Tubos vs. alcantarilla cajón o-41211

1. Proyecto Vial Acoyapa – San Carlos – Frontera con Costa Rica 1/8
Obras de arte de drenaje menor
A: Ing. Miguel Navarro – Jefe de Preinversión MTI
De: Ing. Francisco Sierra – Director Proyecto TLBGI
Managua, 1/2/07
INFORME SOBRE COMPARACIÓN DE OBRAS DE ARTE DE DRENAJE MENOR
Justificación del Cajón de Concreto Simple CCS y de la Caja Simple de Concreto
Reforzado CSCR adoptados en el Proyecto Acoyapa – San Carlos – Frontera con
Costa Rica
1. SEMÁNTICA, CONVENCIONES Y DEFINICIONES
1.1 Convencionalmente, y según la práctica mundialmente prevaleciente, las obras de
arte de drenaje vial se dividen en alcantarillas y puentes.
Según las Guías de Drenaje de AASHTO:
“La función de una alcantarilla es conducir el agua superficial a través o desde la zona de camino.
En adición a esta función hidráulica, también debe soportar las cargas del tránsito y del terraplén
construido sobre ella; por lo tanto, el proyecto de una alcantarilla comprende ambos proyectos, el
hidráulico y el estructural.”
“Las estructuras que miden más de 6 metros a lo largo del eje del camino son
convencionalmente clasificadas como puentes. Sin embargo, muchas estructuras más largas son
proyectadas hidráulica y estructuralmente como alcantarillas. Normalmente, a diferencia de los
puentes, las alcantarillas se cubren con el terraplén y están compuestas de material
estructural alrededor de todo el perímetro, aunque algunas se apoyan sobre amplias
bases, con el lecho de la corriente sirviendo como fondo de la alcantarilla. Los puentes no
se proyectan para tomar ventaja de la sumersión para incrementar la capacidad hidráulica, aun
cuando algunos se proyectan para ser sumergidos bajo las condiciones de inundación. Por
economía y eficiencia hidráulica, las alcantarillas deberían proyectarse para funcionar con la
entrada sumergida durante los caudales de inundación, si las condiciones lo permiten.
En muchas ubicaciones, ya sea un puente o una alcantarilla satisfarán los requerimientos
estructurales e hidráulicos para el cruce de la corriente. La elección de la estructura en estos
lugares debería basarse en los costos de construcción y mantenimiento, riesgo de falla, riesgo de
daños a las propiedades, seguridad del tránsito y consideraciones ambientales y estéticas.”
1.2 Convencionalmente, y según la práctica local, las obras de arte de drenaje vial se
dividen en alcantarillas, cajas y puentes.
Según el uso y costumbre en la comunicación coloquial y escrita del MTI y ambiente vial de
Nicaragua:
Las alcantarillas son conductos de tubos de concreto reforzado (TCR) o metálicos (TM), con
medidas expresadas en unidades inglesas, ambos de origen comercial.
No se conocen antecedentes de contratistas de obras viales que hayan fabricado los TCR;
directamente los compran en el comercio, y los calculistas estructurales se limitan a elegir el tipo
recomendado para el sistema de carga que corresponda según las tablas publicadas por los
fabricantes, quienes se atienen a normas norteamericanas.
Las cajas son conductos de concreto reforzado de sección rectangular preferentemente
cuadrada, con medidas expresadas en unidades inglesas, de sistema hiperestático aporticado
cerrado, independientemente de la resistencia admisible del terreno de fundación, desde suelos
compresibles hasta roca.
Los puentes de concreto hidráulico son de superestructura estática o hiperestática, compuesta de
vigas y losa de tablero apoyada sobre estribos y pilas. No se conoce convención sobre luz libre
mínima de puente.

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No se halló ningún documento oficial, especificación técnica, norma, plano o término de referencia, que
avalara formal y específicamente esta categorización.
El diseño y construcción de las obras de arte de hormigón se rigen por normas o especificaciones de los
EUA: Norma AASHTO Última Edición y Carga Viva HS-20-44 con o sin + 25 % según proyecto, y
Especificación AASHTO M 170-98 (ASTM C 76-95).
