CLASIFICACIÓN DE SUELOS

63

Tabla 2.13 Tabla de estimación de precisión para el LL Y LP Índice de precisión y tipo

de ensayo

Desviación estándar

Rango aceptable de dos resultados Precisión de un operador

simple:

Límite líquido 0.8 2.4

Límite plástico 0.9 2.6

Precisión

Multilaboratorio:

Límite líquido 3.5 9.9

Límite plástico 3.7 10.6

Fuente: (INDECOPI, 2014)

64

-Fina: Pasantes por el tamiz N°40(425- µm) y retenida en el tamiz N°200(75- µm)

 Limo: Partículas que pasa el tamiz N°200(75-µm), no plástico o puede ser poco plástico.

Tabla 2.14 Sistema de Clasificación de suelos para suelos granulares

DIVISIONES PRINCIPALES

Simbol os del grupo

NOMBRES

TÍPICOS IDENTIFICACIÓN DE LABORATORIO

SUELO S DE GRAN O GRUES

O más de la mitad

del materi

al reteni do en el tamiz numer o 200

GRAVAS mas de la

mitad de la fraccion

gruesa es retenida

por el tamiz N°4(4.76m

m) Gravas limpias (sin o con pocos

finos)

GW

Gravas bien graduadas,mez

clas grava arena,pocos finos o sin finos

Determinar porcentaje de grava y arenaa en

la curva granulometrica.S

egun el porcentaje de finos(fraccion inferior al tamiz N°200) los suelos

de grano grueso se clasifican como: <5%-

>GW,GP,SW,SP,>

12%-

>GM,GC,SM,SC.5 al 12%->casos

límites que requiere usar doble simbolo.

Cu=D60/D10>4 Cc=(D30)^2/D10xD60

entre 1 y 3

GP

Grava mal graduada,mezc

las grava- arena,pocos finos o sin finos

No cumple con las especificaciones de granulometria para GW

Gravas con finos(aprecia ble cantidad de finos)

GM

Gravas limosas,mezcla

s grava-arena- limo

Límites de atterberg debajo de la linea A o

IP<4

Encima de linea A con

<IP entre 4 y 7 son casos limitesque requiere doble simb GC

Gravas arcillosas,mezcl as grava-arena-

arcilla

Límites de atterberg sobre la linea A con

IP>7

ARENAS más de la

mitad de la fraccion

gruesa pasa por el

tamiz N°4(4.76m

m)

Arenas limpias (pocos o sin

finos)

SW

Arena bien graduada,aren

a con grava,pocos finos o sin finos

Cu=D60/D10>4 Cc=(D30)^2/D10xD60

entre 1 y 3

SP

Arena mal graduadas,aren

a con grava,pocos finos o sin finos

cuando nose cumple simultaneamente las codiciones para SW

Arenas con finos (Apreciable cantidad de

finos)

SM

Arenas limosas.mezcla

s de arena y limo

Límites de atterberg debajo de la linea A o

IP<4

Los limites situados en zona rayada con IP entre 4-7 son casos

intermedios que precisan SC

Arenas arcillosas,mezcl

as arena-arcilla

Límites de atterberg sobre la linea A con

IP>7

Fuente: (Braja Das, 2013)

65

2.2.3.6. DENSIDAD DE SUELO: MÉTODO DE CONO DE ARENA

Se define como el peso del suelo más agua por unidad de volumen. La determinación de la densidad de campo para esta investigación se realizó mediante la norma NTP 339.143(ASTM D1556) a través del método de cono de arena. El procedimiento de cálculo es como sigue:

V = (M3-M4)/ρ M6= 100M5/(W+100) ρm=M5/V ρd=M6/V Donde:

V: Volumen del hueco del ensayo

M3: Masa de arena para llenar el hueco de ensayo(gr)

M4: Masa de arena para llenar el embudo y el plato de base en (gr) ρ 1: Viene hacer la densidad de arena en gr/cm3

W: Es el porcentaje de humedad del material del hueco de ensayo M5: Es la masa húmeda del material del hueco de ensayo en gr.

M6: Es la masa seca del material del hueco de ensayo en gr.

ρ m: Es la densidad húmeda del material de ensayo en gr/cm3.

ρ d: Es la densidad seca del material ensayado.

