DIR -DISEÑO ALCANTARILLA TIPO METALICA LISTO

FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA

2012

I.

GENERALIDADES……………………………………………………………………………………..3

1.1.

ANTECEDENTES…………………………………………………………………………………….....3

1.2.

FINALIDAD Y OBJETIVOS………………………………………………………………………….3

II.

SITUACIÓN ACTUAL DEL ÁREA DEL PROYECTO……………………………………….4

2.1.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS GENERALES…………………………………………………..4

2.1.1. UBICACIÓN Y LÍMITE DEL ÁREA DE INFLUENCIA DEL ESTUDIO………………..4 2.1.2. Ubicación geográfica, hidrográfica, política y administrativa del Proyecto……………………………………………………………….……5 2.1.3. Topografía…………………………………………………………………………………………….…7 2.1.4. Fisiografía……………………………………………………………………………………………..…7 2.1.5. Recursos hídricos - fuentes de agua………………………………………………………...7 2.1.6. Características del suelo de fundación…………………………………………...………..8 2.2.

CARACTERISTICAS SOCIOECONOMICAS………………………………………….………. 8

2.2.1. Población…………………………………………………………………………………………..…….8 2.2.2. Actividad principal……………………………………………………………………………….… 8 2.3.

CARACTERISTICAS AGROECONOMICAS…………………………………………………… 8

2.3.1. Área agrícola……………………………………………………………………………………..…… 8 2.3.2. Estructura y forma de tenencia de la tierra………………………………………….….8 2.3.3. Actividad agrícola y pecuaria……………………………………………………………..……9 2.3.4. Comercialización de los productos agropecuarios…………………………..………9 2.3.5. Organización de los usuarios del agua…………………………………………………..…9 Diseño De Infraestructura De Riego

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III.

INGENIERIA DEL PROYECTO……………………………………………………………..…...9

3.1.

DATOS BASE…………………………………………………………………………………….…….,.9

3.1.1. Topografía……………………………………………………………………………………….………9 3.1.2. Características Hidráulicas Del Canal………………………………………………….......9 3.1.3. Planteamiento Hidráulico……………………………………………………………….….… 10 3.2.

CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS……………………………………………………………10

3.2.1. Geomorfología………………………………………………………………………………….……10 3.2.2. Lito-estratigrafía……………………………………………………………………………….…..10 3.2.3. Geodinámica externa……………………………………………………………………….….…10 3.3.

DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UNA ALCANTARILLA TIPO METALICA……………………………………………………….……11

3.3.1. Diseño hidráulico……………………………………………………………………………….….12 3.3.2. Diseño estructural……………………………………………………………………………...….18

Diseño De Infraestructura De Riego

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FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA I. 1.1.

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GENERALIDADES ANTECEDENTES.

La comisión de regantes de Lambayeque perteneciente a la junta de usuarios del distrito de riego Chancay – Lambayeque, departamento de Lambayeque, no posee una apropiada infraestructura de obras de arte y servicios de agua para irrigación, la existente en casi todo su trayecto es de tierra, ocasionando perdidas por infiltración y por acumulación de malezas y hiervas acuáticas, excepto en el casco urbano que es revestido. El presente proyecto se origina por la iniciativa del docente del curso de Diseño de Infraestructura de Riego: Ing. Víctor Cornetero Ayudante y los estudiantes integrantes del grupo que buenamente proporcionan apoyo técnico para el desarrollo del presente proyecto. Se hace con la finalidad de solucionar el problema del transcurso del recurso hídrico que recoge y da paso a las aguas llovedizas, drenajes de los terrenos de cultivo y permitir el paso de vehículos o de personas. Y se refiere a cómo utilizar las alcantarillas desde un punto de vista hidráulica con lo cual transporta recurso agua de riego que se emplea, para conducción con el fin de no afectar los suelos y caminos.

1.2.

FINALIDAD Y OBJETIVOS

El objetivo del diseño es contribuir con una propuesta adecuada para ayudar solucionar el problema del transcurso del recurso hídrico, que es interceptado por una vía carrozable, que une los campos de cultivo de caña de azúcar con las empresas azucareras de ferreñafe, también une el pueblo de capote con Lambayeque.


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FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA II.

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SITUACIÓN ACTUAL DEL ÁREA DEL PROYECTO

2.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS GENERALES 2.1.1. UBICACIÓN Y LÍMITE DEL ÁREA DE INFLUENCIA DEL ESTUDIO El área de influencia del estudio, se ubica en el sector rural de la ciudad de Lambayeque, pertenece al Distrito de Lambayeque, se ubica a una distancia de 4 Km al noreste de la ciudad de Lambayeque, y a 25 msnm. Límites: Por el Norte : Distrito de Mochumi Por el Sur

: Distrito de Lambayeque

Por el Este

: Distrito de Ferreñafe

Por el Oeste : Océano Pacifico Figura N°: 01 Ubicación Del Proyecto


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2.1.2.