2. GENERALIDADES
2.1 Breves antecedentes históricos
En zonas rocosas, desde aun antes del megalitismo prehistórico, la solución
estructural más simple para salvar un curso de agua fue apoyar una voluminosa laja a
modo de dolmen entre las barrancas naturales o menhires. En las zonas boscosas el
hombre primitivo empleaba troncos apareados, horizontalmente dispuestos para el
mismo fin. Desde el principio hubo un perspicaz e intuitivo aprovechamiento de las
propiedades de los materiales naturales para soportar pesos: roca para compresión y
madera para flexión.
Mucho después, varias civilizaciones antiguas, principalmente la romana, desarrollaron la técnica de los
arcos de piedra. Con el posterior descubrimiento del cemento y concreto hidráulico el desarrollo pasó por
el conducto circular de concreto simple, moldeado con ayuda de encofrados de madera, hasta llegar al
contemporáneo tubo de concreto reforzado con barras de acero, fabricados en moldes plásticos o
metálicos, estáticos o deslizantes, y modernas técnicas de vibrado y curado.
2.2 Situación actual general
Las versiones modernas de los primeros antecedentes referidos arriba son las
alcantarillas rectangulares de concreto hidráulico, con losa reforzada simplemente
apoyada sobre estribos fundados en zapatas corridas, de robustez acorde con las
solicitaciones de compresión en el estribo y con la resistencia del suelo de fundación.
Tal esquema estático se extiende a los puentes de vigas simplemente apoyadas.
Con las cargas habituales máximas consideradas en el diseño vial (camiones cargados,
maquinaria vial), el esquema estático de losa simplemente apoyada tiene un límite
económico y práctico para la luz del orden de los 2 m.
Para luces mayores -cuyo efecto es cuadrático sobre los momentos flectores- el
crecimiento del peso debido al crecimiento del espesor de la losa entra en círculo
vicioso con la sección resistente necesaria, y fuertemente crece el requerimiento de
acero en la sección traccionada.
Para luces entre 2 y 6 m, el habitual esquema estático lo constituyen los sistemas
hiperestáticos aporticados -abiertos o cerrados según la resistencia del suelo de
fundación- para disminuir (distribuir) el momento flector (+) en el centro de la losa
transfiriéndolo a los nudos (-), a los parantes (estribos o pilas de pared delgada) y a la
fundación (zapatas o losa de fundación).
Otras técnicas relativamente nuevas son los cajones de elementos prefabricados, las
alcantarillas de chapas de acero corrugadas de ondulación anular (en planchas para
ensamblar) o helicoidal (sección completa), tubos de derivados plásticos.
Los medios de transporte disponibles (camiones, grúas) condicionan las dimensiones y
pesos de los elementos prefabricados, los cuales deben diseñarse estructuralmente
para resistir además los esfuerzos adicionales debidos al traslado.

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2.3 Situación local a marzo 2006 (Comienzo del proyecto)
Generalmente la elección entre los diferentes tipos de materiales está regida por
razones económicas, las cuales pueden ser coyunturales o permanentes según el país
o zona. En Nicaragua el material más conveniente es el concreto hidráulico, dada la
existencia de materiales para fabricar cemento, y de materiales granulares. Sin
embargo, en relación con las obras de drenaje menor, es común distribuir el acero
estructural importado según técnicas de países ricos, donde es más corriente usar el
acero para colaborar a soportar las tensiones de compresión.
El MTI no cuenta con Planos Tipo oficiales para obras de arte de drenaje menor.
Posiblemente debido a los exiguos plazos exigidos para los proyectos, los proyectistas
recurren a la solución más rápida, no la demostradamente más conveniente, y diseñan
alcantarillas con tubos de concreto reforzado TCR o metálicos TM de chapa corrugada,
ambos de origen comercial. Los primeros provistos por pocas fábricas locales que
monopolizan el mercado, y los segundos importados.
El cálculo estructural se limita a emplear las tablas dadas por los fabricantes para
elegir el tipo de tubo comercialmente disponible, según las cargas del proyecto, espesor
del relleno, y con o sin cargas accidentales (tránsito).
El cómputo del conducto se limita a hallar la longitud total de cada tipo de tubo,
múltiplo de la longitud útil (normal 1.25 m) según el fabricante, aunque, quizás para
compensar o a instancias del MTI como algunos comentan, se advierte un llamativo
celo en computar con dos decimales las obras secundarias: excavación, lecho y relleno,
de reducida incidencia en relación con el costo de los tubos.
