MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
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CALCULOS DE UNA ARMADURA DE UN CONTENEDOR ISOTANK
DE 20 PIES DE TRANSPORTE DE LIQUIDOS
Durand Porras, Juan Carlos [Docente Asesor]
Huamán Soto, Edgardo
Orellana Huamán, Rubén P.
Godoy Mallqui, Roberto E.
Universidad Privada del Norte (UPN-LIMA), Escuela de Ingeniería Industrial
CONTENEDOR DE CARGA
Un contenedor es un recipiente de carga para el transporte Marítimo, Fluvial, Terrestre y Multimodal. Están
fabricadas de acuerdo con la norma ISO-668, Por el motivo también se conocen con el nombre de
contenedores ISO.
Los contenedores son Fabricados principalmente de Acero corten, aluminio y algunos otros de madera
contrachapada reforzados con fibra de vidrio. Interiormente llevan un cubrimiento especial anti-humedad,
otra característica de los contenedores es que en cada una de sus esquinas, de alojamiento para los Twistlocks,
que les permiten ser enganchados por grúa, así como su trincaje tanto en buques como en camiones.
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
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INTRODUCION
CARACTERISTICAS TECNICAS CONTENEDOR ISO TANK
ISOTANK
Isotank, también llamado flexibag o isotanque, es una bolsa o tanque de gran tamaño que
transforma un contenedor 20 pies convencional en un seguro y eficiente sistema de transporte marítimo de líquidos a granel. Permite transportar entre 10,000 y 24,000 litros, aunque los modelos más habituales son los de 16.000, 18.000, 20.000, 22,000 y 24,000
litros. Generalmente se escoge el modelo de mayor capacidad, pero siempre teniendo en cuenta la densidad del producto; Los primeros isotanks comercializados eran reutilizables y
necesitaban ser limpiados antes de un posterior uso, lo que los hacía poco convenientes. Sin embargo, desde mediados de los años 90 TIBA solo ofrece a sus clientes isotanks de un solo uso. Así, el exportador tiene la total garantía de que no habrá ningún tipo de
contaminación por un residuo de un producto anterior.
Disponibles para:
Productos Químicos, Inflamables, Agentes oxidantes, corrosivos.
Comestibles: Alcoholes, Jugos de fruta, aceites comestibles, aditivos de comida.
No deben llenarse menos del 80% de su capacidad.
No deben llenarse tanques a 100% de su capacidad. El espacio vacío dependerá de
la expansión termal del producto.
COMPONENTES DE UN ISOTANK
Instalación con válvula inferior
En general, los tanques poseen 3 cierres
con el fin de obtener la máxima
protección contra la pérdida de producto.
Antes de proceder a la carga, todos los
tanques de ITT se someten a pruebas de
presión con el fin de asegurarse de que no
existe ningún escape y de que todas las
válvulas funcionan correctamente.
Válvula de entrada de Aire
Está colocada en la parte superior del
tanque y se utiliza como mecanismo de
presión durante la descarga y como
dispositivo de recuperación durante la
carga.
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Válvulas de descompresión de
Seguridad
Para que no se vean afectados por exceso
de presión o el vacío, todos los tanques
van equipados de una válvula de
descompresión (o a veces, de una válvula
de protección presión/vacío).
Para llamas (Juego)
Malla metálica que se coloca en la parte superior de la(s) válvula(s) de
descompresión de seguridad cuando se transportan productos inflamables. La misma permite la expulsión de las llamas
pero impide el retorno de éstas.
Armazones
Los armazones de dimensiones ISO son de acero al carbono de gran resistencia a
la tracción y cumplen lo estipulado sobre estas dimensiones.
Revestimiento
Capa externa que recubre el esqueleto y que protege la estanqueidad. Por lo
general, está hecha de fibra de vidrio estratificada (GRP) o de aluminio.
Placas de aprobación CSC/ Datos
En las mismas figuran numerosos datos relativos al tanque: información actual de
las pruebas, el fabricante y la capacidad/peso permitidos.
