de fondos, dimensionados según AWWA D100-05. Dentro de la tipología de los 5 fondos analizados, el fondo más económico fue el fondo esférico segmentado.

Palabras clave: Tanque de metal, estándar AWWA D100, fondos suspendidos.

1. INTRODUCCIÓN

Este artículo aborda el problema de elegir el tipo más adecuado de fondo de metal vertical suspendido y recoge los resultados de cinco tipos diferentes de fondos, dimensionados según AWWA D100-05.

Con la implantación de nuevos fraccionamientos y condominios horizontales por los incentivos de la política habitacional gubernamental, principalmente por el programa habitacional del Ministerio de Ciudades, Programa Minha Casa Minha Vida (Pereira, 2017), lo que provocó un gran incremento en la demanda de tanques de almacenamiento. agua potable, mayoritariamente aérea (above ground), cilíndrica y de diferente diámetro y altura, denominada castillo de agua.

Debido a la necesidad de una presión dinámica mínima en la red pública de suministro, que según NBR 12.218/1994, debe ser de 100 kPa (10,20 m.c.a.), los tanques ahora tienen divisiones físicas internas (células verticales) cuya celda superior tiene la dimensión inferior suspendida a una altura que garantiza la presión manométrica necesaria para cumplir con este estándar, ya que normalmente las cuotas de tierra no ofrecen que el tanque sea apoyado.

Según Trees (1911), los fondos de los tanques metálicos suspendidos pueden ser de varios tipos, como planos, cónicos y esféricos o esféricos segmentados.

Visal (2017) afirma que los tanques de almacenamiento operan sin presión (o muy poco), llamados tanques atmosféricos, difilándolos de los recipientes a presión. Suelen ser de forma cilíndrica, perpendicular al suelo con un fondo plano y un techo fijo o flotante.

El diseño y la construcción de tanques cilíndricos atmosféricos requieren el conocimiento de normas técnicas específicas, materiales y mano de obra apropiadas para cada tipo de aplicación e implican una serie de otros cuidados especiales porque las anomalías e irregularidades en estos equipos pueden causar grandes pérdidas financieras o incluso pérdidas de vidas (Nunes, 2013).

Según Gomes (2017), las normas comúnmente utilizadas en Brasil para proyectos y construcciones de tanques metálicos son NBR 7821, API 650 y AWWA D100.

NBR 7821/1983 – Tanques de acero soldado para almacenamiento de petróleo y derivados, de la Asociación Brasileña de Normas Técnicas (ABNT) y la norma reguladora estadounidense API 650 – 2013 – Welded Steel Tanks for Oil Storage – del American Petroleum Institute (API), son específicos de la reserva de petróleo y derivados.

El estándar AWWA D100-05 – Welded Carbon Steel Tanks for Water Storage de American Water Works Associations tiene como objetivo proporcionar requisitos mínimos para el diseño, construcción, inspección y prueba de nuevos tanques de acero al carbono soldados para el almacenamiento de agua a presión atmosférica.

Dentro de los requisitos de dimensionamiento, el AWWA D100 presenta tres métodos para determinar la tensión de pandeo admisible (FL) para secciones cilíndricas, lo que permite la verificación de la tensión máxima de compresión debida a la carga axial y la carga axial debido a la carga de viento aplicada a las costas.

Debido a la falta de normas técnicas brasileñas específicas para el almacenamiento de agua en un depósito de metal, se ha utilizado como parámetro de tamaño para depósitos metálicos con varias células de almacenamiento de agua verticales, el AWWA D100 en su totalidad o sólo parcialmente, principalmente debido a los esfuerzos axiales en las costas (virolas) para determinar las tensiones admisibles al pandeo (FL).

2. OBJETIVOS

Objetivo general

El objetivo general de este artículo es el dimensionamiento de varios tipos de fondos suspendidos de la celda de tanque de metal vertical superior compuesto por dos celdas, dentro de las recomendaciones de AWWA D100-05, utilizando el software Autodesk Simulation Mechanical 2018.