Ubicación geográfica, hidrográfica , política y administrativa del Proyecto Ubicación Geográfica: Longitud: 79°53’29” W Latitud: 6°41’58’’ S Altitud

: 25.00

Ubicación hidrográfica: Vertiente

: Océano Pacífico

Cuenca

: Río Chancay – Lambayeque

Ubicación política: Departamento

:

Lambayeque

Provincia

:

Lambayeque

Distrito

:

Lambayeque

Ubicación administrativa: Junta de usuarios del distrito de riego Chancay – Lambayeque Comisión de regantes de Lambayeque


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Figura Nº 02 - Ubicación Departamental del Proyecto

Figura Nº 03 - Ubicación Provincial del Proyecto

Fuente: INEI


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Figura Nº 04 - Ubicación Distrital del Proyecto

2.1.3. Topografía La topografía en el valle es mayormente plana. En relación con la pendiente del terreno, se presenta casi plana en la llanura aluvial,. La mayor parte de las tierras de la superficie (82%) representa un grado de inclinación del terreno casi a nivel (0.1 a 2 por mil); y un 17% ligeramente inclinado (2.1 a 5 por mil). El microrrelieve en su mayoría es plano; menos de 0.5% de la superficie de las tierras es ligeramente ondulado y menos del 0.2% son tierras onduladas, lo que expresa la poca o nula necesidad de realizar movimientos considerables de tierras destinados a efectuar nivelaciones. 2.1.4. Fisiografía La llanura aluvial que sustenta una agricultura muy importante (principalmente caña de azúcar y arroz), está formada por los depósitos de materiales transportados por el río Lambayeque. La llanura cubre casi toda la extensión del paisaje; en ésta se encuentran diseminadas y aisladas pequeñas lomas, los terrenos son planos y con escasa gradiente. 2.1.5. Recursos hídricos - fuentes de agua La fuente de abastecimiento hídrico para el presente proyecto es el Río Lambayeque. En temporada de estiaje o seca (mayo a octubre), el caudal que escurre es de 30.0 l/s, Diseño De Infraestructura De Riego

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como mínimo. En la época lluviosa o húmeda (noviembre a abril), el caudal es superior a los 2.5 m³/seg. 2.1.6. Características del suelo de fundación Los suelos sobre los que se emplazará el Proyecto es de origen fluvio-aluvional, de textura fina (arcillo limosa),según el mapa de peligros en Lambayeque del INDECI : mapa geotécnico (ver en anexos) le corresponde una clasificación SUCS CL-ML con una descripción arcilla de baja plasticidad o limo de baja plasticidad. 2.2. CARACTERISTICAS SOCIOECONOMICAS 2.2.1. Población La población beneficiada por este proyecto es la comisión de regantes de Lambayeque que actualmente cuenta con 560 usuarios. 2.2.2. Actividad principal La actividad principal de la población es la agricultura en un 100% de los usuarios 2.3. CARACTERISTICAS AGROECONOMICAS 2.3.1. Área agrícola El área agrícola potencial existente en la zona es de 1560 has, las que se encuentran repartidas bajo riego casi en su totalidad, con el proyecto se pretende mejorar integralmente la capacidad de conducción para dotar la cantidad suficiente a las parcelas que se riegan mediante un sistema de riego por gravedad.

Según información oral de la comisión de regantes que mediante quejas de los usuarios los que se encuentran en las partes ultimas o terminales del canal les llega menos agua de la que solicitan debido a las perdidas por filtración en el canal San Rumualdo, por lo se limita y raciona el recurso hídrico para los terrenos. 2.3.2. Estructura y forma de tenencia de la tierra La explotación de las tierras de cultivo se realiza directamente, a través de posesiones individuales conducidas por los mismos usuarios. La extensión promedio de las parcelas varía de 1.5 ha a 2.5 ha.