Receptáculo para documentos
Tuvo sellado y adosado al armazón del tanque para transportar documentos como
son el certificado de análisis (COA), el certificado de saneamiento, etc.
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Talón de tierra: Conexión
Para unir a tierra el tanque durante la
carga/descarga. Disipa la electricidad estática.
Sistema de Calefacción
Los tanques ITT van equipados de
eficaces sistemas de calefacción por vapor, gracias a lo cual estos recipientes sirven para transportar productos termo
sensible.
Escotilla
Está situada en la parte superior del
tanque y se utiliza para entrar en el mismo e inspeccionar el interior (se ruega
estar al corriente de las normas que rigen la entrada en espacios confinados).
Número de tanque
Cada contenedor posee un código de
identificación único, compuesto de 4 letras y 6 cifras. El dígito de
comprobación (7ª cifra) se obtiene a partir de una fórmula en la que interviene el número del tanque.
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Indicador de Temperatura
Va colocado en la parte trasera del tanque y ofrece una lectura indicativa de la temperatura de los productos.
Pasarela
Escalera y pasarelas situadas en el techo que facilitan el acceso seguro a la parte superior del isotanque.
Especificaciones de Contenedores de IsoTank de 20 pies
Las medidas y capacidades que figuran son orientativas, dependiendo de los distintos fabricantes y líneas marítimas, pudiendo existir una ligera diferencia entre contenedores de
distinta procedencia, sin embargo deberá estar de acuerdo con los lineamientos de las Normas ISO.
Asimismo, los pesos máximos permitidos por los contenedores son regulados en cada país y pueden variar de unos a otros.
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ESPECIFICACIONES
CONTENEDOR ISOTANK DE 20
PIES
Max. Peso Bruto 25,390 kg
Tara 4,390 kg
Max. Carga Útil 21,000 Kg
Dimensiones Externas
Longitud 6.10 m
Ancho 2.33 m
Alto 2.59 m
Volumen 21,000 Lt
Dimensiones Internas
Largo 5.85 m
Ancho 2.10 m
Alto 2.43 m
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VISTAS DE MEDIDAS DE ISOTANK
PRESENTACIÓN FRONTAL
5.80m
2.577m
2.294m
6.10m
5.85m
Diametro mayor 2m
Diametro mediano 1.984m
Diametro menor 1.978m
CORTE LATERAL
2.0908m
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CÁLCULO DE PESO POR DENSIDAD DE COMPONENTES
Los cálculos de los materiales que conforman el Isotank 20 pies se han calculado el volumen
por su densidad, se ha dividido el Isoatank en tres partes vigas, cilindro y piso, obteniendo la
tara del Isotank. Si sumamos el peso del producto, obtenemos el peso bruto.
DENSIDAD PESO
Kg
FRONTAL INFERIOR ACERO INOXIDABLE 7850 2 5.85 0.1016 0.127 1,185.09
LATERAL INFERIOR ACERO INOXIDABLE 7850 2 2.0908 0.1016 0.127 423.55
LATERAL SUPERIOR ACERO INOXIDABLE 7850 2 2.0908 0.06 0.06 118.17
SOPORTE ACERO INOXIDABLE 7850 4 0.127 0.1016 2.577 1,044.10
CILINDRO
FIBRA VIDRIO S-2 2460 1 0.008 3.1416 2 61.83
ACERO INOXIDABLE 7850 1 0.003 3.1416 1.984 72.81
FIBRA VIDRIO S-2 2460 1 5.784 3.1416 2 1.984 712.35
ACERO INOXIDABLE 7850 1 5.778 3.1416 1.984 1.978 846.84
PISO
TARA 4,680.29
PRODUCTO
LIQUIDO ACEITE 920 1 5.778 3.1416 1.982 16,400.74
PESO BRUTO 21,081.04
215.545.8 2.294 0.0061
CALCULO DE PESO
VIGAS MATERIAL CANTIDAD LARGO ANCHO ALTURA DIAMETRO EXT DIAMETRO INT
TAPAS
CILINDRO
PLATAFORMAPLANCHA EXPANDIDO
ALUMINIO2700
Kg/
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CÁLCULO DE LA ARMADURA DEL ISOTANK DE 20 PIES
Datos:
DESCRIPCIÓN PESO(Kg)
DESCRIPCIÓN PESO(Kg)
Vigas 2,770.91
Aceite 16,400.74
Cilindro 1,693.83
Piso 215.54
Tara 4,680.29
Producto 16,400.74
PESO BRUTO (tara + producto) = 21,081.04 Kg.