Objetivos específicos

Los objetivos específicos son:

  • Determine las tensiones axiales en los lados de la celda inferior del tanque de metal, resultantes de las cargas axiales y laterales y compárelas con la tensión de pandeo permisible de acuerdo con las disposiciones de AWWA D100 – 05 3.4 – Column, Strut, and Shell Stability Formulas.
  • Determine los desplazamientos verticales de los fondos suspendidos.
  • Determinar el peso total de los fondos suspendidos propuestos cuantificando el área y los espesores de las placas de tamaño y las estructuras de soporte.

3. MATERIAL Y MÉTODO

El tanque presentado en este artículo es un depósito metálico, para reserva de agua, compuesto por dos células, con una capacidad de 150.00 m3 cada una (total de 300.00 m3), con cubierta de cono metálico (Figura 1), con cinco tipos de fondos suspendidos (Figuras 2A; 2B; 2C; 2D y 2E).

Figura 1: Tanque metálico de dos células con una capacidad de 300.00 m3.

Fuente: El propio autor

Tipología de los 5 fondos suspendidos propuestos:

higo.: 2A – Vigas radiales de fondo plano y mástil


Fuente: El propio autor

higo.: 2B – Vigas radiales de fondo plano sin mástil


Fuente: El propio autor

higo.: 2C – Vigas ortogonales de fondo plano


Fuente: El propio autor

higo.: 2D – Fondo cónico

Fuente: El propio autor

higo.: 2E – Fondo esférico segmentado

Fuente: El propio autor

Las acciones consideradas son las de viento, agua almacenada (acción hidrostática), sobrecarga de techo y el propio peso de la estructura (Figura 3A), liberado en el software Autodesk Simulation Mechanical.

Figura 3A – Cargas

Fuente: El propio autor

Figura 3B – Lanzamiento de cargas en el software

Fuente: El propio autor

Según Andrade junior (1998), la acción eólica se calcula según NBR 6123 – Fuerzas debidas al Veto en Edificios (1987) y, por regla general, se supone que el viento puede actuar en cualquier dirección horizontal. Como la estructura del tanque es asimétrica en relación con el eje Z, perpendicular a la dirección del viento, se considera que el viento puede enfocar perpendicularmente a cualquier geratriz del tanque.

El componente estático de la presión del viento, que actúa perpendicularmente sobre un elemento de área, se da por:

Los coeficientes de presión externos Cpe se expresan para el tipo de cuerpo de la estructura, suponiendo para la aplicación de AWWA D100-05 que CpeCf (Tabla 1).

Donde q es la presión del viento en un punto donde se produce el estancamiento del aire, obtenido de laexpresión 2: La velocidad V0 se llama velocidad básica, corresponde a una ráfaga de 3 segundos, ejercida en promedio una vez en 50 años, medida 10 m por encima del suelo, en un lugar plano y abierto. NBR 6123 (1987) presenta las isopletas básicas, en m/s. Para nuestros ejemplos, se adoptó V0 = 40 m/s.

El factor topográfico S1 se utiliza para evaluar el relieve de la tierra alrededor del edificio y adoptado igual a 1.0 para nuestros ejemplos.

Factor S2 considera el efecto combinado de rugosidad del terreno, variación de la velocidad del viento con altura por encima del terreno y dimensiones de construcción. El factor S2 se obtiene a través de la expresión 4:

Dónde: Z = altura sobre el suelo, Fr – Factor de ráfaga de viento, b = parámetro meteorológico, p – función de rugosidad del terreno e intervalo de tiempo. Para la altura del tanque de 16,0 m, rugosidad II, clase A, uno tiene S2 a 1,05.

El factor S3 es un factor estadístico que tiene en cuenta el grado de seguridad requerido y la vida útil de la estructura, teniendo en cuenta las instalaciones de embalses con bajo factor de ocupación humana (Andadre Junior, 1998), se utilizó el valor de 0,95.