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2.3.3. Actividad agrícola y pecuaria. Los cultivos principales de la zona son el arroz, algodón en la campaña grande y para aprovechar la humedad restante después de esta campaña se siembra menestras y maíz para forraje. La tecnología de cultivo empleada es baja excepto la de cosecha del arroz que es mecanizada. Del total de la producción agrícola, el 95% es destinado al mercado. El 5% restante es dedicado al consumo propio. A nivel familiar, en pequeña escala, se tienen crianzas de aves de corral y animales menores. 2.3.4. Comercialización de los productos agropecuarios. Los productos destinados a la venta son canalizados a través de los propios interesados (usuarios) y mediante intermediarios acopiadores (molinos), hacia los mercados de Lambayeque y Chiclayo. 2.3.5. Organización de los usuarios del agua La Comisión de Regantes, elegida en asamblea general de los usuarios, se ocupa de la administración, mantenimiento y reparación de la infraestructura de riego. El Ministerio de Agricultura no interviene en la distribución de agua de riego.

III. INGENIERIA DEL PROYECTO 3.1. DATOS BASE 3.1.1. Topografía: se realizo trabajos de campo con nivel topográfico el cual ha permitido obtener las cota de fondo del canal 25.23 m.s.n.m y la calzada 27.824 m.s.n.m y se realizaron medidas del tramo a proyectar el diseño. 3.1.2. Características Hidráulicas Del Canal  Caudal: 2.5 m³/s  Y: 0.8 m  Z: 0.87  Velocidad: 1.2m/s  S: 0.006 La mayoría de estos datos son información de campo, el caudal fue adquirido de la comisión de regantes, y realizando un aforo por método del flotador el Diseño De Infraestructura De Riego

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resultado se aproximaba bastante a 2.5 m³/s por lo que optamos realizar el diseño con este valor. 3.1.3. Planteamiento Hidráulico El diseño hidráulico Se ha planteado considerando que:  Se diseñara para tipo de flujo I y con transiciones de tierra aguas arriba y aguas debajo de la estructura. Por lo cual se basa en los siguientes criterios de diseño  Alcantarilla hidráulicamente larga  Salida sumergida  Flujo lleno Altura De Cobertura: para un tubo metálico se estableció una cobertura mínima hcmin, equivalente a la octava parte del diámetro o la luz de la estructura, por ser un conducto para carreteras.  Coeficiente de rugosidad del acero: se planteo de acuerdo a la condición interna del tubo que será sin pavimentos con un n: 0.024. 3.2. CARACTERÍSTICAS GEOLÓGICAS 3.2.1. Geomorfología En los aspectos geomorfológicos, la zona del proyecto tiene un relieve de forma llano, con pendiente promedio de 1 a 2 por mil.

3.2.2. Lito-estratigrafía La zona de estudio está ocupada por depósitos aluviales jóvenes, de deposiciones recientes y sin perfil desarrollado, generalmente estratificadas y por lo tanto azonales o azónicos. Varían considerablemente con profundidad y textura, desde ligeros y superficiales, hasta profundos y pesados. En su perfil se halla, preponderantemente, materiales eólicos que el viento acarreó playas adentro a partir de la costa marina, de los desiertos aledaños y/o de las mesetas circundantes. 3.2.3. Geodinámica externa No se observa evidencia de la ocurrencia de fenómenos de geodinámica externa, como deslizamientos, derrumbes, etc., por lo cual se considera que no existe riesgos que afecten a la obra, salvo la ocurrencia de un evento sísmico no predecible. Diseño De Infraestructura De Riego

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FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA 3.3.

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DISEÑO HIDRAULICO Y ESTRUCTURAL DE UNA ALCANTARILLA TIPO METALICA

a) DATOS  Un camino carrozable cruza un canal  Para viabilizar el tráfico se propone instalar en el canal un tubo metalico por debajo de un terraplén. b) CARACTISTICAS DEL CANAL Q = 2.5 m3/s Y = 0.80m S = 0.006 Z = 0.87



V = 1.20 m/s b = 1.85 m n = 0.030 elevación del fondo = 25.230 msnm.

El camino permite el tránsito de un tren de carga fija tipo H – 15

Figura N°: 05 vista en planta y perfil del canal en el que se proyecta instalar una alcantarilla


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3.3.1. DISEÑO HIDRAULICO 

Se diseñara para flujo tipo I y con transición de tierra aguas arriba y aguas debajo de la estructura.