De acuerdo con las tablas provistas por los fabricantes, el diámetro máximo de
los TCR es de 2.13 m (84”), y para corrientes de ancho cauce se recurre
frecuentemente a las baterías de conductos apareados, separados medio diámetro, con
cabezales (muros de cabecera, aletones, delantales y dientes) de mampostería de
piedra.
Cuando los tubos o baterías de tubos no son suficientes, se pasa a las cajas,
generalmente cuadradas simples, o múltiples hasta un número máximo de conductos
del orden de cuatro.
En lugar de emplear las secciones rectangulares disponibles de luz mayor que la
altura, es habitual sobredimensionar la altura del conducto usando una sección
cuadrada disponible de otro proyecto que, dado el NAME del lugar, posiblemente jamás
funcione sumergida o con relación He/D = 1, valor que en otros países los organismos
viales oficiales suelen especificar para dimensionar hidráulicamente los conductos,
según el procedimiento ampliamente aceptado de la Circular de Ingeniería Hidráulica N°
5 de la FHWA (concepto de Control de Entrada o Salida).
Este salto desde tubo TCR simple hasta múltiple o caja no resulta gradual. Es
amplio y brusco, ya sea en capacidad hidráulica o dimensiones del conducto; su primer
escalón o paso es duplicar la sección, es decir, 100 %. Por ejemplo, si el NAME medido
y la relación He/D adoptada indican la conveniencia de un diámetro x de capacidad 2
para un caudal 3, la solución habitual es mantener la forma de la sección (circular) y
duplicar el número de conductos de diámetro x, por lo que resulta una capacidad teórica
de 4, con un sobredimensionamiento del 33 % en este ejemplo.
Si se aumenta el diámetro x también se sobredimensiona o se eleva el tirante a la
entrada, extendiendo la superficie de inundación y elevando la velocidad a la salida.

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El redondo valor 3 del caudal del ejemplo es hipotético e improbable, debido a la generalizada y
arraigada práctica de los hidrólogos de presentar sus cálculos de caudales en m3
/s con por lo menos dos
decimales, y hasta cinco o seis cifras significativas, con el argumento de que respetan instrucciones del
personal de revisión de proyectos del MTI.
Esta pretendida precisión de los cálculos es engañosa y contraproducente; aunque pueda
deslumbrar al desprevenido, es natural que el revisor experto sospeche una velada intención de simular u
ocultar la frecuente endeblez de las bases del cálculo: a) pobreza de los registros pluviométricos, b)
inexistencia de estaciones de aforos, c) incertidumbre sobre la variación del coeficiente de escorrentía
según las condiciones antecedentes de humedad del suelo y la variación en el tiempo por cambios en el
uso del suelo, d) el muy probable recalentamiento global y sus consecuencias sobre la hidrología, e) la
imposibilidad práctica de verificar el grado de aproximación de las supuestas velocidades del
escurrimiento superficial dadas por Kirpich, f) las limitaciones intrínsecas del Método Racional, g) el
efecto apaciguador sobre el flujo máximo debido al almacenamiento en concavidades interiores (ruteo) y
muchas otras varias causas más.
El redondeo hacia el entero superior sería más convincente, conveniente y práctico.
Tampoco es justo acusar a la inocente computadora; ella no saca los resultados a su antojo, sino
como su operador instruye.
En definitiva, y acabando con la digresión, al mantener una sola forma de
sección (circular) no hay suficiente opciones para adaptarlas más ajustadamente a los
requerimientos; o sea, falta versatilidad.
Descartados por razones de facilidad de limpieza los diámetros inferiores a 0.76 m
según la instrucción del MTI, sólo quedan unos ocho diámetros D disponibles en el
mercado.
D: 0.76 – 0.91 – 1.07 – 1.22 – 1.37 – 1.52 – 1.83 – 2.13
Entre diámetros consecutivos resultan saltos de sección de
43 % - 38 % - 30 % - 26 % - 23 % - 45 % - 35 %
Hay más diámetros mayores posibles, pero se fabrican a pedido en plazos
impredecibles.