Según Haffez et al (2011), se supone que los tanques están sometidos a una presión uniforme del viento (q), actuando a lo largo del eje Z, como se muestra en las figuras 3a y 3B. AWWA D100-05 recomienda el uso del coeficiente de arrastre (Cf), según la forma de la estructura, según la Tabla 1. Para los tanques tubulares con forma cilíndrica, el Cf adoptado es 0.6.

Tabla 1 – Coeficiente de arrastre Cf


Fuente: AWWA D100-05

Tenemos:

Vk = 40 . 10 . 1,05 . 0,95 = 39,90 m/s

q = 0,613 . 39,902 = 975,90 N/m² ou 99,51 kgf/m²

Δp = 0,6 . 975,90 = 585,54 N/m² ou 58,71 kgf/m².

La acción hidrostática genera efectos que actúan en las direcciones radial y vertical y dan lugar a presión lateral en el lado y presión en la parte inferior del depósito.

La sobrecarga de diseño aplicada al techo, según AWWA D100-05 artículo 3.1.3.2, debe ser de 750 N/m2 (15 lb/ft2).

El propio peso de la estructura se libera automáticamente por el software Autodesk Simulation Mechanical 2018, considerado el peso específico de los aceros utilizados en el tamaño del tanque.

El espesor de las ferolas de presión de ferolina debido a la presión hidráulica del tanque debe calcularse de acuerdo con la ecuación 3-40. 3.7 AWWA D100-05 – Cylindrical Shell Plates (ecuación 7):Dónde:

t – espesor del diseño del casco (férula), en mm

hp – altura líquida, en m

D – diámetro del tanque, en m

S – Tensión de acero admisible, en Mpa

E – Eficiencia de soldadura

G – Peso líquido específico (para el agua n.o 1)

El espesor mínimo de la hebra cilíndrica en contacto con el agua debe estar en línea con la Tabla 2 según la Sec. 3.2 de AWWA D100-05. Para el tanque de diámetro nominal de 5,73 m, el espesor mínimo prescrito es de 4,76 mm.

Tabla 2 – Coeficiente de arrastre Cf


Fuente: AWWA D100-05

AWWA D100-05 clasifica los materiales estructurales que se utilizarán en tanques en 3 clases, dependiendo del límite de flujo (Fy). El Cuadro 3 muestra esta clasificación.

Tabla 3 – Clase de material en función de Fy

Fuente: AWWA D100-05

El material utilizado en las costas, fondos y techos es ASTM A36, caracterizado por un módulo de elasticidad (E) igual a 205.000 Mpa, coeficiente de Poisson (μ) igual a 0,30, densidad (γ) de 77.000 N/mm3, tensión de flujo fy a 250,00 Mpa y última tensión fu 200.00 Mpa. El material utilizado en las estructuras de soporte de los fondos suspendidos (vigas W y C) es el ASTM A572 (grado 50) con voltaje de flujo fy a 345,00 Mpa y última tensión fu a 450,00 Mpa. Se clasifican como material de clase 2.

La Tabla 4 muestra las principales tensiones admisibles prescritas por AWWA D100-05, dependiendo de la clase de materiales y aplicaciones en los depósitos.

Tabla 4 – Tensiones admisibles en aplicaciones

Fuente: AWWA D100-05 – modificado por el autor.

Para la verificación de la estabilidad debido al pandeo de la costa del tanque, el AWWA D100-05 prescribe 3 métodos de análisis. Para este trabajo, se utilizó el Método 1, que es un procedimiento simplificado basado en técnicas de análisis de membrana. Para los materiales de clase 2, la relación espesor/radio del depósito al que el pandeo cambia de elástico a inelástico (t/R)c es 0.0025372. La tensión permisible para el pandeo para el material de clase 2 se da mediante las siguientes fórmulas:

Cuando 0 ≤ t/R ≤ (t/R)c significa que el pandeo se produce en el régimen elástico y la tensión admisible para el pandeo se indica en la ecuación 8:

Cuando (t/R)c ≤ t/R ≤ 0.0125 significa que el pandeo se produce en el régimen inelástico y la tensión permisible para el pandeo se da por la ecuación 9:

Cuando t/R > 0.0125, significa que el pandeo se produce en plástico y la tensión permisible para el pandeo es constante y vale la pena:Tabla 5 – Los valores de eficiencia de soldadura se presentan parcialmente de la Table 15 Weld design valuestank plate joints, donde sólo se presentan los valores de soldadura. Para el trabajo en lienzo, se consideró la soldadura de doble chaflán frontal con acolchado completo.