Si sabemos:
Peso bruto (tara + producto) = 21,081.04 Kg.
Tenemos 2 armaduras (peso bruto ÷ 2) = 10,540.52 Kg.
Entonces:
Peso de Armadura (2 P) = 10,540.52 Kg.
(P) = 5,270.26 Kg.
B C C B
A D D A
P P P P
b = 2.577m
a = 2.294m
AY DY DY AY
c = 6.10m
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ANÁLISIS DE ARMADURA POR EL MÉTODO DE LOS NODOS
(Vista lateral sin fuerzas especiales)
Cálculos:
Momentos:
Cálculo de Nodo D:
CONCLUSIÓN:
Al no ver cargas
especiales para nuestra
armadura no existe
compresión ni tensión.
B C
A D
P P
a = 2.294m
AY
b = 2.577m
DY
𝛴𝑦 = ⊘
+AY +DY -P -P = ⊘ +AY +DY -2P = ⊘
AY+DY = ⊘
𝛴𝑀𝐷 = ⊘
+P(Ⱥ) - AY(Ⱥ) = ⊘
AY = P
𝛴𝑀𝐴 = ⊘
-P(Ⱥ) + DY(Ⱥ) = ⊘
DY = P
Y
DC DY
X
DA
P
𝛴𝑥𝐷 = ⊘
-DA = ⊘
DA = ⊘
𝛴𝑦𝐷 = ⊘
+DC +DY -P = ⊘ +DC +P -P = ⊘
DC = ⊘
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ANÁLISIS DE ARMADURA POR EL MÉTODO DE LOS NODOS
(Vista lateral con fuerzas especiales)
Cálculos:
Momentos
P P
B C
A D
P P
a = 2.294m
AY
Viento
v = 2000Kg
v = 2000Kg
en la parte superior
b = 2.577m
DY
La fuerza de contenedor
𝛴𝑥 = ⊘
+AY +DY -4P = ⊘
+AY +DY -4(5270.26 Kg) = ⊘
AY +DY = 21,081.04 Kg
𝛴𝑀𝐷 = ⊘
+P(Ⱥ) + P(Ⱥ) -V(B) -AY(Ⱥ) = ⊘
AY = +2(5270.26 𝐾𝑔)(2.294 𝑀)−(2000 𝐾𝑔)(2.577 𝑀)
(2.294 𝑀)
AY = (24179.95 ) 𝐾𝑔 𝑀 −(5154) 𝐾𝑔 𝑀
(2.294 𝑀)
AY = (19025.95 ) 𝐾𝑔 𝑀)
(2.294 𝑀)
AY = 8,293.789 Kg
𝛴𝑀𝐴= ⊘
-P(Ⱥ) -P(Ⱥ) -V(B) +DY(Ⱥ) = ⊘
DY = +2(5270.26 𝐾𝑔)(2.294 𝑀)+(2000 𝐾𝑔)(2.577 𝑀)
(2.294 𝑀)
DY = (24179.95 ) 𝐾𝑔 𝑀 +(5154) 𝐾𝑔 𝑀
(2.294 𝑀)
DY = (29 .95 ) 𝐾𝑔 𝑀)
(2.294 𝑀)
DY = 12,784.251 Kg
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Cálculo en el nodo A:
Cálculo en el nodo D:
Cálculo en el nodo B:
Y
AB AY
X
V AD
P
𝛴𝑥𝐴 = ⊘
-V +AD = ⊘
AD = +V
AD = +2000 Kg Tensión
𝛴𝑦𝐴 = ⊘
+AB +AY -P = ⊘
AB = +P –AY
AB = +5270.26 Kg -8293.789 Kg
AB = -3,023.529 Kg Compresión
Y
DC DY
X
AD
P
𝛴𝑥𝐷 = ⊘
-AD = ⊘ AD = ⊘
AD = ⊘
𝛴𝑦𝐷 = ⊘
+DC +DY -P = ⊘
DC = +P -DY
DC = +5270.26 Kg -12784.251 Kg
AB = -7,513.991 Kg Compresión
Y
V
BC
X
BA P
𝛴𝑥𝐵 = ⊘
+BC +V = ⊘
BC = -V
BC = -2000 Kg Compresión
𝛴𝑦𝐵 = ⊘
-BA -P = ⊘
BA = -P
BA = -5,270.26 Kg Compresión
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
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Cálculo en el nodo C:
Resultados:
Y
BC
X
CD P
𝛴𝑥𝐶 = ⊘
-BC = ⊘
BC = ⊘
𝛴𝑦𝐶 = ⊘
-CD -P = ⊘
CD = -P
CD = -5,270.26 Kg Compresión
P 5270.26Kg P
B C
A 2000KG 0 D
P P
5270.26Kg
5270.26kG 5270.26kG
5270.26Kg
Tensión
3023.529Kg
Co
mp
resi
ón
5270.26Kg
7513.991Kg
v = 2000Kg
AY DY
v = 2000Kg
Co
mp
resi
ón
P P
B C
A D
P P
AY DY
v
v
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
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Conclusión 1:
Para evitar que se desplome a condiciones extremas de sobre peso y fuertes vientos se debe
colocar una cruceta o cables tensadores en los extremos.
En las fuerzas de compresión donde se encuentra la menor fuerza es por donde sufrirá
deformación.
ANÁLISIS DE ARMADURAPOR MÉTODO DE LOS NODOS
(VISTA FRONTAL CON CARGAS ESPECIALES)
Cálculos:
Momentos
P P
C B
D A
AY
P P
DY
v = 2000Kg
La fuerza de contenedor
en la parte superior
v = 2000Kg
Viento
c = 6.10m
b = 2.577m
𝛴𝑦 = ⊘
+DY +AY -4(P) = ⊘
+DY +AY -4(5270.26 Kg) = ⊘
AY +DY = 21,081.04 Kg
𝛴𝑀𝐴 = ⊘
+P(Ȼ) + P(Ȼ) -V(B) -DY(Ȼ) = ⊘
DY = +2(5270.26 𝐾𝑔)(6.10 𝑀)−(2000 𝐾𝑔)(2.577 𝑀)
(6.10 𝑀)
DY = (64297.172) 𝐾𝑔 𝑀 −(5154) 𝐾𝑔 𝑀
(6.10 𝑀)
DY = (5914 .172) 𝐾𝑔 𝑀)
(6.10 𝑀)
DY = 9,695.602 Kg
𝛴𝑀𝐷 = ⊘
-P(Ⱥ) -P(Ⱥ) -V(B) +AY(Ⱥ) = ⊘
AY = +2(5270.26 𝐾𝑔)(6.10 𝑀)+(2000 𝐾𝑔)(2.577 𝑀)
(6.10 𝑀)
AY = (64297.172 ) 𝐾𝑔 𝑀 +(5154) 𝐾𝑔 𝑀
(6.10 𝑀)
AY = (69451.172) 𝐾𝑔 𝑀)
(6.10 𝑀)
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
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Cálculo en el nodo D:
Cálculo en el nodo A:
Cálculo en el nodo C:
DC Y
DY
V DA
X
P
𝛴𝑥𝐷 = ⊘
-V +DA = ⊘
DA = +V
AD = +2000 Kg Tensión
𝛴𝑦𝐷 = ⊘
+DC +DY -P = ⊘
DC = +P –DY DC = +5270.26 Kg -9695.602 Kg
DC = 4,425.342 Kg Compresión
Y
AB AY
AD
X
P
𝛴𝑥𝐴 = ⊘
-AD = ⊘
AD = ⊘
𝛴𝑦𝐴 = ⊘
+AB +AY -P = ⊘
AB = +P –AY AY = +5270.26 Kg -11385.538 Kg
AB = -6,115.178 Kg Compresión
Y
V
X
DC P
𝛴𝑥𝐶 = ⊘
-CD -P = ⊘
CD = -P
AB = -5,270.26 Kg Compresión
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
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Cálculo en el nodo B:
Resultados:
Y
X
BA P
𝛴𝑦𝐵 = ⊘
-BA -P = ⊘
BA = -P
BA = -5,270.26 Kg Compresión
P P
C B
D 0 A
AY
P P
5270.26Kg
Compresión
Tensión
5270.26Kg
6115.178Kg
5270.26Kg 5270.26Kg
9695.602Kg 11385.438Kg