Según nuestra recopilación de datos, las dimensiones de las cajas simples CR
hasta ahora empleadas en los proyectos locales son (Bottom x Depth) en metros:
B: 2.74 – 3.05 – 3.66
D: 1.83 – 2.44 – 2.74 – 3.05
Las secciones rectangulares de B D son las ocho siguientes, agrupadas por igualdad
de D:
(3.05x1.83); (2.74x2.44 – 3.05x2.44 – 3.66x2.44); (2.74x2.74 – 3.05x2.74);
(3.05x3.05 – 3.66x3.05)
Con las alcantarillas metálicas las opciones son mayores porque, además de las
circulares, puede recurrirse a las eficientes secciones abovedadas u ovaladas de eje
mayor horizontal, de técnica constructiva similar que las circulares, pero igualmente
importadas y caras. Existen también en el mercado internacional cajones metálicos,
pero su costo no resulta conveniente para usar en las carreteras de los países en
desarrollo o sin industria siderúrgica propia.

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3 CAJONES CCS y CAJAS CSCR ADOPTADAS EN EL PROYECTO
Para el proyecto Acoyapa – San Carlos – Frontera con Costa Rica:
a) achicamos la brecha de capacidad hidráulica y dimensiones entre los tubos TCR
simples y múltiples; y entre los tubos TCR múltiples y las cajas de diseño existente, con
una alcantarilla cajón de hormigón CCS cuyo diseño geométrico y comportamiento
hidráulico responde al del plano tipo de la Dirección de Vialidad Nacional de la
Argentina, originalmente designado O-41211 – I.
b) achicamos la brecha de capacidad hidráulica y dimensiones entre los CCS y las
cajas simples de concreto reforzado existentes, con el plano tipo CSCR, diseñada junto
con los especialistas estructurales de EDICO.
3.1 Plano Tipo CCS
El comportamiento hidráulico y estructural, y el bajo costo relativo, están
avalados por 70 años de uso en caminos de todo tipo, desde autopistas hasta parqueos
de supermercados, como se expresa y documenta en la monografía publicada por la
EGIC-DNV Proyecto de la Alcantarilla Según Plano O-41211 I DNV, 1995 que
oportunamente remitimos al MTI en copia dura y soporte electrónico (CD Diseño Vial,
noviembre/diciembre 2006. Path: 4 MONOGRAFÍAS → 3 EGIC UBA-DNV → Alcantarillas → V&Q O-41211 →
Proyecto O-41211 (Archivo pdf).
Para adaptarla estructuralmente a las especificaciones locales, se verificó su
comportamiento a las solicitaciones que resultan de aplicarle la carga del camión HS-
20, igual que para los TCR prefabricados, en lugar de la aplanadora de 20 t empleada
en la versión original por influencia de la escuela alemana. Para determinar los efectos
de las cargas móviles en el dimensionamiento estructural se limitaron los espesores de
relleno teniendo en cuenta las especificaciones AASHTO, y se separó el diseño de
espesores y refuerzos de losa en dos tipos, A y B, para cajones simples y múltiples.
Designamos CCS el tipo de cajón a modo de sigla de Cajón de Concreto
Simple, dado que sólo se refuerza la losa, la cual se apoya estáticamente en estribos y
eventualmente, a guisa de losa continua, sobre pilas intermedias de Concreto Simple.
La platea (losa de hormigón en el fondo del conducto) no es de fundación sino
independiente, con la función hidráulica de revestir el cauce para protegerlo contra la
erosión, impedir el crecimiento de malezas, y uniformar el coeficiente de fricción.
Se emplean dos tipos de concreto hidráulico, el mejor para la losa reforzada, y el
restante para todos los demás elementos. Eventualmente, para profundidades (y) de
fundación mayores que 0.5 m, se recubre el suelo bajo la zapata corrida con concreto
pobre.
El largo del conducto, convenientemente redondeado a los 0.10 m, se denomina
J, y las dimensiones de la sección rectangular del conducto se denominan Luz = L;
Altura = H, las cuales varían modularmente:
L: 0.80 – 1.00 – 1.50 – 2.00
H: 0.50 – 0.75 – 1.00 – 1.25 – 1.50 – 1.75 – 2.00

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En realidad, la verdadera altura libre del conducto limpio es H + 0.10 m porque,
para calcular la capacidad hidráulica, conservativamente se aplica un coeficiente de
seguridad y se supone una restricción de sección por la acumulación de sedimentos
sobre la platea, situación que no se da si se diseña el conducto con pendiente
adecuada, por lo menos 0.5 %. En otras palabras, se supone la cota de desagüe 0.10
m sobre la cota de la platea, siendo H la medida entre la cota de desagüe y el fondo de
la losa armada superior.