Tabla 2.15 Volumen mínimo de huecos de ensayo y muestras mínimas

Máximo Tamaño de partículas

Mínimo Volúmen de

huecos de Ensayo Mínima muestra para el contenido de humedad en gr cm3 pie3

Malla N° 4 (4.75mm) 710 0.025 100

12.5 mm 1420 0.050 300

25 mm 2120 0.075 500

50 mm 2830 1.000 1000

Fuente: (ASTM D 1556, 1998)

66

Tabla 2.16 Peso unitario de suelo en estado natural

Descripción del suelo

Porosidad en %

Relacion de vacios

Humedad en %

ρd gr/cm³

ρm gr/cm³

Arena uniforme, suelta 46 0.85 32 1.43 1.89

Arena uniforme, densa 34 0.51 19 1.75 2.09

Arena graduada, suelta 40 0.67 25 1.59 1.99

Arena graduada, densa 30 0.43 16 1.86 2.16

Fuente: (Terzaghi & Peck, 1978)

2.2.3.7. PESO ESPECÍFICO DEL SUELO

Ensayo mediante el cual se determina el peso específico de los suelos por medio de un picnómetro, siguiendo los lineamientos de la norma técnica peruana NTP 339.131 O MTC E 113 (ASTM D-854). En casos de que las partículas resalten mayores que el tamiz 2.38mm (N°8), el peso específico se determinara mediante la norma MTC E 206. La tabla 2.17 nos muestra una guía en cuanto a masas de suelo requerida para el ensayo según el tamaño de picnómetro.

Tabla 2.17 Cantidad requerida de suelo según la capacidad del picnómetro Capacidad del

picnómetro (cm³)

Cantidad requerida aproximadamente (g)

100 25 - 35

250 55 - 65

500 120 - 130

Fuente: (MTC E 113, 2014) CÁLCULOS

Las cantidades mostradas a continuación se obtiene por pesada directa siendo:

 Peso del picnómetro + agua + solidos a la temperatura del ensayo = W1(g)

 Peso de la tara+ suelo seco(g). El peso de la tara es restado de este valor para obtener el peso del suelo seco, Wo.

67

 El peso específico del suelo se calculará con dos decimales, mediante la aplicación de la siguiente expresión.

Gs =

^Wo∗K

Wo+W2−W1

…(Ec.25)

Donde:

K: Factor de corrección basado en el peso específico del agua a 20°C Wo: Peso del suelo seco (g)

W1: Peso del picnómetro + agua + suelo (g)

2.3. COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO EN REDES DE ALCANTARILLADO SANITARIO.

Según (AEAS, 1988, pág. 49), la elección del tipo de conducto para las redes de alcantarillado sanitario puede ser diverso, la cual dependerá de la elección del ingeniero proyectista de acuerdo a las características y cualidades de la obra. En la elección del tipo de material se juega dos aspectos importantes que se tiene que considerar. Siendo el primero, el tipo de material de conducto y, en segundo lugar, la forma geométrica. Cabe resaltar, que existen varios factores a tener en cuenta en la elección de las redes de alcantarillado sanitario siendo ellas mencionadas a continuación: Resistencia mecánica, rugosidad, volumen de caudal, resistencia a la erosión, costo, facilidad de limpieza, etc.

2.3.1. PARÁMETROS DEL COMPORTAMIENTO HIDRÁULICO

Según (Acevedo & Chávez, 2012, pág. 7) los datos básicos que se debe tener en consideración al momento de diseñar un sistema de red de alcantarillado sanitario son:

- Caudal de Aportaciones residuales

- Caudal de diseño (caudal medio, caudal mínimo, caudal máximo instantáneo y caudal máximo extraordinario).

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- Variables como: Velocidades, diámetros y Pendientes.

- Perdida de carga por fricción.

- Excavación de zanjas (profundidad máxima, profundidad mínima, etc.) - Población de proyecto (vida útil y periodo de diseño).

Según (Acevedo & Chávez, 2012, pág. 8) respecto al gasto mínimo menciona: en los primeros tramos del sistema de red de alcantarillado en casos donde el gasto resulte menores a 1.5 l/s , se debe usar este valor.

Tabla 2.18 Caudal mínimo de aguas residuales.