A. DIAMETRO DEL TUBO  En la tabla, para transición de tierra Vmax = 1.07 m/seg  Como : Q = V.A ; A=Q/V Amin = Q / Vmax Amin = 2.5 / 1.07 Amin = 2.34m2 Amin = π D2 min / 4 2.34 = π D2 min / 4 D min = 1.72 m (67.9”) 

Seleccionamos diámetro definitivo D = 69 ” ó 1.753 m con área A = 2.413 m2

B. VELOCIDAD DEL AGUA EN EL TUBO, V2  

Velocidad del agua en la transición V = 1.07 m/seg Velocidad del agua en el tubo: V2 = Q / A ; 2.5 / 2.413 = 1.04 m/s

Como: 1.04 < 1.07…………………………………..OK! C. SELECCIÓN DE LA PENDIENTE So 0.005 ≤ So ≤ 0.02 Pendiente del canal:

S = 0.006

Si S ˃ 0.005 la pendiente de la alcantarilla será la pendiente del canal 

CONCLUSION: la pendiente de la alcantarilla será:


So = 0.006

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D. LONGITUD DE LA TRANSICION

L min = 3D LT = 3 x 1.753 = 5.26 m Selecciono:

Lt = 5.30 m

E. ELEVACION EN EL PUNTO B Para el flujo tipo I, la tubería fluirá llena y debe cumplirse lo siguiente: Figura N°: 06

1.5V²/2g Y1=0.80 D

A elevA: 25.23

V2

B 5.30



Por encima de la alcantarilla debe existir una carga hidráulica de 1.5 V2 / 2g 1.5 V22 / 2g = 1.5 x (1.04 )2 /2 x 9.81 = 0.082 m. En la fg. Elev. B = elev. A + Y1 – (1.5 V22/2g) – D = 25.23 + 0.8 – 0.082 – 1.753 Elev. B = 24.195 msnm.


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F. LONGITUD DE LA ALCANTARILLA. (Lo). Figura N°: 07 E CO = 5.5 m 1 Z

h

h

Y1=0.80

L 1.75

A elevA: 25.23

Y3= 0.80

D

5.30

C

Lo

B elevB: 24.195

D

Zh

SO: 0.006

Zh

5.30

)√

( (

)

Donde: Lo= Longitud de la alcantarilla Co= 5.5 m z= 1.5 So= 0.006 h= Elev. E – Elev. B h = 27.824 – 24.195 = 3.629 m

(

)√ (

)

PROYECCION HORIZONTAL DE LA ALCANTARILLA (L) (

) (

(

) )

(


)

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Se opta por seleccionar una longitud de alcantarilla Lo = 16.5 m

G. Elevación en el punto C. Figura N°: 08 E CO = 5.5 m 1 Z

h

h

Y1=0.80

L 1.75

A elevA: 25.23

SO: 0.006

Zh 5.30

Y3= 0.80

D Lo

B elevB: 24.195

D

Zh

C

5.30

Elev C = Elev B –So L Elev C =24.195 – 0.006 *16.55 Elev C = 24.096 m.s.n.m

H. ELEVACION DEL PUNTO D Como la pendiente del canal no posible modificarla, la ubicación del punto D. se determina en base a la longitud L’, incluye las longitudes de las transiciones y la alcantarilla. Figura N°: 09 L´

SOL´

D

SO: 0.006

A elevA: 25.23 B elevB: 24.195

C elevC: 24.096

Elev. D = Elev. A – SL’ Elev. D = 25.23 – 0.006*27.1 = 25.067 msnm


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FACULTAD DE INGENIERIA AGRICOLA I.

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Carga hidráulica disponible (H). Figura N°: 10

H Y1=0.80

Y3= 0.80

1.75 D

A elevA: 25.23

D elevD 25.067

SO: 0.006 B elevB: 24.195 5.30

C elevC: 24.096 15.50

5.30

H = (Elev. A + Y1) – (Elev. D + Y3) Pero Y1 = Y3 por cuanto el Q, la sección transversal y (S) del Canal son las mismos en ambos puntos; por lo tanto H = Elev. A – Elev. D H = 25.23 - 25.067 H = 0.163 m J.

Perdida de carga en la alcantarilla (HT)  Perdida de carga a la entrada (he): Ke = 0.9 para extremo de entrada de alcantarilla sobresaliente desde el relleno (sin muro de cabecera) He = ke*v22/2g He = 0.9*(1.04 )2/2*9.81 He = 0.0493 m  Perdida de carga en el tubo o perdida de carga por fricción (hf): Hf = Sf*L (

)

Tabla N° 03:


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Valor de n = 0.024 para una condición interna del tubo sin pavimentar (

) (

)

 Perdidad de carga a la salida (hs). (

)

V3 : velocidad del agua en el canal ks = 1 para alcantarilla de tubo con transición de tierra (Tabla N° 01) (

)

Perdida de carga total será: HT= he + hf+hs HT = 0.0493 + 0.0307 + 0.0014 HT = 0.0813 m Por rango de seguridad a HT se le afecta de un coeficiente de (1.1), por lo que la perdida de carga total definitiva será: HT = 1.1 * 0.0813 = 0.0894 m K. Verificar si el sistema funciona hidráulicamente: El sistema funciona hidráulicamente si H ≥HT H = 0.163 m HT = 0.0894 m

0.163 ≥ 0.0894……. OK!!!