En total resultan 28 opciones posibles de dimensiones de sección para conducto
simple, y se recomienda usar sólo excepcionalmente, o nunca, las combinaciones L<H.
Teóricamente, como con las TCR, no hay límite para el número n de conductos.
Sólo se recomienda intercalar juntas de dilatación o construcción distanciadas unos 5-8
metros, como cuando se diseña una losa de techo.
3.1.1 Razones de costos
A igualdad de eficiencia hidráulica para la condición He/D = 1 con control de
entrada y según las ecuaciones de la Hydraulic Design Serie 5 (HDS5), e igualdad de
longitud de conducto, calculamos los costos de la CCS y TCR con los precios unitarios
adoptados en el Estudio de Factibilidad para todos los ítems intervinientes, según
planilla que oportunamente entregamos al señor Jefe de Preinversión.
Para la comparación se eligió una longitud de conducto de 12.5 m, común múltiplo de
los módulos 1.25 m y 0.10 m de los TCR y CCS. Sin embargo, en la práctica real resulta
un frecuente sobredimensionamiento de la longitud de los TCR para adecuarla por
exceso al múltiplo entero de la longitud útil (LU) de fábrica.
En las once comparaciones realizadas para diferentes secciones, el costo del
TCR resultó superior al del CCS en valores variables entre 20 y 40 % para los
conductos simples, hasta más del 60 % para los conductos TCR múltiples vs.
CCS simples.
Como quien emula las técnicas de marketing de los promotores de ventas, en
principio sólo decidimos adoptar CCS de conducto simple donde las ventajas
económicas resultan abrumadoras e incontrastables; es decir, donde para emplear un
TCR que funcione con una misma relación He/D se requeriría una batería
Por las mismas razones, también adoptamos CCS múltiple en lugar de CCR simples o
múltiples en cauces extendidos de caudal importante, de altura hasta 2 m y luces
totales del orden de los 10 metros.
Tanto las TCR como las CCS y las CCR admiten sumersión hasta una relación
He/D ≈ 2, hasta donde siguen siendo válidos los gráficos de las curvas de
funcionamiento con controles de entrada y salida dadas en la Circular de Ingeniería
Hidráulica N°10, lo cual garantiza un eficiente comportamiento, aun en condiciones de
inundaciones excepcionales. Aunque, en nuestro proyecto, en casi todos los casos el
agua pasaría por arriba del camino, antes de llegar a esa relación.

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3.1.2 Algunas otras razones valederas
• Constituye un disuasor para una eventual tentación de los fabricantes de TCR de
pretender tomar ventaja económica por su situación cuasi-monopólica.
• Es una fuente de trabajo para mano de obra, no necesariamente de alta
especialización: albañiles, alarifes, carpinteros, armadores, peones, y pequeñas
empresas subcontratadas.
• El MTI podría adoptar el CCS para comenzar a compaginar su imprescindible
carpeta de Planos Tipo de obras repetitivas.
• Aceptando que nuestra profesión se debe básicamente a la escasez de los recursos,
el diseño estructural del CCS responde más acabadamente a tal razón de ser.
• Está en fase también con la ancestral intuición del hombre primitivo de asignar a los
materiales, naturales o no, las funciones para las cuales resultan más efectivos; en
nuestro caso, concreto hidráulico para resistir la compresión y acero para resistir la
tracción.
• El TCR, sin talón adicional u otra señal que indique posiciones “arriba” y “abajo”
como algunos conductos circulares para desagüe pluvial urbano, se dimensiona y
fabrica igual y uniformemente para todas las ubicaciones y las solicitaciones
máximas posibles, con armadura del lado interior y exterior de la pared, sin importar
qué función, si alguna, cumplirá una vez emplazado el tubo. O sea, tiene partes
eventualmente sobredimensionadas, pero no se sabe a priori cuáles serán.