Diámetro (cm)

No. De excusados

Excusados de 16 litros Excusados de 8 litros Aportaciones

por descarga (l/s)

Caudal mínimo aguas

negras (l/s)

Aportaciones por descarga

(l/s)

Caudal mínimo Aguas Negras

(l/s)

20 1 1.5 1.5 1 1

25 1 1.5 1.5 1 1

30 2 1.5 3 1 2

38 2 1.5 3 1 2

46 3 1.5 4.5 1 3

61 5 1.5 7.5 1 5

76 8 1.5 12 1 8

91 12 1.5 18 1 12

Fuente: (Acevedo & Chávez, 2012, pág. 8), reproducido de Apuntes de alcantarillado Sanitario y pluvial.

2.3.1.1. VELOCIDAD DE FLUJO

Según (AEAS, 1988, págs. 44-45), en la publicación titulado,

“recomendaciones para redes de alcantarillado sanitario”, menciona: que los proyectos de redes de alcantarillado sanitario se deben procurar que la velocidad sea suficiente durante la mayoría de horas en el día, para que estas arrastren materiales depositados producidos en periodos de baja velocidad.

Asimismo, con la finalidad de evitar que los materiales arcillosos y arenosos se decanten, se recomienda una velocidad promedio en los sistemas de alcantarillado sanitario de 0.75 m/s, donde se sugiere que dicha velocidad sea mayor a 0.90 m/s, en todos los casos que sean necesarias.

69

Asimismo para la (Comision Nacional de Agua, 2007, pág. 51) menciona que las velocidades mínimas y máximas del flujo en los sistemas de redes sanitarias varían según de que tipo es el material, dichas velocidades están clasificados en rangos como se puede apreciar en la tabla N° 03.

Siendo la velocidad mínima la que evita depósitos de sólidos en las tuberías, en tanto la velocidad máxima evita que las paredes interiores de los tubos de los sistemas redes de las estructuras se erosionen.

Velocidad mínima

Con el fin de calcular se usa la ecuación de Chezy:

V = C√R ∗ S

…(Ec.26) En Donde:

V: Velocidad del flujo

C: Viene hacer el coeficiente de descarga de Chezy S: Viene hacer la pendiente en (m/m)

R: Viene hacer el Radio hidráulico

Velocidad Crítica

Cuando se tiene que la velocidad final mayor al valor de velocidad crítica como máximo en valor del tirante debe ser 50% de la longitud del diámetro del colector, con la finalidad de asegurar la ventilación en la tubería.

Siendo la velocidad crítica expresado por la ecuación siguiente:

Vc = 6√g ∗ Rh

…(Ec.27) En Donde:

Vc: Velocidad critica

g: Viene hacer la aceleración de gravedad en (m/s2) Rh: Viene hacer el Radio hidráulico

70

Tabla 2.19 Velocidad máxima y mínima permisibles en tuberías CLASE DE MATERIAL DE TUBERÍA VELOCIDAD DE LOS FLUJOS (m/s)

MÁXIMA MÍNIMA

Concreto simple 3.00 0.30

Concreto reforzado 3.50 0.30

Acero 5.00 0.30

Fibrocemento 5.00 0.30

Polietileno 5.00 0.30

Poli ( cloruro de vinilo) (PVC) 5.00 0.30

Fuente: (Comision Nacional de Agua, 2007, pág. 52).

Según (Acevedo & Chávez, 2012, pág. 10) para su diseño y comprobación del valor de la velocidad máxima se usa el máximo gasto y la tabla que se presenta a continuación:

Tabla 2.20 Coeficiente de fricción (n) para usarse en la ecuación de Manning

MATERIAL n

PVC y polietileno de alta densidad 0.009

Asbesto-cemento nuevo 0.010

Asbesto-cemento usado 0.011 a 0.015

Fierro fundido nuevo 0.013

Fierro fundido usado 0.017

Concreto liso 0.012

Concreto áspero 0.016

Concreto pres forzado 0.012

Concreto con buen acabado 0.014

Mampostería con mortero de cemento 0.020

Acero soldado con revestimiento interior a base de epoxy 0.011

Acero sin revestimiento 0.014

Acero galvanizado nuevo o usado 0.014

Fuente: (Acevedo & Chávez, 2012, pág. 10), Apuntes de alcantarillado Sanitario y pluvial.