Tabla 5 – Valores de eficiencia de soldadura en %

Fuente: AWWA D100-05 – modificado por el autor.

4. RESULTADOS

El modelado numérico y el análisis se realizaron utilizando un software comercial de análisis y diseño estructural Autocad Simulation Mechanical 2018.  Cada férula del tanque fue modelada como un elemento de concha con espesores de diseño constantes, con propiedades isotrópicas y con un plano medio posicionado centralmente. En la parte superior del tanque, hay un anillo vertical circular modelado con perfil L rígidamente unido a los elemnetos. Las dimensiones de elementos finitos son 0,20 x 0,20 m (discretización). Para cada tipo de tanque, según la tipología de cada fondo suspendido, se creó un modelo de elemento finito 3D (Figura 4).

Figura 4: Tanque de metal discretizado

Fuente: El propio autor

A partir del espesor mínimo según la Tabla 2, para el dimensionamiento de la hebra también se verificó el espesor debido a la presión circunferencial, utilizando la ecuación (7) y el espesor debido al pandeo, con la determinación de la tensión permisible (FL), utilizando las ecuaciones (8) y (9) y las tensiones axiales de las hebras determinadas por el software de Simulation Mechanical y en comparación con las tensiones admisibles calculadas (FL). El espesor requerido de cada férula es el espesor más grande dentro de los 3 criterios.

La Tabla 6 muestra en detalle el Van Misse, Tensión Circunferencial y tensión axial en cada férula de los 5 tanques estudiados con diferentes tipos de fondos suspendidos.

Tabla 6 – Dimensionamiento de las costas según AWWA D100 – 05

Fuente:El propio autor

La Figura 5 muestra el tanque con los espesores requeridos para cada férula del lateral.

Figura 5: Tanque con los espesores finales de la hebra

Fuente: El propio autor

Las figuras 6A, 6B, 6C y 6D muestran los resultados de los análisis con tensiones Van Misse, tensiones circunferenciales y tensiones axiales en cada férula para el tanque con fondo de la celda 2, con vigas radiales W y mástil central. Los valores obtenidos se alimentaron en la tabla 6. Se realizaron análisis iguales en los otros 4 tanques que completan este trabajo.

higo. 6A: Van Misse Tensions in 3D Cut

Fuente: El propio autor

higo. 6B: Tensiones de Van Misse


Fuente: El propio autor

higo. 6C: Tensiones circunferenciales


Fuente: El propio autor

higo. 6D: Cepas axiales

Fuente: El propio autor

Los fondos suspendidos analizados en esta obra, con la excepción de la parte inferior con vigas radiales y mástil central (Figura 2A), fueron diseñados como auto apoyados y soportados sólo en el lado de los tanques. Los resultados de los análisis se presentan a continuación.

El fondo suspendido con vigas radiales tipo W y mástil central, cuya geometría se muestra en la Figura 7, donde tiene el mismo diámetro nominal del tanque, D = 5.730,00 mm, número de vigas de soporte a 18 piezas, Perfil de la viga W = 310 x 28,3, material de viga W = ASTM A572 – grado 50, diámetro del mástil central = 640,00 mm, espesor del mástil central = 6,35 mm, material de la placa del mástil central a ASTM A36, espesor de la placa inferior = 7,95 mm (5/16″), material de la placa inferior = ASTM A36.

Carga inferior – Presión hidrostática h a 5,80 m.c.a.