5270.26Kg
DY
4425.342Kg
5270.26Kg
2000Kg
Compresión
v = 2000Kg
v = 2000Kg
P P
C B
D A
AY
P P
v
v
DY
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
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Cálculo de esfuerzo
(Diseño por especificación)
El contenedor puede ser definido de varias formas, el CSC al igual que la norma UNE 49-751
y las ISO/TC 104-138 e ISO/TC 104 proporcional las características del contenedor, esta norma menciona que la Compresión vertical = 2.25 R, donde R = (peso bruto del contenedor).
Plan superior = 2.25R
Plan inferior = 2.27R
Entonces:
Plan superior = 2.25R → 2.25*(5,270.26 Kg) = 11,858.085 Kg
Calculemos:
Manual de estiba para mercancías sólidas:
P
Punto de apoyo
0.1016m
0.127m
𝜎 =11858.085 𝐾𝑔
(0.127 ) ∗ (0.1016 )
𝜎 =11858.085 𝐾𝑔
0.013 2
𝜎 = 912,160.385 𝐾𝑔
2
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
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Cálculo de esfuerzo de un contenedor 20 pies
Si sabemos:
Entonces:
Calculemos:
𝜎 = 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎
Á𝑟𝑒𝑎
P 5,270.26 Kg
Punto de apoyo
0.1016m
Ancho
Lado
0.127m
𝜎 =5270.26 𝐾𝑔
(0.127 ) ∗ (0.1016 )
𝜎 =5270.26 𝐾𝑔
0.013 2
𝜎 = 405,404.615 𝐾𝑔
2
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
19
Conclusión:
Si estamos dentro del esfuerzo, con estos resultados podemos usar al cilindro contenedor para transportar distintos líquidos de más densidad manteniendo la tara de la armadura.
DIMENSIONAMIENTO DE LA LOZA DE CEMENTACIÓN
Nuestros cálculos son para un contenedor tipo Isotank, sin embargo para hallar el dimensionamiento de la loza de cementación, simularemos que el contenedor es fijo o empotrado en la loza.
La compresión vertical para la plana inferior es de 2.27R, donde R es el (peso bruto del
contenedor).
P es la fuerza y nuestro contenedor soporta una fuerza especial de otro contenedor
donde P es 5,270.26 Kg.
Entonces:
Plan inferior = 2.27R → 2.27*(5,270.26 Kg)*2 = 23,926.98 Kg
Esfuerzo de diseño:
F = 23,926.98 Kg
σ = 405,404.65 𝐾𝑔
𝑚2
Área de diseño es = 0.060 2
Cálculo del lado del área de diseño:
Peso de la loza de diseño:
Se cálculo por el producto del volumen por su densidad.