71 Fórmulas para el diseño

Para el cálculo de hidráulico se Aplicará la fórmula de continuidad

𝑄 = 𝑉 ∗ 𝐴 ………(Ec.28)

Donde:

 Q: Es el gasto en m³/s.

 V: Es la velocidad en m/s

 A: Viene hacer el área transversal del flujo en m²

Utilizando la fórmula de Manning:

𝑄 =

¹

𝑛

∗ 𝑟

_ℎ⁽

2 3)

∗ 𝐴 ∗ 𝑆

⁽¹²⁾ …(Ec.29) Remplazando en la ecuación Ec.28 se obtiene:

𝑉 =

¹

𝑛

∗ 𝑟

_ℎ⁽

2 3)

∗ 𝑆

⁽¹²⁾ …(Ec.30) Siendo:

 V: Velocidad en m/s.

 r^H: Radio hidráulico, en m.

 S: Pendiente del gradiente hidráulico de la tubería

 n: coeficiente de fricción (ver tabla 2.20)

El r^H (radio hidráulico) se calculará con la siguiente expresión:

𝑟ℎ =

^𝐴

𝑃𝑚 …(Ec.31)

Siendo:

 A: Viene hacer el área transversal de flujo

 Pm: Viene hacer el perímetro mojado, en m.

72 2.3.1.2. TIRANTE DE FLUJO

(RNE, 2013) menciona, “La altura de la lámina de agua debe ser siempre calculada admitiendo un régimen de flujo uniforme y permanente, siendo el valor máximo para el caudal final (Qf), igual o inferior a 75% del diámetro del colector”.

2.3.1.3. PENDIENTE DE FLUJO

Según (OPS & CEPIS, 2005) “La pendiente mínima que tendrá una alcantarilla, viene dada por la inclinación de la tubería con la cual se lograra mantener la velocidad mínima de 0.60 m/s, transportando el caudal máximo con un nivel de agua del 75% (0.75D) del diámetro”.

Asimismo (CONAGUA, 2009, pág. 68) manifiesta que la pendiente trazada para las tuberías de red de alcantarillado sanitario deberá seguir la pendiente del terreno hasta donde sea posible con la finalidad de que las excavaciones sean mínimas, pero siempre en función a las condiciones de velocidad y tirantes mínimas. Cuando las pendientes resulten en casos especiales, muy fuertes, se debe tener en cuenta que las tuberías consideradas en el diseño aguanten velocidades altas.

Según (RNE, 2013, pág. 188) para la denominación OS. 070, menciona que la pendiente como máxima se debe admitir para una velocidad final correspondiente a Vf= 5 m/s; donde en casos particulares y especiales estas tienen que ser sustentados técnicamente por quien ha elaborado dicho proyecto. La pendiente mínima viene representando por la ecuación siguiente:

𝑆̥𝑚𝑖𝑛 = 0.0055 𝑄ᵢ^−0.47

…(

Ec.32

)

En donde:

S˳min: Pendiente mínima en (m/m) Qi: Viene hacer el Caudal inicial en (L/s)

73 Criterio de diseño

(RNE, 2013, pág. 188) menciona que: “Las pendientes de las tuberías deben cumplir la condición de auto limpieza aplicando el criterio de tensión tractiva.

Cada tramo debe ser verificado por el criterio de tensión tractiva media”.

tensión tractiva: Es el esfuerzo tangencial que se aplica a los materiales depositados en las tuberías de alcantarillado a gravedad. Por lo cual, los sistemas de redes de alcantarillado sanitario deben cumplir la función de auto limpieza de modo tal que la partícula de limo o arcilla no se sedimenten en el fondo de la tubería, generando los problemas de obstrucción. (RNE, 2013).

Figura 2.16: Detalle de tubería en tensión tractiva

Para el cálculo de tensión tractiva se aplica con la siguiente ecuación:

τ = Wsenφ/PL

…(Ec.33)

En donde:

τ

: Viene hacer la tensión tractiva en (N/m2, Pa) P: Viene hacer el perímetro mojado en (m) L: Viene hacer la longitud en (m)

W: Viene hacer el peso en (Newton)

74 2.3.1.4. TIPO DE FLUJO

Según (Villon, 2002, pág. 45) menciona que, cuando se relaciona con las fuerzas de gravedad, dicho flujo puede presentarse como supercrítico, subcrítico y crítico. La fuerza de gravedad se valora a través de valor del número Froude (F), donde vincula la fuerza de inercia con las fuerzas de gravedad. Presentado con la siguiente ecuación.