Figura 7: Disposición de fondo con vigas radiales y mástil central

Fuente: El propio autor

Las tensiones en la placa inferior y las vigas de soporte se muestran en las figuras 8A y 8B.

Figura 8A: Tensiones en el fondo suspendido Tensión máxima de 90,0 Mpa


Fuente: El propio autor

Figura 8B: Tensiones en los haces de soporte Tensión máxima de 64,9 MPa


Fuente: El propio autor

Figura 8C: Desplazamientos verticales (mm)


Fuente: El propio autor

Figura 8D: Tensiones axiales en el mástil Tensión máxima de 37,6 Mpa


Fuente: El propio autor

El fondo suspendido con vigas radiales tipo W y sin central, cuya geometría se muestra en la Figura 9, donde tiene el mismo diámetro nominal del tanque, D a 5.730,00 mm, número de vigas de soporte a 18 piezas, perfil de viga W = 310 x 44,5, material de viga W = ASTM A572 – grado 50, viga de soporte circunferencial U 6″ primera alma, material de viga U = ASTM A572 – grado 50, espesor de la placa inferior = 7,95 mm (5/16″), material de la placa inferior = ASTM A36.

Carga inferior – Presión hidrostática h a 5,80 m.c.a.

Figura 9: – Disposición de fondo con vigas radiales y sin mástil


Fuente: El propio autor

Figura 9A – Tensiones en el fondo suspendido Tensión máxima de 87,4 Mpa


Fuente: El propio autor

Figura 9B – Tensiones en los haces de soporte Tensión máxima de 89,2 MPa


Fuente: El propio autor

Figura 9C – Desplazamientos verticales (mm)


Fuente: El propio autor

El fondo suspendido con vigas ortogonales (rejilla) tipo W y sin central, cuya geometría se muestra en la Figura 10, donde tiene el mismo diámetro nominal del tanque, D = 5.730,00 mm, número de vigas de soporte de 10 piezas, perfil de viga W = 360 x 72, material de viga W = ASTM A572 – grado 50, viga de soporte circunferencial U 6″ primera alma, material de viga U = ASTM A572 – grado 50, espesor de la placa inferior = 9,53 mm (3/8″), material de la placa inferior = ASTM A36.

Carga inferior – Presión hidrostática h = 5,80 m.c.a.

Figura 10: – Disposición de fondo con vigas ortogonales (grille) y sin mástil


Fuente: El propio autor

Figura 10A – Tensiones en el fondo suspendido Tensión máxima = 79,9 Mpa


Fuente: El propio autor

Figura 10B – Tensiones en los haces de soporte Tensión máxima = 85,7 MPa


Fuente: El propio autor

Figura 10C – Desplazamientos verticales (mm)


Fuente: El propio autor

El fondo suspendido en forma de cono, cuya geometría se muestra en la Figura 11 (corte), donde tiene el mismo diámetro nominal del tanque, D = 5.730,00 mm, espesor de la placa inferior de 9,53 mm (3/8″), material de la placa inferior = ASTM A36. Carga inferior – Presión hidrostática h = 5,80 m.c.a.

Figura 11: – Esquema de fondo cónico en corte

Fuente: El propio autor

Figura 11A – Tensiones en el fondo suspendido Tensión máxima = 90,8 Mpa

Fuente: El propio autor

Figura 11B – Desplazamientos verticales (mm) Tensión máxima = 7.359 mm

Fuente: El propio autor

La parte inferior suspendida en semi esfera o formato inferior esférico segmentado cuya geometría se muestra en la Figura 12 (corte), donde tiene el mismo diámetro nominal del tanque, D = 5.730,00 mm, espesor de la placa inferior = 4,75 mm (3/16″), material de la placa inferior = ASTM A36. Carga inferior = Presión hidrostática h = 5,80 m.c.a.

Figura 12: – Esquema del fondo esférico segmentado por cortes.