Densidad del concreto 2,500 𝐾𝑔
𝑚3
σ = Fuerza
Área
2L2 = Área
2L2 = 0.060 m2
L2 = 0.030 m2
L = 0.173 m
( H )
0.173m ( L )
0.346m
0.6m
( 2L )
PESO = (0.173 ) ∗ (0.346 ) ∗ (0.6 ) ∗ 2,500𝐾𝑔
𝑚3 = 149.645 Kg
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
20
Esfuerzo de diseño:
CÁLCULO DE LA LOZA DE CEMENTACIÓN DE CONTENEDOR DE 20 PIES
Esfuerzo calculado:
F = 10,540.52 Kg
σ = 405,404.65 𝐾𝑔
𝑚2
Área calculado es = 0.026 2
Cálculo del lado del área:
Peso de la loza calculado:
Se cálculo por el producto del volumen por su densidad.
Densidad del concreto 2,500 𝐾𝑔
𝑚3
𝜎 =2 ,926.98 Kg+149.645 Kg
0.060m2 = 401,2177.083
𝐾𝑔
𝑚2
σ = Fuerza
Área
2L2 = Área
2L2 = 0.026 m2 L2 = 0.013 m2
L = 0.114 m
( H )
0.114m ( L )
( 2L )
0.228m
0.6m
C B
D A
H
L
2L
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
21
Esfuerzo calculado:
NOTA: El esfuerzo calculado es mayor al esfuerzo de diseño tendremos que redimensionar el
área de la loza.
Área Anterior calculada Área rediseñada
Cálculo del lado del área de rediseño:
Peso de la loza de rediseño:
Se cálculo por el producto del volumen por su densidad.
Densidad del concreto 2,500 𝐾𝑔
𝑚3
Esfuerzo de diseño:
PESO = (0.114 ) ∗ (0.228 ) ∗ (0.6 ) ∗ 2,500𝐾𝑔
𝑚3 = 38.988 Kg
𝜎 =10,540.52 Kg+ 8.988 Kg
0.026m2 = 406,904.154
𝐾𝑔
𝑚2
2L2 = Área
2L2 = 0.040 m2 L2 = 0.020 m2
L = 0.141 m
PESO = (0.141 ) ∗ (0.283 ) ∗ (0.6 ) ∗ 2,500𝐾𝑔
𝑚3 = 59.855 Kg
𝜎 =10,540.52 Kg+59.855 Kg
0.040m2 = 265,009.375
𝐾𝑔
𝑚2
0.6m ( H )
0.141m ( L )
( 2L )
0.283m
MECANICA Y RESISTENCIA DE MATERIALES
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Conclusiones:
El área de la loza es la variable a redimensionar para tener el esfuerzo menor a lo del esfuerzo
de diseño.
La dimensión del peralte dependerá del peso del equipo y características rotacionales,
vibraciones o elementos de carga.
Referencias:
[1] BEER, F. P.; JOHNSTON, E. R. Mecánica Vectorial para Ingenieros: Estática. McGraw-Hill. 9ªed, 2010.
[2] HIBBELER, R. C. Mecánica vectorial para ingenieros: estática, Pearson Educación, 2004.
[4] MERIAM J. L.; KRAIGE L. G. Mecánica para ingenieros: Estática. Reverte, 1999.
[5] FLIESS, E. D. Estabilidad: Tomo I. Editorial Kapelusz. 1970.
[6] BEDFORD A.; FOWLER W. Mecánica para ingeniería: Estática. Addison-Wesley Iberoamericana, 1996.
Datos de Contacto:
1. Durand Porras, Juan
Carlos [Docente Asesor]
Universidad Privada del Norte –Lima [email protected]
2. Huamán Soto, Edgardo
3. Orellana Huamán, Rubén
Universidad Privada del Norte –Lima
Universidad Privada del Norte –Lima
4. Godoy Mallqui, Roberto Universidad Privada del Norte –Lima [email protected]