F =

^v

√gL

…(Ec.34)

Donde:

F: viene hacer el Numero Froude

V: Viene hacer la velocidad de la sección en (m/s) g: Viene hacer la aceleración de la gravedad en (m/s2) L: Viene hacer la Longitud característica de la sección (m)

Cabe resaltar que la longitud característica viene representada por la magnitud de la profundidad media o tirante medio y= A/T, en conclusión, se tiene.

F =

^v

√gA/T

…(Ec.35)

Por ende, según el número Froude el régimen de flujo puede ser:

Flujo Subcrítico: cuando las Fuerzas de gravedad son mayores que las fuerzas de inercia (F < 1).

Flujo crítico: Cuando las fuerzas de gravedad resultan estar en equilibrio con las fuerzas de inercia (F = 1).

Flujo supercrítico: Cuando las fuerzas de inercia resultan mayores que las fuerzas de gravedad (F > 1).

75 2.4. MARCO CONCEPTUAL

A continuación, se definirá los principales términos empleados en este trabajo:

Carga de prisma: Se define como carga de prisma al material de relleno sobre la tubería con un ancho igual al diámetro de la tubería de redes de alcantarillado sanitario. (Durman Esquivel - COVAL, 2001, pág. 4).

Deformación transversal de tuberías: Una tubería experimenta deformación transversal cuando recibe cargas elevadas producto del material de relleno como de carga vehicular (cargas externas). (Pérez Farras

& M. Pérez, 2003, pág. 6).

Módulo de elasticidad de tubería: Es la propiedad mecánica de los materiales de tubería que muestra la relación de esfuerzo vs deformación dentro del límite elástico. (Pérez Farras & M. Pérez, 2003, pág. 32).

Tirante Máximo de flujo: Altura máxima de la lámina de agua en la sección de la tubería de alcantarillado sanitario. El valor viene hacer de 75% de diámetro de la tubería (RNE, 2013).

Pendiente mínima: Se define como el valor mínimo de la pendiente calculada tomando en cuenta la pauta de tensión tractiva, la cual asegura la auto limpieza en las tuberías de redes de alcantarillado. (RNE, 2013, pág.

188).

Rigidez del suelo: Viene hacer la capacidad tanto del suelo alrededor del tubo como del suelo del muro de excavación (suelo natural) a soportar deformaciones producto de las cargas actuantes. (Durman Esquivel - COVAL, 2001, pág. 11).

76

Tensión tractiva: Se define como el esfuerzo tangencial unitario que ejerce el flujo de escurrimiento por gravedad sobre el material depositado en una red de alcantarillado. (RNE, 2013, pág. 188).

Velocidad crítica: Es aquella velocidad con valor límite a la cual no debería sobrepasar el valor de la velocidad final, de ser así el tirante máximo trabajara a 50% del diámetro de la tubería. (RNE, 2013, pág. 188).

77 CAPÍTULO III

3. MARCO METODOLÓGICO 3.1. TIPO DE INVESTIGACIÓN

(Borja, 2016, pág. 10) menciona que este tipo de investigación consiste en la búsqueda de conocimiento, construcción y modificación sobre la realidad problemática determinado y se caracteriza por su aplicación inmediata sin desarrollar un conocimiento universal.

Este tipo en la investigación se iniciará con la observación directa de los hechos insitu.

Según la teoría revisada la presente investigación corresponde al tipo aplicada.

3.2. NIVEL DE INVESTIGACIÓN

(Carlessi & Meza, 2017, pág. 48) El nivel de investigación Explicativo consiste en la búsqueda de las razones, causas y el por qué, sobre un acontecimiento o fenómeno dado.

Según la teoría mencionada la presente investigación corresponde al nivel explicativo.

3.3. METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

(Sampieri, Collado, & Lucio, 2014) cita que el enfoque cuantitativo hace uso de la recolección de datos para llegar a las hipótesis, haciendo uso de la estadística para establecer pautas de comportamientos y probar teorías.