• Igual que los CCS, los TCR enviajados se diseñan con muros de cabecera paralelos
al eje del camino -por dudosas razones estéticas, no de eficiencia hidráulica-, pero
no se especifica recortar (aserrar) y biselar en la entrada la parte saliente del tubo,
por lo que se originan estrangulamientos, torbellinos de la corriente, y consecuente
disminución de la capacidad hidráulica, hasta un 50 % según la HDS5.
• Las ecuaciones, nomogramas y gráficos de la CIH5 (BPR, 1965) o HSD5 (FHWA,
1985)) de aplicación para el método de dimensionamiento según los conceptos de
Control de Entrada y Salida, se obtuvieron por regresión estadística de datos
resultantes de pruebas de laboratorio minuciosamente controladas en conductos
simples de diversas formas, tipos de embocaduras, y materiales. Para dimensionar
los conductos múltiples se utiliza el práctico pero simplista procedimiento de dividir el
caudal por n, procedimiento no respaldado por resultados experimentales.
Evidentemente, como los autores del método de cálculo L.A. Herr & H.G. Bossy se
apuraron en reconocer (Ing. Rühle dixit), la obstrucción intermedia al paralelismo de
los filetes líquidos depende de la forma de entrada de los conductos y separación
entre ellos. En los TC, el frente remanente intermedio del muro de cabecera es de
forma )( con separación mínima de ½ D por razones constructivas, sin guías para la
división y ahusamiento anterior de la corriente de agua para mitigar su choque
frontal. En cambio, en los cajones CCS múltiples el frente de las pilas intermedias
es más esbelto, de ancho uniforme (forma ||) y sección horizontal triangular, como
se indica en el detalle PILAR INTERMEDIO PARA LUCES MÚLTIPLES del plano, lo
cual mitiga el efecto perturbador. No se ponderó todavía la magnitud de tal efecto
distorsivo, pero algunos proyectistas acostumbran afectar al caudal Q/n para
baterías de tubos circulares con el factor 1.2.

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3.2 Plano Tipo CSCR
Son Cajas Simples de Concreto Reforzado, para las cuales se mantuvo el
buen criterio de sólo usar B D (L H, según la nomenclatura adoptada) para los
rangos de valores modulados en sistema métrico:
L: 2.5 – 3.0 – 3.5 – 4.0 – 5.0
H: 2.0 – 2.5 – 3.5 – 4.0 – 5.0
Por lo que resultan las 20 combinaciones estructuralmente dimensionadas y detalladas
en la tabla del plano. El diseño responde a las Normas AASHTO 16ª Edición 1996 para
una carga viva HS-20-44 + 25 % en dos carriles.
4 COMPARACIÓN DE CAPACIDAD HIDRÁULICA
Estableciendo la condición He/D = 1 y Control de Entrada, con las ecuaciones de
la Hydraulic Design of Highway Culverts (HDS Nº 5) FHWA, se determinaron las
capacidades según las expresiones:
Tubos: Q = 1.32 D2.5
Cajones y Cajas Q = 1.26 LH1.5
En el gráfico adjunto, caudal Q (m3
/s) en función del área A (m2
) de la sección
llena, se representan las capacidades hidráulicas de: 1) los tubos TCR, 2) los cajones
CCS, 3) las cajas según Plano Tipo CSCR, y 4) las cajas simples existentes, anteriores
a nuestro proyecto, CSCRe.
Accesoriamente, además de ilustrar las brechas de capacidad y altura achicadas, el
gráfico resulta muy práctico para expeditivamente predimensionar o verificar secciones
para las condiciones indicadas.
5 CONCLUSIONES
Estamos convencidos de haber justificado amplia, objetiva y desinteresadamente las
razones para adoptar las alcantarillas cajón-CCS y caja-CSCR.
Son razones técnicas estructurales, hidráulicas y de racionalidad del uso de los
materiales, las cuales se traducen en importantes ventajas económicas.
El solo hecho de aumentar las opciones posibles y achicar las brechas, según se
graficó, reduce la necesidad de indeseables y costosos sobredimensionamientos.
Esperamos que el señor Jefe de Preinversión comparta nuestros argumentos y
conclusiones.
Nuestra recomendación está implícita en los párrafos anteriores.
Ing. Francisco Sierra
Director del Proyecto
Cc
Ing. J. Vanegas – Especificaciones, Cómputos y Costos
Ing. A. Bagliani – Diseño Vial y Drenaje
Ings Hidrotécnicos y Estructurales de EDICO