Fuente: El propio autor

Figura 12A – Tensiones en el fondo suspendido Tensión máxima á 88,32 Mpa


Fuente: El propio autor

Figura 12B – Desplazamientos verticales (mm) Tensión máxima = 7.359 mm


Fuente: El propio autor

Los pesos de los fondos suspendidos se calcularon sin determinar los recortes o el uso de aletas y sobras, calculando sólo las superficies de las placas multiplicadas por el peso / m2. El Cuadro 7 muestra el resumen general de los pesos de los 5 tipos de fondos suspendidos y estas diferencias se pueden ver en el gráfico de tipo de fondo peso total x en la Figura 13.

Cuadro 7 – Pesos del fondo suspendido

Fuente: El propio autor

Figura 13 – Comparaciones de los pesos de los fondos

Fuente: El propio autor

Los desplazamientos máximos verticales de los fondos suspendidos se muestran comparativamente en la Figura 14.

Figura 14 – Comparaciones de desplazamientos máximos verticales


Fuente: El propio autor

5. CONCLUSIONES

A partir de los resultados obtenidos, se concluye que el fondo de suspensión esférica segmentada es el más económicamente viable y también el más recomendado técnicamente, ya que presenta el desplazamiento vertical más pequeño, bajo carga completa.

El fondo suspendido de tipo cono también es económicamente viable, pero tiene desplazamiento vertical bajo carga algo excesiva, y debe comprobarse si interfiere con las tuberías. El desplazamiento vertical podría disminuirse con el uso de placas de refuerzo triangulares, apoyando la parte inferior en los lados laterales.

El fondo suspendido apoyado por vigas ortogonales es totalmente antieconómico.

REFERENCIAS

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 7.821, Tanques soldados para armazenamento de petróleo e derivados. Rio de Janeiro, RJ. Abril de 1983.

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 6.123, Forças devido ao vento em edificações. Rio de Janeiro, RJ. Junho de 1988.

ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR 12.218, Projeto de rede de distribuição de água para abastecimento público. Rio de Janeiro, RJ. Julho de 1994.

ANDRADE JUNIOR, L. J. Análise estrutural das chapas metálicas de silos e reservatórios cilíndricos. Dissertação de mestrado. Escola de Engenharia de São Carlos. Universidade de São Paulo, 1998.

API – American Petroleum Institute, API 650, Welded Steel Tanks for Oil Storage, decima terceira edição, Washington D. C., Março de 2013.

AWWA – American Water Works Association, AWWA D100-05, Welded Steel Tanks for Water Storage. Edição atualizada. Denver, Colorado. Maio 2005.

GOMES, E. F.  Soldagem em reservatórios metálicos para armazenamento de água. Trabalho de conclusão de curso. Curso de especialização em Engenharia de soldagem. Universidade Federal de Minas Gerais, 2017.

HAFEEZ, G., EL ANSARY, A. M. & EL DAMATTY, A. A. Effects of winds load son the stability of conical tanks. Can. J. Civ. Eng. 38, Published by NCR Research Press, 2011.

PEREIRA, P. M. F. Análise dos conjuntos habitacionais do programa Minha Casa, Minha Vida na cidade de Monte Alegre de Minas- MG.  Dissertação de mestrado. Faculdade de Geografia. Universidade Federal de Uberlândia, 2017.

TREES, M. J. Design of elevated steel tanks. Thesis. University of Illinois, Urbana-Champaign, 1911.

VISAL, B. & SIBIN, B. Design and analysis of storage tanks. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology. Vol. 6, Issue 5. maio 2017.

[1] Máster en Estructuras y Construcción Civil; Especialización en Construcciones Industriales; Especialización en Ingeniería Ambiental; Especialización en Ingeniería de Seguridad; Ingeniero Civil e Ingeniero de Operaciones Mecánicas.

[2] Especialización en Ingeniería Estructural e Ingeniería Civil.

[3] Ingeniero Civil.

Enviado: Marzo de 2020.

Aprobado: Junio de 2020.

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José Roberto Rasi

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