En conclusión la alcantarilla opera hidráulicamente para el flujo tipo I.


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L. Verificar la pendiente de la transición (ST) ST ≤ 0.25 Este límite garantiza una reducción de la turbulencia en la transición y un cambio gradual del prisma de agua hacia la alcantarilla. En la transición de la entrada. ST = (Elev. A – Elev. B)/5.3 ST = (25.23 – 24.195)/5.3 ST = 0.195 En la transición de la salida. ST = (Elev. D – Elev. C)/5.3 ST = (25.067 – 24.096)/5.3 ST = 0.18 0.195 < 0.25…………………..OK! 0.18 < 0.25………………….. OK!

3.3.2. DISEÑO ESTRUCTURAL: A. Objetivó: Hallar el espesor de la plancha y el tipo de corrugación. B. Datos Diámetro = 1.753 m C.V = H – 15 ϒs = 1600 kg/m3 C. Altura de cobertura hc = Elev. E – (Elev. B + D) hc = 27.824 – (24.195 + 1.753) hc = 1.876 m


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Verificar con hc min hc min = diámetro /8 ≥ 30 cm hc min = 175.3/8 ≥ 30 cm hc min = 21.91

D. Carga viva En el grafico: Para el tren de carga H – 15 y

C.V = 870 kg/m2 E. Carga muerta CM = ϒs * hc CM = 1600 * 1.876 CM = 3001.765 kg/m2 Para fines de diseño se considera un grado de compactación promedio del 85% de la densidad natural del material. F. Densidad del relleno: 85% G. Presión de diseño, p. Si hc ≥ L ó Φ → p = k(CV + CM) hc= 1.876 m D = 1.753 m K: coeficiente de carga, se obtiene del grafico K = 0.86 hc = 1.876m Φ = 1.753m por lo tanto p = k(CV + CM) P = 0.86 * (870 + 3001.765) P = 3330 kg/m2


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H. Compresión anular; C. C=p*r C = 3330 * 1.753/2 C = 2918 kg/m2 I.

Esfuerzo admisible por compresión de la pared del tubo σ = 0.5 σmáx σmáx = esfuerzo máximo por compresión que soporta la pared del tubo. σmax = esta en función del (D/ro) si D/ro < 294 → 2,300 kg/cm2 si 294 < D/ro < 500 → σmax = 2812.31 – 0.0057 (D/ro)2 si D/ro > 500 → σmax = 3.47 * 108/(D/ro)2 donde D = Φ ó L ro = radio de giro en cm Cuadro N°: 01 Corrugaciones Polg 1 1/2 * 1/4 2 * 1/2 2 2/3 * 1/2 3*1 6*2

mm 38.1 * 6.35 50.8 * 12.70 67.6 * 12.70 76.2 * 25.40 152.4 * 50.80

ro cm 0.2032 0.4318 0.4369 0.8738 1.7475

En tabla seleccionamos corrugaciones y ro 76.2 * 25.40

ro = 0.8738 cm

En consecuencia D/ro = 175.3/0.08738 = 201 ⁄


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Por lo tanto En consecuencia el esfuerzo admisible por compresión de la pared del tubo será:

J.

Espesor de la pared del tubo ⁄ Con este valor se va a la tabla 1.3 y ubicamos para la corrugación elegida el valor de 2.515 ó el mas cercano. En este caso el valor mas cercano a 2.515 es 9.419 cm2/m y para este valor le corresponde un espesor de 0.86 mm y un MI (Tabla 1.4) de 7.016 cm4/m. Para verificar si la combinación de corrugaciones y espesor tiene la suficiente rigidez para el armado en planta o en obra, se procede a calcular su coeficiente de flexibilidad.

K. Coeficiente de flexibilidad.

Donde: E = modulo de elasticidad = 2.11 * 106 kg/cm2 D = Diámetro o luz (cm) I = momento de incercia de la pared, en cm4/cm Si : 0.112 < CF ≤ 0.242. La tubería debe ser armada en planta. Si: CF ≤ 0.112. La tubería debe ser armada en obra. (

)

Haciendo la comparación con los límites Si: 0.112 < CF ≤ 0.242. Si: 0.112 < 0.21 ≤ 0.242. Por lo que se concluye: Diseño De Infraestructura De Riego

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Tubería de diámetros: 175.3 cm Corrugación: 76.2 * 25.40 Espesor 0.86 mm Debe de ser armado en planta


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