Bajo esta definición la presente investigación pertenece al enfoque cuantitativo

3.4. DISEÑO DE INVESTIGACIÓN

(Sampieri, Collado, & Lucio, 2014), precisa que el diseño CUASIEXPERIMENTAL es aquel tipo de investigación en la cual se manipulan deliberadamente una o más variables independientes a fin de analizar las consecuencias que la manipulación tiene sobre una o más variables

78

dependientes. Se diferencia de los diseños experimentales en el grado de seguridad que puedan tener en la equivalencia inicial de los grupos. En los diseños CUASIEXPERIMENTALES el investigador ejerce poco o ningún control sobre las variables extrañas. Por esta precisión la investigación es CUASIEXPERIMENTAL.

Causa Efecto (Variable independiente) (Variable dependiente)

X Y Figura 3.1: Esquema de experimento y variable

Fuente: (Sampieri, Collado, & Lucio, 2014, pág. 129)

El diseño CUASIEXPERIMENTAL seleccionado para la presente investigación es el diseño con grupo de control no equivalente, este diseño se caracteriza, que una vez que se dispone de dos grupos, se evalúa a ambos en la variable dependiente, luego a uno de ellos se le aplica el tratamiento experimental o variable independiente y el otro sigue con las tareas rutinarias. finalmente se hace la medición de la variable dependiente en el grupo experimental. El diagrama se presenta a continuación:

G. E O1 X O2

………..

G. C O3 O4

Figura 3.2: Diagrama del diseño con grupo de control no equivalente Fuente: (Carlessi & Meza, 2017, pág. 140)

Donde:

G. E : Grupo experimental G. C : Grupo control

79

X : Tratamiento de la variable independiente O1 y O2 : Preprueba

O3 y O4 : Posprueba

En el caso de la presente investigación el diseño fue tratado de la siguiente manera:

 En lo que respecta a la medición previa de las variables dependientes se tuvieron, la determinación del comportamiento hidráulico mediante métodos analíticos en el área seleccionada que es Distrito de Chilca, con datos obtenidos de laboratorio e in situ, tanto para los grupos experimentales (tuberías de los puntos de elección), así como para el grupo control (especímenes con secciones circulares sin deformación).

 El control experimental fue realizado con la variable independiente (deformación de tuberías), donde existe condición de deformación, es decir, existe una manipulación parcial de la variable independiente, la cual consistió en la aplicación de diferentes cargas a la tubería de prueba mediante la prueba de aplastamiento de tubería para generar asimismo diferentes deformaciones en dichas tuberías de prueba.

 En la Post Prueba se pudo determinar la medición de la variable dependiente, lo cual consistió en la determinación del comportamiento hidráulico en redes de alcantarillado sanitario para las deformaciones generadas en dicho ensayo de aplastamiento.

3.5. POBLACIÓN Y MUESTRA 3.5.1. POBLACIÓN

(Valderrama, 2013, pág. 182) establece de la siguiente manera: “Es un conjunto finito o infinito de elementos, seres o cosas, que tienen atributos o características comunes, susceptibles de ser observados”

80

El presente trabajo tiene como población al sistema de redes de alcantarillado sanitario de la ciudad de Huancayo.

3.5.2. MUESTRA

(Carlessi & Meza, 2017, págs. 155-156). La muestra son los elementos representativos de la población. Muchas veces no es posible trabajar con toda la población por los esfuerzos, tiempo y recurso que demandarían realizar por lo que se selecciona la muestra, estas deben tener características similares a la población, de tal manera que sean generalizables a las mismas.

En la presente investigación la muestra está conformado por la red primaria del sistema de alcantarillado sanitario, en el distrito de Chilca, para lo cual se determinaron los comportamientos hidráulicos para el grupo control y para los grupos experimentales mediante la manipulación parcial de las deformaciones.

Tipo de muestreo: fue muestreo no probabilístico-intencional, ya que la elección de los elementos no depende de la probabilidad, sino del proceso de toma de decisiones del investigador (Sampieri, Collado, & Lucio, 2014).

Tamaño de muestra: Conformada por 3 calicatas para estudio de suelos, 3 muestras (especímenes de prueba) de tubo de PVC para ensayo de aplastamiento de tubería con tamaños de acuerdo a la metodología de prueba.

In document UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ (página 63-67)